區塊鏈技術在種業大數據中的應用

劉海洋 曹永生 方 溈 陳彥清

（中國農業科學院作物科學研究所，北京100081）

我國種業自《種子法》實施以來進入了快速發展的階段，育種水平不斷提高，種子質量明顯增強。但是由于種業的準入門檻低、利潤空間巨大、市場監管有難度等問題，使得種子從研發到市場流通銷售各環節都存在缺陷。在育種研發環節，各育種單位研究內容重復、分散、分工不清，導致育成的品種多、突破性品種少；在品種登記及品種權交易環節，由于知識產權保護環境較差，使得品種權有效保護不足，導致實際銷售品種與包裝聲明的審定品種并不一致；在制種繁種及銷售環節，由于眾多的種子分銷商多、小、散、亂，知識產權意識不足，種子溯源繁瑣，導致市場出售的種子同物異名，經常出現套牌、假冒、侵權等現象；在市場監督環節，由于維權成本高、種子溯源困難，所以種子市場流通難以進行有效的監管。

隨著互聯網技術和大數據技術的發展，利用行業數據對行業進行監督管理是各行業的發展趨勢。在種業領域中，種子從研發到市場流通各環節產生的數據構成了種業大數據，提供數據的各個參與方包括農業農村部職能機構、育種單位、種子公司、種子經銷商、種子購買者。將種業各環節產生的數據進行有效地利用可以更好地促進種業領域向標準化、規范化方向發展。種業領域天然存在著育種范圍廣、種子用戶多、銷售地區偏遠的特點，在精準農業和“互聯網+農業”時代，采用完全中心化的數據管理手段難以實現種業大數據領域中大規模用戶參與及交互的管理。種子知識產權及商標權是由分散于全國各地的種子局進行監管，但是由于育種環節信息溝通不暢、種子售賣渠道難以追溯，造成種子維權難、確權難的問題。

區塊鏈技術采用分布式數據管理方式，不僅可以解決育種科研中假數據、錯數據的問題，還可以建立一套完整的、可追溯的種子交易體系，將科研育種、品種審定、品種出售以及種子商標等各環節的數據有機地結合，對記入數據庫中的數據以及參與種子交易中的每一筆資金的結算進行監管。采用區塊鏈技術可以通過低成本的數據存儲技術保障在種業各環節用戶的交易合法、安全及數據的真實可信。本文從區塊鏈技術的原理出發，提出一種區塊鏈技術在種業大數據領域的應用設想，并從數據層、網絡層、共識層、擴展層以及應用層對區塊鏈技術的應用方式進行分析。最后，針對區塊鏈技術及種業大數據領域目前的發展現狀，給出目前區塊鏈的應用局限分析。

1 區塊鏈技術概述

區塊鏈是將數據按照時間順序進行保存，并借助密碼學方式對數據進行加密的類似于鏈表的一種數據結構。區塊鏈可以分為區塊頭、區塊體以及鏈式結構3 個部分，通過3 個部分的結合可以實現數據易追溯、難篡改的特點。區塊頭中存儲的是表征該區塊的身份信息，包括上一區塊的散列值、時間戳、Merkle 根，通過這3 個基本的數據就可以完全表示出這個區塊在鏈中的位置。區塊體中包含了實際需要保存的數據，這些數據通過加密算法加密之后以Merkle 樹的形式組織在一起。在每一個區塊頭（除創世區塊）中都包含父區塊的散列值，通過這種方式可以形成一條從創世區塊到當前區塊的區塊鏈。同時，由于每一個區塊頭中都包含著該區塊形成時的時間戳，所以形成的區塊鏈還具有時序性。隨著時間的積累，區塊鏈中的數據會越來越多，在形成20 個區塊之后，某一個節點偽造區塊數據的概率接近于零。

狹義的區塊鏈技術是指區塊鏈這種按照時間順序存儲數據的數據結構；廣義的區塊鏈技術指的是應用區塊鏈進行數據存儲的配套技術及其算法，即區塊鏈技術體系。區塊鏈技術體系是指應用區塊鏈技術進行實際應用開發時的數據存儲結構、核心機制以及智能合約的綜合體系，其中包含區塊鏈的分布式賬本存儲、組網方式、廣播機制、共識機制、激勵機制等。基于區塊鏈數據存儲的組網方式是P2P（Peer to Peer）網絡，采用P2P 組網方式可以實現區塊鏈網絡的去中心化及節點平等化。如果要實現區塊鏈網絡中的節點完全平等，還需要廣播機制、共識機制等核心算法的支撐。

區塊鏈數據結構、P2P 組網方式、廣播機制是構成區塊鏈技術體系的三大核心要素，由這3 部分要素可以實現區塊鏈網絡的去中心化、節點平等化以及數據可追溯、難篡改的特點。共識機制、激勵機制的應用可以促進公有鏈的維護以及發展，但隨著私有鏈、聯盟鏈的出現以及區塊鏈3.0 時代的到來，智能合約以及更多類型的共識機制、激勵機制在迭代更新，區塊鏈技術體系隨著新的應用場景不斷地出現并隨之擴大。

2 種業大數據領域中的區塊鏈技術

2.1 種業大數據領域應用需求分析 種業大數據是指在種業領域各環節產生數據的集合，其中包括的基礎數據有品種審定、保護、登記、推廣數據及種子生產經營許可、生產經營備案、進出口、質量檢測、監督檢查數據，種子從研發到市場流通過程中所產生的科研育種、種子商標、植物新品種權、種子流通渠道、種子售后及保險等數據都是種業大數據的組成部分。隨著我國種業市場的規范化發展，種業領域產生的數據越來越多，產生數據的參與方也隨之增多，合理有效地應用種業大數據可以對種業領域進行有效監督。國內種業領域由于育種范圍廣、品種審定周期長、銷售地區偏遠等特點造成了種子銷售渠道難以溯源，種子在進入市場銷售之后出現套牌、假冒、侵權等行為以及植物新品種確權難、維權難的問題。各種業公司和科研單位在育種時不能及時有效溝通，造成了前期科研育種中資源的浪費。采用區塊鏈技術體系構建的多方參與的、去中心化的數據存儲共享方案恰好可以解決目前種業領域中的問題，將種業大數據應用區塊鏈這種數據結構進行保存，保證了數據的安全；利用P2P 組網方式可以提高數據的共享與前期科研育種時的溝通效率，利用區塊鏈存儲數據具有易追溯、難篡改的特點，可以解決種子銷售渠道溯源難、種子維權、確權難的問題。

針對種業大數據中前期科研育種數據溝通不暢、作物品種審定周期長以及后期確權難的問題，可以利用區塊鏈這種低成本且具有數據難篡改、易追溯優點的數據存儲方案。將科研育種環節中的育種數據存儲到區塊鏈中，建立育種及植物品種信息追溯系統，可以根據時間順序在后期種子確權和維權中提供可靠的數據依據。基于區塊鏈技術體系，建立種業領域育種及種子所有權歸屬私有鏈，將育種單位的育種信息及品種所有權進行分布式存儲，區塊鏈網絡中的所有網絡節點（各育種單位）共同維護育種信息及品種信息，使得保存于區塊鏈中的數據公開透明，為前期科研育種信息溝通不暢以及后期維權難、確權難提供可靠的數據保障。

針對種業大數據銷售環節中產生套牌、假冒、侵權的問題，基于區塊鏈技術體系建立種子交易溯源系統可以監管種子在市場流通中的每一筆資金。將種子交易中各級經銷商的種子售賣途徑及售賣渠道的數據記錄到區塊鏈進行存儲，可以方便快捷地進行種子銷售環節的溯源，這樣可以保證每一批種子都能找到源頭。采用區塊鏈技術體系中的廣播機制、P2P 網絡，再加上適合種子交易溯源系統的激勵機制，促使全網各節點共同維護種子交易數據，保證數據的真實可信，為打擊種子銷售環節中的套牌、假冒、侵權現象提供透明化的數據。

將種業各環節中產生的數據通過區塊鏈技術體系進行存儲以及安全驗證，會促進種業大數據向標準規范發展，從而形成種子市場交易數據、種子所有權及植物新品種權數據的共同維護型區塊鏈“生態”，形成一個良性的數據循環，促進種業領域向更加標準規范的方向發展。

2.2 層級架構分析 應用區塊鏈技術體系構建育種及植物品種數據存儲系統和種子交易溯源系統可以將育種到銷售各個環節產生的數據記錄到區塊鏈存儲系統中，從而解決種業大數據的存儲與驗證問題，為之后種子維權難、確權難提供可依賴的數據。基于區塊鏈技術體系的種業大數據應用層級架構如圖1 所示。

育種及植物品種數據存儲系統數據層中存儲的是各育種單位的育種信息、品種經過審定之后的審定信息、種子商標及包裝的信息，種子交易溯源系統中存儲的是種子在經過各級經銷商銷售之后的交易信息。數據層中應用區塊鏈進行數據的保存，將每一個育種單位的育種信息經過Hash 運算之后以Merkle 樹的形式組織在一起，將形成的Merkle 根保存在區塊頭中，區塊頭包含著時間戳、當前區塊的Hash 值、上一區塊的Hash 值。這樣將前期科研育種及品種審定信息存儲，如果在后期發生種子確權難的問題時，可以提供區塊鏈網絡中各節點都達成共識的數據，從而解決品種權確權難的問題。基于區塊鏈技術體系的種子交易溯源系統數據層中存儲的是品種經過審定后在市場中的流通信息，將各級種子經銷商的種子交易信息以區塊鏈形式存儲于數據庫當中，可以防止市場中假種子、套牌種子的出現，為種子維權提供可靠的數據。

網絡層的組網方式是P2P 網絡，由于育種及植物品種數據存儲系統和種子交易溯源系統的應用場景不同，所以P2P 網絡中的節點也不同。育種及植物品種數據存儲系統中的網絡節點是各育種單位，種子交易溯源系統中的網絡節點是各級種子經銷商。在科研育種階段，育種及品種數據存儲系統中的某一網絡節點可以通過廣播機制進行全網的育種信息的廣播，全網50%以上節點驗證之后可以存儲到數據層中，育種信息廣播及驗證機制可以避免育種環節的重復區，也可以在后期的種子確權過程中通過時間順序確定種子歸屬權。種子交易溯源系統中網絡節點代表著種子的各級經銷商，根據種子市場實際的應用場景，網絡上各節點發布種子交易數據，得到種子交易雙方與第三方公正機構的認可即可將數據存儲到區塊鏈當中。利用P2P 組網方式可以讓種子生產銷售各環節的參與方共同貢獻數據、維護數據，保證數據的安全性與可信度。

圖1 基于區塊鏈技術體系的種業大數據應用層級架構

擴展層包括基于區塊鏈技術體系的共識層、激勵層、合約層。育種及品種數據存儲系統的共識層不同于一般公有鏈的共識機制——需要通過工作量證明機制來取得區塊的記賬權。由于我國品種審定和植物品種權是由農業部門承擔，所以育種及品種數據存儲系統的共識層證明機制采用單機構證明機制，這也符合聯盟鏈的構成條件，只要聯盟中具有認證資質的節點通過該審定品種的信息，就可以將該品種信息記錄到區塊鏈當中。種子交易溯源系統與育種及品種數據存儲系統應用場景不一樣，種子交易溯源系統中的數據記錄需要各級經銷商以及銷售點來共同維護，不具有聯盟鏈的特點，所以需要共識機制與激勵層的激勵機制協調進行區塊鏈數據的維護。在種子交易溯源系統中設置一個相對簡單的工作量證明機制，然后通過激勵層激勵機制的配合，可以使得種子交易溯源系統的每一個網絡節點都參與到區塊鏈數據的維護當中，這樣可保證種子交易溯源系統的數據真實可靠且具有公信力。

基于區塊鏈技術的種業應用合約層利用非對稱加密技術，賦予每一個網絡節點公鑰與私鑰，這樣在記錄每一條關于品種信息及種子交易信息時，都能唯一確定交易雙方及品種權所有者。合約層還可以利用目前比較成熟的智能合約技術，將品種審定信息及品種所有權以數字簽名的形式進行保存，并將品種審定及種子所有權授予流程編寫智能合約程序建立在種業區塊鏈數據層和網絡層之上，這樣通過智能合約可以控制種子所有權及品種審定的流程，促使保存于區塊鏈中的數據更加規范 合理。

基于區塊鏈技術體系的種業大數據應用將數據層、網絡層、擴展層的核心機制與算法部署到網站、APP、第三方應用等，用戶通過應用層可以進行數據的查詢以及交互，實現種業數據的互聯 互通。

2.3 共識機制與激勵機制 種業大數據的各參與方是區塊鏈網絡的節點，育種及植物新品種信息數據存儲系統和種子交易溯源系統的參與方包括農業農村部、育種單位、種子公司、種子經銷商、種子購買者及售后保險公司。

育種及植物新品種信息數據存儲系統中的品種審定、保護、登記、推廣以及科研育種等信息構成了該區塊鏈體系的總賬本，即區塊鏈中實際存儲的數據。該系統中網絡節點達成共識的機制可以采用弱中心化的共識機制，由于我國品種審定及植物新品種權的保護都是由農業農村部職能機構進行維護，所以在進行品種審定及植物新品種權的記賬時，可以由農業農村部、育種單位、種子公司三方進行記賬。政府、種子企業、育種單位三方進行記賬之后，通過廣播機制進行全網廣播，在達到全網50%以上節點同意之后可以將品種審定數據和植物新品種權數據記入到區塊鏈當中。這樣“弱中心化”的共識機制不僅可以通過政府、種子企業、育種單位三方的公信力進行背書，而且有全網50%以上的參與節點的同意也可以保證節點參與數據的維護，通過這種方式將品種審定及植物新品種權數據記入到區塊鏈當中，所有的數據可追溯、難篡改。

種子交易溯源系統中的制種繁種、各級經銷商經銷渠道、種子流通等數據構成了該區塊鏈系統的總賬本。該系統的參與方包括農業農村部職能機構、各種子公司、各級種子經銷商、種子購買者。該系統記錄的是種子從制種繁種到購買使用的流通信息，所以在達成共識的時候不能確保所有的最終購買者都能參與到購買信息的提供與記賬當中，所以該區塊鏈系統的共識機制采用“分級共識”。大型種子公司到中高級經銷商的種子銷售渠道數據在上游經銷商和下游購買者兩方達成共識之后，通知農業農村部職能機構進行審核，三方通過之后可以將種子上游售賣信息存儲到區塊鏈當中。考慮到眾多的小經銷商以及購買者只有在種子出現假冒現象時才會進行數據追溯，所以小經銷商和種子購買者的共識機制可以在維權過程中通過種子購買者、小經銷商及農業農村部職能機構的共識之后進行數據的追溯和保存。通過這樣的“分級共識”，可以做到種子交易溯源系統中的上游經銷數據和下游經銷數據根據不同的需求進行不同方式的共識，使記入區塊鏈當中的數據真實可靠。

育種及植物新品種信息數據存儲系統與種子交易溯源系統的激勵機制可以采用“積分式”對參與數據貢獻的節點進行激勵。育種及植物新品種信息鏈中的信息提供方是各育種單位及種業公司，在政府、種子公司、育種單位三方達成共識記入區塊鏈中的品種審定及新品種信息之后，可以給予育成品種的單位一定的積分激勵，該積分的使用規則可以由政府、種子公司、育種單位共同制定。種子交易溯源系統的信息鏈可以給予中高級經銷商一定的激勵，通過激勵鼓勵各級經銷商將種子的銷售渠道信息進行記賬。

2.4 智能合約與密鑰機制 智能合約作為區塊鏈技術體系中的創新機制，可以通過將代碼部署到區塊鏈上的形式進行日常帶有條款事務的強制執行。育種及植物新品種信息鏈中可以根據品種審定、植物新品種賦權的法律程序編寫代碼部署到區塊鏈當中，通過程序化的腳本進行品種審定與植物新品種權的觸發。利用智能合約在進行品種權的確定及轉移過程中，通過智能合約可以確定品種權的權限、品種權的交易周期及失效條件等具體的程序。對于種業領域中多方參與、信任度不高的品種賦權及審定程序，應用智能合約可以降低管理成本，還可以在品種維權時避免不必要的爭議。種子交易溯源系統中的智能合約應用范圍會更加廣泛，由于種子交易溯源信息鏈中存儲的是種子流通信息，可以通過智能合約進行交易雙方賬號、金額、品種權等信息的維護。將智能合約部署到種子交易溯源信息鏈，只有在種子買賣雙方共同確認的條件下才會觸發種子交易流通信息進行全網節點的廣播及農業農村部職能機構的審核達成三方共識，將數據存儲到區塊鏈當中。本文提出的育種及植物新品種信息鏈和種子交易溯源信息鏈都是“弱中心化”的私有鏈，共識機制采用的是政府、種子企業、育種單位三方達成的共識，所以還是有權限相對較高的節點存在。如果將智能合約這種程序化的腳本部署到育種及新品種信息鏈和種子交易溯源鏈當中，可以為全網節點提供更好的去信任條件，所有的記賬行為都是在合約條件下執行，可以保證在大量終端參與情況下達到更高級別的信任。

區塊鏈技術體系的最終目的是要達到去中心化的效果，全網所有的節點擁有相同的數據操作權限。但是由于種業大數據中的品種審定、植物新品種賦權等法律行為必須有政府部門進行監管，所以本文將育種及新品種信息鏈和種子交易溯源信息鏈最終采用“弱中心化”的共識機制，政府、企業、育種單位三方達成共識的情況下即可記入區塊鏈的記賬行為。借鑒區塊鏈應用的典型密鑰管理機制，種業大數據中的區塊鏈應用采用公鑰、私鑰相互配合的機制進行區塊鏈世界中的身份識別、數字簽名等行為。育種及植物品種信息鏈和種子交易溯源信息鏈的每一個網絡節點都擁有一個公鑰和私鑰，公鑰用于區塊鏈網絡中的身份識別以及信息的上傳，私鑰用于記賬及共識達成后的數字簽名。通過私鑰可以計算得出公鑰，但是通過公鑰不能反推私鑰，這樣的密鑰管理可以結合共識機制和智能合約進行區塊鏈的記賬，保證每一個區塊的信息都可以確定是哪個節點進行記錄及交易的。這樣的非對稱密鑰機制可以完全保證種業大數據中需要保密數據的安全及信息鏈的真實可信。

3 局限性分析

根據種業大數據中實際產生的數據以及區塊鏈技術體系運行機制，本文將基于區塊鏈技術體系的種業大數據應用分解為數據層、網絡層、擴展層（包括共識層、激勵層）、應用層4 層模型。但是由于種業大數據包含數據項多、數據范圍廣，基于區塊鏈技術搭建的應用還存在以下3 點局限：一是由于區塊鏈技術體系是假設P2P 網絡中的所有節點都能獨立完成區塊鏈信息的記錄、支付、路由的功能，但是在種業領域中要求所有的節點都具備該功能是不現實的，尤其在種子交易溯源系統中，多數的經銷商可能并不具備區塊鏈體系要求的所有功能，無法完成區塊鏈上的完整交易。這種情況下只能依靠高級經銷商進行區塊鏈的記錄及支付功能，低級的經銷商采用驗證機制完成數據的準確性；二是由于育種及銷售范圍廣，銷售地區較偏遠的限制，不能保證育種信息、品種審定信息及交易信息快速安全處理，需要設置更好的共識機制來完善品種信息溯源系統及種子在交易系統的共識層；三是區塊鏈技術體系構建應用中存在的資源浪費問題，品種數據存儲系統及種子交易追溯采用聯盟鏈的方式可以避免網絡節點“挖礦”造成的算力浪費，但是全網各節點需要同時參與共識的達成，造成了各節點的網絡資源浪費及共識結果延遲，所以需要設計更加符合種業應用場景的工作量證明機制和激勵機制，使得區塊鏈網絡節點的網絡需求降低、共識過程 更快。

4 總結與展望

區塊鏈技術作為去中心化、去信任化的技術體系以及分布式數據存儲解決方案，使得金融領域的傳統管理方式發生了創新與本質的改變，區塊鏈3.0時代的到來要求將區塊鏈技術體系應用到社會的各個領域中。本文提出了基于區塊鏈技術體系在種業大數據中的應用設想，并對其局限性進行分析。通過區塊鏈技術，種業領域的監管者（農業部門）可以更好地將種業領域各環節產生的數據進行存儲，然后基于這些數據進行種子市場的監管，無需中心化的網絡即可發揮監管職能，并可以通過分布式網絡系統容納種業領域的各個育種單位及種子企業進行數據的共同監管和維護，解決目前農作物品種確權難、維權難的問題，在精準農業和“互聯網+農業”的時代更好地支撐未來種業行業的發展。