區塊鏈技術在農產品信息溯源體系中的應用研究

摘要：民以食為天，人們由“吃得飽到吃得好到吃得安全”進行轉變，近幾年農產品安全問題，農產品交易市場亂象問題層出不窮，人們越來越重視食品安全，農產品安全成為最關注的焦點。現代農產品供應鏈非常復雜，同時涉及眾多參與方，每個參與方都扮演著不同的角色，農產品信息溯源成為一大難題。

本文以農產品質量安全問題為切入點，提出供應鏈系統中存在的信息不透明、信息孤島、數據維護成本高問題，區塊鏈在無第三方參與的網絡中，結合共識算法就能解決以上問題，從流程環節針對性地解決農產品信息溯源問題。

關鍵詞：區塊鏈技術;溯源體系架構;農產品;數據采集

中圖分類號：TP311? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）17-0114-03

本研究通過對比農產品傳統追溯體系，分析“基于區塊鏈”追溯體系的優勢，全面分析農產品質量安全監管失靈的原因，破解供應鏈過程中農產品監管難題，以及供應鏈追溯體系下農產品的正向跟蹤和逆向追溯，在農產品供應鏈中推動區塊鏈技術的應用，打造智慧供應鏈，實現農產品信息供應鏈的可視、可感、可調節，既可以提升優質農產品的市場競爭力、促進傳統農產品的市場轉型，對消費者而言，對購買農產品的信心會大幅度增強，又可以實現優質、安全的農產品供給。與此同時大大促進了農產品經濟的發展。

1研究背景

隨著5G時代智能互聯網的飛速發展，對人們的生產生活模式、運轉思維、組織架構進行了系統性徹底的重新定義，數字化、信息化水平大幅提升。雖然電子商務與供應鏈體系在不斷完善、運作模式在快速更新，但是問題依然存在，特別是安全問題：如農產品栽培地環境、保鮮、銷售流程、運輸途徑等。

近幾年一系列關于農產品安全事件時有發生，如：蘋果“毒藥袋”“毒韭菜”“毒玉米”“毒青棗”“毒生姜”，以及2018年深圳南山中英文學校（ A 級食堂）被曝光使用不合格的食用油等農產品安全問題。傳統的農產品質量安全監管，效率低、成本高且時常信息不對稱。2019 年，習近平總書記強調，區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起著重要作用。我們要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展[1]。

2020 年中央一號文件再次要求強化全過程農產品質量安全和食品安全監管，建立健全追溯體系，確保人民群眾“舌尖上的安全”[2]。

2 區塊鏈相關技術

現行消費者對農產品質量安全信息追溯不滿足的關鍵原因是，農產品質量安全監管體系效率低，借鑒現代信息技術，結合農產品本身特點，實施可追溯體系，加強安全監管，整個信息從上游到下游公開透明，實現正向信息追溯和逆向信息追溯，信息問責問題就有了源頭數據，那么農產品信息的監管問題必然迎刃而解。

對于農產品追溯的信息數據的可靠性問題、信息對稱問題、防篡改等一系列復雜問題，去中心化的區塊鏈技術是解決以上問題最好的技術，因為區塊鏈擁有五大核心特性：去中心化、信息開放、信息不可篡改、信息匿名、信息自治。

2.1 區塊鏈結構

中本聰2008 年在《比特幣：一個點對點的電子現金系統》中提出數字貨幣交易可以脫離第三方監督，區塊鏈起源于比特幣。比特幣底層技術的實現被稱為區塊鏈，該技術不依賴第三方機構，比特幣是區塊鏈技術的實際產物。區塊鏈系統的五層結構包括：安全可靠可溯源、自動組網可驗證、數據一致性強、可編輯、數據錄入查詢驗證[3]。

2.2 區塊結構

比特幣系統的“去中心化”，是獨立的分布式數據庫，沒有任何機構，沒有管理員，只要你加入區塊鏈網絡，就是一個節點，且每個節點平等，鏈中交易的記錄在每個節點中都有存儲，數據由節點共同維護。

區塊鏈是通過上一個區塊的哈希值、時間戳等參數將單個區塊連接成的鏈式存儲結構，一個完整的區塊包括區塊頭和區塊體。區塊鏈結構如圖1所示。

2.3? 智能合約

部署在以太坊平臺上的智能合約，按照事先約定的某種規則自動執行操作，智能合約對接收到的信息進行反應，它既可以接收和儲存價值，也可以向外發送信息和價值。智能合約可以調用其他的智能合約，在區塊鏈上，存儲的信息都是“狀態”，而智能合約就是它用于狀態轉換的方式。

2.4 共識算法

PoW、PoS、DPoS和 PBFT這4種共識算法常用于區塊鏈。

PoW（Proof of Work，工作量證明）、PoS（Proof of Stake，權益證明）、DPoS（Delegate Proof of Stake，委托權益證明）、PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，實用拜占庭容錯算法）。

簡述PBFT共識算法：在保證一定性能的情況下，有3F+1的容錯性。容錯率：Raft 只支持容錯故障節點，容錯率高，大于50%節點正常即可;PBFT可以容忍小于1/3個無效或者惡意節點。

2.5? IPFS工作原理

IPFS（Inter Planetary File System，星際文件系統）是一種點對點分布式文件系統，每個節點既是客戶端又是服務器。

IPFS系統中的文件切塊，每塊都經過哈希加密后生成唯一哈希值，此值為文件ID;IPFS系統中文件不重復，減少冗余，降低存儲空間壓力;文件是通過哈希值檢索文件存儲位置;IPFS系統使用IPNS（分布式命名系統）為每個文件提供一種易讀的（Human-readable）文件名，可快速搜索文件。

2.6? 區塊鏈交易流程

區塊鏈交易流程的6步：發出交易、傳播交易、驗證交易、全節點驗證、區塊鏈記錄、交易完成。區塊鏈交易流程如圖2所示。

1）發出交易：交易發起人需要私鑰對交易簽署一個數字簽名，即當前交易者用私鑰對前一次交易和下一位所有者進行簽名，形成交易單，在區塊鏈網絡中廣播。

2）傳播交易： 當前所有者以P2P形式廣播交易單到全網，每一個區塊可以包含多筆交易，每個節點會將數筆未驗證的交易Hash值收集到區塊中，完成最快的節點，傳播自己的區塊給其他節點。

3）驗證交易：miners驗證交易正確性，最快算出結果的節點來驗證交易，取得共識的做法。

4）全網驗證：只有找到截時的節點，才能向網絡廣播區塊記錄，其他節點確認有效簽章后，接受該區塊，此時該區塊正式上鏈且數據不能被篡改。

5）區塊鏈記錄：區塊鏈網絡的其他節點都會對該區塊的正確性進行核實，在合法無錯的情況下，才會對下一個區塊發起競爭，這樣一個合法無誤的記賬區塊產生。

6）交易完成。

3區塊鏈技術對于農產品信息溯源的價值

1）區塊鏈物聯網：制約農業物聯網是“中心化”管理，物聯網設備飛增，數據中心的維護成本不可估量。區塊鏈的介入，“去中心化”的特點實現自我管理與維護，維護成本大大降低，有助于農業和農產品物聯網的規模化、智能化發展推廣。

2）區塊鏈農產品質量信息溯源：消費者對原產地的農產品一般都有一定的戒心，擔心化肥、農藥、添加劑、運輸等。溯源是關鍵，溯源的目的，一是對劣質農產品曝光、監管;二是篩選優質農產品，提升價格優勢，讓優質農產品良性循環發展。基于區塊鏈的農產品追溯系統，首先可以確保區塊鏈網絡上數據不可篡改、全程留痕;其次是加密技術可以從根本上消除人為因素影響，信息公開透明、集體維護，提高消費者信任度。

3）區塊鏈供應鏈：供應鏈鏈條上企業眾多，較低的信息透明度很難監管追蹤每個環節;同時核心企業是整個供應鏈的主宰，鏈條上信息不對稱，核心企業就有可能存在不正當的逐利行為;供應鏈交易機構多、交易手續繁雜、周期長、成本高等。區塊鏈的聯盟鏈，將核心企業、金融機構、第三方信服、物流倉儲、上下游企業整合到供應鏈金融平臺，確保鏈上信息透明可靠、信息對稱且不可篡改，整個流程高效靈活。

4）區塊鏈IOT：農產品溯源一直是該產業發展的痛點，區塊鏈技術與IOT技術相結合，實時采集源頭數據，保證源頭數據絕對干凈;在區塊鏈上實時同步原始數據，生成不可篡改的唯一哈希值;對農產品生長、采集、加工生產、品質核檢、運輸轉儲、銷售等各大環節都有詳細跟蹤記錄臺賬，確保農產品安全。

5）信息共識安全

以往，數據由中央處理器集中存儲，流動信息有被篡改的風險，“去中心化”的區塊鏈，數據分步存儲，每個節點都是處理核心，要篡改數據，原則上要有大于50%的節點訪問權限，只改自己或是部分數據沒有用，因為原始數據依舊保留在其他節點。

4 區塊鏈技術的農產品信息溯源方案

4.1 需求分析

農產品信息溯源方案涉及生產商、供應商、零售商、分銷商、消費者、監管機構，農產品信息溯源線路：監管機構借助區塊鏈溯源，原材料供應商->生產商->分銷商->零售商逐個環節溯源，定位責任人。

農產品供應商在系統中注冊農產品源頭信息，其中包括：農產品生產地、農藥用量、溫濕度、存儲詳情等;農產品生產商生產加工食品過程中，在系統中對食品需按照國際編碼標準EAN/UCC-13編碼，且批次封裝并注冊食品信息，記錄農產品加工料生產環境、生產流程、加工料來源，檢疫信息等;農產品分銷商在系統中記錄農產品流向，保證農產品溯源信息連續;農產品零售商是分銷商與消費者之間的中間人，直接交易，系統中有售出記錄。監管部門可以通過高透明且全網節點公開的區塊鏈實時監控農產品動態。

歸整農產品信息溯源需求：全部節點信息數據必須完整;節點信息端到端追溯，確保信息連續;加入區塊鏈中的信息全網公開，參與者可獲取相關交易數據，監管機構可實時排查定位責任人;區塊鏈中存有每筆交易信息的唯一且不可篡改的哈希值，成為每筆交易單元的唯一值，為農產品信息溯源提供憑證。

4.2 方案設計

農產品信息溯源體系方案設計，應含有如下內容：

1）信息寫入區塊鏈：農產品信息、農產品質量檢測文件、供應商資格證明相關文件存入IPFS分布式數據庫，文件返回哈希碼農產品，其他信息一同寫入區塊鏈;農產品生產過程信息與其檢測證明文件以及生產商資格證明文件的哈希共同存入區塊鏈。

2）交易信息更新：賣方在產生實體交易后，將交易信息及時寫入區塊鏈中。如農產品原料的供應商張三將實體原料出售給農產品生產商李四，生產商李四收到實體原料后由供應商張三將交易信息寫入智能合約，同時寫入交易記錄的還有交易哈希、雙方信息、日期等。農產品生產商李四加工實體原料為成品食品后，將在區塊鏈中寫入食品信息。農產品銷售商王五購買生產商李四的成品食品，由李四在鏈中將交易完成后的信息寫入[4]。

3）控制權限：權限主要有兩種實體交易和數據查詢。只有注冊確定角色，加入農產品供應鏈的實體才有權交易，且只可查詢與自己相關的交易數據。但是監管機構是超級管理員，不受權限制約，可以跨實體獲取所有交易信息以及證明文件。

4）查詢信息：零售商與消費者之間完成交易后，零售商就可查詢食品信息，溯源原料信息，且可以作為憑證提供給消費者。監管機構可全程溯源農產品供應商、生產商，分銷商及零售商信息。

4.3架構設計

區塊鏈技術在農產品信息溯源體系中的應用模型架構，溯源架構如圖3所示。此模型結合了以太坊、Metamask 錢包插件和 IPFS 文件存儲系統。

5 農產品溯源系統雙區塊鏈模型設計

傳統農產品溯源中心化的服務器，數據不透明、易被篡改、產品若出現異常，溯源難。針對以上原因，設計雙區塊鏈農產品溯源架構模型，展現其獨特的信息存儲優勢，即：數據安全、存儲低成本、溯源快速。

1）底層以太坊平臺：聯盟鏈結合公有鏈加之智能合約，雙鏈結構在操作指令自動觸發下，溯源快、效率高、篡改難且迅速達成共識。

2）征信規則：訪問控制設置用戶加入區塊鏈、參與區塊鏈、退出區塊鏈規則，這樣對數據的可信度以及區塊鏈穩定性有足夠的保證。

3）雙鏈優勢：大幅降低存儲成本，且存儲效率高。

溯源模型共有三層：訪問節點層、應用層、基礎層。

1）訪問節點層，主要包括：監管機構、消費者、農產品公司（農產品供應商、農產品生產商、農產品銷售商）。農產品公司節點上傳農產品溯源信息到區塊鏈網絡中，且參與系統信息維護;其中的產品標識供消費者與監管機構在區塊鏈中溯源信息。

2）應用層是訪問層與基礎層的中間層，職責為數據存儲、數據查詢。

3）雙鏈的基礎層組合：公有鏈與聯盟鏈，公有鏈是在產品周期結束后，用來存儲溯源中供應鏈簡要信息，因為其處理速度較慢，但是可信度較高;聯盟鏈用來存儲溯源中供應鏈全部環節中詳細信息，因為其安全系數高、處理速度快且無資源浪費。

6 農產品流通追溯體系管理系統

溯源系統基于雙區塊鏈底層架構，讓溯源系統人人參與、人人管理，數據的透明度與安全性有保證、數據存儲和驗證過程效率有絕對提升。

區塊鏈與供應鏈結合，將供應鏈上孤立節點變成聯盟鏈的節點融合在一起，農產品流通追溯體系管理系統分四層：用戶層、服務層、區塊鏈層、數據層。

1）用戶層：包括農產品供應商、生產商、銷售商、監管者、消費者，不同角色系統提供不同權限。

2）服務層：就是用戶使用的系統，該層的數據可直接被送達區塊鏈網絡，用戶系統中有角色分配管理、用戶登錄界面管理、供應鏈管理、信息溯源，雙區塊鏈架構為服務層提供了便捷操作。

3）區塊鏈層：農產品數據的存儲、驗證、溯源以及系統穩定性維護都由該核心層主導。本層智能合約允許在無第三方參與的情況下，用戶能通過服務層觸發智能合約就能得到溯源數據。

4）數據層：農產品溯源系統數據的主要輸入源，包括每個環節使用的智能設備，如：RFID射頻標簽、讀卡器、傳感器、網關、掃描槍等，采集的數據包含農產品的實體數據、生產地環境溫度濕度數據、加工廠家及加工廠流程數據、運輸設備及運輸途經數據、銷售渠道數據等，進入系統的數據會被處理成最優形式且存儲到區塊鏈層[5]。

7? 結論

區塊鏈技術在農產品信息溯源體系中的應用研究，目的是讓農產品信息溯源易、追責易、消除信息孤島，降低維護成本、讓數據高度透明、增強各方信任度、對保證農產品質量方面起關鍵作用。 第一、信息溯源能夠監測農產品的流向;第二、有效保證農產品溯源信息數據高度透明;第三、在區塊鏈高效與穩定方面，著重研究提高算法日志復制效率的改進方案;第四、改進雙區塊鏈設計，優化數據處理速度與存儲方式。

參考文獻：

[1] 史亮.基于區塊鏈+物聯網的果蔬農產品供應鏈追溯體系研究[D].泰安：山東農業大學，2020.

[2] 楊旭.基于征信信息的區塊鏈農產品溯源系統[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2020.

[3] 姚忠將，葛敬國.關于區塊鏈原理及應用的綜述[J].科研信息化技術與應用，2017，8（2）：3-17.

[4] 周秀秀.基于區塊鏈的食品信息溯源研究[D].重慶：重慶郵電大學，2020.

[5] 張永權.區塊鏈背景下人才測評對HR勝任力的影響[J].才智，2021（7）：12-14.

收稿日期：2022-02-10

基金項目：廣東省普通高校重點領域專項（數字經濟），基于“區塊鏈”的農產品信息追溯體系研究（項目編號：2021ZDZX3043）

作者簡介：林秀麗（1977—），女，安徽安慶人，講師，研究方向為信息工程、軟件工程。