基于區塊鏈的農產品溯源技術研究綜述

李旭東 楊千河 姚竟發 賀吉 范曉飛

摘要：隨著國內農產品安全事故的頻發，消費者對農產品質量和供應鏈的信任逐漸下降。溯源作為一個能夠連接產品流通各環節、對產品進行不定向追蹤管理的生產控制系統，對保障產品的質量安全具有重要意義。在傳統的溯源體系中，信息存在不準確、不透明、不安全等問題;區塊鏈憑借去中心化、透明公開、不可篡改、分布式存儲等特點，為農產品溯源體系的構建提供技術支持。將區塊鏈技術與溯源技術相結合可以實現真正意義上的溯源，切實保障供應鏈上全體成員以及廣大人民群眾的權益。在區塊鏈理論分析的基礎上，通過研究農產品溯源機制，詳細闡述了區塊鏈技術的概念與主要特征，梳理總結近些年國內外基于區塊鏈的溯源體系的研究與應用，確定了基于區塊鏈技術解決農產品可追溯性問題的方案，總結了基于區塊鏈的農產品溯源系統的架構設計框架和適用性應用分析流程，闡述了基于區塊鏈的農產品追溯系統實施的優勢與挑戰，分析了將區塊鏈技術應用于農產品溯源體系時的重要環節，以期為區塊鏈農產品溯源體系的研究和建立提供參考。

關鍵詞：區塊鏈技術;農產品溯源;溯源系統;分布式存儲

中圖分類號：TP311;F326.6 ??文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2022）06-0016-08

收稿日期：2021-06-25

基金項目：國家自然科學基金（編號：32072572）;河北省高層次人才資助項目（編號：E2019100006）;河北省重點研發計劃（編號：20327403D）;河北農業大學引進人才科研專項（編號：YJ201847）。

作者簡介：李旭東（1996—），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向為智慧農業。E-mail：394087866@qq.com。

通信作者：范曉飛，博士，教授，主要研究方向為農業人工智能。E-mail：fanxiaofei@hebau.edu.cn。

我國是農業大國，但多年來的監管不力和違法行為使得我國農業發展受到重重阻礙，這類事故一次次損害社會信用，損害人民健康，使我國農業發展建設面臨重大挑戰[1]。因此，建立基于區塊鏈技術的農產品溯源體系的需求日益強烈。目前我國農產品溯源主要依賴于國家的中心數據庫[2]，主要存在以下問題：（1）供應鏈數據不透明;（2）各級數據存儲情況不透明;（3）社會公信程度低;（4）數據分散，無法系統整合，共享難度大。而區塊鏈技術的去中心化、開放性、自治性、匿名性、信息不可篡改、信息可溯源等特點，為這些問題提供了全新的思路與解決方案[3]。本文詳細介紹了區塊鏈技術，總結了近年來基于區塊鏈技術的溯源系統研究與應用進展。

1 農產品溯源

1.1 傳統農產品溯源

農產品溯源系統是指追蹤農產品（包括食品、生產資料等）進入市場各個階段（從生產到流通的全過程）的系統，涉及到農產品產地、加工、運輸、批發及銷售等多個環節，有助于質量控制和在必要時召回產品。采用農產品可追溯系統可以實現產品源頭到加工流通過程的追溯，保證終端用戶購買到放心產品，防止假冒偽劣農產品進入市場[4]。

在整個農產品供應鏈中，各級參與方可分為生產者、加工者、運輸者、地區銷售和零售者。目前，主流農產品溯源系統主要是內部溯源和外部溯源相結合的雙層溯源（圖1）。這種傳統的溯源方式目前暴露了多種問題，比如：（1）信息容易被篡改、丟失，地區性農產品信息共享難度大，數據傳遞效率低，第一級農產品（農作物）溯源難度大;（2）系統復雜，監管方信息重疊或矛盾，監管壓力大;（3）各級用戶難以信任數據的真實性[5]。

1.2 農產品溯源體系起源

最早的農產品溯源體系起源于20世紀70年代的歐洲，當時歐洲暴發嚴重的瘋牛病，歐洲各國開始追溯牛羊肉等畜牧類農產品的來源[6]。1997年再次遭受瘋牛病后，歐盟對牛和牛肉以及牛肉制品建立起一個可追溯體系，該體系通過對牛耳進行標簽，發行動物護照，保障消費者通過追溯系統可以追蹤到該牛從飼養到屠宰再到加工銷售的全流程信息。目前，歐盟已建立起畜禽動物及其肉制品、轉基因產品和飼料的溯源系統[7-8]。

日本從2001 年開始推動“食品可追溯制度”，大部分超市都安裝了產品溯源終端，基本實現了食品領域零售業務的可追溯。2003 年日本開始對牛肉制品實施追溯;2005 年日本農業協作組織（簡稱農協）要求，必須對通過農協上市流通的農產品實現可追溯[9-10];2008 年日本宣布擬建立大米的可追溯體系[11]。

21世紀初，美國開始從國家戰略的層面建設溯源系統，建立了美國全國動物識別系統（NAIS）。澳大利亞也構建了國家牲畜認證系統（NLIS），通過RFID技術對每一頭牛頒發唯一的“身份證”，實現養殖的全流程數據采集。印度使用GrapeNet建立溯源平臺，保證出口葡萄的安全和品質。

中國在農產品溯源上起步較晚，但也一直在進步。2004年，原農業部率先在北京、河北開始溯源系統試點，實施“進京蔬菜產品質量追溯制度試點項目”[12]。2008 年，國家主動提出要建立健全農產品標識，建立并實施農產品安全的追溯體系。此外，國家蔬菜質量安全追溯體系等追溯制度也在建設與試點。2017 年，國家農產品質量安全追溯管理信息平臺正式上線，首先在四川、廣東、山東等地展開試點[13]。

2 區塊鏈與農產品溯源

2.1 區塊鏈概念

區塊鏈這一概念起源于比特幣。2008年，一位自稱“中本聰”的用戶發表了《比特幣：一種點對點的電子現金系統》一文，提出了比特幣的構想。隨著比特幣的運行，區塊鏈作為比特幣最底層的技術逐漸進入大眾視野。區塊鏈技術是一種區別于傳統網絡架構的全新模式，區塊鏈獨有的去中心化模式能避免中心化網絡帶來的缺點，構建可信任的自主運行網絡模式[14-15]。

從類型上看，區塊鏈可分為公有區塊鏈、聯合（行業）區塊鏈和私有區塊鏈。公有區塊鏈（public block chains）是指世界上任何用戶或團體都可以發送交易，且交易可以獲得該區塊鏈的確認，任何人都可以參與到其中的共識過程[16]。聯合（行業）區塊鏈（consortium block chains）是指某個團體內部指定多個節點作為記賬節點，每個區塊的生成由所有的預設節點共同決定，其他節點可以參加交易，但沒有記賬權限，任何人都可以通過該區塊鏈進行查詢[17]。私有區塊鏈（private block chains）是指僅使用區塊鏈的記賬技術進行記賬，可以是一個企業、公司，也可以是個人，擁有該私有區塊鏈的寫入權限[18]。

區塊鏈還具有去中心化、開放性、獨立性、安全性、匿名性等特征。（1）去中心化。區塊鏈不依賴第三管理方和硬件，沒有中心服務器，通過分布式的計算和存儲，每個節點實現數據的自我驗證、傳輸和管理[19]。（2）開放性。區塊鏈技術是開源的，除了交易的私人信息被保密，區塊鏈內的數據對每個人開放，每個人都可以通過公開接口進入區塊鏈進行查詢和開發[19]。（3）安全性。只要不被人掌握全部節點的51%，就無法被隨便篡改數據，這使得區塊鏈避免了人為惡意篡改[19]。（4）匿名性。任何節點的身份信息都不需要公開和驗證，數據傳遞可以匿名發送[20]。（5）可追溯性。將信息上傳區塊鏈中的各個區塊，每個區塊都有前一區塊的哈希值，只有識別了正確的哈希區塊才能上鏈（圖2），這就保證了信息的可追溯。

區塊鏈因為自身的特點，相比于傳統溯源方式有很大優勢（表1）。與傳統溯源方式相比較，以區塊鏈技術為基礎的溯源方式在前端的數據采集工作與傳統方式區別不大，區別大的地方在于后端。區塊鏈技術能提供新的溯源工具，方便消費者對農產品安全信息的查詢。加上區塊鏈具有去中心化的特點，各節點都可以通過鏈上實時共享數據，同時所有節點也必須履行共同維護數據可靠性的義務[21-24]。

2.2 區塊鏈溯源體系的研究進展

2.2.1 將區塊鏈技術與物聯網技術相結合

物聯網技術經過多年的發展已經相當成熟，物聯網技術與區塊鏈溯源體系相結合會使溯源技術更加智能化和便捷化，同時物聯網技術也會讓信息變得更加可靠，所以物聯網技術與區塊鏈溯源技術相結合，是溯源技術的發展趨勢。George等結合物聯網技術和區塊鏈技術，對豬的養殖、加工、零售實現了溯源，利用各種傳感器對豬的生長、屠宰、加工信息進行采集，最后將數據上傳區塊鏈完成溯源[25]。Ali等提出了聯盟鏈和智能合約與物聯網溯源服務相結合的數據服務中心[26]。Bordel等利用RFID電子標簽技術和區塊鏈技術相結合，設計了一個食品安全溯源系統[27]。李明佳等將區塊鏈技術應用到傳統溯源系統中的數據庫和通信層上，設計了讓傳統溯源系統中的數據更好接入區塊鏈的方法[28]。史亮等通過利用區塊鏈分布式存儲和節點資源共享的特點，實現了溯源環節的正逆雙向追蹤[29]。Stamatellis等利用區塊鏈分布式分類賬本和身份匿名特性設計了電子病歷，有效保證了信息的真實和患者的隱私[30]。祝錫永等利用危害分析和關鍵控制點體系（HACCP）對服裝生產的每一個步驟進行危害分析，最后利用區塊鏈技術實現對危害原因的溯源[31]。

2.2.2 改進智能合約來建立溯源體系

區塊鏈技術中的智能合約也對溯源體系有很大的作用，Casino等利用智能合約和HACCP相結合設計了一個酸奶生產加工銷售全流程的溯源系統[32]。Mohamed等開發了一種智能合約模型，用于物聯網信息追溯，這對于農產品溯源設計有很大啟發[33]。葛艷等利用HACCP規范提取數據結構，為上層溯源業務層提供支撐，最后調用智能合約接收數據，將數據打包成區塊實現牡蠣質量監測[34]。

2.2.3 改進區塊鏈技術的服務性以提升溯源系統的便捷

區塊鏈溯源體系的發展與推廣首先要提高區塊鏈技術的服務性，Yin等提出了一種基于區塊鏈技術的協作訓練模型，該方法使用區塊鏈的去中心化會計技術來解決不同參與者之間的信任問題[35]。王紅梅等采用BCS（blockchain service）分布式賬本云平臺，讓溯源系統變得更加可靠[36]。仵冀穎等針對完全去中心化的公有鏈在執行智能合約的及時性和響應速度上無法滿足實時業務查詢的需求，且私有鏈及現有的分布式結構和云平臺架構對參與方多的情況下并不適用，設計了一種以政府監管機構為核心的聯盟鏈，讓溯源系統更加方便快捷[37]。

2.2.4 加強區塊鏈技術的安全監管保障數據的真實性

區塊鏈溯源體系對于保證人們的利益有重要意義，須提高區塊鏈技術的安全性，加強對企業私有鏈的監管以及相關企業和人員的法律意識。周正強等提出了基于聯盟鏈的醫療數據安全共享的方案，用聯盟鏈儲存元數據，將智能合約和密文加密技術結合，設計了數據共享的安全協議[38]。Zheng等針對近年出現的大數據安全問題，提出了一種基于區塊鏈的去中心化數據交易系統，對于區塊鏈溯源系統中的數據安全有重要啟示[39]。于合龍等基于Hyperledger Fabric平臺設計實現了水稻全供應鏈信息溯源系統，在供應鏈溯源隱私數據上傳區塊鏈網絡前，利用密碼分組鏈接模式（ciper block chaining，CBC）對其進行對稱加密，采用橢圓曲線算法（elliptic curve cryptography，ECC）對密鑰加密后寫入區塊鏈網絡中，區塊鏈網絡中存儲隱私數據加密后的密文，授權節點利用私鑰查看區塊鏈上溯源隱私數據，實現在區塊鏈網絡中共享隱私數據[40]。

2.3 區塊鏈溯源體系的應用進展

在區塊鏈溯源體系應用上，有很多國外企業已經嘗試著將區塊鏈溯源體系應用于商業。2016年6月，沃爾瑪開始使用區塊鏈溯源體系在美國芒果市場測試運行。由于2018年沃爾瑪發生嚴重的食品安全事故，傳統溯源方式無法徹底解決問題，2019年沃爾瑪百貨有限公司（簡稱“沃爾瑪”）的所有超市開始使用區塊鏈溯源體系。沃爾瑪還與國際商業機器公司（簡稱“IBM”）聯合成立了食品信托系統（food trust）[41]用來追蹤芒果和豬肉產品，它建立在Hyperledger Fabric平臺上，所有數據都存儲在區塊鏈賬本上，從生產者到消費者的整個供應鏈都可以訪問。如果沒有食品信托系統，識別芒果來源的過程可能需要跟蹤7 d，而有了食品信托系統后則只需要約2.2 s。芬蘭將區塊鏈溯源體系首次運用到集裝箱運輸工程中。Provenance是一家推廣基于區塊鏈的魚類產品追溯系統的公司，通過公司提出的申請，每一種魚類產品都有獨特的標簽，這個標簽的內容包括魚類產品的包裝、運輸和儲存條件等信息。

2017年眾安技術服務有限公司使用區塊鏈溯源體系與養雞相結合[42]，從雞苗出生開始都戴上唯一的標簽，利用傳感器技術，實時監控雞每天的活動，并檢測雞舍的空氣和水土指標，直到雞送到屠宰場，每一步的信息都被上傳區塊鏈保存。2017年12月我國第1個食品安全區塊鏈聯盟成立[43]。2017年阿里巴巴（中國）網絡技術有限公司旗下的螞蟻金服推出區塊鏈溯源應用[44]。華為技術有限公司推出了“農業沃土云平臺”，打造了包括從種子、種植、農產品加工、食用風味多環節區塊鏈溯源體系。

3 將區塊鏈技術應用于農產品溯源

3.1 基于區塊鏈的可追溯性運營框架

目前主流的區塊鏈溯源框架如圖3所示。作為一種分布式和去中心化的技術，區塊鏈是由加密哈希鏈接的一組帶有時間戳的塊。它已經成為分散的公眾共識，與數字分布式數據庫協調交易活動[45-47]。基于區塊鏈的可追溯性，提出了追蹤農產品信息的需求[48]，有助于更有效地追溯業務中的物料和信息流。 因此，區塊鏈將提高信息的安全性和透明度，并通過IoT設備為農產品的信息獲取和持久性做出可持續的可追溯管理[49-50]。

3.2 區塊鏈技術與物聯網技術相結合的農產品可追溯系統

本文總結了將區塊鏈技術與物聯網技術相結合的農產品可追溯系統。在每個可追溯業務流程中通過物聯網技術將數據記錄并上傳區塊，利用區塊鏈信息的高透明度、去中心化、無法篡改[51-53]等特性完成溯源（圖4）。

3.2.1 生產階段 生產階段就是農場所實施的生產活動，農民使用種子來種植農作物，并將種子的質量信息（出苗率、真實性、活力、一致性等）在區塊中記錄，以便追溯種子的來源。農作物成熟時，農民將本季度農作物的產量和質量情況上傳，可追溯性信息可包括耕種背景環境（如土壤、水、溫度和濕度質量）、耕種人員、日期、時間、農藥品種的來源和應用、灌溉、施肥等[54]。

3.2.2 加工階段 此階段涉及將一個主要產品全部或部分轉化為一個或多個其他次級產品。隨后進入包裝階段，可追溯性信息包括加工條件，如加工設備、時間、批次轉換、包裝信息、消毒方法、操作員和最終產品標簽信息等。在該階段中，每個包裝可以通過RFID記錄包含生產日期和使用的原材料列表等信息，并生成唯一編碼[55-59]。

3.2.3 運輸階段 經過上一階段的加工包裝階段，農產品就到了運輸階段，使用物聯網傳感器設備可以獲得物流和冷藏相關的可追溯信息。在冷藏容器區域中部署環境傳感器和GPS傳感器，可以監視和收集要存儲在區塊鏈系統中的物流和冷藏環境信息，可追溯信息在這一階段內包括運輸的方式、車輛信息、發貨時間與到貨時間，都將在區塊中記錄[60]。

3.2.4 消費階段 消費者是整個區塊鏈的最終用戶，消費者在購買產品前可以查詢到本產品的信息，如質量標準、原產國、生產方法等[61-62]。

4 基于區塊鏈的農產品追溯系統的優勢與挑戰

4.1 優勢

區塊鏈對農業產品可追溯性的研究和實踐具有深遠的影響。與物聯網設備結合時，它可以克服信息安全性和透明度方面存在的問題。

4.1.1 信息安全

由于共識機制，信息存儲在基于區塊鏈的可追溯性系統中更加可靠，增強了數據的完整性和安全性[63-64]。此外，它提供了高度不變性和信息完整性，并且當連接到物聯網（IoT）設備時，它能夠提高交易效率。

4.1.2 技術優勢 信息通過加密操作存儲在多個分類帳數據庫中，很難被攻擊。共識機制確保當所有參與者在可追溯過程中達成共識時，信息不會被篡改[65-67]。

4.1.3 確保供應鏈安全協作 跨組織業務流程的互操作性與集成用分布式服務來執行任務。區塊鏈可以增強供應鏈合作伙伴之間的信任和協作，可以在整個可追溯鏈中追蹤無篡改的歷史信息[66，68-69]。

4.1.4 減少產品浪費和經濟損失 由于區塊鏈技術可以追溯產品在每個階段的詳細信息，從而使各環節都能得到產品的信息，避免了產品因為信息不對稱而造成的浪費[70-72]。

4.2 應對的挑戰

區塊鏈技術應用于農產品溯源可以徹底改變現有的溯源狀況，但是依舊面臨著多種挑戰。表2列出了當前仍需解決的問題。

5 結論與展望

區塊鏈技術能夠保證鏈上數據的不可篡改和可追溯性，因此在產品從生產到流通的全過程中可實現完整信息的記錄，為監管部門提供產品全面數據信息，使其可以更高效地完成產品質量檢驗及數據互聯互享。

我國溯源體系起步較晚，農產品溯源沒有真正走進人們的生活，市面上帶有溯源標簽的產品還很少，帶有溯源標簽的產品價格普遍較高。除此之外，溯源體系運營成本高、數據共享難、供應鏈各自保密等因素都阻礙著溯源體系的建立。目前以區塊鏈技術為基礎的溯源體系大多還處在理論驗證和試驗試點階段，“區塊鏈+溯源”要真正走進人們的生活，還需從市場經濟、國家政策、企業創新等多方面努力。

基于區塊鏈技術的農產品溯源體系仍存在一些待解決的問題，如區塊鏈技術能保證鏈上數據的真實性，但是前端采集的物理層面被篡改的風險依然很高，因此如何有效地進行數據防偽是一個重要課題。

未來的研究可以從多個角度調整和評估基于區塊鏈的可追溯操作框架、設計架構、分析流程圖。應特別注意基于區塊鏈的農產品可追溯系統的硬件部署、存儲能力、交易速度和整體性能。

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