Agriculture 4.0: A systematic literature review on the paradigm, technologies and benefits

Demographics will increase the demand for food and reduce the availability of labour in many countries all over the world. Moreover, scarcity of natural resources, climate change and food waste these are issues that are strongly impacting the agricultural sector and undermining sus-tainability. Digitalisation is expected to be a driving force in tackling these problems that are characterising agriculture. In particular, the adoption of digital technologies to support processes in the primary sector goes by the name of Agriculture 4.0. Although the number of contributions related to these issues is constantly growing, several areas are still unexplored or not fully addressed. This paper addresses the adoption of digital technologies and investigates the appli-cation domain of these technologies, presenting a systematic review of the literature on this subject. Moreover, this research shed light on the technologies adopted and related benefits. Hence, the research has turned its attention to the description of the main pillars, such as the categorisation of its main application domains and enabling technologies. The results of the research show that the different technologies applied in the various fields of application provide benefits both in terms of efficiency (cost reduction, farm productivity) and reduced environ-mental impact and increased sustainability

THE AGRICULTURE 4.0 PARADIGM: STATE OF THE ART, INNOVATIONS AND FUTURE AGENDA

Nei prossimi decenni, il settore agricolo globale dovrà affrontare sfide importanti. L'agricoltura subirà cambiamenti sostanziali e trasformativi dovuti all'introduzione di nuove tecnologie, alla digitalizzazione dei processi e delle catene del valore e all'imperativo della sostenibilità. Secondo questa visione, le aziende (agricole) possono sfruttare gli straordinari miglioramenti delle tecnologie (e delle soluzioni) digitali la cui adozione ha portato alla cosiddetta quarta rivoluzione industriale, che in questo campo di applicazione è nota come "Agricoltura 4.0" (A4.0). In effetti, numerosi lavori in letteratura hanno analizzato le tecnologie abilitanti A4.0 per quanto riguarda le loro specifiche tecniche, l'architettura e il dominio di utilizzo; ne sono un esempio l'Internet delle cose (IoT), l'analisi dei dati e i Big Data, il Cloud Computing e la tecnologia dei sistemi cyber-fisici (CPS), l'intelligenza artificiale (AI) e l'apprendimento automatico (ML), la realtà virtuale e aumentata (VR e AR), la robotica e l'automazione, i droni e i veicoli aerei senza pilota (UAV), l'elaborazione delle immagini, il sistema informativo geografico (GIS) e l'analisi. Tuttavia, un'analisi e una descrizione completa del paradigma e delle modalità di adozione nelle aziende agricole sono meno importanti, così come l'evidenza di studi empirici sull'impatto di A4.0 sulle aziende agricole. Per colmare questa lacuna, questa tesi offrirà contributi da tre prospettive (A, B e C). Il primo contributo è una revisione sistematica della letteratura (SLR), che esplora 1): quali sono i domini applicativi in cui trova applicazione l'Agricoltura 4.0, 2): quali tecnologie consentono l'implementazione dell'Agricoltura 4.0; 3): descrive i vantaggi chiave associati all'adozione dell'Agricoltura 4.0 (contributo A). Il secondo e il terzo contributo sono studi descrittivi e di indagine longitudinale, che 1) indagano lo stato dell'arte del paradigma A4.0 nelle aziende italiane (contributo B), 2) confrontano l'avanzamento dello stato dell'arte dell'I4.0 in un intervallo di due anni nel settore agricolo italiano (contributo C); questi contributi sono principalmente volti a fornire evidenze empiriche su come le soluzioni A4.0 stanno impattando sulle aziende e su come il paradigma si sta evolvendo. I risultati di questo progetto di ricerca contribuiscono alla letteratura sull'agricoltura 4.0. In particolare, la SLR per le applicazioni I4.0 nel contesto manifatturiero fornisce una descrizione dettagliata e olistica dei casi d'uso delle tecnologie abilitanti I4.0 nei processi del ciclo di vita delle aziende manifatturiere. In secondo luogo, l'indagine descrittiva sullo stato dell'arte dell'I4.0 nelle aziende manifatturiere italiane fornisce una descrizione concreta di come l'I4.0 è conosciuto e adottato dalle aziende, nonché dei benefici e degli ostacoli corrispondenti. In terzo luogo, attraverso uno studio dinamico dello stato dell'arte, confrontando i dati raccolti nel 2021 e nel 2023, viene dimostrata la caratteristica evolutiva dell'A4.0In the upcoming decades, the global agricultural sector will grapple with significant challenges. Agriculture will experience substantial and transformative changes due to the introduction of new technologies, digitalization of processes and value chains, and the imperative of sustainability. According to this view, companies (farms) can exploit the outstanding improvements in digital technologies (and solutions) whose adoption has brought to the so-called fourth industrial revolution, which in this field of application is known as “Agriculture 4.0” (A4.0). Indeed, numerous literature has investigated A4.0 enabling technologies with regards to their technical specification, architecture, and domain of use, examples are Internet of Things (IoT), Data Analytics and Big Data, Cloud Computing and Cyber-Physical Systems (CPS) technology, Artificial Intelligence (AI) and Machine Learning (ML), Virtual and Augmented Reality (VR & AR), Robotics and Automation, Drones and Unmanned Aerial Vehicles (UAVs), Image Processing, Geographic information system (GIS) and analytics. However, a comprehensive analysis and description of the paradigm, as well as the adoption mode in farms is of less concern, as well as the evidence from empirical studies on how farms are impacted by A4.0. To fill this gap, this dissertation will make contributions from three perspectives (A, B and C). The first contribution is a systematic literature review (SLR), which explores 1): what are the application domains where Agriculture 4.0 finds its applications, 2): which technologies enable the implementation of Agriculture 4.0; 3): describing the key advantages associated with adopting Agriculture 4.0 (contribution A). The second and third contributions are descriptive and longitudinal survey studies, which 1) investigate the state-of-the-art of A4.0 paradigm in Italian companies (contribution B), 2) compare the I4.0 state-of-the-art advancement in a 2-year gap in Italian agricultural sector (contribution C); these contributions are mainly to provide empirical evidence on how A4.0 solutions are impacting on companies and how the paradigm is evolving. The results of this research project contribute to Agriculture 4.0 literature. In particular, the SLR for I4.0 applications in the manufacturing context provides a detailed and holistic description of the use cases of I4.0 enabling technologies in the lifecycle processes of manufacturing companies. Second, the descriptive survey of I4.0 state-of-the-art in Italian manufacturing companies provides a concrete description of how I4.0 is known and adopted by companies, as well as the corresponded benefits and obstacles. Third, through a dynamic state-of-the-art study, comparing with the data collected from 2021 and 2023, the evolvement feature of A4.0 is demonstrate