基于區塊鏈的有機蔬菜認證與溯源方案研究

張冠湘　崔金銀　蔡文學　龔麗萍

摘要? 為了解決有機市場的有機作假和有機認證效率低下等問題，利用區塊鏈技術的不可篡改、去信任化和分布存儲等特性，提出基于區塊鏈技術的有機蔬菜認證與溯源模型。論述有機市場存在的問題，并研究相關領域的國內外發展現狀;分析有機蔬菜認證與溯源的數據基礎，構建其認證與溯源系統模型，設計基于有機認證的智能合約;并與中心化系統對比，分析模型的優勢;以購買假冒有機標識和數據作假2個情景為例，分析模型在解決有機作假和提高認證效率的效果。

關鍵詞? 區塊鏈;有機蔬菜;農產品;有機認證;溯源

中圖分類號? S126;TS201.6??? 文獻標識碼? A

文章編號? 0517-6611（2019）24-0222-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.066

Research on Organic Vegetable Certification and Traceability Scheme Based on Blockchain

ZHANG Guan-xiang，CUI Jin-yin，CAI Wen-xue et al? （Department of Economics and Commerce，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510006）

Abstract? To solve the problems in organic markets like organic fraud and inefficient certification，the organic chain certification and traceability model based on blockchain technology was proposed by using the characteristics of blockchain technology such as non-tampering，de-trusting and distributed storage.The problems in the organic market were discussed，and then development status of related fields at home and abroad was studied.After analyzing the data foundation of organic vegetable certification and traceability，the certification and traceability system model was constructed and the intelligent contract based on organic certification was designed.The system based on blockchain technology was compared with the centralized system，and two scenarios of buying counterfeit organic identification and counterfeit data were taken as examples to analyze the advantages and effect of the system based on blockchain technology.The result showed that the system could solve the problem of organic fraud well，improve the efficiency of organic certification and make traceable data more complete.

Key words? Blockchain;Organic vegetable;Agricultural products;Organic certification;Traceability

作者簡介? 張冠湘（1975—），男，湖南郴州人，副教授，博士，從事農產品冷鏈、危險品物流等研究。*通信作者，碩士，研究方向：從事農產品冷鏈。

收稿日期? 2019-07-03

隨著人們生活水平的提高，人們對食品的品質要求不斷提高，有機食品逐漸成為消費者的首選，有機農業的發展突飛猛進。瑞士有機農業研究所（FIBL）和IFOAM國際有機聯盟（IFOAM-Organics International）統計顯示，截至2016年年底，全球有機農地總面積為5 780萬hm2，全球有機農地比例為1.2%，其中有機農地面積最大的是澳大利亞，高達2 710萬hm2，中國的有機農地為230萬hm2;2016年全球有機市場規模為897億美元，比2000年的179億美元增長了近4倍，其中美國、德國、法國和中國的規模分別為431億、105億、75億和66億美元，是全球有機市場的主要組成部分[1]。

然而，有機市場存在有機標識造假、溯源信息不透明和有機認證流程復雜等問題[2-3]。中國國家認證認可監督管理委員會公示顯示，截至2018年11月底，我國在農林牧漁和中藥領域的產品認證機構共有45個，共出具產品認證證書1 021萬件，其中食品農產品認證證書有98萬件，但市場上的有機產品魚目混珠，2017年9月國家認監委發布第18號公告，公示了10家影響較大的非法從事認證活動的認證機構[4]。經市場調研與專家咨詢，曝光的非法認證機構僅是有機造假的冰山一角，有機市場亂象叢生，其溯源信息與普通蔬菜差異不大，絕大部分信息未對消費者開放，導致信息透明度低、消費者認可度不高[5-6]。此外，蔬菜的有機認證流程復雜，單次認證成本高達3萬～5萬元。導致上述問題的根本原因是有機生產環節多而嚴、有機認證成本高昂和溯源信息的可篡改性。

為了解決有機市場的有機作假和有機認證效率低下等問題，利用區塊鏈技術的不可篡改、去信任化和分布存儲等特性[7-8]，筆者采用了現有系統和區塊鏈技術，構建了基于區塊鏈的有機蔬菜認證與追溯模型，為解決有機市場存在的問題提供解決方案。

1? 國內外研究現狀

1972年，全球最大的有機民間機構IFOAM成立，有機農業步入新的發展時期;隨后各國政府也紛紛出臺有機農業標準或法規，有機農業的標準化快速發展[1]。21世紀后，發達國家和發展中國家對有機產品的需求劇增，全球有機農業迎來了全面發展階段。我國有機農業起步于20世紀80年代，國外認證機構開始進入中國市場。目前，南京國環有機產品認證中心（OFDC，原環境保護部南京環境科學研究所環境評價與咨詢中心）是市場認可度較高的認證機構[9-11]。

自食品安全溯源受到廣泛關注以來，其關鍵技術也逐漸從最初的條碼技術和數據庫技術向以RFID技術和傳感技術為核心的物聯網技術、DNA技術、無線傳感網絡（WSN）技術等新技術發展。在我國，傅澤田等[12]從追溯單位、信息采集、傳輸和處理4方面總結并歸納了食品追溯技術的發展趨勢。王東亭等[13]研究分析了歐美、日韓和中國臺灣等的農產品追溯體系的法律、規范和落實情況。熊本海等[14]、邱榮洲等[15]、沈敏燕[3]將溯源技術應用到生豬的生產、蔬菜基地的管理和果蔬冷鏈信息的追溯上，設計與實現了食品追溯系統，是追溯技術的直接應用。在國外，BOSONA T等[16]從定義、驅動力、發展阻力、優勢、溯源技術、系統性能及改進等方面詳細研究了食品溯源系統，并指出溯源系統未來應側重于研究標準化、實物及供應鏈主體之間的聯系等方面。OLSEN P等[17]結合政府部門、學術研究以及實際經驗，從追溯單位的劃分、追溯系統的結構和追溯屬性的確定歸納了一般追溯系統的組成結構。

區塊鏈技術被認為是最具潛力觸發第五輪顛覆性革命浪潮的核心技術，近年來受到政府、金融和互聯網等行業的廣泛關注，在供應鏈溯源上也得到學者的研究與應用。劉家稷等[18]提出雙區塊鏈模式以解決防偽問題。XIE C等[19]提出了雙鏈存儲結構對有機農產品的跟蹤追溯進行存儲與查詢，使用私有鏈存儲完整的溯源信息，生成哈希值并將其錨定到共有鏈上，從而實現溯源信息的安全存儲。Simone Figorilli等[20]融合物聯網技術、互聯網和區塊鏈技術搭建了木材的電子化追溯系統原型，并以板栗樹為例進行分析。該系統使用RFID等傳感器采集數據，數據經APP和接口技術與微軟Azure 工作臺交互，由智能合約處理記錄到以太坊區塊鏈上。LI J等[21]對比了傳統溯源系統與基于區塊鏈的溯源系統，說明了基于區塊鏈的溯源系統在數據真偽性、數據安全和政府監管等方面的優勢。NEISSE R等[22]、MAO D H等[23]、CASADO-VARA R等[24]、FABIAN S等[25]將區塊鏈技術應用到供應鏈的信息追溯上，以提高供應鏈溯源信息的透明度、可信性和供應鏈效率。此外，GALVEZ J F等[26]還研究分析了區塊鏈在食品溯源上面臨的挑戰。

2? 基于區塊鏈的有機認證與溯源模型

2.1? 有機蔬菜生產全過程流程分析與系統框架

蔬菜溯源是物流管理的組成部分，指在蔬菜供應鏈的各環節采集、存儲和傳遞有關蔬菜及其投入物、生產活動等的準確信息，從而在需要時服務于蔬菜的質量安全管理和供應鏈追溯。有機蔬菜的供應鏈涵蓋7個主要環節和8類主體，通過互聯網、條形碼、RFID、GPS等方式采集農事活動、質量檢測、包裝加工、物流信息等數據，為有機認證與追溯提供數據基礎（圖1）。

7個主要環節包括生產環境監測（水、土、重金屬等）、原材料采購（種子、肥料等）、種植與采收、蔬菜質量檢測、包裝加工、運輸配送、銷售。結合企業資質、生產、管理和有機蔬菜追溯的7個主要環節等信息，有機認證機構對種植農場和加工企業進行現場檢查和檢測，才能對申請的蔬菜出具有機認證書。

以微軟的Azure blockchain workbench為基礎，構建基于區塊鏈的有機認證與溯源系統框架模型，實現現有系統與區塊鏈平臺的協調與互通。由圖2可知，8個系統參與者通過Web App、IOS App和Android App等方式將資質文件、管理體系文件、生產規劃及計劃、生產運作和物流信息記錄為輸入，由API處理傳輸至服務總線;此外，物聯網設備采集環境、位置等信息，由物聯網中心處理后，傳輸至服務總線。數據在服務總線完成數據格式轉換，從而轉換為符合區塊鏈的數據格式。數據記錄簽名加密后，上傳至區塊鏈平臺。當新的數據記錄到區塊鏈時，數據鏈路終端（DLT）監聽程序獲取數據記錄的通知，并將通知發布到服務總線，各節點用戶獲得該通知并從區塊鏈平臺上的新數據同步到鏈下數據庫，實現各節點數據的同步更新。當某一節點的數據發生變化或與其他節點不一致時，該節點會與其他節點的數據鏈對比，數據鏈最長的節點為參考更新數據庫，保證數據的一致性。消費者通過客戶端、二維碼等媒介發出查詢請求，鏈下數據庫服務器做出請求回應，經API進行數據格式轉換，將有機蔬菜溯源數據真實完整地呈現給消費者，其中數據涵蓋從原材料采購到有機蔬菜銷售。

2.2? 基于有機認證的智能合約設計

目前有機認證主要為前期申請和現場檢查2個階段，其人工審核環節多，時間跨度長，總成本高昂。智能合約的設計主要實現有機認證的智能化，降低認證成本以及人工作假、數據纂改等風險。

智能合約的設計如圖3所示，包括材料自動審查和現場檢查結果確認2個部分。其一，申請人提交有機認證申請，系統自動檢查申請人的資質文件、管理體系文件和生產規劃及計劃，若區塊鏈無法查詢相關材料，則請求補充，否則繼續審查。然后，系統依次審查地塊種植記錄、原材料（種子、肥料及農藥）、生產過程記錄、蔬菜有機檢測報告和物流環節，當且僅當所有記錄符合有機生產技術要求時，申請人才具備有機認證資格。其二，有機認證機構對具備有機認證資格的申請人進行現場檢查，對現場環境合格的企業提交合格確認至系統。當申請人具備有機認證資格且獲得現場檢查合格確認時，由智能合約自動生成有機蔬菜認證證書，有機認證機構根據認證結果頒發對應數量的有機標識。

3? 對比分析

3.1? 基于區塊鏈的有機認證與溯源系統與傳統中心化認證系統的比較

由表1可知，與中心化系統相比，基于區塊鏈的有機認證與溯源系統在認證效率、認證成本、溯源數據和政府監管等上都有明顯的優勢。在認證時間和成本上，中心化模式下有機認證要人工審核大量的文件，據調研單次認證時間跨度長達1.5～2.0個月，認證成本高達1.3萬～1.8萬元;而區塊鏈模式下有機認證的大部分材料審核由智能合約自動審核，減少了大量的人工審核環節，節約大量的時間與成本，預估認證時間將在1個月以內，認證成本低于1萬元。在溯源數據上，中心化模式下有機蔬菜溯源數據來源于供應鏈上不同主體的企業系統，協調難度大，溯源存在數據盲區，且存在數據后期篡改的可能;而區塊鏈模式下有機蔬菜溯源數據涵蓋整條供應鏈，鏈上數據自動同步更新，溯源數據完整不可篡改。在政府監管和用戶認可度上，中心化模式下政府監管部門難以監督所有企業的數據，且中心化系統的數據存在作假可能，消費者認可度不高;而區塊鏈模式下政府監管部門是區塊鏈的節點，參與區塊鏈上溯源數據的記錄，且能時刻監控鏈上數據，消費者對溯源數據的真實性更具有信心且認可度更高。因此，基于區塊鏈的有機認證與溯源模式具有認證效率高、認證成本低、數據真實完整和政府參與監控等優勢。

3.2? 情景分析

以購買假冒有機標識和材料造假2個場景為例，分析區塊鏈技術下有機認證與溯源系統的放偽造效果。倘若A產品的有機標識是偽造的，區塊鏈中無該有機產品的記錄，消費者通過溯源碼無法查詢該產品的完整溯源記錄，因此消費者能輕易地識別出有機產品中有機標識的真偽性，從而抑制市場中偽造有機標識的發展。倘若企業企圖通過材料造假來申請有機認證，由于認證材料和溯源數據是后期修改和補充的，數據記錄與實際操作存在一定的時間差，因此在區塊鏈技術下的系統則無法對數據進行纂改，一旦數據記錄到區塊鏈系統上，各節點數據庫同步更新，鏈上數據將無法修改。例如，種植農場企圖修改地塊的近3年種植記錄時，其數據庫記錄與其他節點存在沖突，各節點同步更新的特性使得種植農場的數據庫重新從其他節點更新近3年的地塊種植記錄，防止了數據篡改，從而遏制了數據作假現象。

4? 小結

該研究將區塊鏈技術與有機蔬菜的認證與溯源相結合，為有機市場的有機作假和低效率等問題提供解決方案。與中心化的認證與溯源系統相比，基于區塊鏈技術的有機蔬菜認證與溯源系統有如下優勢：①同步共享數據，有效解決造假問題;②減少人工環節，提高認證效率;③政府部門參與，數據更可信更權威。然而，區塊鏈在實際落地中仍面臨一些問題，如企業間的協調、信息共享程度等，解決這些問題仍有待今后進一步研究。

參考文獻

[1]FiBL，IFOAM.2018年世界有機農業概況與趨勢預測[M].正谷（北京）農業發展公司，譯.北京：正谷（北京）農業發展公司，2018.

[2]濮永仙.基于物聯網的果蔬產品溯源系統編碼技術研究與實現[J].江蘇農業科學，2016，44（8）：414-418.

[3]沈敏燕.果蔬類農產品冷鏈物流信息溯源研究[D].蘇州：蘇州科技大學，2017.

[4]中國國家認證認可監督管理委員會官網[DB/OL].[2019-04-05].http：//cx.cnca.cn/CertECloud/statistics/intoStatisticsIndex.

[5]王力堅，孫成明，陳瑛瑛，等.我國農產品質量可追溯系統的應用研究進展[J].食品科學，2015，36（11）：267-271.

[6]楊信廷，錢建平，孫傳恒，等.農產品及食品質量安全追溯系統關鍵技術研究進展[J].農業機械學報，2014，45（11）：212-222.

[7]袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報，2016，42（4）：481-494.

[8]何蒲，于戈，張巖峰，等.區塊鏈技術與應用前瞻綜述[J].計算機科學，2017，44（4）：1-7，15.

[9]劉曉梅，余宏軍，李強，等.有機農業發展概述[J].應用生態學報，2016，27（4）：1303-1313.

[10]南京國環有機產品認證中心官網[DB/OL].[2019-04-05].http：//www.ofdc.org.cn/article.asp？m_id=1.

[11]王二平.我國有機農業的發展與有機產品認證及監管[J].中國農業資源與區劃，2014，35（6）：70-74.

[12]傅澤田，邢少華，張小栓.食品質量安全可追溯關鍵技術發展研究[J].農業機械學報，2013，44（7）：144-153.

[13]王東亭，饒秀勤，應義斌.世界主要農業發達地區農產品追溯體系發展現狀[J].農業工程學報，2014，30（8）：236-250.

[14]熊本海，傅潤亭，林兆輝，等.生豬及其產品從農場到餐桌質量溯源解決方案：以天津市為例[J].中國農業科學，2009，42（1）：230-237.

[15]邱榮洲，池美香，陳宏，等.基于溯源技術的蔬菜基地管理系統開發與應用[J].中國農業科技導報，2017，19（4）：51-58.

[16]BOSONA T，GEBRESENBET G.Food traceability as an integral part of logistics management in food and agricultural supply chain[J].Food control，2013，33（1）：32-48.

[17]OLSEN P，BORIT M.The components of a food traceability system[J].Trends in food science & technology，2018，77：143-149.

[18]劉家稷，楊挺，汪文勇.使用雙區塊鏈的防偽溯源系統[J].信息安全學報，2018，3（3）：17-29.

[19]XIE C，SUN Y，LIO H.Secured data storage scheme based on block chain for agricultural products tracking[C]//3rd international conference on big data computing and communications（BIGCOM）.New York：IEEE，2018.

[20]FIGORILLI S，ANTONUCCI F，COSTA C，et al.A blockchain implementation prototype for the electronic open source traceability of wood along the whole supply chain[J].Sensors，2018，18（9）：1-12.

[21]LI J，WANG X Y.Research on the application of blockchain in the traceability system of agricultural products[C]//2018 2nd IEEE advanced information management，communicates，electronic and automation control conference （IMCEC）.Piscataway，NJ，USA：IEEE，2018.

[22]NEISSE R，STERI G，NAI-FOVINO I.A blockchain-based approach for data accountability and provenance tracking[C]//Proceedings of the 12th international conference on avaiability，reliability and security.New York：ACM，2017.

[23]MAO D H，HAO Z H，WANG F，et al.Innovative blockchain-based approach for sustainable and credible environment in food trade： A case study in shandong Province，China[J].Sustainability，2018，10（9）：1-17.

[24]CASADO-VARA R，PRIETO J，DE LA PRIETA F，et al.How blockchain improves the supply chain： Case study alimentary supply chain[J].Procedia computer science，2018，134： 393-398.

[25]FABIAN S，JANJAAP S，DOMINIK M.The acceptance of blockchain technology in meat traceability and transparency[J].British food journal，2018，120（9）：2066-2079.

[26]GALVEZ J F，MEJUTO J C，SIMAL-GANDARA J.Future challenges on the use of blockchain for food traceability analysis[J].Trends in analytical chemistry，2018，107：222-232.