基于衛星定位的時空區塊鏈技術在農產品溯源和原產地數字認證中的應用

羅恒雪，景貴飛

（北京航空航天大學云南創新研究院，云南 昆明 650500）

0 引 言

我國積極發展高附加值特色農業，打造區域特色農業品牌，推動特色農業高質量、高端化發展，地理標志農產品、生態原產地保護產品等代表特定區域產品品質、承載區域特色生態與文化價值的高附加值產品成為打造區域農業特色品牌、助力鄉村振興的重要抓手。“原產地”是承載區域特色農產品核心價值的關鍵屬性，原產地認證不論在品牌打造過程中還是在國際貿易的“原產地規則”中都具有關鍵作用。衛星定位技術可實現產品生產、流通各環節時間空間變化的記錄與呈現，區塊鏈技術能夠實現溯源數據一致存儲、無法篡改，基于衛星定位技術形成時空信息+區塊鏈的雙重數據認證，可為農產品原產地數字認證提供具有普適性的解決方案。

1 農產品原產地溯源技術應用現狀

面向農產品的原產地溯源已經有多種技術支撐，例如基于GPS 和二維碼技術的溯源[1]、基于區塊鏈的食品供應鏈溯源[2]、基于近紅外光譜技術的產地溯源[3]等，但現有技術都難以同時滿足原產地可信數據來源以及流轉過程數據全程留痕不可篡改的需求。如利用二維碼技術為溯源信息查詢提供簡便途徑，運用GPS 技術為溯源添加定位信息，提高溯源信息的準確性，但尚未形成產品流通鏈全流程信息的回溯和不可篡改的保障。區塊鏈的作用在于構建可信的網絡系統，解決價值交換與轉移中存在的欺詐和尋租現象[4]，存儲于其中的數據或信息具有不可偽造、全程留痕、可追溯、公開透明等特征，但其痛點是難以保證上鏈前數據來源的真實性，即便使用了區塊鏈技術，但若無法保障數據源的可信，上傳到區塊鏈的數據即使無法篡改也不能保證建立可信、可靠的全產業鏈數字化體系。為解決區塊鏈上鏈數據的可信性問題，目前已有采用傳感器、物聯網的技術方案。利用物聯網數據作為可信的數據源，形成種植、養殖過程的可信數據來源，并建立可追溯體系，但這種方案適用于一些標準化、現代化種植農場或養殖工廠，普適性較差，難以契合廣泛存在的農業生產現實。近紅外光譜技術的產地溯源方法目前多應用于普洱茶等產品的溯源過程中，該方法的應用依賴于通過開展數量龐大的、不同產地的產品溯源試驗，不斷驗證和優化所建模型的穩健性、適用性和預測能力，該方法重點解決了產品原產地識別的問題，但不能實現產品從生產者到消費的全程流轉追溯信息記錄與呈現，對于絕大多數農產品而言適用性不足。

2 基于衛星定位的時空區塊鏈技術在原產地數字認證中的優勢

衛星定位產生的時空數據可以將各類數據串聯起來，并貼上時空標簽，在保障數據精準程度的同時，可實現物品時空流轉變化軌跡的清晰記錄與呈現。因此，基于衛星定位形成區塊鏈+時空信息的雙重數據認證，確保了線上線下數據真實有效且不可篡改，可綜合應用空間信息和時空區塊鏈技術解決農業生產過程中的精準生產管理和溯源認證問題。

時空區塊鏈為區塊鏈節點設置時空圍欄，其為具有區塊鏈的數據結構和事務處理模式，有以下三個典型特征的區塊鏈：

（1）區塊鏈上的數據區塊均具有時空認證標簽，時空認證標簽是利用區塊鏈節點所在位置的時間數據和空間數據生成的具有唯一性的一組數據；

（2）區塊鏈節點的有效性、合法性與其所處的空間范圍和時間范圍相關；

（3）由主節點、子節點和星節點至少三類節點參與構建的一種具備多重架構的區塊鏈，子節點與星節點是具備獲取衛星導航定位和衛星授時數據功能的設備[5]。

時空區塊鏈技術的應用保障了只有在指定位置、指定時間內生成的數據是正確有效的才可以上傳到區塊鏈系統，保證向區塊鏈傳輸的數據來源可靠[6]。

3 時空區塊鏈原產地溯源和數字認證系統構建及實現路徑

3.1 原產地溯源和數字認證管理平臺的設計

管理平臺產品生產、流通、監管等維度，依據平臺管理主體、產品生產主體、產品生產流通經手人等角色在溯源鏈條中的職責分配，設計各主體的交互操作系統，實現溯源系統的管理和應用。

平臺操作賬號設置。基于衛星定位的時空區塊鏈原產地溯源和數字認證系統按照功能實現的需求，設置協會管理員賬號和產品生產主體賬號。協會管理員賬號適用于承擔產業監管職能的政府部門或行業協會等，在系統操作中實現的功能為生產主體賬號注冊審核、溯源產品電子圍欄設置與核定、溯源編碼額度設定以及審核生產主體提出的編碼申請；生產主體賬號適用于溯源產品的生產企業或個人，一個生產主體管理員賬號下根據各生產或流通環節的信息錄入及信息關聯需求可有多個具有相應權限的用戶賬號，生產主體賬號在系統操作中實現的功能：產品各生產及流通環節信息錄入及關聯、溯源碼申請、溯源碼打印并貼于溯源產品外包裝。

平臺主要功能模塊設置。登錄注冊模塊用于實現協會管理賬號、生產主體賬號的身份信息錄入及確認；產品管理模塊實現生產主體對溯源品牌及產品信息的錄入與添加，實現協會管理賬號對系統內可溯源產品的監測管理；編碼管理模塊實現生產主體溯源碼申請及協會管理賬號對溯源碼申請的審核及生成。溯源管理平臺設計流程如圖1 所示。

3.2 產品溯源數據獲取與添加

農產品生產過程數據獲取的目的是將生產過程的數據通過多種方式收集、匯總到數據中心，為農產品原產地數字認證提供溯源數據支撐。普遍采用的方法是利用物聯網傳感器、遙感、視頻、圖像和人工數據采集等途徑獲取農產品種植和加工過程數據。為保障溯源產品的原產地屬性，需使用具有接收衛星信號功能的終端設備進行產品溯源編碼申請及數據上傳，如智能手機、連接衛星定位模塊的電腦等，將獲取的坐標與在管理平臺設置的電子圍欄匹配后生成編碼，確保只能在指定區域生成正確的時空編碼。

溯源系統為數據獲取提供智能手機及電腦應用的基礎軟件工具，支持溯源數據的采集上傳，以及產品生產流轉過程中通過“掃碼收貨”“掃碼發貨”實現的碼碼關聯。碼碼關聯的目的是在產品的種植、加工、運輸、倉儲等環節更替過程中，銜接上一環節的信息，并且添加本環節帶時空坐標的信息，從而形成完整的產品溯源信息鏈。

溯源數據獲取流程如圖2 所示。

圖2 溯源數據獲取流程

3.3 時空區塊鏈技術的應用

時空編碼指的是將數據按照時間和空間維度進行“唯一性”編碼，通過將時間、空間信息寫入編碼，能準確表達信息主體在時間和空間維度的確定性，將編碼技術提升到能全面表達信息主體“全維度”特征的層次，在保證數據完整性的基礎上，通過編碼實現數據特征的最大化呈現[7]。時空編碼技術在產品溯源中的應用實現了數據的時間和空間不可篡改，賦有時空坐標的數據保障了溯源信息來源的真實性。

區塊鏈技術的使用使得數據不可篡改，存儲于其中的數據或信息形成線性的、以時間為序的“事件鏈”，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征。基于這些特征，區塊鏈技術奠定了堅實的“信任“基礎，為消費者、生產商、經銷商、認證機構、監管部門等各參與方明晰權責，從而形成可靠的“合作”機制。所有溯源數據實現了與位置和時間信息的關聯，賦予時空標簽，建立與區塊鏈系統的數據交換接口，形成區塊鏈+時空信息的雙重數據認證，確保了全追溯數據的真實有效且不可篡改。所應用的區塊鏈應支持隨時隨地動態時空編碼，支持時空編碼與區塊鏈的交互認證，支持聯盟鏈與全球公鏈的交叉驗證。產品信息上鏈流程如圖3 所示。

圖3 產品信息上鏈

3.4 溯源信息的呈現及區塊鏈存證

二維碼在二維空間水平方向和垂直方向上都存儲信息，具有信息容量大、安全性強、保密性高、識別率高、編碼范圍廣等特點[8]。時空區塊鏈溯源以二維碼作為呈現溯源信息的載體，通過掃描溯源管理平臺生成的電子溯源碼或打印貼于產品包裝的溯源碼，向消費者呈現產品生態背景、檢驗檢測報告等檔案、各環節生產日志、流轉時空變化及地圖軌跡等。

區塊鏈存證對產品的原產地信息、倉儲與流轉過程的原產地信息進行數字化存證，用以表明其原產地或其生產、倉儲和物流流轉過程的位置和時間是真實、可靠、可追溯的。生成憑證要求進行產品原產地認證信息數字存證的產品需具備時空編碼，產品的時空編碼和屬性信息須形成數據區塊并實時同步于區塊鏈系統。利用衛星定位時間和位置為原產地產品生成全球唯一的時空編碼并加密，寫入區塊鏈永久保存且不可篡改，溯源和數字認證平臺生成的產品區塊鏈存證證書具有唯一的證書編號，可包含產品的名稱、生產商、原產地信息、時空編碼、數字存證的區塊地址、流轉過程時空節點信息等，成為產品原產地證明的支持憑證[9]。

3.5 基于衛星定位的時空區塊鏈技術應用效果

課題組利用該技術在昆明石林縣對地理標志產品“西街口人參果”進行了測試，該地區以生產具有特色的人參果而揚名省內外，近年來出現非產區人參果冒用產區商標的現象，本產區的產品得不到具有技術支撐的可信溯源認證，對產區的品牌發展及產業健康發展造成負面影響。

課題組在石林縣西街口鎮宜奈村的人參果生產基地部署了時空區塊鏈原產地溯源和數字認證系統，通過實際應用顯示，溯源系統可實現產品的原產地可信溯源數據采集及上傳、產品生產流通各環節時空信息及操作數據跟蹤、“一物一碼”溯源碼生成及管理、溯源信息區塊鏈存證等，且可通過系統軟件的“掃碼收貨”“掃碼發貨”功能實現“碼碼關聯”，將溯源數據的采集及長傳過程嵌入到產品生產流通的交接過程中，不用額外增加繁瑣的操作手續，具有較高的應用普適性[10]。

系統生成的最終貼于產品外包裝的溯源碼，是消費者溯源查驗和原產地數字認證憑證查詢的入口。通過智能手機等設備掃描溯源碼進入后可查詢所購產品的生產檔案、檢測認證等展示信息，產品種植、加工、運輸時空信息變化及操作記錄，地圖展示的流通軌跡。該產品特有的唯一溯源碼、時空區塊鏈憑證等，可支撐品牌展示、產品全鏈條溯源、原產地數字認證憑證查詢，如圖4 ～圖7 所示。

圖4 溯源信息展示

圖5 產品流通軌跡及時空信息鏈

圖6 測試產品時空區塊鏈信息

圖7 測試產品溯源查驗模擬結果

4 結 語

原產地是決定產品品質和產品特征的關鍵因素，農產品供應鏈涉及的點多、線長、面廣，且需要各主體間交互，導致溯源面臨數據真實性難保證、數據難共享、易篡改等問題。實現產品溯源首先要確保產品來自真正的原產地，基于衛星定位的時空區塊鏈技術的農產品溯源系統在原產地才能生成對應編碼，以保障產品來源。在確定產品原產地來源真實后，按時間順序記錄產品的位置信息以及該產品流轉過程的包裝、交接等人員信息，保障其流轉過程可追溯、可控。在建立了按時間和位置記錄的產品流轉鏈基礎上，關聯產品的介紹信息、認證信息、評價信息、圖片和視頻等。時空區塊鏈技術的應用為實現產品從原產地（田間地頭）到商品的動態全追溯提供了思路，然而該技術在農產品溯源和原產地數字認證領域的應用尚處于探索階段，需要在進一步開展技術熟化及相關行業標準的研究與制定的基礎上，才能有效發揮支撐產業發展的作用。