基于區塊鏈和物聯網的農產品質量安全追溯系統

陳玥婧 周愛蓮 謝能付 梁曉賀 汪匯涓 李小雨 史毓心

（中國農業科學院農業信息研究所，北京 100081）

1 引言

隨著經濟全球化的迅猛發展和科學技術的不斷進步，世界范圍內民眾的生活水平得到了很大提高，餐桌上的食物種類越來越豐富。與此同時，食品安全問題的關注度也在不斷上升。近年來，國內外農業領域的食品安全問題頻發，食品安全問題已經成為一個全球性的問題。我國是一個人口大國、農業大國，農業在國民經濟中占據著非常重要的地位和作用，為民眾提供食物和營養供給，促進相關行業及產業的經濟文化發展，為其他產業的蓬勃發展奠定堅實基礎。近些年來，我國食品安全問題頻發，“地溝油”“假奶粉”“瘦肉精”“塑化劑”等嚴重的安全事故被曝光后，我國的農產品安全問題引起了社會各界的關注和政府部門的高度重視，如何解決農業領域的食品安全問題、保障農產品安全已經成為了國家和人民高度關注的民生焦點問題。

農產品食品安全問題產生的最重要原因是信息的不全面、不透明、不對稱。當前，國內外的研究者基本一致認為要想解決這個問題，最根本的解決方法是做好溯源與追蹤工作，建立合理可靠的農產品溯源追溯系統。供應鏈的任何一個環節出現問題，都會引發食品安全危機，這就需要通過溯源系統去查找問題來源，明確發生問題的環節。當然，除了溯源與追蹤，還要保證每個環節的信息都符合要求。只有農產品供應鏈上的每一個環節的信息都真實、完整、透明且不易篡改，才能維持高水平的農產品安全系數[1]。

以區塊鏈技術為基礎的新型的追溯系統與過去的以傳統技術為基礎的溯源體系相比，前端差別不大，主要區別在后端，即存儲數據層存在差別。前端對于各類數據的采集工作都是利用各種網絡傳感器、各種信息采集終端、識別裝置等物聯網設備，再通過網絡完成的。美國的Provenance 公司是第一個運用區塊鏈技術為供應鏈產品的整個生命周期提供全程溯源的公司，供應鏈上各種產品都有，包括鉆石、數字藝術作品等，在農業領域的應用研究是開展了基于區塊鏈技術認證金槍魚的先導項目；荷蘭瓦赫寧根大學研究機構（WUR）與先進技術研究院（TNO）合作的關于農產品領域應用的先導項目；美國的Filament將區塊鏈技術引進到農場的資產管理體系中；硅谷Sku-Chain 研究將區塊鏈技術應用于追蹤，追蹤農產品的運輸全過程[2]。

2 問題分析

目前農產品追溯系統主要依靠數據庫技術、網絡技術、條碼技術、自動識別技術等實現，依然存在很多問題[3]。

2.1 信息完整性較低

對于農產品來說，從生產到最后銷售，中間經歷的環節較多，很難保證信息鏈的完整性。在大部分實際應用場景中，農產品追溯系統依然只能提供產地、承運環節等基本信息。而且，我國農業的農戶以及農產品加工商普遍規模較小，各個環節的對接十分零散，很難有一個覆蓋范圍足夠廣的農產品追溯系統能將他們納入規范系統，這也會使得信息完整性較低。

2.2 數據真實性存疑

現在市面上已經有許多傳統的農產品追溯系統，這些系統有的由政府部門主導，有的由社會機構或企業主導，多數以中央數據庫存儲方式存儲追溯信息，控制權集中。其中存在一些農產品生產責任主體自己監督自己的情況，這時數據的真實性就完全依賴生產主體本身的責任意識和道德意識，繼而無法解決市場上存在的信任缺失問題。

2.3 數據標準不統一

目前的農產品追溯系統，無論從地域上，還是農產品種類上，適用范圍都有限，而各個省市對于農產品追溯系統的建設要求、數據規范、描述內容等都不盡相同，存在格式不一、內容交叉、數據冗余等問題，從而導致了不同追溯系統間系統不兼容，難以實現數據共享。

2.4 缺乏監管制度

雖然政府在食品安全的監管上已經做出很大努力，并取得一定成效，但是農產品種類多、數量大、供應鏈長，且存在很多不確定因素，所以很多環節的責任主體和責任邊界還沒有厘清，導致監管成本較高且效率低下。

3 區塊鏈與物聯網

3.1 區塊鏈

區塊鏈本質上是一個分布式記賬本，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征，核心技術主要包括P2P 網絡傳輸、時間戳、非對稱加密、共識機制、智能合約等。根據開放程度，區塊鏈主要分為公有鏈、聯盟鏈、私有鏈三大類。本文中的區塊鏈技術選擇以聯盟鏈為基礎架構。由于私有鏈只在個體組織內部使用，本文不考慮私有鏈。王毛路等總結歸納了公有鏈、聯盟鏈在效率與共識、隱私與透明、分散與集中這三大矛盾點上的不同。鑒于在農產品追溯系統中，參與主體比較確定，不需要太強的匿名性，并且在政府的主導下，參與各方有一定的信任共識基礎，區塊鏈只需要專注提高效率和部分去中心化，因此聯盟鏈是較好的選擇[4]。有關區塊鏈技術在農產品追溯系統中的應用研究，梁昊等提出了建立區塊鏈農產品交易體系的概念，通過提供靈活的分布式存儲機制、完備的信息共識體系、可靠的信息防篡改功能和實用的激勵回報措施，完成農產品信息追溯和農產品市場信息透明化[5]。趙磊等從信息生態視角分析用戶需求，提出追溯參與主體的風險補償方案，進行追溯信息鏈流程再造[6]。李明佳等從頂層架構出發將區塊鏈植入食品追溯體系，在區塊鏈的去中心化程度、共識機制等方面加以改進以克服原始區塊鏈的缺點[7]。錢建平等總結了農產品追溯系統從1.0 到3.0 的發展歷程，提出未來追溯系統技術橫向融合的發展趨勢[8]。

3.2 物聯網

物聯網是指通過各種信息傳感裝置，實時采集各種聲、光、熱等所需信息，實現物與物、物與人的泛在連接，從而對事物進行智能化的感知、識別和管理。有關物聯網技術在農產品追溯系統中的應用研究，陳佳麗運用條碼技術（BC）、射頻識別技術（RFID）、EPC-ONS 技術構建茶葉智聯安全追溯流程，大大提高了茶葉質量追溯體系的可信度和安全性[9]。顏波等以互聯網技術為支撐，構建了基于物聯網的最嚴格覆蓋全過程的農產品安全可追溯監管體系，對農產品安全風險進行評估[10]。

3.3 區塊鏈+物聯網的優勢

物聯網技術和區塊鏈技術都有各自的優劣，而在今后的農產品質量安全追溯系統發展過程中，多種技術的融合將是未來的發展方向。物聯網技術和區塊鏈技術的融合，可以很好的取長補短：（1）檢測物聯網惡意節點。物聯網中分布式的優化算法依賴于單個智能體的本地計算和近鄰間通信來迭代地解決一類廣泛的、受約束的優化問題，但是容易遭受來自內部惡意節點的數據注入攻擊，并且現有技術對其檢測的結果并不理想；而使用區塊鏈技術和智能合約可以更好地檢測定位惡意節點[11]；（2）優化數據存儲。利用區塊鏈的去中心化可以大大改善大數據存儲的中心化現狀，減少物聯網對于中心結構的依賴，利用區塊鏈技術的非對稱加密技術可以保證文件數據安全[12]；（3）完善身份認證。物聯網集中式平臺在設備身份認證過程中兼容性低、抗攻擊能力弱，引入區塊鏈技術，將數字身份等信息存入新型區塊數據結構中，能夠有效保護隱私、提高安全性、減少計算開銷[13]。

4 農產品質量安全追溯體系結構設計

4.1 農產品質量安全追溯體系流程及主體設計

本文提出的農產品安全追溯系統基于聯盟鏈，其中政府部門，如農業部、市場監督管理局等具有較高的權限，作為監管主體，保證農產品安全追溯系統的標準化運行，監管基礎設施建設以及多方的協調互利，并與生產銷售主體有效對接溝通，達到農產品安全追溯系統的合理運行狀態。

在農產品生產銷售鏈中涉及的主體主要是原材料提供者、加工廠家、物流運輸商、分銷商和消費者，本文在設計農產品質量安全追溯體系時也從這幾個方面入手，具體如圖1 所示。為了確定責任邊界，將追溯鏈從產品誕生到消費的流通過程劃分為生產、加工、分銷、消費四大環節，對應的責任主體分別是農戶，加工廠家，批發商、零售商、電商平臺和物流運輸企業，消費者。生產銷售主體一方面保障追溯系統信息鏈完整性、準確性，另一方面收集反饋信息，完善追溯體系，最終達到農產品質量安全追溯系統的標準高效運行。

4.2 農產品質量安全追溯管理體系設計

根據農產品的整個供應鏈的功能需求，該農產品質量安全追溯管理體系分為生產系統、加工系統、物流系統、銷售系統、監管系統和其他功能系統，由監管系統建立完備的質量標準體系，并采取有效的防御措施，約定懲罰機制。在生產和加工系統中，可以通過各種物聯網傳感設備采集數據，保證數據的完整性、真實性、可靠性；并在系統中設置異常值警告，提供農產品安全預警，如圖2所示。

首先，各個責任主體在進入本系統時，要進行注冊登記，登記信息主要包括用戶名稱（農戶姓名、加工工廠名稱、物流公司名稱、銷售公司名稱）、類型、聯系方式、通訊地址、相關資質文件等。

4.2.1 生產系統

生產系統是農產品安全體系的源頭，需要重點把控。重點提供選種管理、環境監測、生長追蹤、農藥投放、疾病管理等功能。其中選種管理重點記錄種苗名稱、種苗購入信息；農藥投放重點記錄農藥名稱、生產廠商、投放量、投放時間等信息。所有農產品按批次賦碼，記錄生產信息。

4.2.2 加工系統

加工系統是農產品安全體系的重點，主要提供工藝流程、環境分析、設備管理等功能。其中工藝流程重點記錄農產品經歷每一道加工工藝的名稱、時間、負責人等信息，包括最初的原材料入庫信息和最后加工完成后的入庫信息，方便與物流系統對接，在原材料入庫時，直接掃描農產品批次碼，提取生產信息，進行入庫。

4.2.3 物流系統

物流系統是農產品保質保鮮的關鍵，主要提供產品流向、庫存管理、環境監測等功能。其中環境監測主要針對冷鏈物流，記錄溫度、濕度等信息；庫存管理可以對庫存狀態進行分析并實時預警。

4.2.4 銷售系統

銷售系統主要提供商品銷售、庫存管理、售后管理功能，其中商品銷售主要記錄農產品名稱、數量、價格、銷售時間等；庫存管理主要記錄進出庫信息并提供實時預警；售后管理主要記錄退換貨的名稱、數量、理由等信息。

4.2.5 監管系統

監管系統主要由政府部門管理，引入農產品相關的法律法規、技術標準、品級分類標準，并由此構建智能合約的部分內容，系統提供第三方檢測和風險評估功能。

4.2.6 其他

本系統還提供咨詢服務、問題反饋、防偽查詢、系統維護等功能，其中防偽查詢通過調取相關智能合約實現。

5 系統設計與實現

5.1 總體框架設計

平臺主要分為物理層、數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層。物理層主要是通過傳感器、執行器等采集數據，然后上傳至數據層；網絡層通過驗證機制和節點權限等，結合P2P 網絡協議，由政府監管部門將區塊鏈數據存儲于各個節點。數據存儲采用鏈上與鏈下相結合的方式進行，通過映射機制將兩者聯系起來；共識層采用權益證明（Proof of Stake）算法進行管理，這種基于權益的共識算法可以方便政府監管部門擁有更多管理權限，對參與農產品價格、運輸、售賣的主體進行審核管理；合約層結合有關農產品質量安全的法律法規、技術標準等，通過構建智能合約規則，提高管理效率。

5.2 基于物聯網的數據采集

該系統需要采集整個供應鏈上的農產品信息，包括生產階段、物流倉儲階段和銷售階段。生產環節信息包括生產環境信息、生產操作信息和生產視頻信息等，可以利用不同的監測系統對不同項目進行監測。例如，使用土壤信息監測系統，對空氣溫度、空氣相對濕度、太陽輻射、土壤濕度、土壤溫度、土壤電導率、葉面水分進行監測；使用加工廠監控以及流水線數據對加工過程進行監測。在物流倉儲階段，農產品及其制品的鮮活性是運輸的關鍵，而冷鏈的運用可以保鮮、減少污染，因此可以使用基于無線傳感器技術的冷鏈監測系統，實時記錄冷藏車中溫度、濕度、乙烯含量等。

5.3 “數據庫+區塊鏈”的數據雙存儲設計

由于農產品生長周期較長，期間產生的數據量大，并且數據具有異構性，如果將采集到的所有數據都存儲在區塊鏈上，就會導致區塊鏈負荷大，增加運行成本。而且，隨著時間推移，節點數增加，交易數據呈指數級增長，如果將數據都存儲在區塊鏈上，會使得查詢效率低下。因此本文采用鏈上與鏈下相結合的方式進行數據存儲。在區塊鏈上的部分，重要數據通過哈希算法產生與該數據對應的唯一標識碼，并存儲在區塊鏈中；在鏈下的部分中，將采集到的詳細數據存入關系型數據庫，并標識數據對應的區塊鏈信息位置[14]。

5.4 構建智能合約

智能合約是一種旨在以信息化方式傳播、驗證或執行合同的計算機協議，它允許在沒有第三方的情況下進行可信交易，這些交易可追蹤且不可逆轉。智能合約一旦部署就能實現自我執行和自我驗證。在本文中，智能合約包括《中華人民共和國農業法》、《農產品質量安全法》等法律法規，以及其他相關的法律法規、技術標準等，部分合約規則如表1所示。

表1 智能合約的部分規則Table 1 Some of the rules for smart contracts

6 總結與展望

以區塊鏈技術和物聯網技術為支撐，以農產品的“生產—加工—分銷—消費”為生命周期過程，筆者提出了農產品質量安全追溯系統總體框架；使用物聯網技術和無線傳感器技術采集數據，設計了“數據庫+區塊鏈”的數據雙模存儲機制；描述了智能合約的構建過程。構建農產品質量安全追溯系統，有助于提高政府監管力度和農產品質量安全追溯系統的數據儲存能力和數據的完整性、真實性、可靠性。

未來在普及推廣使用農產品質量安全追溯系統時，還可以從以下幾個方面突破努力：（1）在編碼方面應制定國家級的統一的追溯碼編碼規范,改變目前追溯編碼混亂的問題。（2）在追溯平臺建設方面，政府應橫向打破部門壁壘，縱向打破層級壁壘，形成完整體系。（3）在解決追溯系統面臨的深度問題時，更應注重不同技術的融合。