基于區塊鏈技術的農產品可追溯平臺構建

李燕 蔣嘉琦

摘要：農產品食品安全問題是近年3·15晚會的“釘子戶”。為解決農產品食品安全問題，通過分析區塊鏈技術的技術特征，并針不同技術特征同農產品流通的相性進行了分析。研究結果表明，區塊鏈技術可以緩解農產品流通過程中舊有的“追責難”“維權難”“監管難”“信任難”等問題。在此基礎上分析利用區塊鏈技術構建農產品追溯平臺的框架結構及技術體系，并就該追溯體系對解決農產品食品安全的作用機制進行了闡述。

關鍵詞：區塊鏈技術;可追溯平臺;食品安全;作用機制

中圖分類號：TP399文獻標識碼：ADOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210610

縱觀中國農業發展的歷史，食品安全問題始終都切身關系著百姓的民生?；趯κ称钒踩目剂浚湃藢τ谑澄锏南嘈约安煌澄锍叵碌谋４鎲栴}有著大量的研究，甚至早在戰國時期就已經開始應用食物的保鮮及防腐技術。隨著時代變遷及科技進步，現如今的食品安全已不再局限于食材的新鮮及相性的問題，一些動物源疾病（如瘋牛病、SARS、2019-nCoV等）、非法添加劑（蘇丹紅、三聚氰胺等）等問題正逐漸威脅著人們的生命安全。

針對解決食品安全問題，學者們主要有3種解決思路，第一種是以徐曉新等[1-3]為代表的主張從政府監管的角度入手，通過提高政府監管人員服務能力、規范食品安全問題的監管標準、優化有關部門的監管體系及程序。在此種框架內，李雪石等[4]在搜集了國外學者的研究觀點后，認為傳統的僅從監管及標準入手的方法過于片面，并引申出協調“國家—市場—社會”的解決方法。

第二種思路是張曉勇等[5]為代表的分析消費者對于食品安全接受情況的研究，分析了居民的消費結構，并提出了高學歷及年輕人對待安全食品的偏好相對較高。周應恒等[6]研究了三聚氰胺事件后消費者對于奶制品選擇的偏好問題，發現消費者由于缺乏辨識能力，因此僅能通過日常信息積累或者詢問商店銷售人員的渠道來進行甄別，并且傾向于信任大品牌的商品。

第三種思路是隨著信息技術進步逐漸興起的以信息平臺為代表的追溯制度，其中包括：楊信廷等[7]研究的基于物聯網技術的“一核、雙軸、三鏈”的農產品及食品質量安全追溯系統技術體系框架。向明生[8]認為食品安全問題已成為一種十分棘手的社會公共問題，為解決食品安全問題需要協調食品生產及流通環節各方主體，同時構建優質農產品認證體系、農產品質量追溯體系、農業食品安全預警體系、農業食品安全適時監督檢查體系、農業食品安全懲罰體系“五位一體”的農業食品安全管控體系。韓佳偉等[9]認為低流通效率是導致農產品出現食品安全問題的一個重要原因，并針對農產品物流現狀提出了農產品智慧物流的發展思路。在回顧其他學者研究的基礎上本文結合區塊鏈技術及農產品食品安全追溯體系的特點，討論基于區塊鏈技術的農產品追溯平臺的組建方式及作用機制。

1農產品追溯體系發展歷程

世界最早的現代化農產品追溯體系源自英國瘋牛病事件，瘋牛病最早于1985年在英國被發現，但由于重視程度不夠及缺乏應對手段，在往后的20 年間，瘋牛病飛速擴散，最終波及全球共31個國家并導致了幾百億英鎊的經濟損失。瘋牛病事件的恐慌促使各國政府開始構建農產品追溯體系。美國基于反恐的需要，自911事件后建立起了以反恐為目的的食品追溯體系。

2002年中國農產品質量安全中心的成立標志著我國開始農產品追溯體系的建設，目前已取得了一定的成效。2002—2006年，我國配合國際物品編碼協會和美國統一代碼委員會制定的標準，出臺《EAN-UCC系統128條碼》的國家標準并完善了禽類、牛肉、水果、蔬菜和水產品可追溯法規的標準體系。2006年《中華人民共和國農產品質量安全法》第一次從法律上明確了農產品追溯標準。此后農業部及商業部出臺了《農產品產地安全管理辦法》《農產品包裝與標識管理辦法》《關于“十二五”期間加快肉類蔬菜流通追溯體系建設的指導意見》等多項規定，地方政府也根據本省農產品流通的實際情況對本省農產品追溯體系進行了規定，完善了農產品追溯體系的相關標準。2015年修正的《中華人民共和國食品安全法》進一步從信息平臺建設、網絡食品交易、批發市場基礎設施、召回制度、標簽制定幾方面完善了現有的農產品追溯體系。2018 年《中華人民共和國食品安全法》又進行了修正，此次修正將食品與藥品進行分離，在法律標準方面提升了我國農產品追溯相關法律規定的專業性。

雖然我國農產品追溯體系的法律法規及相關標準已比較完善，但目前在農產品流通渠道中的實際應用情況卻并不樂觀。根據李玉紅等[10]對我國幾個一二線城市的可追溯豬肉的消費情況的調查結果表明，目前消費者對于農產品追溯體系的了解、利用效率較低，愿意為之付出合理的額外支出的消費者更是鳳毛麟角。

我國追溯體系的應用效果不如人意的主要原因是消費者重視程度較低。而消費者“不買賬”主要有以下幾點原因：首先，網絡上的追溯平臺魚龍混雜，其中不乏魚目混珠、以次充好之輩，極大的透支了消費者的信任程度;其次，農產單位售價通常較低，而追溯平臺則具有較大的網絡外部性，在進入成熟期前，單位農產品的追溯成本往往居高不下;再次，由于消費者缺乏專業的辨別能力，并且中老年群體對于新事物的接受能力不強，因此消費者難以清楚地了解追溯平臺的實際效果;最后，即使追溯平臺較為規范，但也難以避免部分生產企業會傳遞追溯虛假信息的可能，由于平臺沒有較大的懲處權限，進一步影響消費者對于平臺的信任程度。

2區塊鏈技術

2.1區塊鏈技術的技術特征

區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式。區塊鏈通過建立去中心化的數據庫，通過采用信息傳遞、信息加密、信息存儲等計算機技術建立數據塊，再通過數據塊間聯系實現信息的防偽、公開以及自我管理。區塊鏈技術是自2008年后新興的一種信息技術，時下已成為最熱門和發展呼聲最高的信息技術。

區塊鏈技術最本質的特征就是去中心化，去中心化即無中心管制，是指脫離了第三方的監管、硬件設施實現自我管理和運轉。除去中心化外，區塊鏈技術還具有安全性、開放性、匿名性、獨立性的特征。安全性：篡改信息塊內的信息需要占據一定比例以上（通常為50%）的數據節點，因此獨立個體無法擅自更改存儲的信息，即使可以所付出的成本也是得不償失的。開放性：區塊鏈信息塊的信息是完全公開的，除交易雙方的個人信息外，任何人都可以查詢并應用區塊鏈所包含的信息。匿名性：在技術層面上，各個區塊節點無需披露自己的身份信息就可以實現信息傳遞。獨立性：基于區塊鏈去中心化的特征，區塊鏈體系可以獨立運行無需第三方的介入，并可以自動進行實現信息防偽及信息傳遞等服務。

2.2區塊鏈技術與農產品追溯體系

基于區塊鏈技術的技術特征，利用區塊鏈技術加密打造公開、獨立、安全的信息公示平臺已成為區塊鏈技術一種最重要的應用構想。目前農產品追溯體系不健全是導致我國食品安全問題的一個主要誘因，追溯體系不健全導致了如下問題：食品安全事故責任糾紛;消費者維權無門;有關部門監管難度過大。區塊鏈技術在解決這些問題、完善農產品追溯體系等方面大有可為。

首先，基于食品安全問題一直存在難追責的問題，因為農產品從生產環節一直到消費者食用農產品，需要經歷生長、采摘、再生產、流通、銷售等環節，而食品安全的風險存在于農產品由產到銷售的每個環節中。因此當出現安全問題時很難及時發現問題原因并加以整改。而基于區塊鏈的安全性和公開性，僅需通過自動記錄農產品流通環節中的所有信息，向前可以追溯至農產品生產者的生產環節，向后可以追溯到消費了同一批次農產品的消費者，這樣就可以實現每一階段同批次銷售的農產品的調查，精確定位事故原因并第一時間加以整改。

其次，由于傳統的農產品銷售方式為顧客到市場、連鎖超市等地自主選購，消費者間相互聯系較少，即使食用了同一批次農產品的顧客發生食品安全問題，由于食用不安全食品具有隱蔽性個人消費者的直接損失又十分有限，而且發生食品安全問題的消費者群體彼此間缺乏聯系，許多食品安全事故由于證據不足或受害者群體不明最后只能不了了之。針對此問題，區塊鏈可利用其匿名性和公開性的特性，使得消費者購買時匿名，若出現食品安全問題，可以第一時間公開發聲，便于受害者群體聯合起來進行維權。

第三，我國農產品流通環節食品安全問題是由食品藥品監督管理局進行監管的，由于中國人口眾多，食品藥品監督管理長期以來存在監管密度低、強度差、效果差強人意的問題。這些問題歸根到底是由農產品食品安全問題的隱蔽性所導致的，由于受害者大多沒有較大的損失，因此對于違規企業難以施加嚴厲的處罰措施，所以農產品食品安全監管成效一直較低，處于亡羊補牢的階段。而利用區塊鏈技術，一方面，消費者可以聯合起來主動向相關部門舉報維權;另一方面，監管部門完全可以通過區塊鏈技術中記載的流通流程，在農產品集中的環節進行質量抽檢，以此降低監管的成本。

最后，針對上文提到的消費者信任程度較低的問題及成本問題，區塊鏈技術基于其安全性，使得企業無法更改其錄入的信息，農產品的生產及流通企業對其農產品的年產量、流通總量、流通總渠道錄入后，公開在區塊鏈技術信息平臺，接受廣大消費者、其余生產及流通企業和相關監管部門的監督，由于錄人的信息需受專業人士的監督，可能導致信息錄入時出現弄虛作假的現象。當發現信息平臺的準入企業出現故意弄虛作假的行為后，監管部門可以通過警告、處罰、暫停準入甚至取消準入資格等懲罰措施，以限制企業的作假行為。同時，如果區塊鏈信息平臺的規模達到一定程度，監管過程中實現規模效應也可以在一定程度上降低消費者的額外成本。

3基于區塊鏈技術的農產品追溯體系建設

3.1追溯體系設計

追溯體系是利用區塊鏈技術加密流通平臺公示的農產品流通信息，使平臺的用戶可以實現農產品流通的全程追溯。應用框架具體為生產企業、流通企業、消費企業3個主體基于應用區塊鏈技術的農產品流通平臺進行的物質與信息的往來，具體應用框架如圖1所示。

選擇區塊鏈技術主要是為了解決農產品流通環節中的信息管理的問題。針對區塊鏈架構設計，呂芙蓉等[11]認為區塊鏈框架具體包含應用層、智能合約、共識層、網絡層、數據層5個部分。譚磊等[12]提出的區塊鏈架構也大同小異，認為在應用層與共識層間存在激勵層。目前區塊鏈技術存在公有鏈、私有鏈、聯盟鏈3種應用模式。公有鏈是典型的區塊鏈模式，特點就是信息完全公開、任何人都可以查詢并應用該區塊鏈的信息。私有鏈和聯盟鏈是在公有鏈完全公開的基礎上引入準入機制，私有鏈的信息僅針對內部人員公開，由管理者統一管理。聯盟鏈介于公有鏈與私有鏈之間，是由多家組織共同合作維系區塊鏈的運轉。根據我國農產品流通環節的情況，我國人口基數較大，如果對農產品流通區塊鏈不進行準入許可的限制，極有可能出現大量“垃圾信息”占據信息平臺的現象，因此有必要對區塊鏈的準入加以限制。但是如果采取嚴格限制的私有鏈模式，則會阻礙廣大消費者獲取農產品信息、出現食品安全后難以公開信息進行維權，失去了組建區塊鏈平臺的意義，因此我國農產品流通區塊鏈技術應采取聯盟鏈的模式，其體系設計如圖2所示。

農產品流通追溯體系總體框架由應用層、合約層、共識層、網絡層、數據層組成。數據層及數據采集是整個區塊鏈平臺運轉的基礎，此環節主要由農產品生產及流通企業通過RFID芯片、遙感、監控等終端設備自動采集農產品流通環節的一手資料，并通過局域網、WIFI、5G等無線通訊技術將采集到的設備自動上傳至分布式數據庫及服務器節點進行儲存。對數據層上傳數據進行處理的環節就是區塊鏈體系的數據層。數據層的主要功能建立起Merkle樹，通過Merkle樹將區塊信息進行編碼，形成類似身份證號碼的編碼形式，這種編碼形式包含基于哈希算法的前后區塊的聯系信息，并通過特殊算法，如SHA256實現上下游區塊間的信息傳遞。這一環節中除了記錄交易信息以外，在區塊頭的元數據部分還記錄了區塊的隨機數據、難度系數、時間戳等信息，構成了整個平臺運行的基礎。

網絡層位于數據層后，網絡層的功能主要是對數據層提供的數據進行檢驗，只有通過篩選的數據才能夠得以保留。網絡層包含組網方式選擇、消息傳播協議和數據驗證機制3個部分。在組網方式選擇中，網絡結構有對等網絡和非對等網絡之分，對等網絡（peer to peer，P2P）的每個節點可以執行相同的功能，更符合區塊鏈去中心化的特征，因此選擇P2P作為網絡層的組網方式，之后將數據基于消息傳播協議導入數據驗證機制中，實現數據的篩選。

共識層顧名思義即達成共識，是參與聯盟鏈的各個主體對各區塊數據錄入的規則達成共識，避免數據錄入的錯誤，以維護區塊數據的有效性。由于存在多種可選擇的共識機制如：PoW、PoS、DPoS、RaFT、PBFT，并且這些機制均各有利弊，適用的條件也各不相同，因此共識層的選擇是整個體系最復雜的環節。在各個共識機制中，除PoW完全去中心化適用于公共鏈以外，其余4種都可以應用于聯盟鏈當中。但這4種共識機制也各有特色，PoS是基于所擁有的被視作股權的財產的數量選出記賬者并由記賬者制定記賬規則，這種模式在繼承PoW機制需要擁有51%節點量才能進行攻擊的安全性的同時，還改善了PoW機制重復計算、交易效率低下的弊端。但由于PoS機制的“權力集中制”的選拔方式的不足，誕生了DPoS機制，這種機制是利用類似于股東大會的機制選拔記賬者使小規模區塊的擁有者擁有投票權，在一定程度上提高了效率，因此DPoS是更加高效的，但同樣存在著大型區塊所有者操縱選舉的可能。而RaFT與PBFT是針對于一些特殊情況下的共識機制，其中RaFT機制是在所有節點中投票選拔出leader，其他節點無條件遵守leader的指令。而PBFT機制（實用拜占庭將軍機制）是基于PoS的一種名為BFT（拜占庭將軍問題）機制衍生出來的新機制，這種機制的目的是在存在“背叛者”即參與者間目標存在差異時達成共識，但這種機制的安全性較差，僅需超過1/3的節點就可以實現攻擊。4種機制各有利弊，既符合我國農產品流通市場現狀的部分，亦存在棘手的弊病，因此需要參考實際建設中的參與者的情況再進行選擇。

合約層也可以稱為智能合約環節，這一環節主要是利用信息技術和網絡技術，基于已確定的合約與規定，自動識別合約的完成情況進行續約或解約操作，智能合約的出現使區塊鏈可以自動處理不同領域內的事件，實現了區塊鏈在不同領域的應用。

應用層就是信息平臺數據的使用者，各個使用者根據身份不同，基于平臺披露的信息進行決策。3.2維護農產品食品安全作用機制

構建區塊鏈信息平臺的初衷就是維護農產品流通環節的食品安全、降低消費者食品安全風險。區塊鏈在以下幾個方面維護了農產品的食品安全。

（1）區塊鏈的開放性使得流通中所有環節的主體均可以參與進來，同時由匿名性及獨立性保證消費者可以放心參與農產品追溯環節。區塊鏈信息平臺覆蓋了農產品從生產者采摘到消費者選購的全過程，需要流通的各個主體作為參與者錄入各個環節的農產品實時信息，并由實時監控作保，因此上下游的流通主體對其余企業的服務能力都擁有比較清楚的認知，生產組織可以選擇服務和口碑更好的流通企業進行合作，流通企業也可以選擇生產優質農產品的企業作為長期客戶，不僅提升了雙方的產品和服務的質量，還可以將生產劣質產品和違規流通的企業逐漸驅逐出市場，從而提高整個行業的產品質量。

（2）區塊鏈的開放性、獨立性特種，同時去中心化模式下信息平臺存儲的數據輕易不可篡改，這就使利用基于區塊鏈技術的信息平臺同國家有關監管機構進行協作成為可能。流通企業在進行生產博弈時需要考慮的不僅是當期的利潤提升，還需要考慮到當其違規行為被觀測到后的利潤下降情況，如果利潤下降的額度低于第一期違規的收益時才會選擇違規流通。建立信息平臺后，企業違規行為在全程監控、上下游企業監督和有關部門定期抽查下變得“無處可藏”。假設企業第一期違規流通可以獲得W的利潤，但會處以P的罰金，而且之后的每一期需要損失C的收益，企業年均利潤率為r，此時只有在（W-P）×（1+r）≥C/r時企業才會選擇違規流通。農產品可追溯信息平臺將增加違規行為暴露的可能，并將違規情況及相關證據上報至有懲處權限的監管部門，由監管部門進行懲處。暴露風險增加將增加企業違規流通的成本，當多數違規行為無利可圖時就能極大程度上降低食品安全事件的發生。

（3）可追溯平臺的建立一定程度上還能緩解農產品流通過程中信息不對稱的問題。農產品食品安全問題的一個主要成因就是普通消費者缺乏辨別產品優劣的能力，因此容易發生劣質農產品最終將優質品驅逐出市場的“檸檬市場”現象。而在信息平臺中，由于區塊鏈技術開放性的特征，消費者作為信息平臺的應用主體可以獲取農產品從生產到流通全過程的信息，這樣就使消費者對不同商品擁有了清晰的辨別能力，根據消費者主觀消費觀念的差異選購不同價位的農產品。采用先進流通技術的流通企業可以獲得相應的收益，促進農產品流通環節技術與設施水平的提高，帶動整個農產品流通產業的現代化發展，最終提升農產品的產品質量。

（4）可追溯平臺也將限制生產者的違規行為。長期以來農產品食品安全很難明確具體責任人，而農產品生產和流通環節由不同的部門負責，因此消費者在購買到劣質農產品時往往面臨幾家企業互相推諉責任的局面。但是采用區塊鏈信息平臺流通的農產品可以實現農產品流通全程的跟蹤監控，一旦發生食品安全問題，監管部門可以調取流通環節的資料及時取證，以確定食品安全問題發生的具體環節。這就使監管部門可以很容易地發現生產者違規使用了化肥、農藥的行為，從而對生產者進行處罰。因此建立信息平臺后生產者的生產行為也會受到監督，尤其是生產者需要在首先錄入流通的農產品的具體信息，生產者還要面臨后續流通企業對流通產品的檢測，而參加信息平臺的生產者的也會規范自身生產行為。

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Construction of Agricultural Products Traceability Platform based on Blockchain Technology

Li Yan，Jiang Jiaqi

（College of Economics，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150028 ）

Abstract：The food safety problem of agricultural products is the "nail household" of the 3·15 party in recent years. In order to solve the food safety problem of agricultural products，this paper analyzes the technical characteristics of blockchain technology，and analyzes the compatibility of different technical characteristics with the circulation of agricultural products. It is considered that blockchain technology can alleviate the old "blame chasing" and "rights protection" in the circulation of agricultural products On this basis，it analyzes the framework structure and technical system of building agricultural product traceability platform by using blockchain technology，and finally expounds the function mechanism of the traceability system to solve the food safety of agricultural products.

Key words：blockchain technology，traceability platform，food safety，action mechanism