區塊鏈在智慧農業中的應用展望
孫忠富1，李永利2，鄭飛翔1，杜克明1，馬浚誠1，張德龍2
1 中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所，北京 100081
2 內蒙古自治區氣象信息中心，內蒙古自治區 呼和浩特 010051
摘要：我國農業正處於升級轉型的重要時期，融合現代信息技術發展智慧農業是實現農業現代化的先行之路。首先，分析了我國農業的發展現狀，進而闡述了智慧農業發展及其與區塊鏈應用融合的必要性；其次，介紹了區塊鏈的內涵及發展現狀；第三，分析了區塊鏈在智慧農業創新發展中可能的應用領域；最後，闡述了區塊鏈的發展前景，並提出了區塊鏈在農業領域應用的一些建議。
關鍵詞：區塊鏈 ; 智慧農業 ; 農業區塊鏈 ; 農業大數據 ; 農業物聯網
論文引用格式：
孫忠富, 李永利, 鄭飛翔, 杜克明, 馬浚誠, 張德龍. 區塊鏈在智慧農業中的應用展望. 大數據[J], 2019, 5(2): 2019018-1- doi:116-124
SUN Z F, LI Y L, ZHENG F X, DU K M, MA J C, ZHANG D L. Prospects of blockchain application in smart agriculture. Big Data Research[J], 2019, 5(2): 116-124
1 引言
我國是農業大國，有悠久的農業發展歷史。改革開放40年以來，國家和政府堅持把解決好「三農」問題作為重要舉措，全面深化涉農工作的各項改革，農業農村發生了歷史性變革，取得了令世界矚目的歷史性成就。
1.1 我國農業面臨的挑戰
我國農業高速發展的同時，也出現了一些新問題，面臨著諸多挑戰，大體上可以歸納為以下幾個方面。
（1）生態環境與氣象災害的雙重挑戰
我國農業過度依賴化肥、農藥的格局仍未實現根本性扭轉，農村中大量未處置的廢棄物、牲畜糞便和生活垃圾帶來的土壤、水體和大氣汙染等問題仍然突出，這些問題甚至可能演變為生態環境災難。農產品安全事件經常發生，保證食物安全仍面臨諸多挑戰。同時，受全球氣候變化及我國特殊的地理和氣候環境的影響，各種農業災害時常發生，由氣象災害造成的損失經常佔農業損失的80%以上。
（2）農業發展中的新問題突出
近十幾年來，我國糧食生產量持續增長，其他主要農產品也實現了同步增長，但我國農產品進口量仍持續攀升，對外依存度趨於增大。另外，農業生產成本大幅度上升，市場環境時常波動，農產品數量和質量安全仍然不容忽視。
（3）農業生產規模小、管理方式落後
根據2016年數據統計，我國大約有2.6億農戶，到2050年，仍將有1.0億農戶，生產規模小，土地碎片化嚴重，勞動效率低下，大產業、小農戶的現象將長期存在。我國人均耕地面積大約是2畝，是美國人均耕地面積的1/200，世界平均水平的1/3。生產經營規模小，資源利用率和土地產出率低下，人均創造的價值與發達國家相比，差距明顯。
（4）我國是世界上老齡化最突出的國家之一
現代農業發展與勞動力老齡化的矛盾非常突出。目前，我國60歲以上的務農勞動力大約佔70%，人口紅利正趨於消失。老齡勞動力對新技術和新知識的學習能力差，勞動力成本不斷提升。「誰來種地，如何種好地」已成為制約農業可持續發展的緊迫重大問題。
（5）技術創新能力相對薄弱
2017年，我國農業科技貢獻率達到57.5%，而主要發達國家的農業科技貢獻率在70%以上，我國的科技貢獻率仍有很大的發展空間。例如，我國農用高端傳感器和監測分析設備以及農業高端大型機械裝備目前主要依賴進口。
總而言之，我國農業在經歷了快速發展之後，出現的新問題也是不言而喻的。當前我國正處於農業生產方式的轉型期，傳統農業是資源擴張型、能源消耗型、人力消耗型的農業，主要特點是依賴大量人力資源和物理資源要素的投入，人口紅利不斷下降，環境壓力不斷增加，資源供需矛盾更加凸顯，實踐證明這種發展模式已經難以為繼，必須找到新的突破口和發展模式。
1.2 智慧農業發展機遇
當前，人們對於智慧農業（smart agriculture）的內涵解讀眾說紛紜，但對於其本質仍有一定的共識，即將現代信息技術與農業生產、經營、管理服務、決策等全產業鏈進行深度融合與基因重組，消除數據鴻溝和信息不對稱，引領信息化智能決策，節能高效化生產，提供差異化服務。智慧農業是以物聯網、大數據、雲計算等為技術支撐的農業發展新形態，強調信息和知識的整合、挖掘與綜合應用。智慧農業是在現代信息技術與農業不斷的融合發展過程中被提出來的，被譽為一種新的資源和新型驅動力，也被視為現代農業發展的高地和突破口，是農業轉型升級發展的必然趨勢。在宏觀層面上，智慧農業應落實創新發展理念，落實創新驅動發展戰略，加快轉變農業發展方式，改造傳統農業，建設現代農業，推動農業現代化的基本要求。
隨著智慧農業的深入發展和廣泛應用，信息和知識將被更廣泛地傳播和應用，智能設備不僅解放人的體力勞動，也將逐步解放人的腦力勞動，在一些領域，機器代替人、電腦代替人腦正在成為現實。近年來國家和政府大力推動智慧農業的發展，《中華人民共和國國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中提出了創新驅動發展的總體戰略，制定了「加強農業與信息化技術融合，發展智慧農業，提高農業生產力水平」的總體目標。2018年，《中共中央國務院關於實施鄉村振興戰略的意見》進一步指出：大力發展數字農業，實施智慧農業林業水利工程，推進物聯網試驗示範和遙感技術應用。這為智慧農業的發展進一步明確了方向。應用智慧農業發展理念和技術優勢有利於提升各種涉農資源的優化利用，促進農業生產管理、市場流通、決策服務中各種重大問題的解決，推動農村經濟社會進步以及城鄉之間的協調發展。
1.3 區塊鏈助力智慧農業
智慧農業既是一種發展理念，也是一種綜合技術應用，其核心是在物聯網、大數據、雲計算、人工智慧等關鍵技術的支撐下，通過數據全面感知、穩定傳輸、數據計算，實現智慧操控、智慧生產、智慧決策。隨著智慧農業的規模發展，一系列問題也會相伴而生，如大數據獲取、挖掘分析、數據安全、網絡安全、數據真實可靠性、網絡誠信、智慧財產權的歸屬等，成功應對這些問題，也是智慧農業持續穩健發展的關鍵所在。這些既是智慧農業發展面臨的挑戰，也是區塊鏈（blockchain）的用武之地和發展空間。從這個意義上說，區塊鏈的興起恰逢其時，區塊鏈的應用將為智慧農業的發展奠定堅實的基礎。區塊鏈在智慧農業的發展過程中將起到雙重作用。首先，它與大數據、物聯網、雲計算和人工智慧等技術一樣，是構成智慧農業發展的關鍵支撐技術；其次，區塊鏈還承擔著維護數據安全、建立誠信機制、傳遞價值等重要的工作，不僅為智慧農業保駕護航，甚至有可能重構智慧農業新秩序。全面認識區塊鏈的基本內涵，創造性地應用區塊鏈的發展理念，發掘區塊鏈的技術優勢，深入研究區塊鏈的核心功能和應用，是智慧農業發展的重要任務，也是未來智慧農業發展的必然趨勢。
2 區塊鏈概述
2.1 區塊鏈的內涵
「區塊鏈」這一概念在國內傳播大約始於2015年，最早是由中本聰（Satoshi Nakamoto）在2008年首次提出來的，他在一篇名為《比特幣：一種點對點式的電子現金系統》的論文中，簡明扼要、圖文並茂地描述了比特幣和區塊鏈的基本原理，很多區塊鏈的基本概念是在這裡提出的，如區塊鏈、比特幣（bitcoin）、時間戳（timestamp）、工作總量證明（proof of work，PoW）等，奠定了區塊鏈的理論基礎。
簡單來說，區塊鏈是非常適合網際網路特點的綜合技術，是由數據區塊（block）通過某種機制（密碼籤名和時間戳）組織形成區塊鏈條，進而構成分布式網絡資料庫。具體來講，區塊鏈是利用塊鏈式數據結構驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法生成新數據、利用密碼學方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構和計算範式。
區塊鏈技術被認為是當前知識認知領域中複雜的技術之一，其很多特徵對不同領域具有巨大的應用價值。區塊鏈不是單一的技術，具有分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法、可追溯、難以篡改、公平公正、公開透明、智能合約等特徵。
2.2 區塊鏈的發展與演變
根據區塊鏈的進化脈絡，可將區塊鏈大致分為以下3個發展階段。
● 以編程數字貨幣為特徵的區塊鏈1.0：作為數字貨幣（比特幣）的底層技術，加密數字貨幣是第一代區塊鏈的標誌。加密數字貨幣創建了全新的數字支付系統，使價值在網際網路中流通成為可能，但其應用領域十分有限。
● 以可編程金融為特徵的區塊鏈2.0：該階段以2013年開發的以太坊（Etherum）為代表，它是能支持各種加密貨幣、金融資產以及各種數位化資產管理的智能合約通用平臺。以太坊的發明堪稱區塊鏈發展的裡程碑，有學者認為以太坊將改變網際網路的明天。
● 以可編程整個社會為特徵的區塊鏈3.0：隨著技術的發展和需求的增加，區塊鏈的應用已經遠遠超出了金融領域，擴展到其他領域，智慧農業也將成為區塊鏈的一個新的應用爆發點。
2.3 區塊鏈應用分類
儘管人們基於各自的角度對區塊鏈有不同的解讀，但對區塊鏈應用的分類越來越明朗。簡單來講，區塊鏈的最終應用要落實到某個具體業務層上，例如面對什麼類型的對象和群體，具體的服務和業務需求有哪些。理解這些分類也是進行區塊鏈頂層設計、做好目標定位、應用系統開發的基本前提。
按開放程度，區塊鏈可劃分為以下3類，這是目前公認的分類方法。
● 私有鏈：向滿足特定條件的個人開放，得到組織內部授權才可使用。
● 公有鏈：向所有人開放，任何人都可參與使用。
● 聯盟鏈：向授權的組織或機構開放，由若干組織或機構參與管理。
其他分類如下：如按應用範圍，將區塊鏈劃分為基礎鏈和行業鏈；按原創程序，將區塊鏈劃分為原鏈（原創性的）和分叉鏈；按獨立程度，將區塊鏈劃分為主鏈、側鏈；按層級關係，將區塊鏈劃分為母鏈和子鏈等。
3 區塊鏈農業應用場景
目前，區塊鏈農業應用還處於初級階段，真正全面應用區塊鏈技術、規模化應用的成功案例並不多見，其在農業領域的應用任重道遠。農業涉及的內容十分廣泛，毫無疑問，區塊鏈有廣闊的發展空間。在總體發展理念方面，區塊鏈可為智慧農業夯實底層基礎，為其保駕護航，促進穩健發展。在具體技術實現方面，區塊鏈可打造綠色農產品供應鏈，優化供應鏈條，貫通供應和消費安全渠道，建立從田間生產到家庭餐桌的溯源監控體系，讓農產品更健康、更安全，諸如此類應用是區塊鏈最有可能發揮作用的突破口。另外，在農業金融、保險、信貸、農產品交易、品牌認知和智慧財產權保護方面，區塊鏈也均可大有作為。
基於對當前和未來的應用場景的分析，可以將區塊鏈的應用歸納為兩大類，分別是基礎領域應用和行業領域應用。
3.1 基礎領域應用
為了加快區塊鏈產品的開發，構建基於區塊鏈技術的應用，從社會經濟發展需求和區塊鏈自身的優勢來看，區塊鏈與新一代信息技術的結合應用已毋庸置疑。基礎領域應用通過提供底層的且通用的各類開發協議或開發工具與系統平臺，方便開發者快速開發出各種去中心化的應用（decentralized application，DApp），一般以公有鏈為主。區塊鏈在智慧農業基礎領域的應用，大致可分為以下幾類。
（1）區塊鏈+農業大數據
首先，區塊鏈系統本身是一個數據系統，而且還是一個分布式數據系統，雖然大數據系統不一定是區塊鏈系統，但隨著區塊鏈容量的擴大，必然與大數據有某些天然的屬性關聯。農業大數據的數據獲取、安全管理、數據權的維護、數據的真實性和有效性、難以篡改、去中心化等要求對於現在的傳統資料庫來講，是一個新的挑戰。農業大數據具有來源複雜多樣、結構複雜、數據周期長等特點，實現大數據的區塊鏈化是未來智慧農業發展的基礎性工作。
（2）區塊鏈+農業物聯網
目前基於各類傳感器和智能裝備連接的物聯網發展迅猛，大量的物聯網設備標識不統一、網絡協議複雜、數據格式多樣、中心化管理等問題限制了物聯網系統的高效應用，同時設備監管和數據安全問題也一直困擾著物聯網的發展。隨著物聯網設備的快速增加，基於中心化的維護與管理成本將難以估量。區塊鏈將成為萬物互聯智能設備的總帳本，除了真實記錄物聯網採集的數據外，也可真實記錄設備的身份標識、停轉工況、設備遷移、設備維護等數據，為智能設備的互聯互通、自我管理提供安全可靠的保障。
（3）區塊鏈+雲計算
目前雲計算仍然具有中心化的特徵，區塊鏈技術與雲計算的融合將改變目前基於中心化的雲計算技術，形成一種雲分布計算模式。農業領域大量的分散和碎片化資源有可能通過區塊鏈得到保護和優化利用。另外，利用分布式和去中心化的技術，人們可以廣泛地參與數據計算和交易活動，並能保護參與者的利益和行使交易權，從而降低運行成本，提高系統的安全性。
（4）區塊鏈+人工智慧
人工智慧的發展主要依賴數據和算力，機器學習和模型算法也必須依靠大量的數據，才可能訓練出可靠模型，數據量越大，時間序列越長，訓練出的模型越好。區塊鏈技術可讓人工智慧的每一個動作和發展都得到記錄和公開，從而提升人工智慧功能的健全性、安全性和穩定性。人工智慧與區塊鏈技術結合更大的意義可能還在於，區塊鏈技術能夠為人工智慧提供核心技能——製造互信的機器，相比建立人和人之間的信任，智能設備之間的互信可能更容易實現，代價也比較低。
3.2 行業領域應用
區塊鏈技術發源於比特幣，目前區塊鏈應用最成功的領域也是金融領域。隨著區塊鏈技術的不斷發展，它將滲透到包括農業在內的更多領域，區塊鏈在農業中的深度應用是非常值得期待的。這裡僅梳理了一些重要的和優先發展的領域，更多的應用場景仍待不斷挖掘和培養構建。
（1）區塊鏈+農業金融
目前金融領域是區塊鏈應用最活躍和比較成功的領域，但農業金融具有一定的特殊性，還需要不斷探索，例如，如何認知有效抵押物、建立契約機制。在這方面農業領域相對薄弱，總體上擔保貸款比較難。區塊鏈技術可以保證信息更透明、篡改難度更高，增加了誠信，降低了成本。另外，應用去中心化功能申請貸款時，將不再依賴銀行、誠信公司等中介機構提供信用證明，貸款機構通過調取區塊鏈的相應數據信息即可開展業務，能大大提高工作效率。
（2）區塊鏈+質量溯源
當解決了溫飽之後，人們開始關注農產品質量是否安全可靠。農產品質量安全溯源被認為是區塊鏈非常有價值和優先發展的應用領域之一。應用區塊鏈可全程記錄農產品的生產、運輸、加工和儲藏等過程，可確保數據的真實性、難以篡改性、不可偽造性、真實透明性，從而增加消費者的信任度，拓展市場空間。
（3）區塊鏈+農業保險
我國是農業災害多發的國家，農業災害包括生物災害（病蟲害）和非生物災害（主要是氣象災害），這些災害每年都在發生，並造成很大的經濟損失。保護農業經營者的利益，加強農業保險服務勢在必行。但目前農業保險存在著對災害監測不準、災情數據掌握不全甚至不真、災損評估方法缺失等問題。如何確保數據真實可靠、可追溯、難以篡改，實現農業保險定損、認證、理賠的客觀公正，是很大的挑戰。將區塊鏈與農業保險結合之後，農業保險不僅在可靠性上有很大的提升，而且會極大地簡化交易流程。另外，將智能合約技術應用到農業保險領域，會使農業保險賠付處理更加智能化，賠付效率大大提高。
（4）區塊鏈+供應鏈
供應鏈中涉及產品配置、物流配送、交易結算等眾多環節，數據量十分龐大。另外，質量溯源也是供應鏈中的一個重要內容。例如，應用區塊鏈技術後，供應鏈中涉及的大量信息（包括價格、日期、地址、質量、產品狀態等）將會被永久記錄，且難以篡改，從而避免人為錯誤，提高安全性。
（5）區塊鏈+精準扶貧
「精準扶貧、精準脫貧」是我國政府提出的一項重大戰略舉措。區塊鏈以其共識、去信任、防篡改、共監管、可追溯等機制，可以有效提高複雜環境下的信息高效管理，提高精準扶貧工作的「靶向性」，加強對資金流向、扶貧對象、獲得效果等的有效監管，從管理理念和技術上為「精準定位和扶貧」提供堅實信息支撐。
（6）區塊鏈的其他應用
除上述可能的應用場景之外，區塊鏈在其他方面的應用還有很多，如土地確權註冊、農業投入產出（利潤核算）、農業補貼支出、農機設備和農資管理、各種涉農智能契約、農產品交易和市場準入管理等，舉不勝舉。
4 區塊鏈農業應用前景和建議
4.1 區塊鏈應用前景
當前人們對區塊鏈的認識仍有不同的爭論，但主流觀點對區塊鏈給予了很高期待。眾所周知，20世紀70年代誕生的TCP/IP奠定了第一代網際網路的基石，實現了信息的高效率傳遞，但高效率的背後是信息可以無限地複製、無序地傳播，信息真偽難辨，智慧財產權難保，甚至產生破壞力，這在很大程度上破壞了信息的自身價值和傳遞價值。區塊鏈通過去信任和去中心化、共識和共享以及智能契約機制完成價值傳遞，進而催生新的治理機制、組織形式和商業模式，在這一過程中，將不斷產生各種新的業務應用。從這個意義上說，區塊鏈會對未來網際網路重構和智慧產業的發展產生重要的影響。在這種大背景下，區塊鏈不僅可以支撐智慧農業的發展，而且必然大有可為。
4.2 區塊鏈應用的挑戰
總體來看，目前區塊鏈的應用仍處於初級階段，任何創新技術從發明創造到成熟應用，都不可避免地會出現這樣或那樣的問題，尤其需要經過市場和時間的考驗。從這個意義上說，人們仍需要以冷靜客觀的眼光看待其發展，過分渲染和過分懷疑都是不可取的。區塊鏈的一些理念很理想化也很完美，但區塊鏈不是「靈丹妙藥」，不能解決信息社會所有的疑難雜症，至少目前在一些技術實現上還困難重重，其發展和應用仍需不斷探索和發展。因此對區塊鏈的開發應用不能簡單盲目地跟風，要根據實際情況量力而行，要摸清自身家底、做好應用定位、制定好規劃方案、補齊現存短板，切實打好基礎。另外，信息技術農業應用相對其他行業而言仍存在短板，儘管近年來智慧農業正處於快速發展期，但也因為農業系統複雜、分布廣、眾多參與、交易鏈條長、信息不夠透明等，更需要加以監管治理和加強構建誠信。這一方面說明了區塊鏈農業應用的市場廣泛需求性，另一方面也預示著極大的挑戰性，必須要加強研究，探索可行之路。
4.3 區塊鏈應用的建議
為更好地將區塊鏈技術融合在智慧農業應用中，筆者提出以下幾條初步建議。
● 加強基礎建設。相比於其他行業，農業數據獲取、數據質量控制、資料庫建設、數據挖掘應用等方面水平較低，農業網絡信息化基礎相對薄弱，因此要優先加強網絡信息基礎設施的建設，包括物聯網和大數據系統的建設，打好區塊鏈應用的基礎。
● 重視人才培養。任何一項技術的發明和創新應用，人才都是第一位的。區塊鏈技術門檻較高，當前既懂技術又熱愛農業的複合型人才更為缺乏。因此，需要加強人才培養，提高專業人才對區塊鏈的認知及其技術研發能力。
● 拓展區塊鏈場景。區塊鏈是多節點、多用戶形成的一個去中心化的網絡系統，必須要達到一定的參與規模才有意義，如何組織並培養達成共識的用戶群體，本身就是一個挑戰。目前農業區塊鏈真正成功應用的案例並不多見，有報導的一些應用系統在頂層設計和技術上還需要不斷完善，在用戶群體培養和規模化應用方面仍需不斷開拓。因此切實結合實際情況，選準題、定好位、創新商業服務模式，是區塊鏈農業應用的重點。研究人員應挖掘更多的應用場景，不斷拓展應用服務視野，進而開發出具有示範效應與業務應用的區塊鏈系統。
● 認知區塊鏈短板。從技術層面看，區塊鏈仍存一些不完善的地方，例如區塊鏈只能確保上鏈之後的數據的真實性和安全性，對鏈下數據仍無能為力，而農業恰恰有大量的源數據是在鏈下的，源數據的質量控制非常關鍵；區塊鏈交易要求取得大多數節點的共識，這導致交易效率較低，且對網絡基礎條件要求很高；要獲得區塊記帳權，必須有強大的計算力，這要付出很高的成本；區塊鏈的加密技術並不能完全解決安全問題，例如算力攻擊對區塊鏈的安全威脅仍然不可忽視等，不僅需要在技術上不斷進步，甚至需要健全法律保障。
5 結束語
新一代信息技術催生了數字經濟，促進了新型業態的發展壯大，引領了傳統產業的升級轉型。展望未來，隨之興起的智慧農業正在推動新一輪農業科技革命的浪潮，農業正在朝現代化方向升級轉型。區塊鏈作為智慧農業中的又一個關鍵技術，將逐漸成為學術界和產業界的熱點研究課題，同時也將助推智慧農業健康發展。
作者簡介
孫忠富（1957- ），男，博士，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所研究員、博士生導師，國家減災委員會專家，中國農學會計算機農業應用分會副理事長，中國農學會農業氣象分會副理事長。主要研究方向為智慧農業，重點研究領域為物聯網和大數據在農業環境調控與災害監測預警中的研發應用。
李永利（1969- ），女，內蒙古自治區氣象信息中心高級工程師、主任，主要研究方向為計算機技術在氣象大數據領域的應用。
鄭飛翔（1982- ），男，博士，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所副研究員，主要研究方向為農業防災減災數據挖據分析。
杜克明（1980- ），男，博士，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所副研究員，主要研究方向為基於物聯網的農業環境與災害監測技術。
馬浚誠（1987- ），男，博士，中國農業科學院農業環境與可持續發展研究所助理研究員，主要研究方向為基於計算機視覺的作物信息獲取與分析。
張德龍（1978- ），男，內蒙古自治區氣象信息中心高級工程師，內蒙古工業大學碩士生導師，內蒙古氣象信息網絡及服務 創新團隊骨幹成員，主要研究方向為氣象數據質量控制方法研究、多源氣象數據融合以及氣象系統相關軟體設計研發。
《大數據》期刊
《大數據（Big Data Research，BDR）》雙月刊是由中華人民共和國工業和信息化部主管，人民郵電出版社主辦，中國計算機學會大數據專家委員會學術指導，北京信通傳媒有限責任公司出版的中文科技核心期刊。
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