基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)字農(nóng)業(yè)應(yīng)用平臺

張勇 高安紅 陳紅波 張瑜軒 蘇仁忠

摘 要： 開展區(qū)塊鏈基礎(chǔ)軟件體系研究、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈與區(qū)塊鏈映射模型研究，可解決農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條長、生產(chǎn)經(jīng)營分散、產(chǎn)供銷信息不暢通、市場價格數(shù)據(jù)分析難及成本提高等問題。結(jié)合DCEP 數(shù)字貨幣支付方式，建立農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈共享交換機制，打造跨部門、跨環(huán)節(jié)信息互聯(lián)互通的統(tǒng)一通道，與第三方區(qū)塊鏈平臺及業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進行對接，形成跨越生產(chǎn)方、物流方、渠道方、零售方、監(jiān)管方、服務(wù)方及消費者等多方取得共識的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)信息集成應(yīng)用。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、加工、運輸和銷售等多環(huán)節(jié)全流程信息透明、安全、共享，打造農(nóng)業(yè)行業(yè)生態(tài)，形成國家公鏈，推動農(nóng)業(yè)數(shù)字資產(chǎn)提供有效支撐，促進農(nóng)業(yè)專業(yè)化、精細化、智能化和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

關(guān)鍵詞：數(shù)字農(nóng)業(yè)；區(qū)塊鏈；產(chǎn)業(yè)鏈；農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

中圖分類號：S126文獻標識碼：A文章編號：2095-1795（2023）11-0037-04

DOI：10.19998/j.cnki.2095-1795.2023.11.006

0 引言

目前，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈條長、生產(chǎn)經(jīng)營分散是我國農(nóng)業(yè)發(fā)展的主要特點，農(nóng)產(chǎn)品供銷信息不暢通、市場價格數(shù)據(jù)分析難、運行成本高等，導(dǎo)致生產(chǎn)者和消費者之間沒有搭建互通的橋梁，供求信息無法共享，購銷價格相差較大。由此造成我國數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)薄弱、數(shù)據(jù)資源分散，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)有效整合的難度較大，數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展面臨困境。

構(gòu)建從種到銷全鏈條式一體化應(yīng)用的數(shù)字化農(nóng)業(yè)園區(qū)，實現(xiàn)從生產(chǎn)環(huán)境數(shù)據(jù)采集、種植管理、病蟲害監(jiān)測、遠程可視和質(zhì)量管控到物流運輸、產(chǎn)品銷售等環(huán)節(jié)數(shù)字化升級是發(fā)展數(shù)字農(nóng)業(yè)的重要路徑。數(shù)字化農(nóng)業(yè)園區(qū)的發(fā)展將為區(qū)塊鏈的健康、高效、穩(wěn)定和安全運行應(yīng)用提供基礎(chǔ)，全面應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)整個產(chǎn)業(yè)鏈條的公開、透明，數(shù)字化農(nóng)業(yè)園區(qū)建設(shè)有依據(jù)、有遵循。“區(qū)塊鏈農(nóng)業(yè)園區(qū)”將成為未來區(qū)塊鏈在數(shù)字農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的主流模式。同時，鄉(xiāng)村治理是數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)的重要內(nèi)容，對實現(xiàn)區(qū)塊鏈和數(shù)字農(nóng)業(yè)的融合發(fā)展有較大的促進作用。目前，鄉(xiāng)村治理、鄉(xiāng)村安全、人居環(huán)境和事項辦理等大多靠人工管理、人工填報、現(xiàn)場辦理，缺乏數(shù)字化元素的融入，制約了鄉(xiāng)村治理數(shù)字化的發(fā)展。長期以來，部分農(nóng)村地區(qū)的材料管理、檔案管理、資料管理等數(shù)據(jù)信息均采用傳統(tǒng)紙質(zhì)的方式存檔，缺乏長久保存的基礎(chǔ)和條件。隨著數(shù)字鄉(xiāng)村建設(shè)的不斷深入，數(shù)字化對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、鄉(xiāng)村治理、鄉(xiāng)村生態(tài)和人居環(huán)境等工作的開展進行改變，逐步在生產(chǎn)生活中得到應(yīng)用，逐步實現(xiàn)生產(chǎn)智能化、管理數(shù)據(jù)化、經(jīng)營網(wǎng)絡(luò)化及服務(wù)在線化，黨建、村務(wù)管理、政務(wù)事項、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理及產(chǎn)品銷售等都能通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)經(jīng)營、農(nóng)業(yè)管理和農(nóng)業(yè)服務(wù)中，能夠有效提升應(yīng)用和管理水平，解決數(shù)字技術(shù)在鄉(xiāng)村生活、鄉(xiāng)村管理和鄉(xiāng)村民生中的應(yīng)用，全面提高鄉(xiāng)村治理效能[1-2]。

1 研究思路

對數(shù)字農(nóng)業(yè)建設(shè)應(yīng)用存在的問題進行梳理，發(fā)現(xiàn)這些問題可以通過開展區(qū)塊鏈基礎(chǔ)軟件體系研究、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈與區(qū)塊鏈的映射模型研究，突破區(qū)塊鏈共識與智能合約、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成融合、公鏈共識同態(tài)加密等關(guān)鍵技術(shù)?；谵r(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同實際需求，結(jié)合DCEP 數(shù)字貨幣支付方式，完成農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺研制，并在蔬菜、水果、茶葉等領(lǐng)域產(chǎn)銷一體的典型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)進行應(yīng)用示范，建立農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈共享交換機制，打造跨部門、跨環(huán)節(jié)信息互聯(lián)互通的統(tǒng)一通道。與中農(nóng)網(wǎng)區(qū)塊鏈服務(wù)平臺、惠農(nóng)聯(lián)盟鏈等第三方區(qū)塊鏈平臺，以及農(nóng)業(yè)智慧云倉、智慧農(nóng)批等第三方業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)進行對接，形成跨越生產(chǎn)方、物流方、渠道方、零售方、監(jiān)管方、服務(wù)方及消費者等多方取得共識的農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)信息集成應(yīng)用。實現(xiàn)農(nóng)業(yè)種植、養(yǎng)殖、加工、運輸和銷售等多環(huán)節(jié)全流程信息透明、安全、共享，打造農(nóng)業(yè)行業(yè)生態(tài)，形成國家公鏈，推動農(nóng)業(yè)數(shù)字資產(chǎn)提供有效支撐，促進農(nóng)業(yè)專業(yè)化、精細化、智能化、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[3]。

2 平臺架構(gòu)及內(nèi)容

2.1 架構(gòu)設(shè)計

農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺按照農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈管理體系標準，結(jié)合區(qū)塊鏈的分布式賬本、智能合約、混合共識、身份鑒權(quán)、受信任和防篡改等特點對現(xiàn)有系統(tǒng)資料進行集成融合，實現(xiàn)資源共享、數(shù)據(jù)共用，建立一套數(shù)據(jù)采集管理交換中臺，搭建農(nóng)業(yè)全產(chǎn)業(yè)鏈管理服務(wù)應(yīng)用平臺。同時按照統(tǒng)一編碼規(guī)則、統(tǒng)一采集指標、統(tǒng)一傳輸格式、統(tǒng)一接口規(guī)范和統(tǒng)一工作流程的思路，配套管理制度和技術(shù)標準，平臺支持產(chǎn)業(yè)鏈上下游管理系統(tǒng)、第三方聯(lián)盟鏈、私有鏈對接，實現(xiàn)獨立平行區(qū)塊鏈之間，以及與系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)資源庫之間還可以相互鏈接，使得每個獨立平行區(qū)塊鏈中的每一個區(qū)塊節(jié)點都能方便高效地實現(xiàn)系統(tǒng)資源分享和數(shù)字資產(chǎn)共享行為的互操作，還能確保整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可延展性、安全性和去中心化等特質(zhì)的穩(wěn)定。同時，平臺形成業(yè)務(wù)聯(lián)匯集大數(shù)據(jù)，實現(xiàn)共享交換機制，打造跨鏈、跨部門、跨環(huán)節(jié)信息互聯(lián)互通的統(tǒng)一通道，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在各個節(jié)點之間同步共享，透明安全。農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺整體架構(gòu)分為 6 個層次、2 大體系。包含感知層、網(wǎng)絡(luò)通信層、邊緣數(shù)據(jù)支撐層、公有鏈支撐層、應(yīng)用系統(tǒng)層和平臺開放對接層 6 個層次及安全保障體系、運維監(jiān)管體系[4-7]。

（1）數(shù)據(jù)感知層。通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的感知應(yīng)用，對生產(chǎn)環(huán)境、病蟲測報、土壤墑情、作物長勢、視頻圖像、設(shè)施分布和人員定位等進行感知采集。通過搭建的物聯(lián)網(wǎng)綜合管理平臺，實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的智能感知，提升數(shù)據(jù)采集能力、設(shè)備控制能力及實時交互能力，做到數(shù)據(jù)感知的自動化、網(wǎng)絡(luò)化和精準化。

（2）網(wǎng)絡(luò)通信層。主要通過NB-IO、GPRS 等物聯(lián)網(wǎng)傳輸協(xié)議及SIP 多媒體通信協(xié)議，將采集的各類物聯(lián)數(shù)據(jù)自動傳輸?shù)焦芾砥脚_，為系統(tǒng)提供大容量、高可靠和高并發(fā)的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接和數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)。

（3）邊緣數(shù)據(jù)支撐層。在數(shù)據(jù)上鏈前進行數(shù)據(jù)整合處理，有效避免存在冗余數(shù)據(jù)、臟數(shù)據(jù)上鏈，保障鏈上數(shù)據(jù)的完整性、有效性。數(shù)據(jù)支撐層支持結(jié)構(gòu)化、非結(jié)構(gòu)化和半結(jié)構(gòu)化等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)匯聚整合。在數(shù)據(jù) ETL/清洗技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)元數(shù)據(jù)體系進行“按需清洗”與“按需整合”，建立全局數(shù)據(jù)語義網(wǎng)絡(luò)，方便數(shù)據(jù)表示和服務(wù)發(fā)現(xiàn)；同時，結(jié)合業(yè)務(wù)需求，將繁雜的物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)變成易于分析應(yīng)用、有效、干凈、完備的“小”數(shù)據(jù)集，形成數(shù)據(jù)倉庫，促進物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)再更便捷、更深層次地數(shù)據(jù)計算與應(yīng)用。

（4）公有鏈支撐層。結(jié)合區(qū)塊鏈去中心化、點對點網(wǎng)絡(luò)、時間戳、不可篡改、共識機制及智能合約等技術(shù)，采用各業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)作為節(jié)點接入公鏈，進行數(shù)據(jù)上傳，支撐上層業(yè)務(wù)應(yīng)用。同時對多系統(tǒng)接入、多鏈接入提供技術(shù)平臺支撐。

（5）應(yīng)用系統(tǒng)層。基于農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈行業(yè)實際業(yè)務(wù)需求，貼合業(yè)務(wù)流程拓展深度應(yīng)用，提供智慧農(nóng)業(yè)種植生產(chǎn)應(yīng)用、農(nóng)產(chǎn)品智慧供應(yīng)鏈管理、農(nóng)產(chǎn)品一體化營銷管理等諸多方面開展綜合應(yīng)用。

（6）平臺開放對接層。平臺支持產(chǎn)業(yè)鏈上下游管理系統(tǒng)、第三方聯(lián)盟鏈、私有鏈對接進行信息共享及鏈間互操作。平臺支持多條獨立平行區(qū)塊鏈所組成的去中心化網(wǎng)絡(luò)鏈接，并且每個獨立平行區(qū)塊鏈之間，以及與系統(tǒng)中心數(shù)據(jù)資源庫之間還可以相互鏈接，使得每個獨立平行區(qū)塊鏈中的每一個區(qū)塊節(jié)點（peer）都能方便高效地實現(xiàn)系統(tǒng)資源分享和資產(chǎn)共享行為的互操作，還能確保整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可延展性、安全性和去中心化等特質(zhì)的穩(wěn)定，有助于建立農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

2.2 研究內(nèi)容

針對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈安全共享、數(shù)據(jù)智能融合等應(yīng)用，研究安全、可信、高效的區(qū)塊鏈分布式架構(gòu)，包括區(qū)塊鏈底層平臺與上層業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的關(guān)系與鏈接、鏈式數(shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)拓撲及消息傳播機制、高效的共識算法、智能合約系統(tǒng)、虛擬化技術(shù)及密碼算法應(yīng)用等核心關(guān)鍵共性技術(shù)，使得區(qū)塊鏈架構(gòu)靈活、可擴展，為系統(tǒng)應(yīng)用提供強有力的數(shù)據(jù)共享支撐。

通過對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈各個參與主體單位及各階段業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)的分析及數(shù)據(jù)整理，研究基于種植生產(chǎn)、產(chǎn)品加工、產(chǎn)銷對接和電子商務(wù)等業(yè)務(wù)流及數(shù)據(jù)，協(xié)同農(nóng)產(chǎn)品物流、農(nóng)業(yè)金融、農(nóng)業(yè)監(jiān)管等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，建設(shè)針對農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的全過程、全要素數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)上鏈、安全傳輸和綜合應(yīng)用進行應(yīng)用驗證。平臺利用現(xiàn)代電子技術(shù)、移動網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、計算機及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，將農(nóng)作物生長最密切相關(guān)的空氣溫濕度、土壤墑情，以及農(nóng)產(chǎn)品流通過程中的質(zhì)量、交易過程等實時監(jiān)控數(shù)據(jù)通過各種傳感器以總線網(wǎng)絡(luò)實時采集，并利用運營商網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)，將數(shù)據(jù)及時傳送到農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺。使設(shè)施農(nóng)業(yè)管理人員、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈各業(yè)務(wù)節(jié)點工作人員和農(nóng)業(yè)專家通過手機或手持終端就可以及時掌握農(nóng)作物的生長環(huán)境、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工及流通信息，確保及時采取控制措施，及時調(diào)度指揮，達到最大限度地提高農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈間各業(yè)務(wù)單位的信息流轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)降低運營成本，提高生產(chǎn)量，增加勞動效益[8]。

3 應(yīng)用成效

鶴壁農(nóng)墾農(nóng)業(yè)發(fā)展有限公司運用區(qū)域鏈、大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)和人工智能等先進信息技術(shù)，在大田種植和特色農(nóng)產(chǎn)品種植得到了示范應(yīng)用，建成了數(shù)字大田、數(shù)字菜園和數(shù)字菌園，打造從種植環(huán)境數(shù)據(jù)采集，到病蟲害自動監(jiān)測、水肥一體智能控制、作物全生命周期管控、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測、測土配方施肥、全程質(zhì)量追溯和合格證應(yīng)用，并實現(xiàn)線上銷售的全過程、全鏈條、全環(huán)節(jié)的應(yīng)用，加快數(shù)據(jù)信息匯總集成、共享共用和農(nóng)業(yè)數(shù)字化改造升級，探索生產(chǎn)、管理和經(jīng)營數(shù)字化發(fā)展新路徑。

目前，建成了集物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)環(huán)境氣象自動監(jiān)測應(yīng)用、病蟲害自動監(jiān)測應(yīng)用、管式多層超聲土壤墑情在線監(jiān)測、遠程生態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)、水肥一體化智能控制應(yīng)用及農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯等功能為一體的區(qū)塊鏈應(yīng)用平臺，實現(xiàn)了特色種植區(qū)域大田作物生產(chǎn)過程、質(zhì)量控制、數(shù)據(jù)感知和產(chǎn)品銷售等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的信息技術(shù)集成應(yīng)用，促進數(shù)字農(nóng)業(yè)生產(chǎn)取得重要進展，提升信息技術(shù)應(yīng)用能力，勞動生產(chǎn)率提高50% 以上，單位面積產(chǎn)量提升10% 以上，水、肥、藥等農(nóng)業(yè)投入品使用降低10% 以上，取得顯著經(jīng)濟社會效益[9-10]。

4 結(jié)束語

隨著區(qū)塊鏈、人工智能、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展迎來了由傳統(tǒng)方式向信息技術(shù)方式轉(zhuǎn)型的機遇。區(qū)塊鏈技術(shù)擁有去中介、去信任、智能合約等諸多得天獨厚的優(yōu)勢，為農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展提供信任機制、激勵機制、契約機制等，為優(yōu)化農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展探索了一條全新的路徑。結(jié)合智慧農(nóng)業(yè)工程建設(shè)，加快涉農(nóng)數(shù)據(jù)整合，建設(shè)涉農(nóng)數(shù)據(jù)資源庫，打破涉農(nóng)“信息孤島”和“數(shù)據(jù)煙囪”，形成農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈全過程貫通。建立涉農(nóng)數(shù)據(jù)分類目錄，建設(shè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)開放平臺，提升公眾對農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的使用效率，推動數(shù)據(jù)資源開放共享。積極探索涉農(nóng)數(shù)據(jù)市場化運作，開展涉農(nóng)數(shù)據(jù)產(chǎn)學(xué)研研究，挖掘好數(shù)據(jù)價值，加快推動農(nóng)業(yè)農(nóng)村數(shù)據(jù)資源資產(chǎn)化，激活政府涉農(nóng)數(shù)據(jù)資源。同時，區(qū)塊鏈能夠在數(shù)據(jù)安全、信息安全等方面發(fā)揮積極的作用，保障數(shù)字化在農(nóng)業(yè)中的健康快速發(fā)展。基于區(qū)塊鏈技術(shù)研發(fā)的數(shù)字農(nóng)業(yè)核心功能和應(yīng)用，是數(shù)字農(nóng)業(yè)發(fā)展的一項重要內(nèi)容，也是數(shù)字農(nóng)業(yè)未來發(fā)展的必然方向。

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