李陽 趙啟陽 何云 濮文輝 李瓊

（1.北京航空航天大學(xué)/軟件開發(fā)環(huán)境國家重點實驗室 北京 100191；2.中國熱帶農(nóng)業(yè)科學(xué)院熱帶作物品種資源研究所 海南?？?571101）

農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源包括作物、畜禽、水產(chǎn)、農(nóng)業(yè)微生物等，是遺傳信息由上一代傳給下一代的載體。簡單地說，農(nóng)業(yè)種質(zhì)資源是農(nóng)產(chǎn)品的最初源頭，也是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是重要的國家戰(zhàn)略資源。目前市場中種質(zhì)資源的竊取、假冒、濫用等問題較為嚴重，種質(zhì)資源的重要基因信息的安全保護同樣面臨困難，這些問題都需要引起足夠的重視，以防止重要種質(zhì)資源流失。

面對這些問題與難點，需要利用先進的軟件技術(shù)與工具，設(shè)計一個熱帶種質(zhì)資源信息管理及溯源方法，構(gòu)建更加安全高效的管理平臺，以推動種質(zhì)資源的采集保存與開發(fā)利用，加強種質(zhì)資源的全面管理。2019年，劉鵬飛等[1]提出基于軟件工程的基本思想，即利用UML建模，結(jié)合Hyperledger Fabric 1.0開源區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，將藥品溯源中所有的標準信息化，永久記錄在區(qū)塊鏈賬本中，做到從藥品生產(chǎn)到流通、使用全程可溯源[1]，如查詢藥品基本信息、查詢藥品成分和中轉(zhuǎn)信息等，可有效避免傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)存在的成本高昂、效率低下、數(shù)據(jù)造假等問題[2]，在藥品供應(yīng)管理體系中建立起信息共享的相互信任機制。中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所劉海洋等[3-5]提出的區(qū)塊鏈存儲模式是對數(shù)據(jù)傳輸節(jié)點按照區(qū)塊鏈中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進行建模，將數(shù)據(jù)根據(jù)規(guī)范存儲在區(qū)塊鏈中，數(shù)據(jù)共識由“雙中心化”的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點來達成，利用非對稱加密技術(shù)，使用數(shù)據(jù)提交節(jié)點的私鑰在數(shù)據(jù)通過審核后對其進行簽名，進而實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的加密。目前在種質(zhì)資源管理平臺上對于區(qū)塊鏈的應(yīng)用，并非完全“去中心化”，在種質(zhì)資源審批的過程中，仍然需要中心化機構(gòu)的參與，這使得平臺的底層架構(gòu)依舊類似于傳統(tǒng)的中心化架構(gòu)，計算效率不高，交易流程上也有不足，難以滿足更大的用戶量與數(shù)據(jù)量、實時交易、便捷溯源等需求。

本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計了一種熱帶作物種質(zhì)資源登記與溯源方法，可將種質(zhì)資源生命周期中不同環(huán)節(jié)的新增信息加上時間戳打包成區(qū)塊上鏈，由于區(qū)塊鏈技術(shù)本身的特性，上鏈后的區(qū)塊是天然可溯源的，可以方便地追溯種質(zhì)資源生命周期中信息的增加與修改。由于區(qū)塊鏈本身具有集體維護和不可篡改等特點，保障了種質(zhì)資源的存儲與數(shù)據(jù)安全，如果資源在某個環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了流失、篡改或偽造等問題，也易于通過溯源查找到責(zé)任方[6]。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈由Nakamoto[7]在2008年首次提出，以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，建立了比特幣系統(tǒng)架構(gòu)，這是一個點對點式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)[8]，是去中心化的分布式系統(tǒng)，雙方在進行在線交易時可以直接面向?qū)Ψ竭M行交易，而不必通過第三方機構(gòu)。比特幣金融系統(tǒng)自啟動起，一直在穩(wěn)定地運行和發(fā)展。而比特幣分布式的底層結(jié)構(gòu)也開始被信息從業(yè)者注意和討論[9]，人們將這種基于分布式數(shù)據(jù)庫的技術(shù)稱為“區(qū)塊鏈”技術(shù)。相較于傳統(tǒng)的中心化體系架構(gòu)，區(qū)塊鏈作為一種去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)和分布式計算范式[10]，具有去中心化、集體維護、不可篡改、時序數(shù)據(jù)、可以追溯等特點[11-24]，能夠更好地與種質(zhì)資源采集、保存、利用及其復(fù)雜的基因信息等特點相適應(yīng)。區(qū)塊鏈不將數(shù)據(jù)庫建立在中心機構(gòu)上，而是建立分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，在分布式節(jié)點間通過純數(shù)學(xué)方法建立信任關(guān)系，進行數(shù)據(jù)的驗證、記賬、存儲、維護和傳輸?shù)龋ＷC去中心化分布式系統(tǒng)的可信任性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的不可篡改性通過區(qū)塊鏈技術(shù)中的非對稱密碼學(xué)原理對數(shù)據(jù)進行加密來保證；此外，分布式系統(tǒng)的部署也使得對某一數(shù)據(jù)的篡改在系統(tǒng)各個節(jié)點強大算力的抵抗下無法實現(xiàn)[25]；區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲在鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)中，除了數(shù)據(jù)原本的字段外還增加了時間戳，增加了數(shù)據(jù)的時間維度，基于此可對數(shù)據(jù)進行驗證與追溯[26]；區(qū)塊鏈為用戶提供的腳本系統(tǒng)可由用戶根據(jù)自身需求自行編寫智能合約，使得對區(qū)塊鏈的應(yīng)用更加靈活[27]。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展以及信息數(shù)據(jù)存儲需求的增加，傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈中所部署的腳本已難以滿足日益復(fù)雜的需求，區(qū)塊鏈技術(shù)逐漸發(fā)展至第三代[28]，“智能合約”的出現(xiàn)使得根據(jù)需求自行設(shè)定區(qū)塊鏈交易規(guī)則得以實現(xiàn)。現(xiàn)如今，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)被應(yīng)用到金融、物聯(lián)網(wǎng)和物流、公共服務(wù)、數(shù)字版權(quán)[29]、保險、公益、醫(yī)療[30]等領(lǐng)域中，為這些領(lǐng)域數(shù)據(jù)與信息的管理與溯源提供了強大的技術(shù)支撐。

1.2 種質(zhì)資源信息化

生物多樣性是人類生存發(fā)展的關(guān)鍵所在。對生物多樣性的保護核心在于生物種質(zhì)資源多樣性的保護和發(fā)展[31]。生物種質(zhì)資源的保護對于國家可持續(xù)發(fā)展以及人民生命安全具有重要意義，針對生物種質(zhì)資源建設(shè)信息化平臺符合國民經(jīng)濟和國家安全的需要，開展種質(zhì)資源保護并使其健康發(fā)展是國家長期規(guī)劃的重要內(nèi)容[32]。豐富優(yōu)質(zhì)的種質(zhì)資源是選育優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物品種的基礎(chǔ)，優(yōu)質(zhì)農(nóng)作物品種是提高農(nóng)作物產(chǎn)量的基礎(chǔ)，農(nóng)作物品種與種質(zhì)資源密切相關(guān)[33]。美國在農(nóng)作物種質(zhì)資源保護方面走在世界前列，其最早開展農(nóng)作物種質(zhì)資源信息共享與利用方面的工作，對農(nóng)作物種質(zhì)資源進行了全面規(guī)范的標準化整理和數(shù)字化表示，實現(xiàn)了對農(nóng)作物種質(zhì)資源的信息化管理[34]?，F(xiàn)有種質(zhì)資源數(shù)據(jù)量較大，利用傳統(tǒng)人工對種質(zhì)資源進行管理服務(wù)的方法效率較低，難以避免數(shù)據(jù)篡改等問題。本文通過對種質(zhì)資源進行信息化、數(shù)字化及高可信化轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的比對、挖掘、可視化，發(fā)現(xiàn)種質(zhì)資源間的潛在規(guī)律和隱含價值。

2 基于區(qū)塊鏈的種質(zhì)資源溯源系統(tǒng)

針對當前熱帶種質(zhì)資源數(shù)量多、管理效率低、信息化程度低、可信化實現(xiàn)難等問題，提出了一種熱帶作物種質(zhì)資源溯源技術(shù)。該技術(shù)利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、不可篡改、可溯源等特點，設(shè)計開發(fā)了種質(zhì)資源溯源區(qū)塊鏈系統(tǒng)，系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)如圖1所示。區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)主要分為合約層、應(yīng)用層、管理層、基礎(chǔ)設(shè)施層和節(jié)點。層級之間相互銜接，共同維護系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)，各個層級的功能各不相同，以下對區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)的每個層級逐一介紹。

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

合約層：合約層結(jié)合區(qū)塊鏈的特點，使用編程的方式定義數(shù)據(jù)操作流程，自動執(zhí)行相應(yīng)操作，保證了合約的透明性與公平性，實現(xiàn)了自動化與智能化，減少了時間成本，提升了各方合作的效率。合約層主要有資源收集、運輸、保存信息登記合約、記錄種質(zhì)資源的采集流通情況，完成種質(zhì)資源信息以及流通信息的上鏈。資源溯源查詢合約則是為用戶提供了查詢種質(zhì)資源溯源信息的接口。面向資源登記與溯源的區(qū)塊鏈系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)見圖1。

應(yīng)用層：應(yīng)用層通過web端開發(fā)直接面向用戶，為客戶提供了種質(zhì)資源信息的登記和溯源服務(wù)，將系統(tǒng)底層的記錄與數(shù)據(jù)直觀顯示出來。

管理層：對種質(zhì)收集、運輸、保存過程所涉及的單位信息和種質(zhì)本身的信息進行管理，以確保信息正確安全地上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)并進行永久存儲，為監(jiān)管、追責(zé)預(yù)警等做數(shù)據(jù)保證。

基礎(chǔ)設(shè)施層：選用FISCO BCOS區(qū)塊鏈平臺作為底層實現(xiàn)基礎(chǔ)，通過對智能合約的設(shè)計，完成對種質(zhì)資源流通的永久記錄和追溯。

節(jié)點：主要包括種質(zhì)資源收集、運輸、保存的單位、用戶、監(jiān)管部門等，由他們共同維護整個基于區(qū)塊鏈的種質(zhì)資源登記與溯源系統(tǒng)的生態(tài)平衡，確保系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，對種子資源的保護進行監(jiān)督。

2.2 系統(tǒng)流程

圖2為種質(zhì)資源登記與溯源業(yè)務(wù)流程圖。本研究提出的種質(zhì)資源登記與溯源系統(tǒng)主要包括收集環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、保存環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)采集的溯源信息不同。

圖2 種質(zhì)資源登記與溯源業(yè)務(wù)流程

收集環(huán)節(jié)：種質(zhì)資源收集單位主要到實地收集種質(zhì)，并對收集的種質(zhì)根據(jù)編號進行標識，記錄其名稱、資源類型、特性、用途、收集時間、收集單位等信息，并將信息上傳到區(qū)塊鏈中，這是種質(zhì)資源登記與溯源系統(tǒng)的重要組成部分。

運輸環(huán)節(jié)：種質(zhì)流通運輸是種質(zhì)資源保護的中間環(huán)節(jié)，是種質(zhì)資源分散的收集地點和保存地點之間的連接方，主要工作包括提供種質(zhì)的發(fā)送地、目的地、配送人員信息，運輸種質(zhì)并對其信息進行核對，再將運輸信息上傳到區(qū)塊鏈中。

保存環(huán)節(jié)：當種質(zhì)通過運輸環(huán)節(jié)到達對應(yīng)的種質(zhì)保存單位時，保存方通過上游機構(gòu)提供的追溯信息進行比對與反饋，最后將保存信息包括保存單位、保存地點、所屬種質(zhì)圃、圃編號等上傳到區(qū)塊鏈中。

收集方、運輸方、保存方以及普通用戶分別作為區(qū)塊鏈中的參與組織，為其分配節(jié)點。收集方、運輸方與保存方根據(jù)各自的不同分工，對所負責(zé)登記的內(nèi)容進行收集，將數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈節(jié)點中，區(qū)塊鏈節(jié)點調(diào)用智能合約對上傳的數(shù)據(jù)進行審查與驗證，確認合法后再將區(qū)塊上鏈。普通用戶可對溯源區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫發(fā)起溯源查詢請求，通過唯一的溯源碼對種質(zhì)資源進行定位，并返回種質(zhì)資源的溯源信息。

種質(zhì)資源溯源流程如圖3所示。在輸入框中輸入種質(zhì)資源所對應(yīng)的唯一溯源碼，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫中可以將其定位到與之相對應(yīng)的唯一的種質(zhì)資源數(shù)據(jù)表中，若表中無此溯源碼所對應(yīng)的種質(zhì)資源，則結(jié)束查詢流程；若有，則對該區(qū)塊的信息進行訪問，查詢該區(qū)塊的信息是否為最初信息；若是，則將查詢到的溯源信息返回給發(fā)起溯源請求的用戶；若否，則通過區(qū)塊頭中的上一區(qū)塊哈希值訪問上一條信息，而后重復(fù)上述步驟直到訪問至最初的信息，再將全部的溯源信息返回給發(fā)起溯源請求的用戶。

圖3 種質(zhì)資源溯源流程

3 實現(xiàn)與部署

3.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

測試環(huán)境為MacOS系統(tǒng)，在Mac mini 8G 512G版本的電腦上運行，開發(fā)語言為Java語言，使用SpringBoot、Vue等框架搭建了熱帶作物種質(zhì)資源溯源系統(tǒng)，采用MySQL作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫中錄入的信息包括種質(zhì)基本信息與收集信息，為方便數(shù)據(jù)的分類管理，根據(jù)種質(zhì)資源信息的不同類型分為2個表，分別是種質(zhì)資源基本信息表（表1）和種質(zhì)資源收集信息表（表2）。其中，種質(zhì)資源基本信息表包含了溯源碼、種質(zhì)名稱種質(zhì)外文名稱、科名、屬名或亞屬名、種名、種質(zhì)資源類型、主要特性、主要用途、資源描述等與種質(zhì)資源本體相關(guān)的信息，種質(zhì)資源收集信息表則包含了溯源碼、收集號、采集號、引種號、收集單位、收集時間、來源國、來源省、來源地、土壤類型、生態(tài)系統(tǒng)類型等與種質(zhì)資源收集環(huán)節(jié)相關(guān)的信息。

表1 種質(zhì)資源基本信息表

表2 種質(zhì)資源收集信息表

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)首頁如圖4所示。在系統(tǒng)首頁展示了熱帶作物種質(zhì)資源管理服務(wù)系統(tǒng)底層區(qū)塊鏈的區(qū)塊數(shù)量、區(qū)塊鏈內(nèi)上鏈的資源總數(shù)量、上鏈未成功的資源數(shù)量、區(qū)塊鏈的同步狀態(tài)等。在首頁左邊側(cè)邊欄有系統(tǒng)管理的功能，包括資源異議處理、資源申請?zhí)幚怼⒎答佁幚?、管理員列表、角色管理等功能，涵蓋了熱帶作物種質(zhì)資源管理所需要的功能模塊。

圖4 熱帶作物種質(zhì)資源管理服務(wù)系統(tǒng)首頁

熱帶作物種質(zhì)資源管理服務(wù)系統(tǒng)的種質(zhì)資源信息保存在區(qū)塊鏈上，圖5為區(qū)塊詳情頁面。在該頁面中，含有目前的區(qū)塊高度、區(qū)塊的哈希地址、上一區(qū)塊的hash值等內(nèi)容。在區(qū)塊詳情頁面，可以通過點擊查看上一區(qū)塊的詳細內(nèi)容。

圖5 區(qū)塊鏈詳情頁面

基于本文所述技術(shù)，一份種質(zhì)資源從收集到入圃（庫）保存到共享的全鏈條過程如下：種質(zhì)資源收集者在收集一份資源時將資源的收集信息上傳到區(qū)塊鏈節(jié)點中→運輸者、保存者將運輸信息、保存信息上傳到相應(yīng)的區(qū)塊鏈節(jié)點中→區(qū)塊鏈節(jié)點調(diào)用智能合約對上傳的數(shù)據(jù)進行審查與驗證，確認合法后上鏈。普通用戶可對溯源區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫發(fā)起溯源查詢請求，通過唯一的溯源碼對種質(zhì)資源進行定位，并返回種質(zhì)資源的溯源信息；如用戶對信息有異議，可從信息查看頁面（圖6）

圖6 種質(zhì)資源追溯信息

提交，從而實現(xiàn)種質(zhì)資源全鏈條跟蹤、追溯，保障各環(huán)節(jié)參與者的利益。

4 展望

本研究針對當下基于中心化組織的種質(zhì)資源管理平臺與熱帶種質(zhì)資源收集鏈條繁瑣、生命周期長所造成的種質(zhì)資源數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險較高、種質(zhì)資源責(zé)任主體不清、信息化管理水平不高、溯源難度較大、共享程度較低等問題，設(shè)計和實現(xiàn)一個基于區(qū)塊鏈的資源登記與溯源系統(tǒng)。通過對智能合約的編寫、編譯、部署與調(diào)用，實現(xiàn)種質(zhì)資源全生命周期中各個環(huán)節(jié)信息的可信存儲、登記與溯源訪問，保證了種質(zhì)資源的安全性與易用性，為今后熱帶種質(zhì)資源信息化等研究性工作奠定了基礎(chǔ)。