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        基于綠色數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化循環(huán)農(nóng)業(yè)研究
        ——理論、架構(gòu)及展望

        2023-02-05 13:26:32陳奕延李曄李存金李群
        生態(tài)經(jīng)濟(jì) 2023年2期
        關(guān)鍵詞:綠色農(nóng)業(yè)生態(tài)

        陳奕延,李曄,李存金,李群

        (1.北京理工大學(xué) 管理與經(jīng)濟(jì)學(xué)院,北京 100081;2.南開大學(xué) 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)發(fā)展研究院,天津 300072;3.中國社會(huì)科學(xué)院 數(shù)量經(jīng)濟(jì)與技術(shù)經(jīng)濟(jì)研究所,北京 100732)

        自人類學(xué)會(huì)使用生產(chǎn)工具以來,農(nóng)業(yè)活動(dòng)不僅成了揭示文明的有力證據(jù)[1],也成了滿足人類基本生存需求的方式之一[2]。工業(yè)革命后,科技作為重要的生產(chǎn)力要素之一逐漸對農(nóng)業(yè)形成主導(dǎo),并促使其愈發(fā)繁榮[3-5]。然而,新冠肺炎疫情的影響給全球農(nóng)業(yè)的蓬勃發(fā)展蒙上了陰影,引發(fā)了堪稱全球50 年來最為嚴(yán)重的糧食危機(jī),波及至少25 個(gè)國家[6]。擁有14 億多人口、對糧食需求極大的中國能否安穩(wěn)度過此次危機(jī),成為社會(huì)各界的關(guān)注焦點(diǎn)。中國作為一個(gè)擁有數(shù)千年農(nóng)耕文明的國家,其農(nóng)業(yè)活動(dòng)始于新石器時(shí)代[7],迄今為止農(nóng)業(yè)依然是中國的主要支柱產(chǎn)業(yè)之一,并肩負(fù)著14 億人民的溫飽需求。為積極應(yīng)對此次糧食危機(jī),中國政府近期調(diào)整了糧食政策以滿足日益增長的飼料和糧食需求,包括減少玉米種植面積,恢復(fù)雙季稻種植,穩(wěn)定小麥面積,減少總休耕面積等[8]。

        這次全球性的糧食危機(jī)將迫使中國深化農(nóng)業(yè)改革,除了用行政手段調(diào)整農(nóng)業(yè)耕種政策、優(yōu)化糧食種植類目外,深化農(nóng)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新、進(jìn)一步強(qiáng)化技術(shù)對農(nóng)業(yè)的創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)作用尤為重要。已有研究表明,新產(chǎn)品、新技術(shù)和新服務(wù)的出現(xiàn)能夠提高生產(chǎn)水平,能夠給行業(yè)市場帶來復(fù)蘇[9-10]。中國在遙感衛(wèi)星、大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)上的開發(fā)研究與應(yīng)用已形成成熟的體系,并占據(jù)全球領(lǐng)先地位,這些前沿技術(shù)大多依靠數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng),因此也統(tǒng)稱這些技術(shù)為“數(shù)字技術(shù)”,它們?yōu)橹袊r(nóng)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了支撐。在這些技術(shù)中,較為新穎的是綠色數(shù)據(jù)中心。綠色數(shù)據(jù)中心有著穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、設(shè)計(jì)彈性等優(yōu)勢,能夠解決傳統(tǒng)數(shù)字中心高耗能、高污染的缺點(diǎn),并為大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等其他數(shù)字化技術(shù)提供軟硬件支撐,為農(nóng)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型貢獻(xiàn)力量。本研究首先論證了綠色數(shù)據(jù)中心作為通用目的技術(shù)具有滲透性,在此基礎(chǔ)上以北京留民營生態(tài)農(nóng)場為例,根據(jù)北京留民營生態(tài)農(nóng)場的發(fā)展現(xiàn)狀及挑戰(zhàn),提出了一個(gè)基于綠色數(shù)字中心的數(shù)字化農(nóng)業(yè)框架,這一框架作為一項(xiàng)提案,被用于改進(jìn)北京留民營生態(tài)農(nóng)場的現(xiàn)有循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,同時(shí)也為該生態(tài)農(nóng)場提供了一條發(fā)展“數(shù)字化循環(huán)農(nóng)業(yè)”的路徑,為今后進(jìn)一步研究循環(huán)農(nóng)業(yè)數(shù)字化及其實(shí)踐提供了參考。

        1 文獻(xiàn)回顧

        數(shù)據(jù)中心(這是一個(gè)統(tǒng)稱,其類別包括模塊化數(shù)據(jù)中心、一體化數(shù)字中心、集成數(shù)據(jù)中心等)作為終端海量數(shù)據(jù)的承載與傳輸實(shí)體,支撐著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等前沿?cái)?shù)字化技術(shù)的發(fā)展,是信息化社會(huì)的基石,是國家信息化綜合實(shí)力的綜合體現(xiàn)之一。數(shù)據(jù)中心的規(guī)模和計(jì)算能力將是國家之間開展信息化競爭力的重要指標(biāo)之一。根據(jù)2019 年的估計(jì),2020 年中國規(guī)模以上的數(shù)據(jù)中心保有量超過8 萬個(gè),建筑總面積超過3 000萬平方米,數(shù)據(jù)中心相關(guān)市場的環(huán)比增長率將達(dá)到30%[11]。然而,傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心對能源的消耗越來越多[12],全世界數(shù)據(jù)中心2020 年的總耗電量將超過5 000 億千瓦時(shí)[13]。截至2019 年,中國數(shù)據(jù)中心的耗電量已連續(xù)8年以超過12%的速度增加,預(yù)計(jì)2023 年的年度耗電量將達(dá)到2 670 億千瓦時(shí)[14]。在能耗結(jié)構(gòu)上,中國數(shù)據(jù)中心的耗電量來自煤電的比率高達(dá)73%,可再生能源發(fā)電的比率為23%,不足煤電的1/3,而作為清潔能源的核電的比率僅為4%[15]。數(shù)據(jù)中心產(chǎn)業(yè)消耗了巨大的電量,這給節(jié)能減排的落實(shí)帶來了壓力,而且占主導(dǎo)地位的煤炭發(fā)電也給生態(tài)環(huán)境帶來了破壞[16-18]。此外,許多傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心由于規(guī)劃不合理,存在供電和制冷設(shè)備規(guī)劃過度、空間布局混亂、氣流組織模式低效、CPU 可用性冗余、線纜布置復(fù)雜繁瑣、機(jī)柜空置率高、整個(gè)數(shù)據(jù)中心的負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)較低等問題[19],這導(dǎo)致了數(shù)據(jù)中心在日常運(yùn)營上進(jìn)一步加劇了能源消耗、人力資源配置、資本投入等方面的浪費(fèi),因此,為了減少污染,節(jié)約能源(主要是電力),節(jié)約成本,提高工作效率,綠色數(shù)據(jù)中心的發(fā)展得到了中國政府與社會(huì)各界的關(guān)注與支持。

        當(dāng)前,綠色數(shù)據(jù)中心在中國國內(nèi)尚無統(tǒng)一的定義,但可以根據(jù)現(xiàn)有的綠色數(shù)據(jù)中心評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸納總結(jié)。參考2015 年中國工業(yè)和信息化部、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局和國家能源局共同發(fā)布的《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)工作方案》[20],2015 年中國住房城鄉(xiāng)建設(shè)部印發(fā)的《綠色數(shù)據(jù)中心建筑評價(jià)技術(shù)細(xì)則》[21],2017 年中國工業(yè)和信息化部辦公廳、國家機(jī)關(guān)事務(wù)管理局辦公室、國家能源局綜合司公布的《國家綠色數(shù)據(jù)中心試點(diǎn)評價(jià)指標(biāo)體系(2017)》[22],以及中國電子學(xué)會(huì)、中國建筑學(xué)會(huì)等社會(huì)團(tuán)體發(fā)布的關(guān)于綠色數(shù)據(jù)中心評價(jià)的團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合學(xué)術(shù)界的已有研究[23-26],可以將綠色數(shù)據(jù)中心定義為:“在保障服務(wù)安全可靠性的前提下,從建筑規(guī)劃、能耗排放、廢棄物處理、運(yùn)營管理等多方面實(shí)現(xiàn)對環(huán)境影響最小化,對資源利用最大化的數(shù)據(jù)中心”。在中國,綠色數(shù)據(jù)中心技術(shù)已開發(fā)出較多成熟的產(chǎn)品,比如華為開發(fā)的FusionModule500、FusionModule800、FusionModule1000A 系列產(chǎn)品,這些綠色數(shù)據(jù)中心多采用集成方式,將機(jī)柜、制冷系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、布線集成于一個(gè)箱體或容器內(nèi),形成緊湊、科學(xué)、空間利用率高的數(shù)據(jù)中心。除華為外,中興通訊、DELL、KELONG、微軟、蘋果等品牌也開發(fā)或規(guī)劃了各式各樣的綠色數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品,豐富了市場。此外,全球?qū)W術(shù)界也對綠色數(shù)據(jù)中心的研究投入了高度的熱情,包括對數(shù)據(jù)中心的地板散熱設(shè)計(jì)[27]、冷負(fù)荷與節(jié)能估算[28]、元件性能及壽命研究[29]、冷卻方式對比[30]、設(shè)備參數(shù)檢測與優(yōu)化[31]等。諸如此類的研究還有很多,但大多集中于對綠色數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)規(guī)劃、功能提升以及系統(tǒng)架構(gòu),在農(nóng)業(yè)場景中應(yīng)用綠色數(shù)據(jù)中心的案例較少。

        2 綠色數(shù)據(jù)中心與滲透性

        通過文獻(xiàn)的梳理,我們可以歸納總結(jié)出綠色數(shù)據(jù)中心的一系列優(yōu)勢,譬如具備穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性、經(jīng)濟(jì)可行性[28]、設(shè)計(jì)彈性[29]、操作靈活性以及低能耗等特點(diǎn),能夠減少對環(huán)境的不利影響[30]等。雖然具備上述優(yōu)勢,但綠色數(shù)據(jù)中心是否能夠與農(nóng)業(yè)完美契合,取決于它是不是一項(xiàng)通用目的技術(shù)。通用目的技術(shù)(General-Purpose Technology)是指那些能夠促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長的技術(shù)創(chuàng)新[32],比如電力、蒸汽機(jī)、計(jì)算機(jī)等。在工程領(lǐng)域,任何技術(shù)都可以成為通用目的技術(shù)的候選,只要滿足以下兩個(gè)條件[33]:第一,某些具體的應(yīng)用發(fā)明制造了持續(xù)學(xué)習(xí)如何讓技術(shù)變得“通用”的機(jī)會(huì);第二,提高技術(shù)的通用知識能夠使“新的具體發(fā)明機(jī)會(huì)”(new specific invention opportunities)成為可能。這一概念主要應(yīng)用于技術(shù)創(chuàng)新領(lǐng)域且較為抽象。在此基礎(chǔ)上,Carlaw 等[34]提出了通用目的技術(shù)的三項(xiàng)基本特征:第一,能夠與定義它或者支持它的技術(shù)形成互補(bǔ);第二,能夠與通過它才能實(shí)現(xiàn)的技術(shù)形成互補(bǔ);第三,能夠與一組政治、社會(huì)或經(jīng)濟(jì)的變革性的技術(shù)形成互補(bǔ)。

        對照以上三項(xiàng)特征,綠色數(shù)據(jù)中心能夠被認(rèn)為是一項(xiàng)通用目的技術(shù)。首先,綠色數(shù)據(jù)中心符合第一項(xiàng)特征,這是因?yàn)榫G色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能要求使得它必須在IT 設(shè)備、機(jī)房空調(diào)系統(tǒng)、供配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)等諸多軟硬件上采用節(jié)能技術(shù),這些節(jié)能技術(shù)使得綠色數(shù)據(jù)中心變得“更綠色”,對綠色數(shù)據(jù)中心起到了支持作用,而為了使能耗更加節(jié)約,以IT 設(shè)備為例,綠色數(shù)據(jù)中心會(huì)采用高效智能電源、動(dòng)態(tài)制冷、低功率CPU 處理器等技術(shù)部件來降低能耗,這對IT 設(shè)備的節(jié)能性有了更高的要求,促進(jìn)了IT 設(shè)備節(jié)能性的進(jìn)一步發(fā)展,綠色數(shù)據(jù)中心與節(jié)能技術(shù)之間能夠相互支持,節(jié)能技術(shù)代表“綠色”,而沒有節(jié)能技術(shù)的綠色數(shù)據(jù)中心將退化為普通數(shù)據(jù)中心,代表“非綠色”,二者之間能夠形成互補(bǔ);其次,綠色數(shù)據(jù)中心符合第二項(xiàng)特征,模塊化數(shù)據(jù)中心是綠色數(shù)據(jù)中心的一類,它的設(shè)計(jì)架構(gòu)是基于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心虛擬化應(yīng)用的基礎(chǔ)之上,將服務(wù)器、存儲(chǔ)等諸多設(shè)備集成裝箱處理,形成緊湊的結(jié)構(gòu)布局,如果沒有綠色數(shù)據(jù)中心這一概念的產(chǎn)生,則自然不會(huì)有模塊化數(shù)據(jù)中心的產(chǎn)生,而模塊化數(shù)據(jù)中心擁有的可擴(kuò)展性、能耗利用率高的特點(diǎn)也對綠色數(shù)據(jù)中心形成了補(bǔ)充,使其變得“更綠色”;最后,綠色數(shù)據(jù)中心符合第三項(xiàng)特征。隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)的興起與人類社會(huì)對綠色發(fā)展的強(qiáng)烈夙愿,市場對綠色數(shù)據(jù)中心的需求越來越大,大數(shù)據(jù)、云計(jì)算這些技術(shù)則必須依托綠色數(shù)據(jù)中心才能形成完整的技術(shù)配套設(shè)施,而大數(shù)據(jù)、云計(jì)算這些技術(shù)可以引導(dǎo)行業(yè)模式變革與產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級,具備引發(fā)經(jīng)濟(jì)社會(huì)變革的能力,因此具有變革性,而綠色數(shù)據(jù)中心則可與上述技術(shù)形成互補(bǔ)。因此,綠色數(shù)據(jù)中心符合上述三項(xiàng)要求,是當(dāng)之無愧的通用目的技術(shù)。

        通用目的技術(shù)的關(guān)鍵特點(diǎn)是“ 滲透性”(pervasiveness)[35],具體來說,滲透性指的是某些特定技術(shù)能夠與其他技術(shù)、社會(huì)各個(gè)行業(yè)、各個(gè)生產(chǎn)生活環(huán)節(jié)緊密相連并有機(jī)結(jié)合,從而帶來革新的一種潛能[36]。農(nóng)業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型可以促進(jìn)農(nóng)業(yè)創(chuàng)新體系的發(fā)展并提升農(nóng)業(yè)水平[37],而數(shù)字化轉(zhuǎn)型的實(shí)現(xiàn)往往依賴于數(shù)字技術(shù)的運(yùn)用[38],將數(shù)字技術(shù)集成到業(yè)務(wù)流程中可以提高生產(chǎn)力水平并創(chuàng)造新模式[39]。另外,當(dāng)一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)的新技術(shù)之間通過特定的方式進(jìn)行集成、協(xié)同或組合時(shí),通常會(huì)出現(xiàn)相當(dāng)顯著的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)率提高[40],這對農(nóng)業(yè)是非常有益的。滲透性則是通用目的技術(shù)的性質(zhì),因此,如果綠色數(shù)據(jù)中心屬于通用目的技術(shù),則它們可以利用滲透性與農(nóng)業(yè)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合,為農(nóng)業(yè)的“數(shù)字化轉(zhuǎn)型”提供契合點(diǎn)。在論證了綠色數(shù)據(jù)中心是一項(xiàng)通用目的技術(shù)且具有滲透性的基礎(chǔ)上,利用綠色數(shù)據(jù)中心對北京留民營生態(tài)農(nóng)場進(jìn)行技術(shù)架構(gòu),提出一套基于綠色數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化循環(huán)農(nóng)業(yè)框架,以期幫助留民營生態(tài)農(nóng)場實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型,并在此基礎(chǔ)上最大限度提升其循環(huán)農(nóng)業(yè)的效率。

        3 北京留民營生態(tài)農(nóng)場的數(shù)字化轉(zhuǎn)型方案

        3.1 案例背景介紹

        北京留民營生態(tài)農(nóng)場位于北京市大興區(qū)長子營鎮(zhèn),整個(gè)生態(tài)農(nóng)場占地面積142 公頃?,F(xiàn)有農(nóng)戶260 戶,人口861 人。工、農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值達(dá)到3 億元,人均收入18 000 元。自1982 年開始,留民營便開始建設(shè)循環(huán)農(nóng)業(yè)體系,開發(fā)利用太陽能和生物能,通過幾十年的陸續(xù)建設(shè)與改造,最終形成了以沼氣為中心,串聯(lián)種植、養(yǎng)殖、加工、生產(chǎn)、供給、銷售、農(nóng)業(yè)觀光旅游一條龍的循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)[41]。

        傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式下的物質(zhì)及能量都是單向流動(dòng)的,整個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)需要從外部汲取物質(zhì)和能量,而無法在系統(tǒng)內(nèi)部生成。當(dāng)外部汲取的物質(zhì)能能量進(jìn)入農(nóng)業(yè)系統(tǒng)后,則通過“資源→農(nóng)產(chǎn)品→農(nóng)業(yè)廢棄物”的單鏈條線性模式向外部排出。而北京留民營生態(tài)農(nóng)場采用的是生態(tài)農(nóng)業(yè)中的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,這一模式能夠通過農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的合理組織,將部分可再生循環(huán)利用的農(nóng)業(yè)廢棄物作為資源再次利用,從而將整個(gè)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)內(nèi)部的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)耦合成一個(gè)物質(zhì)和能量的回流閉環(huán),從而達(dá)到資源的節(jié)約與多次利用,這一模式具有提高資源利用率、消除環(huán)境外部的經(jīng)濟(jì)不確定性、節(jié)約資源,優(yōu)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境等特征。用化肥、糧田、牛飼料、奶牛、牛糞和牛奶這些元素分別構(gòu)建傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè),二者的區(qū)別如圖1 所示。

        圖1 傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)與循環(huán)農(nóng)業(yè)的區(qū)別

        北京留民營生態(tài)農(nóng)場充分利用秸稈飼料化、禽畜糞便堆肥、沼氣發(fā)酵、太陽能、沼氣發(fā)電等方式,將養(yǎng)牛場、養(yǎng)雞場、養(yǎng)豬場、魚塘、農(nóng)田、苗圃、果園、食品加工廠、沼氣池、旅店、商店等有機(jī)鏈接起來,而作為能源供給核心的沼氣池節(jié)約了大量能耗并降低了對環(huán)境的破壞,使得整個(gè)生態(tài)農(nóng)場每年可以減少3 000 噸標(biāo)準(zhǔn)煤的使用,4.6 噸SO2排放,3.6 噸粉塵排放,以及720 噸的CO2排放[42]。此外,禽畜糞便、人類糞便以及生活污水、農(nóng)業(yè)污水、生活有機(jī)廢物、種植作物秸稈均可以作為發(fā)酵原料用以制作復(fù)合有機(jī)肥料,而使用這些復(fù)合有機(jī)肥料可以進(jìn)一步減少農(nóng)產(chǎn)品的農(nóng)藥殘留,并改善土壤的結(jié)構(gòu),這也是留民營生態(tài)農(nóng)場盛產(chǎn)大量有機(jī)食品的主要原因,這些有機(jī)食品可以通過線下線上的銷售平臺面向公眾出售,游客也可以通過生態(tài)采摘的方式獲得這些有機(jī)食品,這進(jìn)一步促進(jìn)了農(nóng)場的生態(tài)農(nóng)業(yè)旅游等文娛項(xiàng)目,豐富了經(jīng)營范圍,同時(shí)能夠吸引更多游客[43]。

        北京留民營生態(tài)農(nóng)場的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式以及業(yè)務(wù)多元化經(jīng)營方式為它贏得了諸多榮耀,包括“北京最美鄉(xiāng)村”“全國綠色村莊”等榮譽(yù)稱號,但隨著時(shí)間的推移,一系列缺點(diǎn)也逐漸浮出水面,包括2010 年被媒體曝光其下屬農(nóng)業(yè)公司使用虛假的產(chǎn)品質(zhì)量追溯碼、漏檢農(nóng)藥殘留量、用普通蔬菜冒充有機(jī)蔬菜以次充好[44];同年,留民營生態(tài)農(nóng)場又被媒體和專家質(zhì)疑其有機(jī)蔬菜生產(chǎn)流程衛(wèi)生條件較差,種植有機(jī)蔬菜使用的有機(jī)復(fù)合肥存在大腸桿菌超標(biāo),種植土壤存在抗生素殘留等問題[45]。此外,還存在中間商逐層分銷賺取利潤導(dǎo)致有機(jī)蔬菜價(jià)格過高、沼氣臭味影響有機(jī)蔬菜生產(chǎn)環(huán)境和工人健康,水質(zhì)土壤不理想,生產(chǎn)流程不規(guī)范,營銷模式“難以為繼”等問題[46]。

        這些問題的背后是北京留民營生態(tài)農(nóng)場的數(shù)字化轉(zhuǎn)型問題,雖然采用了綠色、環(huán)保的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式,但在包括產(chǎn)品生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)循環(huán)流程、市場營銷等方面仍然缺少開放、透明、高效精準(zhǔn)的有效管理,這不僅導(dǎo)致其品牌聲譽(yù)受到損失,也使得其農(nóng)業(yè)效率低下,有機(jī)農(nóng)業(yè)的投入成本大、回報(bào)周期長,獲得農(nóng)產(chǎn)品有機(jī)認(rèn)證需要經(jīng)過三年的土壤改良,有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量較低,無法獲得足夠的利潤預(yù)期來吸引投資商[46]。因此,必須對留民營生態(tài)農(nóng)場的農(nóng)業(yè)模式進(jìn)行改進(jìn),進(jìn)而提升其農(nóng)業(yè)水平。2018年10月,留民營村黨支部的領(lǐng)導(dǎo)在“留民營鄉(xiāng)村振興與黨建工作聯(lián)席會(huì)”上提出了實(shí)現(xiàn)留民營村“鄉(xiāng)村治理現(xiàn)代化、科技化、信息化和產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級”的目標(biāo),并號召與全球特色小鎮(zhèn)聯(lián)盟以及北京海淀信用產(chǎn)業(yè)聯(lián)合會(huì)的密切合作,將留民營村打造成集低碳生態(tài)、數(shù)字智慧、智能宜居、文旅康養(yǎng)、幸福生活“五位一體”的科技新城[47]。因此,基于這一背景,我們將充分利用綠色數(shù)據(jù)中心技術(shù),提出了一個(gè)基于綠色數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化農(nóng)業(yè)框架,這一框架能夠解決上述問題,并為該生態(tài)農(nóng)場的循環(huán)農(nóng)業(yè)模式提供一個(gè)可行的、能夠提升農(nóng)業(yè)水平的數(shù)字化轉(zhuǎn)型方案。

        3.2 基于綠色數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化技術(shù)架構(gòu)

        留民營生態(tài)農(nóng)場的循環(huán)農(nóng)業(yè)系統(tǒng)由多個(gè)部分組成,主要包括養(yǎng)雞場、養(yǎng)牛場、養(yǎng)豬場、藕池、魚塘、農(nóng)田、谷物加工廠、沼氣池和生活區(qū)。這些部分在日常運(yùn)作中會(huì)產(chǎn)生大量的各類業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),這些業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)通常由Web、APP 或者智能傳感器的形式收集并進(jìn)行發(fā)送,比如奶牛身上用來監(jiān)測牛瘟疫、炭疽病的可穿戴式智能健康監(jiān)測設(shè)備(荷蘭已有數(shù)家公司開發(fā)出此類智能傳感設(shè)備),這一設(shè)備不僅可以監(jiān)測奶牛的健康狀況,還可以通過全球定位系統(tǒng)監(jiān)測奶牛在養(yǎng)牛場的日?;顒?dòng)軌跡;安置在農(nóng)田的農(nóng)作物監(jiān)測設(shè)備,比如常用的智能化“農(nóng)田小氣候站”(Farmland Microclimate Station),這一設(shè)備可以用來監(jiān)測溫度、濕度、日常強(qiáng)度、風(fēng)力、農(nóng)田土壤酸堿度;安置在蔬菜大棚的智能傳感器,它可以測量蔬菜大棚中二氧化碳的濃度、氧氣的濃度等,為蔬菜的溫室種植提供精準(zhǔn)的環(huán)境管控。當(dāng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)被發(fā)送后,通常會(huì)被采集端部署的MySQL、Oracle、NoSQL 等類型的數(shù)據(jù)庫進(jìn)行接收并存儲(chǔ)。在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)后,這些數(shù)據(jù)則會(huì)被導(dǎo)入到一個(gè)中心化的大型數(shù)據(jù)庫,或分布式存儲(chǔ)集群(類似區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)機(jī)制),并能夠在數(shù)據(jù)導(dǎo)入的基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)清洗、預(yù)處理以及實(shí)時(shí)的流式計(jì)算等工作。在導(dǎo)入數(shù)據(jù)后,則需要利用分布式計(jì)算集群對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和分類匯總。最后,則是在這些經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析和分類匯總的數(shù)據(jù)上基于各類機(jī)器學(xué)習(xí)算法進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘,得到預(yù)測、分類、聚類等計(jì)算結(jié)果。這一過程涉及大量的計(jì)算和復(fù)雜算法,而計(jì)算結(jié)果則可以為管理者、生產(chǎn)者和消費(fèi)者提供更為精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)服務(wù)。

        為了更好地收集、處理、挖掘這些數(shù)據(jù),我們可以在包括養(yǎng)雞場、養(yǎng)牛場、養(yǎng)豬場等分別布放迷你綠色數(shù)據(jù)中心,它可以采用一體化的微型模塊化數(shù)據(jù)中心的設(shè)計(jì)方式,其整體由網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜、UPS、PDU、監(jiān)控器、電池包以及太陽能電池柜組成。其中,網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜可以用來部署計(jì)算型服務(wù)器以及存儲(chǔ)型服務(wù)器,計(jì)算服務(wù)器采用刀片式服務(wù)器,相比IU 機(jī)架式服務(wù)器,其具有低功耗、空間小、單機(jī)售價(jià)低等特點(diǎn);UPS 采用機(jī)架式結(jié)構(gòu)并提供線式雙變換技術(shù),這能夠?yàn)榭蛻籼峁┓€(wěn)定可靠的供電,并減少轉(zhuǎn)電池次數(shù),延長電池壽命;PDU 是為機(jī)柜式安裝的電氣設(shè)備提供電力分配而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品,它擁有不同的功能、安裝方式和不同插位組合的多種系列規(guī)格,能為不同的電源環(huán)境提供適合的機(jī)架式電源分配解決方案,使機(jī)柜中的電源分配更加整齊、可靠、安全、專業(yè)和美觀,并使得機(jī)柜中電源的維護(hù)更加便利和可靠;監(jiān)控器是一個(gè)綜合利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、新型傳感技術(shù)等構(gòu)成的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò),提供了一種以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ),基于集中管理監(jiān)控模式的自動(dòng)化、智能化和高效率的技術(shù)手段,系統(tǒng)監(jiān)控對象主要是數(shù)據(jù)中心的能源和操作環(huán)境;電池包用于存放UPS 蓄電池;太陽能電池儲(chǔ)藏柜則用于存放太陽能電池。在制冷上,迷你綠色數(shù)據(jù)中心自帶風(fēng)扇并采用自然散熱的方式,這樣可省卻空調(diào)能耗。另外,不同于使用煤電供電的普通數(shù)據(jù)中心,迷你綠色數(shù)據(jù)中心將采用太陽能供電和沼氣發(fā)電供電兩種方式,這樣可以充分利用太陽能與發(fā)酵的沼氣,從而形成農(nóng)業(yè)資源的可持續(xù)利用。一個(gè)完整的綠色數(shù)據(jù)中心“大循環(huán)”架構(gòu)方案如圖2 所示。

        圖2 留民營生態(tài)農(nóng)場的“大循環(huán)”數(shù)字化農(nóng)業(yè)架構(gòu)

        在這個(gè)“大循環(huán)”架構(gòu)下,養(yǎng)牛場的牛糞、養(yǎng)豬場的豬糞、藕池的污泥、農(nóng)田的干秸稈等可以作為沼氣發(fā)酵的原料被用于沼氣發(fā)電,這些原料的精確調(diào)配可以通過迷你綠色數(shù)據(jù)中心來完成,而沼氣發(fā)電又可以給迷你綠色數(shù)據(jù)中心的運(yùn)作提供能量,所有的迷你綠色數(shù)據(jù)中心通過管理系統(tǒng)進(jìn)行統(tǒng)一管理,這一系統(tǒng)能夠?yàn)閿?shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施提供高可靠性運(yùn)維與精細(xì)化運(yùn)營體驗(yàn),對多數(shù)據(jù)中心實(shí)施統(tǒng)一的精細(xì)管理,確保數(shù)據(jù)中心運(yùn)維流程的可靠性,它能夠?qū)﹄娏?、制冷、空間、網(wǎng)絡(luò)端口等使用動(dòng)態(tài)均衡優(yōu)化手段提升數(shù)據(jù)中心內(nèi)資源利用率,分析數(shù)據(jù)中心租戶的收益情況,通過智能化設(shè)備故障自診斷,電子巡檢及移動(dòng)APP 等工具提升運(yùn)維效率,還能利用AI 算法(比如iCooling 節(jié)能算法)實(shí)時(shí)優(yōu)化數(shù)據(jù)中心的能效,提升節(jié)能效率。對于養(yǎng)牛場、養(yǎng)豬場、養(yǎng)雞場、藕池、養(yǎng)魚場等每一個(gè)部分,也可以構(gòu)成一個(gè)單獨(dú)的布放迷你綠色數(shù)據(jù)中心的開放式“小循環(huán)”架構(gòu)。以養(yǎng)豬場的“小循環(huán)”架構(gòu)為例,可構(gòu)建如圖3 所示的“小循環(huán)”數(shù)字化農(nóng)業(yè)架構(gòu)。

        如圖3 所示,養(yǎng)豬場負(fù)責(zé)人居住的房子(位于留民營生態(tài)農(nóng)場的生活區(qū))上安裝了太陽能板,通過太陽能充電控制器向太陽能電池充電,而太陽能電池則可以通過USB 接口向UPS 充電(途徑1),也可以由太陽能電池向UPS 蓄電池充電,再由UPS 蓄電池為UPS 供電(途徑2),UPS 蓄電池存放在電池包中,而太陽能電池則存放在太陽能電池柜中。房子中廁所排出的人糞與豬圈排出的豬糞通過污水管排入沼氣池中,藕池、農(nóng)田(包括糧田和菜田等)、魚池等其他“小循環(huán)”產(chǎn)生的干秸稈、麥麩皮、有機(jī)廢物、污泥等廢料也可以通過進(jìn)口傾倒入沼氣池,然后這些沼氣原料發(fā)酵形成大量沼氣,并成為沼氣發(fā)電機(jī)的發(fā)電原料,沼氣發(fā)電機(jī)通過沼氣產(chǎn)生的電能同樣可以為UPS 蓄電池充電,并為整個(gè)養(yǎng)豬場提供電力需求。沼氣池中剩余的沼液和沼渣則被排至存儲(chǔ)池,并由罐車通過出口運(yùn)往農(nóng)田、藕池、雞場等其他“小循環(huán)”部分,處理后作為肥料和飼料。因此,由一個(gè)“大循環(huán)”及若干個(gè)“小循環(huán)”構(gòu)成的循環(huán)農(nóng)業(yè)體系如圖4 所示?;诰G色數(shù)據(jù)中心的循環(huán)農(nóng)業(yè)體系不僅可以強(qiáng)化資源的再利用與農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,還能以數(shù)據(jù)為杠桿和新的資源,通過多個(gè)迷你綠色數(shù)據(jù)中心提供的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)服務(wù)形成精細(xì)化管理與精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)模式。

        圖3 留民營生態(tài)農(nóng)場的“小循環(huán)”數(shù)字化農(nóng)業(yè)架構(gòu)

        圖4 留民營生態(tài)農(nóng)場的基于綠色數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化循環(huán)農(nóng)業(yè)架構(gòu)

        在技術(shù)架構(gòu)上,這種雙層次嵌套的循環(huán)農(nóng)業(yè)框架可以保證留民營生態(tài)農(nóng)場的整體數(shù)字化與可持續(xù)性。此外,針對不同的部分,在“大循環(huán)”的基礎(chǔ)上因地制宜,形成滿足各自能量與物質(zhì)閉環(huán)回流的“小循環(huán)”,可進(jìn)一步提升整個(gè)循環(huán)農(nóng)業(yè)的運(yùn)行效率,將“整體”與“局部”進(jìn)行整合嵌套。

        3.3 基于綠色數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化農(nóng)業(yè)框架優(yōu)勢

        基于綠色數(shù)據(jù)中心的數(shù)字化農(nóng)業(yè)框架可以幫助北京留民營生態(tài)農(nóng)場降低技術(shù)成本、保護(hù)數(shù)據(jù)安全、實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理智能化,它具有如下優(yōu)勢:

        綠色數(shù)據(jù)中心的管理系統(tǒng)可以囊括北京留民營生態(tài)農(nóng)場的全部生產(chǎn)流程,農(nóng)場員工可實(shí)時(shí)跟蹤和鏈接綠色數(shù)據(jù)中心的IT 資產(chǎn)、電力供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)和空間資源以及工作訂單,進(jìn)而管理全部系統(tǒng)數(shù)據(jù)并實(shí)現(xiàn)開放共享,并利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對綠色數(shù)據(jù)中心的能耗進(jìn)行精準(zhǔn)化管理,實(shí)現(xiàn)綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能布局,打破數(shù)據(jù)孤島,構(gòu)建起覆蓋所有綠色數(shù)據(jù)中心的節(jié)能可信數(shù)據(jù)監(jiān)測與采集網(wǎng)絡(luò),讓能耗監(jiān)控可以分時(shí)間、分階段、分生產(chǎn)環(huán)節(jié)、分供應(yīng)鏈地被自動(dòng)監(jiān)測、收集和處理,從而進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)留民營生態(tài)農(nóng)場的節(jié)能減排,并在設(shè)備采購、經(jīng)營維護(hù)、環(huán)境監(jiān)控等各個(gè)環(huán)節(jié)削減隱性成本,提升管理效率并大幅度降低實(shí)現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型投入的技術(shù)成本。

        除了上述優(yōu)勢以外,利用綠色數(shù)據(jù)中心還可以有效解決北京留民營生態(tài)農(nóng)場的諸多問題。對于文獻(xiàn)[44]中提到的利用普通蔬菜冒充有機(jī)蔬菜的問題,綠色數(shù)據(jù)中心可以通過監(jiān)控的方式全天候拍攝并采集有機(jī)蔬菜生產(chǎn)的全部流程數(shù)據(jù),并將這些數(shù)據(jù)自動(dòng)上傳到數(shù)據(jù)管理中心加以保存,杜絕以次充好的行為;對于文獻(xiàn)[45]與[46]中提到的問題,可以通過數(shù)字化的智能合約來規(guī)范生產(chǎn)管理流程,比如將有機(jī)蔬菜認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)的具體事項(xiàng)和要求寫入智能合約,并在數(shù)據(jù)中心進(jìn)行備案,一旦發(fā)生大腸桿菌超標(biāo)、農(nóng)藥殘留超標(biāo)等違約事項(xiàng),則自動(dòng)預(yù)警并觸發(fā)懲罰措施,促使市場監(jiān)管部門對失信人或失職人員加以懲戒,同時(shí)納入綠色數(shù)據(jù)中心的誠信檔案中,從而防范未來的合作風(fēng)險(xiǎn)。此外,數(shù)據(jù)中心可以將留民營生態(tài)農(nóng)場的太陽能發(fā)電與沼氣發(fā)電作為能源,形成能源可再生利用與循環(huán),促使農(nóng)場的日常經(jīng)營進(jìn)一步節(jié)能減排,朝著“更綠色”的方向演進(jìn)。迷你綠色數(shù)據(jù)中心還可以進(jìn)一步升級為“綠色云計(jì)算數(shù)據(jù)中心”,利用云平臺整合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心IT 基礎(chǔ)架構(gòu)的計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)、存儲(chǔ)、操作系統(tǒng),運(yùn)維安全等軟硬件平臺,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心虛擬化,拓展桌面云、大數(shù)據(jù)、高性能計(jì)算、云災(zāi)備、云安全、云運(yùn)維等功能,將作為存儲(chǔ)處理中心的傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心演變成為應(yīng)用中心,服務(wù)中心和運(yùn)營中心,提升留民營生態(tài)農(nóng)場的數(shù)字化水平。

        4 總結(jié)與展望

        當(dāng)前,雖然作為傳統(tǒng)行業(yè)的農(nóng)業(yè)對新技術(shù)經(jīng)常抱有一絲審慎的態(tài)度,但農(nóng)業(yè)數(shù)字化卻受到公眾的普遍歡迎[48],此外,數(shù)字化也有望為解決農(nóng)業(yè)目前面臨的幾個(gè)挑戰(zhàn)做出重大貢獻(xiàn),例如不斷增長的糧食需求和日益趨緊的資源利用[49],這也是當(dāng)前COVID-19 疫情肆虐情形下全球農(nóng)業(yè)面臨的危機(jī)。隨著農(nóng)業(yè)數(shù)字化進(jìn)程的提升,人類與技術(shù)在農(nóng)業(yè)價(jià)值鏈中的連接度(connectivity)將隨著農(nóng)業(yè)實(shí)踐透明度(transparency)的增加而持續(xù)增加,而農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的數(shù)字化則會(huì)對固有的農(nóng)業(yè)利益相關(guān)者之間的平衡形成挑戰(zhàn)[50]。因此,對于傳統(tǒng)行業(yè)的農(nóng)業(yè)而言,在數(shù)字化浪潮澎湃奔涌的趨勢下,最為迫切的需求莫過于在數(shù)字技術(shù)與農(nóng)業(yè)的交叉點(diǎn)進(jìn)行跨學(xué)科治理研究,減少技術(shù)變革為農(nóng)業(yè)帶來的風(fēng)險(xiǎn),探索數(shù)字化農(nóng)業(yè)框架的架構(gòu)以及這一框架如何支持及重塑傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)模式。據(jù)此,本研究在辨析了綠色數(shù)據(jù)中心具備滲透性的基礎(chǔ)上,以北京留民營生態(tài)農(nóng)場為例,提出了一個(gè)數(shù)字化循環(huán)農(nóng)業(yè)框架。這一框架整合了綠色數(shù)據(jù)中心的全部核心技術(shù)與優(yōu)勢,為留民營生態(tài)農(nóng)場的數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供了可行方案。然而,本文的研究依然存在以下幾項(xiàng)不足:

        第一,雖然研究在理論層面以“滲透性”為先決條件,將綠色數(shù)據(jù)中心這項(xiàng)通用目的技術(shù)嵌入到北京留民營生態(tài)農(nóng)場,提出了一個(gè)富有數(shù)字化技術(shù)的農(nóng)業(yè)框架,完成了由“形而上”的理論辨析到“形而下”的框架提出過程,但研究仍停留在技術(shù)架構(gòu)層面,需要進(jìn)一步實(shí)踐探析。今后,可以通過工程實(shí)踐的方法,在綠色數(shù)據(jù)中心集成開發(fā)平臺實(shí)地架構(gòu)綠色數(shù)據(jù)中心技術(shù),以便對整個(gè)數(shù)字化農(nóng)業(yè)框架進(jìn)行實(shí)地測試與檢驗(yàn),將測試與檢驗(yàn)結(jié)果實(shí)時(shí)反饋,從而進(jìn)一步完善技術(shù)細(xì)節(jié)并提煉理論知識,不斷修正農(nóng)業(yè)數(shù)字化的實(shí)踐方向,對北京留民營生態(tài)農(nóng)場的數(shù)字化之路進(jìn)行修葺。

        第二,北京留民營生態(tài)農(nóng)場是一個(gè)典型案例,本研究將宏大的理論放到具體場景中進(jìn)行架構(gòu),這一技術(shù)方案使得研究更為生動(dòng)豐富且具有針對性,但研究的普適性與泛化性值得商榷,雖然從理論上來說,任何農(nóng)業(yè)場景或案例的數(shù)字化轉(zhuǎn)型都可以利用綠色數(shù)據(jù)中心,但農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的方案并不唯一,除了當(dāng)前火熱的綠色數(shù)據(jù)中心之外,區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、數(shù)字孿生等技術(shù)也為農(nóng)業(yè)的應(yīng)用發(fā)展與模式轉(zhuǎn)型提供了多樣化的技術(shù)方案。此外,即便同樣采用綠色數(shù)據(jù)中心這項(xiàng)數(shù)字化技術(shù),由于不同農(nóng)業(yè)場景面臨的現(xiàn)實(shí)問題不同,因此技術(shù)架構(gòu)的細(xì)節(jié)也不盡相同。今后,除了本研究提到的北京留民營生態(tài)農(nóng)場外,還可以陸續(xù)開展更多的微觀案例研究,比如研究北京蟹島度假村、北京延慶區(qū)新華營村、北京懷柔北房鎮(zhèn)葦里村的農(nóng)業(yè)場景,提出更多基于綠色數(shù)據(jù)中心的農(nóng)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型方案,將單案例研究拓展為多案例研究,豐富案例庫,從而增強(qiáng)案例的效度與技術(shù)方案的普適性。

        第三,在數(shù)字化技術(shù)蓬勃發(fā)展的今天,農(nóng)業(yè)數(shù)字化已成為未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展模式之一,而以綠色農(nóng)業(yè)、生態(tài)農(nóng)業(yè)及循環(huán)農(nóng)業(yè)為代表的“可持續(xù)農(nóng)業(yè)”同樣作為未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式之一,兩種模式在目標(biāo)與理念上存在差異,且側(cè)重點(diǎn)并不相同,這種差異性在具體實(shí)踐中是否會(huì)產(chǎn)生碰撞?“數(shù)字化”與“可持續(xù)”之間的關(guān)系是否可以達(dá)到一個(gè)中庸均衡的狀態(tài)?這些疑問本研究并未給出太多探討。未來,除了工程實(shí)踐研究與豐富的多案例研究之外,還可以在宏觀層面開展更多理論辨析與梳理,通過定性與定量研究相結(jié)合的方式,研究“農(nóng)業(yè)數(shù)字化”與“可持續(xù)農(nóng)業(yè)”二者在組織管理、生產(chǎn)效率、技術(shù)創(chuàng)新、環(huán)保外部性等問題上的一致與區(qū)別,通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)恼撟C、歸納與總結(jié),為未來農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供更多思考與建議。

        第四,本研究雖然提出了一個(gè)雙層的嵌套式數(shù)字化循環(huán)農(nóng)業(yè)框架,但僅僅停留在技術(shù)架構(gòu)層面,未來可以采取跨學(xué)科理論融合的方式,將技術(shù)架構(gòu)與多層次制度理論、多中心治理理論結(jié)合,譬如我國的憲政制度、集體選擇制度和操作制度,據(jù)此提出更為概念化、普適化的循環(huán)農(nóng)業(yè)治理范式,為循環(huán)農(nóng)業(yè)的未來發(fā)展提供更加詳實(shí)、貼切的政策建議。

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