張冠湘　崔金銀　蔡文學(xué)　龔麗萍

摘要? 為了解決有機(jī)市場(chǎng)的有機(jī)作假和有機(jī)認(rèn)證效率低下等問題，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改、去信任化和分布存儲(chǔ)等特性，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的有機(jī)蔬菜認(rèn)證與溯源模型。論述有機(jī)市場(chǎng)存在的問題，并研究相關(guān)領(lǐng)域的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀;分析有機(jī)蔬菜認(rèn)證與溯源的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，構(gòu)建其認(rèn)證與溯源系統(tǒng)模型，設(shè)計(jì)基于有機(jī)認(rèn)證的智能合約;并與中心化系統(tǒng)對(duì)比，分析模型的優(yōu)勢(shì);以購(gòu)買假冒有機(jī)標(biāo)識(shí)和數(shù)據(jù)作假2個(gè)情景為例，分析模型在解決有機(jī)作假和提高認(rèn)證效率的效果。

關(guān)鍵詞? 區(qū)塊鏈;有機(jī)蔬菜;農(nóng)產(chǎn)品;有機(jī)認(rèn)證;溯源

中圖分類號(hào)? S126;TS201.6??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼? A

文章編號(hào)? 0517-6611（2019）24-0222-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.066

Research on Organic Vegetable Certification and Traceability Scheme Based on Blockchain

ZHANG Guan-xiang，CUI Jin-yin，CAI Wen-xue et al? （Department of Economics and Commerce，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510006）

Abstract? To solve the problems in organic markets like organic fraud and inefficient certification，the organic chain certification and traceability model based on blockchain technology was proposed by using the characteristics of blockchain technology such as non-tampering，de-trusting and distributed storage.The problems in the organic market were discussed，and then development status of related fields at home and abroad was studied.After analyzing the data foundation of organic vegetable certification and traceability，the certification and traceability system model was constructed and the intelligent contract based on organic certification was designed.The system based on blockchain technology was compared with the centralized system，and two scenarios of buying counterfeit organic identification and counterfeit data were taken as examples to analyze the advantages and effect of the system based on blockchain technology.The result showed that the system could solve the problem of organic fraud well，improve the efficiency of organic certification and make traceable data more complete.

Key words? Blockchain;Organic vegetable;Agricultural products;Organic certification;Traceability

作者簡(jiǎn)介? 張冠湘（1975—），男，湖南郴州人，副教授，博士，從事農(nóng)產(chǎn)品冷鏈、危險(xiǎn)品物流等研究。*通信作者，碩士，研究方向：從事農(nóng)產(chǎn)品冷鏈。

收稿日期? 2019-07-03

隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)食品的品質(zhì)要求不斷提高，有機(jī)食品逐漸成為消費(fèi)者的首選，有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展突飛猛進(jìn)。瑞士有機(jī)農(nóng)業(yè)研究所（FIBL）和IFOAM國(guó)際有機(jī)聯(lián)盟（IFOAM-Organics International）統(tǒng)計(jì)顯示，截至2016年年底，全球有機(jī)農(nóng)地總面積為5 780萬(wàn)hm2，全球有機(jī)農(nóng)地比例為1.2%，其中有機(jī)農(nóng)地面積最大的是澳大利亞，高達(dá)2 710萬(wàn)hm2，中國(guó)的有機(jī)農(nóng)地為230萬(wàn)hm2;2016年全球有機(jī)市場(chǎng)規(guī)模為897億美元，比2000年的179億美元增長(zhǎng)了近4倍，其中美國(guó)、德國(guó)、法國(guó)和中國(guó)的規(guī)模分別為431億、105億、75億和66億美元，是全球有機(jī)市場(chǎng)的主要組成部分[1]。

然而，有機(jī)市場(chǎng)存在有機(jī)標(biāo)識(shí)造假、溯源信息不透明和有機(jī)認(rèn)證流程復(fù)雜等問題[2-3]。中國(guó)國(guó)家認(rèn)證認(rèn)可監(jiān)督管理委員會(huì)公示顯示，截至2018年11月底，我國(guó)在農(nóng)林牧漁和中藥領(lǐng)域的產(chǎn)品認(rèn)證機(jī)構(gòu)共有45個(gè)，共出具產(chǎn)品認(rèn)證證書1 021萬(wàn)件，其中食品農(nóng)產(chǎn)品認(rèn)證證書有98萬(wàn)件，但市場(chǎng)上的有機(jī)產(chǎn)品魚目混珠，2017年9月國(guó)家認(rèn)監(jiān)委發(fā)布第18號(hào)公告，公示了10家影響較大的非法從事認(rèn)證活動(dòng)的認(rèn)證機(jī)構(gòu)[4]。經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研與專家咨詢，曝光的非法認(rèn)證機(jī)構(gòu)僅是有機(jī)造假的冰山一角，有機(jī)市場(chǎng)亂象叢生，其溯源信息與普通蔬菜差異不大，絕大部分信息未對(duì)消費(fèi)者開放，導(dǎo)致信息透明度低、消費(fèi)者認(rèn)可度不高[5-6]。此外，蔬菜的有機(jī)認(rèn)證流程復(fù)雜，單次認(rèn)證成本高達(dá)3萬(wàn)～5萬(wàn)元。導(dǎo)致上述問題的根本原因是有機(jī)生產(chǎn)環(huán)節(jié)多而嚴(yán)、有機(jī)認(rèn)證成本高昂和溯源信息的可篡改性。

為了解決有機(jī)市場(chǎng)的有機(jī)作假和有機(jī)認(rèn)證效率低下等問題，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改、去信任化和分布存儲(chǔ)等特性[7-8]，筆者采用了現(xiàn)有系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的有機(jī)蔬菜認(rèn)證與追溯模型，為解決有機(jī)市場(chǎng)存在的問題提供解決方案。

1? 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1972年，全球最大的有機(jī)民間機(jī)構(gòu)IFOAM成立，有機(jī)農(nóng)業(yè)步入新的發(fā)展時(shí)期;隨后各國(guó)政府也紛紛出臺(tái)有機(jī)農(nóng)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或法規(guī)，有機(jī)農(nóng)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化快速發(fā)展[1]。21世紀(jì)后，發(fā)達(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)家對(duì)有機(jī)產(chǎn)品的需求劇增，全球有機(jī)農(nóng)業(yè)迎來(lái)了全面發(fā)展階段。我國(guó)有機(jī)農(nóng)業(yè)起步于20世紀(jì)80年代，國(guó)外認(rèn)證機(jī)構(gòu)開始進(jìn)入中國(guó)市場(chǎng)。目前，南京國(guó)環(huán)有機(jī)產(chǎn)品認(rèn)證中心（OFDC，原環(huán)境保護(hù)部南京環(huán)境科學(xué)研究所環(huán)境評(píng)價(jià)與咨詢中心）是市場(chǎng)認(rèn)可度較高的認(rèn)證機(jī)構(gòu)[9-11]。

自食品安全溯源受到廣泛關(guān)注以來(lái)，其關(guān)鍵技術(shù)也逐漸從最初的條碼技術(shù)和數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)向以RFID技術(shù)和傳感技術(shù)為核心的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、DNA技術(shù)、無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)等新技術(shù)發(fā)展。在我國(guó)，傅澤田等[12]從追溯單位、信息采集、傳輸和處理4方面總結(jié)并歸納了食品追溯技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。王東亭等[13]研究分析了歐美、日韓和中國(guó)臺(tái)灣等的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系的法律、規(guī)范和落實(shí)情況。熊本海等[14]、邱榮洲等[15]、沈敏燕[3]將溯源技術(shù)應(yīng)用到生豬的生產(chǎn)、蔬菜基地的管理和果蔬冷鏈信息的追溯上，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)了食品追溯系統(tǒng)，是追溯技術(shù)的直接應(yīng)用。在國(guó)外，BOSONA T等[16]從定義、驅(qū)動(dòng)力、發(fā)展阻力、優(yōu)勢(shì)、溯源技術(shù)、系統(tǒng)性能及改進(jìn)等方面詳細(xì)研究了食品溯源系統(tǒng)，并指出溯源系統(tǒng)未來(lái)應(yīng)側(cè)重于研究標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)物及供應(yīng)鏈主體之間的聯(lián)系等方面。OLSEN P等[17]結(jié)合政府部門、學(xué)術(shù)研究以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從追溯單位的劃分、追溯系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和追溯屬性的確定歸納了一般追溯系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)。

區(qū)塊鏈技術(shù)被認(rèn)為是最具潛力觸發(fā)第五輪顛覆性革命浪潮的核心技術(shù)，近年來(lái)受到政府、金融和互聯(lián)網(wǎng)等行業(yè)的廣泛關(guān)注，在供應(yīng)鏈溯源上也得到學(xué)者的研究與應(yīng)用。劉家稷等[18]提出雙區(qū)塊鏈模式以解決防偽問題。XIE C等[19]提出了雙鏈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)對(duì)有機(jī)農(nóng)產(chǎn)品的跟蹤追溯進(jìn)行存儲(chǔ)與查詢，使用私有鏈存儲(chǔ)完整的溯源信息，生成哈希值并將其錨定到共有鏈上，從而實(shí)現(xiàn)溯源信息的安全存儲(chǔ)。Simone Figorilli等[20]融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈技術(shù)搭建了木材的電子化追溯系統(tǒng)原型，并以板栗樹為例進(jìn)行分析。該系統(tǒng)使用RFID等傳感器采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)APP和接口技術(shù)與微軟Azure 工作臺(tái)交互，由智能合約處理記錄到以太坊區(qū)塊鏈上。LI J等[21]對(duì)比了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)與基于區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng)，說明了基于區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng)在數(shù)據(jù)真?zhèn)涡?、?shù)據(jù)安全和政府監(jiān)管等方面的優(yōu)勢(shì)。NEISSE R等[22]、MAO D H等[23]、CASADO-VARA R等[24]、FABIAN S等[25]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到供應(yīng)鏈的信息追溯上，以提高供應(yīng)鏈溯源信息的透明度、可信性和供應(yīng)鏈效率。此外，GALVEZ J F等[26]還研究分析了區(qū)塊鏈在食品溯源上面臨的挑戰(zhàn)。

2? 基于區(qū)塊鏈的有機(jī)認(rèn)證與溯源模型

2.1? 有機(jī)蔬菜生產(chǎn)全過程流程分析與系統(tǒng)框架

蔬菜溯源是物流管理的組成部分，指在蔬菜供應(yīng)鏈的各環(huán)節(jié)采集、存儲(chǔ)和傳遞有關(guān)蔬菜及其投入物、生產(chǎn)活動(dòng)等的準(zhǔn)確信息，從而在需要時(shí)服務(wù)于蔬菜的質(zhì)量安全管理和供應(yīng)鏈追溯。有機(jī)蔬菜的供應(yīng)鏈涵蓋7個(gè)主要環(huán)節(jié)和8類主體，通過互聯(lián)網(wǎng)、條形碼、RFID、GPS等方式采集農(nóng)事活動(dòng)、質(zhì)量檢測(cè)、包裝加工、物流信息等數(shù)據(jù)，為有機(jī)認(rèn)證與追溯提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)（圖1）。

7個(gè)主要環(huán)節(jié)包括生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測(cè)（水、土、重金屬等）、原材料采購(gòu)（種子、肥料等）、種植與采收、蔬菜質(zhì)量檢測(cè)、包裝加工、運(yùn)輸配送、銷售。結(jié)合企業(yè)資質(zhì)、生產(chǎn)、管理和有機(jī)蔬菜追溯的7個(gè)主要環(huán)節(jié)等信息，有機(jī)認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)種植農(nóng)場(chǎng)和加工企業(yè)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查和檢測(cè)，才能對(duì)申請(qǐng)的蔬菜出具有機(jī)認(rèn)證書。

以微軟的Azure blockchain workbench為基礎(chǔ)，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的有機(jī)認(rèn)證與溯源系統(tǒng)框架模型，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有系統(tǒng)與區(qū)塊鏈平臺(tái)的協(xié)調(diào)與互通。由圖2可知，8個(gè)系統(tǒng)參與者通過Web App、IOS App和Android App等方式將資質(zhì)文件、管理體系文件、生產(chǎn)規(guī)劃及計(jì)劃、生產(chǎn)運(yùn)作和物流信息記錄為輸入，由API處理傳輸至服務(wù)總線;此外，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備采集環(huán)境、位置等信息，由物聯(lián)網(wǎng)中心處理后，傳輸至服務(wù)總線。數(shù)據(jù)在服務(wù)總線完成數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，從而轉(zhuǎn)換為符合區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)格式。數(shù)據(jù)記錄簽名加密后，上傳至區(qū)塊鏈平臺(tái)。當(dāng)新的數(shù)據(jù)記錄到區(qū)塊鏈時(shí)，數(shù)據(jù)鏈路終端（DLT）監(jiān)聽程序獲取數(shù)據(jù)記錄的通知，并將通知發(fā)布到服務(wù)總線，各節(jié)點(diǎn)用戶獲得該通知并從區(qū)塊鏈平臺(tái)上的新數(shù)據(jù)同步到鏈下數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步更新。當(dāng)某一節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)發(fā)生變化或與其他節(jié)點(diǎn)不一致時(shí)，該節(jié)點(diǎn)會(huì)與其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)鏈對(duì)比，數(shù)據(jù)鏈最長(zhǎng)的節(jié)點(diǎn)為參考更新數(shù)據(jù)庫(kù)，保證數(shù)據(jù)的一致性。消費(fèi)者通過客戶端、二維碼等媒介發(fā)出查詢請(qǐng)求，鏈下數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器做出請(qǐng)求回應(yīng)，經(jīng)API進(jìn)行數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，將有機(jī)蔬菜溯源數(shù)據(jù)真實(shí)完整地呈現(xiàn)給消費(fèi)者，其中數(shù)據(jù)涵蓋從原材料采購(gòu)到有機(jī)蔬菜銷售。

2.2? 基于有機(jī)認(rèn)證的智能合約設(shè)計(jì)

目前有機(jī)認(rèn)證主要為前期申請(qǐng)和現(xiàn)場(chǎng)檢查2個(gè)階段，其人工審核環(huán)節(jié)多，時(shí)間跨度長(zhǎng)，總成本高昂。智能合約的設(shè)計(jì)主要實(shí)現(xiàn)有機(jī)認(rèn)證的智能化，降低認(rèn)證成本以及人工作假、數(shù)據(jù)纂改等風(fēng)險(xiǎn)。

智能合約的設(shè)計(jì)如圖3所示，包括材料自動(dòng)審查和現(xiàn)場(chǎng)檢查結(jié)果確認(rèn)2個(gè)部分。其一，申請(qǐng)人提交有機(jī)認(rèn)證申請(qǐng)，系統(tǒng)自動(dòng)檢查申請(qǐng)人的資質(zhì)文件、管理體系文件和生產(chǎn)規(guī)劃及計(jì)劃，若區(qū)塊鏈無(wú)法查詢相關(guān)材料，則請(qǐng)求補(bǔ)充，否則繼續(xù)審查。然后，系統(tǒng)依次審查地塊種植記錄、原材料（種子、肥料及農(nóng)藥）、生產(chǎn)過程記錄、蔬菜有機(jī)檢測(cè)報(bào)告和物流環(huán)節(jié)，當(dāng)且僅當(dāng)所有記錄符合有機(jī)生產(chǎn)技術(shù)要求時(shí)，申請(qǐng)人才具備有機(jī)認(rèn)證資格。其二，有機(jī)認(rèn)證機(jī)構(gòu)對(duì)具備有機(jī)認(rèn)證資格的申請(qǐng)人進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境合格的企業(yè)提交合格確認(rèn)至系統(tǒng)。當(dāng)申請(qǐng)人具備有機(jī)認(rèn)證資格且獲得現(xiàn)場(chǎng)檢查合格確認(rèn)時(shí)，由智能合約自動(dòng)生成有機(jī)蔬菜認(rèn)證證書，有機(jī)認(rèn)證機(jī)構(gòu)根據(jù)認(rèn)證結(jié)果頒發(fā)對(duì)應(yīng)數(shù)量的有機(jī)標(biāo)識(shí)。

3? 對(duì)比分析

3.1? 基于區(qū)塊鏈的有機(jī)認(rèn)證與溯源系統(tǒng)與傳統(tǒng)中心化認(rèn)證系統(tǒng)的比較

由表1可知，與中心化系統(tǒng)相比，基于區(qū)塊鏈的有機(jī)認(rèn)證與溯源系統(tǒng)在認(rèn)證效率、認(rèn)證成本、溯源數(shù)據(jù)和政府監(jiān)管等上都有明顯的優(yōu)勢(shì)。在認(rèn)證時(shí)間和成本上，中心化模式下有機(jī)認(rèn)證要人工審核大量的文件，據(jù)調(diào)研單次認(rèn)證時(shí)間跨度長(zhǎng)達(dá)1.5～2.0個(gè)月，認(rèn)證成本高達(dá)1.3萬(wàn)～1.8萬(wàn)元;而區(qū)塊鏈模式下有機(jī)認(rèn)證的大部分材料審核由智能合約自動(dòng)審核，減少了大量的人工審核環(huán)節(jié)，節(jié)約大量的時(shí)間與成本，預(yù)估認(rèn)證時(shí)間將在1個(gè)月以內(nèi)，認(rèn)證成本低于1萬(wàn)元。在溯源數(shù)據(jù)上，中心化模式下有機(jī)蔬菜溯源數(shù)據(jù)來(lái)源于供應(yīng)鏈上不同主體的企業(yè)系統(tǒng)，協(xié)調(diào)難度大，溯源存在數(shù)據(jù)盲區(qū)，且存在數(shù)據(jù)后期篡改的可能;而區(qū)塊鏈模式下有機(jī)蔬菜溯源數(shù)據(jù)涵蓋整條供應(yīng)鏈，鏈上數(shù)據(jù)自動(dòng)同步更新，溯源數(shù)據(jù)完整不可篡改。在政府監(jiān)管和用戶認(rèn)可度上，中心化模式下政府監(jiān)管部門難以監(jiān)督所有企業(yè)的數(shù)據(jù)，且中心化系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存在作假可能，消費(fèi)者認(rèn)可度不高;而區(qū)塊鏈模式下政府監(jiān)管部門是區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)，參與區(qū)塊鏈上溯源數(shù)據(jù)的記錄，且能時(shí)刻監(jiān)控鏈上數(shù)據(jù)，消費(fèi)者對(duì)溯源數(shù)據(jù)的真實(shí)性更具有信心且認(rèn)可度更高。因此，基于區(qū)塊鏈的有機(jī)認(rèn)證與溯源模式具有認(rèn)證效率高、認(rèn)證成本低、數(shù)據(jù)真實(shí)完整和政府參與監(jiān)控等優(yōu)勢(shì)。

3.2? 情景分析

以購(gòu)買假冒有機(jī)標(biāo)識(shí)和材料造假2個(gè)場(chǎng)景為例，分析區(qū)塊鏈技術(shù)下有機(jī)認(rèn)證與溯源系統(tǒng)的放偽造效果。倘若A產(chǎn)品的有機(jī)標(biāo)識(shí)是偽造的，區(qū)塊鏈中無(wú)該有機(jī)產(chǎn)品的記錄，消費(fèi)者通過溯源碼無(wú)法查詢?cè)摦a(chǎn)品的完整溯源記錄，因此消費(fèi)者能輕易地識(shí)別出有機(jī)產(chǎn)品中有機(jī)標(biāo)識(shí)的真?zhèn)涡?，從而抑制市?chǎng)中偽造有機(jī)標(biāo)識(shí)的發(fā)展。倘若企業(yè)企圖通過材料造假來(lái)申請(qǐng)有機(jī)認(rèn)證，由于認(rèn)證材料和溯源數(shù)據(jù)是后期修改和補(bǔ)充的，數(shù)據(jù)記錄與實(shí)際操作存在一定的時(shí)間差，因此在區(qū)塊鏈技術(shù)下的系統(tǒng)則無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行纂改，一旦數(shù)據(jù)記錄到區(qū)塊鏈系統(tǒng)上，各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)庫(kù)同步更新，鏈上數(shù)據(jù)將無(wú)法修改。例如，種植農(nóng)場(chǎng)企圖修改地塊的近3年種植記錄時(shí)，其數(shù)據(jù)庫(kù)記錄與其他節(jié)點(diǎn)存在沖突，各節(jié)點(diǎn)同步更新的特性使得種植農(nóng)場(chǎng)的數(shù)據(jù)庫(kù)重新從其他節(jié)點(diǎn)更新近3年的地塊種植記錄，防止了數(shù)據(jù)篡改，從而遏制了數(shù)據(jù)作假現(xiàn)象。

4? 小結(jié)

該研究將區(qū)塊鏈技術(shù)與有機(jī)蔬菜的認(rèn)證與溯源相結(jié)合，為有機(jī)市場(chǎng)的有機(jī)作假和低效率等問題提供解決方案。與中心化的認(rèn)證與溯源系統(tǒng)相比，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的有機(jī)蔬菜認(rèn)證與溯源系統(tǒng)有如下優(yōu)勢(shì)：①同步共享數(shù)據(jù)，有效解決造假問題;②減少人工環(huán)節(jié)，提高認(rèn)證效率;③政府部門參與，數(shù)據(jù)更可信更權(quán)威。然而，區(qū)塊鏈在實(shí)際落地中仍面臨一些問題，如企業(yè)間的協(xié)調(diào)、信息共享程度等，解決這些問題仍有待今后進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)

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