Integrated mathematical programming and agent based model for policy analysis of Greek agriculture

Abstract

The Common Agricultural Policy (CAP) was introduced in 1962 and got fully implemented in 1968. It is considered to be the first real EU common policy replacing all relevant national agricultural policies while since then numerous reforms have been applied (Pezaros 2000). For the last 20 years, every year CAP is absorbing more or less about 0,5%-0,6% of the EU GDP and 50%-60% of the EU budget. Therefore CAP evaluation is a persisting issue in the Agricultural Economics field.The new CAP (2014-2020) design, acknowledging the wide diversity of agronomic production potential and climatic, environmental as well as socio-economic conditions and needs across the EU, offers implementation flexibility to member states. Indicatively, member states may differentiate the basic payment per hectare according to administrative or agronomic criteria; choose from different options for internal convergence for payments per hectare until 2019; opt in for the right to use a redistributive payment for the first hectares; enable the “small farm scheme”, where small farms receive an annual subsidy of 500€ - 1250€ with minimal administrative burden; preserve a limited amount for coupled payments; grant an additional payment for areas with natural constraints (as defined under Rural Development rules) .Inside this flexible CAP framework, the current agricultural policy evaluation models reach their limits. Econometric models cannot give guidance in such major policy shifts and general or partial equilibrium models cannot reach the necessary microeconomic resolution. Since the impacts of policy measures depend on the specific farm characteristics, getting insights at disaggregated level and spatial scale becomes relevant for both policymakers and researchers. Consequently farm scale policy analysis is becoming very relevant and is suitable for CAP policy analysis. In Greece there is already a significant number of research work based on farm models for evaluating CAP. However they are mainly focused on crops whose regime have changed drastically, i.e. tobacco and cotton, and do not make projections for the Greek agriculture as a whole. The reader can refer to the papers of Katranidis (2002), Petsakos et al. (2006), Rozakis et al. (2008), Manos et al. (2009), Rozakis (2009), Petsakos et al (2009), Rozakis (2010), Rezitis & Stavropoulos. (2010), Efstratoglou et al. (2011), Sintori (2012), Petsakos (2012). The main aim of the doctoral dissertation is to develop an integrated model of the Greek agriculture that can be used for the evaluation of agricultural policy. An additional objective is to complement the conventional representative farm model with the Agent Based Modeling approach. For this purpose, the following steps were followed.

Η μαθηματική/οικονομική προτυποποίηση για την αξιολόγηση αγροτικής πολιτικής θα μπορούσε να διακριθεί σε δύο μεγάλες κατηγορίες: Πρότυπα υποδείγματα (μοντέλα) τα οποία είναι εστιασμένα στο μακρο-επίπεδο (π.χ. μοντέλα μερικής ή γενικής ισορροπίας) και πρότυπα υποδείγματα τα οποία προσομοιώνουν την συμπεριφορά της γεωργικής εκμετάλλευσης στο μικροοικονομικό επίπεδο και απεικονίζουν τον τομέα με βάση τη συμπεριφορά των επιμέρους ανεξάρτητων μονάδων λήψης απόφασης (εκ των κάτω - bottom-up προσέγγιση). Η δεύτερη προσέγγιση είναι κατάλληλη για να αποτελέσει την βάση ανάπτυξης ενός υποδείγματος δρώντων υποκειμένων (agent based model), μια μεθοδολογική καινοτομία που εμπλουτίζει και διευρύνει τις δυνατότητες του υποδείγματος το οποίο θα χρησιμοποιηθεί για ανάλυση πολιτικής.Σε ευρωπαϊκό επίπεδο, περιφερειακά και τομεακά μοντέλα που υιοθετούν τη δεύτερη προσέγγιση και στηρίζονται σε υποδείγματα εκμεταλλεύσεων (Υ.ΕΚΜ) έχουν κατά καιρούς χρησιμοποιηθεί για να υπολογιστούν οι επιπτώσεις των διάφορων σεναρίων της εξέλιξης της Κοινής Αγροτικής Πολιτικής (ΚΑΠ), για παράδειγμα Ackril et al., 2001, Guinde et al., 2005, Wilson et al., 2003, Britz et al., 2012, Van Ittersum et al., 2008, Galko et. al., 2011, Reidsma et al., 2018. Για την Ελλάδα οι αναλύσεις εστιάζουν κυρίως σε καλλιέργειες των οποίων τα καθεστώτα άλλαξαν δραστικά όπως στον καπνό και το βαμβάκι. Ενδεικτικά αναφέρουμε μοντέλα με κλασσικό γραμμικό προγραμματισμό (Mattas et al., 2006), πολυκριτηριακές μεθόδους (Manos et al. 2009), θετικά υποδείγματα που ενσωματώνουν φθίνουσα ζήτηση (Rozakis et al., 2008) ή αύξουσα συνάρτηση κόστους με Θετικό Μαθηματικό Προγραμματισμό (Petsakos and Rozakis, 2009) στην αντικειμενική συνάρτηση. Οι πολυκριτηριακές μέθοδοι με αυτόματο υπολογισμό της συνάρτησης χρησιμότητας του παραγωγού (Amador et al. 1999) και ο Θετικός Μαθηματικός Προγραμματισμός έχουν κυριαρχήσει στη βιβλιογραφία για την ανάλυση των επιπτώσεων της ΚΑΠ καθώς αυξάνουν την εγκυρότητα των Υ.ΕΚΜ σε σχέση με τις κλασσικές μεθόδους.Με δεδομένο, πρώτον ότι η ΚΑΠ είναι μία πολύπλοκη πολιτική με διαφορετικά αποτελέσματα για ανταγωνιστικές ομάδες, και δεύτερον, τις ευρείες διαβουλεύσεις που λαμβάνουν χώρα σε εθνικό και ευρωπαϊκό επίπεδό σε σχέση με αλλαγές που, από την κυοφορία μέχρι και την έγκριση τους από τα αρμόδια όργανα της ΕΕ, αποτελούν αντικείμενο διαπραγμάτευσης, η τεχνοκρατική ανάλυση των εναλλακτικών σεναρίων πολιτικής καθίσταται πολύτιμη για όλους τους εμπλεκόμενους φορείς, προσφέροντας όχι μόνο αποτελεσματικότερο διάλογο αλλά και τεκμηριωμένη άποψη στα ευρωπαϊκά όργανα και δεξαμενές σκέψης (Pezaros, 2000). Παρόλα αυτά στην χώρα μας, οι παρεμβάσεις των θεσμικών φορέων στην διαμόρφωση της εξέλιξης της Κοινής Αγροτικής Πολιτικής (ΚΑΠ) δεν φαίνεται να στηρίζονται στα παραπάνω επιστημονικά εργαλεία (Klonaris and Vlahos, 2012). Η οικονομική προτυποποίηση της ελληνικής γεωργικής παραγωγής έχει επιχειρηθεί επανειλημμένα στο παρελθόν με σκοπό προβλέψεις και αναλύσεις επιπτώσεων πολιτικής (ex ante ή ex post αντίστοιχα): Mantziaris et al. (2017), Giannakis et al. (2014), Manos et al. (2013), Sintori (2012), Petsakos (2012), Efstratoglou et al. (2011), Rozakis (2010), Rezitis and Stavropoulos (2010), Petsakos et al. (2009), Manos et al. (2009), Rozakis et al. (2008), Katranidis (2002). Το πλήθος αυτών των απλά ενδεικτικών αναφορών, αποδεικνύει ότι δεν υπάρχει έλλειμμα ούτε στην ακαδημαϊκή έρευνα ούτε στο επιστημονικό προσωπικό της χώρας σε σχέση με την διερεύνηση των συνεπειών των αλλαγών της αγροτικής πολιτικής στην Ελληνική γεωργία. Ωστόσο οι προσπάθειες αυτές δεν φαίνεται να μπορούν να διεισδύσουν παρά σε περιορισμένο βαθμό στην διαδικασία αναθεώρησης της ΚΑΠ στο θεσμικό και πολιτικό επίπεδο. Πιθανοί λόγοι αυτής της αδυναμίας είναι, αφενός η μικρή κλαδική και γεωγραφική κάλυψη των εν λόγω υποδειγμάτων και αφετέρου η αδυναμία χειρισμού τους από μη ειδικούς.H ύπαρξη ενός, κατά το μέτρο του εφικτού, ολοκληρωμένου υποδείγματος της ελληνικής γεωργίας, εύχρηστου και διαδραστικού, θα μπορούσε να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ ακαδημαϊκής έρευνας και των θεσμικών φορέων σε σχέση με τον σχεδιασμό και την εφαρμογή της αγροτικής πολιτικής. Ένα τέτοιο υπόδειγμα θα πρέπει να κινείται σε δύο άξονες: Αφενός να συμπεριλαμβάνει ένα σημαντικό κομμάτι της γεωργικής δραστηριότητας, αξιοποιώντας την υπάρχουσα εμπειρία και τα επιμέρους τομεακά υποδείγματα (οριζόντιος άξονας). Αφετέρου, σε ακολουθία με τις τρέχουσες επιστημονικές τάσεις, να εξετάζει τα διαφορετικά επίπεδα (φυσικό, βιολογικό, οικονομικό, κοινωνικό) στα οποία επιδρά η αγροτική πολιτική (κάθετος άξονας). Η βασική λοιπόν συμβολή της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η ανάπτυξη ενός ολοκληρωμένου υποδείγματος της ελληνικής γεωργίας το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εκ των προτέρων (ex ante) αξιολόγηση σεναρίων αγροτικής πολιτικής. Αυτό κατέστη εφικτό δίνοντας πρωτότυπες λύσεις σε ζητήματα σύνδεσης των πρωτογενών δεδομένων του Δικτύου Γεωργικής Λογιστικής (ΔΙΓΕΛΠ, FADN) με ένα επίσης πρωτότυπο μοντέλο μαθηματικού προγραμματισμού. Επιπλέον η μοντελοποίηση και των αροτραίων καλλιεργειών και της αιγοπροβατοτροφίας σε κλίμακα που να καλύπτει το σύνολο της χώρας είναι εξίσου καινοφανής. Τέλος η προσέγγιση των μοντέλων δρώντων υποκειμένων, μια μέθοδος που εισήχθη την τελευταία εικοσαετία στην θεματική της Αγροτικής οικονομίας προσθέτει στις κλασσικές μεθόδους τη διάσταση της επικοινωνίας και διάδρασης μεταξύ των μονάδων λήψης απόφασης, και προσφέρει συμπληρωματικές πληροφορίες, όπως οι τιμές των ενοικίων γης μέσω προσομοίωσης αγοράς ή οι επιπτώσεις μέτρων πολιτικής σε εστιασμένο χωρικά επίπεδο.Η διατριβή συγκροτείται από τα εξής επιμέρους στοιχεία: (α) συλλογή των δεδομένων από τις διάφορες πρωτογενείς πηγές και διαχείριση τους, (β) ανάπτυξη διεπαφής για μεταφορά των δεδομένων στο υπόδειγμα, (γ) κατασκευή και συγκρότηση του βασικού Υ.ΕΚΜ με βάση τον γραμμικό προγραμματισμό, (δ) παραδειγματική εφαρμογή του για ανάλυση πολιτικής, (ε) επέκταση του υποδείγματος με μετατροπή των μεμονωμένων μονάδων λήψης απόφασης σε εκμεταλλεύσεις/δρώντα υποκείμενα που αλληλεπιδρούν στο χώρο και στο χρόνο, (στ) εφαρμογή του βελτιωμένου υποδείγματος για ανάλυση πολιτικής και συγκριτική ανάλυση και (ζ) δημιουργία συστήματος λήψης απόφασης που θα διευκολύνει τους χρήστες να αλληλεπιδρούν με τα υποδείγματα των προηγούμενων διαδικασιών. Τα κεφάλαια που ακολουθούν είναι δημοσιευμένες ή υπό δημοσίευση εργασίες που περιγράφονται συνοπτικά στη συνέχεια και αντιστοιχούν στα προαναφερόμενα στάδια. Το πλήρες κείμενο τους παρατίθεται κατά περίπτωση στο κυρίως κείμενο και στα παραρτήματα της διατριβής:•Τα δεδομένα που χρησιμοποιούνται σε ένα Υ.ΕΚΜ για την αξιολόγηση πολιτικής επηρεάζουν σημαντικά τα αποτελέσματα του υποδείγματος και συνεπώς επηρεάζουν ουσιαστικά την αξιοπιστία του. Η δημοσίευση “Data warehouse technology for agricultural policy data: a Greek case study” εξετάζει την φύση των δεδομένων που είναι δυνητικά χρήσιμα για την αξιολόγηση της Αγροτικής Πολιτικής και παρουσιάζει μία τυπική εφαρμογή όπου συνδυάζονται δεδομένα από διαφορετικές πηγές (αποδόσεις καλλιεργειών από τις Ετήσιες Έρευνες Γεωργίας της Ελληνικής Στατιστικής Υπηρεσίας και μετεωρολογικές μετρήσεις από το δίκτυο σταθμών του Εθνικού Αστεροσκοπείου Αθηνών). •Για τις ανάγκες του Ελληνικού υποδείγματος αντλήσαμε από το υπουργείο Αγροτικής Ανάπτυξης δεδομένα της έρευνας του Δικτύου Γεωργικής Λογιστικής Πληροφόρησης (ΔΙΓΕΛΠ / FADN) για τα έτη 2011, 2012 και 2013. Γι αυτό το λόγο το μοντέλο της ελληνικής Γεωργίας που κατασκευάστηκε στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής, έχει την δυνατότητα να χρησιμοποιεί στοιχεία οποιασδήποτε χρονιάς του ΔΙΓΕΛΠ μέσα από δομημένες διαδικασίες. Ο μετασχηματισμός τους σε μορφή τέτοια που να είναι χρησιμοποιήσιμη από το ολοκληρωμένο υπόδειγμα ήταν αρκετά περίπλοκος και απαιτητικός γι αυτό και περιγράφεται ξεχωριστά στο κείμενο «fadnUtils, An R package for working with FADN data» του Παραρτήματος.•Το ολοκληρωμένο υπόδειγμα της Ελληνικής Γεωργίας λειτουργεί σε επίπεδο εκμετάλλευσης (farm model) και περιλαμβάνει στην τρέχουσα έκδοση του τις επιχειρηματικές εκμεταλλεύσεις της φυτικής παραγωγής και την αντίστοιχη αιγοπροβατοτροφία. Οι συμπεριληφθείσες δραστηριότητες περιλαμβάνουν περίπου το 80% των εκτάσεων και το 60% της αξίας παραγωγής σε επίπεδο χώρας. Στο υπόδειγμα δόθηκε η κωδική ονομασία GREFAM (Greek Representative Farm Model). Η αρχιτεκτονική του υποδείγματος περιγράφεται με λεπτομέρεια στο εγχειρίδιο χρήσης του, το οποίο παρατίθεται στο «GREFAM Model Reference Manual» του Παραρτήματος•Χρησιμοποιήσαμε το μοντέλο GREFAM για να εκτιμήσουμε τις επιπτώσεις διαφορετικών σεναρίων περιφερειοποίησης σε σχέση με το σενάριο της πλήρους εξίσωσης της μοναδιαίας αξίας της ενιαίας ενίσχυσης σε όλη την χώρα. Δείχνουμε ότι με την περιφερειοποίηση μπορούμε να χειριστούμε καλύτερα τους αντικρουόμενους στόχους της ΚΑΠ σε σχέση με το σενάριο της πλήρους εξίσωσης. Το κείμενο (σε διαδικασία κρίσης σε περιοδικό) «Why to regionalize CAP payments: A farm modeling approach» πραγματεύεται την παραπάνω προσπάθεια και είναι μία επίδειξη της χρησιμότητας του μοντέλου για την αξιολόγηση ενός επίκαιρου και ρεαλιστικού ερωτήματος αξιολόγησης πολιτικής.•Στην συνέχεια εξετάσαμε την δυνατότητα συμπλήρωσης της συμβατικής προσέγγισης του μοντέλου φάρμας Υ.ΕΚΜ με χρήση της προσέγγισης υποδειγμάτων με δρώντα υποκείμενα. Η εκτεταμένη βιβλιογραφική ανασκόπηση που διενεργήθηκε με στόχο την κριτική καταγραφή της χρήσης τέτοιων υποδειγμάτων στην αξιολόγηση Αγροτικής Πολιτικής βρίσκεται στη δημοσίευση «A review of Agent Based Models for Policy Evaluation».•Με βάση τα συμπεράσματα από την βιβλιογραφική ανασκόπηση προχωρήσαμε, αρχικά στην δημιουργία ενός μοντέλου δρώντων υποκειμένων/εκμεταλλεύσεων με τη χρήση αντικειμενοστρεφούς προγραμματισμού (Java), όπως περιγράφεται στο κείμενο εργασίας «Dealing with farm heterogeneity on modeling agricultural policy: an Agent Based Modeling Approach» στο Παράρτημα. Στην συνέχεια χρησιμοποιήσαμε ένα αντίστοιχο υπόδειγμα, με διαφορετικό τρόπο υλοποίησης, για να διερευνήσουμε τις επιπτώσεις διαφορετικών σεναρίων περιφερειοποίησης σε διαφορετικά παραγωγικά συστήματα ανά την χώρα, όπως περιγράφεται από το κείμενο εργασίας «Extending a Farm Model by means of Agent Based Model for Evaluating CAP Regionalization Scenarios».•Τέλος, λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός πως η απευθείας χρήση υποδειγμάτων δεν είναι δυνατή από τα ενδιαφερόμενα μέρη που επηρεάζονται άμεσα ή/και εμπλέκονται στην διαμόρφωση της αγροτικής πολιτικής, προχωρήσαμε στην δημιουργία ενός Συστήματος Λήψης Απόφασης. Το σύστημα αυτό περιγράφεται στην δημοσίευση «CAP2020 regionalization design: A Decision Support System» και η σχεδιάση του επιτρέπει να ενσωματώσει ενδεχόμενες αναβαθμίσεις του GREFAM. Συγκεκριμένα η επέκταση σε όλες τις εκμεταλλεύσεις του δείγματος με σύστημα πρακτόρων θα δώσει στο σύστημα αυτό ακόμα περισσότερες δυνατότητες.