区块链农业应用现状与技术热点

梁晓贺, 周爱莲*, 谢能付, 张毅, 吴赛赛

(1.中国农业科学院农业信息研究所，北京 100081; 2.中国农业科学院研究生院，北京 100081)

区块链(blockchain)是一种将分布式账本、加密算法、点对点传输等计算机技术综合集成的计算范式，其分布式存储、去中心化计算、数据加密等特点为实现全球的金融交易、数据存储、智能合约等应用场景提供了新的解决方案[1-3]。区块链概念一经提出，迅速引起各国政府、金融机构、科研单位、开源社区的广泛关注[4]。其相关研究从区块链技术特点[5]、构成[6]、核心要素技术改进[7-8]等基础研究延申到金融[9]、能源[10]、教育[11]和医疗[12]等应用领域。目前，区块链技术在农业领域应用研究还相对薄弱[13]，但利用区块链技术促进农业农村高质量发展的应用前景受到了世界各国的高度重视[14]。2020年，农业农村部《数字农业农村发展规划》指出，加快推进区块链农业应用大规模组网、链上链下数据协同等核心技术突破，加强区块链农业应用标准化研究，推动区块链技术在农业资源监测、质量安全溯源、农村金融保险、透明供应链等方面的创新应用[15]。区块链更是首次被写入2020年中央1号文件，由此可见我国对区块链农业应用领域的重视程度。

区块链技术在农业领域应用研究虽然起步较晚，但是已经取得了一些成果，相关研究项目一度成为农业信息化的热点方向[16]。李乔宇等[17]从“通证经济”概念出发，针对现阶段中国农业发展状况，指出农业领域区块链切入点在农业物联网和农产品溯源等方面；王少然等[18]提出“GS1+区块链”应用与生鲜冷链物流防伪溯源；高圣乔等[19]针对区块链落地项目中存在的存储性能低等问题提出了一种基于区块链的食品供应链数据双链存储优化模型；金会芳等[20]结合区块链技术、物联网技术以及相关的金融手段，设计了一种新型的粮食供应链新模式，该供应链平台既可确保整个过程公开透明且数据共享，还可以保证信息的安全性。此外，区块链技术在农业应用领域研究也逐步渗透到农村金融[15]、数据扶贫与机制创新[21]等领域。

专利情报占世界科技信息量90%～95%，通过分析专利文献可以掌握技术的总体研发状况[22]。近几年，区块链相关专利申请数量呈快速增长趋势。国内外学者已经开展了一些利用专利文献分析区块链技术热点的研究。商琦等[23]和苑朋彬等[24]从专利申请趋势、技术区域组织分布、技术研发机构、技术研发重点等角度全面揭示区块链技术的发展概况和未来趋势。Daim 等[25]对德温特专利索引数据库(Derwent Innovations Index，DII)的区块链和物联网领域专利数据进行分析，研究两个领域技术融合的发展趋势和方向。刘星等[26]利用德温特专利创新平台(Derwent Innovation，DI)数据库中2008—2019年区块链专利数据，管窥中美区块链产业发展的差异。刘少芳等[27]从专利权人角度挖掘区块链技术热点。

综上，当前已有研究主要从区块链技术发展脉络、专利权人技术竞争实力、技术热点与趋势等角度进行梳理与评述，对了解区块链技术的发展动态有一定参考价值，但是目前对区块链在农业领域应用的相关研究进展涉及较少。本文以区块链相关专利信息为分析对象，采用专利计量与科学知识图谱方法，对区块链技术及农业领域应用现状与技术热点前沿进行分析，对区块链技术及在农业领域应用专利成果进行系统对比分析，重点揭示区块链农业应用技术发展现状、研究热点及不足，并展望区块链农业应用技术未来发展趋势。

1 数据来源与方法

1.1 数据来源

本研究以Clarivate公司的DII和DI数据库为基础数据来源。DII数据库整合了Derwent World Patents Index(德温特世界专利索引，DWPI)与 Derwent Patents Citation Index(专利引文索引，DPCI)，共收录了始于1963年来自全球40多个专利机构(涵盖100 多个国家)的 1 000 多万条基本发明专利信息和3 000多万条专利信息，其专利情报和科技情报具有非常高的权威性，本文下载DII相关专利数据用于知识图谱分析。DI专利创新平台包含了DII数据库中的全部专利数据，且为专利情报分析提供了更多分析字段，本文应用DI专利创新平台对专利申请时间、国家、机构、技术分类号等字段进行提取和分析。检索时间为2020年12月，检索式为CTB(TS)=(“blockchain” or “block chain” or “block? chain”)AND(agriculture* or rural or agro-)(其中，CTB为DI专利创新平台检索限制条件，TS为DII数据库检索限制条件)，检索时间范围为2008—2019年，清洗查重后最终得到DI专利创新平台区块链相关专利29 285件，区块链农业应用相关专利267件。由于专利申请到专利公布具有18 个月及以上的延迟，2019 年的数据仅供参考。

1.2 研究方法

利用DI专利创新平台的分析功能对专利文本、专利权人、所属国家、申请时间、技术分类号等特征实体进行量化分析，利用CitespaceV软件绘制农业领域区块链的高频技术分类代码图谱及突现技术分类代码探测分析，揭示领域研究热点与前沿趋势。

2 结果与分析

2.1 区块链农业应用技术发展概况

2.1.1技术发展历程 根据德温特数据库，2008—2019年全球区块链及区块链农业应用相关专利年申请变化趋势如图1所示。可以看出，区块链技术发展经历了两个阶段：2008—2014年属于技术发展萌芽期，其间相关专利申请数量持续较低，均不超过200件；2015—2019年属于快速增长期，其间专利经历了爆发式增长。专利数量的突增预示着以区块链技术为底层技术的新一轮信息技术革命正在快速兴起。近20年区块链农业应用技术共申请专利263件，远低于区块链技术专利申请数量(29 258件)，表明区块链技术的农业领域应用研究还相对薄弱。区块链农业应用专利申请最早出现在2013年，近几年相关研究逐步加强。2016年相关专利申请数量突破10件(2016年申请专利13件)，到2018年其相关利申请数量突破100件(2018年申请专利123件)，可见，区块链技术的农业领域应用研究正逐步引起重视。

图1 2008—2019年区块链技术及区块链农业应用技术专利申请量变化趋势

2.1.2技术区域分布分析 由专利区域分布可以看出各国的区块链技术研发实力。根据表1显示，区块链技术强国也非常重视农业领域应用布局，中国、美国、韩国、印度、新加坡、日本、澳大利亚、德国和加拿大同时入选区块链专利申请TOP10国家与区块链农业应用专利申请TOP10国家。目前，中国拥有区块链农业应用技术发明专利数量共204件，远领先于排名第二的美国。但专利授权率排名靠后(第五)，日本、美国和韩国专利授权率名列前三。这一定程度反映出中国区块链农业研发创新性略显不足。

表1 区块链农业应用专利申请TOP10国家

2.1.3机构分布分析 表2为全球区块链农业应用专利申请量排名TOP10的机构，由于区块链农业应用研究起步较晚，总体专利申请数量普遍较少。从机构类型看，10家机构中包含8家企业和2家高校，区块链农业应用研发力量仍是以企业为主；从机构所属国家分析，中国有4家机构入选，日本有2家，爱尔兰、瑞士、美国和德国各有1家机构。从排名分析，中国入选机构数量最多，但排名较为分散，仅有浙江商业职业技术学院并列排名第二，其余3家机构均并列排名第六，一流研发机构培育还需加强。日本岛津公司排名第一，爱尔兰仅有埃森哲有限公司入选，并列排名第二。从主营业务来看，主要集中在利用区块链的去中心化、分布式存储、加密、可追溯以及智能合约等技术特征，解决食品安全、面源污染、农村金融、集体存量资产盘活等问题。

表2 全球区块链农业应用专利申请TOP10机构

2.2 区块链农业应用技术研究重点、热点与前沿分析

2.2.1关键技术小组分布 通过统计不同部、类、组，可以清楚地揭示技术研发的重点，目前区块链农业应用技术的相关研究主要集中在底层技术(H04L、G06F、G06K、H04W、G06N、G06T)和应用领域(G06Q、A01G、G01N、A01B、A01C)(图2)。区块链底层技术架构模型一般包括数据层、网络层、共识层、激励层和合约层五个部分[28]。区块链农业应用技术研究重点集中在涉及Merkle树、链式结构、数据区块和时间戳等技术要素的数据层(G06F)；涉及不同网络架构，如P2P网络、传播机制和验证机制等的网络层(H04L、H04W、G06K)；以及涉及发行机制与分配机制的激励层(G06N、G06T)。目前区块链技术在农村金融领域(G06Q)、农机作业(A63F)以及农业种植系统建设(G08G、G16H)中开展了应用研究。

图2 区块链农业应用关键技术组分布

2.2.2技术热点分析 专利分类代码共现知识图谱可以展示一段时间内专利集中反映的热点类别，通过对高频专利分类代码共现关系分析可进一步明晰研究热点。本研究对近5年区块链技术农业领域相关专利的分类代码进行分析，出现频次高的代码表示相应技术是研究热点[29]。图3为区块链农业应用技术专利共现图谱，以2015—2019年区块链农业应用技术专利为数据源，借助CiteSpace V软件绘制而成。

利用CiteSpace V软件对区块链技术专利按德温特手工代码进行统计分析，得到各类专利的出现频率及中心性大小，按出现频率排序得到排名前10位的热点技术(德温特手工代码分类)，如表3所示。

结合图3和表3可知，区块链农业应用领域TOP10的技术热点，全部属于数字计算机(T01)这一技术大类，农业和区块链的技术热点包括以下几个方面。

表3 排名前10位区块链农业应用热点技术

图3 2015—2019年区块链农业应用技术专利共现图谱

①商业应用模式研究(T01-N01A2、T01-J05A2A、T01-N01A2E、T01-S03)。从应用架构模式设计来看，重点研究了区块链技术与农业供应链[30]、农产品安全领域[31]、农村金融[32]、农村电子商务[33]等农业应用领域模式的融合架构。Kim等[34]运用区块链中智能合约技术等设计出一种农产品溯源模型；从应用种类看，目前区块链在咖啡、鱼肉、牛肉、啤酒、牛奶、意大利面等农业品供应链上进行商业应用，对大豆、谷物、橄榄油、火鸡等20类农产品进行金融、追溯、食品安全等应用实践[35-36]。商业应用是区块链农业应用技术创新的最终目的，探索区块链农业应用技术的商业应用也将持续成为该领域的热点。

②数据处理与传输研究(T01-J05B4A、T01-N01D3、T01-D01、T01-J05A2B、T01-N01D)。区块链的分布式众包记账系统使其具有可无限扩展的能力，尤其是智能合约技术因其中心性特征，有利于减少交易和执行成本。智能合约技术在农业农村相关弱中心化、去中心化领域更是应用前景广阔。付小颖[37]提出了将智能合约技术应用于农业灾害自动检测、自动赔付，提高赔付效率。Shen等[38]通过智能合约调取链下存储在私有或公有云平台的数据，实现农产品供应链全过程信息化。区块链农业应用数据处理与传输方法的发展会为更多区块链农业应用中实际问题的解决提供助力。

③安全管理相关研究(T01-J12C、T01-N02B1B、T01-N01A1)。区块链的不变性引发了数据隐私问题，在农业供应链管理、农产品安全追溯等应用上，区块链技术的安全和隐私问题仍是关注焦点[39]。范贤丽等[40]针对粮食供应链中信息共享时各个主体面临的隐私问题，基于区块链和星际文件系统技术设计了隐私保护系统。霍红等[41]利用密钥与区块链加密技术协同保护农产品集成供应链各个参与主体的隐私。随着农业信息化、智能化发展，对隐私问题的关注度也持续上升，区块链技术在农业应用上带来的隐私问题也将吸引更多学者的关注和研究。

2.2.3技术前沿探测 利用Citespace V的词频探测技术将频次变化率高的词(brust term)从大量主题词中探测处理，采用突现度(burst值)来表示词频变化率的高低。对专利文本而言，专利类别突现度越大，则该类别越可能代表技术前沿领域[42]。利用Citespace V的统计功能探测区块链农业应用的突现词(表4)，技术研究前沿体现在2个方面。

表4 区块链农业应用研究技术突现词分布

①数据库应用(T01-J05B4P)。区块链从本质上讲就是一个共享数据库。农业4.0以智慧农业为典型特征，但是作为复杂的物联网系统，智慧农业面临着数据信息攻击风险，研究分布式共享数据库云平台农业应用技术，使得农业生产数据具备不可伪造、可以追溯、安全可信等特征，这对智慧农业长远发展至关重要。陶启等[43]利用区块链技术构建了从农田到餐桌的大米全产业链质量全信息数据库，以实现食品质量安全的高效管控。Dinh等[44]将区块链技术与分布式数据库相结合，通过增加数据库节点可以提高数据的容错性、并发性和可伸缩性，这对于提升农业全产业链融合水平具有重要意义[45]。随着农业数据库互联网数据的快速发展，区块链技术与其结合的广度和深度也会越来越深入。

②软件技术(T01-F05B2)。随着区块链技术的日趋成熟，必然将诞生一批基于区块链技术的软件应用[46]。软件平台技术是真正实现农业大数据、智慧农业、数字农业的关键所在。目前已有一些学者开展了相关研究，高云等[46]在传统Fabric区块链架构基础上引入了中间件的概念，从而减低了区块链软件开发难度。任守纲等[47]基于区块链信誉监督机制共识算法CSBFT设计了农作物全产业链信息溯源平台，使得上链数据具有更高的安全性和更小的时延。钱建平等[48]以Hyperledeger作为联盟平台开发农业投入品智能管控平台，实现了数据可追溯，提升了可信度。近几年，区块链农业应用技术得到快速发展，其与软件技术深度融合促进技术的应用落地也势必会成为未来研究重点。

3 讨论与建议

本文采用文献计量和科学知识图谱可视化方法，从区块链整体发展状况分析该技术在农业领域应用现状与技术热点，发现区块链农业应用技术具有巨大的发展潜能。从技术发展趋势、技术研发区域、技术研发机构、技术研发重点、研发热点与研发前沿等多个角度进行分析，总结出区块链农业应用研究的发展特征如下。

一是区块链农业应用发展起步明显较晚，区块链农业领域应用研究虽然是当今热门研究，但无论是技术研究还是应用研究取得的成果都明显少于区块链技术总体的发展状况。以专利申请数据为例，近几年，区块链技术及其在农业领域应用研究相关专利申请数量呈快速增长趋势，但区块链农业应用相关专利申请总量不及区块链技术相关专利申请总量的百分之一，相关专利申请数量较少，且主要为近5年申请，其发展阶段尚处于雏形期。

二是研究力量分布不均，各地区发展极度不平衡。中国、美国和韩国这三家全球区块链技术强国非常重视区块链技术在农业领域应用布局，专利申请数量全球领先，但是，中国区块链农业应用专利授权比例偏低，相关基础性、关键性技术研究不足，特别是针对区块链技术原理与农业领域应用的案例研究较少，一定程度制约了中国区块链农业应用的发展。其他国家研究实力相差不大，具有齐头并进的势头。中国入选全球区块链农业应用专利申请TOP10机构数量最多，但排名落后，一流研发机构培育还需加强。

三是全球区块链农业应用主体重点利用区块链的去中心化、分布式存储、加密、可追溯以及可编程的智能合约等技术解决农产品溯源以及农村金融相关问题。目前，数字计算机技术研究仍是区块链农业应用研究热点，特别是农业农村领域生产要素分散，组织难度大等给区块链程序配置带来挑战，一些学者研发了诸如权益证明算法[50]、实用拜占庭算法[51]和有向无环图算法[52]等方法，提升了区块链技术在农业领域的程序配置效率和实用性。此外，数据库技术与软件应用在深度和广度上推动了区块链技术与农业领域的快速融合发展，引领了区块链农业应用的研究前沿。

基于此，本研究提出以下建议，以期为我国区块链农业应用科研工作和决策提供参考依据。

①加大基础性技术研发力度，提高我国区块链农业应用的全球影响力。明晰国际区块链农业应用技术发展脉络，把握和洞悉区块链农业应用技术的动态前沿，保持我国区块链农业应用的技术研发优势，进一步发掘研发潜力，坚持技术成果产出与技术成果质量并重，鼓励企业与高校、科研院所联合进行技术攻关，提升我国机构在区块链农业应用技术研发上的竞争实力，进而提升我国区块链农业应用技术研发的国际影响力，为区块链技术发展提供强有力的技术支撑。

②把握技术前沿、追求技术创新。随着物联网、大数据时代的到来，基于智能合约的区块链技术正在或有望成为解读农业农村发展诸多问题必需的“新基建”。目前我国区块链农业应用研究仍处于起步阶段，区块链的存储容量和可扩展问题、吞吐量和延迟问题、隐私泄露问题、高成本建设问题、规则问题以及基层技术力量缺乏等诸多问题，将不断给区块链农业应用技术创新带来新的挑战。国家“创新驱动”的发展战略为农业科技创新提供了发展动力。研究人员应紧跟国家发展战略，把握区块链农业应用研究的国际动态、前沿技术，不断探索区块链与物联网的深度交叉融合，保障我国区块链农业应用具有持续的国际竞争力。

③不断探索，积极推动区块链与我国农业产业融合创新。专利的经济价值很大程度体现在市场应用层面[53]。目前我国已经把区块链农业应用推广提升到国家战略的高度，2020年中央1号文件提出要加快区块链在农业领域应用，开展国家数字乡村试点。我国农业农村存在的食品安全、面源污染、金融排斥等问题一定程度制约着我国乡村振兴发展，利用区块链与智能合约技术，积极探索区块链与精准扶贫、农村环节整治、农村资产经营体系以及农村电子商务的融合创新等去中心化社会治理架构，为解决我国农业农村问题，促进乡村全面振兴提供社会治理新范式。