基于區塊鏈技術的農產品質量溯源系統結構設計

于 洋，譚 峰

(黑龍江八一農墾大學信息與電氣工程學院，黑龍江 大慶 163711)

0 引言

隨著國民生活水平的提高，越來越多的人開始注重餐桌食品質量安全問題。食品質量問題既關乎國民身心健康，又影響食品貿易行業出口競爭。然而諸如瘦肉精、非法轉基因作物、摻假大米及濫用農藥等食品安全問題層出不窮。全面的監管不管從技術上還是人力上都是非常困難的。因此，為了快速準確找到問題所在，集中統一處理問題產品，依法懲罰違規者，建立高效可靠的農產品質量溯源系統就顯得十分必要。

發達國家為了保障農產品質量安全，建立了一系列措施。如美國由政府統籌協調，組織成立專門機構進行農產品信息詳細溯源與災害預警工作；英國積累多年的溯源工作經驗，形成從農產品種植到供應各環節全部信息的溯源體系；日本針對瘋牛病問題，為出廠牛肉提供標識，通過標識可以查詢到牛肉各類信息，保證了消費者的生命健康[1]。

發達國家通過10多年的探索，建立了比較完善的溯源體系結構，而我國的質量體系還尚在建立當中。我國農產品質量安全保障體系的建設，前一階段是主抓階段工作輔以種類的劃分，建立分別由政府、部分社會組織、企業和食品加工企業主導的溯源體系；后一階段則是建立國家食品藥品監管總局，由監管機構統一管理農產品質量的安全問題[2]。由于采取分段管理，各個階段收集的信息、監管的過程都是分離的，收集上來的信息就可能產生不兼容或者信息共享困難等問題。在信息的收集過程中，使用物聯網技術需要建立大量的硬件設施且當作物種類繁多時，需要消耗大量的資源來進行基礎設施建設。當溯源體系涉及政府、企業等多個主體時，溯源過程的環節就會增多，極大地降低了溯源效率，還有可能造成“信息孤島”的問題。

針對上述問題，國內學者有的從理論出發，分析現有體系的優缺點，提出建設符合我國國民消費特點的溯源體系，還有學者從技術出發，使用物聯網技術并結合先進的管理體系，提出“供應鏈”管理模式。然而上述方案都無法從根源上解決農產品信息快速共享和信息價值化等問題。

區塊鏈技術可以規避“信息孤島”和防止數據庫數據易被篡改，利用區塊鏈技術的聯盟鏈可以更好地發揮政府、企業及農戶等組織在溯源體系中的作用，提升農戶與企業的參與度。使用區塊鏈分布式數據技術可以安全地存儲農產品的各類信息，利用數據塊的“時間戳”可以快速地進行數據溯源，借助智能合約技術可以智能地執行合同，將農產品信息價值化。本文從區塊鏈核心技術出發，提出使用區塊鏈技術中的聯盟鏈以解決上述問題，并借鑒國內知名企業的溯源案例，設計基于聯盟鏈的溯源體系方案以供讀者參考。

1 區塊鏈技術

比特幣誕生之初，許多人簡單地認為區塊鏈就是“區塊”和“鏈”的簡單疊加，又或者是一種分布式存儲的數據。然而區塊鏈技術不能說是一項新興的技術，它是由分布式共識算法、對等網絡和密碼學等計算機傳統技術集合而成的一項技術。這種組合技術既保證了數據的分布式存儲，又實現了數據的透明性與安全性。

依據節點中心化的程度將區塊鏈系統分為公鏈、私鏈和聯盟鏈。公鏈沒有中心化節點，只需要一臺電腦和網絡就可以訪問其中的任何節點并進行鏈上數據的讀寫。公鏈的訪問門檻低，數據公開透明且無法篡改，由于節點的數量過多，存在交易速度慢的缺點。為了提高交易速度，又出現了私鏈，私鏈是由一個中心的管理者集中管理，只有授權的少數人才能訪問節點。私鏈適合企業內部使用，由于鏈上的節點數量較少，具有很高的信任度，進行交易時不需要所有的節點確認，提高了交易速度。但是私鏈需要被集中管理，違背了去中心化的初衷，鏈上的數據存在被私自修改的可能性，不能根本地解決作弊問題。聯盟鏈的去中心化程度介于公鏈與私鏈之間，是指由多個機構共同參與管理的組織體系，數據僅在組織內部進行讀寫和發送，組織或是企業可以使用組織中被授權的節點數據讀取服務，未被授權的節點則無法訪問。去中心化的程度和安全性、信任程度是正相關的，去中心化程度越高交易的效率會越低。因此，為了提高效率和增加利益，更多的商業價值體現在聯盟鏈和私有鏈上。

本文采用聯盟鏈形式，設計一個由農戶、農產品加工企業、農業工作站和政府等多方參與的農產品質量溯源系統。

1.1 區塊鏈結構

傳統溯源體系面臨很多困境，如農產品種類繁多，很難建立統一的體系進行管理；企業間信息交流不方便，形成“信息孤島”。利用區塊鏈技術去中心化特點可以有效改善農產品市場多領域、多中心的瓶頸；借助區塊鏈底層分布式數據庫輔以密碼學加密技術，將農產品的信息封裝到區塊中去保證數據的安全性與可溯性；使用合理的共識機制，可高效準確進行農產品交易；憑借智能合約體系將合同與訂單智能化，可減少農產品大量滯銷的可能性。

袁勇等[3]從比特幣系統出發詳細地介紹了區塊鏈的工作過程。為了介紹具體的應用案例從而引出區塊鏈技術在農業方面的應用，因此僅按照區塊鏈的相關概念簡單介紹區塊鏈的結構。區塊鏈簡單理解可以分為以下3部分[4]。

交易：使分布式賬本的狀態發生改變的一次操作，如某個用戶進行的一次轉賬。

區塊：保存某個時間段發生的一系列操作及操作的結果，也是對各個可信任節點的共識過程的記錄。

鏈：按照區塊上的時間戳生成的前后順序，將這些區塊串聯起來，所有串聯而成的鏈組成了分布式賬本狀態變化的日志。

參照區塊鏈的基本結構，將作物的種類名稱作為某條鏈的創世區塊，將含有時間戳、前一區塊哈希值及包含農作物各類的數據塊打包上鏈。區塊鏈結構如圖1所示。

圖1 區塊鏈結構Fig.1 Structure of blockchain

1.2 區塊鏈核心技術

1.2.1共識機制

共識(consensus)和一致性(consistency)有時會被放在一起討論，但是從形式上來說兩者并不相同[5-6]。一致性是分布式系統中多個節點對外表現出來的狀態，是一種結果。共識則是分布式系統中若干個節點達成某種一致性狀態的過程。實現了某種共識狀態，但這種狀態有可能并不是需要的狀態。比特幣系統使用的是工作量證明算法，該算法的實質是節點算力的競爭，即所有參與競爭的節點都在尋找某一數值，該數值滿足某種條件，當找到滿足條件的結果時，獲得數值的節點就擁有了記賬權，并且獲得一定幣值的獎勵。以太坊使用的則是權益量證明算法，即系統中權益量大的節點獲取記賬權的概率高。但是上述兩種共識機制都需要通過挖礦花費大量的資源來維護網絡性能，會造成資源浪費。本研究設計的質量溯源系統需要處理的數據量大，要求系統具有強擴展性，因此選用一種新的共識機制——權威證明機制(PoA)[7]。

共識機制是區塊鏈系統的靈魂，共識算法的好壞會直接影響到分布式系統的性能，使用PoA共識機制，節點間不需要競爭算力，所有的交易和區塊均有驗證人(授權節點)處理，從而使得聯盟鏈的維護成本極低。但是PoA共識機制需要選取驗證人(授權節點)，這一步極為重要，負責處理區塊的驗證人(授權節點)必須經過層層篩選，必須保證自身的可靠性。

1.2.2密碼學

現代密碼學和信息安全的研究成果是人類社會通向信息社會的橋梁[8]。區塊鏈中信息的安全性、完整性和可溯源性就是依賴密碼學技術的成果。如比特幣系統中使用雙HASH256算法來處理交易信息，保證數據的完整性，把不同長度的信息處理成256位二進制的字符串以Merkle樹形結構存儲，將樹的根節點作為信息查找的索引存儲在區塊鏈頭部，便于信息的查找與檢驗。

哈希算法具有正向快速(有效時間內快速計算出哈希值)、逆向困難(已知哈希值，很難計算出哈希值對應的明文)、輸入敏感(原始信息和修改后信息的哈希值明顯不同)和沖突避免(內容不同的明文，基本不可能出現相同的哈希值)特點。

為了滿足安全性和權限檢驗的需求，區塊鏈技術使用了非對稱加密技術。非對稱加密技術的含義是加密和解密的過程中使用不同的密碼，分別稱為公鑰和私鑰。使用該技術，可以實現消息的機密、數字簽名和合法登錄等服務。數字簽名則是用來驗證消息的完整性和發送人的身份，發送消息的人用自己的私鑰加密消息然后傳遞給接收者，收到消息后使用發送者的公鑰對消息解密以確保消息來源的可靠性。合法登錄服務是將登錄消息利用私鑰加密后發送給服務器，服務器接收消息后利用公鑰解密，來判斷登錄的合法性。

1.2.3智能合約技術

智能合約是一種經計算機編程嵌入的可以自動執行合約的相關操作。智能合約大致分為3類。第1類是“Chaincode”，即區塊鏈代碼，將智能合約放在鏈上的某個區塊上。第2類是“智能法律合約”，將法律上允許的行為通過區塊鏈上的代碼加以整合，以達到自治的目的。第3類則是“智能應用合約”，即以智能合約為底層核心，建立有商業價值的新型合約模式。智能合約的聲明周期與傳統的合約類似，第1階段是合約的生成，參與合約制定的多方人員執行溝通，指定合約規范，將最終得到的合約進行驗證，獲得正確有效的合約代碼。第2階段則是合約的發布，合約的發布與鏈上信息的廣播與驗證是類似的，將合約的代碼存進區塊數據上。最終階段是合約的執行，當有某個事件符合合約的觸發機制并且合法就會被執行。

基于聯盟鏈的質量溯源系統結合使用第2類與第3類智能合約，在農業種植鏈與企業加工鏈上采用第2類合約，指定相應的明文規范以約束兩者可能會產生的違法行為。在預定訂單等方面使用第3類智能合約，自動配發符合條件的訂單，提高聯盟鏈處理訂單的效率。

2 基于區塊鏈技術質量溯源的企業案例

我國是農業大國，從刀耕火種到機械化大規模作業，科技在農業生產方面起到了巨大作用。黨和國家非常重視農業生產發展，提倡農業與新興科學技術相結合，促進農業生產力發展。2016年，工信部結合全球200多個案例，提出我國區塊鏈技術發展路線的建議，雖然其中并未明確指出區塊鏈技術如何融入到農業生產中，卻為相關發展打下了基礎。2018年中央1號文件提出，實施智慧農業。2020年中央1號文件指出，依托現有資源建設農業農村大數據中心，加快物聯網、大數據、區塊鏈、人工智能、第5代移動通信網絡和智慧氣象等現代信息技術在農業領域的應用[9]。越來越多的研究人員也把區塊鏈研究融入到智慧農業中。TIAN Feng[10]分析了農產品供應鏈追溯系統的優缺點，并構建利用射頻識別和區塊鏈技術的系統。GEORGE R V等[11]等從食品供應鏈出發，介紹了區塊鏈在農業和食品供應鏈方面的應用。

2.1 單一種植業

2017年4月25日，江蘇某公司聯合黑龍江墾區，在上海舉辦全球首個“區塊鏈大農場”推介會，針對區塊鏈技術在大數據農業方面的場景應用和經營方式進行重點推介。雙方合力打造了一個以農業物聯網、農業大數據和區塊鏈技術等為基礎的線上農業產品的管理平臺，形成了一個封閉的“平臺+基地+農戶”的自治農業產業體系。

該平臺將其智能服務一分為五，將種植前中后一系列服務融合到一起。聯手優質產業鏈伙伴，共同為訂單客戶提供優質的生產服務；使用智能的農業終端，實現作業全程數字化、信息實時化和管理智能化，訂單客戶可實時追蹤訂單情況；利用智能合約技術將訂單與合同智能匹配，既降低了違規操作的可能性又提升了產品效益；使用權威機構的檢測結果多方面評判糧食品質，為糧食交易提供精確品質保障。為了將糧食信息價值化，平臺將信息封裝成區塊，這種區塊是可以在鏈上自由交易的數字化資產，任何參與者以通過自己手中的資源獲取到“價值信息”。該平臺借助新興科技力量改變了傳統靠天吃飯種植模式，以訂單需求進行資源劃分，分配土地種植，改善傳統農業資產與資源濫用的情況，開創了一種從土地到種子、從種子到種植戶、最后到售賣的全新農業生產體系。平臺可對整個過程進行追蹤記錄，從產品初始地就保證了糧食的安全生產及信息的透明化。該平臺的實質是通過區塊鏈技術進行溯源，以智能合約技術進行訂單管理，借鑒該平臺的技術，可以將其推廣到漁業、養殖業等方面，幫助農業向著更高智能化水平發展。

2.2 多元種植業

“綠色農業”一直是我國倡導的農業發展模式，當前我國正積極推進農業供給側結構性改革，強調以科技促進農業的綠色發展，走循環發展的路子。某公司與同濟大學聯手利用區塊鏈技術打造了我國第1個有機食品的溯源與防偽系統。該系統是授權認證的聯盟鏈，借助區塊鏈技術良好數據傳輸與安全性的特點，將農產品在種植、倉儲、檢測、加工與銷售過程中涉及的實體全部加入到鏈內，建立了一個全方位的質量溯源平臺。

為了迎合潮流，方便大眾，該公司同時與黑龍江墾區精誠合作，研發了國內首款農業質量溯源APP。該APP是基于C-Ledger區塊鏈大數據庫的手機客戶端應用，用戶可以通過該APP查詢到大米從田間到商場的過程中產生的一系列信息，并且通過防偽碼可以驗證大米是否摻假。為了擴大聯盟鏈的范圍，該公司先后同新疆生產建設兵團，齊齊哈爾等地區的種植戶進行合作，涵蓋了蔬菜、水果等多種有機食品，靈活地將綠水青山同群眾舌尖上的安全聯系了起來，實現生產效益與民生效益的雙贏，為更多產業實現增值提供借鑒與參考。

2.3 養殖業

某科技公司同保險公司、物聯網科技平臺合作，聯手打造了一個集人工智能、區塊鏈和防偽等技術的農村養殖業的質量溯源系統。從雞苗的入欄到成熟、屠宰和運輸，這一系列過程產生的數據信息都會被記錄入鏈，利用鏈上區塊數據不可篡改性的特點保證每只雞的信息安全可信。同時，該項目負責人與當地扶貧辦合作，將分散的養殖戶的雞集中管理，既保證了雞的品質，又解決了當地貧困戶的就業問題。

為了更好地收集每只雞的信息，養殖場為每一只雞都佩帶了物聯證件——“雞牌”。“雞牌”可以自動收集各類信息并實時上傳至區塊鏈，結合使用混沌學防偽、光學防偽等技術，使得每一只雞的“雞牌”都是獨一無二的，并且用完立即焚毀。利用養殖場的監控設備，可以實時監控雞倉溫度、土壤濕度和雞的日常生活等信息，然后傳到后臺；利用人工智能技術對信息分析建模并預測雞的健康。同時，為了降低養殖戶的投資風險，依據區塊鏈上的信息，保險公司可以評估養殖戶的資質，為其提供農業保險等保障，大大減少養殖戶財產損失，降低投資風險。

該項目開創了我國養殖業第1個基于區塊鏈技術的質量溯源系統的先河，為養殖業的溯源提供了新的思路，同時將保險資質評估的信息加入到鏈內使得養殖戶投保工作變得不再繁瑣。

2.4 案例經驗總結

案例1與案例2有一個共同特點，都是依托黑龍江墾區萬畝良田，借助企業的科技力量，聯合眾多農戶合力打造的大米質量溯源系統，其優勢在于黑龍江墾區種植面積大，種植大米的種類雖然多但是便于統一管理，可以機械化統一作業，而且已有的基礎設施齊全，不需要再進行大規模地改進，實現起來比較方便。后者為了擴大領域，將果蔬也涵蓋進其溯源系統。

上述2個案例均是作用在大規模種植地區，對于種植種類多但是土地不成片的地區適應性則較差。針對這類地區可以采用聯盟鏈的方式進行管理，首先，根據作物的不同，劃分不同的種植代表地區，依托權威檢測機構進行授權，符合標準的地區才能準許入鏈。其次，不同地區使用不同的物聯設備采集作物信息，然后建立小基站收集信息，統一收集并由專業人員進行鑒定，保證上傳的信息真實可信。最后，聯盟鏈應該由當地政府主導，合理地協調各方利益沖突，統籌各地區人員與物資規劃。

案例3創新性地將區塊鏈溯源技術應用到養殖業，參考其為雞配發“雞牌”的做法，可以將其推廣至牛、羊等養殖業，但是如果大型牲畜從一開就進行這種模式，其費用也是巨大的。大型牲畜飼養周期長、費用大，針對這一問題，可以建立一個中間檢測機構，在進行販賣牲畜前，需要到該機構進行登記，該機構將會進行牲畜檢測，并將牲畜的檢測信息存儲到區塊鏈數據庫，符合檢測要求的牲畜可以進行販賣，檢測機構還需記錄收購者的信息，條件允許還可以將收購者的信息統一錄入。通過這種方式的規劃可以減少前期收集牲畜信息過程中產生的巨額成本，提高辦事效率。

3 農產品質量溯源系統結構設計

本文通過分析總結上述3個案例，提出農產品質量溯源體系的簡單結構與設計。實現農產品質量與產地實時查詢，讓消費者吃上安全可信的食物具有重要意義，使用區塊鏈技術可以很好解決這個問題[12]。首先，需要將農產品的各類信息加蓋時間戳，然后利用哈希數輸出每個產品的哈希值，并按照時間序列將這些信息成塊成鏈[13]。農產品各類信息包括育種、種植、收貨、生產、加工、保存和運輸等，還需要保證這些數據的真實性[14]。其次，某個產品出現問題時，根據信息在傳輸的某個過程中使用的數字簽名和密鑰可以找到信息的發出者，找到該負責人并對產品進行追回。上述案例中的“善糧味道”就是農產品溯源很好的成果，在發生問題之后能夠第一時間定位到問題源點，通過借鑒該平臺的成功經驗，可以將其推廣到水果、蔬菜和魚肉蛋奶等其他農產品。時間戳可以保證數據的完整性，哈希函數保證了數據的不可篡改性，數字簽名保證了數據的不可否任性，因此利用區塊鏈技術可以高效地完成農產品質量溯源。

農產品種類多，種植地區紛繁復雜，想要建立規模龐大的農產品溯源體需要多方組織參與，針對上述特點，基于聯盟鏈方式設計的溯源體系架構如圖2所示。

圖2 地區農業多種作物種植的質量溯源體系架構Fig.2 Quality traceability system for regional agriculture of multiple crops

3.1 準入制

準入制服務可以分為地區注冊與管理、農戶身份管理及企業管理3個部分。地區注冊與管理服務是負責地區土地資源與作物種植管理，科技工作站派遣技術人員深入當地合理評價土地資源和適宜種植的作物等，根據作物種植種類，將符合條件的地區劃分成不同節點，給予入鏈權限。農戶身份管理服務則是對進入聯盟鏈的農戶進行培訓，定期考察有無違規操作，對有違規操作的農戶直接除名不得再次入鏈。企業管理服務則需要政府聯合相關檢測機構將信用良好且有能力的企業加入聯盟鏈中負責農產品的后續加工服務。準入制服務管理節點的驗證人需要有良好的信譽，必須是值得信賴的才行，否則會出現難以想象的后果。上述節點的評定次數超過3次，則永久失去進入聯盟鏈的資格。評定流程如圖3所示。

圖3 準入服務流程Fig.3 Access service flow

3.2 區塊鏈服務

區塊鏈上的數據服務統一由農業工作站的科技人員進行管理，包括數據的采集、核對和校驗等，每一個數據塊都必須含有時間戳，溯源時可以找到準確的時間點。同時，結合使用二維碼技術和條碼技術，利用二維碼標識作物在生產加工過程的一系列信息，使用條碼技術存儲農產品從種植到銷售等過程中的一系列信息。

交易服務的前端可以利用微信小程序，依據購買數量將購買身份分為個人購買者和企業購買者。個人購買者可以直接申請賬號注冊，注冊賬號成功后可以進行購買產品，付款成功后可以獲取到產品和一個公鑰，利用該公鑰可以查詢到該產品的各類信息，如果產品出現問題，可以向管理員申請私鑰進行溯源查詢。企業購買者首先需要向管理員申請資格評定，符合資格的企業購買者可以直接獲取公鑰查詢產品相關信息，簽訂訂單后可獲取私鑰進行產品溯源信息的獲取。獲準進行的交易經由權限節點的確認打包上鏈后，統一管理。

基于聯盟鏈的質量溯源系統需要處理的交易數量多，如果通過節點競爭算力來獲得記賬權，會降低交易的處理速度，并且會浪費大量資源。系統采用權威證明(PoA)共識機制，前期指定政府檢測機構為授權節點，對新進來的節點進行簽名廣播，后期可以通過投票的方式篩選新的授權節點避免出現非法節點。使用權威證明(PoA)算法能夠保證聯盟鏈的處理速度更快、能源消耗更低且可擴展性更強，從而符合智慧農業的要求。

3.3 智能合約服務

制定一系列獎懲措施，利用智能合約技術編程實現，嵌入到代碼中，當違反聯盟鏈規則的行為發生時自動執行獎懲，提高管理效率。使用智能合約技術管理合同與訂單，根據生產量與訂單數量，智能地分配訂單任務，高效地利用每一塊土地資源。合約一旦建立，系統會自動執行合約，任何人都不可以單方面撤銷合約或阻止合約的執行，避免出現信用問題。使用進程間隔離的技術將智能合約代碼的進程隔離到系統之外，并通過socket通信方式遠程調用智能合約。最先進的是安全容器技術，讓智能合約代碼運行在獨立的容器內，實現合約代碼與賬本數據的完全隔離，避免出現賬本數據被修改的安全問題。

3.4 聯盟鏈的維護與優勢

聯盟鏈的前期維護可以利用政府或是高校的科技工作者，后期可以尋求符合資格的企業進行共同維護，采用聯盟鏈的形式進行農業種植作物的質量溯源可以較大程度保證質量溯源的可靠性，接納更多的良心企業參與其中，使得來自不同地區的不同作物都能夠上鏈。專門的科技人員進行數據采集與維護，這種方式雖然會增加一定的成本，但是如果在某個環節出了問題，就可以快速地找到問題源頭，從而節約時間，提高辦事效率。聯盟鏈最大的特點就是可以容納多方進入，這樣就可以實現農產品種植、生產加工和包裝銷售的一條龍服務。聯盟鏈采取的是先訂單后種植方式，根據訂單的數量合理分配土地資源，既可以有效利用土地資源，又能夠減少農產品滯銷風險。總的來說，使用聯盟鏈的方式要優于使用公鏈或者私鏈的方式進行質量溯源。

4 結束語

我國傳統種植業經常存在農藥使用超標、產地造假等問題，為解決這類問題，可以利用鏈上數據具有溯源性這一特點，將農作物育種、產地、存儲和物流等一系列信息上鏈，發現問題及時溯源、及時解決，既保證了農產品的質量真實可信，又節約了企業的質量檢測成本。將分布式賬本的特性應用到農產品供應鏈中，農產品的生產、物流和消費環節以“鏈”實現，可以解決產品買賣雙方地位不平等問題。農業生產過程中，自然災害問題是難以避免的，將農業保險的一些條款利用智能合約技術寫入區塊鏈中，當災害發生之后自動執行合約，既可以提高理賠效率，又能夠減少騙保行為的發生。

區塊鏈技術發展至今已有12年，但是將區塊鏈技術應用到農業生產還有許多問題需要解決。首先，區塊鏈技術應用到農業上的時間并不長，想要商業化落地還需要不斷創新，大力推廣。其次，雖然區塊鏈技術中的數據有很好的安全性，但也不是完全不可能被竊取，如何保證農業數據不被竊取也是一個重要的問題。最后，區塊鏈中的數據不允許篡改，如果上傳到鏈上的數據本就是虛假的，將會造成難以想象的后果。上述僅是區塊鏈技術應用于農業生產的部分問題，作為新技術，區塊鏈技術還需要不斷探索以保證在智慧農業發展中更好發揮作用。