區塊鏈技術在農產品安全信息溯源中的應用研究

翟鴻雁

摘 要：農產品安全是國家和人民關注的民生焦點問題。文中將區塊鏈技術應用在農產品安全信息溯源關鍵技術中，探索將兩者技術有效融合，利用區塊鏈去中心化、機器自治、不可篡改、公開透明、可完整追溯等特性，建立農產品供應鏈可信追溯模型和系統，保證農產品整個安全信息溯源鏈上所有數據真實、安全、透明和完整。

關鍵詞：區塊鏈;農產品;安全信息;去中心化;技術融合;物聯網

中圖分類號：TP302.1文獻標識碼：A文章編號：2095-1302（2020）01-00-03

0 引 言

近年來，農產品安全事件頻頻發生，農產品安全事件危害人類健康，同時帶來一系列嚴重的社會問題，引起了社會的廣泛關注，如何保障農產品安全已成為國家和人民關注的民生焦點問題[1]。農產品安全事件頻繁發生的根本原因在于政府、生產加工企業、銷售商和最終消費者之間各方所獲取的農產品安全信息不全面、不透明、不對稱，且農業智能化水平較低。特別是涉及到跨區域的農產品安全問題時，一旦農產品供應鏈中某一個環節出現了問題，必然影響到農產品安全系數，那么就需要追溯整個農產品供應鏈上每個環節的安全信息，每個環節都可能存在不安全因素。因此，保證農產品安全溯源信息每一環節的數據真實、完整、透明、不易被篡改等就尤為重要。

信息溯源技術近年來在農產品安全領域已有了一定的應用，但全程溯源信息也存在數據不完整、不安全、易篡改等問題，需要切實解決供應鏈信息的防篡改性;而正在金融領域興起的區塊鏈技術可以實現分布式記賬，所有溯源上的主體都可以參與到數據信息的記錄中來，但是這些溯源鏈條上的數據信息不可刪除、不可篡改，區塊鏈所具有的這些“去中心化”和“不可篡改”等特性，可以彌補傳統信息溯源在數據的存儲和保護方面的不足。區塊鏈不需要第三方監管機構的參與，可提高數據信息的公開性和透明性。因此，可大力探索將信息溯源和區塊鏈這兩種技術進行有效融合，探索建立農產品供應鏈可信追溯模型和系統，實現農產品信息的透明化，提高農產品溯源鏈的智能化，及時跟蹤農產品安全數據信息，發現問題農產品可快速召回，保證農產品質量的同時又可節約成本[2]。

1 農產品安全信息溯源

農產品安全信息溯源系統以確保放心安全食品上餐桌為目標，以全面保證農產品質量安全為出發點，以物聯網體系架構、智能感知技術、通信技術、采集數據分析等關鍵技術為支撐，使農產品相關安全信息從采集、傳輸、管理、應用的整個供應鏈中都能可靠準確傳輸[3]。農產品安全信息追溯體系是農產品質量安全管理體系中的重要組成部分，是一個能夠連接生產、檢驗、監管和消費各個環節，提供從農田到餐桌的追溯模式，提取生產、加工、流通、消費等供應鏈環節的安全信息公共追溯要素，對農產品所有信息記錄全程進行電子數字化管理，為農產品建立透明的數字信息身份檔案，建立農產品安全信息數據庫，消費者、商家、政府可通過智能終端一體機掃描農產品溯源安全信息編碼快速查詢到生產供應鏈所有溯源信息。一旦發現問題，能夠根據溯源信息進行有效的控制和召回，保證農產品質量安全，從源頭上保障消費者的合法權益，同時也通過溯源系統為政府主管部門提供監管和決策依據。

2 區塊鏈技術

區塊鏈就是基于區塊鏈技術形成的公共數據庫（或稱公共賬本）。其中區塊鏈技術是指多個參與方之間基于現代密碼學、分布式一致性協議、點對點網絡通信技術和智能合約編程語言等形成的數據交換、處理和存儲的技術組合[4]，它的目的是用于驗證其信息的有效性（防偽）。廣義來講，區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據，利用分布式節點共識算法來生成和更新數據，利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全，利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算方式[5]。區塊鏈主要解決交易的信任和安全問題，包括共識機制、時間戳、智能合約、公有鏈、聯盟鏈、私有鏈、側鏈、跨鏈和閃電網絡;主要核心技術包括分布式賬本、非對稱加密和授權技術、共識算法、分布式存儲技術、P2P網絡技術。區塊鏈典型的特征包括去中介化、開放性、自治性、信息不可篡改、可追溯性、匿名性、高可靠性、高拓展性和包容性[6]。區塊鏈基礎架構[7]包括網絡層、數據層和應用層。在網絡層，建立去中心的分布式系統;在數據層，建立分布式數據庫系統，是一個分布式賬本;在應用層，用區塊鏈代替傳統的登記和清算系統，能夠提供編程環境讓用戶編寫智能合約。

一般來講，區塊鏈技術最受關注的應用主要在金融服務領域，但是其實它越來越多地影響著各個行業，繼“人工智能+”之后，興起的“區塊鏈+”讓人對區塊鏈技術應用在各行業帶來的改變充滿期待，特別是農產品安全信息領域。

3 區塊鏈技術應用在農產品安全信息溯源關鍵技術中的研究

在農產品安全信息溯源平臺研究和開發中，將區塊鏈技術的去中心化、區塊鏈基于時間戳的鏈式區塊結構、區塊鏈加密算法和共識機制、開放性等特征應用在農產品安全信息溯源場景中，將農產品全過程信息流記錄上鏈并進行存證和固化，同時對數據進行加密存儲，利用分布式賬本，有效保證全程農產品安全信息溯源數據完整、真實、透明、不可篡改。

3.1 運用區塊鏈去中心化特性重構物聯網框架的農產品安全信息溯源體系架構

首先采用物聯網體系框架搭建農產品安全信息溯源體系架構，建立信息數據流分層原型模型。傳統的分布式存儲一般是通過中心節點往其他備份節點同步數據，在傳統的溯源體系架構中專門設置了一個支撐層，這一層對農產品標識信息數據庫、農產品供應鏈軌跡中的各類質量安全信息采用統一的中央數據庫進行管理。而運用區塊鏈具有的分布式賬本這一核心技術，即交易記賬是由分布在不同地方的多個節點共同來完成，每一節點都記錄完整賬目，也就是使用區塊鏈分布式核算和存儲，去除中心化的數據管理，任何節點的權利和義務都是對等的，即無需中心化的硬件和數據管理機構。區塊鏈每個節點存儲都是獨立的，每個節點都按照塊鏈式結構存儲完整的數據，且每一節點的權利、義務是平等的。因此農產品安全信息溯源體系中數據塊可由系統體系中具有維護功能的節點來共同維護。

運用區塊鏈去中心化特征將農產品安全信息溯源體系按照信息數據流的橫向流向把溯源體系分為感知層、傳輸層、支撐層、應用層、用戶層五個類型分層[8]。感知層主要通過各種智能感知設備獲取農產品信息的采集，包括RFID、各類傳感器等采集的農產品相關數據和原始信息;傳輸層主要通過無線網、通信網、傳感網等網絡傳輸方式將采集到的供應鏈各個環節的安全信息能夠可靠完整有效地傳輸;支撐層對各個環節采集到的農產品安全信息和數據使用區塊鏈分布式存儲、去中心化管理;應用層主要設計和構建農產品安全信息溯源平臺、農產品安全信息監管平臺、農產品采集信息溯源防偽識別平臺、農產品質量安全預警應急處理平臺、農產品質量安全分析與決策平臺;用戶層主要面向農產品生產商、加工商、銷售商、政府主管部門、消費者。農產品安全信息溯源體系架構如圖1所示。

3.2 運用區塊鏈基于時間戳的鏈式區塊結構存儲傳輸農產品安全信息數據

農產品從生產、運輸、加工、包裝到銷售的生產供應鏈中，數據信息流經過感知層、傳輸層、支撐層、應用層和用戶層，根據供應鏈主體劃分追溯記錄，區塊鏈按照信息流層次順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，每個區塊都包含一個時間戳和一個與前一區塊的鏈接。對農產品溯源信息采用時間戳的方式對區塊進行鏈接，對數據進行分布式存儲，每個節點都按照塊鏈式結構存儲完整的數據，可以在各個節點創建更清晰的追蹤渠道。并運用分布式組網、數據傳播和數據驗證等機制可靠傳輸農產品供應鏈信息流。通過這種方式，農產品供應鏈每一環節都有了透明、完整的溯源信息，保證了各個節點信息的可靠傳輸交換，實現了對農產品安全信息的有效追溯。

3.3 運用區塊鏈加密算法和共識機制保證農產品安全溯源信息的完整和安全

傳統的追溯方式根據ID值在數據庫進行查詢實現農產品信息追溯，這種追溯方式過于簡單，真實性、有效性不能保證。區塊鏈技術是利用密碼學的方式，采用加密算法[9]，對公鑰和私鑰進行設置，在農產品追溯中區塊鏈是一串使用密碼學方法相關聯產生的數據塊，每一個數據塊中包含了一次供應鏈節點的業務信息，用于驗證其信息的有效性（防偽）和生成下一個區塊。運用區塊鏈的共識機制，只有當大部分節點都同時認為這個信息記錄正確時，或者所有參與記錄的節點都比對結果一致通過后，才能認定記錄的真實性和有效性，記錄數據才允許被寫入區塊中。一旦數據經過驗證并添加到區塊鏈中，將被永久存儲，且時間戳可以記錄數據創建時間。這種共識機制在農產品安全信息溯源中不僅是數據記錄認定的方式，同時也保證了信息的不可篡改。運用區塊鏈加密算法和共識機制，建立不可篡改的可信追溯信息鏈條，是農產品供應鏈可信追溯的有效方法和手段，從而保證追溯信息的真實性、不可篡改性和傳遞的安全性、有效性。

3.4 運用區塊鏈開放性保證農產品安全溯源信息的公開透明

農產品安全信息溯源平臺可根據不同農產品的生產、加工、運輸、銷售等環節的特定條件，設計開發質量安全溯源系統軟件，連接農產品的生產、檢驗、運輸、監管和消費各個供應鏈環節。由于區塊鏈的數據可對所有人公開，區塊鏈網絡將所有的交易賬本實時廣播，因此運用區塊鏈開放、透明等特性，讓用戶層成員充分了解農產品的生產流通過程，獲悉農產品安全信息。除了交易主體的私有信息數據被加密外，所有人并都可通過公開接口查詢區塊鏈數據和相關應用，保證農產品安全信息溯源系統的信息高度透明，提升農產品消費者的信息程度，農產品從種植到最終上餐桌，能夠完全實現實時溯源。

4 結 語

將區塊鏈技術應用在農產品安全信息溯源關鍵技術中，探索將兩者技術有效融合、優勢互補，利用區塊鏈去中心化、機器自治、不可篡改、公開透明、可完整追溯等特性，從技術上真正實現農產品安全信息的全程追溯，保證整個溯源鏈上所有數據真實、安全、透明和完整。

參 考 文 獻

[1]陳海瀅，郭佳肅.物聯網應用啟示錄：行業分析與案例實踐[M].北京：機械工業出版社，2016.

[2]杜均.區塊鏈+[M].北京：機械工業出版社，2018.

[3]李建功，王健全，王晶，等.物聯網關鍵技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2013.

[4]鄒均，曹寅，劉天喜，等.區塊鏈技術指南[M].北京：機械工業出版社，2018.

[5]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.

[6]劉權.區塊鏈與人工智能[M].北京：人民郵電出版社，2019.

[7]張健.區塊鏈[M].北京：機械工業出版社，2016.

[8]黃東軍.物聯網技術導論[M].北京：電子工業出版社，2012.

[9]井底望天，蔣曉軍，相里朋.區塊鏈與產業創新[M].北京：人民郵電出版社，2018.

[10]王飛.區塊鏈技術與促進我國跨境電商發展的新思路研究[J].理論月刊，2019（3）：117-122.