Nông nghiệp đóng góp chưa đến 5% nền kinh tế toàn cầu nhưng tạo ra đến hơn 25% tổng số việc làm. Ngành này phải đối mặt với thách thức gấp ba đó là cung cấp lương thực cho dân số ngày càng tăng, cung cấp sinh kế cho người nông dân và cả đảm bảo vấn đề bảo vệ môi trường. Nông nghiệp dựa trên công nghệ sẽ là động lực chính của tăng trưởng năng suất, đi liền với phát triển bền vững
Đảm bảo năng suất là rất quan trọng để đáp ứng nhu cầu lương thực của dân số ngày càng tăng. Tuy nhiên, có một sự thiếu hụt đáng kể trong tăng trưởng năng suất của ngành nông nghiệp, theo “Báo cáo Năng suất Nông nghiệp Toàn cầu năm 2021. (”1,2) Tổng năng suất theo các nhân tố (TFP) thể hiện sản lượng nông nghiệp từ tổng hợp đất đai, lao động, vốn và vật liệu được sử dụng. Từ năm 2010 đến 2019, tốc độ tăng trưởng TFP hàng năm ở mức 1,4%, thấp hơn đáng kể so với mục tiêu 1,7%.
Đóng góp tài chính của ngành cho nền kinh tế toàn cầu đã giảm dần trong 5 thập kỷ qua — từ mức 10% trong những năm 1960 xuống dưới 5% vào năm 2020. Dù vậy, lương thực vẫn là một yêu cầu cơ bản cho cuộc sống, khiến nông nghiệp trở thành thành phần cốt lõi và tiếp tục được ưu tiên cho tương lai. Sự gián đoạn đang diễn ra do chiến tranh Nga-Ukraine, COVID-19 và những thay đổi về môi trường đã ảnh hưởng đến giá lương thực và nguồn cung toàn cầu. Nếu các biện pháp mạnh không được thực hiện, lạm phát lương thực sẽ trầm trọng hơn và tình trạng sẵn có sẽ tiếp tục xấu đi.
Tuy nhiên, không thể tăng năng suất bằng cách đánh đổi sinh kế hoặc tác động xấu đến môi trường. Công nghệ có thể hỗ trợ cân bằng năng suất, việc làm và tính bền vững (Hình 1). Các công ty công nghệ cung cấp các giải pháp sáng tạo và giá cả phải chăng để cải thiện năng suất đồng thời giảm thiểu rủi ro kinh tế và môi trường. (*3)
Trong khi một số ngành công nghiệp đã xác định được các công nghệ cho tính bền vững và khả năng phục hồi khí hậu, nông nghiệp vẫn chưa làm được điều đó trên quy mô lớn. Hơn 25% dân số toàn cầu sẽ cần áp dụng các biện pháp canh tác xanh để có một tương lai bền vững, do tính chất phân mảnh của ngành.(*4) Sự can thiệp của công nghệ vào nông nghiệp đang diễn ra rộng rãi thông qua các con đường vật lý, bằng cách tự động hóa các nhiệm vụ bằng máy móc và các con đường kỹ thuật số, bằng cách cung cấp các luồng thông tin hỗ trợ việc ra quyết định kịp thời và quan trọng. Các thông số về đất đai, mô hình thời tiết và giá cả hàng hóa là những ví dụ về dữ liệu giúp nông dân thực hiện các hành động chuyển thành hiệu quả và cải thiện năng suất.
Nông nghiệp 4.0 là một phần của làn sóng cách mạng công nghiệp lần thứ tư (Công nghiệp 4.0), đề xuất một trạng thái lý tưởng về sản xuất hoàn toàn tự chủ và tối ưu hóa trong các nhà máy. Nông nghiệp tự quản có thể thực hiện được thông qua việc tích hợp hiệu quả các công nghệ vật lý và kỹ thuật số, với sự phát triển dần dần từ thủ công sang tự động sang bán tự quản và cuối cùng là các hoạt động tự quản hoàn toàn (Hình 2). Khách hàng hiện nay yêu cầu sự minh bạch và truy xuất nguồn gốc của thực phẩm họ mua. Ngoài hiệu quả, Công nghiệp 4.0 cung cấp một khuôn khổ để chủ động truy xuất nguồn gốc trong chuỗi nông sản-thực phẩm bằng cách sử dụng các công nghệ kỹ thuật số để đạt được Nông nghiệp 4.0.(*5)
Cuộc cách mạng dựa trên kỹ năng
Mục tiêu Phát triển Bền vững 2 của Liên Hợp Quốc (SDG 2) nhắm đến tình trạng không còn nạn đói trên toàn cầu vào năm 2030, nhưng thế giới vẫn chưa đạt được quỹ đạo cần thiết để đạt được mục tiêu đó. Theo ước tính gần đây của Liên Hợp Quốc, số người bị đói sẽ lên tới 830 triệu người vào năm 2030, do sự gián đoạn do đại dịch, biến động chính trị và thậm chí cả xung đột quân sự như ở Ukraine.
Nông nghiệp đóng góp hơn 10% lượng phát thải khí nhà kính trên toàn thế giới. Tỷ lệ này có thể tăng lên do lấp đầy khoảng trống về sản lượng nông nghiệp, được thúc đẩy bởi nhu cầu cơ giới hóa và thực hành canh tác xanh. Các công nghệ sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc đo lường mức độ phát thải trước và sau khi cơ giới hóa. Bất kỳ sự gia tăng phát thải nào do can thiệp công nghệ đều phải được đo lường và kiểm soát. Theo McKinsey, các phương thức canh tác xanh sẽ dẫn đến mất 34 triệu việc làm hiện có nhưng sẽ tạo ra 61 triệu việc làm mới. (*6). Nông dân cần đổi mới và hỗ trợ của chính phủ để tự động hóa và phát triển kỹ năng.
Công nghiệp 4.0 cho trang trại
Các cơ quan và chính phủ toàn cầu đang ngày càng ủng hộ việc canh tác dựa trên công nghệ. Ngành nông nghiệp (đặc biệt là Big Ag) cũng muốn có nhiều công nghệ hơn do chi phí lao động tăng và thiếu lao động có kỹ năng (Hình 3). Hơn nữa, chi phí giảm mạnh của các thiết bị được kết nối và khả năng tiếp cận các công nghệ tự động hóa tăng lên đang đẩy nhanh tính khả thi về tài chính của nhiều công nghệ hơn trong ngành.
Các nguyên lý của Công nghiệp 4.0 — khả năng hiển thị của các thông số, tính minh bạch để hiểu tại sao các sự kiện xảy ra, khả năng dự đoán để chủ động mô phỏng và tự chủ vận hành mà không cần sự can thiệp của con người — cũng áp dụng rộng rãi cho Nông nghiệp 4.0.(*7)
Sự hội tụ của vật lý và kỹ thuật số trong nông nghiệp song song với việc tích hợp công nghệ thông tin (CNTT) và công nghệ vận hành (OT) trong Công nghiệp 4.0, được gọi là tích hợp CNTT-OT. CNTT là dữ liệu cấp doanh nghiệp, trong khi OT là dữ liệu cấp cửa hàng. Tương tự, dữ liệu lĩnh vực nông nghiệp trong canh tác (ví dụ: hàm lượng chất dinh dưỡng trong đất) nên được tích hợp với các thông số bên ngoài (ví dụ: mô hình thời tiết, giá cả hàng hóa và tình trạng thiết bị). Nông nghiệp 4.0 kết hợp khoa học và công nghệ bằng cách tái cấu trúc toàn bộ chuỗi giá trị cung và cầu.
Canh tác tự chủ
Sự phát triển của nông nghiệp chính xác, công nghệ tự động, hệ thống tầm nhìn, tích hợp cảm biến và ứng dụng thông minh đưa canh tác tự động đến gần hơn với thực tế. Mục tiêu là kết nối toàn bộ chuỗi giá trị — từ lựa chọn hạt giống, canh tác trên đất, tưới tiêu và ứng dụng đầu vào cây trồng đến thu hoạch và hậu cần sau thu hoạch — bằng cách tận dụng thông tin có sẵn trên các hệ thống và thiết bị nông nghiệp.
Sự thúc đẩy cho sự bền vững không chỉ giới hạn trong ranh giới của các trang trại. SDG 12 của Liên hợp quốc đề cập đến “sản xuất và tiêu dùng có trách nhiệm”. Theo Liên Hợp Quốc, một phần ba lượng thực phẩm được sản xuất trên toàn cầu, trị giá khoảng 1 nghìn tỷ đô la, bị lãng phí do thu hoạch, vận chuyển và bảo quản kém, và thực phẩm cuối cùng bị thối rữa trong kho hoặc thùng. Tránh điều này đòi hỏi phải có các biện pháp thực hành hiệu quả để tạo điều kiện cho các mô hình “từ trang trại đến bàn ăn” bền vững hơn.
Canh tác tự chủ dự kiến sẽ mang lại các giải pháp hiệu quả về chi phí trong chuỗi giá trị thông qua việc giám sát liên tục theo thời gian thực đối với các cánh đồng, cây trồng, máy móc và thời tiết. Các trường hợp sử dụng tiềm năng bao gồm tối ưu hóa đường dẫn; vùng phủ sóng; sử dụng thời gian của thiết bị để cày, trồng trọt và thu hoạch; giảm chi phí hoạt động; kết nối các quy trình để theo dõi cây trồng theo thời gian thực; và hỗ trợ hậu cần cho sản xuất trang trại.
Các hệ thống và công nghệ hiện tại cần tích hợp với mạng 5G, các hệ thống tự quản tiên tiến được hỗ trợ bởi trí tuệ nhân tạo (AI), các dịch vụ được kết nối và các dịch vụ thông minh, dựa trên đám mây để tự động hóa quy trình làm việc từ đầu đến cuối. Máy kéo và thiết bị làm cỏ tự động sẽ giảm thiểu sự can thiệp của con người, loại bỏ sai sót và tiết kiệm năng lượng. Được hỗ trợ bởi các dịch vụ định vị thời gian thực với mạng 5G, nhiều loại thiết bị nông nghiệp được kết nối sẽ phun thuốc, gieo hạt, trồng trọt, cày xới và thu hoạch. Phân tích dữ liệu dựa trên AI sẽ tăng cường các công nghệ tưới tiêu thông minh được kết nối để tối ưu hóa việc tiêu thụ tài nguyên và đáp ứng yêu cầu cao nhất của nông dân là giảm tổng chi phí sở hữu (Hình 3).
Nông nghiệp giá cả phải chăng
Khả năng chi trả là một biện pháp quan trọng đối với các công nghệ này nếu chúng được áp dụng, đặc biệt là ở các nước đang phát triển. Một cách tiếp cận để nâng cao khả năng chi trả là phát triển các công nghệ sử dụng phần mềm, kiến trúc và khung nguồn mở cũng như các giao diện lập trình ứng dụng (API) được tiêu chuẩn hóa. Các nền tảng tích hợp nhập dữ liệu, khai thác quy trình làm việc và cho phép kết hợp các nguồn cấp dữ liệu với các công cụ ra quyết định do AI điều khiển. Hơn nữa, các kiến trúc nên sử dụng các nguyên tắc mạnh mẽ của phần mềm mô-đun và linh hoạt, các dịch vụ siêu nhỏ và các mô hình không độc quyền, không độc quyền về phần mềm. Hình 4 cho thấy cảnh quan kỹ thuật điển hình và kiến trúc cấp cao của các thành phần công nghệ này.
Các nền tảng của bên thứ ba phục vụ thời tiết, quản lý kho hàng, quản lý đội xe và thương mại điện tử có thể quản lý API thông qua các lớp trừu tượng nơi sẽ xảy ra tùy chỉnh. Chi tiết vị trí từ các hệ thống vệ tinh định vị toàn cầu có thể được truyền trực tuyến để xác định vị trí máy móc, tài sản và gia súc theo thời gian thực. Các dịch vụ điện toán cạnh có thể phân tích các nguồn cấp dữ liệu hình ảnh để nhận biết các kiểu tăng trưởng của cây trồng và điều kiện thực địa. Chúng có thể được sử dụng để giám sát với việc ra quyết định tại địa phương.
Các dịch vụ phân tích cho phép so sánh dữ liệu lịch sử để theo dõi tăng trưởng và để hỗ trợ việc ra quyết định dựa trên dữ liệu bằng cách sử dụng các quy tắc kinh doanh. Bảng điều khiển trao quyền cho nông dân đưa ra quyết định tốt hơn thông qua các phân tích này. Dịch vụ quản lý đám mây với các lớp bảo mật tích hợp đảm bảo quyền riêng tư và bảo mật dữ liệu, tôn trọng các quy định của địa phương. Các ứng dụng và dịch vụ lưu trữ được quản lý cung cấp giao diện người dùng trên các thiết bị thông minh, cho phép nông dân truy cập dữ liệu và thông tin trong thời gian thực. Bảng 1 trình bày các khía cạnh chính trong canh tác tự trị sẽ thúc đẩy thị trường.(*9)
Công nghệ canh tác chính xác
Nông nghiệp chính xác sử dụng tự động hóa thông minh được hỗ trợ bởi Internet of Things (IoT) để phân tích nhanh chóng và cho phép quản lý đồng ruộng chính xác. Mạng 5G với độ trễ thấp hơn và băng thông cao hơn cho phép truyền chuỗi thời gian và video theo thời gian thực. Các cánh đồng sẽ được chiếm giữ bởi nhiều máy nông nghiệp tự động, mỗi máy sẽ cần được kết nối và kiểm soát liền mạch cho các hoạt động nhất định. Trí thông minh bầy đàn là hành vi tập thể và phối hợp của nhiều cá nhân làm việc như một hệ thống hướng tới một mục tiêu chung theo cách thức phi tập trung, tự học, tự tổ chức. Nó sẽ tối ưu hóa, kiểm soát và tự phục hồi bằng các thuật toán AI trên một mạng chung để sử dụng tốt hơn và lập kế hoạch đường đi cho thiết bị nông nghiệp.
Nông nghiệp bền vững ở nông thôn
Những thách thức ở các nước phát triển là thiếu lực lượng lao động lành nghề và chi phí lao động cao. Đồng thời, vùng phủ sóng viễn thông cho 5G còn thấp ở các vùng sâu vùng xa và không đủ cho các hoạt động tập trung. Tuy nhiên, các gói 5G cung cấp thời gian quay vòng dưới 10 mili giây, cho phép kết nối mạng cục bộ.
Các trường hợp sử dụng nông nghiệp thông minh
Các công nghệ trên có thể được sử dụng trong nhiều kết hợp để cho phép canh tác thông minh. Các trường hợp sử dụng nông nghiệp thông minh bao gồm:
- Giám sát tự động loại cây trồng, năng suất, màu sắc, đặc điểm và mô hình tăng trưởng.
- Truyền các thuộc tính hoạt động của thiết bị và phụ kiện nông nghiệp cho các biện pháp bảo trì phòng ngừa.
- Tích hợp nền tảng nông nghiệp bằng cách kết nối chuỗi giá trị với thông tin minh bạch từ quan điểm cung và cầu.
- Lập bản đồ các cánh đồng canh tác và tối ưu hóa các tuyến đường để xác định các chuyển động ngắn nhất và giảm thiểu thời gian vận hành và sử dụng nhiên liệu.
- Kết nối các máy trên một mạng chung để lập bản đồ tuyến đường hiệu quả.
- Tích hợp nông nghiệp chính xác với các phân tích để theo dõi thời gian thực các cánh đồng nông trại.
Đổi mới có trách nhiệm
Robotics, AI và 5G có thể dần dần mở rộng các hoạt động trang trại thông minh và tự quản. Những công nghệ này trao quyền cho nông dân, với những hiểu biết quan trọng, và cho phép họ đưa ra quyết định giúp giảm chi phí và nâng cao hiệu quả.
Phần mềm mã nguồn mở với nền tảng của bên thứ ba có thể tạo ra số hóa hợp lý trong nông nghiệp. Đồng thời, dữ liệu về máy móc, vận hành và xử lý trên nhiều nguồn và lớp công nghệ phải được tổng hợp và phân tích mà không ảnh hưởng đến trải nghiệm của người dùng cuối.
Trí thông minh bầy đàn sẽ đóng một vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy canh tác tự chủ. Thực hành quản lý chuỗi cung ứng hiệu quả sẽ giúp giảm lãng phí thực phẩm và khuyến khích tiêu thụ thực phẩm có trách nhiệm.
Bất kể ảnh hưởng từ công nghệ như thế nào, Nông nghiệp 4.0 luôn đòi hỏi sự đổi mới có trách nhiệm để thúc đẩy năng suất đồng thời đảm bảo tính bền vững về kinh tế, môi trường và xã hội.
Nguồn tham khảo
- Strengthening the climate for sustainable agricultural growth, 2021 GAP report.
- Slowing productivity reduces growth in global agricultural output, Keith Fuglie, Jeremy Jelliffe, and Stephen Morgan, December 28, 2021, U.S. Department of Agriculture.
- Three key challenges facing agriculture and how to start solving them, Jonathan Brooks, Koen Deconinck, and Céline Giner, June 6, 2019, OECD.
- Reducing agriculture emissions through improved farming practices, Daniel Aminet et al., May 6, 2020, McKinsey.
- From Industry 4.0 to Agriculture 4.0: A framework to manage product data in agri-food supply chain for voluntary traceability, A. Corallo, M. Latino, Marta Menegoli, April 5, 2018, International Journal of Nutrition and Food Engineering.
- Sectors are unevenly exposed in the net-zero transition, Mekala Krishnan et al., January 25, 2022, McKinsey.
- Making Industry 4.0 real – using the Acatech I4.0 maturity index, Dr. Ravi Kumar G.V.V., Nampuraja Enose, 2018, Infosys.
- Autonomous machines in the fast lane?, Alexander Krug, Dr. Philipp Seidel, April 2019, Arthur D. Little.
- Autonomous Farm Equipment Global Market Report 2021: COVID-19 Growth and Change to 2030, May 2021, Research and Markets.
- Precision Farming Market with COVID-19 Impact Analysis by Technology, March 2022, MarketsandMarkets.
- 5G IoT market, March 2021, MarketsandMarkets.
- Smart agriculture market, October 2021, MarketsandMarkets.