基于区块链技术的农机服务供应链平台设计

冷志杰，赵佳，张佳倩，李明阳

（黑龙江八一农垦大学经济管理学院，大庆 163319）

中国粮食主产区生产进入了机械化为主导的新阶段，其中农机专业合作社起到重要作用，通过农机补贴等政策，重点扶持一批设施完备、功能齐全、管理规范、效益显著的农机专业合作社，进行全程机械化社会服务成为政策主流。2019 年中央一号文件强调促进农机装备产业转型升级，提出深入开展主要粮食作物全程机械化，提高农机专业合作社社会化服务质量。农机专业合作社（简称农机合作社）是以农机服务为主的农民专业合作社；全程机械化是指大宗农作物主要生产环节运用先进的农业机械装备，在主产区已经从产前、产中向产后扩展；农机社会化服务质量是指由农机合作社为农业生产提供的产前、产中和产后全过程综合配套服务，满足农机使用者需求的程度[1-3]。综上表明，农机合作社提升全程机械化和社会服务质量是亟待解决的问题[4]。通过粮食主产区调研发现，存在分布式农业机械社会化服务职能的合作社，还拥有农机调度中心进行服务交易，初步形成了物联网背景下的农机服务供应链平台的架构。农机调度中心可获取农机的位置信息、作业开始时间、结束时间、行进轨迹，同时也可获得摄像头拍照信息以及间断拍照信息，提高了农机的管理水平，保障了农机服务的交易质量[5]。农机合作社主要为农机使用者提供农业机械社会化服务，解决了“小农与大机械不匹配”的难题，推动全程机械化的进程[1]。但是，农机合作社存在购置资金紧缺问题和服务资金应付账期长等问题，其实质是农机服务供需之间、供需方与银行之间缺乏供应链利益共享方案和信任支撑机制[6-7]。对此，构建银行参与的农机服务供应链平台，形成利益共享机制成为可行的基础[8]。

在物联网背景下，农机服务供应链是以农机销售商、农机合作社、农机使用者为供应链主要成员，农机合作社完成农机服务所需的资源交易，并把这些资源转化为核心或支持性服务，最终传递给农机使用者，以期通过服务整合满足农机使用者多样化的需求[9-10]。农机合作社采用供应链管理的已有成果，针对农机服务供应链进行治理，包括健全农机使用者的信用评价体系、采取农机跨区作业的方式等[6，11]，这在市场竞争激烈的环境中对农机服务供应链服务效用和总体利润的提高有较强优势，印证了供应链管理的国家战略地位。但是，银行参与的农机服务供应链平台，形成的利益共享机制需要监管和信任的信息透明化管理。对此，在这个不可信的竞争环境中，运用区块链技术，可以保障这种低成本建立信任的新型计算范式和供应链协作模式，可实现穿透式监管和信任逐级传递。

运用区块链技术使得供应链运行的信息透明化成为重要研究趋势。区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化分布式数据库[12-13]。鉴于区块链技术仍处于发展早期[14]，在农机服务供应链中还没有广泛应用。那么将区块链技术应用于农机服务供应链交易平台是亟待解决的问题，其中，物联网农机服务供应链的数据采集和数据存储结构设计，智能合约机制构建是关键，前者保证数据上链的准确性与时效性，促进供应链主体间利益共享提供可能[15]，后者保证了租赁服务交易一经触发，立即实施。这是加速农机合作社实现全程机械化，提高社会服务质量和效益的关键。

综上，针对农机合作社实现全程机械化并提高租赁服务质量的问题，引入银行供应链金融贷款，将区块链技术应用于农机服务供应链，构建基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台，增强农机合作社、银行与农机使用者的相互信任，其目的是有助于提高农机合作社的农机服务供应链整体收益，凝练农机合作社实现全程机械化的服务供应链上的区块链理论。

1 基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台的概念模型

1.1 农机服务供应链及利益共享机制的设计

首先，结合物联网背景下农机服务供应链平台的架构[7]，设计农机服务供应链。物联网农机服务供应链平台作为核心主体，农机销售商、农机合作社、农机使用者和银行是节点或者成员，n 个农机销售商向n 个农机合作社可提供全套农机设备，n 个合作社可为k 个农机使用者提供农机服务，银行可为农机合作社、农机使用者提供供应链金融信贷服务。平台负责农机销售、租赁、调度全程农机作业等管理服务，同时商流、资金流、物流、信息流相关数据上传至交易平台，平台可提供农业机械销售信息、结算信息、用户信用信息、以及农业机械拥有权信息等，期望满足用户的需求，从而实现供应链利益最大化。可以推动形成多种供应链利益共享机制，例如，对全程机械化服务订单提供定价折扣。

其次，针对农机合作社存在购置资金紧缺问题和服务资金应付账期长问题，可设计银行参与的利益共享机制。农机融资租赁利益共享机制：农机合作社首付农机全价的30%租用设备，余款由银行付给农机销售商。合作社分3 年把这笔款项还给银行，3年利息将由农业部的财政项目进行补贴，3 年后，余款结清的农机所有权归合作社所有；农机合作社服务的供应链金融利益共享机制：依据农机使用者的农机服务订单抵押获得订单服务成本资金，农机使用者卖粮付账，向银支付利息。但是，供应链上存在机会主义和败德行为，会导致相关数据不透明，影响机制的实施，这2 个利益共享机制的实现需要贴现的资质信用保障，因此，需要交易平台运行供应链的基础上需要添加区块链技术。

1.2 物联网农机服务供应链上应用区块链技术的概念模型

在物联网农机服务供应链上应用区块链技术，构建的概念模型如图1 所示，下面分别对数据库、智能合约、数据采集和共识机制，以及设计平台架构进行说明。

图1 基于区块链技术的物联网农机服务供应链的概念模型Fig.1 Conceptual model of Internet of things agricultural machinery service supply chain based on blockchain technology

1.2.1 农机服务供应链上区块链的数据存储结构

为了农机服务供应链利益共享机制的实施，需要通过区块链数据结构存储设计保证相关信息的完整和不可更改，如图1 所示。首先，设计数据库数据结构。农机服务供应链平台驱动各节点主体提供农机销售或者租赁、满足农机服务需求的调度、农机服务作业等农机服务时间、位置和质量信息，还要征得农机合作社、农机使用者的信用信息，以及获得政府的补贴等资金信息，提出区块链式存储数据结构，如图2 所示，形成了农机服务供应链上各环节的详细数据信息，比如，农机使用者按照智能合约提交农机服务需求信息进入销售节点1 数据，农机服务供应链平台根据数据存储结构中的调度规则进行调度安排形成节点2 数据。其次，设计数据存储的不可更改算法。各节点提供的详细数据信息经过智能合约验证，最终和数据所在的区块链位置信息一同存入数据库中，形成区块链网络中存储，包括经过哈希计算的数据以及该数据对应的唯一标识码，如图2 所示。综上，这种数据存储结构既提高了数据的上传效率，同时保障了数据的安全可信，具有中心化的不可更改特征，保障了农机服务供应链各环节的利益共享信息管理的需求。

1.2.2 农机服务供应链上区块链的智能合约构建

如图1 所示，农机服务供应链上区块链的智能合约有多个，智能合约实质上是一种去中心化、可自行校验、自动执行核心内容的有约束力的数字化协议。农机服务供应链平台设计智能合约，主要根据不同节点上传的数据，以及平台处理的服务数据等按照利益共享机制的各方责任和义务设置明确的判定规则，即要根据农机服务时间、位置和服务对象、服务折扣定价等服务内容明确设置自动触发的执行条件，以便支持随机动态共识机制产生的受托记账人进行数据的双向验证。设置不同的智能合约，为区块链网络中的农机服务供应链节点提供信息交互、价值转移等利益共享功能[16]。在智能合约代码编写时，将把节点上传的信息或者调用的功能设置作为满足相应合约的触发条件时，平台将自动调用合约实现相应的功能。通过智能合约实现对农机服务供应链各环节的智能监控，如果已有现成的物联网系统和接口，可以通过接口连接到区块链网络，一旦数据有异常，就会自动触发报警合约，警告信息会发送到平台、农机合作社等节点。平台设计智能合约的规则，其中指标的标准可参考行业标准或者专家意见等进行区间和逻辑设置，从而进行验证合约数据和交易信息，具有节省时间，降低成本，交易更准确的特点。

例如，为实施农机融资租赁利益共享机制，设计农机合作社上传数据的智能合约，如图3 所示，根据农机合作社个人信用上传件，按国家农机购置补贴条件上传信息，判定规则包括，个人信用是否合格，农机融资租赁条件是否满足等，从而判定农机融资租赁的准入条件。如果判定不满足，平台会通过区块链网络提示警告，农机销售商和银行监测到，就不会实施农机合作社期望的农机融资租赁模式。

图2 基于区块链技术的物联网农机服务供应链的数据存储结构Fig.2 Data storage structure of the Internet of things agricultural machinery service supply chain based on blockchain technology

图3 农机合作社上传数据的智能合约Fig.3 Smart contract for uploading data by agricultural machinery cooperatives

1.2.3 农机服务供应链上区块链的数据采集和共识机制

农机服务供应链上区块链的数据采集准确性是一个难点。尽管有智能合约的校验，但是数据采集仍然是一个成本问题。因此，尽可能通过计算机、手机、农机设备的各类物联网设备自动化采集，以及人工定位定时录入有关地理戳（符合地理位置）、时间戳（符合时间）、服务质量戳（符合服务质量标准的指标）的数据，地理戳和时间戳可通过物联网、GPS 上传和智能合约的验证获得，服务质量戳可通过随机委托人对作业亩数与农机行驶距离的比例，以及农机作业数据上传和相关智能合约的验证来表达，比如可以通过达成作业亩数，农机行驶距离按网络优化图，农机作业数据满足要求的智能合约的验证。

农机服务供应链平台需要设计数据共识机制保障利益共享机制达成，更重要的是节省管理监管成本。如图1 所示，要求农机服务供应链中各节点的大量数据通过计算机、手机、各类物联网设备等采集或录入信息并上传平台，数据经过预先设置的智能合约校验后，在区块链网络中对数据进行广播，采用随机动态 DPoS（SDPOS）的共识机制[17]：由区块链供应链平台系统中每隔一段时间（t）举行一次投票，随机选出网络的受托记账人，受托记账人进行数据的双向验证，其中一人交易记录并生成新区块，一段时间（t）后需要重新投票选择，如此可以剔除有问题的受托人，提高参与者对系统工作状况的关注程度，而随机性体现在受托记账人的产生机制上，避免提前作弊，提升了交易数据的可靠性，使各节点对上传的数据达成共识。通过共识机制，将信息上传至基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台中，同时，农机服务供应链的完整数据信息和智能合约返回区块中的数据形成映射关系，如农机服务质量程度对应区块的高度和ID 形成的映射关系，都将保存到链下关系型数据库中。

1.2.4 基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台架构设计

在图1 的基础上，设计基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台架构，如图4 所示，由应用层、服务层、核心层、基础层以及通信基础设施组成。其中区块链技术主要应用于服务层、核心层与基础层。通信基础设施主要是数据采集的终端，用于对农机服务供应链中农机销售、调度、租赁以及作业等数据的收集并上传至平台。基础层是对收集的各环节数据进行处理和储存，通过数据存储服务、计算支持能力、分布式网络协议对农机的销售、调度、租赁以及作业决策做理论支撑。核心层是通过分布存储机制、共识机制和时序机制对数据进行处理，进而提供服务，服务层包含账本记录、调度设计、资金借贷，构建了整个区块链平台的应用，应用层为平台使用者，提供可视化的平台操作方式，可使农机服务供应链各节点方便的利用平台各个功能模块以完成各种供应链利益共享机制中不同角色的不同需求，能够实现资源、服务、信息的浏览，也能够使用平台发布设计需求或服务信息。

图4 基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台架构Fig.4 Architecture of the Internet of things agricultural machinery service supply chain platform based on blockchain technology

2 基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台的运作模式

如图5 所示，农机服务供应链成员与银行均需要注册基于区块链技术的农机服务供应链平台，根据角色的获得相关权限，登录平台后，各个成员根据平台提供的标准规范化描述实现自身的服务需求，农机销售商可提供购买或者租赁购买相关的农机价格、性能、贷款信息；农机合作社可提供农机类别、农机租赁购买信息、农机服务信息以及农机使用者贷款信息；银行可提供用户的信用信息以及贷款信息；农机使用者可提供农机需求信息，并传递给平台。农机使用者分为农机合作社社员和非社员，当农机使用者提供农机需求信息，并上传至平台，平台会根据农机使用者的作业距离、作业面积调配农机以供使用。当其他成员有服务需求时，向平台申请，平台会进行服务检索，并给予服务指示。

图5 基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台运行模式Fig.5 Operation mode of Internet of things agricultural machinery service supply chain platform based on blockchain technology

重要的是，该平台可以通过区块链网络的信用支持，使银行放心提供供应链金融业务，一是为农机合作社提供实现全程机械化农机设备的贷款，比如实施农机融资租赁利益共享机制；二是为农机合作社解决服务资金应付账期长，推广全程机械化农机设备的社会服务资金紧缺问题。农机使用者虽然通过注册平台获得权限，提交农机服务要求，但是，由于土地规模大，常常需要卖粮后支付农机服务费用，而农机合作社需要成本才能提供服务，资金流动不了就阻碍了成套设备的广泛应用；此时，银行参与该平台明确农机服务智能合约，可确认合作社和农机使用者的信用，就可以实施供应链金融，先行支付给农机合作社的服务费用，监控农机使用者的秋粮，一经卖掉及时收其应付款项。

3 效果评价

农机服务供应链信息灵活、透明化。例如，七星农场的农机服务拥有农机调度中心进行服务交易，初步形成了物联网背景下的农机服务供应链平台的架构。该平台能够结合供应链成员的访问权限获取和分享农机服务供应链的必要信息，运用区块链去中心化的特点，使供应链参与主体既相互支持又相互独立，七星农场可以在平台上获取所需的信息，充分掌握农机的使用情况，便于调度，使农机服务供应链信息透明化，并且对核心信息进行保密。相比使用平台前，一是供应链各成员所需的信息能够较快被获取，节约了农机使用者的等待时间，同时也加快了农机的使用率，从而提升整个供应链的效率。二是运用区块链技术的农机服务供应链平台，可以有效解决七星农场和农户之间存在信息瞒报等机会主义行为问题，无论农机服务供应链合作成员数量的多少，都可以降低供应链监督成本，从而提升农机服务供应链整体效益。

农机服务供应链金融业务运作流畅。该平台可以通过区块链网络的信用支持，使银行放心提供供应链金融业务，提出供应链金融利益共享机制，提升供应链上各成员的经济收益。以七星农场为例，七星农场农机服务运用该平台，可以控制农机服务供应链上的信息流、资金流等，使各成员相互紧密合作。使用该平台后，与七星农场合作的银行、多个农机使用者全部上平台，银行通过明确农机服务智能合约，确保需要借款用户的信用，从而降低银行借款风险，有效促成农机服务供应链金融业务。

基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台不仅可以一个农场农机合作社使用，还可以推广到更多的农机合作社使用，使用者越多，区块链作用就越大。

4 结论

为了提升主产区农机合作社全程机械化的服务质量，构建基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台，得出：

（1）构建银行参与的物联网农机服务供应链平台，提出农机融资租赁利益共享机制以解决农机合作社购置资金紧缺问题，提出供应链金融利益共享机制以解决农机合作社服务资金应付账期长问题，但是，存在相关数据真实性问题。

（2）构建基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台，其中，通过区块链数据结构存储设计保证服务供应链实施利益共享机制的相关信息完整且不可更改；智能合约的设计使得利益共享机制相关的数据具有去中心化、可自行校验、自动执行的特点；通过自动获取和定位上传等采集手段和随机动态共识机制设计，保证数据可信性。得出该平台有助于加速农机合作社购买并实现全程机械化。

（3）基于区块链技术的物联网农机服务供应链平台，应注意构建和推动可行的农机服务供应链中农机合作社为核心的供应链利益共享机制，使用区块链技术才能实现去中心化情形下对交易事件达成共识，提高平台运行效率，减少核心主体的管理成本。

（4）研究只针对农机合作社服务供应链开展，未来研究可涉及农机供应链的区块链应用。