李旭東 楊千河 姚竟發(fā) 賀吉 范曉飛

摘要：隨著國(guó)內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品安全事故的頻發(fā)，消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和供應(yīng)鏈的信任逐漸下降。溯源作為一個(gè)能夠連接產(chǎn)品流通各環(huán)節(jié)、對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行不定向追蹤管理的生產(chǎn)控制系統(tǒng)，對(duì)保障產(chǎn)品的質(zhì)量安全具有重要意義。在傳統(tǒng)的溯源體系中，信息存在不準(zhǔn)確、不透明、不安全等問(wèn)題;區(qū)塊鏈憑借去中心化、透明公開(kāi)、不可篡改、分布式存儲(chǔ)等特點(diǎn)，為農(nóng)產(chǎn)品溯源體系的構(gòu)建提供技術(shù)支持。將區(qū)塊鏈技術(shù)與溯源技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)真正意義上的溯源，切實(shí)保障供應(yīng)鏈上全體成員以及廣大人民群眾的權(quán)益。在區(qū)塊鏈理論分析的基礎(chǔ)上，通過(guò)研究農(nóng)產(chǎn)品溯源機(jī)制，詳細(xì)闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)的概念與主要特征，梳理總結(jié)近些年國(guó)內(nèi)外基于區(qū)塊鏈的溯源體系的研究與應(yīng)用，確定了基于區(qū)塊鏈技術(shù)解決農(nóng)產(chǎn)品可追溯性問(wèn)題的方案，總結(jié)了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)框架和適用性應(yīng)用分析流程，闡述了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)實(shí)施的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)，分析了將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源體系時(shí)的重要環(huán)節(jié)，以期為區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品溯源體系的研究和建立提供參考。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù);農(nóng)產(chǎn)品溯源;溯源系統(tǒng);分布式存儲(chǔ)

中圖分類號(hào)：TP311;F326.6 ??文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2022）06-0016-08

收稿日期：2021-06-25

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：32072572）;河北省高層次人才資助項(xiàng)目（編號(hào)：E2019100006）;河北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（編號(hào)：20327403D）;河北農(nóng)業(yè)大學(xué)引進(jìn)人才科研專項(xiàng)（編號(hào)：YJ201847）。

作者簡(jiǎn)介：李旭東（1996—），男，河北滄州人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)。E-mail：394087866@qq.com。

通信作者：范曉飛，博士，教授，主要研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)人工智能。E-mail：fanxiaofei@hebau.edu.cn。

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，但多年來(lái)的監(jiān)管不力和違法行為使得我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展受到重重阻礙，這類事故一次次損害社會(huì)信用，損害人民健康，使我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展建設(shè)面臨重大挑戰(zhàn)[1]。因此，建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系的需求日益強(qiáng)烈。目前我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品溯源主要依賴于國(guó)家的中心數(shù)據(jù)庫(kù)[2]，主要存在以下問(wèn)題：（1）供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)不透明;（2）各級(jí)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況不透明;（3）社會(huì)公信程度低;（4）數(shù)據(jù)分散，無(wú)法系統(tǒng)整合，共享難度大。而區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、開(kāi)放性、自治性、匿名性、信息不可篡改、信息可溯源等特點(diǎn)，為這些問(wèn)題提供了全新的思路與解決方案[3]。本文詳細(xì)介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)，總結(jié)了近年來(lái)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的溯源系統(tǒng)研究與應(yīng)用進(jìn)展。

1 農(nóng)產(chǎn)品溯源

1.1 傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品溯源

農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)是指追蹤農(nóng)產(chǎn)品（包括食品、生產(chǎn)資料等）進(jìn)入市場(chǎng)各個(gè)階段（從生產(chǎn)到流通的全過(guò)程）的系統(tǒng)，涉及到農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地、加工、運(yùn)輸、批發(fā)及銷售等多個(gè)環(huán)節(jié)，有助于質(zhì)量控制和在必要時(shí)召回產(chǎn)品。采用農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品源頭到加工流通過(guò)程的追溯，保證終端用戶購(gòu)買(mǎi)到放心產(chǎn)品，防止假冒偽劣農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)[4]。

在整個(gè)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中，各級(jí)參與方可分為生產(chǎn)者、加工者、運(yùn)輸者、地區(qū)銷售和零售者。目前，主流農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)主要是內(nèi)部溯源和外部溯源相結(jié)合的雙層溯源（圖1）。這種傳統(tǒng)的溯源方式目前暴露了多種問(wèn)題，比如：（1）信息容易被篡改、丟失，地區(qū)性農(nóng)產(chǎn)品信息共享難度大，數(shù)據(jù)傳遞效率低，第一級(jí)農(nóng)產(chǎn)品（農(nóng)作物）溯源難度大;（2）系統(tǒng)復(fù)雜，監(jiān)管方信息重疊或矛盾，監(jiān)管壓力大;（3）各級(jí)用戶難以信任數(shù)據(jù)的真實(shí)性[5]。

1.2 農(nóng)產(chǎn)品溯源體系起源

最早的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系起源于20世紀(jì)70年代的歐洲，當(dāng)時(shí)歐洲暴發(fā)嚴(yán)重的瘋牛病，歐洲各國(guó)開(kāi)始追溯牛羊肉等畜牧類農(nóng)產(chǎn)品的來(lái)源[6]。1997年再次遭受瘋牛病后，歐盟對(duì)牛和牛肉以及牛肉制品建立起一個(gè)可追溯體系，該體系通過(guò)對(duì)牛耳進(jìn)行標(biāo)簽，發(fā)行動(dòng)物護(hù)照，保障消費(fèi)者通過(guò)追溯系統(tǒng)可以追蹤到該牛從飼養(yǎng)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(dòng)物及其肉制品、轉(zhuǎn)基因產(chǎn)品和飼料的溯源系統(tǒng)[7-8]。

日本從2001 年開(kāi)始推動(dòng)“食品可追溯制度”，大部分超市都安裝了產(chǎn)品溯源終端，基本實(shí)現(xiàn)了食品領(lǐng)域零售業(yè)務(wù)的可追溯。2003 年日本開(kāi)始對(duì)牛肉制品實(shí)施追溯;2005 年日本農(nóng)業(yè)協(xié)作組織（簡(jiǎn)稱農(nóng)協(xié)）要求，必須對(duì)通過(guò)農(nóng)協(xié)上市流通的農(nóng)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)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(jì)初，美國(guó)開(kāi)始從國(guó)家戰(zhàn)略的層面建設(shè)溯源系統(tǒng)，建立了美國(guó)全國(guó)動(dòng)物識(shí)別系統(tǒng)（NAIS）。澳大利亞也構(gòu)建了國(guó)家牲畜認(rèn)證系統(tǒng)（NLIS），通過(guò)RFID技術(shù)對(duì)每一頭牛頒發(fā)唯一的“身份證”，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)殖的全流程數(shù)據(jù)采集。印度使用GrapeNet建立溯源平臺(tái)，保證出口葡萄的安全和品質(zhì)。

中國(guó)在農(nóng)產(chǎn)品溯源上起步較晚，但也一直在進(jìn)步。2004年，原農(nóng)業(yè)部率先在北京、河北開(kāi)始溯源系統(tǒng)試點(diǎn)，實(shí)施“進(jìn)京蔬菜產(chǎn)品質(zhì)量追溯制度試點(diǎn)項(xiàng)目”[12]。2008 年，國(guó)家主動(dòng)提出要建立健全農(nóng)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)，建立并實(shí)施農(nóng)產(chǎn)品安全的追溯體系。此外，國(guó)家蔬菜質(zhì)量安全追溯體系等追溯制度也在建設(shè)與試點(diǎn)。2017 年，國(guó)家農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯管理信息平臺(tái)正式上線，首先在四川、廣東、山東等地展開(kāi)試點(diǎn)[13]。

2 區(qū)塊鏈與農(nóng)產(chǎn)品溯源

2.1 區(qū)塊鏈概念

區(qū)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(fā)表了《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》一文，提出了比特幣的構(gòu)想。隨著比特幣的運(yùn)行，區(qū)塊鏈作為比特幣最底層的技術(shù)逐漸進(jìn)入大眾視野。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全新模式，區(qū)塊鏈獨(dú)有的去中心化模式能避免中心化網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的缺點(diǎn)，構(gòu)建可信任的自主運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)模式[14-15]。

從類型上看，區(qū)塊鏈可分為公有區(qū)塊鏈、聯(lián)合（行業(yè)）區(qū)塊鏈和私有區(qū)塊鏈。公有區(qū)塊鏈（public block chains）是指世界上任何用戶或團(tuán)體都可以發(fā)送交易，且交易可以獲得該區(qū)塊鏈的確認(rèn)，任何人都可以參與到其中的共識(shí)過(guò)程[16]。聯(lián)合（行業(yè)）區(qū)塊鏈（consortium block chains）是指某個(gè)團(tuán)體內(nèi)部指定多個(gè)節(jié)點(diǎn)作為記賬節(jié)點(diǎn)，每個(gè)區(qū)塊的生成由所有的預(yù)設(shè)節(jié)點(diǎn)共同決定，其他節(jié)點(diǎn)可以參加交易，但沒(méi)有記賬權(quán)限，任何人都可以通過(guò)該區(qū)塊鏈進(jìn)行查詢[17]。私有區(qū)塊鏈（private block chains）是指僅使用區(qū)塊鏈的記賬技術(shù)進(jìn)行記賬，可以是一個(gè)企業(yè)、公司，也可以是個(gè)人，擁有該私有區(qū)塊鏈的寫(xiě)入權(quán)限[18]。

區(qū)塊鏈還具有去中心化、開(kāi)放性、獨(dú)立性、安全性、匿名性等特征。（1）去中心化。區(qū)塊鏈不依賴第三管理方和硬件，沒(méi)有中心服務(wù)器，通過(guò)分布式的計(jì)算和存儲(chǔ)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自我驗(yàn)證、傳輸和管理[19]。（2）開(kāi)放性。區(qū)塊鏈技術(shù)是開(kāi)源的，除了交易的私人信息被保密，區(qū)塊鏈內(nèi)的數(shù)據(jù)對(duì)每個(gè)人開(kāi)放，每個(gè)人都可以通過(guò)公開(kāi)接口進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈進(jìn)行查詢和開(kāi)發(fā)[19]。（3）安全性。只要不被人掌握全部節(jié)點(diǎn)的51%，就無(wú)法被隨便篡改數(shù)據(jù)，這使得區(qū)塊鏈避免了人為惡意篡改[19]。（4）匿名性。任何節(jié)點(diǎn)的身份信息都不需要公開(kāi)和驗(yàn)證，數(shù)據(jù)傳遞可以匿名發(fā)送[20]。（5）可追溯性。將信息上傳區(qū)塊鏈中的各個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊都有前一區(qū)塊的哈希值，只有識(shí)別了正確的哈希區(qū)塊才能上鏈（圖2），這就保證了信息的可追溯。

區(qū)塊鏈因?yàn)樽陨淼奶攸c(diǎn)，相比于傳統(tǒng)溯源方式有很大優(yōu)勢(shì)（表1）。與傳統(tǒng)溯源方式相比較，以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)的溯源方式在前端的數(shù)據(jù)采集工作與傳統(tǒng)方式區(qū)別不大，區(qū)別大的地方在于后端。區(qū)塊鏈技術(shù)能提供新的溯源工具，方便消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品安全信息的查詢。加上區(qū)塊鏈具有去中心化的特點(diǎn)，各節(jié)點(diǎn)都可以通過(guò)鏈上實(shí)時(shí)共享數(shù)據(jù)，同時(shí)所有節(jié)點(diǎn)也必須履行共同維護(hù)數(shù)據(jù)可靠性的義務(wù)[21-24]。

2.2 區(qū)塊鏈溯源體系的研究進(jìn)展

2.2.1 將區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)成熟，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈溯源體系相結(jié)合會(huì)使溯源技術(shù)更加智能化和便捷化，同時(shí)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)也會(huì)讓信息變得更加可靠，所以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與區(qū)塊鏈溯源技術(shù)相結(jié)合，是溯源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。George等結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)，對(duì)豬的養(yǎng)殖、加工、零售實(shí)現(xiàn)了溯源，利用各種傳感器對(duì)豬的生長(zhǎng)、屠宰、加工信息進(jìn)行采集，最后將數(shù)據(jù)上傳區(qū)塊鏈完成溯源[25]。Ali等提出了聯(lián)盟鏈和智能合約與物聯(lián)網(wǎng)溯源服務(wù)相結(jié)合的數(shù)據(jù)服務(wù)中心[26]。Bordel等利用RFID電子標(biāo)簽技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)了一個(gè)食品安全溯源系統(tǒng)[27]。李明佳等將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)庫(kù)和通信層上，設(shè)計(jì)了讓傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)更好接入?yún)^(qū)塊鏈的方法[28]。史亮等通過(guò)利用區(qū)塊鏈分布式存儲(chǔ)和節(jié)點(diǎn)資源共享的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了溯源環(huán)節(jié)的正逆雙向追蹤[29]。Stamatellis等利用區(qū)塊鏈分布式分類賬本和身份匿名特性設(shè)計(jì)了電子病歷，有效保證了信息的真實(shí)和患者的隱私[30]。祝錫永等利用危害分析和關(guān)鍵控制點(diǎn)體系（HACCP）對(duì)服裝生產(chǎn)的每一個(gè)步驟進(jìn)行危害分析，最后利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)危害原因的溯源[31]。

2.2.2 改進(jìn)智能合約來(lái)建立溯源體系

區(qū)塊鏈技術(shù)中的智能合約也對(duì)溯源體系有很大的作用，Casino等利用智能合約和HACCP相結(jié)合設(shè)計(jì)了一個(gè)酸奶生產(chǎn)加工銷售全流程的溯源系統(tǒng)[32]。Mohamed等開(kāi)發(fā)了一種智能合約模型，用于物聯(lián)網(wǎng)信息追溯，這對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品溯源設(shè)計(jì)有很大啟發(fā)[33]。葛艷等利用HACCP規(guī)范提取數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，為上層溯源業(yè)務(wù)層提供支撐，最后調(diào)用智能合約接收數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包成區(qū)塊實(shí)現(xiàn)牡蠣質(zhì)量監(jiān)測(cè)[34]。

2.2.3 改進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)的服務(wù)性以提升溯源系統(tǒng)的便捷

區(qū)塊鏈溯源體系的發(fā)展與推廣首先要提高區(qū)塊鏈技術(shù)的服務(wù)性，Yin等提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的協(xié)作訓(xùn)練模型，該方法使用區(qū)塊鏈的去中心化會(huì)計(jì)技術(shù)來(lái)解決不同參與者之間的信任問(wèn)題[35]。王紅梅等采用BCS（blockchain service）分布式賬本云平臺(tái)，讓溯源系統(tǒng)變得更加可靠[36]。仵冀穎等針對(duì)完全去中心化的公有鏈在執(zhí)行智能合約的及時(shí)性和響應(yīng)速度上無(wú)法滿足實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)查詢的需求，且私有鏈及現(xiàn)有的分布式結(jié)構(gòu)和云平臺(tái)架構(gòu)對(duì)參與方多的情況下并不適用，設(shè)計(jì)了一種以政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)為核心的聯(lián)盟鏈，讓溯源系統(tǒng)更加方便快捷[37]。

2.2.4 加強(qiáng)區(qū)塊鏈技術(shù)的安全監(jiān)管保障數(shù)據(jù)的真實(shí)性

區(qū)塊鏈溯源體系對(duì)于保證人們的利益有重要意義，須提高區(qū)塊鏈技術(shù)的安全性，加強(qiáng)對(duì)企業(yè)私有鏈的監(jiān)管以及相關(guān)企業(yè)和人員的法律意識(shí)。周正強(qiáng)等提出了基于聯(lián)盟鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)安全共享的方案，用聯(lián)盟鏈儲(chǔ)存元數(shù)據(jù)，將智能合約和密文加密技術(shù)結(jié)合，設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)共享的安全協(xié)議[38]。Zheng等針對(duì)近年出現(xiàn)的大數(shù)據(jù)安全問(wèn)題，提出了一種基于區(qū)塊鏈的去中心化數(shù)據(jù)交易系統(tǒng)，對(duì)于區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)安全有重要啟示[39]。于合龍等基于Hyperledger Fabric平臺(tái)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了水稻全供應(yīng)鏈信息溯源系統(tǒng)，在供應(yīng)鏈溯源隱私數(shù)據(jù)上傳區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)前，利用密碼分組鏈接模式（ciper block chaining，CBC）對(duì)其進(jìn)行對(duì)稱加密，采用橢圓曲線算法（elliptic curve cryptography，ECC）對(duì)密鑰加密后寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中存儲(chǔ)隱私數(shù)據(jù)加密后的密文，授權(quán)節(jié)點(diǎn)利用私鑰查看區(qū)塊鏈上溯源隱私數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中共享隱私數(shù)據(jù)[40]。

2.3 區(qū)塊鏈溯源體系的應(yīng)用進(jìn)展

在區(qū)塊鏈溯源體系應(yīng)用上，有很多國(guó)外企業(yè)已經(jīng)嘗試著將區(qū)塊鏈溯源體系應(yīng)用于商業(yè)。2016年6月，沃爾瑪開(kāi)始使用區(qū)塊鏈溯源體系在美國(guó)芒果市場(chǎng)測(cè)試運(yùn)行。由于2018年沃爾瑪發(fā)生嚴(yán)重的食品安全事故，傳統(tǒng)溯源方式無(wú)法徹底解決問(wèn)題，2019年沃爾瑪百貨有限公司（簡(jiǎn)稱“沃爾瑪”）的所有超市開(kāi)始使用區(qū)塊鏈溯源體系。沃爾瑪還與國(guó)際商業(yè)機(jī)器公司（簡(jiǎn)稱“IBM”）聯(lián)合成立了食品信托系統(tǒng)（food trust）[41]用來(lái)追蹤芒果和豬肉產(chǎn)品，它建立在Hyperledger Fabric平臺(tái)上，所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈賬本上，從生產(chǎn)者到消費(fèi)者的整個(gè)供應(yīng)鏈都可以訪問(wèn)。如果沒(méi)有食品信托系統(tǒng)，識(shí)別芒果來(lái)源的過(guò)程可能需要跟蹤7 d，而有了食品信托系統(tǒng)后則只需要約2.2 s。芬蘭將區(qū)塊鏈溯源體系首次運(yùn)用到集裝箱運(yùn)輸工程中。Provenance是一家推廣基于區(qū)塊鏈的魚(yú)類產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的公司，通過(guò)公司提出的申請(qǐng)，每一種魚(yú)類產(chǎn)品都有獨(dú)特的標(biāo)簽，這個(gè)標(biāo)簽的內(nèi)容包括魚(yú)類產(chǎn)品的包裝、運(yùn)輸和儲(chǔ)存條件等信息。

2017年眾安技術(shù)服務(wù)有限公司使用區(qū)塊鏈溯源體系與養(yǎng)雞相結(jié)合[42]，從雞苗出生開(kāi)始都戴上唯一的標(biāo)簽，利用傳感器技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控雞每天的活動(dòng)，并檢測(cè)雞舍的空氣和水土指標(biāo)，直到雞送到屠宰場(chǎng)，每一步的信息都被上傳區(qū)塊鏈保存。2017年12月我國(guó)第1個(gè)食品安全區(qū)塊鏈聯(lián)盟成立[43]。2017年阿里巴巴（中國(guó)）網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有限公司旗下的螞蟻金服推出區(qū)塊鏈溯源應(yīng)用[44]。華為技術(shù)有限公司推出了“農(nóng)業(yè)沃土云平臺(tái)”，打造了包括從種子、種植、農(nóng)產(chǎn)品加工、食用風(fēng)味多環(huán)節(jié)區(qū)塊鏈溯源體系。

3 將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源

3.1 基于區(qū)塊鏈的可追溯性運(yùn)營(yíng)框架

目前主流的區(qū)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(shù)，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯杉用芄ｆ溄拥囊唤M帶有時(shí)間戳的塊。它已經(jīng)成為分散的公眾共識(shí)，與數(shù)字分布式數(shù)據(jù)庫(kù)協(xié)調(diào)交易活動(dòng)[45-47]?；趨^(qū)塊鏈的可追溯性，提出了追蹤農(nóng)產(chǎn)品信息的需求[48]，有助于更有效地追溯業(yè)務(wù)中的物料和信息流。 因此，區(qū)塊鏈將提高信息的安全性和透明度，并通過(guò)IoT設(shè)備為農(nóng)產(chǎn)品的信息獲取和持久性做出可持續(xù)的可追溯管理[49-50]。

3.2 區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)

本文總結(jié)了將區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相結(jié)合的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)。在每個(gè)可追溯業(yè)務(wù)流程中通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將數(shù)據(jù)記錄并上傳區(qū)塊，利用區(qū)塊鏈信息的高透明度、去中心化、無(wú)法篡改[51-53]等特性完成溯源（圖4）。

3.2.1 生產(chǎn)階段 生產(chǎn)階段就是農(nóng)場(chǎng)所實(shí)施的生產(chǎn)活動(dòng)，農(nóng)民使用種子來(lái)種植農(nóng)作物，并將種子的質(zhì)量信息（出苗率、真實(shí)性、活力、一致性等）在區(qū)塊中記錄，以便追溯種子的來(lái)源。農(nóng)作物成熟時(shí)，農(nóng)民將本季度農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量情況上傳，可追溯性信息可包括耕種背景環(huán)境（如土壤、水、溫度和濕度質(zhì)量）、耕種人員、日期、時(shí)間、農(nóng)藥品種的來(lái)源和應(yīng)用、灌溉、施肥等[54]。

3.2.2 加工階段 此階段涉及將一個(gè)主要產(chǎn)品全部或部分轉(zhuǎn)化為一個(gè)或多個(gè)其他次級(jí)產(chǎn)品。隨后進(jìn)入包裝階段，可追溯性信息包括加工條件，如加工設(shè)備、時(shí)間、批次轉(zhuǎn)換、包裝信息、消毒方法、操作員和最終產(chǎn)品標(biāo)簽信息等。在該階段中，每個(gè)包裝可以通過(guò)RFID記錄包含生產(chǎn)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(yùn)輸階段 經(jīng)過(guò)上一階段的加工包裝階段，農(nóng)產(chǎn)品就到了運(yùn)輸階段，使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備可以獲得物流和冷藏相關(guān)的可追溯信息。在冷藏容器區(qū)域中部署環(huán)境傳感器和GPS傳感器，可以監(jiān)視和收集要存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的物流和冷藏環(huán)境信息，可追溯信息在這一階段內(nèi)包括運(yùn)輸?shù)姆绞?、?chē)輛信息、發(fā)貨時(shí)間與到貨時(shí)間，都將在區(qū)塊中記錄[60]。

3.2.4 消費(fèi)階段 消費(fèi)者是整個(gè)區(qū)塊鏈的最終用戶，消費(fèi)者在購(gòu)買(mǎi)產(chǎn)品前可以查詢到本產(chǎn)品的信息，如質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、原產(chǎn)國(guó)、生產(chǎn)方法等[61-62]。

4 基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與挑戰(zhàn)

4.1 優(yōu)勢(shì)

區(qū)塊鏈對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品可追溯性的研究和實(shí)踐具有深遠(yuǎn)的影響。與物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備結(jié)合時(shí)，它可以克服信息安全性和透明度方面存在的問(wèn)題。

4.1.1 信息安全

由于共識(shí)機(jī)制，信息存儲(chǔ)在基于區(qū)塊鏈的可追溯性系統(tǒng)中更加可靠，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)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(dāng)連接到物聯(lián)網(wǎng)（IoT）設(shè)備時(shí)，它能夠提高交易效率。

4.1.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì) 信息通過(guò)加密操作存儲(chǔ)在多個(gè)分類帳數(shù)據(jù)庫(kù)中，很難被攻擊。共識(shí)機(jī)制確保當(dāng)所有參與者在可追溯過(guò)程中達(dá)成共識(shí)時(shí)，信息不會(huì)被篡改[65-67]。

4.1.3 確保供應(yīng)鏈安全協(xié)作 跨組織業(yè)務(wù)流程的互操作性與集成用分布式服務(wù)來(lái)執(zhí)行任務(wù)。區(qū)塊鏈可以增強(qiáng)供應(yīng)鏈合作伙伴之間的信任和協(xié)作，可以在整個(gè)可追溯鏈中追蹤無(wú)篡改的歷史信息[66，68-69]。

4.1.4 減少產(chǎn)品浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失 由于區(qū)塊鏈技術(shù)可以追溯產(chǎn)品在每個(gè)階段的詳細(xì)信息，從而使各環(huán)節(jié)都能得到產(chǎn)品的信息，避免了產(chǎn)品因?yàn)樾畔⒉粚?duì)稱而造成的浪費(fèi)[70-72]。

4.2 應(yīng)對(duì)的挑戰(zhàn)

區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品溯源可以徹底改變現(xiàn)有的溯源狀況，但是依舊面臨著多種挑戰(zhàn)。表2列出了當(dāng)前仍需解決的問(wèn)題。

5 結(jié)論與展望

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠保證鏈上數(shù)據(jù)的不可篡改和可追溯性，因此在產(chǎn)品從生產(chǎn)到流通的全過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)完整信息的記錄，為監(jiān)管部門(mén)提供產(chǎn)品全面數(shù)據(jù)信息，使其可以更高效地完成產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)及數(shù)據(jù)互聯(lián)互享。

我國(guó)溯源體系起步較晚，農(nóng)產(chǎn)品溯源沒(méi)有真正走進(jìn)人們的生活，市面上帶有溯源標(biāo)簽的產(chǎn)品還很少，帶有溯源標(biāo)簽的產(chǎn)品價(jià)格普遍較高。除此之外，溯源體系運(yùn)營(yíng)成本高、數(shù)據(jù)共享難、供應(yīng)鏈各自保密等因素都阻礙著溯源體系的建立。目前以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)的溯源體系大多還處在理論驗(yàn)證和試驗(yàn)試點(diǎn)階段，“區(qū)塊鏈+溯源”要真正走進(jìn)人們的生活，還需從市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)、國(guó)家政策、企業(yè)創(chuàng)新等多方面努力。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系仍存在一些待解決的問(wèn)題，如區(qū)塊鏈技術(shù)能保證鏈上數(shù)據(jù)的真實(shí)性，但是前端采集的物理層面被篡改的風(fēng)險(xiǎn)依然很高，因此如何有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)防偽是一個(gè)重要課題。

未來(lái)的研究可以從多個(gè)角度調(diào)整和評(píng)估基于區(qū)塊鏈的可追溯操作框架、設(shè)計(jì)架構(gòu)、分析流程圖。應(yīng)特別注意基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)的硬件部署、存儲(chǔ)能力、交易速度和整體性能。

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