區塊鏈技術在優質安全糧食產業中應用與挑戰

吳文革，季雅嵐，孫雪原，許有尊，習敏，周永進，陳剛

(安徽省農業科學院 水稻研究所，安徽 合肥 230031)

我國是一個人口眾多的農業大國，黨中央高度重視“三農”安全工作，2004—2019年連續16年發布以“三農”為主題的中央一號文件，強調了“三農”問題在國家社會主義現代化時期“重中之重”的地位，而確保14億人的口糧安全始終是治國理政的頭等大事[1]。糧食安全奠定了國民經濟發展和國家長期穩定發展的基礎，習近平總書記指出“中國人的飯碗任何時候都要牢牢端在自己手上，我們的飯碗應該主要裝中國糧”[2]。

目前，我國的糧食產業正處于轉換升級的關鍵性階段，消費者已經從填飽肚子向優質綠色健康方向轉變，而生產者也希望通過新技術生產出更多安全可靠的綠色農產品的同時實現綠色增效。如今區塊鏈、大數據、物聯網、云計算、人工智能等新技術的興起和應用，為我國農業現代化發展帶來新思路、開辟新方法；而區塊鏈技術及其與智慧農業技術的融合應用，打造一條具有特色的綠色農業產品優化供應鏈條，進而可以聯接起供應端和消費端實現流通渠道，建立從田間到消費者餐桌的綠色農業產品安全監控體系，實現供給端和消費端需求的平衡，讓家家戶戶的餐桌更綠色健康，更安全可口[3]。可見“區塊鏈+糧食生產”是解決我國糧食安全的一條新路徑，不僅為生產者提供更多的技術途徑與選擇，也為消費者帶來更多的便捷和安心。

1 區塊鏈技術

1.1 簡述

區塊鏈這一名詞始見于2008年[4]，它的問世被人們稱作“一場后互聯網時代的革命”[5]。區塊鏈技術的本質是通過“去中心化”的方式來達到數據資料的分布式記錄，進而形成資料數據庫。具體是指采用塊狀鏈接式數據化結構來詳細存儲和驗證數據、用分布式算法來計算和更新數據、用保密代碼方式確保數據傳輸和查詢的安全性、簽訂智能合約來處理和操作數據的一種全新互聯網信息技術[6]，最終通過各鏈塊間加密方式把數據庫中不同節點間的數據相接組串成一個系統。舉例來說，就是每一粒大米的出生，用什么種子，施什么肥，再到物流全過程，都有詳細的溯源記錄，這樣建立的綠色農業產品安全監控體系保證了供給端和消費端需求的平衡，更大程度的優化糧食安全保障體系。

1.2 技術特點

區塊鏈技術本質上是一個分布式公共賬本，具有去中心化、交易數據公開真實化、安全化、開放共識可追溯化四大技術特點[7-10]。具體表現為:在沒有中心機構的情況下達成共識，提高了傳統網絡交易的效率；全網節點都具有完整交易信息的備份，能夠保證在對交易對象匿名的情況下所有交易數據公開，增加信息的安全性[8]；運用自身分布式節點加密進行數據的存儲、驗證、共享，對傳統互聯網交易第三方中介出現基于信任產生的高成本、低安全的問題有效地回避[10]；數據一旦存儲任何人任何階段都不可進行篡改或偽造，可信任度高，整個環節的交易信息及數據都有據可尋[11]。

1.3 技術構架

一般說來，區塊鏈架構由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層6層組成[12-13]。數據層通過管理與網絡層點對點傳輸協作，接著由共識層建立共識機制，并通過激勵層確定并通過合約層后應用。同時區塊鏈技術的類型分為公有鏈、聯盟鏈、私有鏈3種[14-15]，具體表現為:公有鏈是任何人都能發送交易且交易能獲得有效確認、任何人都能參與，具有信任自建立的特點；聯盟鏈是特定的人群通過簽訂協議，在聯盟共識下，寫入權限受預選節點控制，具有效率高、成本低的特點；私有鏈是個體或組織內部寫入權限僅受一個組織控制，具有透明、可追溯的特點。

1.4 運作機制

綜上可知，區塊鏈技術在創造運營機制、提升運營效率和優化運營系統等方面具備較大應用空間和發展優勢，可以保障各節點各環節中的數據運作的安全性、可信性、可回溯性和可共享性。主要表現在:更多經濟主體或領域可對其進行運作、創新和再創造，產生更有特色的商業新模式；通過去中心化和密碼學保障，保證運作數據具有可信任性，使建立起來的價值網絡更加安全[16]；按照時間順序鏈式存儲的數據可以更好達到可溯源的目的[17]；開放的系統和數據共享保證數據的公開透明度(私密數據除外)。因此，區塊鏈技術與智慧農業技術的融合應用，保證信息透明度、系統優質度和資源可靠度，有助于促進“三農”安全工作的充分發展。

2 糧食產品安全信息區塊鏈技術架構

2.1 總體技術架構

利用區塊鏈技術，可針對農產品從生產、流通、銷售各環節的數據進行及時采集上傳，為消費者提供安全可靠的農產品質量追溯服務，在提高農產品經濟效益的同時對消費者權益進行保障，增加農產品質量安全監督管理力度，保證農產品安全性[18-20]。本文提出的糧食產品安全信息區塊鏈技術架構具體是指依托區塊鏈技術，通過去中心化把農民、合作社、經銷商、消費者鏈接起來分布記錄取得共識的信息區塊鏈，利用區塊鏈不可篡改的特性起到數據公開透明，并有助于解決農產品單一化、供需不平衡、無保障等一系列問題[21]。整個系統不設置集中的管理核心，企業甚至不需要建立服務器，終端設備等硬件系統，可大大降低系統建設、管理和協作的成本，提高信息和數據的完整性和準確性及產業鏈價值(圖1)。由于區塊鏈技術由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層6層共同組成[12-13]，每一流程的設計也不一致，因此，在基于整體技術構架設計的基礎上，還需要集成數據采集、網絡傳輸、信息共識、管理服務及行業應用等方面的應用，才能從根本上解決糧食產品信息安全，保證所有節點的權限和義務平等。

圖1 糧食產品安全信息區塊鏈技術架構

2.2 系統構架流程分析

2.2.1 信息采集與數據層設計

信息采集主要是依托物聯網設備(各種傳感器、二維碼、RFID技術、GPS定位、智能裝置等[22-24])和物流數據接口采集糧食產品從種植到銷售各環節的數據，結合區塊鏈技術的去中心化、去信任化、信息不可篡改性等特點[7-10]，保證采集的信息準確可靠。糧食產品安全信息區塊鏈系統主要采集的信息包括生產信息(原材料、生產過程、產地等)、訂單信息(訂購、產品、數量、金額等)、庫存信息(產品、庫房、存量、剩余空間等)、物流信息(運輸方式、時間、路線等)，以及糧食生產環節需要的所有信息構成數據層的基礎數據。接著把這些基礎數據通過相關的哈希函數、梅克爾樹(Merkle tree)、非對稱加密、鏈式結構等技術，進行封裝存儲到帶有時間戳區塊中[25]，再通過共識算法存儲到區塊鏈的數據層中，從而保證每個數據節點負責維護自己該節點的信息存儲系統，做到對區塊鏈式結構、數字簽名、加解密碼等方面進行系統規范化管理。

2.2.2 網絡層與共識層設計

網絡層的目的主要是為保證數據的存儲和上鏈，基于P2P協議(對等技術)通過網絡傳播機制和分布式組網機制將數據層收集的信息進行驗證，再利用網絡技術、無線傳感網絡技術和移動通訊技術使數據間實現傳輸，具有區塊交易、轉發交易、節點發現等功能[26-28]。通過網絡層把糧食產品安全信息區塊鏈的組網方式和消息傳播協議等要素進行封裝，再將數據層中收集的分散數據通過點對點模式進行組織并構成各節點。共識層就是對網絡層中各節點通過各類共識算法進行封裝，主要用于建立糧食產品安全信息的共識機制，是根據糧食產品實際場景自由選擇，具體包括糧食產品的基于生產工作量證明、基于產出和銷售的權益證明、基于各環節的授權證明等。

2.2.3 激勵層、合約層與應用層設計

激勵層主要是通過經濟激勵機制[29]，將糧食產品的經濟因素集成到區塊鏈體系中，來確定整個糧食產品安全信息區塊鏈技術架構網絡的分配、發行機制，保證糧食產品安全信息資源的有效配置、高效利用和激勵相容等特點。再通過合約層依托各類型的腳本代碼、算法機制和智能合約，對不同節點的糧食產品安全信息執行不同的可編程操作[30]，最終在整個區塊鏈網絡中達成體系共識。最后將包含了糧食產品安全信息各區塊的多種應用場景和不同糧食產品安全構成案例通過應用層進項應用儲存，針對不同糧食產品、不同安全信息問題、不同應用場景等的落地，實現糧食產品安全信息區塊鏈與實際應用相對接，從而達到從農戶到需求方的綠色農業產品安全監控體系。

3 糧食產品安全信息區塊鏈應用方案

3.1 建立糧食生產信息管理系統

糧食生產信息是糧食產品安全信息區塊鏈技術的基礎，通過糧食生產商或種糧大戶(農戶)提供用于記錄的基礎數據，包含生產品種、種類、農藥使用情況、生產大棚種類數量、產品屬性特點等，結合氣象數據、生產企業簡介、社會信用代碼等建立后臺與生產管理系統(圖2)。由于糧食產品的種類繁多，在生產栽培上具有典型的地域性和周期性特點，因此，根據糧食產品實際供求關系，統一管理建設可按地區、種類、市場定位等的糧食生產信息管理系統，結合區塊鏈技術降低信息存儲的中心化，避免數據被篡改的風險[31]。在系統中，每個生產商都以區塊鏈節點的身份加入系統中每個節點負責接收其農戶上傳的信息數據，并在區塊鏈所有節點進行運算共識操作下將數據打包至區塊內；同時，創建公共區塊鏈和秘鑰區塊鏈(系統中身份驗證的關鍵)，公共區塊鏈向糧食產品安全信息區塊鏈的全體成員做到信息公開。因此，可以高效地查詢或監測糧食產品生產環節的信息，方便生產商、運營商和用戶進行查詢。另外，通過區塊鏈的智能合約，以區塊鏈為載體建立農業擔保支農模式，有效解決了糧食生產由于缺乏信用導致的資金貸款困難問題，提高了糧食產品生產者的權益保障和生產積極性。

3.2 完善糧食收購、加工產業鏈信息回溯體系

在現代農業中，線上和線下的信息化和數據公開化是糧食產業鏈發展的必然趨勢[32]。根據上文分析，利用區塊鏈技術去中心化方式建立的糧食產品安全信息對于農產品收購、加工產業鏈是一個可行的技術。回溯信息主要包括生產現場進行的各類收購、加工、打包等產業鏈，結合區塊鏈技術時間戳和證明機制保證了糧食收購、加工產業鏈信息的不可篡改性；體系中每個節點都備份有效地保證了信息的穩定[33]，并且包含了前一個區塊的回溯記錄壓縮值，再按時間順序規律性排列，形成了回溯體系區塊鏈。通過完善糧食收購、加工產業鏈信息回溯體系，每個糧食生產經營企業，在經過糧食產品安全主管部門的審核批準后建立新節點，加入糧食產品安全信息區塊鏈技術體系中，進行糧食產品收購、加工、打包等信息的記錄、傳播和驗證(圖2)。

圖2 糧食產品安全信息區塊鏈技術應用

3.3 建立基于區塊鏈技術的糧食產品交易體系

由于糧食產品安全信息區塊鏈技術僅支持進行過交易地址或是區塊地址的查詢[34]，因此，交易信息數據需要建立基于區塊鏈技術的糧食產品交易體系。糧食產品交易體系的數據存儲方案使用區塊鏈與數據庫相結合的方式，通過區塊式交易存儲數據，再把交易信息備份到數據庫中與糧食產品建立聯系，從而方便后臺的邏輯操作。通過建立基于區塊鏈技術的糧食產品交易體系，對生產者、供應商和購買者提供了極大的便利，具體表現在:一方面，由于區塊鏈技術具有信息公開性，增加了交易體系中生產者對市場交易需求走向的了解，從而提高了糧食產品的經濟效益；另一方面，賣方用戶進行注冊后信息存入區塊中獲取相關授權和認證，買方在購農產品的同時也會授權獲得密鑰進入區塊鏈實現追溯數據查詢，需求者通過糧食產品交易體系可以進去區塊鏈查詢節點內糧食產品的所有交易信息，做到買賣雙方的交易透明，消費者可以準確知曉所購糧食產品安全問題，增加對生產和供應商的信任度，大大提高了交易的成功率。

4 小結與展望

區塊鏈技術是新型的現代化信息技術，將其去中心化、分布式存儲、共識機制、安全性、不可篡改性等特點，運用在優質安全糧食產業方面具有較大的應用前景。本文通過對區塊鏈技術的特點、構架、運行機制和基本內涵的了解，把區塊鏈技術運用到糧食產品中，設計了糧食產品安全信息區塊鏈技術架構及應用方案，為優化糧食安全信息開辟了新途徑，是未來發展的重要任務和必然趨勢。目前，區塊鏈技術在糧食產品安全信息的發展還處在初步階段，對于糧食生產的日常信息采集、數據更新調整、人員修理保持等方面都存在或多或少的困難，特別是全產業鏈信息繁多，以及不夠透明的機制，使得去中心化的難度加大；其次，糧食種植—收儲—加工—消費所針對的對象不是靜止的，而是有生命的綜合體，受外界的影響不可忽略，需要技術領域的深入設計和研究范圍的不斷擴大，這就使得應用區塊鏈的成本增加；另外，目前技術人力資源的不足，使得區塊鏈的推廣同樣不易。但有廣闊的需求市場，加上國家政策強力推動，糧食生產區塊鏈技術的發展前景可期。

針對當前糧食產品安全信息區塊鏈技術問題與發展障礙，建議加快推進基礎設施建設的基礎上，提升區塊鏈技術水平和相關制度保障，契合實際情況創造出具有針對性的應用模式，為食品安全追溯提供良好發展環境是未來需要研究的方向。同時，無論是生產者還是消費者對食品安全性問題的認識度都還不夠，因此，還需要加大宣傳，讓每一個人都認識到重要性，促使農業生產加工環節的企業有主體責任感，培養其對糧食產品安全信息區塊鏈技術體系的認識以便更好地運用。此外，還需要大力提高農民的知識水平和培養農業技術人員，做到知識普及，讓人們了解其為現代生活帶來的便利，這樣才可以進一步地推廣應用。

展望未來，我國糧食生產中智慧農機與農業物聯網技術方興未艾，正在推動新一輪農業科技革命，糧食產業正在朝智慧化、現代化方向升級轉型；糧食產品安全信息區塊鏈技術作為現代農業發展中的又一個關鍵技術，雖然目前發展還不充分，但區塊鏈技術和智慧農業相結合，在使得農業工作效率大大提高的同時，還能夠以更加準確的途徑對采集到的農產品數據進行分類處理和加工，真正實現智能化，也即現代化糧食產品安全領域完全可以采用這一技術作為支撐，代替傳統中心化模式。糧食產品安全革命又將迎來新的春天。