基于智能合約的草牧業產業鏈系統平臺設計

高亞偉， 王 哲

（華北水利水電大學信息工程學院，河南 鄭州 450045）

0 引言

2015 年中央1 號文件提出，加快發展草牧業，支持青貯玉米和苜蓿等飼草料種植，開展糧改飼和種養結合模式試點，促進糧食、經濟作物、飼草料種植結構協調發展[1]。王明利[2]指出發展牧草產業必須要占用耕地，農業結構要調整為“糧+經+飼+草”結構。站在整個產業鏈的角度，草牧業發展關乎國計民生，只有從農業結構上進行調整，從種養結合的角度出發，合理發展草牧業，構建農牧結合、為養而種的新型農業發展模式，才能實現整個農業產業鏈的優化升級[3]。進入21 世紀以來，中國互聯網技術的發展已經走在了世界的前列，如何利用互聯網完成農業尤其是草牧業產業生產要素的優化配置，提升產業創新能力和生產力，成為重要問題。綜觀“互聯網+”的農業項目應用實踐，普遍的做法是從管理的角度，以政策效果及經濟效益分析為主進行研究，沒能充分調動人的積極性[4-6]。具有去中心化、不可篡改、共識機制、開放性、匿名性、跨平臺等特點的區塊鏈技術在農業中的應用，在農產品溯源、農業眾籌及服務系統等方面中已有大量的研究和實踐[7-10]。本研究擬通過多個部署在區塊鏈上的智能合約將土地、資金、牲畜等相關資源進行優化配置，選擇微信小程序作為流量入口開發系統平臺，在可規模化耕種的耕地上，進行優質牧草的種植推廣和管理，從而嘗試解決人畜爭糧、無人種地、防止返貧等一系列問題，為實現鄉村振興添磚加瓦。

1 系統平臺

1.1 平臺功能

該項目涉及的資源主要有土地、牧草、資本、牲畜、飼養場和人，擬通過區塊鏈技術將這些資源納入系統平臺，并通過智能合約進行交易，使資源得到合理配置。

第1 步設置基地，通過后臺將可以規模化種植的土地設置為種植基地，一塊種植基地按畝分為若干小塊。第2 步開放種植基地的認購，平臺注冊用戶可以根據自己的需求按畝進行牧草種植認購（但不參與實際的種植和管理），稱為草金主（以下均稱草金主）。基地牧草認購完成后或達到截止時間進入第3 步，基地負責人將相應的牧草進行種植和管理，稱為養草人（以下均稱養草人），管理過程中按照系統要求將每次操作進行記錄、上傳（便于質量溯源）。等到牧草成熟后進入第4 步，收割及銷售牧草給養殖場或飼料廠獲得營收，扣除相應成本（如地租、管理費、水電費等費用），與所有該基地的草金主按照事先約定好的規則進行利潤分成。平臺業務流程如圖1 所示。

圖1 系統業務流程Fig. 1 System business process

同理，系統平臺也將養殖場通過后臺設置為養殖基地，基地內養殖的牲畜按照個體進行劃分。基地場主（稱為養牛人，以下均稱養牛人）開放認養、認購，平臺注冊用戶（稱為牛金主，以下均稱牛金主）根據自己的意愿進行投資認購。待牲畜出欄后扣除養殖成本（如場地租金、飼料費、人工費等），按照事先約定好的比例進行利潤分成。另外，最終的畜牧產品消費者也可以直接稱為牛金主，通過平臺認養一頭或幾頭牲畜，待牲畜喂養成熟后，不進入銷售市場直接自行消費，在保證品質、節約開銷的同時，縮短了產業鏈條。這樣既解決了飼養場規模擴大時的資金問題，又解決了消費者購買肉類及奶蛋產品時的品質問題，同時與種植基地結合更解決了草類飼料的購買和銷售問題，最終實現了產業鏈條上資源的優化配置。系統平臺資源配置如圖2 所示。

圖2 系統平臺資源優化配置Fig. 2 Optimized allocation of system platform resources

1.2 系統平臺架構

此研究的出發點是利用互聯網進行草牧業產業鏈資源配置優化和牧草的推廣，是一個農業項目的推廣實踐。借鑒現有的成熟經驗和教訓，考慮到既可以展示又可以管理，同時便于推廣等多方面的要求，微信小程序具有無需安裝、觸手可及、用完即走、無需卸載的特點，同時微信自帶支付功能，因此以truffle+ganache 搭建以太坊私鏈，部署智能合約，微信小程序作為前端用戶交互平臺進行系統架構[11-14]。系統平臺架構如圖3 所示。

圖3 系統平臺架構Fig. 3 System platform architecture

2 關鍵技術

項目擬以資本為媒介，解決資本安全和交易安全是核心技術問題，目前最合適的應用是基于區塊鏈的智能合約技術[15-16]。運用區塊鏈技術將牧草和牲畜變成可買賣的數字資產，然后通過智能合約完成數字資產權屬變更和流通。

2.1 加入智能合約的系統平臺重塑

在不加入區塊鏈的情形下，用戶資金的流向將是個人賬戶轉到平臺賬戶，再由平臺賬戶統管后按照實際交易把用戶投資款項轉給養草人，在牧草成熟后，統一由平臺進行銷售，銷售所得扣除成本即為種植利潤，按照事先約定的比例，由平臺統一支付給草金主和養草人。未加入區塊鏈情況下的平臺資金流向如圖4 所示。在這樣一種平臺中心化經營模式下，容易造成較大的平臺風險。

圖4 未加入區塊鏈情況下的平臺資金流向Fig. 4 Fund flow of platform without joining blockchain

加入智能合約后，首先將基地通過后臺按照最小單位（畝或者頭）依據與實物一一對應的關系進行代幣發行；然后平臺用戶通過部署在區塊鏈上的智能合約認購牧草或牲畜，把投資的代幣轉入對應的智能合約賬戶，智能合約賬戶中的代幣與相應的牧草（包括相對于的土地）或牲畜形成相互鎖定；接下來基地負責人在種養的過程中進行維護操作，包括農事或者畜牧操作，通過維護智能合約將維護賬戶內的成本進行攤銷；待牧草或者牲畜成熟后，進行收割或出欄操作，通過收割智能合同將土地租金等其他一些成本進行最終結算；最后平臺通過銷售智能合約將收割后的牧草銷售給養殖場，蛋奶肉禽等畜牧產品銷售給批發市場或最終消費者，銷售的收入扣除以上步驟攤銷過的成本形成種養利潤，通過智能合約自動流轉到合約各方賬戶，系統平臺釋放被鎖定的代幣和相應的土地或者飼養場。在沒有按照事先約定好的流程結轉完成之前，代幣和相對應的數字資產是一一綁定的關系，對交易的雙方都是一個相互擔保的安全機制，保證了資金和交易的安全。另外，基地為了攤銷成本，需要將每次實際的種養操作記錄上鏈，從而保證整個種養過程記錄可追溯，使產品的質量安全可溯源。

2.2 基于實物的無幣化非同質化代幣

本系統中發行的token（代幣）具有無幣化、非同質化兩個核心特性。無幣化是指系統發行的token 只是為了保證資產安全而與相應實物進行數據綁定的不可脫離實物單獨進行交易和流通的token。非同質化token是指不可替代物（實物契約）代幣，又稱非同質化代幣（Non-Fungible Token，NFT）[17]。從狹義上來講，NFT一般指基于以太坊標準ERC-721 發行的通證。從廣義上來講，NFT 是一種基于區塊鏈的具有不可分割、不可替代、不可互換、獨一無二、可驗證、可流通、可交易等特性的數字資產所有權[18]。本研究所指NFT 即是ERC-721 接口Token。

基地發行代幣是針對基地的實物發行一對一的、基于ERC721 標準生成的token，具有獨一無二的特性，每個基地發布的代幣均不相同，不可相互替代和轉換，如種植基地的token 是基于種植的區位，以畝為單位發布，每一畝牧草和種植該部分牧草的土地作為一個主體發布一個token，則該部分牧草和對應的土地就與該唯一的token 形成了綁定關系，直到牧草銷售后，代幣銷毀，土地被從綁定中釋放，可進行第2 次的NFT 發行。而相對于養殖基地則比較容易理解，每一頭牲畜計為一個不可分割的主體進行代幣發行，基于ERC721標準生成的一個token，該token 通過如RFID 耳標或者其他與該牲畜綁定的唯一標識碼形成綁定，一個token就代表一頭牲畜，直到牲畜出欄銷售，該token 解除與牲畜的綁定，銷毀并轉換成可在現實流通的資金。在本研究中，所有的非同質化代幣（NFT）是不需要在區塊鏈上進行交易的，具有無幣化特性，僅僅是用來與實物形成一對一的綁定關系，目的是對相應的數字資產標明所有權。

作為token 的存儲賬號，本系統賬號分為兩類，外部賬號和內部賬號，其中外部賬號包括基地賬號、用戶賬號等可與現金賬戶進行資金流轉的以太坊賬戶，而內部賬號則為智能合約賬號，與外部賬戶進行token的自動結轉。在token 發行時，基地按照市值（土地租金、牧草種苗成本或牲畜種苗成本等）及事先約定好的規則（如畝均人工成本、畝均水電成本或頭均人工成本、疫苗成本等）發行token，平臺用戶通過token 銷售智能合約進行數字資產（token）認購時，相應的資金進入平臺、基地及用戶三方認可的托管賬戶（三方共同認可的一方或者第三方賬戶，以下相同），而token 以正負相對應的形式進入token 發行智能合約賬戶和用戶賬戶，其中智能合約賬戶對應的token 為負值（用于消耗類及資金劃撥），而用戶賬戶對應的token為正值（用于標明數字資產的所有權），此兩類代幣是一一對應的，其和為零。發行完畢或時間截止，則智能合約賬戶內的負值token 按照約定數值轉移至維護智能合約賬戶和基地賬戶中，其中基地賬戶中的token可通過提現將托管賬戶內的資金轉移至基地現金賬戶，用于基地種植的成本開支，而維護智能合約中的負值token，通過日常種養維護操作，分次轉入基地賬戶，通過提現將托管賬戶內的現金支出用于人工及各種耗材的現實消費。在最后收割或出欄操作時，所有的負值token 轉入基地賬戶，相應的基地將所有托管賬戶內的資金轉入約定的基地資金賬戶，此時基地的相應數字資產依然與用戶賬戶內的token 綁定，只有當基地通過銷售操作調用銷售智能合約時，基地賬戶內的負值token 與用戶賬戶內的正值token 相互抵消，從而銷毀該部分token，并與相應的基地進行解綁，銷售收入的資金進入托管賬戶，攤銷成本后按照事先約定的比例進行利潤分成。基地可以發布第2 輪的認購，重新發行token，進入新一輪的循環。

2.3 基于基地的NFT 多次發售

由于該項目的token 是NFT 代幣，所以每一塊基地都會獨立發行與該基地種養牧草或牲畜相對應的代幣，基地的上線是第1 次token 發行，當一個種養季結束后，該部分token 將銷毀，與該token 綁定的基地可以重新開發認購，基地重新開發認購（新種植和新養殖），進而再一次發行token，從而實現token 發行、銷售、銷毀的一個循環。系統智能合約部署及代幣生命流程如圖5 所示。

圖5 系統智能合約部署及代幣生命流程Fig. 5 System smart contract deployment and token life flow chart

該項目的token 發行不像比特幣或者其他眾籌類項目一樣在項目之初就確定總發售量，一次性發售，而是基于實物的多次token 發行，每一次基地上線或者重新開放認購就是一次新的與實物一一對應的非同質化token 的發行，從而保證token 與實物的一一對應關系，種養產品成熟銷售，token 即進行銷毀，重新種養，重新發售。

3 結束語

本研究通過部署在區塊鏈上的代幣發行銷售智能合約、資源維護智能合約、成本攤銷智能合約、利潤結轉智能合約等將土地、牧草或牲畜轉換為可以在系統進行交易的數字資產，實現了資源優化配置，同時縮短了產業鏈條，是利用“互聯網+”進行農業項目的推廣和實踐，是嘗試利用信息技術促進農業產業鏈條高效運轉和快速發展的案例，未來與基于物聯網的智慧農業相結合將是移動互聯的產業化應用解決方案。