農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采納過(guò)程演化分析及仿真模擬

吳 芳，付 娜，趙新海

（1.天津師范大學(xué) 管理學(xué)院，天津 300387；2.天津農(nóng)學(xué)院 人文學(xué)院，天津 300384；3.天津農(nóng)學(xué)院計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，天津 300384）

0 引言

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things,IoT)在推動(dòng)農(nóng)業(yè)由粗放增長(zhǎng)向技術(shù)驅(qū)動(dòng)增長(zhǎng)轉(zhuǎn)變過(guò)程中扮演著重要角色,政府推廣和技術(shù)采納者之間的關(guān)系對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的有效擴(kuò)散至關(guān)重要［1］。 各國(guó)紛紛制定了相關(guān)戰(zhàn)略,如日本的“戰(zhàn)略創(chuàng)新促進(jìn)計(jì)劃(SIP)”,歐洲農(nóng)業(yè)機(jī)械協(xié)會(huì)的“農(nóng)業(yè)4.0”,英國(guó)的“未來(lái)農(nóng)場(chǎng)計(jì)劃”和美國(guó)的“精確農(nóng)業(yè)計(jì)劃”。 國(guó)際咨詢機(jī)構(gòu)“Research and Market”預(yù)測(cè),2025 年智慧農(nóng)業(yè)的全球市場(chǎng)價(jià)值將達(dá)到182.1 億美元。 然而,中國(guó)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的人均管理面積相當(dāng)于日本的1/5,歐盟的1/50 和美國(guó)的1/300。 受限于教育程度和生產(chǎn)規(guī)模,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)擴(kuò)散存在如下問(wèn)題:(1)農(nóng)民不愿支付巨額技術(shù)成本,拒絕采用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。 (2)如何建立以農(nóng)民和市場(chǎng)為主導(dǎo)的可持續(xù)發(fā)展機(jī)制？ (3)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展對(duì)農(nóng)民的技術(shù)采納有什么影響？ 上述問(wèn)題阻礙了農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的擴(kuò)散,亟待解決。

1 研究概述

當(dāng)前,與本研究相關(guān)的內(nèi)容主要有技術(shù)采納分析與策略進(jìn)化博弈。

1.1 技術(shù)采納分析

關(guān)于技術(shù)采納分析,Jessica 等［2］分析了奶業(yè)、畜牧業(yè)和種植業(yè)中采用寬帶技術(shù)的情況。 研究發(fā)現(xiàn),采納者的性別、收入、規(guī)模和受教育程度與寬帶技術(shù)的選擇密切相關(guān),采納技術(shù)的最大障礙是數(shù)據(jù)隱私和安全。Aklin 等［3］對(duì)印度農(nóng)民的太陽(yáng)能用電進(jìn)行調(diào)查,認(rèn)為家庭支出、儲(chǔ)蓄和創(chuàng)新態(tài)度與采用太陽(yáng)能技術(shù)水平密切相關(guān),燃料支出、風(fēng)險(xiǎn)接受程度和社區(qū)信任與技術(shù)采納相關(guān)。 劉艷婷等［4］以江西農(nóng)戶為研究對(duì)象,分析了社會(huì)網(wǎng)絡(luò)、信息成本對(duì)農(nóng)戶生態(tài)耕種采納意愿的影響,發(fā)現(xiàn)社會(huì)網(wǎng)絡(luò)能夠促進(jìn)采納,信息成本能夠抑制采納。Bukchin 等［5］使用多元回歸分析調(diào)查了尼泊爾采納防止土壤退化技術(shù)的過(guò)程,發(fā)現(xiàn)教育和溝通提高了農(nóng)民采用新技術(shù)的比例。 Berhe 等［6］認(rèn)為埃塞俄比亞農(nóng)業(yè)家庭采用沼氣能源與木柴、木炭的使用正相關(guān)；性別、信貸服務(wù)影響了家庭的能源選擇。 可知,已有文獻(xiàn)缺乏關(guān)于農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采納的相關(guān)研究。

1.2 策略進(jìn)化博弈

競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中,策略選擇的動(dòng)態(tài)變化引起了學(xué)者們的關(guān)注。 Kopel 等［7］構(gòu)建了利潤(rùn)與社會(huì)效用最大化并存的市場(chǎng)博弈模型,基于異步更新規(guī)則,研究了戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的穩(wěn)定狀態(tài)和復(fù)雜動(dòng)力行為。 Baiardi 等［8］構(gòu)建了演化競(jìng)爭(zhēng)模型,參與者可以選擇局部壟斷策略或梯度動(dòng)態(tài)策略,分析了模型的全局穩(wěn)定性,并解釋了演化穩(wěn)定異質(zhì)狀態(tài)的原因。 Ahmad 等［9］建立了雙寡頭經(jīng)濟(jì)演化模型,其中兩個(gè)效用最大化的參與者具有不同的偏好結(jié)構(gòu)。

上述文獻(xiàn)為技術(shù)推廣和競(jìng)爭(zhēng)市場(chǎng)中的可持續(xù)采納提供了理論參考,但針對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的相關(guān)研究幾乎為空白。 本文將考慮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展特征,構(gòu)建農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采納決策模型,研究采納水平動(dòng)態(tài)演化,為農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的可持續(xù)發(fā)展提供策略參考。

2 模型假設(shè)

假設(shè)市場(chǎng)上有N個(gè)生產(chǎn)同類(lèi)產(chǎn)品的農(nóng)業(yè)企業(yè),市場(chǎng)存在兩種生產(chǎn)技術(shù):農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)。 詳細(xì)假設(shè)如下。

2.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成本

農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)大大減少了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的邊際成本。 固定成本來(lái)源于物聯(lián)網(wǎng)電子設(shè)備,由于技術(shù)進(jìn)步,設(shè)備性能增長(zhǎng)迅速并遵循摩爾定律。 根據(jù)Voller 等［10］的研究,成本的變化規(guī)律如公式(1)所示:

2.2 傳統(tǒng)技術(shù)的生產(chǎn)成本

c2≠0,c2?c1,k2為固定成本參數(shù)。

2.3 農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格

3 模型

3.1 采納比例分析

假設(shè)有一個(gè)無(wú)限數(shù)量的農(nóng)業(yè)企業(yè)群,并且它們?cè)诿總€(gè)時(shí)間段都成對(duì)匹配以進(jìn)行雙企業(yè)博弈［9］。 兩家農(nóng)業(yè)企業(yè)的戰(zhàn)略選擇矩陣如表1 所示。

表1 選擇矩陣

使用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù)的預(yù)期收益如公式(8)所示:

3.2 技術(shù)采納水平的更新機(jī)制

根據(jù)文獻(xiàn)［7,9］,采納比率遵循異步更新機(jī)制:

λ(λ∈［0,1］) 被稱為策略可能性參數(shù)。 當(dāng)λ＝0,農(nóng)業(yè)主體決策遵循異步更新機(jī)制,當(dāng)λ＝1,系統(tǒng)為非動(dòng)態(tài)演化狀態(tài)。σ為選擇強(qiáng)度系數(shù),表示農(nóng)業(yè)主體對(duì)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的敏感程度。 如果σ＝0,φ(t+1)＝φ(t) ；如果σ→∞,表示農(nóng)業(yè)主體將毫不猶豫地采納農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。 采納技術(shù)和拒絕技術(shù)兩種策略下主體的利潤(rùn)如公式(7)和(8)所示。

4 數(shù)值模擬

下面將使用數(shù)值模擬法分析農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采納的動(dòng)態(tài)過(guò)程,令a＝2；k2＝0.01；ε＝0.182 555。 采納比例隨σ的變化如圖1—2 所示。

圖1 c1 ＝0.08，c2 ＝0.5，t ＝3

4.1 技術(shù)采納失敗

圖1 中,φ＝0。 此時(shí),農(nóng)業(yè)主體選擇使用傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)技術(shù),拒絕采納農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

4.2 理想的技術(shù)采納

圖2 中,當(dāng)c1＝0.08,c2＝0.5,t＝3.181 9 時(shí)φ＝1,表示所有企業(yè)均采納農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

圖2 c1 ＝0.08，c2 ＝0.5，t ＝3.181 9

4.3 內(nèi)部均衡向理想采納的過(guò)渡

t≥3.181 9:在圖3 中,當(dāng)σ≤5.16,φ＝φ*＝0.052；當(dāng)σ∈(5.16,16.2］,φ進(jìn)入均衡遷移狀態(tài),此時(shí)φ∈［0.052,1］ ；當(dāng)σ ＞16.2,φ＝1 時(shí),所有企業(yè)均采納農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

圖3 采納比例的均衡遷移過(guò)程

t ＜3.181 9:在圖4 中,內(nèi)部均衡點(diǎn)φ*＝0.052 向φ＝0 演化。

圖4 采納比例φ 隨σ 的變化

圖5 中,采納比例φ隨著t的變化可以向0 和1 兩個(gè)方向演化。t為摩爾定律中的時(shí)間參數(shù),其本質(zhì)代表技術(shù)創(chuàng)新。 當(dāng)t≥3.181 9,∏aa＞∏ba,∏ab＞∏bb,農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)主導(dǎo)市場(chǎng),采納比例由0.052 演化到全部采納1。 即市場(chǎng)上農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的采納水平大大提升。隨著t的增長(zhǎng),創(chuàng)新不斷加快,向全部采納轉(zhuǎn)變的過(guò)渡階段越來(lái)越小,意味著向理想狀態(tài)的進(jìn)化越來(lái)越容易。當(dāng)t＜3.181 9,∏ba＞∏aa,∏bb＞∏ab,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)統(tǒng)治市場(chǎng),采納比例參數(shù)由0.052 向0 演化。

圖5 采納比例φ 隨σ 和t 的演化

通過(guò)上述分析,應(yīng)該從下面兩點(diǎn)著手推廣農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù):第一,降低物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成本,提供補(bǔ)助,使得采納農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在市場(chǎng)上能夠贏得相對(duì)較高的利潤(rùn)。 第二,持續(xù)加強(qiáng)技術(shù)研發(fā),即增加參數(shù)t,減小過(guò)渡階段,促進(jìn)內(nèi)部均衡φ＝0.052 向理想采納φ＝1 演化。

5 結(jié)語(yǔ)

諾貝爾農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)獎(jiǎng)得主西奧多·W·舒爾茨［11］認(rèn)為,農(nóng)民在權(quán)衡收入和風(fēng)險(xiǎn)后,對(duì)先進(jìn)技術(shù)的期望是最佳選擇。 內(nèi)部平衡點(diǎn)的存在再次驗(yàn)證了這一觀點(diǎn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)支持下的農(nóng)業(yè)企業(yè)有望獲得高產(chǎn),但對(duì)農(nóng)業(yè)信息基礎(chǔ)和設(shè)備可靠性的要求很高。 另外,在中國(guó)的偏遠(yuǎn)地區(qū),由于運(yùn)輸和物流能力低下,大量產(chǎn)品無(wú)法及時(shí)運(yùn)出,因此“谷賤傷農(nóng)”。 傳統(tǒng)的生產(chǎn)模式,盡管有其弊端,但可以確保穩(wěn)定的產(chǎn)量。 因此,農(nóng)民權(quán)衡利弊之后,內(nèi)部平衡是最佳選擇。 但是,農(nóng)業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要組成部分,為了國(guó)民經(jīng)濟(jì)均衡發(fā)展,傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的提升和改造勢(shì)在必行。 應(yīng)從以下幾點(diǎn)著手:(1)提供農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)服務(wù),幫助農(nóng)民制定投資計(jì)劃,為農(nóng)民提供必要的技能和知識(shí)。 (2)解決國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備價(jià)格昂貴,故障率高的問(wèn)題。 (3)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的推廣和傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)的提升轉(zhuǎn)型是一項(xiàng)公益性工作,需要大量金錢(qián)和人力,需要政府統(tǒng)籌安排。