陳林蔚

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)人工智能學(xué)院,江蘇 南京 210031)

智慧農(nóng)業(yè)在實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)高效、可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用[1],是應(yīng)對(duì)未來(lái)全球農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展挑戰(zhàn)的必然選擇。但隨著智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展,數(shù)據(jù)安全、網(wǎng)絡(luò)安全、責(zé)權(quán)歸屬等一系列問(wèn)題也相伴而生。這些問(wèn)題為智慧農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一項(xiàng)新興的數(shù)據(jù)信息處理技術(shù),區(qū)塊鏈的核心特性包括去中心化、分布式存儲(chǔ)和安全性,這些特性為智慧農(nóng)業(yè)解決了現(xiàn)有技術(shù)所面臨的一系列問(wèn)題,特別是在數(shù)據(jù)安全和追溯方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。區(qū)塊鏈的去中心化使得智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)不依賴于單一的中心機(jī)構(gòu)或服務(wù)器,而是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)絡(luò)共同維護(hù)和驗(yàn)證數(shù)據(jù)的完整性。這種分布式的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式使得數(shù)據(jù)更加安全可靠,不易受到單點(diǎn)故障或惡意攻擊的影響。當(dāng)單個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或被攻擊時(shí),其他節(jié)點(diǎn)仍然能夠繼續(xù)運(yùn)行,確保了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。分布式存儲(chǔ)意味著數(shù)據(jù)被分散存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上,而不是集中存儲(chǔ)在單一的數(shù)據(jù)庫(kù)中。這種分布式存儲(chǔ)方式不僅提高了數(shù)據(jù)的容錯(cuò)性和可用性,還減少了數(shù)據(jù)被篡改或損壞的風(fēng)險(xiǎn)。每個(gè)數(shù)據(jù)塊都包含了前一個(gè)數(shù)據(jù)塊的哈希值,形成了一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu),任何數(shù)據(jù)的篡改都會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)檢測(cè)到。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有強(qiáng)大的安全性。數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈中以加密的形式存儲(chǔ),并通過(guò)密碼學(xué)算法進(jìn)行驗(yàn)證和授權(quán)。所有參與節(jié)點(diǎn)必須達(dá)成共識(shí)才能添加新的數(shù)據(jù)塊,對(duì)于智慧農(nóng)業(yè)而言,這意味著農(nóng)作物種植、農(nóng)藥使用、環(huán)境監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)可以被可靠記錄和驗(yàn)證,確保了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全。區(qū)塊鏈技術(shù)還可以解決智慧農(nóng)業(yè)中的責(zé)權(quán)歸屬問(wèn)題。由于智慧農(nóng)業(yè)涉及多個(gè)參與方,包括農(nóng)民、企業(yè)、供應(yīng)鏈伙伴等,責(zé)權(quán)歸屬往往難以明確。區(qū)塊鏈通過(guò)智能合約等機(jī)制,可以確保參與方之間的權(quán)益和義務(wù)得到明確和執(zhí)行,提供了一種可信的合作框架。這有助于促進(jìn)各參與方之間的合作和協(xié)調(diào),推動(dòng)智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展和可持續(xù)性。

區(qū)塊鏈技術(shù)通過(guò)去中心化、分布式存儲(chǔ)和安全性等特性,有效解決了智慧農(nóng)業(yè)中的數(shù)據(jù)安全和追溯等問(wèn)題。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和創(chuàng)新,相信它將為智慧農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供更多支持,并在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域發(fā)揮重要的作用。

1 智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 智慧農(nóng)業(yè)的概念

智慧農(nóng)業(yè)指的是運(yùn)用先進(jìn)的信息技術(shù)[2]、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、無(wú)人機(jī)技術(shù)等現(xiàn)代技術(shù)手段,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、管理、決策等環(huán)節(jié)進(jìn)行全面、系統(tǒng)的信息化、智能化改造,以提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與安全等為目標(biāo),使農(nóng)業(yè)生產(chǎn)更加智能化、精準(zhǔn)化、集約化[3]、可持續(xù)化,從而實(shí)現(xiàn)高效、綠色、可持續(xù)的農(nóng)業(yè)發(fā)展。相較于傳統(tǒng)農(nóng)業(yè),智慧農(nóng)業(yè)的特點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)數(shù)字化管理:智慧農(nóng)業(yè)利用物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)采集大量農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù),通過(guò)云計(jì)算、區(qū)塊鏈以及大數(shù)據(jù)分析對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)、管理和預(yù)測(cè)。實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可視化、可控化和智能化。

(2)智能化設(shè)備:智慧農(nóng)業(yè)采用先進(jìn)的設(shè)備和傳感器,可以對(duì)農(nóng)作物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制,對(duì)農(nóng)田土壤、水質(zhì)、氣象等環(huán)境因素進(jìn)行高精度監(jiān)測(cè),這些設(shè)備不僅可以自動(dòng)執(zhí)行任務(wù),還可以對(duì)作物生長(zhǎng)過(guò)程進(jìn)行快速響應(yīng)和精細(xì)化管理[4],避免了傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中存在的大量浪費(fèi)和環(huán)境污染問(wèn)題。

(3)生產(chǎn)環(huán)節(jié)優(yōu)化:智慧農(nóng)業(yè)可以對(duì)生產(chǎn)的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整,如對(duì)種植、養(yǎng)殖、管理等環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化和升級(jí),提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率和質(zhì)量,降低生產(chǎn)成本。

總的來(lái)說(shuō),智慧農(nóng)業(yè)更加注重?cái)?shù)據(jù)化、精準(zhǔn)化和智能化管理,通過(guò)技術(shù)手段實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的全過(guò)程監(jiān)測(cè)和調(diào)控,達(dá)到了提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率、農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的目的。同時(shí),智慧農(nóng)業(yè)也對(duì)農(nóng)村的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和生態(tài)環(huán)境帶來(lái)積極影響,有利于推動(dòng)農(nóng)村現(xiàn)代化進(jìn)程,促進(jìn)農(nóng)村經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和農(nóng)民增收。

1.2 智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展困境

智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展離不開數(shù)據(jù)的支撐,在智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)中,包括了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、氣象、市場(chǎng)、運(yùn)輸?shù)榷喾N數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)要經(jīng)過(guò)收集、處理、存儲(chǔ)和使用,如果這些數(shù)據(jù)泄露或被攻擊,可能會(huì)造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)問(wèn)題。而中國(guó)農(nóng)村信息化建設(shè)成熟度不高,沒有健全的農(nóng)業(yè)信息數(shù)據(jù)共享平臺(tái)[5],農(nóng)業(yè)生產(chǎn)主體對(duì)信息安全重視不夠,部分智慧農(nóng)業(yè)企業(yè)未能對(duì)全產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行完整的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[6]。

1.2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源和收集階段 智慧農(nóng)業(yè)需要依靠各種傳感器、探測(cè)器、監(jiān)控設(shè)備等進(jìn)行數(shù)據(jù)收集。這些設(shè)備往往需要聯(lián)網(wǎng),這就帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題。一旦設(shè)備被黑客攻擊,就可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)泄露或被篡改。由于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的復(fù)雜性,數(shù)據(jù)的收集往往面臨著多樣性和分散性的問(wèn)題。各種傳感器和設(shè)備的數(shù)據(jù)格式和標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一,導(dǎo)致不同的企業(yè)和組織在食品追溯的標(biāo)準(zhǔn)和流程上存在差異,不利于數(shù)據(jù)交換和共享。

此外,在食品生產(chǎn)和加工過(guò)程中,會(huì)涉及到多個(gè)環(huán)節(jié),包括播種、施肥、灌溉、采摘、加工等,每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù),這些數(shù)據(jù)來(lái)源的真實(shí)性和準(zhǔn)確性也是食品追溯的基礎(chǔ)。

1.2.2 數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)階段 智慧農(nóng)業(yè)需要進(jìn)行大量的數(shù)據(jù)處理和分析,這些數(shù)據(jù)具有來(lái)源復(fù)雜、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、數(shù)據(jù)周期長(zhǎng)等特點(diǎn),在數(shù)據(jù)處理和分析過(guò)程中,往往需要使用到各種算法和模型,這就帶來(lái)了數(shù)據(jù)隱私和安全的問(wèn)題。另外,智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)量往往非常大,不同環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理也是一個(gè)重要的問(wèn)題。由于傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理技術(shù)往往面臨著數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)損壞等問(wèn)題,并且基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的中心化管理成本難以估量[7],因此需要采用更加安全和可靠的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和管理技術(shù),以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯性。

1.2.3 數(shù)據(jù)使用和共享階段 智慧農(nóng)業(yè)往往涉及多個(gè)參與方,包括政府、農(nóng)民、消費(fèi)者和銷售商等。這些參與方之間的數(shù)據(jù)共享和交互會(huì)涉及到數(shù)據(jù)隱私和安全的問(wèn)題[8]。智慧農(nóng)業(yè)的數(shù)據(jù)往往需要在不同的應(yīng)用場(chǎng)景中進(jìn)行使用和共享,這些數(shù)據(jù)包括了生產(chǎn)過(guò)程中的敏感信息,如生產(chǎn)成本、品種選擇、肥料用量等,如果數(shù)據(jù)被非法使用或泄露,將給農(nóng)民和企業(yè)帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響。

此外,由于數(shù)據(jù)來(lái)源分散、數(shù)據(jù)量大、數(shù)據(jù)傳遞方式不規(guī)范等問(wèn)題,數(shù)據(jù)傳遞和管理變得非常困難,由于缺乏有效的數(shù)據(jù)流通和信息交互,產(chǎn)生信息孤島問(wèn)題,影響智慧農(nóng)業(yè)的整體效益和質(zhì)量。如何在保證數(shù)據(jù)共享的前提下,保護(hù)用戶的隱私和數(shù)據(jù)安全,是智慧農(nóng)業(yè)面臨的重要挑戰(zhàn)。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景

在智慧農(nóng)業(yè)中,農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)會(huì)涉及到大量的數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲(chǔ)和處理,因此數(shù)據(jù)的安全和溯源問(wèn)題也越來(lái)越受到人們的關(guān)注。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)管理方式往往采用集中式存儲(chǔ)和管理,這種方式存在單點(diǎn)故障、數(shù)據(jù)篡改和信息泄露等風(fēng)險(xiǎn),容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)不可信。而區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、分布式存儲(chǔ)和安全性,能夠有效解決智慧農(nóng)業(yè)中的數(shù)據(jù)安全和溯源問(wèn)題?！皡^(qū)塊鏈+農(nóng)業(yè)”已經(jīng)成為智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì),區(qū)塊鏈技術(shù)在促進(jìn)智慧農(nóng)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展方面發(fā)揮了重要作用。

2.1 區(qū)塊鏈核心技術(shù)

2.1.1 聯(lián)盟鏈技術(shù) 區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈三大類[9](表1)。公有鏈?zhǔn)且环N完全去中心化的區(qū)塊鏈,是全球范圍內(nèi)所有人都能訪問(wèn)的。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目數(shù)據(jù)的讀取、寫入、驗(yàn)證和共識(shí)等行為,實(shí)現(xiàn)了對(duì)數(shù)據(jù)的有效獲取并存儲(chǔ)。私有鏈?zhǔn)且环N集中式的區(qū)塊鏈,可有選擇地向社會(huì)公開,主要應(yīng)用于企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)管理。因私有鏈的權(quán)限是有限的,所以適用于一些具體的機(jī)構(gòu)或者小型的公司,并且是以一群實(shí)體為目標(biāo)。

表1 區(qū)塊鏈分類及其特點(diǎn)

聯(lián)盟鏈?zhǔn)欠植际絽^(qū)塊鏈,它的數(shù)據(jù)能供聯(lián)盟中所有成員進(jìn)行讀取和傳輸。在這個(gè)區(qū)塊鏈中,所有成員都能決定自己是否加入某個(gè)聯(lián)盟,并將自己的決策提交給其他成員進(jìn)行討論和協(xié)商。通過(guò)共識(shí)協(xié)議使若干組織結(jié)合在一起以實(shí)現(xiàn)共同目標(biāo)而建立聯(lián)盟系統(tǒng)。相對(duì)于公有鏈節(jié)點(diǎn)過(guò)多而造成的效率低下、性能偏低的問(wèn)題,聯(lián)盟鏈具有較少節(jié)點(diǎn),可以快速實(shí)現(xiàn)信息同步,提高業(yè)務(wù)性能[10]。

2.1.2 數(shù)字簽名 數(shù)字簽名是一種基于非對(duì)稱加密的技術(shù),用于驗(yàn)證信息的發(fā)送者和信息的完整性。發(fā)送者使用自己的私鑰對(duì)信息進(jìn)行加密,生成一個(gè)數(shù)字簽名。得到權(quán)限的使用者可以通過(guò)公鑰查看信息并與數(shù)字簽名進(jìn)行比對(duì)。如果解密結(jié)果與數(shù)字簽名匹配,那么可以確定該信息的發(fā)送者是真實(shí)可信的,且信息在傳輸過(guò)程中未被篡改。

2.1.3 時(shí)間戳 時(shí)間戳技術(shù)的重要性在于,它防止了對(duì)區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的篡改。由于區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)不可變的分布式賬本,任何對(duì)已存在的區(qū)塊進(jìn)行篡改的嘗試都會(huì)破壞區(qū)塊鏈的完整性[11]。因?yàn)槿魏螌?duì)已存在的區(qū)塊進(jìn)行篡改都會(huì)改變區(qū)塊的哈希值,進(jìn)而影響到后續(xù)區(qū)塊的鏈接。通過(guò)時(shí)間戳技術(shù),每個(gè)區(qū)塊的時(shí)間戳都會(huì)被固定在區(qū)塊鏈中,保證了數(shù)據(jù)的時(shí)間順序和不可篡改性。

2.1.4 智能合約 智能合約是一種可編程的自動(dòng)執(zhí)行的合約,可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的數(shù)據(jù)管理和控制。在智慧農(nóng)業(yè)中,智能合約可以用來(lái)自動(dòng)記錄和驗(yàn)證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù),從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可追溯性和透明性。例如,可以使用智能合約記錄每一次農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的過(guò)程,包括播種、施肥、灌溉等信息,并將這些信息存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上。在農(nóng)產(chǎn)品銷售時(shí),消費(fèi)者可以通過(guò)掃描產(chǎn)品上的二維碼來(lái)查詢這些信息,保證產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。

2.2 區(qū)塊鏈應(yīng)用場(chǎng)景

2.2.1 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù) 農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)涉及農(nóng)田、養(yǎng)殖場(chǎng)等敏感信息,但是數(shù)據(jù)孤島和信息壁壘的問(wèn)題,限制了數(shù)據(jù)的流動(dòng)和利用,數(shù)據(jù)的安全性和隱私性也需要一定的保障,區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改性和分布式記賬可以確保數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)、傳輸和共享,數(shù)據(jù)擁有者可以通過(guò)智能合約授權(quán)其他用戶訪問(wèn)其數(shù)據(jù),從而促進(jìn)跨部門、跨組織的數(shù)據(jù)合作和共享。此外通過(guò)分析和挖掘農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù),并將各個(gè)環(huán)節(jié)和結(jié)果記錄在區(qū)塊鏈上,消費(fèi)者可以實(shí)現(xiàn)對(duì)產(chǎn)品來(lái)源、種植、養(yǎng)殖信息的追溯,農(nóng)業(yè)相關(guān)的決策者可以基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的洞察來(lái)制定更加精準(zhǔn)和可持續(xù)的農(nóng)業(yè)策略。

2.2.2 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng) 通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù),農(nóng)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)作物、畜禽、農(nóng)業(yè)機(jī)械等的全面監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)自動(dòng)采集。但物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量龐大且分散,涉及到各類傳感器、監(jiān)測(cè)設(shè)備等,區(qū)塊鏈技術(shù)能夠有效管理大量設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù),減少了單一故障點(diǎn)的風(fēng)險(xiǎn)[12]。此外,采集的數(shù)據(jù)分散在各個(gè)設(shè)備中,造成數(shù)據(jù)管理和整合困難,數(shù)據(jù)安全性也面臨重要挑戰(zhàn),將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和共享,任何數(shù)據(jù)的篡改都會(huì)被其他節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn),此外,通過(guò)智能合約技術(shù),可以與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)化的交互和執(zhí)行,實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的自動(dòng)協(xié)作,減少中間環(huán)節(jié)和人為干預(yù),提高效率和可靠性。

2.2.3 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)金融 區(qū)塊鏈記錄著農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和交易歷史,農(nóng)民可以建立可靠的信用記錄,為金融機(jī)構(gòu)提供欲貸款者更全面的信息。農(nóng)民在申請(qǐng)貸款時(shí),銀行、征信公司等機(jī)構(gòu)不用提供證明,可以在區(qū)塊鏈上直接提取信息,從而提高農(nóng)民的信用評(píng)級(jí)和融資機(jī)會(huì)[13],為他們提供更加個(gè)性化和靈活的金融產(chǎn)品和服務(wù)。此外區(qū)塊鏈技術(shù)還可以提供去中心化的金融交易和結(jié)算系統(tǒng),減少金融中介環(huán)節(jié),使得農(nóng)民能夠更便捷地進(jìn)行融資、貸款和支付操作。

2.2.4 區(qū)塊鏈與農(nóng)業(yè)保險(xiǎn) 區(qū)塊鏈技術(shù)可以提供透明和可靠的數(shù)據(jù)和驗(yàn)證。通過(guò)將農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)和保險(xiǎn)合同等相關(guān)數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上,保險(xiǎn)公司和農(nóng)民可以共享和訪問(wèn)數(shù)據(jù),減少欺詐和糾紛的可能性。智能合約的自動(dòng)執(zhí)行機(jī)制可以根據(jù)預(yù)設(shè)條件自動(dòng)觸發(fā)理賠流程,減少人為干預(yù)和減輕農(nóng)民的負(fù)擔(dān)。區(qū)塊鏈記錄的數(shù)據(jù)可以提供準(zhǔn)確的信息,幫助保險(xiǎn)公司快速、準(zhǔn)確地評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)、處理理賠[14]、定價(jià)和設(shè)計(jì)保險(xiǎn)產(chǎn)品,有助于提高保險(xiǎn)的可負(fù)擔(dān)性和適應(yīng)性,為農(nóng)民提供個(gè)性化的保險(xiǎn)。

2.2.5 區(qū)塊鏈與農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域形成有效的追溯體系,能夠確保農(nóng)產(chǎn)品全過(guò)程的透明度,通過(guò)將農(nóng)產(chǎn)品的種植、養(yǎng)殖、加工和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈上,消費(fèi)者可以追溯產(chǎn)品的全過(guò)程,了解產(chǎn)品的來(lái)源、生產(chǎn)條件、使用的農(nóng)藥或飼料等詳細(xì)信息,監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以實(shí)時(shí)獲取農(nóng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)和信息,加強(qiáng)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管和追蹤能力[14]。通過(guò)區(qū)塊鏈記錄的數(shù)據(jù)和智能合約的機(jī)制,農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸?shù)拳h(huán)節(jié)可以得到準(zhǔn)確的驗(yàn)證和認(rèn)證,確保了產(chǎn)品的質(zhì)量安全。

2.2.6 區(qū)塊鏈與供應(yīng)鏈 隨著農(nóng)業(yè)的發(fā)展,供應(yīng)鏈變得越來(lái)越復(fù)雜,涉及上百個(gè)流程和多個(gè)參與主體。這種復(fù)雜性導(dǎo)致了一系列問(wèn)題,包括信息無(wú)法集中保存、各參與主體之間缺乏信任以及信息共享困難[15]。這些問(wèn)題對(duì)于供應(yīng)鏈的可追溯性、透明性和可信度構(gòu)成了挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈中,信息的記錄和傳遞往往依賴于中心化的管理機(jī)構(gòu)或第三方中介,這會(huì)導(dǎo)致信息不對(duì)稱和不透明。例如,農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸和銷售環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可能分散在多個(gè)組織和系統(tǒng)中,無(wú)法實(shí)現(xiàn)全面的信息共享和整合。這使得追溯農(nóng)產(chǎn)品的來(lái)源、生產(chǎn)條件、質(zhì)量和安全等信息變得困難,消費(fèi)者和監(jiān)管部門難以獲取準(zhǔn)確的數(shù)據(jù),增加了食品安全和質(zhì)量管理的難度。此外,由于供應(yīng)鏈中的參與方眾多,相互之間缺乏信任,且各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)可能受到人為操控,無(wú)法保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可信度,存在信息篡改和欺詐的風(fēng)險(xiǎn)。這種問(wèn)題限制了供應(yīng)鏈的高效運(yùn)作。

區(qū)塊鏈技術(shù)提供了解決這些問(wèn)題的機(jī)制。通過(guò)將供應(yīng)鏈中的各個(gè)環(huán)節(jié)、節(jié)點(diǎn)的信息和交易記錄存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上,可以實(shí)現(xiàn)從原材料采購(gòu)到生產(chǎn)、加工、物流和銷售等全過(guò)程的溯源。每一次的數(shù)據(jù)記錄都會(huì)被記錄在區(qū)塊鏈上,形成一個(gè)可追溯的數(shù)據(jù)歷史記錄。這使得參與方能夠?qū)崟r(shí)、透明地共享和驗(yàn)證數(shù)據(jù),確保供應(yīng)鏈的可追溯性、透明性和可信度。

區(qū)塊鏈技術(shù)與農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈之間存在著緊密的關(guān)聯(lián)[16-18]。通過(guò)提供去中心化、不可篡改的數(shù)據(jù)記錄和共享機(jī)制,區(qū)塊鏈技術(shù)能夠解決農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈中的信息不對(duì)稱、信任缺失和信息共享困難等問(wèn)題。它實(shí)現(xiàn)了供應(yīng)鏈的可追溯性、透明性和可信度,促進(jìn)了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量管理和食品安全監(jiān)管,提高了供應(yīng)鏈的運(yùn)行效率和透明度。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)與智慧農(nóng)業(yè)的融合

3.1 應(yīng)用框架

針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)中數(shù)據(jù)安全和農(nóng)產(chǎn)品追溯問(wèn)題,應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)可以建立一個(gè)可信的、透明的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)[19],以實(shí)現(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和溯源追蹤,該平臺(tái)包含數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊、區(qū)塊鏈模塊、數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊、智能合約模塊以及應(yīng)用模塊(圖1),這些模塊在整個(gè)數(shù)據(jù)共享平臺(tái)中進(jìn)行協(xié)同工作,實(shí)現(xiàn)了對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)全過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和溯源追蹤,為保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全提供了有力的技術(shù)支持。

圖1 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用框架

3.1.1 數(shù)據(jù)采集與傳輸模塊 該模塊是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的基礎(chǔ),也是智慧農(nóng)業(yè)中基礎(chǔ)模塊,通過(guò)采用物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù),實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、加密傳輸和共享管理,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的效率和可靠性。這些數(shù)據(jù)包括了種植品種、施肥和灌溉情況等生產(chǎn)數(shù)據(jù),以及農(nóng)產(chǎn)品流通、交易及用戶使用等數(shù)據(jù)[20]。因此需要建立一個(gè)可靠的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),通過(guò)安裝各種傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備,對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集,并通過(guò)數(shù)據(jù)接口傳輸?shù)綌?shù)據(jù)模塊。

輸入的數(shù)據(jù)會(huì)經(jīng)過(guò)全網(wǎng)廣播給各節(jié)點(diǎn),鏈上其他各節(jié)點(diǎn)通過(guò)共識(shí)機(jī)制進(jìn)行真實(shí)性和完整性查驗(yàn),驗(yàn)證成功后,將信息備份到自己維護(hù)的區(qū)塊中。經(jīng)確認(rèn)后的信息會(huì)經(jīng)過(guò)哈希算法生成唯一的哈希值,加蓋時(shí)間戳,生成不易篡改的新區(qū)塊。該模塊利用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密和傳輸,自動(dòng)存儲(chǔ)更新智慧農(nóng)業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)信息。

3.1.2 區(qū)塊鏈模塊 區(qū)塊鏈模塊是智慧農(nóng)業(yè)中的核心模塊,它能夠增強(qiáng)數(shù)據(jù)的可信度和不可篡改性,從而確保數(shù)據(jù)的安全性和可追溯性。該模塊主要是使用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)智慧農(nóng)業(yè)中數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和管理,同時(shí)也是數(shù)據(jù)共享和數(shù)據(jù)交換的核心。通過(guò)該模塊,可以將智慧農(nóng)業(yè)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)以區(qū)塊鏈的方式進(jìn)行存儲(chǔ),并保證數(shù)據(jù)的不可篡改性和可追溯性,從而確保數(shù)據(jù)的安全性和可信度。

3.1.3 數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊 數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)模塊是智慧農(nóng)業(yè)中非常重要的一部分,它主要負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)借助物聯(lián)網(wǎng)或射頻識(shí)別技術(shù)(Radio frequency identification,RFID)等工具進(jìn)行進(jìn)一步處理,并存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中,以保證數(shù)據(jù)的安全性、可信度和完整性。

在該模塊中,數(shù)據(jù)的處理分為兩個(gè)主要階段:數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)分析。數(shù)據(jù)清洗是指對(duì)采集到的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性。數(shù)據(jù)分析則是基于可追溯性,對(duì)交易信息的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行深度挖掘和分析,基于數(shù)據(jù)采集模塊提供的完整數(shù)據(jù)鏈,進(jìn)行多角度深層次分析數(shù)據(jù)的真實(shí)性和合理性,從而為智慧農(nóng)業(yè)的決策提供支持。當(dāng)收到預(yù)警信號(hào)項(xiàng)目發(fā)生異常情況時(shí),自動(dòng)將問(wèn)題匯總發(fā)送給分析人員,分析人員基于區(qū)塊上唯一的跟蹤代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)信息追溯和人工復(fù)核,人工復(fù)核后再經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)接口傳送到數(shù)據(jù)處理模塊,如此循環(huán)直到信息確認(rèn)無(wú)誤后及進(jìn)行上鏈存儲(chǔ)(圖2)。

RFID:射頻識(shí)別技術(shù)。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)則需要通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)。在智慧農(nóng)業(yè)中,由于涉及到大量的數(shù)據(jù)采集和處理,因此需要使用分布式存儲(chǔ)的技術(shù)來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)[21]。區(qū)塊鏈技術(shù)中的分布式存儲(chǔ)可以有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和共享,并通過(guò)智能合約來(lái)保證數(shù)據(jù)的訪問(wèn)和使用的安全性。

3.1.4 智能合約模塊 智能合約是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心功能之一,也是智慧農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)追溯方案中不可或缺的一部分。在智慧農(nóng)業(yè)中,智能合約可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證、權(quán)限控制、交易自動(dòng)化等多個(gè)功能[21]。智能合約可以被看作是一份自動(dòng)執(zhí)行的合同,其中包含了事先約定的條款和條件。智能合約的執(zhí)行基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上的節(jié)點(diǎn)和算法,無(wú)需人為干預(yù),從而保證了數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

在智慧農(nóng)業(yè)中,智能合約可以用來(lái)驗(yàn)證農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)、來(lái)源和交易記錄(圖3)。當(dāng)一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品被采摘后,該農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息將被輸入到智能合約中。當(dāng)消費(fèi)者購(gòu)買這個(gè)農(nóng)產(chǎn)品時(shí),智能合約將驗(yàn)證該農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息,并確定該農(nóng)產(chǎn)品是否符合標(biāo)準(zhǔn),從而保證了產(chǎn)品質(zhì)量和消費(fèi)者的權(quán)益。此外,智能合約還可以用來(lái)控制數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限。在智慧農(nóng)業(yè)中,不同類型的數(shù)據(jù)需要不同級(jí)別的訪問(wèn)權(quán)限。例如,農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)信息應(yīng)該只能被農(nóng)場(chǎng)管理人員和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)訪問(wèn),而農(nóng)產(chǎn)品的銷售信息則可以被銷售商和消費(fèi)者訪問(wèn)。智能合約可以根據(jù)事先設(shè)定的訪問(wèn)規(guī)則,自動(dòng)控制數(shù)據(jù)的訪問(wèn)權(quán)限,從而保證數(shù)據(jù)的安全性和隱私性。

圖3 智能合約技術(shù)原理

3.1.5 應(yīng)用模塊 該模塊主要是針對(duì)不同的智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景,進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)和部署。通過(guò)該模塊,可以快速構(gòu)建智慧農(nóng)業(yè)應(yīng)用,如農(nóng)產(chǎn)品溯源、智能灌溉、智能施肥等,并提供相應(yīng)的接口,以方便其他系統(tǒng)調(diào)用。例如,針對(duì)智慧農(nóng)業(yè)中的追溯需求,可以設(shè)計(jì)一個(gè)基于區(qū)塊鏈的追溯查詢平臺(tái),用戶可以通過(guò)該平臺(tái)輕松查詢農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)刃畔22]。應(yīng)用模塊是智慧農(nóng)業(yè)和區(qū)塊鏈融合框架中至關(guān)重要的一環(huán),它決定了區(qū)塊鏈技術(shù)是否能夠真正發(fā)揮作用,為智慧農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供有效支持。因此,在應(yīng)用開發(fā)過(guò)程中,需要充分考慮用戶需求,靈活運(yùn)用技術(shù)手段,實(shí)現(xiàn)應(yīng)用場(chǎng)景的最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)的成功案例

“步步雞”項(xiàng)目是由眾安科技與沃樸物聯(lián)共同打造的,于2017年6月首次在國(guó)內(nèi)公開[23]。該項(xiàng)目與靖江市政府、華源禽業(yè)合作社等合作,在靖江市成立了科技扶貧養(yǎng)殖基地?！安讲诫u”項(xiàng)目整合了區(qū)塊鏈、農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和防偽技術(shù),旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)雞成長(zhǎng)過(guò)程的全程追溯。通過(guò)將雞苗的供應(yīng)、養(yǎng)殖、加工、物流等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)全程上鏈,并通過(guò)共識(shí)算法確保信息的透明性和不可篡改性。在該項(xiàng)目中,每只雛雞都被賦予了獨(dú)特的身份碼,也稱為雞牌。這些雞牌內(nèi)置傳感器,能夠?qū)崟r(shí)記錄養(yǎng)殖過(guò)程中的詳細(xì)數(shù)據(jù)。消費(fèi)者可以通過(guò)掃描雞身上的二維碼獲取溯源信息,其中包括培育記錄、疫苗信息、質(zhì)檢證書等,這樣的可追溯性措施增加了消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的信任。此外,該項(xiàng)目還與農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)和農(nóng)業(yè)金融進(jìn)行合作,將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于這些領(lǐng)域。農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)機(jī)構(gòu)利用區(qū)塊鏈平臺(tái)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù),可以實(shí)時(shí)判斷理賠金額并解決養(yǎng)殖戶資金短缺等金融問(wèn)題。這種合作為養(yǎng)殖戶提供了更及時(shí)、準(zhǔn)確的理賠服務(wù),并通過(guò)區(qū)塊鏈的不可篡改性確保數(shù)據(jù)的可信度。

5 結(jié)論

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展,智慧農(nóng)業(yè)已經(jīng)成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要組成部分,區(qū)塊鏈技術(shù)也逐漸成為智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的重要支撐技術(shù)。本文圍繞智慧農(nóng)業(yè)在數(shù)據(jù)安全和追溯方面面臨的困境,分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用前景?？偟膩?lái)說(shuō),區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用,能夠?qū)崿F(xiàn)農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和有效追溯,提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的透明度和公正性,降低生產(chǎn)成本,改善農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和安全性。同時(shí),區(qū)塊鏈技術(shù)也為智慧農(nóng)業(yè)的發(fā)展提供了新的思路和方向。