我国智能水肥一体化系统发展面临的挑战及其对策：基于博弈论的分析.pdf

第42卷 第3期 2023年 5月 华 中 农 业 大 学 学 报 Journal of Huazhong Agricultural University Vol 42 No 3 May 2023 18 28 我国智能水肥一体化系统发展面临的挑战及其对策 基于博弈论的分析 熊航 1 何煦 2 吴恩喆 1 易红梅 2 1 华中农业大学经济管理学院 宏观农业研究院 武汉 430070 2 北京大学现代农学院 北京 100871 摘要 为探索解决我国目前智能水肥一体化系统存在的质量不过硬 设备不智能以及平台不兼容等问题的 措施 基于利益相关者理论构建博弈论模型 从供给的角度揭示造成目前我国智能水肥一体化系统发展困境的 行为和制度根源 并讨论解决这些问题的可能措施 研究表明 在当前我国智能水肥一体化系统发展水平和市 场格局下 面对智能水肥一体化系统相关农机装备的同档定额补贴政策 采取低性能低价格的市场策略成为市 场竞争力相对较弱的国内企业在短期内的最优选择 使得国产智能水肥一体化系统整体质量不高 产学研合作 中科研人员难以获得充分激励 从而导致对水肥一体化系统智能化研发的投入不足 垄断竞争市场的现状决定 了个体企业转换到标准化平台的成本大于潜在收益 导致难以形成水肥一体化系统的统一生产标准 针对上述 问题与原因 本研究提出 政府应该优化补贴制度 强化对高性能水肥一体化农机的识别和补贴 完善科研机构 考核机制 提升高等院校科研成果转化部门的服务动力 对企业更换产品生产标准给予补贴 引导统一市场标准 的建立 关键词 智慧农业 智能农机装备 补贴政策 产学研合作 平台兼容 博弈论 激励相容 中图分类号 S222 3 F273 文献标识码 A 文章编号 1000 2421 2023 03 0018 11 智慧农业是以数据 知识和智能装备为核心要 素 通过将现代信息技术与农业深度融合 实现农业 生产全过程的数字化感知 智能化决策 精准化作业 和智慧化管理的全新农业生产方式 1 是农业发展的 新形态 2 在生产经营中 智慧农业包括智能感知监 测 智能分析决策以及智能控制3个领域 3 集中体 现在智能农机装备的运用 智能农机装备的本质特 征是具有智能化的功能 即智能感知作业环境 作业 对象和装备状态 利用大数据模型驱动智能决策 实 现田间精准作业 以及利用算法和云平台实现多机 协作调度的智能管控 发展智慧农业特别是智能农 机是实现我国农业高质量发展的迫切需要 4 我国农业生产面临水资源日益紧张 面源污染 日趋严重等压力 水肥一体化为提升资源利用效率 转变农业生产方式 促进农业绿色发展提供了可行 路径 在水资源匮乏的日本和以色列 水肥一体化 应用占所有灌溉耕地的比例高达90 水肥一体化 系统的应用将水资源的利用率提高40 60 肥 料利用率提高30 50 但是 第3次全国农业普 查数据显示 2016年我国总灌溉耕地面积为6 189万 hm 2 水肥一体化系统推广面积为600万hm 2 5 仅占 全国总灌溉耕地面积的9 69 而且 这些水肥一体 化系统极少具备数据分析和智能决策功能 难以为 农户调整水肥方案提供决策支持 造成我国目前智能水肥一体化系统整体实力较 弱的因素有很多 现有文献一般从有效需求不足 政 策制度不完善 农业数据汇集难度高 研发水平低以 及行业标准不成熟等方面进行分析 从产品需求来 看 大国小农 的国情决定了我国智能水肥一体化 系统投入的边际效益较低 经营主体采用积极性不 高 有效需求不足 进而导致企业市场化研发和生产 激励不足 6 7 从产品研发来看 我国目前有关农业 智能控制的关键技术和核心零部件的精度 稳定性 可靠性与国外差距巨大 尚未形成自主可控的技术 收稿日期 2022 12 12 基金项目 国家自然科学基金面上项目 72173050 72273003 内蒙古自治区科技重大专项 2021ZD0046 熊航 E mail hxiong 通信作者 易红梅 E mail hmyi ccap 熊航 何煦 吴恩喆 等 我国智能水肥一体化系统发展面临的挑战及其对策 基于博弈论的分析 J 华中农业大学学报 2023 42 3 18 28 DOI 10 13300 ki hnlkxb 2023 03 003 产品 6 8 9 从政府政策来看 虽然政府对智能农机 产业发展高度重视 但相应的财政支持仍然非常有 限 10 从制度和基础建设来看 我国农业系统数据 获得能力不强 数据共享机制不健全 对依赖数据驱 动的智能水肥一体化系统发展形成了制约 11 13 同 时由于尚未建立智能水肥一体化系统产品标准体系 和检验检测认证平台 导致我国智能水肥一体化系 统质量参差不齐 14 虽然上述文献从不同角度分析了造成我国智能 水肥管理一体化系统发展困境的可能原因 但是对 根植于这些原因背后的不同主体之间的利益考量和 权衡博弈未进行深入分析 本文的目标是从供给的 角度揭示造成目前我国智能水肥一体化系统发展面 临困境的个体激励与行为机制及其相关的制度根 源 探究解决这些问题的有效措施 智能水肥一体 化系统的发展是农业经营主体 农机企业 政府和研 究机构等多类主体共同作用的结果 他们之间的互 动关系具有竞争与对抗的特征 博弈论模型能够较 为准确充分地刻画在不同约束条件下对局中策略的 选择和可能的最优策略 本文通过案例分析 企业访谈和文献梳理指出 目前智能水肥一体化发展存在的典型问题 并根据 利益相关者理论识别这些问题所涉及的关键行为主 体 运用博弈论分析方法分析相关主体的行为策略 揭示导致问题的行为约束与制度障碍 以多主体激 励相容理论为指导 指出破解问题的政策发力点和 可能采取的措施 1 我国智能水肥一体化发展所面临 的突出问题 智能水肥一体化系统也称数字水肥一体化系 统 是作物生长环境感知技术 自动控制技术和作物 生长模型与传统的机械水肥一体化设备集合而成 能够实现根据作物不同生长时期水分和养分需求以 及作物生长的水土环境变化来精准控制作物生长地 块的灌溉和施肥管理 目前智能水肥一体化在国内 主要用于北方大规模旱地大田作物种植 园艺蔬菜 等高价值农产品的温室种植 经济林的栽培等 该 技术由硬件和软件两部分组成 硬件除了传统的机 械水肥一体化设备 主要包括水肥一体机 过滤器等 配套设备 灌溉管道等 外 还包括土壤墒情仪 田间 气象站等环境监测设备 以及电磁阀 阀控器等自动 控制设备 软件主要是根据环境数据和模型算法提 供水肥施用方案的应用程序 例如手机APP 以及控 制设备的系统平台 典型的智能水肥一体化系统如 图1所示 智能水肥一体化系统企业是供应机械水肥一体 化设备 环境监测设备 自动控制设备和模型算法软 件4类产品或服务的企业 他们供给产品或服务的 方式包括只提供硬件设备 及其配套的软件 如有 只提供决策支持系统软件 或者提供硬件设备和决 策支持系统软件整体产品 从来源看 我国智能水 肥一体化系统的供给者既有国内企业 也有国外企 业 但两者目标市场差异较大 国外企业以服务质 优价高的高档市场为主 而国内企业一般定位于低 端市场 即对水肥一体化系统有需求但是作物对水 肥调控的精准度要求不高的应用场景 国内企业与 国外企业在技术水平上存在明显差距 相当一部分 图 1 智能水肥一体化设备简化示意图 Fig 1 Simplified schematic diagram of smart water fertilizer integrated equipment 第3期 熊航 等 我国智能水肥一体化系统发展面临的挑战及其对策 基于博弈论的分析 产品 6 8 9 从政府政策来看 虽然政府对智能农机 产业发展高度重视 但相应的财政支持仍然非常有 限 10 从制度和基础建设来看 我国农业系统数据 获得能力不强 数据共享机制不健全 对依赖数据驱 动的智能水肥一体化系统发展形成了制约 11 13 同 时由于尚未建立智能水肥一体化系统产品标准体系 和检验检测认证平台 导致我国智能水肥一体化系 统质量参差不齐 14 虽然上述文献从不同角度分析了造成我国智能 水肥管理一体化系统发展困境的可能原因 但是对 根植于这些原因背后的不同主体之间的利益考量和 权衡博弈未进行深入分析 本文的目标是从供给的 角度揭示造成目前我国智能水肥一体化系统发展面 临困境的个体激励与行为机制及其相关的制度根 源 探究解决这些问题的有效措施 智能水肥一体 化系统的发展是农业经营主体 农机企业 政府和研 究机构等多类主体共同作用的结果 他们之间的互 动关系具有竞争与对抗的特征 博弈论模型能够较 为准确充分地刻画在不同约束条件下对局中策略的 选择和可能的最优策略 本文通过案例分析 企业访谈和文献梳理指出 目前智能水肥一体化发展存在的典型问题 并根据 利益相关者理论识别这些问题所涉及的关键行为主 体 运用博弈论分析方法分析相关主体的行为策略 揭示导致问题的行为约束与制度障碍 以多主体激 励相容理论为指导 指出破解问题的政策发力点和 可能采取的措施 1 我国智能水肥一体化发展所面临 的突出问题 智能水肥一体化系统也称数字水肥一体化系 统 是作物生长环境感知技术 自动控制技术和作物 生长模型与传统的机械水肥一体化设备集合而成 能够实现根据作物不同生长时期水分和养分需求以 及作物生长的水土环境变化来精准控制作物生长地 块的灌溉和施肥管理 目前智能水肥一体化在国内 主要用于北方大规模旱地大田作物种植 园艺蔬菜 等高价值农产品的温室种植 经济林的栽培等 该 技术由硬件和软件两部分组成 硬件除了传统的机 械水肥一体化设备 主要包括水肥一体机 过滤器等 配套设备 灌溉管道等 外 还包括土壤墒情仪 田间 气象站等环境监测设备 以及电磁阀 阀控器等自动 控制设备 软件主要是根据环境数据和模型算法提 供水肥施用方案的应用程序 例如手机APP 以及控 制设备的系统平台 典型的智能水肥一体化系统如 图1所示 智能水肥一体化系统企业是供应机械水肥一体 化设备 环境监测设备 自动控制设备和模型算法软 件4类产品或服务的企业 他们供给产品或服务的 方式包括只提供硬件设备 及其配套的软件 如有 只提供决策支持系统软件 或者提供硬件设备和决 策支持系统软件整体产品 从来源看 我国智能水 肥一体化系统的供给者既有国内企业 也有国外企 业 但两者目标市场差异较大 国外企业以服务质 优价高的高档市场为主 而国内企业一般定位于低 端市场 即对水肥一体化系统有需求但是作物对水 肥调控的精准度要求不高的应用场景 国内企业与 国外企业在技术水平上存在明显差距 相当一部分 图 1 智能水肥一体化设备简化示意图 Fig 1 Simplified schematic diagram of smart water fertilizer integrated equipment 19 第42卷 华中农业大学学报 国内企业的技术来源于对国外企业产品的模仿 具 备自主技术研发能力和开展自主研发的国内企业较 少 国内企业的技术研发一般依赖于国内的农业高 校 研究所等科研机构 而国外企业的技术研发一般 在其母国进行 依靠母国的技术力量 为了从供给的角度深入考察智能水肥一体化技 术的应用现状及存在问题 我们与国内外近10个智 能水肥一体化系统产品和服务供应商进行了结构性 访谈 访谈结果表明 我国生产的水肥一体化系统 的精准化 数字化和智能化水平与国际先进水平存 在明显差距 国内的水肥一体化系统生产企业与以 色列耐特菲姆公司等技术先进企业的技术实力悬 殊 处于模仿追赶先进水平的阶段 在国内水肥一 体化市场上 我国企业主要通过提供技术含量较低 的产品获得低端市场 而耐特菲姆公司等国外企业 则占据技术含量较高的高端市场 在这样的发展条 件和市场环境下 我国的智能水肥一体化系统发展 面临以下突出问题 1 智能水肥一体化系统性能差且不稳定 例 如 西北地区灌溉水含泥沙量较大 农户在使用过程 中经常遇到因过滤器的过滤能力达不到水肥自动灌 溉的需要造成后端管道堵塞的问题 施肥罐和施肥 机的容量均过小 满足不了多灌区自动轮灌作业和大 流量下自动化施肥的要求 土壤墒情仪等传感设备 的探测灵敏度低 不能准确监测出相似土壤在水分和 养分含量上较细微的差异 甚至检测结果明显失准 2 智能水肥一体化系统智能化水平不高 水肥 一体化系统的智能性主要体现在对水肥施用方案的 决策支持 即对于作物生长中灌溉时期 灌水量以及 施肥时期 施肥量和肥料种类提供解决方案 目前 实现这一智能决策支持主要有2种途径 专家系统和 机器学习技术 第1种途径由于依赖于专家个人的 专业知识和经验 其所能提供的方案能够服务的范 围有限 而且 从点到面 进行推广时方案的科学性 准确性和稳定性都难以保证 第2种途径依赖于作物 生长模型和海量数据 所提供的方案服务范围更广 而且随着模型的更新迭代 方案的准确性不断提高 国内现有水肥一体化系统一般都不能提供智能化的 水肥决策支持 少数能够提供决策支持的系统主要 是在示范区域内通过专家系统来实现 能够依靠模 型给出水肥决策支持方案的企业凤毛麟角 而且模 型还有待田间试验检验完善 3 智能水肥一体化系统各元件之间的兼容性 低 由于墒情仪等传感设备 水肥一体化设备 自动 控制设备一般都是不同生产企业各自独立开发的 都有各自独立的后台管理系统 组成智能水肥一体 化系统的不同硬件设备往往难以在操作系统的统一 调度下顺畅稳定地发挥各自的性能 实现根据传感 设备的信息自动化地生成水肥管理方案 并根据水 肥管理方案自动化地实施灌溉和施肥 这些设备之 间的联合作业 例如当水分含量达到一定水平时即 开始灌溉 需要开发第三方的操作系统 而这些设备 的管理系统所采用的数据传输协议各不相同 这使 得开发统一操作系统的协调成本很高 而数据传输 的不顺畅也导致统一操作的稳定性难以保证 2 问题的制度原因与对策分析 利益相关者这一概念于20世纪60年代前后提 出 起初主要指的是与企业生存休戚相关的行为主 体 后来被宽泛地定义为可以影响组织目标的实现 或被组织实现其目标这一过程所影响的个体或群 体 15 利益相关者所包含的主体根据具体研究而 定 在智能水肥一体化系统的案例中 农机企业是 智能水肥一体化系统产品的供给主体 其供给行为 涉及与农户 政府及科研机构等其他主体的互动 图 2 我国智能水肥一体化系统的供给者数量众多 生产的产品功能相近但质量不同 总体上属于垄断 竞争市场 在产品质量档次上 呈现低端市场主要 由数量较多的本土企业组成 高端市场由少数国外 企业占据的基本格局 前者常将自己的客户群体聚 焦在现代化农业示范项目等有财政补贴的项目 后 者则将自己的客户定位在中高端农产品市场 农户 是农机企业所提供的智能水肥一体化系统的主要需 求者 在产品处于政府推广阶段时 政府部门会因开 展示范推广的需要而向企业采购农机设备 政府为 农机企业的生产和研发提供政策保障 此外 科研 机构是企业开展产品研发的重要合作者 为企业提 供科技支持 博弈论是分析利益相关者之间关系的一项有力 工具 本研究将采用利益相关者之间的合作博弈来 分析智能装备存在质量不过硬 设备不智能以及平 台不兼容等问题产生的原因 基本的合作博弈模型 由博弈参与主体 局中人 策略和收益函数3个基本 要件组成 20 第3期 熊航 等 我国智能水肥一体化系统发展面临的挑战及其对策 基于博弈论的分析 2 1 补贴政策下的智能水肥一体化系统性能定位 1 农机购置补贴政策 农机购置补贴是我国政 府推动农业机械化的主要财政支持手段 水肥机等 智能水肥一体化系统产品逐步被纳入农机购置补贴 范围 相关部门按照 自主购机 定额补贴 先购后 补 县级结算 直补到卡 户 的方式对从事农业生 产活动的个人或农业生产经营组织购置农机进行补 贴 自2004年农机购置补贴政策开始实施以来 补 贴惠及范围不断拓宽 支持强度逐渐加大 中央财 政农机购置补贴实行定额补贴 补贴额由各省农业 农村厅按照相关规定进行测算确定 对于同一档次 的农机无论其性能如何按照同一标准予以补贴 补 贴标准依据同档产品上年市场销售均价测算确定各 档次的补贴额上限 例如 2021 2023年农机购置 补贴实施指导意见 要求 依据不超过同档产品上年 市场销售均价30 的比例测算确定各档次补贴额 某一类农机的档次一般根据1个容易量化的指 标来确定 例如犁 耙等整地机械和玉米 花生 薯类 收获机等收获机械均以机械单独或者作业的宽幅为 划分档次的唯一指标 再如各类拖拉机和诸多加工 运输设备一般以动力的功率为指标 然而 同一档 次的农机在耐用性 稳定性 数字化和智能性程度等 方面的性能仍可能存在较大的差异 显然 性能更好 的产品其成本更高 价格也更高 16 在定额补贴方 式下 除了用来区分产品档次之外的其他性能高的 智能水肥一体化设备与性能低的产品将获得相同的 补贴金额 尽管农机购置补贴是直接针对消费者 的 但由于农机一般存在较高的供给价格弹性 补贴 收益将最终在消费者和生产者之间分享 企业生产 低性能智能水肥一体化设备的成本相对于生产高性 能产品而言更低 低性能农机需求足够大的情况下 企业提供前者所获得的总收益更高 2 智能水肥一体化系统企业的价格与性能策略 选择 在农机购置补贴政策下智能水肥一体化系统 产品企业和用户的供求决策可以通过价格博弈模型 来分析 在该价格博弈中 主体是消费者 农户 和 生产者 智能水肥一体化系统的生产商 两者都是 理性经济人 分别以效用最大化和利润最大化为行 为目标 农户可以选择接受或不接受智能水肥一体 化设备的高价格 企业则需要对智能水肥一体化系 统的性能与定价进行决策 企业理论上有高性能高 价格 高性能低价格 低性能高价格 低性能低价格4 种策略 当企业选择高性能低价格策略时 企业付出了 较高的研发成本 但由于价格较低 总利润较少 企 业得不偿失 该策略在实际上是不可行的 如果企 业提供低性能高价格智能水肥一体化系统产品 那 么对性能较为敏感的农户优先购买高性能高价格 产品 对价格较为敏感的农户将选择购买低性能低 价格产品 企业就会面临无市场需求的状况 该策 略在实际中也不会被企业采用 综上 企业实际上 只在高性能高价格 低性能低价格2种策略中进行 选择 基于我们对企业访谈得到的信息 本文对智能 水肥一体化系统产品购置价格博弈模型提出以下假 设 1 农户使用高性能智能水肥一体化设备获得的 单位效用大于使用低性能设备所获得的单位效用 即U H U L 其中U表示农户的效用 下标H和L分 别表示高性能智能水肥一体化设备和低性能设备 2 相较于生产低性能的智能水肥一体化设备 生产 高性能的设备需要额外付出成本C用于研发或模仿 3 农机企业和农户共同完整地分享政府提供的农机 图 2 智能水肥一体化系统主体关系图 Fig 2 Entities relationship diagram of smart water fertilizer integrated system 21 第42卷 华中农业大学学报 补贴 即T T E T F 其中T表示政府对单位农机补 贴的金额 T E 和T F 分别表示企业和农户分享的金额 为探究智能农机市场中农户的价格接受行为与 企业的生产与定价行为 本文根据以上假设 构造了 现行农机购置补贴下的农机供求两方的收益矩阵 表1 用以展示相关主体在相应行动策略下的收 益 并基于此求解双方博弈的纯策略纳什均衡 在 收益矩阵中 逗号前的表达式代表行参与者 农户 的收益 逗号后的表达式代表列参与者 企业 的 收益 其中 P为实施补贴前智能水肥一体化系统的市 场均衡价格 Q为需求量 当农户不接受高价格的智 能水肥一体化系统产品时 若企业选择高性能高价 格策略 企业会损失C单位的研发或模仿成本 若企 业选择低性能低价格策略 企业可以获得 P L T E Q L 的利润 农户获得U L P L T F 的单位效用 相比之下 企业会选择生产低性能低价格的智能水 肥一体化系统产品 当农户愿意接受高价格的智能 水肥一体化系统产品时 企业的策略取决于销售收 益与研发成本的大小 若 P H T E Q H C 则企 业的利润为正 其策略为生产高性能高价格智能水 肥一体化系统产品 在以上条件成立的情况下 双 方的博弈存在2个纳什均衡 分别为 不接受高价 低 性能低价格 和 接受高价 高性能高价格 尽管双方的博弈存在2种均衡 但根据我们对农 机企业负责人的访谈得知 我国目前的智能水肥一 体化高端产品市场规模比较小 绝大部分农户的生 产措施 配套技术和销售渠道等无法及时跟上 农户 使用高性能智能水肥一体化系统支付较高的价格 但对于产量提升并没有很高的正面影响 这是农户 不太愿意接受高价智能水肥一体化系统的原因之 一 同时 我国的农业科技起步较晚 智能水肥一体 化系统作为农业科技的前沿产品 研发成本较高 若 企业想要生产高性能智能水肥一体化系统 则需要 采购国外高端零部件或是依赖国外先进技术 由此 带来的成本会非常高 这一系列的问题导致国内企 业更愿意选择低性能低价格策略 相比于我国 以 色列 荷兰等农业强国较早实施农业数字化战略 技 术方面具备绝对优势 企业研发高性能智能水肥一 体化设备的成本较低 这样一来 国外企业能够选 择高性能高价格策略 只有同时满足U H U L P H P L 和P H Q H C T E Q L Q H P L Q L 时 即农户使用高性能智 能水肥一体化设备相比于使用低性能设备带来的效 用提升大于购买高性能设备和低性能设备的售价之 差 企业销售高性能智能水肥一体化设备的净利润 大于通过降价套取的补贴额与销售低性能设备的净 利润之和时 农户接受高价设备和企业生产高性能 设备是双方的严格占优策略 3 对策分析 从上文的分析可知 尽管我国现 行的农机购置补贴政策能够提高农户购买智能水肥 一体化系统的意愿 但对企业生产高性能智能水肥 一体化系统没有激励作用 导致市场中以低端智能 水肥一体化设备为主 甚至出现了虚标档次 降低性 能等行为 为引导农户购买和企业生产高性能高价 格的智能水肥一体化设备 本文重新设计了补贴机 制 从博弈论的角度优化资源配置 寻求可能的对 策 补贴的具体措施为 保留我国现有的农机购置 补贴政策 对购买高性能农机的农户增加性能补贴 即政府对高性能农机的补贴总额为 T 1 双 方博弈的收益矩阵见表2 性能补贴提升农户购买高性能农机的单位效用 水平 T F 促使农户购买高性能农机 减少对低性能 农机的需求 对于企业而言 在性能补贴政策实施 后 削弱了 通过降价套取购置补贴 T E Q L Q H 对企业的吸引力 提高了高性能农机的销售总额 P H Q H 且获得了 T E Q H 的性能补贴 因此 在满足 不等式 1 的前提条件下 双方博弈存在唯一的纳什 均衡 即农户选择接受高价策略 企业选择高性能高 价格策略 表 1 现行农机购置补贴政策下的农机供求两方的收益矩阵 Table 1 The payoff matrix of machinery suppliers and consumers under the current machinery purchase subsidy policy 主体 Entities 农户 Farmer 农机企业 Machinery supplier 策略 Strategies 接受高价 Accepting high price 不接受高价 Not accepting high price 高性能高价格 High performance high price U H P H T F PH TE QH C 0 C 低性能低价格 Low performance low price 0 0 U L P L T F P L T E Q L 22 第3期 熊航 等 我国智能水肥一体化系统发展面临的挑战及其对策 基于博弈论的分析 U H U L 1 T F P H P L P H Q H C T E Q L Q H P L Q L 1 在农机补贴政策制定中 能否实现按照多项性 能的补贴关键在于有效区分不同的农机产品性能的 成本是否足够低 2 2 产学研合作下的智能性功能研发 1 智能水肥一体化系统产学研合作现状与机 制 我国智能水肥一体化系统生产企业由于自主研 发能力不足 智能化系统的研发主要依赖于产学研 合作 水肥一体化系统的智能化程度取决于系统智 能决策的算法模型 其中包括农业生物模型 农业环 境模型 农业技术模型 农业经济模型 发达国家的 智能水肥一体化公司往往从种子和农艺公司发展而 来 他们从20世纪50年代开始就已经投入到农业模 型的基础科学研究中 已经有能力依靠自身研发智 能化水平较高的水肥一体化系统 而目前我国智能 水肥一体化生产企业多数从互联网平台的应用起 步 没有农艺技术 数据以及农业模型的知识积累 需要依赖研究所或高校进行产学研合作来开发水肥 一体化系统的智能模块 而且 由于企业本身研发 能力较弱 高校在研发合作中占据主导地位 水肥 一体化系统智能化的技术研发效果很大程度上取决 于高校的研发投入 因此 如何在产学研合作中通 过机制设计督促高校投入充足的精力开发智能化系 统是水肥一体化系统智能化水平提高的关键 相关调查显示 技术创新是目前我国产学研合 作的主要目标之一 17 目前我国的水肥一体化企业 普遍不具备独立研发的能力 与高校 科研院所等科 研机构的产学研合作是这些企业突破技术瓶颈的重 要可能途径 然而 与水肥一体化企业的访谈显示 他们与科研机构合作的积极性并不高 主要原因是 企业发现科研机构缺乏足够激励 导致所交付的研 发成果往往难以达到企业预期的使用效果 科研机 构的研发产出与企业的需求存在差距的原因有 首 先 由于研发成果转化为实际效益的周期较长 科研 人员往往只能在研发阶段获得一定的报酬 产品研 发成功获得收益往往难以索取 其次 国内高校目 前对于科研人员的绩效考核一般以发表论文和申报 科研基金为导向 对服务企业研发的认可度不高 第三 突破智能水肥一体化系统的技术瓶颈是一项 系统工程 很少有国内企业能够负担和保障大量的 持续的研发投入 2 智能水肥一体化系统企业与科研人员的博 弈 在产学研合作博弈中 博弈双方分别为企业和 科研人员 企业为委托方 科研人员为受托方 一般 情况下 企业与科研人员签订固定报酬的委托合同 并在具体的合同中约定科研人员需要用于产品研发 的投入 包括时间成本 金钱成本以及人力成本等 企业和科研人员均以自身利益最大化为目标 在博弈过程中 他们都面临2种策略选择 企业可以 选择是否监督科研人员的研发过程 如果选择监督 企业会产生一定的监督成本 科研人员则可以选择 是否充分投入研发水肥一体化的智能系统 当科研 人员不充分投入与企业的合作研发时 他们会将节 省下来的成本用于自己的科研 从而获得额外的科 研成果 此外 如果企业发现科研人员在研发过程 中存在 不充分投入 的问题 科研人员会面临3种可 能的利益损失 一是企业会在尾款中扣除一部分报 酬 二是丧失未来继续合作的机会 三是科研人员在 行业中的口碑会受损 在此背景下 本文对博弈模 型做出如下的假设 1 科研人员充分投入从而研发 出来的水肥一体化系统智能化水平要高于不充分投 入时研发的产品 2 如果科研人员的不充分投入行 为被企业监管到 那么企业不予支付剩余的研发报 酬或从科研人员处获得的赔偿要大于企业的监管 成本 表3为企业与科研人员的收益矩阵 列举了不同 策略选择组合情况下企业和科研人员的收益情况 其中 表 2 农机性能补贴政策下的农机供求两方的收益矩阵 Table 2 The payoff matrix of machinery supplier and consumer under the policy subsidizing the quality of agricultural machinery 主体 Entities 农户 Farmer 农机企业 Machinery supplier 策略 Strategies 接受高价 Accepting high price 不接受高价 Not accepting high price 高性能高价格 High performance high price U H P H T F PH TE Q H C 0 C 低性能低价格 Low performance low price 0 0 U L P L T F P L T E Q L 23 第42卷 华中农业大学学报 K代表约定的固定委托报酬 Y H 代表科研人员充分投入 研发时研发的水肥一体化系统智能化水平 Y L 代表科研 人员不充分投入研发时研发的水肥一体化系统的智 能化水平 C 是企业和科研人员约定的总研发投入 F 1 是科研人员面临的总惩罚损失 F 2 是企业未支付 的研发报酬或从科研人员处获得的赔偿 M是监管 成本 U s 是科研人员将剩余精力用于自身科研时所 获得的科研成果回报 基于上述产学研博弈的收益矩阵 我们发现是 否存在纳什均衡取决于U S 是否大于F 1 即科研人员 将剩余精力投入自身科研所获得的回报是否会大于 因监管而产生的损失金额 如果前者大于后者 那 么这个博弈存在唯一的纳什均衡为 不充分投入 监 管 即使当企业选择监管 科研人员依然会选择不 充分投入研发 当科研人员在研发上不充分投入时 企业会选择进行监督 虽然这样的博弈存在上述均 衡点 但是此状态会导致智能水肥一体化系统的研 发投入一直处于较低的状态 挫伤企业参与产学研 合作的积极性 相反 如果自身科研回报小于惩罚 金额时 整个博弈过程无法形成纳什均衡 即企业选 择监管时 科研人员会充分投入研发 科研人员充分 投入研发的话 企业会选择不监管 企业不监管时 科研人员会选择不充分投入 综上 无论上述哪种 情况出现 产学研合作模式都无法激励科研人员全 力投入研发 3 对策分析 本文分别从高校绩效考核机制和 产学研利益分成机制着手 探讨引导博弈双方达到 充分投入 不监管 的最优均衡状态所需要具备的 条件 首先 保持上述博弈设定不变 如果我国高校 通过制度改革将服务企业研发的成果纳入到高校研 究人员的绩效考核 职称评定中 那么上述博弈中科 研人员会因为进行产学研合作获得来自高校的额外 绩效收益 此类收益基于研发成果的市场价值进行 折算 由 Y表示 其中 是绩效换算标准 在这种情 况下 双方博弈的收益矩阵见表4 表4显示 当 Y H Y L U s 时 科研人员与 企业之间的博弈形成了唯一均衡点 充分投入 不 监管 当产学研成果纳入高校绩效考核体系后 如果科研人员因产学研成果获得来自高校的边际 绩效收益高于自身科研产生的边际收益 那么即使 在企业不进行监督的情况下 科研人员也会全力投 入研发 相反 如果来自高校的边际绩效收益低于 自身研究所带来的边际收益 博弈则形成与表3博 弈矩阵类似的困境 即要么双方无法形成均衡 要 么均衡点为 不充分投入 监管 此外 产学研合作机制本身的优化也能够使双 方达成激励相容 得到最优均衡 如果将原有模型 1中固定报酬合约K改为按比例分成合约 Y 其 中 是科研人员在产品生命周期中的收益分成比 例 那么 博弈的收益矩阵会变成矩阵 3 表5 表 3 智能水肥一体化系统产学研合作的收益矩阵 1 Table 3 The payoff matrix of suppliers and researchers in the cooperation of developing smart water fertilizer integrated system 1 主体 Entities 科研人员 Researcher 企业 Enterprise 策略 Strategies 充分投入 Fully devoted 不充分投入 Not fully devoted 监管 Supervision K C Y H K M K C F 1 U s Y L K M F 2 不监管 No supervision K C Y H K K C U s Y L K 表 4 智能水肥一体化系统产学研合作的收益矩阵 2 Table 4 The payoff matrix of enterprise and researcher under the cooperation of developing smart water fertilizer integrated system 2 主体 Entities 科研人员 Researcher 企业 Enterprise 策略 Strategies 充分投入 Fully devoted 不充分投入 Not fully devoted 监管 Supervision K C Y H Y H K M K C F 1 U s Y L Y L K M F 2 不监管 No supervision K C Y H Y H K K C U s Y L Y L K 表 5 智能水肥一体化系统产学研合作的收益矩阵 3 Table 5 The payoff matrix of enterprise and researcher under the cooperation of developing smart water fertilizer integrated system 3 主体 Entities 科研人员 Researcher 企业 Enterprise 策略 Strategies 充分投入 Fully devoted 不充分投入 Not fully devoted 监管 Supervision Y H C 1 Y H M Y L C F 1 U s 1 Y L M F 2 不监管 No supervision Y H C 1 Y H Y L C U s 1 Y L 24 第3期 熊航 等 我国智能水肥一体化系统发展面临的挑战及其对策 基于博弈论的分析 收益矩阵 3 表明 当科研人员充分投入研发 时 企业会选择不进行监管 而当企业不监管时 科 研人员的选择则取决于 Y H C 和 Y L C U s 的大小 最终这一博弈均衡形成的条件与模型2的 结论相似 只有当 Y H Y L U s 即科研人员 通过利益分成获得的边际收益超过了将精力投入到 自己科研时的边际收益时 他们会选择充分投入研 发 此时 博弈过程就形成了一个唯一的纳什均衡 即企业不监督但科研人员充分投入研发 这个结果 对于双方来说不仅仅是双赢 也是帕累托最优 智能 水肥一体化系统研发的投入能保持较高的水平 综 上 只有当科研人员能够从产学研合作成果中获取 足够多的剩余价值时 他们才会有足够的动力全力 投入智能水肥一体化系统 不管这个剩余价值来自 于高校绩效考核还是企业分红 但是 形成上述最优均衡的一个潜在条件是科 研人员对于研发产品的未来市场收益掌握完全的信 息 换句话说 科研人员能够准确地预估 Y H Y L 的值 然而 国内的高校或研究机构往往没有足够 的能力掌握全面的市场信息 而且 产学研合作中 并没有合理的机制激励企业在市场推广和商业化阶 段对盈利信息进行公开 所以 即使产学研合作中 双方采取了剩余价值分享机制 科研人员也会因为 信息不对称而对应得收益产生错误估计 导致其认 为分成比例没有超过边际成本收益比例 最终选择 不充分投入研发产品 鉴于此 产学研合作要形成良好的激励机制 使 科研人员在没有企业监管的情况下也全力研发智能 水肥一体化系统 政府一方面需要制定相关的政 策 积极地引导科研人员从高校以及企业合理地分 享其研发成果的剩余价值 另一方面 也要帮助科研 人员进行制度建设和能力建设 使科研人员能够充 分掌握所拥有的知识产权在市场上的价值 我国高 校的成果转化机构一般属于校内行政部门 缺乏专 业人才 而且在可能承担处置不当风险的同时 并不 能享受转化的收益 导致部门内部协助科研人员进 行成果转化的积极性难以调动 18 日本的产学研制 度设计较为充分地考虑了高校成果转化的激励 强 调在评价教师和研究