管博伦，董伟，张立平，杨前进，汪焱

研究论文

再生稻溯源追踪平台研发

管博伦，董伟，张立平*，杨前进，汪焱

安徽省农业科学院农业经济与信息研究所，合肥 230031

【目的】再生稻由于售价高、品相出色、味道香、绿色无农药等优点深受消费者喜爱，但市场上以次充好、防伪难等现象的发生让再生稻的发展受到了限制，利用信息化手段监控再生稻的生产和市场进入成为了重点。【方法】文章详细分析了再生稻实际生产需求和数据格式要求，结合现代信息化技术和物流体系，从需求分析、技术架构、溯源数据格式、系统体系架构和系统功能分析5个方面详细阐述了再生稻溯源追踪平台的研发过程和核心功能体系。【结果】再生稻溯源追踪平台，实现了再生稻从生产到销售全过程可监控、可追溯、可管理、可分析和可拓展的功能体系，保障了市场上再生稻米的质量可靠、生产过程中的种植数据可信和管理过程中的信息安全，提升了消费者对再生稻的品质和信息信任度。【展望】目前再生稻溯源追踪平台主要针对再生稻从种植到销售全周期过程的信息追踪和管理，未来在生产和销售数据充足的基础上可结合农业物联网、区块链和大数据技术，从生产上开展无人精准种植，建立更加绿色环保和智能化的种植过程；在销售过程中结合大数据分析技术构建产销模型，建立更加有效的产销模式；在管理过程中结合区块链技术保证数据安全可信，建立更加高效的管理模式，帮助农民增收，保障食品安全。

再生稻；信息化；溯源；农业物联网；区块链；大数据

1 引言

我国以占世界约9%的耕地养活占世界近23%的人口[1]。水稻作为我国第一大粮食作物，在我国粮食安全中发挥着举足轻重的作用。随着我国社会经济的发展，人们的生活水平逐步提高，人们对食物的要求已经从吃饱转变为健康，尤其近几年受到新冠疫情的影响，消费者对农产品的质量与安全有了更高的要求，水稻在国民经济所占的地位显得更加重要[2]。

再生稻具有日产量高、生育期短、生产成本低、效益高和种植1茬收获2茬等优点，是一种重要的稻作模式[3]。在一季温光有余、两季温光不足的地区，再生稻是增加稻田单位面积稻谷产量和经济收入的重要措施之一。霍邱县位于安徽省中西部，北纬31度地区，具有一季稻生产温光资源有余，双季稻生产温光资源不足的植作特点。近年来，当地逐步探索出适合中稻栽培的“一种两收”模式，成为我国最北端的再生稻栽培地区，实现了稻谷增产、农民增收、减少农药使用量和绿色稻米生产大规模发展等目标。再生稻因其产量提升、农药使用量减低、投入减少和售价提升等优点受到农户的喜爱，又因其品相出色、味道香和绿色无农药等特点受到消费者青睐，具有广阔的发展前景。但由于农户以前收获的再生稻主要用于馈赠亲友，难以集中和大量入市销售，市场上存在着以次充好等行为，引发了霍邱县优质再生稻防伪难、优质不优价和质量参差不齐等问题，因此，对再生稻生产环节和市场进入环节进行监控成为解决以上问题的重要措施。

随着计算机技术的快速发展，精准农业和智慧农业也得到了长足发展，现代化农业不断前进，农业数据呈现出了爆炸式的增长，农产品质量溯源平台得到了较快发展[4]。英国于疯牛病事件后颁布了各项法规，禁止非溯源食品进口[5]，2004年日本扩大产品的追溯范围，通过立法建立了食品追溯制度[6]。2000年以来我国开始逐步探索溯源体系[7]，2000年上海市农委将农产品溯源列为市科技兴农重点攻关项目[8]，谢菊芳等人[9]利用二维条码技术、RFID技术和组件技术，构建了基于.NET构架的猪肉安全生产的追溯系统，白云峰等人[10]采用基于产品批次记录与逐级编码方式构建了肉鸡安全生产质量监控可追溯系统，赵岩等人[11]根据甘蓝类蔬菜质量安全追溯要求,构建了甘蓝类蔬菜质量安全追溯框架，乔晓刚等人[12]采用B/S架构模式，使用J2EE整合了信息技术和数据库技术，研究开发了支持多条件模糊查询的新疆葡萄产品质量安全可追溯系统。如今，各种农业物联网传感器的出现使得农业生产数据的获取更加方便快捷，给溯源追踪平台提供了底层数据获取的保障[13]，发达的物流体系对溯源提供了物流运输环节的保障，同时安徽省农产品质量安全追溯系统的上线运行给溯源追踪平台的建设提供了完整的数据结构和开发标准。

再生稻溯源追踪平台是融合产品编码、数据库、计算机网络、物联网、区块链等信息技术，对再生稻的生产、加工、包装、运输、销售等全过程生命周期进行监控与管理的平台型信息系统。平台基于产品信息、环境信息、人员信息、质量信息、状态信息等关键信息与数据，对再生稻的安全生产以及产品质量进行追溯与跟踪[14]。通过对再生稻生产中的各个环节进行监控，使得再生稻从播种到销售整个过程都有迹可循，每一个生产环节都能够进行追踪溯源，从而明确了再生稻在生产中各个环节的质量保障与安全责任，加强了再生稻的可追溯性和安全性，提升了消费者对再生稻的信赖度和知情度，对再生稻的质量安全以及优质优价进行全面地保障，杜绝了以次充好以及消费者疑虑心理的产生。

2 需求分析

软件需求分析是软件开发前期非常重要的一个过程，需求工程影响整个软件的生命周期，做好需求分析能加深对复杂软件在细节和相互依赖关系上的理解[15]。再生稻溯源追踪平台的主要功能是管理再生稻从种植到销售过程中的全过程信息，主要的用户是霍邱县再生稻生产相关的工作人员、管理者和消费者。系统需要包含负责基本信息录入的功能，包括再生稻产品信息、种植管理信息、相关人员信息、仓储信息和物流信息。在再生稻种植过程中，田块信息、种植时间、数量、品种以及农药化肥使用的情况很重要，相关信息能直观地使消费者看到所购买的再生稻从哪里来，是否是有机绿色产品，是否是以次充好。在运输环节，依靠现有的强大物流体系，能实时记录下运输中的各个环节。

再生稻生产的种子企业和种植农户，负责将所分管生产环节的数据上传至平台，平台系统通过数据回环机制进行异常监测。再生稻生产的管理人员主要通过平台对再生稻种子数据、种植数据、人员数据、加工数据、仓储数据和物流数据进行实时监管和计划安排，同时系统将以日志的形式记录下再生稻从生产到销售各环节的数据，以便出现质量问题能够依据日志查找分析。消费者通过所购的再生稻米上的二维码能够了解到其生产运输的各环节。

2.1 用户角色分析

再生稻溯源追踪平台面向种植农户、稻米加工者、政府监管机构和消费者[16]等用户类型，分别对应数据上传者、数据监管者和数据使用者，按照用户权限分类即为管理员与普通用户角色。管理员负责审核、监督各流通过程中数据的准确性和预警值，普通用户负责上传和查看数据。各角色及功能如表1所示。

表1 系统角色及功能需求表

2.2 数据功能分析

结合表1的角色定位，系统的业务数据主要包含以下几类。

(1)再生稻产品数据

主要是再生稻种子相关的数据，具体包括再生稻品种、再生稻品种特性、销售信息和种子销售公司信息等。为用户溯源提供再生稻品种展示信息。

(2)再生稻种植数据

主要是再生稻种植过程的信息与数据，具体包括再生稻品种、农户信息、种子信息、育秧信息、播种信息、大田信息、水肥农药使用信息、气候信息、收割信息、产量信息、收购米厂信息和再生稻米检测信息等。

(3)工作人员数据

主要是种子公司人员信息、种植农户人员信息、加工厂(仓储)人员信息、管理员信息和经销商人员信息等，具体包括：身份证号、姓名、性别、年龄、通讯信息、健康信息和地址信息等。

(4)再生稻加工数据

主要记录再生稻加工过程中的相关信息数据。包括：加工厂信息、责任人信息、加工厂产能信息、加工再生稻品种数量信息、再生稻米检验信息、收购信息和销售信息等。

(5)仓储信息数据

主要是仓储管理相关的信息数据。包括：仓储地址、证照信息、管理员信息、仓储容量、入库信息、出库信息和再生稻存量等信息。

(6)物流信息数据

主要是再生稻运输过程中的物流信息数据。包括：源地址信息、目的地址信息、再生稻品种重量信息、运输工具相关信息、驾驶者信息、出发时间和到达时间等。

(7)再生稻溯源数据

包括：再生稻种类信息、种子公司信息、产地信息、农药化肥使用信息、种植数量信息、实时监控信息、运输物流信息和加工厂信息等。

3 系统平台架构

3.1 技术架构

整体技术架构采用B/S体系，利用Spring Boot+ Vue进行实现。Spring Boot是一个基于Spring框架搭建起来的后台管理集成框架，可通过导入相应依赖实现框架集成[17]。该框架内置了内嵌容器(Tomcat、Jettty、Undertow)、日志框架、JMS框架、持久化框架、NOSQL数据库(Cassandra、MongoDB)和缓存框架等，集成了Spring MVC所依赖的包，只需要开发者在Maven、Gradle的配置文件中加上少量的配置，即可在代码中使用所需的框架，实现近零代码、近零XML配置[18]。Vue是一套构建用户界面的渐进式前端框架，是目前流行的前端开发框架，它采用自底向上增量开发的设计方式，是更灵活、更开放的解决方案，架构更加简单，具有轻量级框架、双向数据绑定、组件化、数据和结构分离、运行速度快等优点[19]，它的核心是响应式原理，把一个普通JavaScript对象传给Vue实例的data选项，同时每个Vue实例都有相应的watcher实例对象，避免了繁琐的dom操作，更有利于前端数据的处理，简化了web前端开发流程[20]。

如图1所示是再生稻溯源追踪平台的技术架构图。由下至上分为数据感知、数据质量控制、数据库、后台管理、前端应用、API接口层和应用7个方面。

数据感知层是平台的主要数据来源。该层中的农业物联网传感器可监测大田中稻米生产过程的农药、化肥、土壤湿度、气候状况和再生稻长势等生产基础数据。使用者上传数据部分包括种子、米厂、农户和物流等信息数据。

数据质量控制中的数据校验可以解决数据不匹配、多方上传数据冲突、数据真伪和数据冗余等问题，它也能够过滤掉无效的数据。数据预处理则将过滤后的数据处理成统一的数据组织形式，保存在数据库中，有利于数据存储、数据应用，当数据量足够大时，合理的数据组织形式能够降低数据处理的开销，提升响应速度。

数据库负责整个系统中数据的持久化，是系统研发重要部分之一。日常业务数据可从主数据库中获取。主数据库按照备份计划将数据存储在备份数据库中，可以防止数据丢失并实现数据恢复功能[21]，当数据量达到系统运算吞吐量限制时，备份数据库可以用主从结点分布式存储的方式对主数据库进行扩展。Redis是以键值对形式存储对象数据的存储系统，其最大特点是运行速度快且支持多种数据结构[22]。Re-dis将用户登录信息和最近经常访问的数据等存入缓存中，从而缩短访问时间且提升数据访问的安全性。

图1 再生稻溯源追踪平台的技术架构图

后台管理是整个系统业务逻辑处理的核心部分，所有的业务逻辑操作在这里完成，包括权限控制和跨域问题。业务逻辑负责按照用户的访问权限和需求访问数据库中的数据，并将数据组织成对象实体返回给前端数据接口，在数据访问和上传的同时对数据进行加密和解密操作。

前端应用显示的是后台根据业务逻辑条件传来的数据。它负责调用浏览器的加载、解析来渲染HT-ML和优化用户界面，并且通过webpack打包生成css、js等资源文件。在用户登录时，前端的业务逻辑会按照用户的权限通过动态路由的方法显示不同的功能栏。

API接口层是应用程序编程接口，为应用程序和开发人员提供例程访问能力。API接口层是功能函数的抽象，可以帮助开发者在无需访问源码的情况下完成功能策略制定、业务流程描述和具体的功能实现[23]，方便其他应用与平台对接。预留的接口则方便了溯源平台后期扩展的需要，增加了再生稻溯源追踪平台的伸缩性和可扩展性。

最顶端的应用层提供了多种系统访问形式。微信小程序属于移动端，提供写入和读取数据的功能，具有安装和使用便捷的特点，是目前移动端的主流应用形式；PC端是在浏览器中进行访问，具有后台管理和写入、读取数据的功能，管理员和普通用户都可以通过ID进行访问；二维码一般用于读取信息，具有存储量大、保密性强、追踪新高的特点，广泛用于防伪溯源、信息获取、账号登录等场合。

3.2 溯源数据格式

溯源数据格式按照数据流程封装，在该溯源追踪平台中，大部分数据是由人工上传的，再生稻的生产者、加工者和管理者都可以通过唯一识别ID对该条溯源数据进行权限之内的操作，即通过唯一标识ID对育种、种植、加工、运输、销售数据进行录入或者监管警示等操作。在本系统中再生稻的溯源数据将按照计算机网络中的数据包一样在每一层都进行读取和叠加操作[24]，如图2所示。

在溯源数据格式中，每一层都是在唯一标识ID头部信息上进行叠加串行封装。除农业物联网传感器自动采集的相关环境数据外，大部分数据是由每一环节的分管人员手工录入。为保证录入数据地准确和规范，系统会自动根据上一层中的数据和管理员人工的审核信息进行监测，对异常数据发出告警，管理员通过唯一识别ID可以在系统日志中找到该条溯源数据的所有录入和操作历史信息，这种系统和人工双重干预的方式保证了溯源数据的安全可靠。同时对于终端的消费者，通过扫描该条溯源数据生成的二维码查看相应权限下的浅层数据，通过管理员的进一步授权，用户还能查询到该溯源数据的操作信息以及监测信息。

图2 溯源数据模型

在API接口层中，需要外来溯源信息接入的情况下，也可通过抽象的接入函数将外来溯源信息打包成该系统所要求的格式进行接入。同样，当该系统的溯源数据需要接入外部或者上一级溯源系统时，便可以通过抽象的借出函数将该溯源数据按照打包格式一层一层分解，并按照外部系统的要求进行重新组织打包输出。

3.3 系统体系架构

再生稻溯源追踪平台体系建设可分为基础设备层、数据层、业务层和应用层4个部分，系统架构如图3所示。

基础设备层为溯源追踪平台的硬件设施，包括存储设备、主机设备、网络设备、服务器设备、监控设备和移动终端设备等。系统平台运行在服务器上，监控设备、移动终端和主机设备是数据上传下载的硬件设施，网络设备为数据传输的载体，存储设备是数据的存放数据的容器，这些设备为系统平台提供了硬件支撑。

数据层是平台中的各种各类数据，包括再生稻种植数据、人员信息数据、再生稻产品数据、权限数据、物流数据、仓储数据、加工数据、日志数据和包装数据等，数据层独立于数据库，可直接利用该层对业务层提供的接口对数据进行操作，并且在此层对数据进行加密操作，提高了数据的安全性和独立性。

业务层依据需求分析实现具体的业务逻辑，对业务组件进行组合协调，通过数据层提供的接口操作数据。生产环节的用户可对再生稻溯源数据进行上传、编辑和查询等操作，管理人员可对再生稻溯源数据进行分析、监控、预警和查询等操作，并且依据不同角色的需要分别赋予其相应的数据权限，消费者则通过扫描溯源数据二维码进行查看。

应用层用于接受前端不同用户的请求操作，并将其提交给业务层后台进行响应与处理。应用层包含环节所对应的企业用户、监管部门和消费者[25]。例如，用户进行注册时需填写身份认证相关信息并进行两次密码确认，业务层会调用查询接口，如果没有该用户，则将注册信息发送至管理员，由管理员进行注册审核，待审核通过后注册成功，并且通过业务层权限控制接口分配响应的数据操作权限。

3.4 系统功能架构

系统总体功能架构按照管理员、普通用户和消费者不同角色具备以下功能，如图4所示。

图3 系统架构图

图4 再生稻溯源追踪平台功能图

其具体功能如下。

(1)综合信息发布：管理员根据需要对统计分析的再生稻销售数据、食品安全问题、政府下达文件、国家政策、产品消息、气象预警信息、企业新闻和市场抽检通报等信息文件进行整理发布。

(2)数据综合分析：对再生稻“生产-销售”链上发生的数据根据不同的项目、不同的目的进行统计分析，用于把控再生稻生产销售情况，可根据分析结果进行目标计划制定、降本增效。

(3)日志数据管理：对系统产生的日志数据进行查看，记录用户访问信息，可以检测暴力攻击、账户锁定和数据盗窃等行为，是数据与网络安全的坚实基础。

(4)用户信息管理：用于管理员对普通用户的注册信息进行验证，给普通用户分配角色权限，审核用户信息的真实可靠性。

(5)信息监控核验：对系统中普通用户上传的再生稻信息进行核验是否真实可靠，对再生稻谷、稻米检验信息进行记录，监控再生稻“生产-销售”链中发生的数据有无异常情况。

(6)系统交互管理：实现该系统与上级溯源系统或者同级溯源系统间数据共享交换，保证与上级、同级系统间数据资源共享。

(7)产品信息管理：由再生稻种子企业对再生稻产品信息、产品去向信息、产品合格信息进行录入和维护。

(8)生产信息管理：由再生稻生产工作人员或者田间布置的相关物联网传感器对再生稻种植过程中的信息进行录入维护，包含肥料、农药、气候、病虫害发生情况、收割情况、产量情况和稻谷销售情况等。

(9)加工信息管理：对再生稻整个稻米加工和包装过程进行记录，包括加工工艺、加工条件、加工批次、包装处理等信息。

(10)物流信息管理：主要管理再生稻流通过程中的来源信息、去向信息和运输工具信息，为溯源提供过程环节信息。

(11)仓储信息管理：管理再生稻在流通过程中的仓储信息，包括仓储地址、仓储环境、仓储时间和、进仓出仓信息。

(12)销售信息管理：包括销售地点、进货信息、日销售情况和销售状态信息的录入。

(13)主体信息管理：包括再生稻生产相关工作人员的身份信息、仓储站相关执照信息和卫生许可信息、物流运输工具的相关信息、稻米加工厂的执照信息和卫生许可等信息的录入和管理。

(14)查看溯源信息：用于消费者查看再生稻“生产-销售”链上的溯源数据，包括使用终端查询、网上浏览器端查询、电话热线查询和手机短信查询等。

(15)反馈建议：对消费者建议的事件、地点和事件等信息进行记录，跟进反馈回访记录。

(16)主体消费管理：主要记录团体大客户消费的相关信息。例如企事业单位食堂、餐饮饭店、学校食堂和农副产品加工厂等，涉及的信息有进货验货凭证信息、消费结果反馈信息等。

4 平台原型页面效果

如图5所示，为系统登录页面截图，该页面输入正确的账号密码就能进行登录操作，新用户可点击“创建账号”创建新用户。

如图6所示为新用户主体注册页面，分为用户注册和主体注册，用户注册需选择注册主体，填写身份证号、上传身份证，不用填写营业执照号和上传营业执照，其他条件正常填写，用户主体注册必须要填写营业执照号和上传营业执照。保证注册的主体和用户信息的真实性。

图7所示为用户或主体注册后，注册信息数据流进入管理员审核环节。管理员可便捷查看未操作和未通过的用户主体，且可依据用户ID来进行查看。当前页面显示营业执照和身份信息可帮助管理员更快速地禁止为上传此项信息的新用户主体。操作查看后，可进入该信息项查看具体的注册信息。

图5 系统登录页面图

图6 用户主体注册图

图7 用户主体注册信息审核图

图8 消费者查询入口图

图8所示为消费者溯源信息查询的入口，图9为消费者查询的溯源数据显示的页面，HQZS-DSY202210211401为该条数据的溯源码，也是数据ID，作为该条溯源数据的唯一标识。该溯源信息包括品种信息、种植信息、加工信息、运输信息、销售信息和责任人信息等。

图10～12所示是移动端相关操作界面，可以极大地方便用户使用，在田间地头都可以进行相关数据操作。

再生稻米包装后会将溯源二维码印在包装袋上，消费者通过扫描二维码便能获取到该批次的重要数据。在再生稻售卖时，管理员会将再生稻“生产-销售”链的数据进行获取，通过溯源码生成模块生成如图13所示的二维码。

图9 溯源数据展示页面图

图10 移动端首页

图13所示为手机扫描溯源二维码的溯源数据显示结果，消费者通过查询溯源二维码可以加深对该再生稻产品的了解，包括种植信息、监测信息和等级信息等，同时通过提示的网址可以查看该条溯源数据更详细的信息。

5 总结与展望

本文分析了再生稻在粮食安全中的重要作用，通过详细的生产需求分析和技术架构分析设计了“再生稻”溯源追踪平台，该平台将再生稻种子、种植、加工、运输、销售和管理形成全过程溯源信息。对再生稻在生产信息和流入市场信息进行管理和监控，从信息技术手段杜绝以次充好的现象发生，打消了消费者的疑虑心理。

在我国，农产品溯源已经有了若干年的发展，它是解决食品安全和建立消费者信赖的有效手段，已经成为了我国食品安全重要的研究方向。未来，在深度结合农业物联网技术的基础上可减少人工信息输入，实现生产过程智能控制、数据正确无误且快速采集和自动施肥灌溉[26]，为生产经营者提供管理服务；在结合区块链技术的基础上保障信息安全、确保供应链安全协作，将数字农业相关规范标准纳入平台中实现更加安全一致、可信度更高的数据存储[27]；在结合大数据技术的基础上可通过相关算法，建立再生稻种植生长和销售模型，预测长势和病虫害发生，推荐多用户视角产品数据[28]，实现更加绿色环保种植模式和更加有效的营收模式；在结合相关管理平台的基础上，为再生稻监管者提供种植生产销售监管、为消费者提供如“认领种植”等更加先进的消费模式，让其拥有更广阔的市场空间和应用价值。

图11 移动端种植管理图

图13 二维码溯源数据查询图

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Development and Application of Traceability Tracking Platform for Ratooning Rice

GUAN Bolun, DONG Wei, ZHANG Liping*, YANG Qianjin, WANG Yan

Institute of Agricultural Economy and Information, Anhui Academy of Agricultural Sciences, Hefei 230031, China

【Objective】Ratooning rice is favored by consumers because of its high price, excellent appearance, sweet taste, no pesticide and other advantages. However, the development of ratooning rice is limited by the occurrence of phenomena such as adulteration and difficult to prevent counterfeiting. Therefore, the use of information technology to monitor the production and market entry of ratooning rice has become the focus. 【Methods】 This paper analyzed the actual production demand and data format requirement of ratooning rice in detail, it combines modern information technology and logistics system, the research and core functional system of the ratooning rice traceability tracking platform were elaborated from five aspects: requirement analysis, technical framework, traceability data format, system architecture and system function analysis.【Results】The ratooning rice traceability and tracking plat-form realizes a functional system that can be monitored, traceable, manageable, analyzable and expandable in the whole process from production to sales of ratooning rice, it ensures the reliability of the quality of ratooning rice in the market, the credibility of planting data in the production process and the information security in the management process, at the same time, it also improves the consumer’s trust in the quality and information of ratooning rice.【Outlook】At present, the traceability and tracking platform for ratooning rice is mainly aimed at information tracking and management of the full cycle process of ratooning rice from planting to sales. In the future, agricultural internet of things, blockchain technology and big data technology can be combined on the basis of sufficient pro-duction and sales data. The first is to carry out unmanned precision planting from the production to establish a more green and intelligent planting process; Secondly, the production and marketing model is constructed by combining big data analysis technology in the sales process to establish a more effective production and marketing model; Finally, bolckchain technology is combined in the management process to ensure data security and credibility and establish a more efficient management mode. It can help farmers increase their income and ensure food security.

ratooning rice; informationization; traceability; agricultural internet of things; blockchain; big data

管博伦,董伟,张立平,等. 再生稻溯源追踪平台研发[J]. 农业大数据学报, 2023,5(1):55-67.

GUAN Bolun,DONG Wei,ZHANG Liping,et al.Development and application of traceability tracking platform for ratooning rice[J].Journal of Agricultural Big Data,2023,5(1): 55-67.

10.19788/j.issn.2096-6369.230114

2023-02-11

安徽省农业科学院科研计划项目”农业智能化技术研发中心”(2023YL014)

第一作者管博伦，男，硕士，研究实习员，研究方向：数据挖掘、农业信息化；E-mail:aaasguanbolun@163.com。通信作者张立平，男，硕士，副研究员，研究方向：农业信息化；E-mail:sangold@163.com。