區塊鏈技術在糧食質量追溯體系中應用探討

李燕羽，常 青，苑江浩，趙會義，孫開源，TENG Shyh-wei

（1. 國家糧食和物資儲備局科學研究院，北京 100037；2. 鄭州華糧科技股份有限公司，河南 鄭州450001；3. 聯邦大學，維多利亞州 3842，澳大利亞）

民以食為天，食以糧為安，糧食安全既是我國經濟發展的必備條件，也是社會穩定的基礎[1]。新時代下，糧食安全承載著國民經濟健康發展壓艙石的重要角色，對保障人民大眾安居樂業意義巨大。我國“十三五”規劃中明確提到要用科技手段支撐國家的糧食安全戰略，在轉變農業發展方式的同時，更加注重農產品的質量和食品安全[2]。利用科學技術，通過學科融合，改變傳統行業和產業，符合科技興國戰略，也是科技創新發展的重要動力。近年來，科學技術蓬勃發展，以5G、云技術、物聯網、大數據、人工AI等為代表的信息技術引領社會進入新的發展階段，對于相對傳統的糧食行業，如何利用這些新技術，搭上時代發展的快車，夯實糧食安全的同時，進一步滿足人民群眾日益提升的物質文化需求，是當前許多科技工作者和傳統糧食人不斷探索和追求的目標。

1 區塊鏈在我國的發展情況

近年來，“區塊鏈”作為一種前沿的互聯網技術[3]，被許多領域借鑒參考，除了諸如比特幣在內的虛擬貨幣之外，利用區塊鏈自身的去中心化、加密、不可篡改等特性[4]，被廣泛應用在當前互聯網和智能化體系中，諸如金融[5]、保險、產品溯源[6]等領域，均能見到“區塊鏈”的概念和題材，我國也在積極借助區塊鏈技術，發展數字貨幣，可以說，區塊鏈技術已經在有形和無形中逐漸改變著原有行業，對促進科技進一步發展發揮了積極作用。

2008年，比特幣創始人中本聰第一次在《比特幣白皮書》[7]中提出“區塊鏈”概念，隨后的數年中，區塊鏈技術在全球得到了快速傳導和推廣。我國區塊鏈領域研究雖然起步較晚，但發展迅速，據統計，截至2019年，我國相關公司占有全球區塊鏈專利權的八成以上[8]。在2016年公布的《十三五國家信息化規劃》中，我國將區塊鏈技術列為戰略性前沿技術。2018年，區塊鏈融入我國農業領域[9]，與傳統農業中生產管理手段和體系方面進行了一系列理論論證實踐，在“物聯網+區塊鏈”、“農業大數據+區塊鏈”、“金融保險+區塊鏈”、“質量追溯+區塊鏈”[9]等方面都做出了積極嘗試和理論探索，部分領域已經開始采取試點應用，取得了不少科技成果。

2 糧食領域區塊鏈研究應用現狀

隨著計算機技術的不斷研究與發展，區塊鏈在糧食行業的研究與應用近兩年來取得了一些進展。利用區塊鏈技術的“去中心化”、“時間戳”、“不可更改”等特點，研究人員將其使用在糧食電子商務平臺，通過建立電子合同的方式，提高工作效率并確保其安全性。實踐運用中，研究者針對東北糧網項目中的合約設計，運用區塊鏈的智能合約技術，對合約簽訂進行升級，不僅減少了第三方服務干擾，還進一步體現了合約安全性[10]，由于技術上不可篡改，所以合約的保障性更好。

利用區塊鏈實現追溯功能，近年來也有學者在糧農領域進行過理論分析和論證，研究人員發現區塊鏈的一些特性和功能，非常適合用來打造現代化的食品質量安全追溯體系[11]。質量安全追溯體系，目前在食品安全中已經被廣泛研究應用[4]，其基本原理是利用互聯網、物聯網，數據庫等技術，建立形成一套數據庫管理和查詢系統，實現從消費端到生產源頭的信息檢索，找到質量問題根源，使之追責有據，并以此檢查防患質量漏洞。目前，質量追溯體系已經作為一種行之有效并管理手段在糧農領域實施運用，取得了不少成果[12]。在糧食行業，有學者以近場通信技術為基礎構建追溯體系框架，實現了稻米質量的溯源[13]，而在實際應用中，一些知名糧食企業也都建立了自己的溯源體系，用來檢測產品的流向，增加產品的品牌效應[14]。在我國江蘇省，更是計劃打造“江蘇好糧油”品牌，通過物聯網、大數據、云計算等手段實現庫存糧食的質量追溯體系，成為重要的試點地區[15]。

3 傳統追溯體系在糧食行業的瓶頸

盡管物聯網和信息技術已經比較成熟，質量追溯體系也已經基本實現了從理論設計到應用落地，但在實際應用過程中仍面臨一些瓶頸和不足之處。

3.1 傳統手段無法滿足糧食的全鏈條可追溯

傳統方案下，一般的質量追溯鏈體系可以借助物聯網，設計相關的傳感器、芯片、條碼等設備，在相關產品上預計標記，收集記錄產品的各類信息和資料，并記錄在數據庫中（圖1）。比如，有研究通過給活禽身上安裝芯片的方法，記錄下從孵化、養殖到宰殺的全部過程和信息，信息經過物聯網錄入后，通過網絡平臺查詢，可獲得該芯片對標的活禽全部生長和養殖信息，實現追溯功能[16]。

圖1 傳統質量追溯平臺的網絡結構

但是，由于糧食形態散，顆粒小且數量大等特點，通過安裝芯片、條碼等手段來實現質量追溯，這樣的方式難度較大。國外有研究人員曾有過類似嘗試，一是通過使用微型 RFID芯片，另外是將可食用原料制成印有條碼的顆粒物混入糧食中[17]，理論上都實現了糧食追溯效果。不過從實際應用中來看，在動輒數幾十噸、上百噸甚至千萬噸級別谷物生產、儲藏、流通中，投放RFID芯片亦或者加入條碼顆粒物，不但會造成糧食的雜質率上升，妨礙加工，同時還會帶來極高的成本，因此這樣的方式不適合廣泛用于應用。

3.2 現有技術整合難度大，重復投入過多

鑒于糧食自身的一些特點，建設追溯體系相對可取的方法是在各個環節中設立節點或終端，一是借助傳感器記錄相關數據，自動錄入數據庫。比如在大田生產環節，記錄水分、光照等數據。另外一些節點和環節需要通過人工方式，將有效數據予以錄入。比如在糧食收儲、儲藏、加工的環節，糧食的品質檢測數據等，有賴人工記載并通過終端錄入數據庫。追溯平臺的主數據庫承載著來自生產、加工、物流等各節點的信息，通過互聯網平臺，滿足監管部門以及消費終端的管理、查詢和追溯。

即便如此，該種構架下的追溯設計，在統一管理和應用方面，仍表現出技術整合難度大，重復投入多等一些短板。傳統構架布局下，為展現品牌效果，一般農產品加工企業多主導和承擔追溯體系建設工作，相應開發主數據庫和相關環節的子數據庫體系，面向不同節點部署終端，并開發相應查詢、數據錄入平臺等（圖1）。考慮基于不同軟件開發設計的數據庫或平臺缺乏共融性，在相同節點都需要設置不同的傳感器、條碼等，并配置相關設備。比如零售端，有 A、B兩個公司的兩種商品，每種商品都配置了不同類型傳感器，零售人員進貨并做數據錄入時，需要在A、B兩個公司開發的兩個平臺或信息端口錄入數據，費時費力。消費者也需要在多個平臺下實現查詢追溯，極為不便。并且按照傳統構架部署，每品牌對應的商品都需要自有的硬件設備（諸如服務器、傳感器等），數據庫等，存在重復性投入。

而這樣的設計，還存在一個比較明顯的弊端，就是中心服務器扮演著連接各節點、匯總全部數據的重要功能，一旦出現故障或受到網絡攻擊，就會導致整個追溯體系無法正常運轉，嚴重情況下，如果數據發生丟失，則整個追溯體系就會失去核心，不再具備追溯意義。

4 區塊鏈技術在糧食追溯體系建設中的應用場景

借助區塊鏈技術來規劃和布局糧食追溯體系，可以有效解決傳統構架下信息的安全性問題。從本質看，區塊鏈本身是一種去中心化的數據庫，實際應用中，數據在任何節點發生變化，不但會自動加蓋“時間戳”，而且鑒于區塊鏈的加密特性，鏈中各環節的數據都不可被篡改，且數據分布在整個區塊鏈中。

若從區塊鏈的模式開展糧食追溯體系的規劃和設計（圖2），所有收儲、加工、物流、零售等節點都通過區塊鏈網絡予以部署，終端用戶、監管機構和各節點也都通過追溯平臺，獲取相關的查詢數據。實現去中心化后，能夠有效解決傳統框架下因中心服務器故障、受損等帶來的體系癱瘓風險，以及數據損毀給追溯體系帶來的損失。并且，以區塊鏈網絡組建的質量追溯體系，可以避開中心服務器、數據庫等系統建設，降低軟硬件的設備重復性投入以及人工維護成本。在基于區塊鏈的網絡模式下，還便于監管機構組織企業共同建設統一標準的質量追溯網絡平臺，規范系統的接入端口，以此提升監管能力，并增加終端用戶的查詢追溯體驗感，增強質量追溯體系的應用性。

糧食產業鏈較長，糧食從播種到走上餐桌，期間經歷包括田間管理、收獲、儲備、加工、流通等一個相當長的產業鏈條，不僅環節多，而且在從原糧到成品糧的過程中，糧食的形態、結構、性質會發生許多變化。傳統概念中，質量追溯體系可以實現監測源頭的查詢，反應到糧食品種上，就是在作物播種時就應該開始記錄相關信息數據。理論上種子、化肥、田間管理等因素都會對糧食品質帶來影響，但實際生產中，糧食成熟收獲后規模性進入市場，一部分進入儲備體系成為儲備糧以備不時之需，另一部分直接進入加工企業，進行成品糧的生產。無論是哪個環節，對糧食優劣的定義，重要的參考依據是收獲時的糧食質量，也就是常見的糧食等級，由于加工的流程和工藝總體固定，因此不同品質的糧食會對成品糧質量帶來明顯影響。

鑒于此，我們在建設糧食監測體系時，盡管從技術手段上能夠實現糧食各個環節的監測，但實際應用意義有限。不管何種原因，只要糧食收獲時品質達不到加工或食用需求，就不會進入剩余的加工消費環節，也就失去了追溯的價值。考慮實際情形，不妨只在糧食儲備、加工、物流、零售等環節做好監測和記錄，消費者或者監管單位通過平臺能夠追溯和查詢到糧食的產地、品種等級、質量變化、存放時間、加工情況、是否有摻兌等比較具有參考價值的指標和數據，能夠確定買到或吃到的糧食是健康的，安全的，符合國家標準的，基本上也就實現了糧食質量追溯的真正目標。這樣一來，也方便營造追溯體系的應用生態，反向推動糧食儲備、加工流程的規范化，使糧食體優質優價得到體現，提高生產者種好糧的積極性，也可減輕儲藏、加工等環節的投機心理，帶動產業良性發展。

在現有糧食行業生態環境下，科技儲糧、智能化糧庫等手段不斷發展，糧食產業較以前越發規范化、制度化，這方便在區塊鏈框架下，對質量追溯體系進行進一步研究和完善，總結出一套更加科學的操作標準、制度、體系用來對標糧食追溯工作，使之更好記載各種數據和指標，包容各種用戶的查詢和應用。隨著 5G技術的強勢發展以及全國乃至全球大數據體系的不斷建設，利用區塊鏈技術主導的糧食追溯體系，相信不久就會在實際的生產生活中發揮重要作用。

5 展望

糧食安全對于糧食加工業、食品零售商和分銷商以及管理部門來說至關重要，因為它可能直接影響消費者的健康。在過去的十年里，世界各地食品安全發展的重點從傳統的食品安全危害分析關鍵控制點（HACCP）原則轉移到食品防御，最近又轉向了食品欺詐的預防。也就是除了預防微生物、化學和物理危害外，目前正在加大力度打擊與食品欺詐或食品真實性相關的風險。當今的糧食安全管理體系包括安全、防御和欺詐預防措施，以應對日益復雜和全球化的食品供應鏈。人工智能、區塊鏈、云技術和數據科學（ABCD技術）等領域的技術發展將使傳統的糧食行業轉變為智能化糧食，通過處理從各種來源和來源獲取的結構化和非結構化數據來預測糧食安全和糧食真實性問題，以確保消費者的健康并將經濟損失降至最低。

目前，區塊糧技術在糧食可追溯中應用會遇到兩大問題。一是交易風險，二是交易可控性問題。交易準確性問題主要表現在復雜的環節上，信息透明度不高，利益相關者相對獨立，從而加劇了交易的風險。現貨交易市場規模巨大，市場交易過程中存在諸多困難，可控性不高，給現貨交易市場的健康發展帶來了安全風險。因此，將區塊鏈技術與可追溯技術相結合，提高信息的快速交互，增加了市場雙向交易，保證了交易的真實性和可靠性，降低了交易風險。開發區塊鏈技術的分散功能，提高市場監管機構對市場秩序的監管能力，保證了糧食現貨交易的健康發展。共同努力利用信息領域，有助于最大限度地減少經濟損失，提高消費者對食品數量和質量的信心。

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