劉 浩,武止戈
(中南林業科技大學,a.經濟學院;b.班戈學院,長沙 410004)
中國是傳統農業國家,也是農業大國,不過由于中國農業耕地分布較散、管理不集中以及小農產業使得技術普遍運用落后等原因,與歐美農業強國相比還有一定差距,生產經營方式比較傳統、粗放。農業信息化程度還處在起步階段,需要引入更多的農業生產經營先進技術,提升農業現代化水平。從加工運輸體系方面來看,加工標準不一,運輸效率還有不少提升空間。從食品安全角度看,缺乏完備的食品安全監督管理體系,由此導致的信任問題反而限制了中國農業產業的發展[1]。
隨著國內經濟和技術的發展,帶動了農業的快速發展。智慧農業能夠充分運用現代信息技術成果,結合區塊鏈、物聯網和大數據等技術于一體,從而提高農業生產效率、降低生產成本。《中國智慧農業行業市場深度調研及2017—2021年投資商機研究報告》中顯示,僅以應用(硬件和網絡平臺以及服務)為基礎的智慧農業市場可能在2022年達到接近200 億美元的規模[2]。說明中國智慧農業處于快速發展階段,市場空間巨大。
與現代農業階段相比,智慧農業的突出特點就是更多地結合物聯網和移動互聯網,采集數據多樣化而且頻率較高,數據集傳感、存儲、分析和聯動于一體,可實現無線遠程監控,加工運輸更加標準化、效率化。
1.1.1 物聯網(IOT)在智慧農業中的運用 物聯網是在互聯網和移動互聯網基礎上延伸和擴展的網絡鏈,通過運用大量的硬件傳感器采集系統,將各種信息傳感設備與互聯網結合起來以便于監控各種機器的外部和內部環境等相關變化,能及時采集相關數據并進行分析,實現在任何時間、任何地點的人、機、物的互聯互通[3]。
物聯網技術大量運用于智慧農業,能使智慧農業真正做到智能化。在農作物的生產環節,通過各種傳感器對農作物和環境的信息感知和識別,能減少不必要的施肥量和施藥量,降低成本的同時還能使農作物更加“綠色”化。在加工運輸環節,通過物聯網的監控,能使加工更加自動化、智能化,并且數據實時聯網,有利于監管部門制定統一加工標準,能有效遏制加工質量低下而出現的食品安全問題。農產品大都有一定的保鮮期,在物流運輸系統中注入物聯網技術能減少不必要的運輸路途,降低成本的同時提升了運輸效率,使運輸更加精準且高效。
1.1.2 大數據(Big data)在智慧農業中的運用 通過將物聯網的智能監控傳感器收集到海量數據進行加工處理和分析,不僅能及時確認目前農作物生長環境的變化情況以及農作物自身的生長狀態,還能有效預測未來一段時間的生長狀態,為生產過程中需采取的必要措施,如溫控、濕控、光控以及肥控等操作進行提前且必要的提醒。通過精確實施標準操作,能減少大量的資源和勞力的損耗,同時能促進各類資源如土地、空間的可持續利用。
1.1.3 5S 技術在智慧農業中的運用 5S 技術是信息采集、處理、運用于一體的信息處理系統。能有效解決智慧農業在生產環節遇到的實際問題,如通過地理信息系統、全球定位系統和數字攝影測量系統能實現對農業生產地氣候區劃以及綜合要素空間的查詢和管理,對氣候資源進行動態監測,提取農業背景信息及區劃等。最終目的是能對農作物的生長進行動態監測以及對農業種植面積的精準定位與區域信息收集,使得生長情況數據化、數據資料可視化、管理標準化以及生產效率化[4]。
1.2.1 可耕土地不集中、人均耕地少、耕地保護困難 雖然中國耕地總面積與其他國家相比,并不處于劣勢,但是人均耕地面積較少,而且中國耕地主要分散在小規模的農戶手里,這些土地很難連片規模化種植,使得耕地不集中,很難采取規模化管理。所以,在中國農業經濟中,小農經濟尤其突出,農業生產分散化較嚴重,耕地利用效率不高。因此,一方面要保證耕地紅線不被破,另一方面還要想辦法使耕地利用規模化、集約化。
1.2.2 信息不對稱問題 逆向選擇和道德風險是信息不對稱問題帶來的兩個主要后果,信息不對稱問題阻礙智慧農業發展的一個典型例子就是農戶融資難、買保貴的問題。比如,在融資前,相比于銀行,農戶對自己能否按時還款的情況更加了解,因此農戶和銀行之間就產生了信息不對稱問題,銀行無法有效區分哪些申請貸款的人能及時履約,哪些人違約可能性大,核實成本高,因此最終結果可能是放棄貸款給所有人。同樣對于保險公司情況也是如此,保險公司無法有效區分哪些申請購買保險的農戶承擔的風險低,因此就無法區分定價,干脆就統一定價,結果就是所有農戶購買農保的價格更貴。
1.2.3 數據安全及數據的真實可靠性問題 結合大數據和物聯網的智慧農業對于數據的安全性要求很高。主要有兩個方面:第一是數據的私密性問題。這涉及到智慧農業行業內的競爭問題,有市場就有競爭,據預測中國智慧農業市場在2022年可能達到百億美元級別的規模[2],這么大的市場吸引了眾多公司進入市場分享智慧農業帶來的利潤。如阿里巴巴布局農村戰略,線上在天貓和淘寶上主推農產品銷售,與地方政府合作共同打造農產品從生產開端到銷售末端全產業鏈條,同時線下開啟盒馬生鮮進行生鮮零售,百度云與中化現代農業有限公司也合力構建智能化農業生產過程管理平臺[4]。行業內競爭必然提升了數據私密性的重要性。如何保證數據私密性是智慧農業領域亟待解決的問題之一。第二是數據的真實性問題。農戶給收購商的數據,比如農產品生長環境、是否為非轉基因、是否是綠色食品等數據資料是否真實可靠,在發布之前有沒有篡改。這就涉及到雙方的互信以及各自的誠信問題,然而光靠誠信是無法解決這一問題,因此,急需找到解決這一問題的方法路徑。
1.2.4 知識產權保護和歸屬問題 有效保護知識產權可以驅動行業發展。智慧農業與其他行業最大的不同是這一行業有著集盈利和公益這一雙重屬性特點,即在這個開放市場中,農戶和企業進入這一市場的首要驅動力是有盈利的空間和可能性,另一方面又因為農業有著關乎每個人的生存境況、社會的和諧穩定以及國家的安全繁榮屬性。因此,政府不能因為企業間的公平競爭而完全開放市場,并將保護知識產權的年限與其他行業一樣,將專利權按20年嚴格執行,但又不能不顧及參與者的盈利和長期發展而完全不保護知識產權,使這一行業完全公益化,因為這將不利于公平和發展。這一情況可以運用“智豬博弈”解釋,一方(擁有知識產權)付出了相應的代價(金錢和時間等成本),而另一方(沒有知識產權)與其共享了所得到的收益(知識成果)。“智豬博弈”就是一種多勞不多得的情形[5]。這將打擊參與者的積極性,不利于智慧農業的長期發展,因此為了行業長期發展和激勵參與者更積極地參與其中,智慧農業中知識產權的歸屬問題有必要提上解決日程。
隨著中國農業從傳統農業發展到智慧農業階段,如何成功地應付這些問題,即是智慧農業發展面臨的挑戰,也是智慧農業能否持續快速健康發展的關鍵。也正是因為智慧農業有了這些問題,使得區塊鏈(Blockchain)在這一行業的應用方面有了發展空間和用武之地。由于區塊鏈有著去中心化、可溯源、數據安全保護等基本特性,從這些方面來說,區塊鏈可為智慧農業解決遇到的問題。
區塊鏈涉及到數學、密碼學和計算機編程等多項技術問題,簡單來說是一個分布式的共享賬本和數據庫,具有去中心化、不可篡改、全程留痕可溯源、數據安全加密、公開透明等特點[6]。正是由于區塊鏈在這些技術上的特性和優勢,使得區塊鏈在實際應用上能夠解決數據安全、溯源、信息不對稱、分享和信息保留等問題。
依據Melanie Swan 在《Blockchain:Blueprint for a New Economy》[7]的說法:區塊鏈1.0 時代稱為可編程貨幣,在這個時代區塊鏈的惟一實質性運用就是發行虛擬數字貨幣和構建去中心化的數字支付系統,比如比特幣。其運用的場景還很狹隘。區塊鏈2.0被稱為可編程金融。與區塊鏈1.0 相比,區塊鏈2.0實現了運用場景的擴展,主要是在經濟、市場和金融等領域的運用,其核心的技術運用特征是智能合約的運用。區塊鏈3.0 被稱為可編程社會,其應用能夠擴展到任何有需求的領域[6]。區塊鏈目前正從區塊鏈2.0 時代過渡到區塊鏈3.0 時代。應用的領域越來越廣,其中就包括運用區塊鏈的可溯源、去中心化、公開透明等特點解決智慧農業發展中遇到的一些瓶頸。
2.2.1 區塊鏈與傳統數據庫的區別 區塊鏈的數據存儲與傳統數據庫數據存儲最大的區別是能否去中心化,去中心化相當于為每個人建立分布式賬本數據庫,這意味著存儲形式不單是將賬本數據存儲在不同地方的每個節點,而且每個節點會同步共享并且復制整個賬本的數據。每個節點都可以參與監督數據的真實性和合法性。圖1 對比了中心化存儲、半去中心化存儲與去中心化存儲的結構。

圖1 中心化存儲、半去中心化存儲與去中心化存儲結構對比
為了建立信任機制,在區塊鏈中每個人都可以負責記賬,而且每個記賬節點都按照區塊鏈式結構存儲完整的記賬數據,每個節點存儲的數據都是相互獨立。此外,分布式賬本不會因為某一節點被破壞而使整個數據資料丟失,從而保證了數據資料的安全,使交易更加安全有保障。
2.2.2 非對稱加密(Asymmetric encryption) 區塊鏈運用非對稱加密技術確保了數據傳輸的安全性。非對稱加密需要公鑰和私鑰,每一方都同時擁有一個公開的公鑰和一個保密的私鑰,且公鑰和私鑰相互配對,如果用公鑰對數據進行了加密,也只能用對應的私鑰才能將該數據解密[8]。非對稱加密的特點就是安全性強,同時由于每一方擁有的私鑰并不需要公開,所以保密性好。圖2 是非對稱加密分享數據的過程。在整個數據傳輸的過程中,由于私鑰并沒有公開,所以別的節點即使接收了數據,也只是解不了碼的密文。

圖2 非對稱加密的簡單流程
2.2.3 智能合約(Smart contract) 智能合約是一種完全去掉第三方而以自動化的方式傳播、驗證和執行合同的智能協議。相比于傳統合約最大的優勢是無需擔心被違約而遭受損失,而且能減少與合約相關的其他交易成本(表1)。比如:傳統三方合約因為第三方信任機制,需要買家在淘寶下單后將貨款打給支付寶第三方,待買家確認收貨無誤后支付寶再將貨款發給賣家。相比于傳統的雙方合約加入了第三方信任機制,優點是能使合約被安全履行的概率加大,風險減少。缺點是成本加大,而且并不能百分百保證合約被安全履行,比如可能出現第三方誠信問題或第三方破產而無力履約的風險。相比之下的智能合約優勢則更加明顯,智能合約與傳統的雙方合約一樣沒有第三方信任機制,這樣能減少交易成本,因為在智能合約中合約的履行是自動化的,只要達到履約要求合約即自動完成指令,且指令不可逆轉,這樣就直接消除了違約風險,而且去三方和去信任化使得合約成本較低[9]。

表1 傳統雙方、三方合約與智能合約優劣比較
2.2.4 共識機制(Consensus mechanism) 共識機制解決了區塊鏈如何在分布式場景下達成一致性的問題[10]。最早的共識機制是比特幣中的工作量證明機制(PoW)。隨著區塊鏈技術的發展,越來越多的共識機制被開發出來,如權益證明機制(PoS)、活躍度證明機制(PoA)等。區塊鏈技術正是因為運用了共識機制在各節點之間建立“信任”網絡,從而通過技術而非信用機構來進行全新的信息交流和信用創造[11]。
區塊鏈所運用的底層技術除了以上4 種核心技術外,還有其他技術,如p2p 網絡協議、加密簽名算法、時間戳等,憑借這些技術的運用使區塊鏈在解決智慧農業中的問題產生更好的效果。
近年來,國內食品安全領域爆出了一些負面新聞,打擊了人們對國內食品行業的信任度,嚴重制約了國內農業產業的發展,另一方面農戶將農產品以極低的價格批發給中間商,而消費者卻只能以居高不下的價格在市場上購買日需農產品。如前幾年的“蒜”你狠、“姜”你軍等以及近期的豬肉價格持續上漲事件。那么如何應用區塊鏈技術精準有效解決制約智慧農業發展的問題?
圖3 是關于智慧農業產業鏈流程,產業鏈一般分為以下幾個階段:①供應環節,在此環節主要是農資供應商和農機企業給農戶或合作社供應農資和機械設備。②生產環節,這一環節在整個流程中花費的時間和金錢最多,主要是農戶和合作社運用種植技術結合物聯網等技術種植農作物,并為作物提供良好的生長環境。③流通環節,倉儲商和物流商為農戶完成生產的農作物提供倉儲和物流服務。④加工環節,若農產品需要加工處理則由加工商進行深加工。⑤流通環節,由加工商加工好的農產品再次進入物流系統和倉儲系統,以分發到有需求的市場售賣。⑥消費環節,加工好的和沒必要加工的農產品進入市場供消費者消費。⑦金融服務環節,金融服務環節可能同時存在于以上6 個環節中,主要是銀行、信托和保險公司為農戶、合作社和加工商等主體提供金融服務,以便其能順利地完成業務流程。每個相鄰環節的產業主體之間都可能會發生交易行為。中國智慧農業中的問題就產生于每個環節以及主體間交易和溝通的過程中。下面針對不同環節智慧農業發展中存在的問題來探討如何運用區塊鏈技術加以解決。

圖3 智慧農業產業鏈流程
根據區塊鏈的特點和使用的底層技術,運用區塊鏈技術能解決智慧農業生產環節中的瓶頸,主要有以下幾點:
1)區塊鏈技術解決耕地、資源和生態監控困難問題。中國耕地面積每年都在遞減,如何有效保護耕地面積紅線和如何有效保護資源和生態環境成為人們關切的問題。區塊鏈可以依據其數據難篡改和公開透明的特點,使得耕地面積和資源狀態真實透明而不被篡改和虛報。如結合5S 技術中的地理信息系統(GIS)和數字攝影測量系統(DPS)等技術,記錄不同時間點的土地信息,基于區塊鏈的時間戳和分布式賬本,使得土地信息無法被篡改和公開透明,將各地的耕地數據實時放到區塊鏈上可以掌握更加真實的統計數據。
2)區塊鏈技術解決產權保護和歸屬問題。利用區塊鏈數據共享和不可篡改的特性,依據時間戳和共識機制,只要誰先將產權內容放到區塊鏈上,則產權就歸屬誰,這樣的好處是減少了將研究成果提交給相關部門申請知識產權期間,成果內容被提前泄露而導致產權歸屬糾紛的情況,因為內容審核需要時間以及需要人工審核,這會增加數據資料被盜和泄露的風險。
3)區塊鏈技術以去信任化的方式建立互信,解決農產品安全生產問題。依據區塊鏈的數據不可篡改特性,只要農產品的實時生產數據上傳到區塊鏈上后,信息即不可逆轉,有效防止人為中途修改資料。
1)提升物流效率同時降低成本。物流運輸過程中需要進行大量的數據存儲和分發,而區塊鏈本身就是一種數據庫,只不過和中心化的數據庫相比,它是一種去中心化的分布式數據庫。去中心化的好處是可以防止數據存儲和分發的過程中突然的網絡堵塞出現的安全問題和中心化的大量數據吞吐導致的成本增加的問題。
2)優化農產品運輸和加工環節信任機制。各種食品安全問題的出現降低了人們對綠色食品和有機食品認證標簽產品的信任度。同時,由于運輸和加工環節缺乏有效監督,傳統的監控信息容易被篡改和丟失。急需用一種新技術提高監督的有效性,重構人們對運輸和加工的信任度。由于區塊鏈技術的分布式存儲、公開透明和不可篡改的特點,使得監控信息一旦上傳到區塊鏈上后便保持真實和長期保存,不會出現事后惡意造假和數據丟失的情況,有效地保障了運輸加工后的產品真實信息和質量。
基于區塊鏈的可溯源特點解決農產品溯源信任問題。農產品從生產環節再到消費環節,最終上到人們的餐桌上要經歷一系列復雜的流程,在每個流程中都可能因為誠信問題而使產品質量難以保證。可以利用區塊鏈的不可篡改特點和時間戳技術的運用,使得追溯產品歷史信息成為現實。將農產品從生產到消費的每個環節產生的信息存儲上鏈,使得農副產品信息更加安全透明,并且真實。實現消費者對農副產品的質量進行全方位監控,從而建立起生產者、供應商和消費者之間穩固的信任機制。
基于區塊鏈的信息透明打破主體間的信息不對稱。之所以會出現生產者低價出售農產品而消費者高價購買農產品的情況,一部分原因就是在供應鏈環節中各主體間存在信息不對稱。由于地域差異以及網絡上無效信息太多,消費者不愿花費過多的時間成本去甄別有效信息,使得消費者與零售商之間存在明顯的信息不對稱,零售商以低價收購的農副產品轉手再以高價賣給消費者。此時,可以運用區塊鏈數據的公開透明和去中心化的特點,打破消費者和零售商之間的信息壁壘,減少零售商一家定價的情況。具體實現路徑就是即使真實和虛假信息都存在于區塊鏈上,但由于區塊鏈的去中心化以及每個節點的權利都是平等的,使得即使有人在區塊鏈上故意發布假信息,但不被大多數人認可的話,即會被判定為假信息,這樣可以避免消費者付出太多時間成本去尋找真實信息,以緩解和零售商之間的信息不對稱問題。
智慧農業中的金融服務環節主要是因為農戶與銀行、信托和保險公司之間存在信息不對稱而導致他們之間產生逆向選擇和道德風險問題,最終結果是農戶融資難、投保貴。
3.4.1 區塊鏈解決農戶農貸難的問題 目前,農戶融資難主要是因為銀行對農戶的信用資質不了解,而且核實成本過高,抵押信用機制缺乏。基于區塊鏈的農村金融服務可以突破這一限制,因為其建立在去中心化和不可篡改的開放式信用機制之上,不再需要銀行花費昂貴的核實成本,便可知道農戶是否符合信貸資質。具體實現路徑就是農戶將自己的信用資質以及家庭情況等信息上傳到區塊鏈,若得到多數了解這個農戶情況的節點的認同,銀行即可將此信用資質視為真實信息。別的節點之所以會去核實農戶信息的真實性是因為有區塊鏈中的激勵機制和共識機制。圖4 顯示了基于智能合約的農業金融服務合同達成流程。

圖4 基于智能合約的農村金融服務合同達成流程
3.4.2 區塊鏈解決農保難的問題 目前,一方面因為農戶分散以及核保困難,核保成本過高使得農戶們投保難、投保貴,另一方面由于保險公司難以確定農戶買的保險是否達到理賠要求而使農戶的理賠程序復雜,難以得到理賠。結果就是中國農業保險發展緩慢,沒有為中國農業的發展作出應有的貢獻。針對這一問題,可將區塊鏈技術應用到農業保險領域,保險公司可以將保險信息添加到公開化的區塊鏈中,農戶也可將投保理賠信息上傳區塊鏈,一方面保險公司可以實現保險的精準營銷、簡化農險業務流程,降低運營成本。另一方面可預防農險騙保行為的發生。同時,運用區塊鏈的智能合約技術,建立農戶和保險公司之間的農險智能化賠付機制,一旦智能合約監測到投保的農戶因自然災害等原因達到了理賠要求,無需保險公司啟動成本過高的核實機制,智能合約就會自動啟動賠付業務流程,使得賠付時間更短,效率更高[3]。農戶得到了應得的理賠金額,保險公司也因此降低了成本。圖5 是基于智能合約的農險賠付流程。合約的執行依據條件是否達到執行閥門,而選擇是否自動執行合約。

圖5 基于智能合約的農險賠付流程
由于中國的目標是在2020年后實現如期脫貧,因此,近年來精準扶貧攻堅工作在全國貧困地區迅速展開,但實踐期間也遇到一些問題,如:如何解決扶貧成本高、如何精確識別貧困戶、如何對扶貧資金實施有效監管、如何嚴格執行精準扶貧考核機制、如何解決疑似貧困戶與扶貧工作者之間因信息不對稱而導致的逆向選擇等問題[12]。區塊鏈以其去中心化、防篡改和可追溯的特點既可以幫助精準扶貧的識別階段使扶貧更精準,也可以在精準扶貧后利用可追溯的特點實施動態監督管理,對扶貧的精準度、扶貧資金的利用情況等內容進行監督,確定扶貧成果是否真實有效;也可利用區塊鏈結合智慧農業,科學有效地解決貧困農民戶長期發展問題,如2017年眾安信息技術服務有限公司與靖江市華源禽業專業合作社等聯合成立的基于區塊鏈的科技扶貧養殖基地,在靖江市落地推廣“步步雞”養殖項目[13]。該項目通過運用區塊鏈與智慧農業相結合的方法,使每只雞都能進行身份識別,實現防偽溯源,解決了消費者和銷售商之間的信任問題,不僅實現了市場化經營,也助力了精準扶貧。
盡管已經進入區塊鏈2.0 時代,正從區塊鏈2.0時代向區塊鏈3.0 時代演進,但社會各系統對區塊鏈的應用仍處于初期階段。任何新技術的運用都要經過市場和時間考驗。目前,區塊鏈在智慧農業中的應用需應對的挑戰總結如下:
1)思想層面。區塊鏈技術剛進入智慧農業,一方面人們害怕對區塊鏈的運用會侵害自己的利益而對此技術持冷漠態度,甚至阻礙區塊鏈技術在行業內的運用。另一方面害怕自己對區塊鏈開發落后于別人,而急切投入大量人力和財力在區塊鏈中,反而可能阻礙區塊鏈在智慧農業中的長期發展,因此這些思想態度都是不可取的。首先,一方面需明確區塊鏈技術進入智慧農業領域,為其帶來了改革,另一方面需明確區塊鏈技術不是萬能的,其不可能解決智慧農業發展中遇到的所有問題。因此,需冷靜客觀地對待區塊鏈,同時夯實自身技術實力,加強對區塊鏈的基礎技術研究,探索區塊鏈在智慧農業應用中的可行之路。
2)人才層面。因為區塊鏈技術涉及密碼學、互聯網編程、人工智能等前沿領域。同時,應用于智慧農業中還要結合物聯網、大數據等技術,技術復雜、門科繁多。一般的業內人員短期內很難掌握,需要一個循序漸進的學習過程。現階段中國真正懂區塊鏈的人才并不多,這減緩了區塊鏈應用于智慧農業中的進度。所以,中國應該加強對區塊鏈領域人才的培養,設立基金助力區塊鏈技術的研究。
3)應用場景層面。由于區塊鏈是一種去中心點對點傳輸的數據庫系統,必須達到一定的用戶參與規模才能真正實現數據存儲去中心和不可篡改的特性,如果用戶規模太小則應用毫無意義。提高人們參與區塊鏈應用于智慧農業的積極性的方法之一就是擴展區塊鏈在智慧農業中的應用場景,現階段開發出的區塊鏈在智慧農業中的應用場景并不多,主要是食品溯源和數據的不可篡改記錄。未來需要人們充分開發應用場景,如區塊鏈的智能合約在農村金融方面的應用場景、在解決信息不對稱方面的應用場景等,使區塊鏈更好地服務智慧農業。
新技術的應用往往需要經過市場和時間的考驗,區塊鏈作為近年興起的一種互聯網新技術,由于其技術特性能使其在理論上為智慧農業發展中的一些難點如食品溯源、信息不對稱、數據安全、信任機制等提供解決方案,同樣能使其與物聯網和大數據一樣服務于智慧農業的長期發展。
目前,區塊鏈技術在智慧農業的運用中已落地的應用還不是很多,本研究通過對區塊鏈技術特點的分析,并結合智慧農業的一些問題在理論上來探討區塊鏈擁有的特性是否能成為智慧農業發展的解決方案,以期能啟發更多的理論探索,為未來的實踐鋪路。