區塊鏈農業應用現狀與技術熱點

梁曉賀, 周愛蓮*, 謝能付, 張毅, 吳賽賽

(1.中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081; 2.中國農業科學院研究生院，北京 100081)

區塊鏈(blockchain)是一種將分布式賬本、加密算法、點對點傳輸等計算機技術綜合集成的計算范式，其分布式存儲、去中心化計算、數據加密等特點為實現全球的金融交易、數據存儲、智能合約等應用場景提供了新的解決方案[1-3]。區塊鏈概念一經提出，迅速引起各國政府、金融機構、科研單位、開源社區的廣泛關注[4]。其相關研究從區塊鏈技術特點[5]、構成[6]、核心要素技術改進[7-8]等基礎研究延申到金融[9]、能源[10]、教育[11]和醫療[12]等應用領域。目前，區塊鏈技術在農業領域應用研究還相對薄弱[13]，但利用區塊鏈技術促進農業農村高質量發展的應用前景受到了世界各國的高度重視[14]。2020年，農業農村部《數字農業農村發展規劃》指出，加快推進區塊鏈農業應用大規模組網、鏈上鏈下數據協同等核心技術突破，加強區塊鏈農業應用標準化研究，推動區塊鏈技術在農業資源監測、質量安全溯源、農村金融保險、透明供應鏈等方面的創新應用[15]。區塊鏈更是首次被寫入2020年中央1號文件，由此可見我國對區塊鏈農業應用領域的重視程度。

區塊鏈技術在農業領域應用研究雖然起步較晚，但是已經取得了一些成果，相關研究項目一度成為農業信息化的熱點方向[16]。李喬宇等[17]從“通證經濟”概念出發，針對現階段中國農業發展狀況，指出農業領域區塊鏈切入點在農業物聯網和農產品溯源等方面；王少然等[18]提出“GS1+區塊鏈”應用與生鮮冷鏈物流防偽溯源；高圣喬等[19]針對區塊鏈落地項目中存在的存儲性能低等問題提出了一種基于區塊鏈的食品供應鏈數據雙鏈存儲優化模型；金會芳等[20]結合區塊鏈技術、物聯網技術以及相關的金融手段，設計了一種新型的糧食供應鏈新模式，該供應鏈平臺既可確保整個過程公開透明且數據共享，還可以保證信息的安全性。此外，區塊鏈技術在農業應用領域研究也逐步滲透到農村金融[15]、數據扶貧與機制創新[21]等領域。

專利情報占世界科技信息量90%～95%，通過分析專利文獻可以掌握技術的總體研發狀況[22]。近幾年，區塊鏈相關專利申請數量呈快速增長趨勢。國內外學者已經開展了一些利用專利文獻分析區塊鏈技術熱點的研究。商琦等[23]和苑朋彬等[24]從專利申請趨勢、技術區域組織分布、技術研發機構、技術研發重點等角度全面揭示區塊鏈技術的發展概況和未來趨勢。Daim 等[25]對德溫特專利索引數據庫(Derwent Innovations Index，DII)的區塊鏈和物聯網領域專利數據進行分析，研究兩個領域技術融合的發展趨勢和方向。劉星等[26]利用德溫特專利創新平臺(Derwent Innovation，DI)數據庫中2008—2019年區塊鏈專利數據，管窺中美區塊鏈產業發展的差異。劉少芳等[27]從專利權人角度挖掘區塊鏈技術熱點。

綜上，當前已有研究主要從區塊鏈技術發展脈絡、專利權人技術競爭實力、技術熱點與趨勢等角度進行梳理與評述，對了解區塊鏈技術的發展動態有一定參考價值，但是目前對區塊鏈在農業領域應用的相關研究進展涉及較少。本文以區塊鏈相關專利信息為分析對象，采用專利計量與科學知識圖譜方法，對區塊鏈技術及農業領域應用現狀與技術熱點前沿進行分析，對區塊鏈技術及在農業領域應用專利成果進行系統對比分析，重點揭示區塊鏈農業應用技術發展現狀、研究熱點及不足，并展望區塊鏈農業應用技術未來發展趨勢。

1 數據來源與方法

1.1 數據來源

本研究以Clarivate公司的DII和DI數據庫為基礎數據來源。DII數據庫整合了Derwent World Patents Index(德溫特世界專利索引，DWPI)與 Derwent Patents Citation Index(專利引文索引，DPCI)，共收錄了始于1963年來自全球40多個專利機構(涵蓋100 多個國家)的 1 000 多萬條基本發明專利信息和3 000多萬條專利信息，其專利情報和科技情報具有非常高的權威性，本文下載DII相關專利數據用于知識圖譜分析。DI專利創新平臺包含了DII數據庫中的全部專利數據，且為專利情報分析提供了更多分析字段，本文應用DI專利創新平臺對專利申請時間、國家、機構、技術分類號等字段進行提取和分析。檢索時間為2020年12月，檢索式為CTB(TS)=(“blockchain” or “block chain” or “block? chain”)AND(agriculture* or rural or agro-)(其中，CTB為DI專利創新平臺檢索限制條件，TS為DII數據庫檢索限制條件)，檢索時間范圍為2008—2019年，清洗查重后最終得到DI專利創新平臺區塊鏈相關專利29 285件，區塊鏈農業應用相關專利267件。由于專利申請到專利公布具有18 個月及以上的延遲，2019 年的數據僅供參考。

1.2 研究方法

利用DI專利創新平臺的分析功能對專利文本、專利權人、所屬國家、申請時間、技術分類號等特征實體進行量化分析，利用CitespaceV軟件繪制農業領域區塊鏈的高頻技術分類代碼圖譜及突現技術分類代碼探測分析，揭示領域研究熱點與前沿趨勢。

2 結果與分析

2.1 區塊鏈農業應用技術發展概況

2.1.1技術發展歷程 根據德溫特數據庫，2008—2019年全球區塊鏈及區塊鏈農業應用相關專利年申請變化趨勢如圖1所示?？梢钥闯?，區塊鏈技術發展經歷了兩個階段：2008—2014年屬于技術發展萌芽期，其間相關專利申請數量持續較低，均不超過200件；2015—2019年屬于快速增長期，其間專利經歷了爆發式增長。專利數量的突增預示著以區塊鏈技術為底層技術的新一輪信息技術革命正在快速興起。近20年區塊鏈農業應用技術共申請專利263件，遠低于區塊鏈技術專利申請數量(29 258件)，表明區塊鏈技術的農業領域應用研究還相對薄弱。區塊鏈農業應用專利申請最早出現在2013年，近幾年相關研究逐步加強。2016年相關專利申請數量突破10件(2016年申請專利13件)，到2018年其相關利申請數量突破100件(2018年申請專利123件)，可見，區塊鏈技術的農業領域應用研究正逐步引起重視。

圖1 2008—2019年區塊鏈技術及區塊鏈農業應用技術專利申請量變化趨勢

2.1.2技術區域分布分析 由專利區域分布可以看出各國的區塊鏈技術研發實力。根據表1顯示，區塊鏈技術強國也非常重視農業領域應用布局，中國、美國、韓國、印度、新加坡、日本、澳大利亞、德國和加拿大同時入選區塊鏈專利申請TOP10國家與區塊鏈農業應用專利申請TOP10國家。目前，中國擁有區塊鏈農業應用技術發明專利數量共204件，遠領先于排名第二的美國。但專利授權率排名靠后(第五)，日本、美國和韓國專利授權率名列前三。這一定程度反映出中國區塊鏈農業研發創新性略顯不足。

表1 區塊鏈農業應用專利申請TOP10國家

2.1.3機構分布分析 表2為全球區塊鏈農業應用專利申請量排名TOP10的機構，由于區塊鏈農業應用研究起步較晚，總體專利申請數量普遍較少。從機構類型看，10家機構中包含8家企業和2家高校，區塊鏈農業應用研發力量仍是以企業為主；從機構所屬國家分析，中國有4家機構入選，日本有2家，愛爾蘭、瑞士、美國和德國各有1家機構。從排名分析，中國入選機構數量最多，但排名較為分散，僅有浙江商業職業技術學院并列排名第二，其余3家機構均并列排名第六，一流研發機構培育還需加強。日本島津公司排名第一，愛爾蘭僅有埃森哲有限公司入選，并列排名第二。從主營業務來看，主要集中在利用區塊鏈的去中心化、分布式存儲、加密、可追溯以及智能合約等技術特征，解決食品安全、面源污染、農村金融、集體存量資產盤活等問題。

表2 全球區塊鏈農業應用專利申請TOP10機構

2.2 區塊鏈農業應用技術研究重點、熱點與前沿分析

2.2.1關鍵技術小組分布 通過統計不同部、類、組，可以清楚地揭示技術研發的重點，目前區塊鏈農業應用技術的相關研究主要集中在底層技術(H04L、G06F、G06K、H04W、G06N、G06T)和應用領域(G06Q、A01G、G01N、A01B、A01C)(圖2)。區塊鏈底層技術架構模型一般包括數據層、網絡層、共識層、激勵層和合約層五個部分[28]。區塊鏈農業應用技術研究重點集中在涉及Merkle樹、鏈式結構、數據區塊和時間戳等技術要素的數據層(G06F)；涉及不同網絡架構，如P2P網絡、傳播機制和驗證機制等的網絡層(H04L、H04W、G06K)；以及涉及發行機制與分配機制的激勵層(G06N、G06T)。目前區塊鏈技術在農村金融領域(G06Q)、農機作業(A63F)以及農業種植系統建設(G08G、G16H)中開展了應用研究。

圖2 區塊鏈農業應用關鍵技術組分布

2.2.2技術熱點分析 專利分類代碼共現知識圖譜可以展示一段時間內專利集中反映的熱點類別，通過對高頻專利分類代碼共現關系分析可進一步明晰研究熱點。本研究對近5年區塊鏈技術農業領域相關專利的分類代碼進行分析，出現頻次高的代碼表示相應技術是研究熱點[29]。圖3為區塊鏈農業應用技術專利共現圖譜，以2015—2019年區塊鏈農業應用技術專利為數據源，借助CiteSpace V軟件繪制而成。

利用CiteSpace V軟件對區塊鏈技術專利按德溫特手工代碼進行統計分析，得到各類專利的出現頻率及中心性大小，按出現頻率排序得到排名前10位的熱點技術(德溫特手工代碼分類)，如表3所示。

結合圖3和表3可知，區塊鏈農業應用領域TOP10的技術熱點，全部屬于數字計算機(T01)這一技術大類，農業和區塊鏈的技術熱點包括以下幾個方面。

表3 排名前10位區塊鏈農業應用熱點技術

圖3 2015—2019年區塊鏈農業應用技術專利共現圖譜

①商業應用模式研究(T01-N01A2、T01-J05A2A、T01-N01A2E、T01-S03)。從應用架構模式設計來看，重點研究了區塊鏈技術與農業供應鏈[30]、農產品安全領域[31]、農村金融[32]、農村電子商務[33]等農業應用領域模式的融合架構。Kim等[34]運用區塊鏈中智能合約技術等設計出一種農產品溯源模型；從應用種類看，目前區塊鏈在咖啡、魚肉、牛肉、啤酒、牛奶、意大利面等農業品供應鏈上進行商業應用，對大豆、谷物、橄欖油、火雞等20類農產品進行金融、追溯、食品安全等應用實踐[35-36]。商業應用是區塊鏈農業應用技術創新的最終目的，探索區塊鏈農業應用技術的商業應用也將持續成為該領域的熱點。

②數據處理與傳輸研究(T01-J05B4A、T01-N01D3、T01-D01、T01-J05A2B、T01-N01D)。區塊鏈的分布式眾包記賬系統使其具有可無限擴展的能力，尤其是智能合約技術因其中心性特征，有利于減少交易和執行成本。智能合約技術在農業農村相關弱中心化、去中心化領域更是應用前景廣闊。付小穎[37]提出了將智能合約技術應用于農業災害自動檢測、自動賠付，提高賠付效率。Shen等[38]通過智能合約調取鏈下存儲在私有或公有云平臺的數據，實現農產品供應鏈全過程信息化。區塊鏈農業應用數據處理與傳輸方法的發展會為更多區塊鏈農業應用中實際問題的解決提供助力。

③安全管理相關研究(T01-J12C、T01-N02B1B、T01-N01A1)。區塊鏈的不變性引發了數據隱私問題，在農業供應鏈管理、農產品安全追溯等應用上，區塊鏈技術的安全和隱私問題仍是關注焦點[39]。范賢麗等[40]針對糧食供應鏈中信息共享時各個主體面臨的隱私問題，基于區塊鏈和星際文件系統技術設計了隱私保護系統。霍紅等[41]利用密鑰與區塊鏈加密技術協同保護農產品集成供應鏈各個參與主體的隱私。隨著農業信息化、智能化發展，對隱私問題的關注度也持續上升，區塊鏈技術在農業應用上帶來的隱私問題也將吸引更多學者的關注和研究。

2.2.3技術前沿探測 利用Citespace V的詞頻探測技術將頻次變化率高的詞(brust term)從大量主題詞中探測處理，采用突現度(burst值)來表示詞頻變化率的高低。對專利文本而言，專利類別突現度越大，則該類別越可能代表技術前沿領域[42]。利用Citespace V的統計功能探測區塊鏈農業應用的突現詞(表4)，技術研究前沿體現在2個方面。

表4 區塊鏈農業應用研究技術突現詞分布

①數據庫應用(T01-J05B4P)。區塊鏈從本質上講就是一個共享數據庫。農業4.0以智慧農業為典型特征，但是作為復雜的物聯網系統，智慧農業面臨著數據信息攻擊風險，研究分布式共享數據庫云平臺農業應用技術，使得農業生產數據具備不可偽造、可以追溯、安全可信等特征，這對智慧農業長遠發展至關重要。陶啟等[43]利用區塊鏈技術構建了從農田到餐桌的大米全產業鏈質量全信息數據庫，以實現食品質量安全的高效管控。Dinh等[44]將區塊鏈技術與分布式數據庫相結合，通過增加數據庫節點可以提高數據的容錯性、并發性和可伸縮性，這對于提升農業全產業鏈融合水平具有重要意義[45]。隨著農業數據庫互聯網數據的快速發展，區塊鏈技術與其結合的廣度和深度也會越來越深入。

②軟件技術(T01-F05B2)。隨著區塊鏈技術的日趨成熟，必然將誕生一批基于區塊鏈技術的軟件應用[46]。軟件平臺技術是真正實現農業大數據、智慧農業、數字農業的關鍵所在。目前已有一些學者開展了相關研究，高云等[46]在傳統Fabric區塊鏈架構基礎上引入了中間件的概念，從而減低了區塊鏈軟件開發難度。任守綱等[47]基于區塊鏈信譽監督機制共識算法CSBFT設計了農作物全產業鏈信息溯源平臺，使得上鏈數據具有更高的安全性和更小的時延。錢建平等[48]以Hyperledeger作為聯盟平臺開發農業投入品智能管控平臺，實現了數據可追溯，提升了可信度。近幾年，區塊鏈農業應用技術得到快速發展，其與軟件技術深度融合促進技術的應用落地也勢必會成為未來研究重點。

3 討論與建議

本文采用文獻計量和科學知識圖譜可視化方法，從區塊鏈整體發展狀況分析該技術在農業領域應用現狀與技術熱點，發現區塊鏈農業應用技術具有巨大的發展潛能。從技術發展趨勢、技術研發區域、技術研發機構、技術研發重點、研發熱點與研發前沿等多個角度進行分析，總結出區塊鏈農業應用研究的發展特征如下。

一是區塊鏈農業應用發展起步明顯較晚，區塊鏈農業領域應用研究雖然是當今熱門研究，但無論是技術研究還是應用研究取得的成果都明顯少于區塊鏈技術總體的發展狀況。以專利申請數據為例，近幾年，區塊鏈技術及其在農業領域應用研究相關專利申請數量呈快速增長趨勢，但區塊鏈農業應用相關專利申請總量不及區塊鏈技術相關專利申請總量的百分之一，相關專利申請數量較少，且主要為近5年申請，其發展階段尚處于雛形期。

二是研究力量分布不均，各地區發展極度不平衡。中國、美國和韓國這三家全球區塊鏈技術強國非常重視區塊鏈技術在農業領域應用布局，專利申請數量全球領先，但是，中國區塊鏈農業應用專利授權比例偏低，相關基礎性、關鍵性技術研究不足，特別是針對區塊鏈技術原理與農業領域應用的案例研究較少，一定程度制約了中國區塊鏈農業應用的發展。其他國家研究實力相差不大，具有齊頭并進的勢頭。中國入選全球區塊鏈農業應用專利申請TOP10機構數量最多，但排名落后，一流研發機構培育還需加強。

三是全球區塊鏈農業應用主體重點利用區塊鏈的去中心化、分布式存儲、加密、可追溯以及可編程的智能合約等技術解決農產品溯源以及農村金融相關問題。目前，數字計算機技術研究仍是區塊鏈農業應用研究熱點，特別是農業農村領域生產要素分散，組織難度大等給區塊鏈程序配置帶來挑戰，一些學者研發了諸如權益證明算法[50]、實用拜占庭算法[51]和有向無環圖算法[52]等方法，提升了區塊鏈技術在農業領域的程序配置效率和實用性。此外，數據庫技術與軟件應用在深度和廣度上推動了區塊鏈技術與農業領域的快速融合發展，引領了區塊鏈農業應用的研究前沿。

基于此，本研究提出以下建議，以期為我國區塊鏈農業應用科研工作和決策提供參考依據。

①加大基礎性技術研發力度，提高我國區塊鏈農業應用的全球影響力。明晰國際區塊鏈農業應用技術發展脈絡，把握和洞悉區塊鏈農業應用技術的動態前沿，保持我國區塊鏈農業應用的技術研發優勢，進一步發掘研發潛力，堅持技術成果產出與技術成果質量并重，鼓勵企業與高校、科研院所聯合進行技術攻關，提升我國機構在區塊鏈農業應用技術研發上的競爭實力，進而提升我國區塊鏈農業應用技術研發的國際影響力，為區塊鏈技術發展提供強有力的技術支撐。

②把握技術前沿、追求技術創新。隨著物聯網、大數據時代的到來，基于智能合約的區塊鏈技術正在或有望成為解讀農業農村發展諸多問題必需的“新基建”。目前我國區塊鏈農業應用研究仍處于起步階段，區塊鏈的存儲容量和可擴展問題、吞吐量和延遲問題、隱私泄露問題、高成本建設問題、規則問題以及基層技術力量缺乏等諸多問題，將不斷給區塊鏈農業應用技術創新帶來新的挑戰。國家“創新驅動”的發展戰略為農業科技創新提供了發展動力。研究人員應緊跟國家發展戰略，把握區塊鏈農業應用研究的國際動態、前沿技術，不斷探索區塊鏈與物聯網的深度交叉融合，保障我國區塊鏈農業應用具有持續的國際競爭力。

③不斷探索，積極推動區塊鏈與我國農業產業融合創新。專利的經濟價值很大程度體現在市場應用層面[53]。目前我國已經把區塊鏈農業應用推廣提升到國家戰略的高度，2020年中央1號文件提出要加快區塊鏈在農業領域應用，開展國家數字鄉村試點。我國農業農村存在的食品安全、面源污染、金融排斥等問題一定程度制約著我國鄉村振興發展，利用區塊鏈與智能合約技術，積極探索區塊鏈與精準扶貧、農村環節整治、農村資產經營體系以及農村電子商務的融合創新等去中心化社會治理架構，為解決我國農業農村問題，促進鄉村全面振興提供社會治理新范式。