Advanced Science | 中国热科院阙友雄团队联合中国科学院罗鸣团队提出区块链赋能智慧农业的新架构

当区块链遇上卫星遥感与人工智能，农业生产将迎来怎样的变革？近日，中国热带农业科学院甘蔗研究中心联合福建师范大学、中国科学院华南植物园、墨尔本皇家理工大学等国内外科研团队在国际权威学术期刊Advanced Science发表题为Blockchain-empowered H-CPS architecture for smart agriculture研究论文，首次提出区块链赋能的“人-机-物”三元融合智慧农业架构，为提升农业生产效率与破解数据安全难题提供了全新解决方案。

1、“三模块架构”全面加持

研究团队构建的智慧农业系统如同“数字神经网络”（如图1），包含三大核心模块：物理层的物联网传感网络，实时采集作物生长数据；网络层的区块链分布式账本，保障数据安全；人机交互层的AI决策系统，提供精准农事建议。在甘蔗数字化示范基地的测试中，该系统使灌溉用水效率提升25%，病虫害预警准确率提高30%。

图1 区块链驱动的智慧农业H-CPS架构

2、“区块链+AI”双引擎驱动

该研究团队创新性地将语义区块链技术与联邦学习结合（图2）。比如，当无人机扫描甘蔗田时，其搭载的多光谱相机数据，将通过5G网络实时上链，AI模型则自动分析叶片病斑特征，而农户的种植经验，则通过智能合约，转化为可执行的数字资产。如果将该系统应用到果蔗产业，在供应链追溯场景中，每一株甘蔗从种苗到加工的全流程数据，都会被加密存储，消费者扫码即可验证产品真伪，获得全面信息——测试数据显示，基于区块链的溯源系统，将使交易纠纷率下降68%。

图2 区块链在智慧农业中的应用

3、“语义分片技术”强力突破

研究中最具革命性的突破在于“语义分片技术”（如图3所示）。通过将作物表型、基因型数据、气象模型等海量信息，转化为语义特征向量，系统可进一步将其自动划分为不同的区块链分片，使数据查询效率提升45.88%，存储空间降低95.76%。在模拟实验中，该技术成功将10万份水稻基因组数据检索时间从12小时压缩至9秒。

图3 语义区块链

4、“数字农田”的未来愿景

这套系统就像给农田装上“数字大脑”，让每一株作物都拥有可追溯的“数字身份证”（图4）。在甘蔗主产区，区块链赋能的智能合约，将能有效实现自动灌溉——当土壤湿度传感器数值低于30%时，系统自动触发水泵并在灌溉结束时实时结算水电费用，较传统人工管理节约成本18%。更令人振奋的是，该架构在棉花、大豆等作物的测试中同样表现优异，能够在使农药使用量减少20%的同时提升产量15%。

这项研究不仅为智慧农业提供了理论框架，更将催生多项落地应用：基于语义区块链的农业保险系统，能自动核验灾害损失并秒级赔付；分布式机器学习平台，将让不同地区的农户共享AI模型，却不泄露隐私数据。正如阙友雄研究员所言：我们要让技术成为农田里的“隐形管家”，而非替代农民的“冰冷机器”。

图4 基于H-CPS、区块链和人工智能的数字作物试点

中国热科院特聘研究员/福建师范大学汪晓丁教授、中国热科院生物所吴期滨副研究员为共同第一作者，中国热科院生物所/甘蔗研究中心主任阙友雄研究员与中科院华南植物园罗鸣研究员担任通讯作者。该研究获得国家热带农业科学中心甘蔗科技创新团队、热带作物生物育种全国重点实验室科研专项、国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的联合支持，所研发的相关技术已申请发明专利15项。

https://doi.org/10.1002/advs.202503102