孫傳恒 于華竟 徐大明 邢 斌 楊信廷

(1.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心， 北京 100097； 2.農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯技術及應用國家工程實驗室， 北京 100097)

0 引言

近年來，農(nóng)獸藥殘留超標等農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事件頻發(fā)，不僅危及人們的身體健康，同時也對農(nóng)產(chǎn)品出口貿(mào)易造成不利的影響，因此成為社會關注的熱點[1-2]，農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)成為保障農(nóng)產(chǎn)品安全的重要手段。農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)能夠記錄、存儲供應鏈從生產(chǎn)到銷售的數(shù)據(jù)信息，一旦發(fā)生農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題，系統(tǒng)能夠快速追溯產(chǎn)品來源，并且定位責任主體，及時召回有問題批次的產(chǎn)品[3]。

目前，追溯系統(tǒng)的研究主要集中在射頻識別[4]、二維碼[5]、無線傳感網(wǎng)絡[6]等物聯(lián)網(wǎng)技術對追溯信息的采集方面，但國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品供應鏈具有鏈條長、生產(chǎn)分散、信息多源異構等特點[7]，供應鏈上下游主體由于復雜的利益博弈關系，造成各節(jié)點間信息不對稱、信任成本較高等問題，影響了整體追溯效率。同時，傳統(tǒng)追溯系統(tǒng)存在無法將供應鏈各環(huán)節(jié)的追溯信息進行準確關聯(lián)、由企業(yè)中心數(shù)據(jù)庫自主管理供應鏈數(shù)據(jù)等問題，導致追溯信息不精確、不完整[8]，產(chǎn)生糾紛時舉證困難、責任難以明確[9]。因此，傳統(tǒng)追溯技術無法完全解決我國農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯中存在的問題，探索有效的技術方案成為國內(nèi)外研究的熱點。

區(qū)塊鏈技術基于分布式存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等關鍵技術，具有去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改、可追溯、高可用等特點[10]，能夠有效解決供應鏈上下游數(shù)據(jù)在傳遞過程中的信任問題，從而構建與追溯需求吻合的可信交易環(huán)境。區(qū)塊鏈技術與農(nóng)產(chǎn)品追溯相結合，能做到分散資源集中管理、集中資源分散服務，為解決目前傳統(tǒng)追溯體系存在的問題提供了技術支撐[11]。近年來國內(nèi)外學者從不同角度研究了區(qū)塊鏈技術在供應鏈追溯中的應用，如KORPELA等[12]、KSHETRI[13]和MEZQUITA等[14]從交易管理方面探討了區(qū)塊鏈技術在供應鏈上的應用，KAMILARIS等[15]和FRANCISCO等[16]從供應鏈數(shù)據(jù)透明管理方面探討了區(qū)塊鏈追溯的應用，AZZI等[17]和LU等[18]從區(qū)塊鏈架構方面討論了區(qū)塊鏈技術在供應鏈上的應用，BUMBLAUSKAS等[19]和ZHAO等[20]從系統(tǒng)集成方面研究了區(qū)塊鏈在果蔬農(nóng)產(chǎn)品供應鏈上的應用，KAMATH[21]結合具體案例認為，區(qū)塊鏈在沃爾瑪食品供應鏈中具有快速可信追溯的優(yōu)勢。在整個供應鏈或部分生產(chǎn)和使用環(huán)節(jié)自動獲取產(chǎn)品歷史、應用情況或所處位置等信息之間相互關聯(lián)或相互作用的區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)成為國內(nèi)外研究的熱點和方向[22]。

本文綜合分析國內(nèi)外區(qū)塊鏈追溯技術研究進展，在對比傳統(tǒng)追溯技術和區(qū)塊鏈追溯技術基礎上，分析區(qū)塊鏈追溯的概念；并從區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同、區(qū)塊鏈追溯共識機制和區(qū)塊鏈追溯數(shù)據(jù)隱私保護等方面闡述區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品供應鏈上的關鍵技術研究進展，最后從多鏈和跨鏈技術以及與新一代信息技術融合方面展望區(qū)塊鏈追溯的發(fā)展趨勢。

1 傳統(tǒng)追溯技術

追溯是指通過記錄或標識，追蹤和追溯客體的歷史、應用情況或所處位置的活動，追溯系統(tǒng)指基于追溯碼、文件記錄、相關軟硬件設備和通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)現(xiàn)代信息化管理并可獲取產(chǎn)品追溯過程相關數(shù)據(jù)的集成[23]。農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯重點跟蹤記錄農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、運輸、銷售等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“從農(nóng)田到餐桌”的全環(huán)節(jié)監(jiān)管[24]。表1列出了國內(nèi)外在水產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品、果蔬等大型生鮮農(nóng)產(chǎn)品領域建立的典型追溯系統(tǒng)[25-26]。

從表1可看出，傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)存在人工干預數(shù)據(jù)錄入、依賴第三方機構監(jiān)管數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)存儲在企業(yè)本地數(shù)據(jù)庫等問題，極易引起數(shù)據(jù)傳遞和共享過程中的篡改和泄露危機[31]。

2 區(qū)塊鏈追溯

2.1 區(qū)塊鏈簡介

區(qū)塊鏈是多方參與共同維護的持續(xù)增長的分布式數(shù)據(jù)庫[32-33],基于分布式網(wǎng)絡、密碼學和共識機制建立信任關系，通過智能合約構建價值互聯(lián)網(wǎng)。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是共享賬本[34],通過開發(fā)分布式平臺解決主體協(xié)作、信息誤傳、缺乏監(jiān)管的問題；基于全網(wǎng)節(jié)點的計算、存儲和網(wǎng)絡共享模型，提供大數(shù)據(jù)共享和證據(jù)保存；通過零知識證明[35]和安全多方計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的驗證而不披露。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡架構下所有節(jié)點互聯(lián)互通、對等通信，共同查詢、記錄、維護賬本數(shù)據(jù)，打破信息孤島，擴展網(wǎng)絡化運行的邊界，實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的去中心化[36]。

區(qū)塊結構由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成(見圖1)。區(qū)塊頭存儲上一區(qū)塊的哈希值，實現(xiàn)鏈上數(shù)據(jù)的可信追溯，在長鏈中修改任一區(qū)塊的數(shù)據(jù)將導致本區(qū)塊哈希無效，從而引起斷鏈，需要消耗巨大算力重新計算本區(qū)塊和所有后續(xù)區(qū)塊哈希值；根據(jù)區(qū)塊頭存儲的Merkle根能夠快速驗證交易數(shù)據(jù)的篡改，以上兩種機制保證了區(qū)塊數(shù)據(jù)一經(jīng)驗證寫入便不可篡改[37]。區(qū)塊體則包含了經(jīng)過驗證的、塊創(chuàng)建過程中發(fā)生價值交換的所有追溯記錄，具體追溯記錄字段因節(jié)點不同而存在差異。

2.2 區(qū)塊鏈分類

根據(jù)節(jié)點參與方式，區(qū)塊鏈可劃分為公有鏈(Public Blockchain)[38]、私有鏈(Private Blockchain)[39]和聯(lián)盟鏈(Consortium Blockchain)[40]。根據(jù)節(jié)點參與權限，區(qū)塊鏈可劃分為許可鏈(Permissioned Blockchain)[41]和非許可鏈(Permissionless Blockchain)[42]。表2分析了不同類型的區(qū)塊鏈在節(jié)點參與、記賬權、讀寫權限、激勵方式以及網(wǎng)絡特征等方面的特點。

表2 區(qū)塊鏈類型Tab.2 Type of blockchain

2.3 區(qū)塊鏈追溯技術

區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)是在追溯系統(tǒng)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)信息、加工信息、運輸信息以及銷售信息的數(shù)據(jù)一旦驗證通過寫入?yún)^(qū)塊賬本就無法修改，保證數(shù)據(jù)的真實、透明、可靠[43]。表3列出國內(nèi)外主流組織和權威學者對區(qū)塊鏈追溯的定義。從中可以看出，農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯目的是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全生命周期跟蹤追溯，構架農(nóng)產(chǎn)品供應鏈間的溝通橋梁，提升信息的透明度和真實性，在追溯平臺信任得到了良好的維護。

2.4 聯(lián)盟鏈追溯技術

我國農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯參與主體多、鏈條復雜，產(chǎn)業(yè)鏈呈現(xiàn)“兩頭小中間大”特征，通過聯(lián)盟鏈多中心化網(wǎng)絡結構平衡多參與主體問題，有效提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動中各參與主體的協(xié)作效率，構建透明、真實、可信的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系。表4列出部分農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯體系，從表4中能夠看出基于聯(lián)盟鏈開展區(qū)塊鏈追溯研究已成為國內(nèi)外熱點和共識。

3 區(qū)塊鏈追溯關鍵技術研究進展

基于聯(lián)盟鏈的農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯系統(tǒng)利用各種物聯(lián)網(wǎng)采集和保存方式，獲得農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、運輸以及銷售過程中的關鍵數(shù)據(jù)，同時利用智能合約自動執(zhí)行交易條款，基于非對稱加密和數(shù)字簽名保證交易數(shù)據(jù)的唯一性和安全性，通過多通道的事務隔離性提供隱私保護，確保了信息流、資金流、物流和商流的可靠流轉，在離散程度高、鏈條長、參與主體多的農(nóng)產(chǎn)品供應鏈中實現(xiàn)多組織高效協(xié)作、資源共識共享共治的智能化配置，大幅降低農(nóng)產(chǎn)品供應鏈成本。區(qū)塊鏈技術涉及到組網(wǎng)建鏈、數(shù)據(jù)協(xié)同、共識算法、智能合約、隱私保護和模式標準等系列技術，限于篇幅，本文重點從區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同、區(qū)塊鏈追溯共識機制和區(qū)塊鏈追溯隱私保護方面分析區(qū)塊鏈追溯關鍵技術的研究進展。

表3 區(qū)塊鏈追溯定義Tab.3 Concepts of blockchain traceability

表4 區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)Tab.4 Blockchain traceability system

3.1 區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同技術

國內(nèi)聯(lián)盟區(qū)塊鏈追溯的發(fā)展重點方向是鏈上鏈下的數(shù)據(jù)協(xié)同[57]，在區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)中鏈上需要鏈下的信息系統(tǒng)擴展計算和存儲能力，鏈下的信息系統(tǒng)需要和鏈上對接實現(xiàn)異構信息共享解決信息孤島問題[58]。區(qū)塊鏈追溯鏈上通過哈希函數(shù)的單向加密和不可碰撞性保證鏈上信息完整性，但卻無法解決鏈下虛假數(shù)據(jù)或真實數(shù)據(jù)上鏈過程的真實性問題[59]，為實現(xiàn)大批統(tǒng)一的區(qū)塊鏈應用落地，區(qū)塊鏈鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同能力成為目前研究熱點。

區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)通過第三方機制下的預言機、狀態(tài)通道等實現(xiàn)鏈上對鏈下數(shù)據(jù)的可信訪問。預言機是一種通過簽名引入外部世界狀態(tài)信息的可信任的實體，響應鏈上智能合約提出的數(shù)據(jù)交互需求，通過單向的數(shù)字代理以加密的方式將不經(jīng)過計算就能夠證明的外界數(shù)據(jù)提交給智能合約進行加工處理實現(xiàn)數(shù)據(jù)協(xié)同[60]。如WANG等[61]、ADLER等[62]和LO等[63]分析預言機將外部數(shù)據(jù)帶入?yún)^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)協(xié)同問題。狀態(tài)通道[64-65]對區(qū)塊鏈進行初始化、終止化或凈額結算，把鏈上的數(shù)據(jù)操作轉移到鏈下的狀態(tài)通道中加工處理后上鏈計算結果。狀態(tài)通道能夠顯著提高鏈上交易效率、降低數(shù)據(jù)協(xié)同成本，并且在數(shù)據(jù)協(xié)同方面具有天然的安全性優(yōu)勢[66]。表5列出將數(shù)據(jù)在鏈上鏈下分類存放以實現(xiàn)區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下的數(shù)據(jù)協(xié)同。

表5 區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同技術Tab.5 Traceability data cooperation based on blockchain technology

3.2 區(qū)塊鏈追溯共識機制

區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡處理容錯的核心是共識機制，全網(wǎng)節(jié)點在預設規(guī)則下與其它節(jié)點交互達成對數(shù)據(jù)、行為或流程的一致，實現(xiàn)交易的不可變、全局一致的注冊[69]。公有鏈常用工作量證明機制PoW(Proof of work)、權益證明機制PoS(Proof of stake)和委托權益證明機制DPoS(Delegated proof of stake)等共識機制；聯(lián)盟鏈常用實用拜占庭容錯算法PBFT(Practical byzantine fault tolerance)、Kafka等共識機制；私有鏈中常用Raft共識機制。表6對不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的共識算法進行了分析對比。

工作量證明機制(PoW)通過結果認證證明完成了相應的數(shù)學計算，具有完全去中心化的優(yōu)點，在以工作量證明機制為共識的網(wǎng)絡中，節(jié)點可以自由進出。權益證明機制(PoS)根據(jù)節(jié)點持有代幣的比例和時間，依據(jù)算法按幣齡權重等比降低尋找隨機數(shù)的難度值。委托權益證明機制(DPoS)一方面集成了權益證明機制的幣齡優(yōu)勢，另一方面由持幣人選舉公證人節(jié)點參與驗證、記賬，對去中心化做出了一定妥協(xié)。張利等[75]提出的基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中節(jié)點通過工作量證明共識機制競爭記賬權。LENG等[76]考慮農(nóng)業(yè)經(jīng)營中的激勵權重問題，在權益證明機制共識機制的基礎上，提出一種考慮農(nóng)企權重的一致性共識算法。梁昊等[77]設計的農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈技術架構使用委托權益證明機制共識機制通過節(jié)點表決認可農(nóng)產(chǎn)品信息的準確性。

表6 區(qū)塊鏈追溯共識算法Tab.6 Consensus algorithm of blockchain traceability

實用拜占庭容錯算法(PBFT)不僅考慮節(jié)點宕機且支持節(jié)點主動作惡情況，算法分為預準備、準備、確認3階段，保證全網(wǎng)三分之一節(jié)點的容錯性，在劃分主節(jié)點和副本節(jié)點上,袁勇等[78]提出一種基于監(jiān)督模型的共識算法MBFT(Multisignature byzantine fault tolerance)解決主節(jié)點出錯問題，任守綱等[79]在農(nóng)作物全產(chǎn)業(yè)鏈追溯信息平臺中提出一種信譽監(jiān)督機制拜占庭容錯共識算法CSBFT(Credit-supervisor byzantine fault tolerance)解決副本節(jié)點身份確認問題。王志鏵等[80]使用Hyperledger fabric平臺設計的生姜區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)采用Kafka共識機制同步數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲安全、追溯數(shù)據(jù)清晰。未來針對不同品類的農(nóng)產(chǎn)品供應鏈應用場景，開發(fā)適配不同應用模式的共識算法將是重要的研究方向之一。

3.3 區(qū)塊鏈追溯數(shù)據(jù)隱私保護技術

區(qū)塊鏈基于對稱加密算法、非對稱加密算法、哈希算法保證數(shù)據(jù)完整性、隱私性和有效交易憑證[81]，并使用數(shù)字簽名保障交易安全，尤其以橢圓曲線加密算法生成公私鑰對和橢圓曲線數(shù)字簽名算法保障交易不可抵賴為代表，并通過零知識證明和多方安全計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全驗證[82]。表7對比分析了隱私保護加強技術。

表7 隱私保護加密技術Tab.7 Cryptography technology of blockchain traceability

根據(jù)表7的對比分析可知，對稱加密簡單快捷、密鑰較短但破譯困難，在對稱加密方面,于合龍等[11]設計的基于區(qū)塊鏈的水稻供應鏈追溯系統(tǒng)采用對稱加密AES中的密碼分組鏈接CBC (Cipher block chaining)模式加密隱私數(shù)據(jù)，并使用橢圓曲線算法ECC(Elliptic curve cryptography)加密密鑰實現(xiàn)密鑰授權。李文勇等[83]改進對稱加密算法AES，實現(xiàn)了一種基于嵌入式平臺的可直接加密十進制數(shù)據(jù)的農(nóng)產(chǎn)品追溯碼加密算法，設計基于地理坐標編碼方式的農(nóng)產(chǎn)品追溯碼。

非對稱加密采用公私密鑰對保證數(shù)據(jù)隱私。在非對稱加密方面,馬騰等[84]結合RSA加密算法和ASCⅡ碼設計農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地可信追溯系統(tǒng)。張旭鳳等[85]采用RSA加密算法設計基于區(qū)塊鏈技術的農(nóng)產(chǎn)品物流信息系統(tǒng)。王乃洲等[86]通過RSA加密算法和共識算法保證基于區(qū)塊鏈的用戶身份認證信息的安全性。基于非對稱加密的數(shù)字簽名能夠保證交易憑證和識別交易發(fā)起者身份，徐蜜雪等[87]針對區(qū)塊鏈安全問題設計的擬態(tài)區(qū)塊鏈使用一種異構簽名算法，采用3種簽名算法代替單一的簽名算法簽名消息應對安全威脅。

Hash函數(shù)可識別源數(shù)據(jù)的任何更改且具有單向不可還原特點，在哈希算法方面,李宣等[88]基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)設計的雙區(qū)塊鏈防偽追溯系統(tǒng)，基于私有鏈存儲交易數(shù)據(jù)，交易明文經(jīng)過Hash函數(shù)加密后的密文上傳到聯(lián)盟鏈。楊信廷等[48]設計的農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)信息存儲模型將追溯明文信息存儲在各節(jié)點本地數(shù)據(jù)庫，上傳MD5哈希算法加密數(shù)據(jù)的密文到區(qū)塊鏈。

零知識證明和安全多方計算強調(diào)輸入數(shù)據(jù)的保密性，彌補區(qū)塊鏈重視計算的可驗證性而忽略數(shù)據(jù)驗證性的問題。李佳潞[89]在基于區(qū)塊鏈的糧食供應鏈追溯方案研究中，設計基于零知識證明算法的共識機制用以驗證鏈上隱私數(shù)據(jù)的一致性和完整性。黃建華等[90]在利用區(qū)塊鏈構建公平的安全多方計算中，基于區(qū)塊鏈智能合約構造懲罰機制提出公平的安全多方協(xié)議。

從上面分析可以看出，未來基于上述數(shù)據(jù)隱私保護技術開發(fā)可插拔的加密算法，將是農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯的重要方向，同時在應用方面結合權限控制體系和證書認證體系管理多組織間信息傳遞或共享，將權限管理緊密結合供應鏈追溯業(yè)務場景，將加速促進區(qū)塊鏈追溯的應用落地。

4 區(qū)塊鏈追溯應用

在區(qū)塊鏈追溯應用實踐方面，國內(nèi)外商業(yè)公司進行了積極的探索。比較典型的是螞蟻集團研發(fā)的螞蟻鏈、京東集團研發(fā)的智臻鏈以及江蘇中南建設集團股份有限公司聯(lián)合黑龍江北大荒農(nóng)業(yè)股份有限公司設計構建的區(qū)塊鏈大農(nóng)場。其中，螞蟻鏈通過將網(wǎng)絡準入權限與支付寶綁定，實現(xiàn)一鍵式快速部署，已應用于奶粉、大米、紅酒、蜂蜜等全球30億件商品的原產(chǎn)地或境外溯源保真，溯源產(chǎn)地覆蓋120個國家，支持14萬類商品，解決溯源信息的真實性問題[91]，智臻鏈已有超13億條上鏈數(shù)據(jù)，700余家合作品牌商，5萬以上SKU(Stock keeping unit)入駐，逾280萬次售后用戶訪問查詢，解決價值網(wǎng)絡中信息流轉不暢、信息缺乏透明度、信息不對稱等問題[92]，區(qū)塊鏈大農(nóng)場應用于北大荒高度組織化的農(nóng)場種植模式，有9種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集標準，112個電子表單，63個農(nóng)作物種植規(guī)范，覆蓋北大荒近百萬公頃土地，解決北大荒自然資源向數(shù)字資產(chǎn)可信轉移的問題[93]。

目前區(qū)塊鏈大規(guī)模商業(yè)化應用仍處于前期階段，阻礙其大規(guī)模應用的原因復雜，其中區(qū)塊鏈通用底層平臺欠缺[94]、基礎設施不健全且性能不完善[95]、兼容性不足，導致絕大部分與區(qū)塊鏈結合的追溯的商業(yè)場景仍然處于探索期[96]。另一方面，技術發(fā)展初期的缺陷暫時無法解決，如區(qū)塊鏈單鏈存儲結構[97]難以負載海量數(shù)據(jù)存儲壓力，多鏈間數(shù)據(jù)隔離[98]難以做到數(shù)據(jù)的動態(tài)擴展,都限制區(qū)塊鏈追溯網(wǎng)絡進一步擴大。同時聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡缺乏統(tǒng)一的行業(yè)標準，難以構建聯(lián)盟鏈統(tǒng)一生態(tài)網(wǎng)絡架構[99]。

在解決區(qū)塊鏈追溯大規(guī)模應用方面，可以從技術和經(jīng)濟兩方面協(xié)同推進。技術方面需要開發(fā)區(qū)塊鏈追溯行業(yè)通用支撐服務平臺[100]，降低企業(yè)使用門檻，支撐區(qū)塊鏈追溯應用快速落地，另一方面針對供應鏈區(qū)塊鏈追溯鏈條長、多主體離散程度高等問題研究區(qū)塊鏈追溯共識算法，提升共識算法效率和區(qū)塊鏈性能，同時解決突破多鏈、跨鏈、鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同機制，進一步擴大追溯生態(tài)網(wǎng)絡[101]。經(jīng)濟方面充分利用區(qū)塊鏈的智能合約和共識算法，解決供應鏈追溯跨主體多方協(xié)助合理的分配機制和激勵機制[102]，實現(xiàn)追溯數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡中，讓追溯數(shù)字經(jīng)濟在價值互聯(lián)網(wǎng)中可靠傳遞，解決價值傳遞過程中存在的基礎資產(chǎn)真實性低、資產(chǎn)流通成本高、流動性差等問題。

5 區(qū)塊鏈追溯技術展望

5.1 區(qū)塊鏈技術發(fā)展方向

5.1.1多鏈技術

農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯規(guī)模化應用后，受到共識速度的限制，節(jié)點的執(zhí)行性能難以線性擴展，鏈上交易在區(qū)塊鏈單鏈賬本中串行處理，難以獲得接近中心化系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。未來區(qū)塊鏈的發(fā)展趨勢將改變單鏈主導，實現(xiàn)多條同構鏈或異構鏈并存的區(qū)塊鏈新生態(tài)系統(tǒng)，解決供應鏈中存在的上下游博弈問題，實現(xiàn)多組織的信息對稱并降低上下游組織信任成本。劉家稷等[103]設計使用公有鏈和私有鏈構建追溯系統(tǒng)，使用私有鏈存儲企業(yè)產(chǎn)品信息，使用公有鏈保證鏈上數(shù)據(jù)的可驗證和不可篡改，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲和企業(yè)自管理隱私數(shù)據(jù)。LENG等[76]提出的基于雙區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品供應鏈系統(tǒng)選用公有鏈存儲公共服務平臺上企業(yè)用戶信息，在私有鏈上存儲企業(yè)隱私數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)。DING等[104]提出了雙鏈的追溯許可鏈共識機制，主層部署聯(lián)盟鏈用來追溯信息查詢共享，輔助層部署私有鏈存儲追溯信息，在保證追溯鏈私密性的同時，系統(tǒng)也隨著參與節(jié)點的增加保持高效的運行效率。

5.1.2跨鏈技術

區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯具體的應用場景中需要適應多樣化的業(yè)務需求，方便跨企業(yè)、跨生態(tài)業(yè)務數(shù)據(jù)的共享。在大批統(tǒng)一的區(qū)塊鏈應用場景下，采用不同的通信協(xié)議、編程語言、共識機制和隱私措施搭建的相對獨立的、缺乏統(tǒng)一的互聯(lián)互通機制的異構鏈難以做到價值互通、適應不同的場景需求，因此，異構鏈間實現(xiàn)跨鏈的價值傳遞將是區(qū)塊鏈追溯生態(tài)健康發(fā)展的必然要求。跨鏈[105-108]通過中間件實現(xiàn)異構鏈的互聯(lián)互通，實現(xiàn)賬本的跨鏈互操作，為追溯行業(yè)跨生態(tài)、跨行業(yè)的多維協(xié)作解決信息孤島問題，從追溯異構鏈“孤島”發(fā)展成為異構鏈“網(wǎng)絡”。

5.2 與新一代信息技術融合助力追溯產(chǎn)業(yè)

以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算和5G為代表的新一代信息技術和區(qū)塊鏈的深度融合為農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯行業(yè)提供了巨大的潛在空間[109]。新一輪科技革命中各有側重并相互關聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)負責收集數(shù)據(jù)，全網(wǎng)海量數(shù)據(jù)匯集存儲在鏈下云端形成追溯大數(shù)據(jù)，云計算完成數(shù)據(jù)的高效查詢操作，大數(shù)據(jù)為人工智能提供訓練數(shù)據(jù)集不斷優(yōu)化模型參數(shù)，構建輔助決策生產(chǎn)模型改進供應鏈上下游智能決策；區(qū)塊鏈作為信任橋梁穩(wěn)定涉及數(shù)據(jù)操作的信任機制，保證數(shù)據(jù)傳遞、共享的穩(wěn)定可靠[110]。

5.2.1區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)

區(qū)塊鏈是構建物聯(lián)網(wǎng)真正分散、無信任和安全環(huán)境的缺失環(huán)節(jié)，通過區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡、不可篡改和可追溯的優(yōu)勢為物聯(lián)網(wǎng)的安全應用提供媒介[111]。區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物物之間信用的無風險、無杠桿的高效率傳遞，鏈上實現(xiàn)資金流、物流、信息流三流合一[112]，在物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的基礎上保證萬物可信，實現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的映射，保證上鏈信息的真實性和完整性，進一步助力智慧供應鏈追溯發(fā)展。表8列出了部分區(qū)塊鏈+物聯(lián)網(wǎng)模式在追溯方面的應用。

表8 基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的追溯技術Tab.8 Traceability based on blockchain and IoT

在區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)中使用RFID標簽、無線傳感器WSN(Wireless sensor network)、北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)BDS (BeiDou navigation satellite system)等物聯(lián)網(wǎng)技術對生產(chǎn)信息、加工信息、運輸信息以及銷售信息按照一定的格式發(fā)送到數(shù)據(jù)中心進行“一物一碼”標識，將搜集的數(shù)據(jù)自動上傳區(qū)塊鏈存證，利用區(qū)塊鏈技術保證數(shù)據(jù)的隱私保護和不可篡改[119]。消費者或監(jiān)管部門可通過追溯碼查詢商品流通環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)“一物一碼”正品追溯。從中可以看出，物聯(lián)網(wǎng)技術和區(qū)塊鏈技術相輔相成，二者結合將會實現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的映射，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品供應鏈中的數(shù)字孿生。

5.2.2區(qū)塊鏈+大數(shù)據(jù)

區(qū)塊鏈技術具有加密共享、去中心化、信息防篡改等特性，對解決數(shù)據(jù)流通、價值共享、數(shù)據(jù)孤島等方面提供了解決方案，而大數(shù)據(jù)技術具備海量數(shù)據(jù)存儲和靈活高效的深度分析挖掘等功能，二者有機融合不僅保證了大數(shù)據(jù)分析結果的正確性和數(shù)據(jù)挖掘效果，還極大提升區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的價值和使用空間。大數(shù)據(jù)管理聚合海量數(shù)據(jù)，將離散的數(shù)據(jù)需求聚合成數(shù)據(jù)長尾從而滿足數(shù)據(jù)治理需求。運用大數(shù)據(jù)管理的虛擬性有利于追溯信息跨行業(yè)、跨生態(tài)的應用和管理，避免供應鏈各環(huán)節(jié)存在的斷鏈情況，準確關聯(lián)各環(huán)節(jié)的追溯信息，提供精準、完整的追溯數(shù)據(jù)。趙嘉承等[120]從大數(shù)據(jù)挖掘角度剖析區(qū)塊鏈追溯過程中的信息真實性問題。CHEN等[121]設計的農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管系統(tǒng)使用云計算技術進行追溯環(huán)節(jié)中物聯(lián)網(wǎng)應用產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)處理，并結合機器學習技術，建立模型預測對作物品種選擇、生產(chǎn)和栽培管理以及上市時間等給出最佳的選擇方案。

5.2.3區(qū)塊鏈+人工智能

區(qū)塊鏈技術能夠鏈接供應鏈各環(huán)節(jié)信息，促進跨行業(yè)、跨生態(tài)的數(shù)據(jù)流動、共享，讓人工智能可以根據(jù)不同用途、需求獲取更加全面的數(shù)據(jù)，真正變得“智能”。利用區(qū)塊鏈+人工智能技術研發(fā)農(nóng)產(chǎn)品可信追溯系統(tǒng)，把追溯技術從過去的純數(shù)字空間防偽保護，升級為“物理空間+數(shù)字空間”的聯(lián)合保護，同時使用人工智能技術結合機器學習邊緣計算、自動化控制研發(fā)高速追溯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過深度學習方法等自動識別農(nóng)產(chǎn)品復雜供應鏈條中生產(chǎn)、加工、物流、銷售等全環(huán)節(jié)人工干預的操作，實現(xiàn)行為數(shù)據(jù)上鏈存證保證數(shù)據(jù)的不可篡改將是二者結合的重要方向。