基于區塊鏈技術的種子溯源體系研究＊

■ 馬生璞 劉強 高思亮

甘肅農業大學信息科學技術學院 蘭州 730000

0 引言

中國是糧食生產大國，也是種子需求大國，農作物種子質量是農業增產、農民增收、農業繁榮的重量保障。隨著我國農業新形勢和市場經濟發展的不斷變化，保障種質安全對提高我國種業核心競爭力，推動我國由種業大國向種業強國轉變提出了迫切需求。我們面對的問題是，我國種業的整體競爭力卻不強。我國種業起步晚，發展時間短，直到上個世紀90年代后期，才進行了實質性的商業化、市場化改革。與孟山都、先鋒等跨國種業巨頭相比，我國的種子企業幾乎沒有競爭優勢。目前，世界絕大多數種子供應已被美、法、德等西方國家種業公司壟斷，國際種業對中國市場的控制力也在逐漸增加。

作為農業“芯片”，種業的發展水平直接關乎著我國糧食安全的命脈。

近年來，盡管我國種業發展有了長足進步，但受種業入門門檻較低、科研與市場脫節、管理制度落后等影響，目前仍面臨模仿抄襲成風、種子企業小而多小而散、“洋種子”威脅加劇等困境，卡脖子隱憂漸漸凸顯，為我國種子安全敲響警鐘。從產業鏈的角度來說種子行業包括種子品質創新、品種繁育、生產加工、銷售等環節，截止2019年我國種子產業發展的優勢資源主要集中在品種培育部分，后期的加工、銷售等方面還存在一些問題，在育種、銷售過程中由于信息溝通錯位、種子售賣渠道很難追溯，因此，創新種子質量監管手段，促進區塊鏈技術與產業結合，建立從種子培育、繁殖、運輸、銷售的信息可追溯系統，從源頭上確保種子安全生產，具有十分重要的意義[1]。

目前對于種子質量安全溯源有一些學者做了相關研究。李慧玲介紹了種子身份證概念、作用以及應用，介紹了溯源技術的實現方式、作用以及應用[2]。方鈺，朱靜波，許學等利用種子電子代碼，通過分開錄入售前階段各級分銷信息，分層寫入地理代碼集合，在用戶驗證最小包裝單元時動態解析用戶位置信息，逐層匹配地理代碼集合，構建了種子溯源雙向動態交互模型[3]。黃慶林，張立新，焦玉聰等采用Visual Studio 2012 作為開發平臺，以C#為開發語言，以SQL Server 2008 為數據庫，以射頻識別(radio frequency identification，RFID)為數據傳輸技術，開發了基于RFID 技術的棉種質量安全溯源系統[4]。陳琴剛，李鋒霞，馬本學等通過基于RFID 技術的棉種溯源系統對棉種生產的全過程進行監控，安全控制體系的建立，可以對棉種質量安全信息進行快速追溯，對棉種質量安全隱患進行預警[5]。陳瑩，張友華，郭書普等現有溯源、智慧包裝等技術的基礎上，提出了一種結合小麥種子身份證的防偽溯源碼編碼方案。消費者通過掃碼追溯并依據追溯防偽驗證模型進行驗證，實現小麥種子真偽的判定；同時設計了一種根據溯源驗證記錄分析的防偽預警模型，智能化展示問題小麥種子的地點分布和影響程度[6]。對于利用區塊鏈技術在種子領域開展質量安全溯源的研究比較少，本文擬從區塊鏈技術去中心化、防數據篡改的角度對種子溯源體系做一研究。

本文針對目前種子溯源領域出現的一些問題，從區塊鏈技術的原理出發，通過對傳統溯源系統相關技術特性進行比較，借助區塊鏈技術的去中心化、防篡改、信息安全等特點，提出一種基于區塊鏈技術在種子溯源領域的應用設計，并從物理層、數據庫層、網絡層、應用層對區塊鏈技術在種子溯源領域的應用方式進行分析，旨在解決種子溯源在數據溯源、運輸銷售等環節存在的問題。最后，基于區塊鏈技術及種子溯源領域的發展現狀，分析了區塊鏈技術應用的局限性[7]。

1 溯源系統相關技術

1.1 條形碼

條形碼是由一組規則排列的條、空和字符組成，用以表達一定信息的圖形符號，整個過程由計算機執行。目前，條形碼生活和工作中已經廣泛應用，其中條形碼的數據采集量大、識別率高、操作難度低、唯一識別性等特點為其應用奠定了基礎[8]。

1.2 二維碼

二維碼實際上是用某種特定的幾何圖形，按照一定的規則在平面（二維方向）上分布的黑、白相間的圖形符號。二維碼依靠這些黑、白相間組成的圖形來記錄信息。與傳統的一維碼相比，廣泛使用的二維碼得到了極大的改進，具有信息容量大，容錯性好，防污能力強，識別效率高等特點[9]。

1.3 RFID技術

RFID（Radio Frequency Identification）技術，稱為無線射頻識別技術，可以通過無線電波來進行數據信息傳遞的自動識別技術。RFID 是一種通過射頻信號通過電磁場實現無接觸信息傳遞并通過所傳遞的信息達到自動識別目的的技術，它可以自動識別多個標簽和高速移動的物體。無需接觸、操作簡單、快速，無需人工干預，可在特殊環境下操作[10]。

1.4 區塊鏈技術及其特點

1.4.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術是伴隨著比特幣(Bitcoin)的誕生而產生的，2008年，由一個化名為“中本聰”(Satoshi Nakamoto)的學者首次提出[11]，是指通過去中心化和去信任的方式集體維護一個可靠數據庫的技術方案。其中區塊鏈技術由于其自身特性而作為比特幣系統底層技術支撐，解決了加密數字貨幣中存在的雙重支付和共識問題，在去中心化的P2P 網絡中，保證了交易記錄的真實性和有效性。區塊鏈技術通過分布式計算、密碼學、共識算法、智能合約等多種技術結合，保障在不通過第三方機構信用背書的條件下，可以實現數據的不可篡改、不易偽造、可追溯等特性，共同創造了一種低成本高可靠的環境。

1.4.2 區塊鏈技術的特點

根據區塊鏈的定義，區塊鏈技術主要具備去中心化(decentralized) 、共識信任(consensus trust) 、可追溯性(traceability ) 、不可篡改（tamper proof）4 個特征[12]。去中心化：。共識信任：是指以去中心化的方式就網絡的狀態達成一致的過程。可追溯性：區塊鏈是一個分散的數據庫，分散數據庫記錄了區塊鏈的每筆交易，從而可以輕松的追蹤資產數量變化和交易活動。不可篡改：非對稱加密技術和哈希算法的使用使數據的記錄和傳輸真實、不可否認和不可篡改。保證了區塊鏈各個節點上數據的統一，除非系統中超過51%的“算力”可以同時控制才有可能篡改數據，否則在單個節點上對數據庫的修改是無效的，大大提升了數據篡改的難度和成本[13]。

1.5 區塊鏈技術與傳統溯源技術比較

區塊鏈技術在防偽性能、可追溯性、識別效率、抗污損性、應用范圍上較傳統溯源防偽商標性能都有較大提升。而RFID、二維碼、條形碼是獲取物理信息的關鍵技術，盡管其在經濟性上具有優勢，但由于種子產品利潤空間存在局限性，因此，目前RFID、二維碼、條形碼技術與區塊鏈技術在溯源領域相比較而言，區塊鏈技術依靠其數據的不可篡改、不易偽造、可追溯等優異的特性使其在各個領域應用廣泛，由其創造的低成本、高可靠的環境大大提高了產品溯源效率，區塊鏈技術與傳統溯源技術比較結果如由表1所示。

表1 區塊鏈技術與傳統溯源技術比較

2 溯源對象的選擇

目前，種子市場中種子品種和質量良莠不齊，“同種異名”、“同名異種”、“假冒套牌”等亂象叢生。探索和研究種子溯源所需關鍵技術，建立一套成熟、便捷、實用的種子溯源體系對于促進農業生產、增加農民收入、保障糧食安全水平有著非常重要的作用。同時，也是一種提高種子流通的現代化水平，是增強種子質量安全保障能力的有效手段。

甘肅省河西走廊地區因地勢平坦、氣候干燥、降雨量少、光照充足、晝夜溫差大等獨特的地理環境和氣候條件使玉米制種業成為了甘肅省農業和農村經濟發展的亮點產業。截至2019年，甘肅省雜交玉米種子生產面積突破了8.26 萬hm2，已發展成為我國最大的雜交玉米種子生產基地，年產種子能力超過5.96 億kg，保障了全國50%以上大田玉米用種。在面對國際種子行業市場競爭壓力和保障全國糧食生產安全的需求下，在構建以國內大循環為主，國內國際雙循環相互促進的新發展格局背景下，對維護甘肅省種子生產安全，促進甘肅省種業發展，進一步發揮甘肅國家制種基地優勢，更進一步推進現代種業發展提出了更高要求。目前，在甘肅玉米制種企業中，有對玉米種子質量安全、玉米種子溯源的迫切需求，開展玉米種子的溯源體系研究及應用，提供玉米種子全程可追溯具有現實意義。因此，本文選取玉米種子為溯源對象，依托甘肅省張掖地區制種企業開展玉米種子溯源體系研究，對維護我省玉米制種大省的地位，穩定種子生產基地，保障國家糧食安全有著重要意義。

3 基于區塊鏈技術的種子溯源體系設計

3.1 基于區塊鏈技術的種子溯源體系架構

本文基于區塊鏈技術，針對種子溯源需求，以甘肅省張掖市玉米制種企業玉米種子為研究對象，通過對傳統種子溯源技術分析，對玉米種子在育種、制種、運輸、銷售等環節進行研究，提出構建基于區塊鏈技術的去中心化、不可篡改、可追溯等特性的溯源體系，以實現玉米種子在育種、制種、運輸、銷售等環節中信息記錄不可篡改、可追溯，并通過去中心化的網絡特性解決玉米種子溯源體系中存在的數據孤島問題[14]。區塊鏈技術應用于種子溯源，可解決傳統溯源中溯源信息的信任問題，將大大保證種子質量安全，推進區塊鏈技術與產業融合發展，以推動玉米種子產業溯源發展進程。基于區塊鏈技術的種子溯源體系架構圖如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈技術的種子溯源體系架構

溯源技術不僅可以盡量保證種子的質量安全，驗證種子的真偽，還能夠保護種子市場秩序。基于區塊鏈技術的不同環節應用，繁育、生產環節中主要節點角色是指育、制種企業，首先對不同品種的種子進行分類身份標記并建立種子信息文檔，生產過程中部分種子檢驗信息需要由監管機構（種子管理局）通過數字簽名對種子安全性進行認證。隨后在系統中錄入種子溫、濕度、特征特性、栽培要點、質量指標、種子編號、種子交易編號、生產日期、出廠日期、經銷商賬號（ID）等指定信息。當前方節點通過發起交易請求對下一環節進行交易操作時，系統完成記錄并自動對下一節點進行授權，并繼續負責對種子信息文檔進行跟進和維護[15]。

運輸環節通過物流公司及經銷商的追蹤信息查詢系統對種子運送地理位置狀態進行實時監控，因此運輸商需要對種子的運輸方式、運輸環境和接收方進行信息文檔的補充。

銷售環節指通過多次直銷或分銷對種子進行最后的銷售，因此在各個環節的銷售中，經銷商及零售商需要保證種子信息來源的正確性并錄入信息文檔，包含銷售時間、行業價格等保證區塊鏈中信息的完整性。在溯源環節，用戶可以通過查詢溯源網站對種子的包裝二維碼及標志信息溯源號對種子信息文檔進行查閱，以便了解種子真實信息。

3.2 基于區塊鏈技術的種子溯源技術架構

基于區塊鏈技術的種子溯源技術架構由物理層、數據存儲層、網絡通信層、應用層四層構成，層與層之間相互獨立但又存在聯系。具體技術架構如圖2所示。

圖2 基于區塊鏈技術的種子溯源技術架構

應用層可以使用戶通過APP 或互聯網可以對種子信息直接進行查詢，育、制種企業、運輸企業、經銷商、用戶和種子監管機構在應用層對交易信息可通過接入接口進行輸入，應用層再將信息傳遞到網絡層為用戶提供溯源相關的信息查詢。該模型中，基于區塊鏈技術的哈希加密算法和時間戳技術，具有共享加密和公開透明的特點，通過分布式網絡與共識機制的溯源信息系統既保證了種子數據源的真實性，又為種子質量提供了安全性和可靠性的保證[16]。

網絡層按照多簽名復雜網絡設置，接入管理機制，采用分布式組網機制使數據分布在不同的節點數據庫，數據庫層和網絡層在技術層面保證了區塊鏈產生和傳遞。區塊鏈中分布式賬本將取代傳統第三方構建的中介信任，降低每筆交易的信任成本[17]，并且將監管機構和種子產業鏈各參與方作為數據驗證和認證節點，可以實現對種子質量的信息的標準化、規范化管理。

數據庫層通過區塊鏈技術協議將種子信息按照“區塊頭＋區塊體”的方式進行封裝，對數據記錄進行加密并加入時間戳寫入區塊鏈中。公有鏈中不設訪問權限，信息記錄對網絡中所有節點公開；而私鑰記錄該參與者在驗證身份、讀取信息和修改信息的權限[18]。

物理層主要包含智能傳感器等檢測裝置，通過對種子的生產加工、運輸、銷售的完整生命周期信息進行檢測記錄，將種子溫、濕度，特征特性，栽培要點，質量指標，產品編號等數據信息采集并轉發到上層協議，保證了種子產品信息的安全、可靠，而這些存儲的種子生長、運輸、銷售等相關信息，一旦存入數據庫網絡中將使其無法修改。

本方案基于區塊鏈的技術架構，構建一個透明、可靠、去中心化的溯源平臺，可實時查看狀態、降低流通成本、追溯種子質量。

4 溯源體系功能設計

4.1 數據采集錄入功能

在溯源系統設計中，信息是溯源體系中最基礎也是最重要的元素，每個品種的種子在區塊鏈網絡中都是數字化的，包括種子的身份標識和參數信息，信息維護者可以對種子信息進行全面具體地維護，防止溯源信息碎片化問題[19]。通過種子和參與者的身份標識，認證授權中心就可以通過智能合約的方式自動開放對種子當前節點權限，通過授予權限的節點將通過私鑰連接到區塊鏈網絡中，在軟件應用程序接口錄入數據信息。錄入的數據信息包括種子溫濕度、特征特性、栽培要點、質量指標、產品編號、種子交易編號、生產日期、出廠日期等信息，如果參與者開始產品轉移，溯源系統通過智能合約來驗證數據格式是否合法，是否符合行業標準等，驗證成功后，參與者提供的信息將被打包錄入[20]。

4.2 數據溯源查詢功能

在溯源系統中，種子信息都將被保存為任何參與者的電子文檔。當用戶和經銷商完成交易后，如果需要對種子信息進行溯源，可以通過輸入種子交易編號進行區塊鏈上的溯源，由于區塊結構包含上一個區塊的哈希值，因此可以通過哈希值追溯到上一個種子交易之前的信息，并最終查詢到種子的源頭。種子溯源數據信息查詢文檔應從育、制種企業、監管機構、運輸企業、經銷商和用戶等五大環節進行數據把控（圖3）。

圖3 種子溯源數據信息查詢文檔

5 結論

本文以我省張掖市制種企業玉米種子為研究對象，根據農業領域種子溯源需求，通過對目前市場上傳統的溯源技術進行比較分析發現，基于區塊鏈技術的種子溯源體系，可以避免傳統溯源系統存在的成本高、效率低和數據不安全等問題。區塊鏈技術由于其去中心化、去信任化、集體維護和可靠數據庫等天然屬性而更適合溯源應用。區塊鏈技術采用分布式數據管理方式，不僅可以解決育種科研中假數據、錯數據問題，還可以建立一套完整的、可追溯的種子交易體系，將科研育種、品種審定、品種出售以及種子商標等各環節的數據有機地結合起來，對記入數據庫中的數據和每一筆種子交易進行監管。采用區塊鏈技術，通過低成本的數據存儲技術，確保種業各環節用戶的交易合法、安全及數據的真實可信[21]。通過將區塊鏈技術和傳統種子溯源場景相結合，可以有效降低參與各方的信任成本，將各參與方運作透明化，從而提高效率，而去中心化模式則是區塊鏈信任機制的衍生特質。

基于區塊鏈技術的種子溯源體系的構建對玉米種子品牌保護、防偽打假都起到了舉足輕重的作用，不僅降低了制種企業的成本，它所提供從育種、包裝，到銷售環節可追溯數據管理，更為制種企業領導決策提供有力的數據支撐。

本設計的目的是為農產品溯源研究與體系構建提供一種新的思路和問題解決方案。該溯源系統研究設計還有一些不足的地方需要改進：1、系統的運行模式還需要進一步研究，系統的體系結構、功能設計還有待進一步完善；2、由于目前區塊鏈技術發展的影響，種子流通過程中的信任問題可以得到解決，但生產商造成的種子質量問題還不能完全避免；3、相比于很多互聯網支付網絡，區塊鏈的交易效率較低，從交易處理頻率來看，區塊鏈技術遠不如互聯網，這也是區塊鏈技術面臨的重大技術挑戰之一。因此，基于區塊鏈技術的種子質量安全溯源體系的構建是一項長期且復雜的工作[22]。

區塊鏈技術因其去中心化、去信任化、信息透明安全等天然屬性對推動行業監管等發展具有重大意義，但不能指望其解決所有問題。區塊鏈技術以不可篡改的共享數據為基礎，引入社會、用戶的共同監督，從而實現生產商、監管機構、用戶的交叉驗證，從而提高了各參與方的造假成本，對改善種子溯源領域的生態環境具有重要意義。