區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源中的應(yīng)用與研究

黃寧，陳秀蘭，王敬紅

（甘肅開放大學(xué)，甘肅 蘭州 730030）

我國(guó)發(fā)布的《“十三五”國(guó)家信息化》在2016年將區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展納入其中，并將其作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，用以解決當(dāng)前傳統(tǒng)領(lǐng)域的許多痛點(diǎn)問題，提升勞動(dòng)力及資本運(yùn)轉(zhuǎn)效率[1]。

隨著農(nóng)產(chǎn)品安全不斷出現(xiàn)問題，對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯顯得非常緊迫，失去公信力缺失及監(jiān)管困境等成為傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)所面臨的主要問題。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)不斷發(fā)展，其具有的分布式、去中心化、不可篡改、可追溯等特性在改善農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性、透明性等方面起著重要作用，并在各個(gè)行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)的概述和主要類型

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的概述

數(shù)字世界中人們相互連接尤為緊密，區(qū)塊鏈在其改革過程中發(fā)揮重要作用。也就是說，作為分布式賬本的一種，區(qū)塊鏈具有共享性，并且區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，以更為便捷和安全的方法針對(duì)全部成員在業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部交易流程進(jìn)行記錄，同時(shí)對(duì)資產(chǎn)進(jìn)行追蹤。它提供了一種記錄和數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐该鳌踩涂勺匪莸姆椒ā^(qū)塊鏈技術(shù)可能在未來的幾年顛覆現(xiàn)有的很多行業(yè)。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展階段

最早是在2008年由中本聰技術(shù)極客發(fā)表的《比特幣:一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》論文中第一次提出區(qū)塊鏈技術(shù)，發(fā)展至今可分成四個(gè)階段：

第一階段：2009—2012年:比特幣。比特幣2009年上線，此階段被稱為區(qū)塊鏈1.0，其包含了區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式、不可篡改等所有的基本特征。

第二個(gè)階段：2012—2015年：山寨幣的誕生。各種基于比特幣技術(shù)的山寨幣出現(xiàn)，比如狗狗幣、萊特幣、點(diǎn)點(diǎn)幣等傳播，這些都是在比特幣技術(shù)的基礎(chǔ)上針對(duì)某些方面的應(yīng)用而進(jìn)行的改進(jìn)區(qū)塊鏈項(xiàng)目。

第三階段：2015—2019年:以太坊的誕生。以太坊在區(qū)塊鏈1.0的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊知曉、圖靈完備、價(jià)值知曉，在一些細(xì)節(jié)上進(jìn)行了優(yōu)化，并進(jìn)一步產(chǎn)生了以智能合約為特色的區(qū)塊鏈2.0。

第四階段：2019—至今：Libra。習(xí)近平總書記的重要講話。2019年發(fā)生了兩件具有歷史意義重大標(biāo)志性的事件。首先，F(xiàn)acebook公開宣布了Libra區(qū)塊鏈項(xiàng)目，標(biāo)志著區(qū)塊鏈技術(shù)被正名，正式得到Face?book多達(dá)27億全球用戶的大公司的使用，在提高區(qū)塊鏈技術(shù)曝光度的同時(shí),也將區(qū)塊鏈技術(shù)提到了金融競(jìng)爭(zhēng)的高度。在中國(guó)，2019年10月，習(xí)近平總書記的重要講話中提到，將區(qū)塊鏈技術(shù)提高到國(guó)家競(jìng)爭(zhēng)的高度，因此，之后在中國(guó)掀起了區(qū)塊鏈技術(shù)落地的浪潮，成為許多學(xué)者和愛好者關(guān)注的焦點(diǎn)。

1.3 區(qū)塊鏈技術(shù)的基本類型

區(qū)塊鏈技術(shù)主要分成公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈三種。（1）公有鏈

公有鏈技術(shù)指的是世界范圍內(nèi)所有人都能夠獲取并進(jìn)行交易的同時(shí)也可以通過交易確認(rèn)，所有人都可以對(duì)其共識(shí)過程參與的區(qū)塊鏈——區(qū)塊鏈內(nèi)部添加哪個(gè)區(qū)塊以及其狀態(tài)確定都是由共識(shí)過程來決定的。公有鏈一般情況下都認(rèn)為是完全去中心化，匿名公開、不可篡改以及技術(shù)門檻很低都是其主要特征，以太坊和比特幣等是其應(yīng)用中具有代表性的。

（2）聯(lián)盟聯(lián)

聯(lián)盟鏈指的是在共識(shí)過程中預(yù)選節(jié)點(diǎn)會(huì)對(duì)其進(jìn)行控制的區(qū)塊鏈，由若干私有鏈構(gòu)成，由若干機(jī)構(gòu)協(xié)同參與實(shí)現(xiàn)管理的區(qū)塊鏈，每一個(gè)機(jī)構(gòu)或者組織對(duì)一個(gè)或者若干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理，僅允許系統(tǒng)內(nèi)部各個(gè)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀寫與發(fā)送。它的特點(diǎn)是部分去中心化，可控性較強(qiáng)、數(shù)據(jù)不會(huì)默認(rèn)公開、交易速度很快。主要應(yīng)用于數(shù)字金融、供應(yīng)鏈管理和電子存證等領(lǐng)域。

（3）私有鏈

私有鏈就是完全私有的區(qū)塊鏈，建立在某個(gè)企業(yè)內(nèi)部，寫入權(quán)限僅屬于該企業(yè)的區(qū)塊鏈。以企業(yè)實(shí)際要求完成系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)則的制定。可以適當(dāng)限制讀取權(quán)限，也可以對(duì)外開放讀取權(quán)限。私有鏈提供運(yùn)行平臺(tái)能夠保證自動(dòng)運(yùn)行、不可篡改、可追溯且安全性高，能夠?qū)緝?nèi)外部威脅和攻擊數(shù)據(jù)安全的因素進(jìn)行有效預(yù)防。私有鏈的特點(diǎn)是交易速度快，保護(hù)隱私，而且交易成本極低，主要應(yīng)用于公司或者機(jī)構(gòu)內(nèi)部。

2 區(qū)塊鏈的基本架構(gòu)

圖1為區(qū)塊鏈基本框架圖，最上層為應(yīng)用層，其次是合約層、激勵(lì)層、共識(shí)層和網(wǎng)絡(luò)層，最下層為數(shù)據(jù)層[2]。

圖1 區(qū)塊鏈基本架構(gòu)

數(shù)據(jù)層：屬于鏈表和區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，從根本上來看區(qū)塊鏈為分布式。

網(wǎng)絡(luò)層：P2P的網(wǎng)絡(luò)、驗(yàn)證機(jī)制和數(shù)據(jù)傳播等。

共識(shí)層：完成區(qū)塊鏈獲取貨幣機(jī)制的制定，為系統(tǒng)正常安全運(yùn)行提供保障。比如，比特幣采用PoW：隨著計(jì)算機(jī)性能的提升，獲得貨幣獎(jiǎng)勵(lì)的難度越小；又如PoS：與眾籌分紅有些相似，對(duì)持有貨幣數(shù)R要進(jìn)行考慮。

激勵(lì)層:挖礦機(jī)制。具體是通過經(jīng)濟(jì)方法實(shí)現(xiàn)激勵(lì)的分配與發(fā)行機(jī)制。

合約層：負(fù)責(zé)對(duì)區(qū)塊鏈運(yùn)行的腳本代碼和合約機(jī)制進(jìn)行儲(chǔ)存。最初的區(qū)塊鏈?zhǔn)菦]有這一層的。因此之前的區(qū)塊鏈只能用于交易，卻無法用于其他領(lǐng)域及進(jìn)行其他的邏輯處理。合約層能夠?qū)崿F(xiàn)在其他領(lǐng)域中應(yīng)用區(qū)塊鏈，例如在物聯(lián)網(wǎng)中使用區(qū)塊鏈。

應(yīng)用層：區(qū)塊鏈技術(shù)的具體應(yīng)用，即應(yīng)用的展示層，如以太坊使用的是Truffle和Web。無論是Web端、移動(dòng)端或者將現(xiàn)代的服務(wù)器融入進(jìn)來，都可以當(dāng)作應(yīng)用層，將業(yè)務(wù)服務(wù)器作為應(yīng)用層[3]。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源中的應(yīng)用

3.1 農(nóng)產(chǎn)品溯源的現(xiàn)狀

以美國(guó)疾病防控中心統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)可知，每年由于食品而患上疾病的人共計(jì)4800萬(wàn)人次，需要住院治療的人就高達(dá)12.8萬(wàn)人，死亡人數(shù)高達(dá)三千人。2008年我國(guó)指出需要對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行全面監(jiān)控，促使農(nóng)產(chǎn)品安全性得到保障。目前，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的概念沒有統(tǒng)一的定義，只有國(guó)內(nèi)外的一些相關(guān)組織和學(xué)者從不同角度分別進(jìn)行了闡述和解釋。最初是由法國(guó)等部分歐盟國(guó)家提出，歐盟、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家都為此制定了相關(guān)法律，并對(duì)食品可溯源性要求進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定。

3.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源中應(yīng)用

為了實(shí)現(xiàn)整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)的透明，基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中需要將生態(tài)系統(tǒng)中的所有實(shí)體都連接起來，包括生產(chǎn)商、加工商、零售商、制造商、消費(fèi)者、銷售商和監(jiān)管部門在內(nèi)的每個(gè)環(huán)節(jié)，還包括從種植者到餐桌所涉及的每個(gè)人，最后到達(dá)食品鏈的最終消費(fèi)者[4]。

本文以農(nóng)產(chǎn)品食品鏈參與者進(jìn)行分析，對(duì)參與者在所有流程中負(fù)責(zé)的工作內(nèi)容以及對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行全面了解，這些參與者包括：農(nóng)民、食品生產(chǎn)商、倉(cāng)庫(kù)和配送中心、食品運(yùn)輸商、商場(chǎng)和超市、消費(fèi)者、監(jiān)管者、認(rèn)證機(jī)構(gòu)及遵守的準(zhǔn)則。

圖2展示了農(nóng)產(chǎn)品食品鏈中的所有參與者。本文主要目的是將區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來，提升共享重要信息的可信度，減少人為的錯(cuò)誤，并為農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)提供更優(yōu)的解決方案。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品食物鏈流程圖

以系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用的技術(shù)層面分析，解決方案的靈魂就是物聯(lián)網(wǎng)。在整個(gè)溯源過程中，都需要傳感器來采集每個(gè)階段的數(shù)據(jù)。如今，大部分資產(chǎn)追蹤傳感器連接以及數(shù)據(jù)傳輸是利用RFID、NFC、超聲波、紅外、衛(wèi)星、NB-物聯(lián)網(wǎng)、LTE、LPWA、藍(lán)牙以及Wi-Fi等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的[5]。在選擇物聯(lián)網(wǎng)方式時(shí)，數(shù)據(jù)訪問通常在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，然后對(duì)其中數(shù)據(jù)信息進(jìn)行訪問，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠確保數(shù)據(jù)信息更加安全，信息更加可靠且不允許篡改，同時(shí)成員間信任度更高，這種在以前是不能實(shí)現(xiàn)的，而區(qū)塊鏈技術(shù)為我們解決了這一難題。通過該技術(shù)也可以在各種系統(tǒng)中對(duì)不同數(shù)據(jù)信息進(jìn)行共享。

區(qū)塊鏈技術(shù)保障成員之間的信任，使我們能夠真正解決一些問題、可以更好地服務(wù)于客戶。此外，通過創(chuàng)建信任,區(qū)塊鏈允許我們?cè)L問歷史資產(chǎn)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)代表了我們幾十年來積累的數(shù)據(jù)和分析方式，包括認(rèn)知、機(jī)器學(xué)習(xí)、預(yù)測(cè)、大數(shù)據(jù)等。總之，區(qū)塊鏈代表了將所有這些因素結(jié)合在一起的缺失的拼圖。

區(qū)塊鏈技術(shù)解決方案可以實(shí)現(xiàn)的一些重要內(nèi)容如下:在食品行業(yè)實(shí)現(xiàn)透明管理。建立可信賴的聯(lián)系,讓食品生態(tài)系統(tǒng)中的每一個(gè)人都能參與。提升互操作性,使業(yè)界能夠推動(dòng)系統(tǒng)可用性提升。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)牲畜和谷物的監(jiān)控、牲畜定位、室溫監(jiān)測(cè)(溫度和灌溉)。

綜上所述，農(nóng)產(chǎn)品溯源極其復(fù)雜，各個(gè)環(huán)節(jié)之間密切關(guān)聯(lián)、相互依存。農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈存在諸多程序，任何一個(gè)環(huán)節(jié)出問題都會(huì)給顧客帶來風(fēng)險(xiǎn)。在傳統(tǒng)生產(chǎn)過程中我們需要工人親自在場(chǎng)監(jiān)督食品流轉(zhuǎn)的每個(gè)環(huán)節(jié)，現(xiàn)在通過區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的可視化，工作人員就可以直觀地了解設(shè)備、庫(kù)存、人員和生產(chǎn)過程的情況[6]。所以區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展為農(nóng)產(chǎn)品溯源困難提供了新的解決思路。

4 總結(jié)

區(qū)塊鏈技術(shù)的主要優(yōu)勢(shì)在于自治、開放、不可篡改以及去中心化。從目前我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展水平情況來看，區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源應(yīng)用上可以不斷向前端延伸，延伸到種植端，將種植端的管理舉措、生產(chǎn)資料、工作人員等都進(jìn)行上鏈管理，為種植、加工、運(yùn)輸、存儲(chǔ)以及銷售等過程中數(shù)據(jù)信息真實(shí)性和安全性提供保障，使每個(gè)環(huán)節(jié)及供應(yīng)鏈上的各方都能受益，這是我國(guó)使用區(qū)塊鏈提升農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化管理水平的重要突破口。