（2022 年江蘇省通信學會“華蘇杯”論文征集評優三等獎）基于中臺的智慧農業建設模式淺析

李 凡 張殿銳

中通服網盈科技有限公司

0 引言

隨著智慧農業質量追溯、無人農場、農業自動控制、蟲害識別等技術的實效性、成熟度不斷提升，農業生產經營主體建設智慧農業系統的意愿不斷增強，然而，由于不同供應商之間的技術壁壘和用戶信息化管理水平相對落后，智慧農業系統建設過程中不斷產生數據孤島，表現在重復建設網絡存儲和計算資源、感知網絡和數據庫、決策分析模塊，直接導致用戶建設和運維成本增加。以典型的農業產業園運營公司為例，如表1 所示，信息化業務系統普遍存在軟硬件基礎設施、數據資源、業務模塊方面的重復建設內容。其次，不同系統中存在數據二義性，使得用戶使用和信息系統數據集成變得更加困難，比如在作物生長物聯網系統中，溫度字段表示三個含義，在氣象站采集器中表示空氣溫度，在土壤傳感器中表示土壤溫度，而在作物表型傳感器里就表示作物表層溫度。對于上述數據孤島、重復建設、數據二義性、運維復雜等信息系統弊端，用戶始終沒有有效的解決方法。

表1 智慧農業信息化系統重復建設資源表

打破孤島、集約建設、數據治理需要統籌信息系統集成架構規劃和演進戰略，本文結合智慧農業業務特點，引入中臺框架，提出一種基于中臺的智慧農業建設架構和模式，以期有效解決傳統智慧農業建設模式中的數據孤島、重復建設、數據二義性和運維復雜等弊端。中臺是基于“前臺+后臺”架構演變而來，指的是將前臺與后臺間的共性模塊打通，將數據、服務、技術設施等資源整合成標準功能單元，一般包括數據中臺、業務中臺和技術中臺。從實際效果看，中臺能夠整合資源，提高數據質量，實現技術平臺高效復用、快速適配業務需求。

1 智慧農業中臺內涵

智慧農業中臺既有智慧農業數據和業務領域特性，也有中臺技術本身的維度和特點，從實際建設角度講，要結合建設、管理和運維需求，考慮統分結合、權限合理、管理高效、集約建設的原則，建議智慧農業中臺劃分為三個主要方面：

（1）安全標準的技術中臺

智慧農業技術中臺為用戶提供智慧農業基礎設施、統一門戶、集成中間件等能力，建設統一的信息技術標準和網絡安全管理體系。技術中臺應形成“五統一”：一是統一的基礎設施，包括混合云、虛擬化、田間導航和通信支持系統等，提供集約的基礎設施資源。二是統一的身份認證和單點登錄，提供統一的可信用戶和授權認證體系；三是統一的智慧農業門戶，PC 端和移動端實現統一入口，實現應用、待辦、功能、信息聚合；四是統一的網絡信息安全設施，實現流量、數據、日志審計、災備多方面的安全，符合信息安全保護要求。通過“四統一”技術中臺建設，形成對業務資源、訪問、授權、安全和建設標準的統籌管理和支持能力，構成智慧農業業務系統的門戶，如圖1 所示。

圖1 智慧農業技術中臺示意圖

（2）高效治理的數據中臺

數據中臺為用戶提供數據出入庫接口、清洗規則、數據共享交換、挖掘分析、數據審計能力，并為上層應用提供主數據，包括組織機構數據、地理信息數據、客商/供應商數據、收支數據等。在具體建設層面，數據中臺應包含針對異構數據的采集、清洗、加載、回刷模塊，形成數據共享交換模塊；數據倉庫和經營分析、事件預警等數據服務標準組件，以及針對數據共享交換的ESB 總線等，形成數據服務模塊；貫穿架構垂直到底的數據管控和制度體系，如元數據、數據標準、數據審核、數據質量、數據安全技術規范，以及智慧農業數據管理制度，明確數據管理范圍、數據管理組織和權責、數據管理流程、數據管理量化指標（數據質量要求：完整性、及時性、準確性、一致性、唯一性、有效性的六個緯度計算標準）；數據挖掘分析組件、倉庫開發組件、數據模型組件等開發套件，形成數據中臺開發套件。如圖2 所示。

圖2 數據中臺框架圖

（3）面向服務的業務中臺

業務中臺與數據中臺交互數據，并向上層業務應用提供標準化、模塊級的業務處理能力，應包括環境信息服務、設備控制服務、農情分析服務、行政審批服務、銷售支持服務、質量控制和追溯服務等模塊。環境信息服務提供基于權限的環境信息采集功能；設備控制服務為用戶提供系統級的生產任務上傳下達功能，對灌溉設施、通風設施等的控制能力；農情分析服務支持基于片區、時間、天空地各個維度的農情數據、圖像查詢檢索和展示比對分析功能；行政審批服務提供智慧農業活動所需人、財、物、信的審批；銷售支持服務提供在線下單、支付返利、客戶評價、投訴反饋、物流跟蹤等模塊；質量控制與追溯服務提供快速記錄質量控制點，生成追溯碼，掃碼查詢農產品產地、生產環節等服務。

2 智慧農業中臺層次架構

架構設計綜合可用性、便于擴展、安全性、健壯性等非功能性需求，考慮中臺架構的分層特點，采用高內聚、低耦合的軟件設計思想，統籌管理和技術維度，從而支持實現戰略目標，對技術建設活動形成約束和指南。架構具體內容釋義，一是管理維度：戰略目標，引領智慧農業建設的總指南，數字化活動需圍繞戰略進行；綜合應用，圍繞戰略目標，依托中臺支撐，進行超越業務中臺層面的決策、管理、營銷活動；約束層，指制度、標準、架構，對數字化建設活動形成具體約束，確保平滑、可持續；保障層，提供建設運行的安全、組織和運維資源保障。二是技術維度：技術中臺層，指計算存儲數據庫基礎設施、單點登錄和門戶、田間導航定位、通信傳輸、安全保障等基礎軟硬件能力；數據中臺層，為業務中臺活動提供數據共享交換、數據治理、數據審計、數據分析支持；業務中臺層，圍繞綜合應用所需的標準化共性業務模塊，提供中間件標準接口。

智慧農業中臺層次架構圖如圖3 所示。

圖3 智慧農業中臺層次架構圖

3 以中臺為底座的關鍵場景描述

與傳統的煙囪式建設模式不同，以中臺為底座的智慧農業系統，將技術資源、數據資源、業務標準模塊視作整體的中臺資源體，形成面向業務服務的場景式集約化應用模式，某個場景映射于某個業務系統，而是形成集成應用資源池，所有業務應用以微服務形式呈現。從邏輯層面，可以劃分為如下維度，面向生產者：以大田種植活動為例，形成一體化的生產計劃和活動上傳下達、自動化生產作業、視頻會議在線研判的業務場景。面向管理者：提供一體化的行政審批、質量管控、農業用水和環境安全監管等業務場景。面向服務購買者：以種植大戶、經銷商為主要對象，形成一站式農技、農資、農機、金融等業務場景。面向消費者：形成一站式電商銷售模式和可視化溯源業務場景。面向決策者：以數據可視化為特征，提供農產品生產質量控制點風險預警、產量預測、農事活動決策、客戶畫像、經營分析等業務場景。以中臺為底座的智慧農業關鍵業務場景邏輯邏輯表現如圖4 所示。

圖4 以中臺為底座的智慧農業關鍵場景邏輯示意圖

4 建設智慧農業中臺的步驟

智慧農業中臺建設既有傳統軟件分析的活動規律，也有中臺自身的建設特點，用系統工程和集成思維進行統籌，具體建設步驟方面，建議如下：一、建立目標，根據主體需求，識別智慧農業關鍵業務場景，建立切實可行的中臺建設目標，目標需符合SMART（Specific 具體、Measurable 可衡量的、Attainable 可實現的、Relevant 相關的、Time-Based 有時間表的）模型原則，并以此目標作為統籌智慧農業中臺建設活動的錨點；二、調研，摸底現有智慧農業系統功能、架構、數據現狀，獲取數據字典和數據開放性描述文檔；三、需求分析，面向用戶，采用結構化、非結構化形式研究中臺建設的目標，梳理指標體系集、需要共享交換的黃金數據、重點關注的事件集；四、設計，研究制定標準、模型、技術架構；五、環境部署，部署中臺所需要的采集平臺、計算平臺、中臺工具、服務平臺套件；六、開發，開發智慧農業中臺工具，加載現有數據，開發數據模型；七、集成測試和調優，集成現有業務信息系統，對中臺的功能、性能進行測試評估，對系統進行調優。

5 保障措施

（1）規劃保障。樹立長期可持續思維，做好架構規劃，建立必要的里程碑，以應用場景驅動中臺建設，先急后緩、先易后難、持續推進。

（2）制度保障。圍繞智慧農業中臺目標，建立數據管理制度，標準、授權、管理職能和一致性責任矩陣；建立流程管理制度，實現流程審計、變更、授權的一致性責任矩陣；建立信息安全管理制度，實現設施安全、數據安全、信息安全的一致性責任矩陣。

（3）組織保障。智慧農業中臺建設活動中，用戶角色不僅是傳統的項目管理和應用維護，而且要承擔是業務、數據、架構工作，因此，須建立安全、數據、管理、軟硬件開發和運維一體化中臺建設運營團隊。

6 結束語

智慧農業建設已經進入加速建設期，按照傳統信息化建設的模式，已然帶來重復建設、系統孤島、數據沖突的信息化困境。本文提出基于中臺的智慧農業建設模式，闡述了技術中臺、數據中臺、業務中臺的內涵，分析了智慧農業中臺層次架構，展望了以中臺為底座的面向服務的模塊級綜合場景，提出了建設步驟和保障措施，提供建設智慧農業的新思路、新路徑，以期對智慧農業建設主體開展相關建設和運維活動提供有益參考。