柴 洪，何 莉，杨林娟，殷富岐，赵 涛

(甘肃农业大学财经学院，甘肃省区域农业与产业组织研究中心，甘肃 兰州730070)

0 引言

我国是世界第一大苹果种植国，苹果产量占全球的50%以上，2019年我国苹果产量4 000万t，消费量3 430万t，全球苹果平均单产15.87 t/hm2，我国苹果单产17.54 t/hm2，位列全球第27位[1]。在苹果产量供给大于需求和国内苹果单产较低的情况下，依靠技术进步，引进信息化管理方式提高苹果产业链管理水平，通过物联网整合苹果产业链大数据，建立苹果育苗、种植、加工、运输大数据库，形成产业链管理大数据流，通过区块链、云计算和5G技术应用提高从苹果育苗到餐桌的全产业链管理水平、管理质量和管理效率，实现从产量效益向质量效益转变的发展模式是解决苹果产业发展的有效途径。课题组对甘肃静宁苹果产业概况、苹果种植质量控制模式进行了调查分析，针对传统苹果种植过程管理存在的问题提出了苹果产业链物联网管理控制体系结构。

1 物联网在农业生产经营的研究与应用

国家鼓励农业物联网推广普及，国内在农业物联网技术研究、应用，以及物联网云平台建设方面均取得了进步。在产业政策方面，国家相继出台了物联网产业政策和规划纲要积极推动物联网在农业中的应用。2010年10月国务院通过的《关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将物联网确定为“十二五”七大战略性新兴产业之一，明确了物联网发展的目标、任务、方向和支持政策[2]。2013年我国将“精准农业”作为国家物联网应用示范工程之一，国家出台的《“十三五”全国农业农村信息化发展规划》《关于推进农业农村大数据发展的实施意见》《数字乡村发展战略纲要》和《数字农业农村发展规划(2019—2025年)》均提出要加快大数据、云计算、物联网在农业生产经营的应用，在农业生产经营中物联网关键技术装备创新要有重大突破[3-6]。

学者们基于物联网在稻米、特色农产品、葡萄酒、设施蔬菜、乳制品、主粮生产等方面展开了应用研究，在农业物联网传感技术研发、管理平台开发、冷链监测方面提出了应用方案[7-15]。目前物联网在智能水产养殖、智能大棚监控、智慧农旅综合管理、大田种植监控、农业视频远程监控和数字化牧场管理方面都得到了广泛应用。从2011年开始全国各地相继建立了农业物联网、农业大数据平台，如海尔COSMOPlat农业物联网平台——海优禾，农信通集团的农业物联网平台，国内规模最大的农业物联网综合信息平台，广西南宁智慧农业云平台，托普云农物联网平台等[16-18]。随着物联网快速发展，通过搭建物联网应用平台推动了农业大数据挖掘技术进步，通过数据收集、清洗、计算和分析支持农业生产经营可视化管理、智能化服务、精准化种植加工。

2 甘肃静宁苹果产业现状

2.1苹果产业分布情况

甘肃静宁属于黄土高原优势苹果种植区，近几年来静宁根据苹果产业发展规划对苹果种植面积和布局进行了调整和扩张，果园面积达4.67万hm2，占全县耕地总面积的46.67%，户均果园种植面积约为0.7 hm2，人均面积0.15 hm2。静宁南部和中部丘陵平缓地区基本实现果园全覆盖，因自然条件限制北部地区苹果产业发展速度慢，果园呈零星分布，目前尚处于小面积试栽培阶段。总体上看，静宁苹果种植基地已初具规模，形成了集中连片发展模式，目前已经建成仁大、李店、城川和贾河等12个果园化乡镇、80个果品专业村，形成了李店河流域、城川河流域、葫芦河流域和贾河流域等一批规模化苹果示范基地。静宁苹果产业发展重点是建设标准化示范果园，提高果园的技术管理和生产水平，成立果业技术服务站，引进苹果种植技术人才为苹果种植提供技术指导。静宁苹果优势地位显著，县里成立了果业服务中心，将分散的果农组织起来，通过参加国内水果节，举办中国平凉金果博览会和首届中国农民丰收节等系列活动提高品牌效应。

2.2苹果产量与果园基本情况

静宁是农业农村部划定的全国苹果优势产区之一，静宁拥有中国第1个苹果类品牌商标“平凉金果”，静宁也是“中国苹果之乡”“中国优质苹果基地”，静宁将苹果作为第1支柱产业带动了地区经济发展和果农增收。2019年全县苹果总产量88万t，总产值39.6亿元，农民人均果业收益突破5 800元，占农村居民人均可支配收入70%以上，苹果产业已经成为静宁农民脱贫致富奔小康的支柱产业[19]。因此本文选择调查分析静宁县苹果种植质量控制情况。

2014年以来静宁县苹果优果率逐年提高(表1)，2015年和2018年因静宁13个乡镇遭受重大冰雹灾害产量同比减少，其他年份产量均同比增加，小果率保持稳定。根据调查统计的静宁莲花、仁大、李店、余湾、双岘和城川6个乡镇共12个果园情况(表2)，果树树龄在13年以上，果树均处于盛果期，品种单一均为红富士。

表1 2014—2018年静宁苹果优果率和苹果产量

表2 静宁苹果园概况

3 传统管理模式下苹果种植质量关键控制点

3.1果园水肥控制

适时、适量浇水施肥是果树生长和管理的关键环节，也是提高苹果质量的重要管理措施。如表3所示，传统模式下静宁果园采用人工控制的“水肥一体化”模式，一年中最重要的两次施水肥时间是3月初至3月中旬果树盟芽期和苹果采摘之后的11月，凭借果农管理经验集中施肥和浇水给果树提供养份，为后期提高苹果质量奠定基础。

3.2果园病虫害防治控制

病虫害防控是提高苹果品质的关键控制点，直接影响苹果的外观和口感。如表4所示，从苹果种植的幼果期到成熟期会出现食心虫病、炭蛆病、果实轮纹病等各种病虫害，重点防治病虫害的时间是果树开花授粉期、幼果生长期和果实成熟期3个阶段，关键是幼果生长期，主要通过人工经验喷洒农药和杀虫剂防治病虫害。

3.3果树修剪控制

修剪果树是果树生长过程中的重要环节，如表5所示，为提高苹果质量，在果树进入冬眠期时凭果农经验剪枝、疏干、清理果树的残枝落叶和腐烂果实，为果树提供良好的土壤条件，有利于来年挂果后果实充分汲取营养、接受光照和均匀着色。

4 传统苹果种植质量管理模式存在的问题

4.1没有将新一代信息技术应用于果树栽培

静宁的果园基本上采用乔化栽培，果树多为主干分层型，树体高大，树枝密郁，透光性差，虽然近几年果农对果树进行了疏干和改形，但是树龄多数在10年以上，果园密闭，树形紊乱，苹果产量低，果径小。因此，需要改进果园管理方式，应用信息管理技术对苹果种植过程进行状态监测和控制提高苹果品质。

4.2缺乏新一代信息技术与果园管理的深度融合

静宁县农村人口44.67万，年轻人因外出上学、进城务工，农村劳动力大量转移，留守的果农绝大多数是老年人和中年夫妇，果农文化程度低，多数为高中或初中以下学历，对新一代信息技术基本不了解。静宁果园管理组织分散，随着静宁苹果种植面积不断扩大，完全依靠果农传统经验管理果园的难度越来越大。由于既缺乏具备专业知识的年轻技术人员，又缺少新一代信息技术管理手段，在果园土壤改良、水肥管理、果枝修剪方面技术落后，从而影响苹果品质。因此，通过引进新一代信息技术打造智慧果园是解决果农管理技术落后，提高苹果品质的有效途径。

表3 静宁苹果园水肥控制措施

表4 静宁苹果园病虫害防治

表5 静宁苹果园果树修剪管理情况

4.3缺乏基于新一代信息技术监控仿冒商标的措施

静宁苹果凭借其独特的口感、风味、色泽和耐储藏等优点，销售量不断上升，产品优势明显。当地“平凉金果”商标注册后不良商家便开始仿冒商标，市场上流通的一部分印有“平凉金果”商标的纸箱中实际装的并不是静宁苹果，导致冒用“平凉金果”商标的苹果销量高于真正静宁苹果销量，对静宁果农的收入、“平凉金果”品牌、质量和声誉造成了重大影响。目前，静宁县建立的电子商务平台主要是解决苹果销售的问题，提供苹果供需信息，但是基于上一代信息技术搭建的电子商务平台还不能解决苹果地理原产地标识追溯的问题，因此需要通过物联网、大数据、区块链技术与苹果产业融合解决合法保护、追溯苹果及苹果加工产品地理原产地的问题。

5 苹果产业链物联网管理优势

5.1远程管理与控制

与工业生产比较，苹果种植区域分散，苹果育苗、种植、加工、储藏和销售管理流程长，确定苹果及加工品地理原产地、病虫害防治、苹果分级、运输、保鲜管理难度大，传统的苹果产业管理方式是“人对物的近程管理与控制”。物联网管理方式通过分布式传感器、控制器可以实现“人对物的远程管理与控制”，因此物联网是发展“智慧苹果业”的重要途径。

5.2精准控制，降低人工投入成本

物联网系统主动化、智能化管理控制比人工管控模式更精准、更高效。通过物联网收集、传输、计算和分析苹果产业链状态数据，按系统内设定好的各种参数由控制器自动精准触发各种系统开关，减少人工投入，新一代信息技术应用有助于提高果农收入[20]。

5.3加速苹果产业链大数据整合与共享

物联网采用先进的“数据转存技术”，环境数据、状态数据存储在分布式传感器和控制器上，以“时时存储，定时上传分析”监测种植、加工、运输和销售状态，数据以电子报表、时间周期图形、视频等多种方式输出，便于分析、对比和监测。物联网应用将苹果产业链上、下游存储的数据形成连续的数据链，有利于用户优化农资配置、原产地认证、质量追溯、品质监测、病虫害防治和产品供需预测。

6 苹果产业链物联网技术应用

6.1物联网应用系统结构

物联网是通过各种输入设备将捕获的现实世界的物理变化转换为电子信号实现万物互联的网络，也是将“现实世界”转换为“虚拟世界”的一个过程。如图1所示，物联网的系统构成包括输入端传感器、控制系统、输出端智能设备，通过无线或有线通讯网络连接物联网域名实现万物互联互通，应用大集成(Grand Integration)、大数据(Big Data)、区块链(Blockchain)、云计算(Cloud Computing)提供安全可控的实时监测、预案处理、产品追溯、安全管理、远程控制、远程控制和报表输出等服务功能，实现人对物的组织、协调、管理和控制。

图1 物联网应用系统结构Fig.1 Architecture of Internet of Things application system

6.2苹果产业链大数据采集

6.2.1实物资产数据采集

苹果产业链物联网建立的基础是实物资产。如图2所示，从苹果产业链的育苗、种植、加工到销售的4个阶段中每一个环节都会形成具有物理特性的实物资产：苗木、果树、农药、农机具、化肥、防雹网、物流设备和仓储设备，将这些资产都贴上电子识别标签，通过电子扫描将实物资产上传到物联网并形成与之一一对应的“镜像虚拟资产”。

6.2.2环境状态数据采集

能反映苹果产业链环境状态的变量有温度、湿度、光照、CO2、病虫害和重金属残留等，通过用于监测环境状态变量——温度、湿度、光照、CO2、测距、图像的各种传感器将采集的各种环境状态变量转换成电子信号后上传到物联网，形成环境状态大数据。

6.2.3控制过程数据采集

在苹果加工过程中会形成工序关键控制点记录，如生产记录、岗位工等级、产品取样、质检记录等，岗位操作人员可以将这些数据实时上传物联网平台，形成苹果加工控制过程大数据，用于加工状态监测。

6.3苹果产业链状态监测大数据分析与输出

苹果产业链状态监测数据是苹果育苗、种植、加工和销售过程状态的信息反馈，如图2所示，通过物联网应用系统的状态监测模块分析、处理采集的数据，并将处理结果以图形、视频、数据表等可视化形式传输至移动终端设备和固定终端设备。

图2 苹果产业链物联网管理应用系统Fig.2 Apple industry chain Internet of Things management application system

6.4苹果产业链设备控制

如图2所示，通过状态控制模块形成苹果产业链过程控制模拟对标数据，此类数据是苹果产业链状态监测数据与产业链流程控制标准数据模拟对标产生的大数据。产业链流程控制标准数据来自于国家、行业、企业颁布的质量和技术标准，如现行的与苹果产业育苗、种植、加工、销售、存储和包装相关的国家标准，包括强制标准2个，苹果苗木产地检疫规程标准(GB 8370—2009)、苹果苗木标准(GB 9847—2003)；推荐标准31个，苹果醋饮料标准(20071102-Q-469)、鲜苹果标准(20000232-T-442)等；行业标准包括HALAL清真食品认证体系、KOSHER犹太洁食认证体系、HACCP质量体系和BRC英国零售商认证体系等[21]。基于云计算、区块链、大数据应用平台将产业链状态监测数据与控制标准模拟对标，应用系统自动计算出状态偏差值和分析偏差产生的原因，并将分析结果传输到移动终端设备和固定终端设备，再由终端设备通过应用软件发出指令控制光照控制器、温控器、湿度控制器、施肥控制器和农药控制器，实现苹果产业链状态自动精准控制。

6.5苹果产业链模拟预测、咨询服务

如图2所示，在模拟预测模块上开发成本、价格、市场需求、产量和气象等各种预测模型，将苹果产业链状态大数据导入预测模型，预测气象、病虫害、产品成本、产品价格和产品供需情况，为果农和加工企业提供咨询服务。

7 结论及建议

对甘肃静宁县苹果园区调查分析发现，传统果园管理模式限制了进一步提高苹果质量，监控仿冒苹果商标的难度较大，苹果地理原产地得不到合法保护。构建苹果产业链物联网技术应用平台可以实现远程管理、精准控制，降低人工投入成本，加速苹果产业链大数据整合与共享，提高管理效率，推动苹果产业高质量转型发展。但是，在苹果产业链物联网建设过程中需要解决以下问题。

7.1加强苹果产业链物联网、大数据基础设施建设

加快低成本、低功耗、广覆盖的光照、湿度、CO2和图像传感器的研发，形成规模化技术推广的投资条件，充分利用地方大数据中心的存储资源，如甘肃已经建成及在建的金昌紫金云大数据中心、庆阳云计算中心、白银云计算中心等，建立苹果园地块权属、种植面积、空间分布、状态控制和产量大数据库。

7.2建立苹果产业社会化服务云平台

便利的苹果社会化服务是苹果产业向集约化、专业化、质量效益型发展的支持和保障，建立农业农资配置、原产地认证、质量追溯、品质监测、病虫害防治和产品供需预测的社会化服务云平台，推动苹果产业向数字化智慧果业发展。

7.3在5G技术条件下开发苹果产业链管理的APP应用平台

以5G技术应用为基础大力开发与苹果产业社会化服务云平台链接的苹果产业管理APP平台，APP应用平台要可视化、功能强且果农易操作。

7.4加强物联网专业人才培养和果农信息化宣传培训

苹果产业要全面形成物联网技术的生产力需要引进专业人才，高等院校要根据市场需求加快物联网复合型专业人才培养。政府搭建平台邀请技术研发、高校教师采取线上与线下相结合的模式向果农做好苹果物联网应用技术的宣传和培训。