数字乡村建设的底层逻辑、功能价值与路径选择

霍 鹏 肖荣美 马九杰

数字乡村是乡村振兴的战略方向，是建设数字中国的重要内容，能在产业发展、农民增收、乡村治理等方面发挥重要作用。当前，农业农村各领域和各环节的数字化进程存在差异。数字基础设施、电子商务等领域的飞速发展与农业生产、乡村治理等领域数字化进展缓慢并存。中国信息通信研究院发布的《中国数字经济发展白皮书（2022年）》显示，2021年，中国产业数字化规模达37.18万亿元，占数字经济比重达81.7%，占GDP比重为32.5%，产业数字化已经成为国民经济发展的强大引擎，但目前三次产业数字经济渗透率依然存在较大差距。如何更为合理有效地推进数字乡村建设，强化新一代信息技术对农业农村生产、生活、服务及治理全链、全局、全域的赋能效应，全面助力农业农村现代化，已成为近年来各界关注的核心议题。

那么，数字乡村与传统农业农村现代化建设是否以及存在哪些不同？数字乡村的底层建设逻辑与推进步骤是什么？数字乡村建设的推进策略、价值取向与智慧城市等又有什么区别和联系？尽管中国在全球数字竞争中脱颖而出，并在5G、人工智能算法、数字平台、远程教育等领域取得了诸多成就，但是对于上述问题的回答，尤其是充分结合了农业经济、数字经济与信息通信等交叉学科的复合型研究依然相对匮乏。当然，这也为本文提供了边际贡献的机会。

目前，相关研究集中于制度建设与乡村治理［1-2］、数字技能［3-4］、普惠金融［5-6］等方面，这为理解与推进数字乡村建设提供了诸多真知灼见。然而，从新一代信息技术与农业农村融合发展本身来解释数字乡村内在机理、面临挑战与发展路径的研究尚不多见。“数字乡村”“新一代信息技术”常被作为因果推断中的黑箱式自变量，或推动乡村振兴的某种既定内容。实际上，数字乡村的实质是一系列农业农村数字产品与服务的集合。就数字产品与服务的研究而言，一个不可或缺的过程是从政策导向、实际痛点向二进制数字产品的转化。当前，数字乡村在探索“数字”与“乡村”融合发展、整体性推进方案建设方面仍存在诸多堵点、弱点与痛点，需要深入把握数字乡村底层技术逻辑、价值取向与需求满足难点，如此方能真正找寻分级分类、可行有效的数字乡村发展路径。

数字乡村是数字经济、农业经济、乡村治理等规则、知识基于算法、模型、数字终端等在农业农村的具象体现，是新一轮科技革命与农业农村生产、生活、交易、治理等深度融合的产物。数字乡村本质上是一系列农业农村数字平台与数字产品的集合。理解与推进数字乡村建设，需要深入分析数字乡村的技术逻辑、基本架构及关键组成。

（一）作为数字乡村基础架构的数字孪生：起源与机理

1948年，诺伯特·维纳的代表性著作《控制论》出版，成为一个时代开启的标志。《控制论》是关于系统内秩序维持的一般法则，维纳将这本书的副标题取为“或关于在动物和机器中控制和通信的科学”，指出任何系统（包括物理系统、生物系统和社会系统）都按照一定的秩序运行，并都表现出从有序向无序、从确定向不确定状态的变化倾向［7］。为保持系统正常运行和系统目标的实现，就需要对系统进行控制。一切能够根据环境实际情况、变化趋势而实现优化的“控制”，都需要构建包含信息提取、信息传输、信息处理、信息存储和信息利用等在内的“大闭环”（所谓的智能与优化不过是这样一个“大闭环”运作的外在表现）。《控制论》以高度抽象的方式揭示了包括生物、机器、经济社会等在内的一切简单或复杂系统，在面对不断变化的周边环境与不确定性风险时自主运行的本质规律。

新一代信息技术解构了一个旧世界，建立了一个新世界，即一个数字孪生的世界［8］。数字孪生是《控制论》在数字时代的具体呈现。它始见于2011年美国空军实验室的研究文献［9］，最早用于预测飞机结构寿命和保证结构完整性的过程。当前，伴随着5G、工业互联网、物联网、大数据、人工智能等的推广与应用，工业、能源、交通、水利、城建、自然资源等领域的数字孪生建设日渐提速。数字孪生本质上是用于优化物理对象行为的精准数字化映射，是新一代信息技术群综合应用的一种集成范式。数字孪生根据物质世界客观规律、专业知识、仿真技术、遥感技术等为物理实体在网络虚拟世界创建“孪生体”或应用场景，用以模拟、监测、预测物理世界物体（事务）的状态和行为①数字孪生具有多样化的实现形式，一方面它可以表现为“1∶1”在虚拟空间还原的仿真模拟场景，如工业互联网智能工厂、智慧城市智慧管网等；
另一方面也可以表现为抽象化的点对点动态连接，如电子商务平台、网约车平台等。（第一次映射，网络虚拟世界“孪生体”的建设）。此后，通过网络、算法、模型等与物质世界实现在供需两端的敏捷联系（沟通）、决策的无成本试错（规划）、行动的可能性推演（预测）、虚拟服务的非竞争性供给（共享），并根据所得出的“最优解”指导物理世界行动（第二次映射，网络虚拟世界“孪生体”对于物质世界的指导与优化）。

伴随着物质世界与网络虚拟世界的实时交互，通过数据的自动化流动应对物质世界中复杂系统的不确定性，实现物质世界组织性与连接性的加强、生产与交易精准性的提升和不确定性风险的缓解等［10-12］。数字孪生是对于传统网络虚拟世界的升级，是当前阶段包括数字乡村等在内的全局、全链、全域数字化发展的基本运行逻辑与底层基础架构。

（二）基于数字孪生的数字乡村建设架构

建设数字乡村数字孪生底层架构的基本与前提条件是需要具备一个由硬件、软件与数据等所共同构筑的，集感知与传输层、运算与应用层等于一体的“大闭环”（见图1），以此实现经济社会、农业生产的全方位优化［13-14］。

图1 数字乡村建设的框架结构

一是感知与传输层。连续性、多维度、标准化的数据采集与感知是数字乡村“大闭环”的起始点。天气气候、土壤河流、市场供需、人口流动等环境信息时刻变化，及时、准确掌握农业农村内外部环境数据情况是实现有效决策、减少不确定性风险的前提。网络为数据在数字乡村“大闭环”的流动提供管道。“大闭环”的构建需要系统中各部分实时连接、互通有无。过往，实现“人与人的连接”是网络设施建设的首要任务。当前，伴随着“5G+工业互联网”等全面开启万物互联时代，农村地区网络与标识体系、物联网传感器系统逐步成为获取数据的重要来源、传输数据的重要渠道。这为更加及时、全面、准确地完成农业农村各领域的数据采集与传输工作提供了可能。

二是运算与应用层。科学的决策分析是数字乡村“大闭环”的关键核心。伴随着机器学习、人工智能等技术的快速发展，一些在获取、存储、管理、分析方面超出了人类计算能力、传统数据库软件工具能力范围的数据逐步被纳入决策考量范畴，为农业农村实现更高层次的决策优化开辟了新路径。精准、高效的数字应用是数字乡村“大闭环”的最终表现。特别是，由于数字孪生空间无视物理距离的特性，数字乡村实现了基于网络的虚拟经济构建、虚拟服务供给，打破了经济社会机会在地理上分布不均的障碍，拓展了新经济、新模式、新业态；
实现了教育、医疗等公共服务的放大利用、低成本共享复用，提升了农村地区公共资源的供给总量与质量。推动农业农村全领域“大闭环”的逐步建设，并逐步推进各“大闭环”间数据的互联互通，从而实现更加动态、精准、全面的数字乡村“数字孪生世界”的加速构建（见图 2）。

图2 数字乡村是由多个数字孪生大闭环构成的集合体

（三）数字乡村数字孪生架构建设的重点领域

数字乡村作为一系列农业农村数字平台与数字产品的集合，要发挥其实际经济社会效用，数字孪生“大闭环”（至少一个）的完整性是首要前提。数字乡村建设与传统农业农村现代化建设存在一定区别。传统农业农村现代化建设可以由点及面、循序渐进，在保证其他领域要素持续投入的基础上，增加关键要素、重点领域的投入，能够带来整体收益的持续提升。但是，数字乡村建设必须全局部署、整体推进——数字乡村软件与硬件之间、硬件与硬件之间的相互制约更加显著。任何一个节点存在未连接的问题，整个数字乡村的数据驱动就难以有效实现；
任何一个数字乡村应用场景如果仅有硬件设施而缺乏配套控制软件与算法模型，整个系统就难以实现精准化、智能化、集约化运行。

在建设过程中，数字乡村建设与传统农业农村现代化设施建设差异显著。厂房、道路、桥梁、水利等传统农业农村基础设施一次建设性投入大、折旧周期长，建设后在非灾害年份的年均维护费用相对较小。相较而言，数字乡村相关物联网传感器、服务器等硬件设施一次性建设投入大、折旧周期短、电力资源消耗多，同时后期维护与迭代持续投入大、延续时间长。因此，在推进数字乡村建设时需要充分考虑到数字乡村建设中数字基础设施与传统基础设施之间的区别，提前规划、分级分类、行之有效地推进相关基础设施建设。

基于数字孪生架构基础，加速推进农业农村数字化进程，需要明确乡村核心功能、实际需求及其与智慧城市等其他类型的区域数字化发展规划战略的区别，找准发力重点，强化数字包容水平，以“真正”而非“形式”的数字化解决方案解决好农业农村发展的难点、堵点与弱点。

（一）产业数字化是数字乡村建设的首要任务

产业兴旺是乡村振兴的重点，是解决农村一切问题的前提，也是建设数字乡村的首要任务。农村居民认识、理解与建设数字乡村是一个长期发展过程，也是一个资源持续投入的过程。产业数字化通过提升生产效率、增加就业岗位所带来的经济效益，既能推动农村居民理解新技术、接受新事务、形成新观念，又能提供乡村治理、农村公共服务等数字化发展所必需的多样资源，形成人人认同、人人参与、人人创新的数字乡村建设局面。

实际上，以新一代信息技术研发与应用为核心的数字经济已经为农村地区的商业发展开辟多样化的新增值渠道，创造了大量新兴的生产性工作机会。这种源自产业的强大内生动力不仅使我国农村居民更加愿意拥抱新技术带来的改变，而且使他们有着充足的激励去完成实践层面的创新与拓展。以电子商务为例，不分地域、不分规模，甚至是最偏远地区的企业、个体，都能够通过网络有效地展现和出售自身具有相对优势的产品。大量农村地区通过发展电子商务得以脱贫致富，农村居民通过参与电子商务改善了生活、获得了财富。

当前，在我国大多数农村地区，传统农业依然是主导产业。伴随着新一代信息技术向生产端的加速渗透与融合，推进数字乡村建设需要更加注重生产率高、可预测性和气候变化适应能力强的智慧农业生产系统建设，通过全面提升农业生产资源投入的精准度，帮助农村居民更好地预测与应对病虫害、极端天气，进而实现农村产业“决策—生产—流通—交易”的数字孪生框架建设，以产业数字化内生动能带动实现乡村治理、公共服务，以及素养与技能等的数字化。

（二）包容性而非绝对颠覆性创新的价值取向：兼论与智慧城市功能的异同

城市功能更多地体现在通过各种要素的流动、集聚、融合以实现技术与模式的创新，并以此来引领一个地区乃至一个国家经济社会的增长，成为一个地区一个国家的区域增长极与创新高地。与之相对应，城市的问题在于由“流动”“聚集”而产生的拥堵、无序和低效。因此，包括智慧城市在内的一系列数字化发展方案强调通过新一代信息技术整合城市地理、交通、市政、应急、管网、教育、医疗卫生、公安消防系统和服务，全面实现资源运用效率的提升，满足大量潮涌式、碎片化的具体需求①中国通信标准化协会：《智慧城市总体框架和技术要求》（YDB 134-2013）。。

农村在核心功能上更加强调确保粮蔬供给安全，提供生态屏障与生态景观［15］，在价值取向上强调保障发展的均衡性、社会服务的普惠性与包容性。数字乡村与智慧城市虽然都包含了大量规划、公共服务等内容，但是，由于地理情况、人口特征、需求结构等方面的差异，数字乡村必然不是智慧城市在农村地区的简单复制。相较于智慧城市等数字化发展方案，数字乡村建设更加强调“应用”与“包容”，而非绝对“引领”或颠覆性“创造”。一方面，截至“十三五”期末，我国城市数量为684个，城区面积为6.03万平方公里，与之相对应的很大一部分地区则是农村地区。如果全部照搬智慧城市在设施、交通、管网等方面的创新实践，既不现实又不经济。另一方面，城乡差距解释了我国当前收入差距的绝大部分。同期，行业收入差距亦较为明显，信息技术类工资最高，农林牧渔工资最低②任泽平等：《中国收入分配报告2021：根源、影响与建议》。。城乡间及信息技术、农林牧渔等行业间从业者收入的差距，从另一个角度映射出了区域、产业之间金融资本、人力资本与技术实力的差异以及在同步推进数字化发展时可能面临的挑战。

限于各类资源的差异，在数字乡村技术布局中，一方面，政府、企业尤其需要权衡各类技术与设施的应用成本和价值收益，充分理解各类型、各环节新一代信息技术的基本内涵与实际作用，选择最适合的而非最好的技术与基础设施，尤其是，不能因为盲目追求“先进性”“未来感”而导致性能不适、功能闲置。要重视数字化“微创新”“微改进”带来的发展绩效改进无限可能，避免或减缓可能出现的数字技术创新与生产率提升不显著的“生产率悖论”。当然，另一方面，也需要更大力度地吸收城市地区服务业、工业等在数字化发展过程中的经验与教训，充分利用工业互联网、数字孪生城市等既有底层设施标准、技术构架，重点探索既有技术与农村生活、农业生产的创新融合，探索经济效益与社会效益相得益彰的建设方案与推进路径。同时，城乡数字化发展受众群体存在实际差异，数字乡村建设需要重点探索如何通过简约、直接的数字产品研发，更好地服务老龄人口与弱势人群，全面实现数字包容。

党的十八大以来，中共中央、国务院统筹推进数字中国、数字乡村、普遍服务系列政策，积极发挥政府部门、国有企业在数字基础设施建设上的作用，在农村与偏远地区广泛开展系统性的网络设施部署、提速降费行动，积极推动电子商务进农村与农村信息化，并以数字化方式加速提升城乡公共服务供给能力。数字化发展为乡村振兴注入新动能，加速促进农村经济社会与城乡互动关系变革，为实现区域城乡协调发展、乡村振兴增添了数字红利。但是，伴随着城乡数字化发展进程的持续深化，数字乡村建设也面临着新问题、新挑战。特别是，由于城乡数字接入机会趋向平等，以及新一代信息技术在农业领域创新与应用水平的不断提升，各领域的“应用鸿沟”取代“接入鸿沟”成为现阶段制约数字乡村建设的主要内容。

（一）城乡数字化发展方案与数字基础设施匹配效能的差距

部分地区建设方案对于乡村功能、农村问题认识不足，忽视“大国小农”基本国情农情及数字孪生客观规律。在没有考虑投入—产出盈亏平衡、没有基本作物生长模型与农业控制软件配套的情况下，大量布设简单物联网设备、基础数字平台。通过对“中国政府采购网”2014—2020年各级地方政府关于智慧农业招投标项目的机器学习分析发现，在各级政府建设的709个智慧农业相关项目中，有268个项目用于平台建设。很大一部分数字平台投入经费有限，功能较为简单、相似性较高，且不注重持续迭代升级，未能直面农业农村对于数字化的诉求，忽视了数字基础设施与传统农业基础设施在施工、监督、维护等方面的巨大差异。部分地区不仅没有实现数字赋能的愿景，反而因难以实现可持续经济收益而在某种程度上加重了地方财政负担。

（二）城乡间、农村内部经营主体数字化应用水平的差距

城乡生产经营主体在云计算、大数据、物联网、人工智能等数字资源处理能力与应用方面存在显著差距。互联网企业与电子商务销售商的分布主要集中于东部城镇地区，新一代信息技术相关就业岗位供给、交易活动区域、城乡分布不均衡现象显著。这直接导致了农业农村整体数字经济增加值比重较低，远低于制造业和服务业的水平。同期，农村内部县域之间生产经营主体数字化发展程度也呈现分化状态。实地调研与问卷调研发现，浙江瑞安、河南光山、四川大邑等少数地区引入中国中化、海尔卡奥斯、腾讯云等的整套物联网设施装备与乡村数字化生产转型思路，积极匹配地区产业发展特点与需求，取得了显著的数字化转型发展绩效，但也应看到，其他大部分农村地区数字赋能绩效还有待提升。

此外，人工智能、物联网、大数据、遥感技术等在农业精准生产、预警、智慧物流等方面的应用依然较为粗放，关键领域专利技术研发布局仍待加强。近年来，物联网、大数据、云计算、人工智能、元宇宙等名词层出不穷，名词概念“拥堵”带来了一个错觉，即技术供给无处不在，甚至是过度的。但是，实际上真正能稳定用于农业生产各领域、各细分行业的技术系统供给是不够的，供给能力是不足的。运用人工智能文本分析、聚类分析方法，基于中国国家知识产权局与世界知识产权组织公布的智慧农业专利对比数据（截至2021年8月）的分析显示，中国在专利申请总数上已经超过美国，并且已经初步将人工智能、物联网、区块链等技术应用于农业产业链各环节改造。但是，存在着管理管控与数字平台方面专利数量过多且相关专利低端化、同质化发展严重等问题。同期，传感和信息采集领域、生长和预测模型领域等的专利研发显著滞后于美国。技术供给的不足也影响了数字乡村全局、全域、全链数字孪生架构的建设。

（三）城乡居民数字服务、数字活动与信息消费质量的差距

农村居民数字经济参与程度、结构方面相较于城镇地区仍待改善。大多数农村居民对于数字世界的认知和信息消费内容仍停留于简单的社交娱乐方面，其他领域的数字经济活动参与均显著落后于城镇居民。新冠疫情以非自然演进的方式大跨步地加速了全社会数字化转型的步伐，未来如果农民缺乏相应的数字技能，将有可能被不断变革的劳动力市场所排斥，难以伴随经济社会的发展而获得持续的福祉增益。

农村地区不同人群之间，尤其是农村老年人、残障人士与弱势群体，数字化差距问题同样显著。第七次人口普查的数据显示，我国农村60岁老人比重为23.81%，65岁及以上老人比重为17.72%，比城镇分别高出7.99个、6.61个百分点。由于思维限制以及市场主体缺乏有效激励，适老、适残、简约的数字终端与服务供给难以满足实际需求。目前，还存在大量农村老年人、残障人士与弱势群体受教育程度低，长久以来习惯于现金购物、排队挂号、业务办理等线下生活，难以适应线上生产生活行为的改变，或是面临着在数字化生活中被“代沟式淘汰”的困境，或是在初入虚拟世界时面临着诱导、诈骗等新型风险威胁。

数字乡村建设是农业农村基于新一代信息技术的全方位变革，需要深入分析与理解数字化发展的基础逻辑，明确农业农村的实际功能、需求痛点与面临的挑战，从解决方案、智慧农业、数字技能与服务等领域全局思考、统筹部署，高质量推进数字乡村建设。

（一）强化数字乡村建设方案的系统性、匹配性与创新性

协同农业农村、工信、网信、财政、教育等部门，强化数字乡村与“新基建”相关规划、各部门重大专项与支持政策的衔接程度，明晰数字乡村建设与传统农业项目在投入、折旧、维护等方面的差异性，实施与数字乡村建设更加匹配的资金项目管理机制。发挥数字技术跨越物理空间的作用效能，构建多样化的城乡共建渠道，广泛吸纳多元主体参与数字乡村建设与研发创新。大力培育数字乡村综合解决方案供应商，依靠市场主体开展实践创新，探索新一代信息技术赋能农业农村生产的有效路径与机理，寻求社会价值与经济价值的平衡。鼓励互联网企业与农业经济、社会、文化等领域科研院所的“产学研”合作，实现“产品经理农业农村研究者化”，加深对农业农村经济与社会的认知，研发和实施更具包容性、更符合“大国小农”需求的数字化创新。

数字乡村归根结底是数字应用与数字产品的集合。产业政策需要通过产品经理与程序员转化为二进制的数字产品。这需要多方主体的协同合作、深入理解，尤其是需要产品经理与工程师熟知农业生产、乡村治理、乡土社会结构、农村金融需求等实践痛点，并对具体问题进行分析与凝练，力争打造出应用效果好，甚至是“杀手级”的数字应用。

（二）将智慧农业作为数字乡村的先发重点领域

统筹考虑、适度超前部署农村地区数字基础设施。持续完善城乡固定与移动宽带网络建设，打造更为稳定、高速的基础设施支撑，满足智慧农业发展需要。推动农村传统基础设施的数字化、网络化、智能化改造升级，加速改造城乡电力、交通、物流等传统基础设施，加强对设施的远程实时监测、在线运维以及相关数据采集能力，构建更智能、高效的农村数字孪生底层架构。

摸清智慧农业发展短板与“卡脖子”领域，针对控制软件、人工智能作物（动物）生长模型等关键领域，综合利用专项资金、产业基金等方式开展产业短板协同攻关，以及交叉性、通用性技术研究，强化关键技术研发，优化相关专利布局。面向粮食主产省区，探索大田农业无人机、智能水肥一体化机械、“北斗导航+自动驾驶”无人拖拉机（播种机农机）等数字化、智能化、网络化改造。面向温室蔬菜、水果生产集聚区，探索工业互联网与设施农业融合发展的新路径，以新一代信息技术加快推动设施农业提质、增效、减排。

（三）全面提升农村居民数字参与能力

积极推进农村地区的数字适老化改造，补足农村基层社区智能终端缺口。引导企业推出更加适合农村老年人需求的智能终端，建设覆盖全部行政村的“乡村数字图书室”。深化App适老化改造，鼓励企业将适老化工作理念融入产品设计和服务过程，持续提升农村公共卫生服务、社交娱乐等App适老化和无障碍改造水平［16］。加强对诱导下载、付款等诱导欺诈行为的监管与惩罚力度，让农村老年人能够平等、便利、安全地参与数字活动。

构建多方参与的数字乡村技能培育体系。以政府为指导，产业组织等牵头，联结政产学研等多方主体，创建数字技能联盟，推动覆盖全面、重点突出的数字技能体系建设，提高农村居民对新一代信息技术的理解和应用能力。开展多层次、多样化的数字技能培训，面对农村及欠发达地区不同群体的差异化需求，分层次开展基础数字技能和进阶数字技能培训。统筹推进数字技能基础技能课程在农村及欠发达地区学历教育、职业教育中的普及，强化非正规教育中数字技能相关知识学习渠道建设。加强对公共服务体系人员的专门数字技能培训，发挥基层干部、教师、医生在农村及欠发达地区强化数字应用的带头作用。面向返乡农民、留守妇女等具备劳动力的群体开展更多生产经营相关的数字技能培训；
面向老年人、残疾人、留守儿童等特殊群体，开展具有针对性的基础数字技能培训。加大资金、政策支撑力度，保障农村及欠发达地区智能终端、数字技能学习场所供给。Reform

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