孫想 吳華瑞 郭旺 李慶學 彭程

摘要：在實施鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略、推動數字農業(yè)與數字鄉(xiāng)村發(fā)展的時代背景下，為了提高鄉(xiāng)村數字化建設效率，運用物聯(lián)網、系統(tǒng)協(xié)同、人工智能等手段獲取村鎮(zhèn)基礎設施、自然環(huán)境、社會經濟、生產技術、商貿物流、社會保障、基層治理等動靜態(tài)數據，構建數字鄉(xiāng)村大數據平臺。平臺基于“數據中臺-業(yè)務前臺”服務架構，支持多用戶定制、數據多維分析和多業(yè)態(tài)服務擴展，實現產業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風文明、治理有效、生活富裕5個系統(tǒng)，通過鄉(xiāng)村大數據管理、挖掘和決策分析為村鎮(zhèn)管理部門、經營組織和農民提供個性化服務。該平臺已成功應用于多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為鄉(xiāng)村產業(yè)經濟發(fā)展、農民生活品質提高和基層治理能力提升提供一種開放、高效的信息化解決方案。

關鍵詞：數字鄉(xiāng)村;大數據;平臺;技術架構;實現路徑;感知體系;服務

中圖分類號：S126?? 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2021）18-0181-08

收稿日期：2021-06-19

基金項目：國家重點研發(fā)計劃（編號：2019YFD1101105）。

作者簡介：孫 想（1974—），女，天津寧河人，博士，研究員，主要從事農業(yè)智能系統(tǒng)研究。E-mail：sunx@nercita.org.cn。

通信作者：吳華瑞，博士，研究員，主要從事農業(yè)智能系統(tǒng)研究。E-mail：wuhr@nercita.org.cn。

在國家鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實施和數字經濟快速發(fā)展的時代背景下，黨中央、國務院高度做出實施大數據和數字鄉(xiāng)村戰(zhàn)略、大力推進“互聯(lián)網+”現代農業(yè)等一系列重大部署，以縮小我國城鄉(xiāng)“數字鴻溝”。隨著物聯(lián)網、移動互聯(lián)網、云計算技術的快速發(fā)展，鄉(xiāng)村管理與服務數據呈海量增長趨勢，這些數據具有領域涉及廣、涵蓋鏈條長、時空關聯(lián)特點顯著、尺度與粒度多樣等特點[1]。如何利用這些數據，為鄉(xiāng)村振興提供服務是擺在我們面前的重要課題。利用大數據貫穿鄉(xiāng)村“產業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風文明、治理有效、生活富?！备鱾€環(huán)節(jié)，關聯(lián)“基礎設施、自然環(huán)境、社會經濟、生產技術、商貿物流、社會保障、基層治理”全要素，通過生產、生活、服務、管理等數據一體化管理與協(xié)同服務，為管理人員提供鄉(xiāng)村跨域服務與治理全息數據決策，為鄉(xiāng)村用戶提供精準畫像與個性化服務，是未來支撐鄉(xiāng)村智慧化、現代化發(fā)展的有效途徑。

大數據通過收集種類繁多、范圍廣泛的信息資源，挖掘獲得隱藏的有價值的信息，為鄉(xiāng)村治理和決策行為提供全息數據支撐，推動鄉(xiāng)村治理的決策模式由經驗決策向數據決策轉變，提升鄉(xiāng)村的應急管理能力。國內外農業(yè)農村大數據的研究重點主要集中在數據感知采集、存儲管理、監(jiān)測與預警、數據挖掘與智能決策、平臺構建與應用綜述等方面[2-3]。采用物聯(lián)網、社交網絡交互、移動互聯(lián)網、遙感衛(wèi)星、無人機等途徑，實現鄉(xiāng)村大數據采集和高效匯聚管理，采用數據關聯(lián)挖掘和預測技術對數據進行分析，分析結果通過時間符號、地圖對比、時間統(tǒng)計圖、時間線、動畫等方式進行可視化展示[4-6]。數字鄉(xiāng)村實踐主要在鄉(xiāng)村網絡基礎設施建設、信息進村入戶工程推進、農業(yè)物聯(lián)網技術應用、農村電商發(fā)展、農業(yè)農村大數據建設等方面取得進展[7]。當前，全國農村“放管服”電子審批初見成效，“互聯(lián)網+基層黨建”、平安鄉(xiāng)村數字化平臺、“網格化+云平臺”“騰訊為村”“數字龍江”等智慧鄉(xiāng)村治理模式應用形成試點，加快推進了鄉(xiāng)村治理體系現代化建設。但數字鄉(xiāng)村建設過程中，涵蓋村鎮(zhèn)各環(huán)節(jié)業(yè)務的數字化平臺建設缺少相關技術體系、標準規(guī)范體系、共性支撐體系借鑒，基層政府數字化建設缺少方案支撐。該研究圍繞鄉(xiāng)村振興的實施目標，提出了國家、?。ㄊ小^(qū)）、地市、縣（市、區(qū)）、鄉(xiāng)鎮(zhèn)全覆蓋的鄉(xiāng)村振興大數據管理體系，建立了數字鄉(xiāng)村大數據平臺設計方案，闡述了平臺實現相關的核心關鍵技術，為我國數字鄉(xiāng)村建設提供支撐。

1 平臺體系框架設計

1.1 總體架構設計

平臺通過對鄉(xiāng)村基礎設施、自然環(huán)境、社會經濟、生產技術、商貿物流、社會保障、基層治理等數據的實時、動態(tài)、全面的感知傳輸與智能處理分析，使得產業(yè)發(fā)展、治理決策、居民服務、設施配置、資源摸底更加科學精準。從圖1可以看出，大數據貫穿鄉(xiāng)村振興“產業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風文明、治理有效、生活富裕”5個方面，平臺包括基礎設施系統(tǒng)、數據資源體系、應用支撐體系、應用服務體系、保障體系和大數據試點等內容。

1.1.1 基礎設施系統(tǒng) 構建涵蓋全面物聯(lián)網感知、基礎網絡和計算存儲資源數據計算云的集約化數字村鎮(zhèn)基礎設施支撐體系，為新型數字鄉(xiāng)村建設統(tǒng)一提供計算、存儲、網絡、物聯(lián)感知等資源服務。

1.1.2 數據資源體系 建設數字鄉(xiāng)村數據庫系統(tǒng)，包括數字鄉(xiāng)村數據資源體系、數據共享開放服務和共性支撐功能服務，匯聚村鎮(zhèn)部門數據、基礎數據、專題數據，涵蓋數據接入、數據管理、數據匯聚、大數據指標、數據定制服務等，打造數字鄉(xiāng)村大數據服務的大腦和中樞，構建信息開放集成環(huán)境，支撐應用系統(tǒng)集成和跨部門跨領域信息共享和業(yè)務協(xié)調。

1.1.3 應用支撐體系 通過大數據分析模型、平臺用戶主體畫像、智能推薦、視頻圖像AI、知識圖譜、智能問答、智能檢索、大數據產品等為數字鄉(xiāng)村賦能;建立基層治理體系、公共服務體系、監(jiān)測預警模型和決策分析指標體系，形成業(yè)務模型庫;時空數據一張圖，融合多來源村鎮(zhèn)數據，實現圖屬一體化查詢、統(tǒng)一的地圖服務和空間拓撲分析;統(tǒng)一認證體系，屏蔽各系統(tǒng)域，實現統(tǒng)一認證、統(tǒng)一授權、統(tǒng)一審計，實現單點登錄;并支持與其他業(yè)務系統(tǒng)的接口接入，提供數據和系統(tǒng)接入服務。

1.1.4 應用服務體系 圍繞數字鄉(xiāng)村試點業(yè)務管理部門、新型經營主體、村委會等用戶開展業(yè)務需求分析，確定業(yè)務管理和服務流程，進行本地化定制開發(fā)，不斷完善和豐富平臺業(yè)務內容。

（1）產業(yè)興旺。包括農技推廣、無人化生產作業(yè)、云直播產業(yè)服務、生態(tài)旅游展示推薦、一鎮(zhèn)一業(yè)、一村一品、農業(yè)社會化服務。

（2）生態(tài)宜居。包括環(huán)境空氣、飲用水源監(jiān)測、生態(tài)能源監(jiān)測、綠地智能管控、廢棄物回收管理、生態(tài)環(huán)境全景VR。

（3）鄉(xiāng)風文明。包括規(guī)劃建設、移風易俗、村落全景、田園綜合體、特色小鎮(zhèn)、鄉(xiāng)土文化保護。

（4）治理有效。包括人居環(huán)境治理、黨建引領、村民自治、“三務”公開、福利保障、平安鄉(xiāng)村、資源底牌。

（5）生活富裕。包括就業(yè)醫(yī)療衛(wèi)生、便民服務、農產品進城、生活品下鄉(xiāng)、村經濟管理、教育培訓。

1.1.5 試點建設 支撐全國“互聯(lián)網+大數據”數字鄉(xiāng)村試點的建設，提供資源精細化管理、產業(yè)帶動增收、生態(tài)宜居、人居環(huán)境治理等典型解決方案。

（1）受益對象?？h（市、區(qū)）管理部門、鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）管理人員、村（社區(qū)）基層人員、村民、經營主體等。

（2）服務通道。通過管理后臺實現數據臺賬的管理，通過網站進行信息的發(fā)布，另外就是手機小程序、問答機器人、村鎮(zhèn)服務e站、移動采集APP等。

1.1.6 平臺保障體系。強化四大保障，保障平臺長效運維

（1）標準規(guī)范體系。建立滿足新型村鎮(zhèn)信息化建設需求的標準規(guī)范體系。實現數據、業(yè)務、技術、安全規(guī)范體系支撐。

（2）運營推廣體系。實現團隊、章程、資源、方案的規(guī)范管理，部門遵循集約建設、共建共享、互聯(lián)互通原則，按照統(tǒng)一規(guī)劃、技術標準推廣。

（3）政策制度體系。以縣（市、區(qū)）、鄉(xiāng)鎮(zhèn)鄉(xiāng)村建設法規(guī)、政策、制度為依托，形成數字化管理支撐制度體系。

（4）組織保障體系。為平臺運行提供人才、機構、資金支撐。

1.2 數據中臺架構設計

鄉(xiāng)村大數據是指在鄉(xiāng)村生產生活管理和服務過程中產生的具有潛在價值的、動態(tài)海量、多類型的數據，其來源廣、內容豐富、結構復雜，涉及基礎設施、自然環(huán)境、社會經濟、生產技術、商貿物流、社會保障、基層治理各個方面，數據來源以鄉(xiāng)鎮(zhèn)部門和村委會數據為主，以歷年統(tǒng)計數據為底，另外還涵蓋物聯(lián)網實時數據，以及業(yè)務系統(tǒng)集成、互聯(lián)網挖掘、第三方共享等。

在數字鄉(xiāng)村建設過程中，通過建設數據中臺（圖2），打造鄉(xiāng)村大數據生態(tài)環(huán)境，推動大數據在數字鄉(xiāng)村建設中的應用。通過數據中臺提供的大數據技術工程能力，快速將鄉(xiāng)村各個領域的分散數據進行匯聚整合，通過數據中臺提供的全域數據管理能力，集成應用終端為鄉(xiāng)村振興提供精準治理、惠及全民個性化智慧服務。

2 平臺關鍵技術與實現路徑

2.1 數據的感知

數字鄉(xiāng)村的治理與服務離不開對態(tài)勢數據的感知利用。通過物聯(lián)網技術實現鄉(xiāng)村生態(tài)環(huán)境、村莊安全、全產業(yè)鏈追溯、人居環(huán)境治理等場景感知和互聯(lián)，通過實時數據感知分析提升決策效率及精度。

（1）數字鄉(xiāng)村建設中物聯(lián)網設備通常包括天線基站、路燈照明控制、視頻監(jiān)控管理、廣告屏播控、社區(qū)、農田、景區(qū)環(huán)境實時監(jiān)測、入戶小喇叭廣播、一鍵緊急呼叫、水質、水位監(jiān)測、井蓋監(jiān)測、農業(yè)設施監(jiān)控、冷鏈倉儲物流監(jiān)控等，通過物聯(lián)感知手段提升公共安全、鄉(xiāng)村管理、道路交通、生態(tài)環(huán)境、農業(yè)生產作業(yè)等智能感知水平（圖3）。

（2）建立數字鄉(xiāng)村時空基礎設施，實現以鄉(xiāng)村為單元的遙感遙測、移動定位、激光雷達等各類地理空間數據和時空大數據的統(tǒng)一標準、統(tǒng)一匯聚和統(tǒng)一服務，構建鄉(xiāng)村空間形態(tài)典型模式提取及應用服務[8-9]。

（3）建立開放式數字鄉(xiāng)村感知處理系統(tǒng)，通過系統(tǒng)建設標準、設備接入標準、數據共享規(guī)范、服務標準、業(yè)務標準，實現感知設備的規(guī)范化接入和數據匯聚，支持新型智能終端接入應用，結合互聯(lián)網數據，支撐數字鄉(xiāng)村全量信息視圖的構建（圖4）。

2.2 數據的集成

數字鄉(xiāng)村建設涉及的數據類型包括實時消息類數據、結構化報表和屬性類數據、非結構化文本圖片、視頻語音流式數據等， 采用Spring Batch的系統(tǒng)構架+彈性可擴展分布式內存數據管理平臺VMware vFabric Gemfire+開源的Services框架Apache CXF進行多源異構數據集成整合[10]，主要包括3個階段。

2.2.1 數據批量讀取 批量高速讀取鄉(xiāng)村業(yè)務流程上的所有數據，包括人口、經濟、產業(yè)、企業(yè)統(tǒng)計數據，一站式居民服務、基層治理業(yè)務管理事務數據，物聯(lián)網實時監(jiān)測、農產品市場交易流式數據，存入中間高速緩存中。

2.2.2 數據整合與映射 利用映射處理器將文件數據映射成對象數據，根據數據類型適配不同的數據處理器，將高速緩存中的服務信息、治理流程、實時監(jiān)測、農產品交易等不同類型數據一一映射到不同數據處理器，調用對應的服務進行數據處理并存入相關數據庫表，與業(yè)務數據建立關聯(lián)關系。

2.2.3 數據計算與存儲 根據“產業(yè)興旺、生態(tài)宜居、鄉(xiāng)風文明、治理有效、生活富?！鄙蠈訕I(yè)務應用需要，建立DAO服務接口，支持Gemfire、jdbc、hibernate、jms的訪問和數據存儲，實現過程數據的服務發(fā)布。

2.3 數據的分析

圍繞數字鄉(xiāng)村大數據分析需求，利用統(tǒng)計分析、決策樹、神經網絡、模糊數學、圖像識別、知識學習、時空關聯(lián)分析等數據挖掘、預測模型、可視化分析方法，面向鄉(xiāng)村管理部門、經營組織等用戶，提供統(tǒng)一調度、高度集成的發(fā)展監(jiān)測、預警處置、決策分析大數據分析服務，為鄉(xiāng)村現狀和發(fā)展趨勢提供持續(xù)的跟蹤、監(jiān)測、評估和分析輔助決策支撐，村集體資產監(jiān)測分析實例見圖5。

2.4 數據的服務

2.4.1 農民服務數據圖譜

分析鄉(xiāng)村振興大數據用戶服務需求，前面提到平臺受益用戶包括縣（市、區(qū)）管理部門、鄉(xiāng)鎮(zhèn)（街道）管理人員、村（社區(qū)）基層人員、村民、經營主體等，在數據感知、管理、分析基礎之上，需要根據用戶的需求提供個性化精準信息服務。從數據全生命周期服務用戶角度出發(fā)，本研究構建了基于知識圖譜的不同用戶的數據服務模型（圖6）。

選擇具有典型代表性的居民生活、生產、保障、安全等服務相關概念及其特征詞建立本體邏輯描述模型，抽取資源中的類/實體、屬性-值、關系、實例，形成圖譜庫。本研究針對不同的知識源類型采用不同的抽取方法。對于無結構的純文本知識，采用弱監(jiān)督機器學習的增量迭代抽取方式。網頁中表格等半結構化知識，使用基于封裝器（wrapper）的抽取方法。數據庫屬于結構化知識，通過D2R（relational database to RDF）映射方法轉化為圖譜中的鏈接數據。

本研究建立了村民用戶從出生到終老可獲得的數據服務圖譜，并給出了參與土地流轉管理的圖譜片段。在土地流轉過程中，首先涉及農民個人基本信息，尤其是戶籍信息影響土地的確權分配;其次戶主進行承包地確權登記，并獲得確權證，包括土地編碼、面積、地理位置等確權信息[11];如果土地流轉了，還涉及到流轉類型、對象、合同內容和收益等?；谵r民服務數據圖譜，可以為農民提供各個階段的精準信息服務。

2.4.2 鎮(zhèn)村基層治理網格數據圖譜

借鑒農村社區(qū)網格化管理模式，整合村鎮(zhèn)黨建、民政、衛(wèi)生、計生、農經、綜治、司法、教育、土地等各個部門事務大數據，以鄉(xiāng)村社區(qū)或村民小組為網格管理單元，以網格內各種要素對象為管理內容，以網格員（保潔員、農技員、管水員、護林員、統(tǒng)計員、治安巡防隊員等）為感知觸角，采集具有時空屬性的公共事務治理數據，進行快速分析和反饋處理（圖7），服務器采用GIS空間化處理，實時對縣域、鎮(zhèn)域網格內人口、經濟收入、環(huán)境氣象、突發(fā)事件、自然災害等具有時空尺度和多維屬性特征信息的數據進行自動提取;另外，對行政區(qū)域信息、公共服務設施、地質災害隱患點、宅基地、產業(yè)分布、安全監(jiān)控點等基礎地理信息和屬性數據按照空間數據模型進行高效的索引處理、空間關系和屬性關系關聯(lián)計算，實現可視化化管理、科學配置決策和應急處置。

2.4.3 鄉(xiāng)村產業(yè)數據圖譜

智慧生產、精準營銷是農民增收的有效手段，農業(yè)產業(yè)發(fā)展、農村合作經濟數據是區(qū)域經濟發(fā)展宏觀決策的基礎，通過農產品生產經營、農業(yè)產業(yè)發(fā)展大數據建模分析發(fā)現潛在的數據規(guī)律，提供統(tǒng)一調度、高度集成的大數據模擬預測服務，指導鄉(xiāng)村產業(yè)興旺發(fā)展。從生產經營者角度，建立模型模擬農產品生產規(guī)劃、質量安全、氣象條件、長勢、上市期及產量等影響因素之間的潛在關系，指導科學生產，實現高效增產。從區(qū)域管理角度，集成農產品生產、市場銷售、消費需求與產量、進出口貿易等數據進行建模分析，發(fā)現農產品市場運營規(guī)律，可感知市場異常波動、及時預警突發(fā)事件、提前防范農業(yè)風險等。

農村產業(yè)數據圖譜主要涵蓋農業(yè)生產、農產品市場、產業(yè)發(fā)展、農村合作經濟4個子圖譜。其中農業(yè)生產圖譜依托農業(yè)學科和專業(yè)詞匯庫，融入氣象、環(huán)境、土壤等物聯(lián)網實時數據，將品種、栽培、植保、水肥、采收等環(huán)節(jié)數據進行關聯(lián)，形成標準化生產技術指導方案。如作物病害知識圖譜，并將病害實體與相關的圖像、視頻數據智能關聯(lián)，讓農民了解病害的發(fā)生原因及規(guī)律、不同時期不同發(fā)生部位的病狀特征、標準化防控方法、所需藥物和對應劑量等知識內容。

農產品市場圖譜關聯(lián)農產品品牌、規(guī)模、價格、進出口、生產資料、成本等數據，為區(qū)域農產品市場預警、行情和成本分析等提供支撐（表1）。

3 鄉(xiāng)村振興大數據平臺定制應用

基于“平臺上移、服務下延”的思想，基于支持低成本、易擴展、可復制的支撐平臺總體框架、標準規(guī)范體系和云平臺部署運行框架，以移動智能應用為主，以用戶交互優(yōu)化和實用性為前提，基于微服務理念的“大中臺、小前臺”平臺架構的鄉(xiāng)村振興大數據平臺，通過可視化數據定制、功能定制工具，承載多個示范點鄉(xiāng)村振興個性化大數據服務系統(tǒng)。

3.1 平臺應用實例分析

3.1.1 數據指標建立

首先圍繞平谷大華山鎮(zhèn)鄉(xiāng)村振興大數據服務核心需求，建立了涵蓋基礎設施、農村資源、人口經濟、產業(yè)發(fā)展、教育醫(yī)療、社會保障、公共服務等一級指標的大華山鎮(zhèn)鄉(xiāng)村振興數據指標體系，為數據采集管理及分析提供基礎支撐。

依據數據分析支撐要求，按照數據的采集方式與影響程度，可將其分為動態(tài)指標、靜態(tài)指標和關聯(lián)指標3類。

（1）動態(tài)指標。在鄉(xiāng)村產業(yè)發(fā)展分析中指標值隨時間變化而發(fā)生變化，如人口、勞動力、農資供應、農機動力，大桃種植面積、品種、樹齡、株數、產量、銷售價格等，這些指標數據的變化可以直接指示生產效益的變化。

（2）靜態(tài)指標。在鄉(xiāng)村公共服務設施配置分析中指標本身不會輕易隨時間變化而發(fā)生變化，如醫(yī)院學校配置、健身廣場、機井配置、大桃交易市場等，這些指標值涵蓋了鄉(xiāng)村公共服務狀態(tài)的主要影響因素。

（3）關聯(lián)指標。需要進行二次解譯或計算，轉換成能夠直接用于分析的數據，如生產環(huán)境、氣象條件、土壤墑情、病蟲害發(fā)生、化肥使用、疏花疏果等對產量的影響。

3.1.2 數據采集分析

采用在線交互式的鄉(xiāng)村社區(qū)網格單元劃分與扁平式村、組、戶編碼方法，實現以網格為單元的突發(fā)事件、環(huán)境問題、生產需求、市場銷售等多源信息的采集、展示和快速分析，通過網格管理服務流程設置與流程優(yōu)化，使得村鎮(zhèn)社區(qū)公共服務更加高效便捷。以桃產業(yè)數據采集為例，網格員采集小程序和桃產業(yè)數據（圖8），通過桃產業(yè)地圖可獲得上市期品種分布、產量預測，為桃產品鎮(zhèn)村統(tǒng)一銷售提供數據支撐。

4 結論

本研究分析了數字鄉(xiāng)村建設現狀，結合我國鄉(xiāng)村振興數字化技術發(fā)展趨勢和當前的任務要求，分析鄉(xiāng)村振興大數據平臺的業(yè)務架構，并給出了大數據感知、處理和分析的技術框架，同時結合未來業(yè)務場景分析了核心業(yè)務技術實現路徑，支持多用戶定制、數據多維分析和多業(yè)態(tài)服務擴展，該平臺已成功應用于多個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，為鄉(xiāng)村產業(yè)經濟發(fā)展、農民生活品質和基層治理能力提升提供一種開放、高效的信息化解決方案，為依托新技術賦能鄉(xiāng)村振興大數據平臺試點應用和個性化定制服務提供支撐。

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