四種技術(shù)在種質(zhì)庫中的應(yīng)用場景及特性分析

覃欣廣

（廣西壯族自治區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)院，廣西南寧 530007）

作物種質(zhì)資源是農(nóng)業(yè)科技原始創(chuàng)新、現(xiàn)代種業(yè)持續(xù)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)，是保障國家糧食安全、生態(tài)安全和能源安全的戰(zhàn)略性資源[1]。種質(zhì)資源的保護(hù)工作，正隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展以及環(huán)境的變化，變得越來越重要。據(jù)（FAO，2010）全球收集保存了740萬余份栽培植物種質(zhì)資源，其中90%以種子方式貯藏在1 750 座種質(zhì)庫中[2]。種質(zhì)庫不僅是安全保存作物種質(zhì)資源的載體，也是安全健康貯藏作物種子、中間育種材料、區(qū)域試驗材料的重要設(shè)施；種質(zhì)庫除為廣大科研育種人員提供安全健康的種子外，還為種子的生活力檢測、安全保存技術(shù)的研究提供豐富的研究數(shù)據(jù)。對于種質(zhì)庫的建設(shè)，盧新雄提出要遵循安全性、可靠性、前瞻性和布局合理實用的總原則；設(shè)施整體設(shè)計與建設(shè)應(yīng)符合安全性、可靠性和先進(jìn)性要求[3]。為更好地建設(shè)安全、可靠的種質(zhì)庫，適應(yīng)“打贏種業(yè)翻身仗”新形勢下的新要求；為科研育種提供安全健康的種子同時，也為研究人員提供更精準(zhǔn)的原始數(shù)據(jù)和更好的科研服務(wù)，本文結(jié)合區(qū)塊鏈、RFID、物聯(lián)網(wǎng)、電子圍欄等4 種技術(shù)的特點(diǎn)，分析4 種技術(shù)在種質(zhì)庫中的應(yīng)用場景，探討其與種質(zhì)庫建設(shè)、管理相結(jié)合的途徑，希望為種質(zhì)庫管理人員提供一點(diǎn)新思路。

1 建設(shè)基于區(qū)塊鏈的種質(zhì)資登記管理平臺

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、P2P 組網(wǎng)方式、廣播機(jī)制是構(gòu)成區(qū)塊鏈技術(shù)體系的三大核心要素，這3 部分要素可以實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化、節(jié)點(diǎn)平等化及數(shù)據(jù)可追溯、難篡改的特點(diǎn)[4]。區(qū)塊鏈技術(shù)與種子管理相結(jié)合，可以達(dá)到科研種質(zhì)資源及商業(yè)種子防套牌、防假冒、防侵權(quán)的目的；由于其具有數(shù)據(jù)易追溯、難篡改的特點(diǎn)，既可為種質(zhì)資源出入庫登記、分發(fā)利用進(jìn)行上鏈記錄，也可為種子研發(fā)階段技術(shù)性保密，防止知識產(chǎn)權(quán)被竊取。

中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院劉海洋團(tuán)隊根據(jù)農(nóng)作物種質(zhì)資源登記中數(shù)據(jù)提交、數(shù)據(jù)審核、數(shù)據(jù)共享的相應(yīng)工作流程及業(yè)務(wù)特點(diǎn)，結(jié)合區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行機(jī)制，設(shè)計了農(nóng)作物種質(zhì)資源登記網(wǎng)絡(luò)模型及對應(yīng)的工作流模型、數(shù)據(jù)模型。分析基于區(qū)塊鏈技術(shù)下，農(nóng)作物種質(zhì)資源登記從節(jié)點(diǎn)登錄開始，到填寫登記的種質(zhì)信息，再到知識產(chǎn)權(quán)審核、達(dá)成共識，讓登記種質(zhì)信息最終上鏈的應(yīng)用形式。其區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)模型大致技術(shù)路徑如下。

在農(nóng)作物種質(zhì)資源登記區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，將參與數(shù)據(jù)流通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為2 種類型：R 類型節(jié)點(diǎn)和N 類型節(jié)點(diǎn)。其中R 類節(jié)點(diǎn)的集合作為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)提供節(jié)點(diǎn)群，N類型節(jié)點(diǎn)的集合作為網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)群。根據(jù)農(nóng)作物種質(zhì)資源登記工作中實際參與的登記主體，將用戶劃分為5 類節(jié)點(diǎn)：1）節(jié)點(diǎn)1：農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)需求節(jié)點(diǎn)（為N 類型節(jié)點(diǎn)）。2）節(jié)點(diǎn)2：農(nóng)作物種質(zhì)資源數(shù)據(jù)登記節(jié)點(diǎn)（為R類型節(jié)點(diǎn)）。3）節(jié)點(diǎn)3：農(nóng)業(yè)農(nóng)村部數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)。4）節(jié)點(diǎn)4：國家種質(zhì)信息中心節(jié)點(diǎn)。5）節(jié)點(diǎn)5：各作物的專家節(jié)點(diǎn)。此5類節(jié)點(diǎn)共同構(gòu)成了系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)群。其中，節(jié)點(diǎn)3（農(nóng)業(yè)農(nóng)村部）、節(jié)點(diǎn)4（國家種質(zhì)信息中心）、節(jié)點(diǎn)5（各作物專家）這3類節(jié)點(diǎn)是信息上鏈的審核節(jié)點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 農(nóng)作物種質(zhì)資源登記區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)模型

在區(qū)塊鏈登記的共識機(jī)制中，審核節(jié)點(diǎn)分別根據(jù)“字段填寫數(shù)量”“符合數(shù)據(jù)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)程度”“符合政策程度”“親本準(zhǔn)確度”“性狀監(jiān)測準(zhǔn)確度”“科屬種信息準(zhǔn)確度”“是否取得植物新品種權(quán)”等項目設(shè)置評價指標(biāo)。當(dāng)中，指標(biāo)分別對應(yīng)不同評價權(quán)重。在評價過程中，這3 類節(jié)點(diǎn)對于數(shù)據(jù)審核權(quán)限可以是平等的，也可以賦予不一樣的審核系數(shù)。但只有3 個節(jié)點(diǎn)同時達(dá)成共識之后才能進(jìn)行種質(zhì)資源登記數(shù)據(jù)的上鏈操作。以節(jié)點(diǎn)X 為例，從系統(tǒng)提交數(shù)據(jù)進(jìn)行廣播開始，3 類審核節(jié)點(diǎn)收到廣播進(jìn)行審核，根據(jù)不同的審核權(quán)重、指標(biāo)進(jìn)行評價，如果針對節(jié)點(diǎn)X 登記的種質(zhì)資源數(shù)據(jù)上鏈評價分?jǐn)?shù)為89.5，而設(shè)置的閾值85，89.5＞85，即代表形成共識，則X 節(jié)點(diǎn)登記的農(nóng)作物種質(zhì)資源信息可以上鏈。從而形成一個區(qū)塊，開始下一輪共識[5]。在實際應(yīng)用中，根據(jù)不同的需求增減節(jié)點(diǎn)，可以賦予不同的權(quán)重、算法，有效提高種質(zhì)資源的安全管理系數(shù)。

基于區(qū)塊鏈的農(nóng)作物種質(zhì)資源登記網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有3個方面的優(yōu)勢：1）數(shù)據(jù)分布式存儲，系統(tǒng)穩(wěn)定性高。2）數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，由于數(shù)據(jù)的審核必須確保所有的審核專家達(dá)成上鏈共識后才能上鏈，可以讓各方都參與數(shù)據(jù)維護(hù)，用戶活躍度、積極度高。3）保存數(shù)據(jù)難篡改、易追溯。其應(yīng)用非對稱加密算法對原始信息進(jìn)行加密、形成電子簽名，可有效確保數(shù)據(jù)安全可信。這些優(yōu)勢使得區(qū)塊鏈不僅可以在農(nóng)作物種質(zhì)資源登記中得到應(yīng)用，也可以拓展到種質(zhì)庫管理其他場景。比如，種質(zhì)資源的貯藏管理中，從種質(zhì)資源的入庫開始、到信息登記、到發(fā)芽檢測、生活力跟蹤檢測，再到分發(fā)利用，都可以進(jìn)行上鏈處理。通過將區(qū)塊鏈技術(shù)和其密碼學(xué)原理應(yīng)用到種子管理上，除可以達(dá)到科研及商業(yè)種子防偽、防竄貨的目的外，還可以記錄下種子從育種家手里到結(jié)出豐碩果實再到人們餐桌上的詳細(xì)真實過程。

2 運(yùn)用RFID技術(shù)，提高出入庫效率

種質(zhì)資源的進(jìn)、出庫及其信息登記是種質(zhì)庫日常管理工作中的一項重要工作內(nèi)容。當(dāng)中信息包括種子的庫貯藏編號編碼、貯藏位置、貯藏時間、質(zhì)量、數(shù)量，以及保存單位編號、種質(zhì)名稱、科名、屬名、種名、繁種地點(diǎn)等，這需要耗費(fèi)相關(guān)工作人員的大量時間。而且，由于種子出入庫的環(huán)節(jié)較多，涉及的業(yè)務(wù)人員也隨之增加，如果票據(jù)由手工進(jìn)行填寫，稍不注意，就容易出現(xiàn)錯誤，給科研管理帶來風(fēng)險。雖可以利用條形碼、二維碼進(jìn)行操作，在一定程度上提高效率，但條形碼、二維碼存在儲存信息容量不足、編碼污漬或損壞時無法讀取、讀取速度慢、不利于批量操作、也無法多次記錄的缺點(diǎn)。如果適當(dāng)運(yùn)用RFID 技術(shù)，則可以有效改善這些問題。

RFID 技術(shù)，即無線射頻識別即射頻識別技術(shù)（Radio Frequency Identification）是一種非接觸的技術(shù)，其具有條形碼及二維碼不具備的優(yōu)點(diǎn)：防水、防磁、耐高溫、使用壽命長、讀取距離大、標(biāo)簽上數(shù)據(jù)可以加密、存儲數(shù)據(jù)容量更大、存儲信息可更改等，而且是可以實現(xiàn)多個目標(biāo)自動識別的技術(shù)[6]。RFID系統(tǒng)主要由3個部分組成：1）射頻卡，即電子標(biāo)簽，由耦合元件及芯片組成，標(biāo)簽含有內(nèi)置天線，用于和射頻天線間進(jìn)行通信。2）閱讀器，也叫讀寫器，用來讀取電子標(biāo)簽信息。3）計算機(jī)：進(jìn)行數(shù)據(jù)管理。根據(jù)其特點(diǎn)，可以設(shè)計其在種子出入庫的基本模型[7]，如圖2所示。

圖2 基于RFID的種質(zhì)資源出入庫管理平臺基本模型

在基于RFID 的種質(zhì)資源出入庫管理平臺中，每一份種質(zhì)資源都將被賦予唯一的一個RFID 標(biāo)簽，RFID 標(biāo)簽作為每一份種質(zhì)資源的“身份證”，與貯藏編號一一對應(yīng)，將種質(zhì)資源的詳細(xì)信息記錄在內(nèi)。由于其具有讀取距離大、免接觸的特點(diǎn)，在每次出入庫過程中，無需操作人員逐一進(jìn)行掃描或者登記，只要將相應(yīng)的種質(zhì)資源放置或靠近閱讀器，即可讀出相應(yīng)信息。并且，可以多次重復(fù)編輯。出入庫系統(tǒng)如果與溯源系統(tǒng)相結(jié)合，則可減少權(quán)屬不清、知識產(chǎn)權(quán)糾紛等情況?；赗FID 種質(zhì)資源出入庫管理平臺可采用B/S 結(jié)構(gòu)，將數(shù)據(jù)統(tǒng)一儲存于數(shù)據(jù)中心服務(wù)器中。B/S結(jié)構(gòu)下，可根據(jù)各個作物種質(zhì)資源的不同特點(diǎn)，建設(shè)數(shù)據(jù)庫平臺，以動態(tài)的方式自定義生成數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)，通過接口程序與檢索系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)信息發(fā)布系統(tǒng)連接；根據(jù)工作需要，可以設(shè)置各級權(quán)限，在數(shù)據(jù)RFID電子標(biāo)簽編碼、掃描入庫后，在任何地方都可以按相應(yīng)權(quán)限進(jìn)行資源的瀏覽、分發(fā)、預(yù)訂、審批及修改等工作。系統(tǒng)建立以后，在種子出庫、入庫方面不用人為地掃描干預(yù)，將自動進(jìn)行數(shù)據(jù)報警及紀(jì)錄，為種子安全進(jìn)一步提供安全保證[8]。

結(jié)合RFID 技術(shù)特點(diǎn)，每批種子進(jìn)入種質(zhì)庫后，無論是核對驗收及去重復(fù)、編號入庫、水分檢測、生活力分析、分發(fā)利用的各個處理環(huán)節(jié)中，工作人員都可以批量將信息進(jìn)行記錄，寫入相應(yīng)標(biāo)簽。標(biāo)簽可以批量讀取，多次進(jìn)行編輯，并且可以動態(tài)管理，為工作人員節(jié)約大量時間。

3 活用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)設(shè)備智能化管理

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)上利用射頻識別（RFID）技術(shù)、無線通信技術(shù)，紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議把物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)測和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[9]。運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在設(shè)備管理層面，將種質(zhì)庫各個低溫干燥室的溫濕度傳感器、煙霧傳感器、設(shè)備報警裝置等進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)接，與種質(zhì)庫集中控制、監(jiān)控、報警等系統(tǒng)相結(jié)合，可以實現(xiàn)設(shè)備的智能化管理。經(jīng)過拓展，可與種質(zhì)資源信息化管理、樓宇監(jiān)控等系統(tǒng)互聯(lián)互通。通過物聯(lián)網(wǎng)的集成處理，可實現(xiàn)每個庫房參數(shù)集中、實時顯示，并可自動記錄歷史數(shù)據(jù)，歷史數(shù)據(jù)的存儲時長可根據(jù)實際需求進(jìn)行設(shè)置。通過數(shù)據(jù)云上處理，相關(guān)科研人員可以便捷查詢各自儲藏作物的儲藏參數(shù)，分析作物在特定參數(shù)下的生活力變化情況。通過物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，也可實現(xiàn)監(jiān)控室外遠(yuǎn)程控制機(jī)組的運(yùn)行、實時監(jiān)測并顯示冷庫溫濕度和制冷除濕設(shè)備的運(yùn)行工況。

根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，種質(zhì)庫物聯(lián)網(wǎng)管理平臺可分為4 個層面，其基本模型如圖3 所示。1）感知層，由各個低溫干燥庫的溫濕度傳感器、送風(fēng)溫度傳感器、設(shè)備油溫傳感器、種子RFID 標(biāo)簽、煙霧探測裝置、高清攝像頭等組成，及時感知各種動態(tài)數(shù)據(jù)。2）傳輸層，由數(shù)/模轉(zhuǎn)換接口，各種信號變送器、網(wǎng)關(guān)、路由器等組成，進(jìn)行信號傳輸。3）處理層，系統(tǒng)根據(jù)傳感器上傳的各種信息進(jìn)行相應(yīng)處理，可預(yù)設(shè)各種參數(shù)，如溫度到達(dá)某個上限值，則發(fā)送驅(qū)動指令，開啟相應(yīng)制冷機(jī)組，相應(yīng)的風(fēng)門執(zhí)行器、變頻調(diào)速裝置動作，自動投入運(yùn)轉(zhuǎn)。4）應(yīng)用層，通過分析系統(tǒng)中運(yùn)行參數(shù)，管理人員、科研人員可構(gòu)建相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，分析貯藏濕度、環(huán)境濕度、環(huán)境氣體成分、干燥條件、包裝容器等因素，更加精確探索種子生活力存活特性、種子生活力監(jiān)測預(yù)警，科學(xué)安排發(fā)芽檢測、繁種更新計劃等。

圖3 種質(zhì)庫物聯(lián)網(wǎng)管理平臺基本模型

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用，種質(zhì)庫管理人員可以遠(yuǎn)程、實時、精確地獲得設(shè)備的實時數(shù)據(jù)，如低溫干燥庫的送風(fēng)溫度、化霜溫度，庫內(nèi)外的溫度、濕度參數(shù)等。通過預(yù)設(shè)程序，可以及時察覺設(shè)備的異常情況，并推送預(yù)警信息，確保設(shè)備的安全運(yùn)行。如當(dāng)某臺設(shè)備制冷時間偏長、送風(fēng)溫度偏低、化霜時間偏長、化霜時蒸發(fā)器溫度過高時，通過程序換算，幾項數(shù)值之和超過閾值，可以馬上進(jìn)行預(yù)警信息推送，提出如補(bǔ)充制冷劑、更換潤滑油、清理冷凝器肋板等建議。通過物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)分析，也可以定期得出設(shè)備運(yùn)行周報、月報總結(jié)，統(tǒng)計每個低溫干燥庫的溫度變化曲線、開停機(jī)時間比、設(shè)備能耗數(shù)據(jù)，乃至每段時間的人員進(jìn)出庫工作時間、取樣頻次。某個作物的分發(fā)利用次數(shù)、庫存量的科、屬、種之間的變化，為各作物育種科研人員提供分析研究數(shù)據(jù)。

4 搭建虛擬電子圍欄，保證戰(zhàn)略資源安全

隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，環(huán)境的變化，種質(zhì)資源的保護(hù)正變得越來越重要，“一粒種子可以影響一個民族”，對于一些特殊利用價值的、或有巨大利用潛力的“基因源”“核心種質(zhì)”、創(chuàng)新種質(zhì)等，如果被不法人員利用，會導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。所以對于這些資源，應(yīng)該要進(jìn)行特別的貯藏。

電子圍欄是一種周界防盜報警系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由電子圍欄主機(jī)、前端配件、后端控制系統(tǒng)3 個部分組成。其一般框架是將電子圍欄主機(jī)沿著邊界（如圍墻）安裝，傳輸設(shè)備通過脈沖信號將報警信號傳至后端控制中心的控制裝置上，顯示防區(qū)工作狀態(tài)，并遠(yuǎn)程對外部脈沖主機(jī)進(jìn)行布撤防控制等操作。

在核心種質(zhì)資源管理中，可以設(shè)計基于RFID 的種質(zhì)庫電子圍欄系統(tǒng)，包括其由RFID 電子標(biāo)簽、讀寫器、控制器、警戒裝置等組成；控制器分別與RFID讀寫器和警戒裝置連接；RFID電子標(biāo)簽設(shè)置在核心種質(zhì)的一次性特種包裝上，并儲存有對應(yīng)的信息；讀寫器設(shè)置在種質(zhì)庫內(nèi)的權(quán)限區(qū)域中；讀寫器的讀寫范圍與權(quán)限區(qū)域的范圍匹配；當(dāng)RFID 電子標(biāo)簽位于讀寫范圍內(nèi)時讀寫器為靜默模式；當(dāng)有人需要取種或分發(fā)時，需提前發(fā)送指令，解除警戒，否則要種質(zhì)資源管理人員發(fā)送警報信號，提醒進(jìn)行處置。核心種質(zhì)庫電子圍欄架構(gòu)如圖4所示。

圖4 核心種質(zhì)庫電子圍欄系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)送存人將重要種質(zhì)資源送至種質(zhì)庫時，工作人員先把其信息寫入電子標(biāo)簽，并將電子標(biāo)簽封裝至特制包裝中，然后放置到指定位置，此時，電子標(biāo)簽、種質(zhì)管理系統(tǒng)、電子圍欄地標(biāo)相互驗證簽名，簽名驗證通過，即確認(rèn)入庫對應(yīng)信息。正常存儲情況下，系統(tǒng)為靜默模型。如有異常情況，如未經(jīng)授權(quán)下，私自拆封、移動種質(zhì)資源，馬上進(jìn)行報警信息推送，現(xiàn)場也同時進(jìn)行聲光報警。提醒工作人員、育種人員進(jìn)行處理。此方法可有效提高種質(zhì)資源保存的安全系數(shù)，避免出現(xiàn)糾紛。

5 總結(jié)

伴隨著技術(shù)的不斷迭代更新，區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、RFID、電子圍欄等技術(shù)的應(yīng)用場景正在不斷豐富。近年來，特別是國務(wù)院辦公廳關(guān)于加強(qiáng)農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源保護(hù)與利用的意見（國辦發(fā)〔2019〕56 號）的實施，全國各地也掀起了種質(zhì)庫的建設(shè)高潮。種質(zhì)庫建設(shè)在確保安全、環(huán)保的前提下，做好智能化、信息化、平臺化，可以幫助科研人員掌握更多、更真實的原始數(shù)據(jù)；通過區(qū)塊鏈、RFID、物聯(lián)網(wǎng)、電子圍欄等技術(shù)在種質(zhì)資源管理中的應(yīng)用，可以讓種質(zhì)庫的管理更加安全有序。在確保安全的情況下，通過各種數(shù)據(jù)的匯集、處理，讓相關(guān)科研人員能夠?qū)崟r、準(zhǔn)確地了解更多信息，同時，通過對相應(yīng)信息處理，可以更科學(xué)地作出決策。