陳玥婧 周愛蓮 謝能付 梁曉賀 汪匯涓 李小雨 史毓心

（中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)信息研究所，北京 100081）

1 引言

隨著經(jīng)濟全球化的迅猛發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進步，世界范圍內(nèi)民眾的生活水平得到了很大提高，餐桌上的食物種類越來越豐富。與此同時，食品安全問題的關(guān)注度也在不斷上升。近年來，國內(nèi)外農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的食品安全問題頻發(fā)，食品安全問題已經(jīng)成為一個全球性的問題。我國是一個人口大國、農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)在國民經(jīng)濟中占據(jù)著非常重要的地位和作用，為民眾提供食物和營養(yǎng)供給，促進相關(guān)行業(yè)及產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟文化發(fā)展，為其他產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)。近些年來，我國食品安全問題頻發(fā)，“地溝油”“假奶粉”“瘦肉精”“塑化劑”等嚴(yán)重的安全事故被曝光后，我國的農(nóng)產(chǎn)品安全問題引起了社會各界的關(guān)注和政府部門的高度重視，如何解決農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的食品安全問題、保障農(nóng)產(chǎn)品安全已經(jīng)成為了國家和人民高度關(guān)注的民生焦點問題。

農(nóng)產(chǎn)品食品安全問題產(chǎn)生的最重要原因是信息的不全面、不透明、不對稱。當(dāng)前，國內(nèi)外的研究者基本一致認為要想解決這個問題，最根本的解決方法是做好溯源與追蹤工作，建立合理可靠的農(nóng)產(chǎn)品溯源追溯系統(tǒng)。供應(yīng)鏈的任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會引發(fā)食品安全危機，這就需要通過溯源系統(tǒng)去查找問題來源，明確發(fā)生問題的環(huán)節(jié)。當(dāng)然，除了溯源與追蹤，還要保證每個環(huán)節(jié)的信息都符合要求。只有農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈上的每一個環(huán)節(jié)的信息都真實、完整、透明且不易篡改，才能維持高水平的農(nóng)產(chǎn)品安全系數(shù)[1]。

以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)的新型的追溯系統(tǒng)與過去的以傳統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)的溯源體系相比，前端差別不大，主要區(qū)別在后端，即存儲數(shù)據(jù)層存在差別。前端對于各類數(shù)據(jù)的采集工作都是利用各種網(wǎng)絡(luò)傳感器、各種信息采集終端、識別裝置等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，再通過網(wǎng)絡(luò)完成的。美國的Provenance 公司是第一個運用區(qū)塊鏈技術(shù)為供應(yīng)鏈產(chǎn)品的整個生命周期提供全程溯源的公司，供應(yīng)鏈上各種產(chǎn)品都有，包括鉆石、數(shù)字藝術(shù)作品等，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用研究是開展了基于區(qū)塊鏈技術(shù)認證金槍魚的先導(dǎo)項目；荷蘭瓦赫寧根大學(xué)研究機構(gòu)（WUR）與先進技術(shù)研究院（TNO）合作的關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域應(yīng)用的先導(dǎo)項目；美國的Filament將區(qū)塊鏈技術(shù)引進到農(nóng)場的資產(chǎn)管理體系中；硅谷Sku-Chain 研究將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于追蹤，追蹤農(nóng)產(chǎn)品的運輸全過程[2]。

2 問題分析

目前農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)主要依靠數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、條碼技術(shù)、自動識別技術(shù)等實現(xiàn)，依然存在很多問題[3]。

2.1 信息完整性較低

對于農(nóng)產(chǎn)品來說，從生產(chǎn)到最后銷售，中間經(jīng)歷的環(huán)節(jié)較多，很難保證信息鏈的完整性。在大部分實際應(yīng)用場景中，農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)依然只能提供產(chǎn)地、承運環(huán)節(jié)等基本信息。而且，我國農(nóng)業(yè)的農(nóng)戶以及農(nóng)產(chǎn)品加工商普遍規(guī)模較小，各個環(huán)節(jié)的對接十分零散，很難有一個覆蓋范圍足夠廣的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)能將他們納入規(guī)范系統(tǒng)，這也會使得信息完整性較低。

2.2 數(shù)據(jù)真實性存疑

現(xiàn)在市面上已經(jīng)有許多傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，這些系統(tǒng)有的由政府部門主導(dǎo)，有的由社會機構(gòu)或企業(yè)主導(dǎo)，多數(shù)以中央數(shù)據(jù)庫存儲方式存儲追溯信息，控制權(quán)集中。其中存在一些農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)責(zé)任主體自己監(jiān)督自己的情況，這時數(shù)據(jù)的真實性就完全依賴生產(chǎn)主體本身的責(zé)任意識和道德意識，繼而無法解決市場上存在的信任缺失問題。

2.3 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一

目前的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)，無論從地域上，還是農(nóng)產(chǎn)品種類上，適用范圍都有限，而各個省市對于農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的建設(shè)要求、數(shù)據(jù)規(guī)范、描述內(nèi)容等都不盡相同，存在格式不一、內(nèi)容交叉、數(shù)據(jù)冗余等問題，從而導(dǎo)致了不同追溯系統(tǒng)間系統(tǒng)不兼容，難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

2.4 缺乏監(jiān)管制度

雖然政府在食品安全的監(jiān)管上已經(jīng)做出很大努力，并取得一定成效，但是農(nóng)產(chǎn)品種類多、數(shù)量大、供應(yīng)鏈長，且存在很多不確定因素，所以很多環(huán)節(jié)的責(zé)任主體和責(zé)任邊界還沒有厘清，導(dǎo)致監(jiān)管成本較高且效率低下。

3 區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)

3.1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個分布式記賬本，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，核心技術(shù)主要包括P2P 網(wǎng)絡(luò)傳輸、時間戳、非對稱加密、共識機制、智能合約等。根據(jù)開放程度，區(qū)塊鏈主要分為公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈三大類。本文中的區(qū)塊鏈技術(shù)選擇以聯(lián)盟鏈為基礎(chǔ)架構(gòu)。由于私有鏈只在個體組織內(nèi)部使用，本文不考慮私有鏈。王毛路等總結(jié)歸納了公有鏈、聯(lián)盟鏈在效率與共識、隱私與透明、分散與集中這三大矛盾點上的不同。鑒于在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中，參與主體比較確定，不需要太強的匿名性，并且在政府的主導(dǎo)下，參與各方有一定的信任共識基礎(chǔ)，區(qū)塊鏈只需要專注提高效率和部分去中心化，因此聯(lián)盟鏈?zhǔn)禽^好的選擇[4]。有關(guān)區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，梁昊等提出了建立區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品交易體系的概念，通過提供靈活的分布式存儲機制、完備的信息共識體系、可靠的信息防篡改功能和實用的激勵回報措施，完成農(nóng)產(chǎn)品信息追溯和農(nóng)產(chǎn)品市場信息透明化[5]。趙磊等從信息生態(tài)視角分析用戶需求，提出追溯參與主體的風(fēng)險補償方案，進行追溯信息鏈流程再造[6]。李明佳等從頂層架構(gòu)出發(fā)將區(qū)塊鏈植入食品追溯體系，在區(qū)塊鏈的去中心化程度、共識機制等方面加以改進以克服原始區(qū)塊鏈的缺點[7]。錢建平等總結(jié)了農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)從1.0 到3.0 的發(fā)展歷程，提出未來追溯系統(tǒng)技術(shù)橫向融合的發(fā)展趨勢[8]。

3.2 物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)是指通過各種信息傳感裝置，實時采集各種聲、光、熱等所需信息，實現(xiàn)物與物、物與人的泛在連接，從而對事物進行智能化的感知、識別和管理。有關(guān)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中的應(yīng)用研究，陳佳麗運用條碼技術(shù)（BC）、射頻識別技術(shù)（RFID）、EPC-ONS 技術(shù)構(gòu)建茶葉智聯(lián)安全追溯流程，大大提高了茶葉質(zhì)量追溯體系的可信度和安全性[9]。顏波等以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，構(gòu)建了基于物聯(lián)網(wǎng)的最嚴(yán)格覆蓋全過程的農(nóng)產(chǎn)品安全可追溯監(jiān)管體系，對農(nóng)產(chǎn)品安全風(fēng)險進行評估[10]。

3.3 區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)都有各自的優(yōu)劣，而在今后的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)發(fā)展過程中，多種技術(shù)的融合將是未來的發(fā)展方向。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的融合，可以很好的取長補短：（1）檢測物聯(lián)網(wǎng)惡意節(jié)點。物聯(lián)網(wǎng)中分布式的優(yōu)化算法依賴于單個智能體的本地計算和近鄰間通信來迭代地解決一類廣泛的、受約束的優(yōu)化問題，但是容易遭受來自內(nèi)部惡意節(jié)點的數(shù)據(jù)注入攻擊，并且現(xiàn)有技術(shù)對其檢測的結(jié)果并不理想；而使用區(qū)塊鏈技術(shù)和智能合約可以更好地檢測定位惡意節(jié)點[11]；（2）優(yōu)化數(shù)據(jù)存儲。利用區(qū)塊鏈的去中心化可以大大改善大數(shù)據(jù)存儲的中心化現(xiàn)狀，減少物聯(lián)網(wǎng)對于中心結(jié)構(gòu)的依賴，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的非對稱加密技術(shù)可以保證文件數(shù)據(jù)安全[12]；（3）完善身份認證。物聯(lián)網(wǎng)集中式平臺在設(shè)備身份認證過程中兼容性低、抗攻擊能力弱，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，將數(shù)字身份等信息存入新型區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，能夠有效保護隱私、提高安全性、減少計算開銷[13]。

4 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系結(jié)構(gòu)設(shè)計

4.1 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系流程及主體設(shè)計

本文提出的農(nóng)產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)基于聯(lián)盟鏈，其中政府部門，如農(nóng)業(yè)部、市場監(jiān)督管理局等具有較高的權(quán)限，作為監(jiān)管主體，保證農(nóng)產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化運行，監(jiān)管基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及多方的協(xié)調(diào)互利，并與生產(chǎn)銷售主體有效對接溝通，達到農(nóng)產(chǎn)品安全追溯系統(tǒng)的合理運行狀態(tài)。

在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)銷售鏈中涉及的主體主要是原材料提供者、加工廠家、物流運輸商、分銷商和消費者，本文在設(shè)計農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系時也從這幾個方面入手，具體如圖1 所示。為了確定責(zé)任邊界，將追溯鏈從產(chǎn)品誕生到消費的流通過程劃分為生產(chǎn)、加工、分銷、消費四大環(huán)節(jié)，對應(yīng)的責(zé)任主體分別是農(nóng)戶，加工廠家，批發(fā)商、零售商、電商平臺和物流運輸企業(yè)，消費者。生產(chǎn)銷售主體一方面保障追溯系統(tǒng)信息鏈完整性、準(zhǔn)確性，另一方面收集反饋信息，完善追溯體系，最終達到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)高效運行。

4.2 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯管理體系設(shè)計

根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的整個供應(yīng)鏈的功能需求，該農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯管理體系分為生產(chǎn)系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、銷售系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)和其他功能系統(tǒng)，由監(jiān)管系統(tǒng)建立完備的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，并采取有效的防御措施，約定懲罰機制。在生產(chǎn)和加工系統(tǒng)中，可以通過各種物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備采集數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)的完整性、真實性、可靠性；并在系統(tǒng)中設(shè)置異常值警告，提供農(nóng)產(chǎn)品安全預(yù)警，如圖2所示。

首先，各個責(zé)任主體在進入本系統(tǒng)時，要進行注冊登記，登記信息主要包括用戶名稱（農(nóng)戶姓名、加工工廠名稱、物流公司名稱、銷售公司名稱）、類型、聯(lián)系方式、通訊地址、相關(guān)資質(zhì)文件等。

4.2.1 生產(chǎn)系統(tǒng)

生產(chǎn)系統(tǒng)是農(nóng)產(chǎn)品安全體系的源頭，需要重點把控。重點提供選種管理、環(huán)境監(jiān)測、生長追蹤、農(nóng)藥投放、疾病管理等功能。其中選種管理重點記錄種苗名稱、種苗購入信息；農(nóng)藥投放重點記錄農(nóng)藥名稱、生產(chǎn)廠商、投放量、投放時間等信息。所有農(nóng)產(chǎn)品按批次賦碼，記錄生產(chǎn)信息。

4.2.2 加工系統(tǒng)

加工系統(tǒng)是農(nóng)產(chǎn)品安全體系的重點，主要提供工藝流程、環(huán)境分析、設(shè)備管理等功能。其中工藝流程重點記錄農(nóng)產(chǎn)品經(jīng)歷每一道加工工藝的名稱、時間、負責(zé)人等信息，包括最初的原材料入庫信息和最后加工完成后的入庫信息，方便與物流系統(tǒng)對接，在原材料入庫時，直接掃描農(nóng)產(chǎn)品批次碼，提取生產(chǎn)信息，進行入庫。

4.2.3 物流系統(tǒng)

物流系統(tǒng)是農(nóng)產(chǎn)品保質(zhì)保鮮的關(guān)鍵，主要提供產(chǎn)品流向、庫存管理、環(huán)境監(jiān)測等功能。其中環(huán)境監(jiān)測主要針對冷鏈物流，記錄溫度、濕度等信息；庫存管理可以對庫存狀態(tài)進行分析并實時預(yù)警。

4.2.4 銷售系統(tǒng)

銷售系統(tǒng)主要提供商品銷售、庫存管理、售后管理功能，其中商品銷售主要記錄農(nóng)產(chǎn)品名稱、數(shù)量、價格、銷售時間等；庫存管理主要記錄進出庫信息并提供實時預(yù)警；售后管理主要記錄退換貨的名稱、數(shù)量、理由等信息。

4.2.5 監(jiān)管系統(tǒng)

監(jiān)管系統(tǒng)主要由政府部門管理，引入農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、品級分類標(biāo)準(zhǔn)，并由此構(gòu)建智能合約的部分內(nèi)容，系統(tǒng)提供第三方檢測和風(fēng)險評估功能。

4.2.6 其他

本系統(tǒng)還提供咨詢服務(wù)、問題反饋、防偽查詢、系統(tǒng)維護等功能，其中防偽查詢通過調(diào)取相關(guān)智能合約實現(xiàn)。

5 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

5.1 總體框架設(shè)計

平臺主要分為物理層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、合約層和應(yīng)用層。物理層主要是通過傳感器、執(zhí)行器等采集數(shù)據(jù)，然后上傳至數(shù)據(jù)層；網(wǎng)絡(luò)層通過驗證機制和節(jié)點權(quán)限等，結(jié)合P2P 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，由政府監(jiān)管部門將區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲于各個節(jié)點。數(shù)據(jù)存儲采用鏈上與鏈下相結(jié)合的方式進行，通過映射機制將兩者聯(lián)系起來；共識層采用權(quán)益證明（Proof of Stake）算法進行管理，這種基于權(quán)益的共識算法可以方便政府監(jiān)管部門擁有更多管理權(quán)限，對參與農(nóng)產(chǎn)品價格、運輸、售賣的主體進行審核管理；合約層結(jié)合有關(guān)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，通過構(gòu)建智能合約規(guī)則，提高管理效率。

5.2 基于物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)采集

該系統(tǒng)需要采集整個供應(yīng)鏈上的農(nóng)產(chǎn)品信息，包括生產(chǎn)階段、物流倉儲階段和銷售階段。生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息包括生產(chǎn)環(huán)境信息、生產(chǎn)操作信息和生產(chǎn)視頻信息等，可以利用不同的監(jiān)測系統(tǒng)對不同項目進行監(jiān)測。例如，使用土壤信息監(jiān)測系統(tǒng)，對空氣溫度、空氣相對濕度、太陽輻射、土壤濕度、土壤溫度、土壤電導(dǎo)率、葉面水分進行監(jiān)測；使用加工廠監(jiān)控以及流水線數(shù)據(jù)對加工過程進行監(jiān)測。在物流倉儲階段，農(nóng)產(chǎn)品及其制品的鮮活性是運輸?shù)年P(guān)鍵，而冷鏈的運用可以保鮮、減少污染，因此可以使用基于無線傳感器技術(shù)的冷鏈監(jiān)測系統(tǒng)，實時記錄冷藏車中溫度、濕度、乙烯含量等。

5.3 “數(shù)據(jù)庫+區(qū)塊鏈”的數(shù)據(jù)雙存儲設(shè)計

由于農(nóng)產(chǎn)品生長周期較長，期間產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量大，并且數(shù)據(jù)具有異構(gòu)性，如果將采集到的所有數(shù)據(jù)都存儲在區(qū)塊鏈上，就會導(dǎo)致區(qū)塊鏈負荷大，增加運行成本。而且，隨著時間推移，節(jié)點數(shù)增加，交易數(shù)據(jù)呈指數(shù)級增長，如果將數(shù)據(jù)都存儲在區(qū)塊鏈上，會使得查詢效率低下。因此本文采用鏈上與鏈下相結(jié)合的方式進行數(shù)據(jù)存儲。在區(qū)塊鏈上的部分，重要數(shù)據(jù)通過哈希算法產(chǎn)生與該數(shù)據(jù)對應(yīng)的唯一標(biāo)識碼，并存儲在區(qū)塊鏈中；在鏈下的部分中，將采集到的詳細數(shù)據(jù)存入關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，并標(biāo)識數(shù)據(jù)對應(yīng)的區(qū)塊鏈信息位置[14]。

5.4 構(gòu)建智能合約

智能合約是一種旨在以信息化方式傳播、驗證或執(zhí)行合同的計算機協(xié)議，它允許在沒有第三方的情況下進行可信交易，這些交易可追蹤且不可逆轉(zhuǎn)。智能合約一旦部署就能實現(xiàn)自我執(zhí)行和自我驗證。在本文中，智能合約包括《中華人民共和國農(nóng)業(yè)法》、《農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法》等法律法規(guī)，以及其他相關(guān)的法律法規(guī)、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等，部分合約規(guī)則如表1所示。

表1 智能合約的部分規(guī)則Table 1 Some of the rules for smart contracts

6 總結(jié)與展望

以區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，以農(nóng)產(chǎn)品的“生產(chǎn)—加工—分銷—消費”為生命周期過程，筆者提出了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)總體框架；使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和無線傳感器技術(shù)采集數(shù)據(jù)，設(shè)計了“數(shù)據(jù)庫+區(qū)塊鏈”的數(shù)據(jù)雙模存儲機制；描述了智能合約的構(gòu)建過程。構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，有助于提高政府監(jiān)管力度和農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)的數(shù)據(jù)儲存能力和數(shù)據(jù)的完整性、真實性、可靠性。

未來在普及推廣使用農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)時，還可以從以下幾個方面突破努力：（1）在編碼方面應(yīng)制定國家級的統(tǒng)一的追溯碼編碼規(guī)范,改變目前追溯編碼混亂的問題。（2）在追溯平臺建設(shè)方面，政府應(yīng)橫向打破部門壁壘，縱向打破層級壁壘，形成完整體系。（3）在解決追溯系統(tǒng)面臨的深度問題時，更應(yīng)注重不同技術(shù)的融合。