于 洋，譚 峰

(黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163711)

0 引言

隨著國(guó)民生活水平的提高，越來(lái)越多的人開(kāi)始注重餐桌食品質(zhì)量安全問(wèn)題。食品質(zhì)量問(wèn)題既關(guān)乎國(guó)民身心健康，又影響食品貿(mào)易行業(yè)出口競(jìng)爭(zhēng)。然而諸如瘦肉精、非法轉(zhuǎn)基因作物、摻假大米及濫用農(nóng)藥等食品安全問(wèn)題層出不窮。全面的監(jiān)管不管從技術(shù)上還是人力上都是非常困難的。因此，為了快速準(zhǔn)確找到問(wèn)題所在，集中統(tǒng)一處理問(wèn)題產(chǎn)品，依法懲罰違規(guī)者，建立高效可靠的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)就顯得十分必要。

發(fā)達(dá)國(guó)家為了保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全，建立了一系列措施。如美國(guó)由政府統(tǒng)籌協(xié)調(diào)，組織成立專門機(jī)構(gòu)進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品信息詳細(xì)溯源與災(zāi)害預(yù)警工作；英國(guó)積累多年的溯源工作經(jīng)驗(yàn)，形成從農(nóng)產(chǎn)品種植到供應(yīng)各環(huán)節(jié)全部信息的溯源體系；日本針對(duì)瘋牛病問(wèn)題，為出廠牛肉提供標(biāo)識(shí)，通過(guò)標(biāo)識(shí)可以查詢到牛肉各類信息，保證了消費(fèi)者的生命健康[1]。

發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)10多年的探索，建立了比較完善的溯源體系結(jié)構(gòu)，而我國(guó)的質(zhì)量體系還尚在建立當(dāng)中。我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全保障體系的建設(shè)，前一階段是主抓階段工作輔以種類的劃分，建立分別由政府、部分社會(huì)組織、企業(yè)和食品加工企業(yè)主導(dǎo)的溯源體系；后一階段則是建立國(guó)家食品藥品監(jiān)管總局，由監(jiān)管機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的安全問(wèn)題[2]。由于采取分段管理，各個(gè)階段收集的信息、監(jiān)管的過(guò)程都是分離的，收集上來(lái)的信息就可能產(chǎn)生不兼容或者信息共享困難等問(wèn)題。在信息的收集過(guò)程中，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)需要建立大量的硬件設(shè)施且當(dāng)作物種類繁多時(shí)，需要消耗大量的資源來(lái)進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。當(dāng)溯源體系涉及政府、企業(yè)等多個(gè)主體時(shí)，溯源過(guò)程的環(huán)節(jié)就會(huì)增多，極大地降低了溯源效率，還有可能造成“信息孤島”的問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，國(guó)內(nèi)學(xué)者有的從理論出發(fā)，分析現(xiàn)有體系的優(yōu)缺點(diǎn)，提出建設(shè)符合我國(guó)國(guó)民消費(fèi)特點(diǎn)的溯源體系，還有學(xué)者從技術(shù)出發(fā)，使用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并結(jié)合先進(jìn)的管理體系，提出“供應(yīng)鏈”管理模式。然而上述方案都無(wú)法從根源上解決農(nóng)產(chǎn)品信息快速共享和信息價(jià)值化等問(wèn)題。

區(qū)塊鏈技術(shù)可以規(guī)避“信息孤島”和防止數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)易被篡改，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的聯(lián)盟鏈可以更好地發(fā)揮政府、企業(yè)及農(nóng)戶等組織在溯源體系中的作用，提升農(nóng)戶與企業(yè)的參與度。使用區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)技術(shù)可以安全地存儲(chǔ)農(nóng)產(chǎn)品的各類信息，利用數(shù)據(jù)塊的“時(shí)間戳”可以快速地進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源，借助智能合約技術(shù)可以智能地執(zhí)行合同，將農(nóng)產(chǎn)品信息價(jià)值化。本文從區(qū)塊鏈核心技術(shù)出發(fā)，提出使用區(qū)塊鏈技術(shù)中的聯(lián)盟鏈以解決上述問(wèn)題，并借鑒國(guó)內(nèi)知名企業(yè)的溯源案例，設(shè)計(jì)基于聯(lián)盟鏈的溯源體系方案以供讀者參考。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

比特幣誕生之初，許多人簡(jiǎn)單地認(rèn)為區(qū)塊鏈就是“區(qū)塊”和“鏈”的簡(jiǎn)單疊加，又或者是一種分布式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)。然而區(qū)塊鏈技術(shù)不能說(shuō)是一項(xiàng)新興的技術(shù)，它是由分布式共識(shí)算法、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)和密碼學(xué)等計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)技術(shù)集合而成的一項(xiàng)技術(shù)。這種組合技術(shù)既保證了數(shù)據(jù)的分布式存儲(chǔ)，又實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的透明性與安全性。

依據(jù)節(jié)點(diǎn)中心化的程度將區(qū)塊鏈系統(tǒng)分為公鏈、私鏈和聯(lián)盟鏈。公鏈沒(méi)有中心化節(jié)點(diǎn)，只需要一臺(tái)電腦和網(wǎng)絡(luò)就可以訪問(wèn)其中的任何節(jié)點(diǎn)并進(jìn)行鏈上數(shù)據(jù)的讀寫(xiě)。公鏈的訪問(wèn)門檻低，數(shù)據(jù)公開(kāi)透明且無(wú)法篡改，由于節(jié)點(diǎn)的數(shù)量過(guò)多，存在交易速度慢的缺點(diǎn)。為了提高交易速度，又出現(xiàn)了私鏈，私鏈?zhǔn)怯梢粋€(gè)中心的管理者集中管理，只有授權(quán)的少數(shù)人才能訪問(wèn)節(jié)點(diǎn)。私鏈適合企業(yè)內(nèi)部使用，由于鏈上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少，具有很高的信任度，進(jìn)行交易時(shí)不需要所有的節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，提高了交易速度。但是私鏈需要被集中管理，違背了去中心化的初衷，鏈上的數(shù)據(jù)存在被私自修改的可能性，不能根本地解決作弊問(wèn)題。聯(lián)盟鏈的去中心化程度介于公鏈與私鏈之間，是指由多個(gè)機(jī)構(gòu)共同參與管理的組織體系，數(shù)據(jù)僅在組織內(nèi)部進(jìn)行讀寫(xiě)和發(fā)送，組織或是企業(yè)可以使用組織中被授權(quán)的節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)讀取服務(wù)，未被授權(quán)的節(jié)點(diǎn)則無(wú)法訪問(wèn)。去中心化的程度和安全性、信任程度是正相關(guān)的，去中心化程度越高交易的效率會(huì)越低。因此，為了提高效率和增加利益，更多的商業(yè)價(jià)值體現(xiàn)在聯(lián)盟鏈和私有鏈上。

本文采用聯(lián)盟鏈形式，設(shè)計(jì)一個(gè)由農(nóng)戶、農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)、農(nóng)業(yè)工作站和政府等多方參與的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)。

1.1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)溯源體系面臨很多困境，如農(nóng)產(chǎn)品種類繁多，很難建立統(tǒng)一的體系進(jìn)行管理；企業(yè)間信息交流不方便，形成“信息孤島”。利用區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化特點(diǎn)可以有效改善農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)多領(lǐng)域、多中心的瓶頸；借助區(qū)塊鏈底層分布式數(shù)據(jù)庫(kù)輔以密碼學(xué)加密技術(shù)，將農(nóng)產(chǎn)品的信息封裝到區(qū)塊中去保證數(shù)據(jù)的安全性與可溯性；使用合理的共識(shí)機(jī)制，可高效準(zhǔn)確進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品交易；憑借智能合約體系將合同與訂單智能化，可減少農(nóng)產(chǎn)品大量滯銷的可能性。

袁勇等[3]從比特幣系統(tǒng)出發(fā)詳細(xì)地介紹了區(qū)塊鏈的工作過(guò)程。為了介紹具體的應(yīng)用案例從而引出區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)業(yè)方面的應(yīng)用，因此僅按照區(qū)塊鏈的相關(guān)概念簡(jiǎn)單介紹區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈簡(jiǎn)單理解可以分為以下3部分[4]。

交易：使分布式賬本的狀態(tài)發(fā)生改變的一次操作，如某個(gè)用戶進(jìn)行的一次轉(zhuǎn)賬。

區(qū)塊：保存某個(gè)時(shí)間段發(fā)生的一系列操作及操作的結(jié)果，也是對(duì)各個(gè)可信任節(jié)點(diǎn)的共識(shí)過(guò)程的記錄。

鏈：按照區(qū)塊上的時(shí)間戳生成的前后順序，將這些區(qū)塊串聯(lián)起來(lái)，所有串聯(lián)而成的鏈組成了分布式賬本狀態(tài)變化的日志。

參照區(qū)塊鏈的基本結(jié)構(gòu)，將作物的種類名稱作為某條鏈的創(chuàng)世區(qū)塊，將含有時(shí)間戳、前一區(qū)塊哈希值及包含農(nóng)作物各類的數(shù)據(jù)塊打包上鏈。區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of blockchain

1.2 區(qū)塊鏈核心技術(shù)

1.2.1共識(shí)機(jī)制

共識(shí)(consensus)和一致性(consistency)有時(shí)會(huì)被放在一起討論，但是從形式上來(lái)說(shuō)兩者并不相同[5-6]。一致性是分布式系統(tǒng)中多個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)外表現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)，是一種結(jié)果。共識(shí)則是分布式系統(tǒng)中若干個(gè)節(jié)點(diǎn)達(dá)成某種一致性狀態(tài)的過(guò)程。實(shí)現(xiàn)了某種共識(shí)狀態(tài)，但這種狀態(tài)有可能并不是需要的狀態(tài)。比特幣系統(tǒng)使用的是工作量證明算法，該算法的實(shí)質(zhì)是節(jié)點(diǎn)算力的競(jìng)爭(zhēng)，即所有參與競(jìng)爭(zhēng)的節(jié)點(diǎn)都在尋找某一數(shù)值，該數(shù)值滿足某種條件，當(dāng)找到滿足條件的結(jié)果時(shí)，獲得數(shù)值的節(jié)點(diǎn)就擁有了記賬權(quán)，并且獲得一定幣值的獎(jiǎng)勵(lì)。以太坊使用的則是權(quán)益量證明算法，即系統(tǒng)中權(quán)益量大的節(jié)點(diǎn)獲取記賬權(quán)的概率高。但是上述兩種共識(shí)機(jī)制都需要通過(guò)挖礦花費(fèi)大量的資源來(lái)維護(hù)網(wǎng)絡(luò)性能，會(huì)造成資源浪費(fèi)。本研究設(shè)計(jì)的質(zhì)量溯源系統(tǒng)需要處理的數(shù)據(jù)量大，要求系統(tǒng)具有強(qiáng)擴(kuò)展性，因此選用一種新的共識(shí)機(jī)制——權(quán)威證明機(jī)制(PoA)[7]。

共識(shí)機(jī)制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)的靈魂，共識(shí)算法的好壞會(huì)直接影響到分布式系統(tǒng)的性能，使用PoA共識(shí)機(jī)制，節(jié)點(diǎn)間不需要競(jìng)爭(zhēng)算力，所有的交易和區(qū)塊均有驗(yàn)證人(授權(quán)節(jié)點(diǎn))處理，從而使得聯(lián)盟鏈的維護(hù)成本極低。但是PoA共識(shí)機(jī)制需要選取驗(yàn)證人(授權(quán)節(jié)點(diǎn))，這一步極為重要，負(fù)責(zé)處理區(qū)塊的驗(yàn)證人(授權(quán)節(jié)點(diǎn))必須經(jīng)過(guò)層層篩選，必須保證自身的可靠性。

1.2.2密碼學(xué)

現(xiàn)代密碼學(xué)和信息安全的研究成果是人類社會(huì)通向信息社會(huì)的橋梁[8]。區(qū)塊鏈中信息的安全性、完整性和可溯源性就是依賴密碼學(xué)技術(shù)的成果。如比特幣系統(tǒng)中使用雙HASH256算法來(lái)處理交易信息，保證數(shù)據(jù)的完整性，把不同長(zhǎng)度的信息處理成256位二進(jìn)制的字符串以Merkle樹(shù)形結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)，將樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)作為信息查找的索引存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈頭部，便于信息的查找與檢驗(yàn)。

哈希算法具有正向快速(有效時(shí)間內(nèi)快速計(jì)算出哈希值)、逆向困難(已知哈希值，很難計(jì)算出哈希值對(duì)應(yīng)的明文)、輸入敏感(原始信息和修改后信息的哈希值明顯不同)和沖突避免(內(nèi)容不同的明文，基本不可能出現(xiàn)相同的哈希值)特點(diǎn)。

為了滿足安全性和權(quán)限檢驗(yàn)的需求，區(qū)塊鏈技術(shù)使用了非對(duì)稱加密技術(shù)。非對(duì)稱加密技術(shù)的含義是加密和解密的過(guò)程中使用不同的密碼，分別稱為公鑰和私鑰。使用該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)消息的機(jī)密、數(shù)字簽名和合法登錄等服務(wù)。數(shù)字簽名則是用來(lái)驗(yàn)證消息的完整性和發(fā)送人的身份，發(fā)送消息的人用自己的私鑰加密消息然后傳遞給接收者，收到消息后使用發(fā)送者的公鑰對(duì)消息解密以確保消息來(lái)源的可靠性。合法登錄服務(wù)是將登錄消息利用私鑰加密后發(fā)送給服務(wù)器，服務(wù)器接收消息后利用公鑰解密，來(lái)判斷登錄的合法性。

1.2.3智能合約技術(shù)

智能合約是一種經(jīng)計(jì)算機(jī)編程嵌入的可以自動(dòng)執(zhí)行合約的相關(guān)操作。智能合約大致分為3類。第1類是“Chaincode”，即區(qū)塊鏈代碼，將智能合約放在鏈上的某個(gè)區(qū)塊上。第2類是“智能法律合約”，將法律上允許的行為通過(guò)區(qū)塊鏈上的代碼加以整合，以達(dá)到自治的目的。第3類則是“智能應(yīng)用合約”，即以智能合約為底層核心，建立有商業(yè)價(jià)值的新型合約模式。智能合約的聲明周期與傳統(tǒng)的合約類似，第1階段是合約的生成，參與合約制定的多方人員執(zhí)行溝通，指定合約規(guī)范，將最終得到的合約進(jìn)行驗(yàn)證，獲得正確有效的合約代碼。第2階段則是合約的發(fā)布，合約的發(fā)布與鏈上信息的廣播與驗(yàn)證是類似的，將合約的代碼存進(jìn)區(qū)塊數(shù)據(jù)上。最終階段是合約的執(zhí)行，當(dāng)有某個(gè)事件符合合約的觸發(fā)機(jī)制并且合法就會(huì)被執(zhí)行。

基于聯(lián)盟鏈的質(zhì)量溯源系統(tǒng)結(jié)合使用第2類與第3類智能合約，在農(nóng)業(yè)種植鏈與企業(yè)加工鏈上采用第2類合約，指定相應(yīng)的明文規(guī)范以約束兩者可能會(huì)產(chǎn)生的違法行為。在預(yù)定訂單等方面使用第3類智能合約，自動(dòng)配發(fā)符合條件的訂單，提高聯(lián)盟鏈處理訂單的效率。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)質(zhì)量溯源的企業(yè)案例

我國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，從刀耕火種到機(jī)械化大規(guī)模作業(yè)，科技在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方面起到了巨大作用。黨和國(guó)家非常重視農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，提倡農(nóng)業(yè)與新興科學(xué)技術(shù)相結(jié)合，促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力發(fā)展。2016年，工信部結(jié)合全球200多個(gè)案例，提出我國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展路線的建議，雖然其中并未明確指出區(qū)塊鏈技術(shù)如何融入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，卻為相關(guān)發(fā)展打下了基礎(chǔ)。2018年中央1號(hào)文件提出，實(shí)施智慧農(nóng)業(yè)。2020年中央1號(hào)文件指出，依托現(xiàn)有資源建設(shè)農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)中心，加快物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、人工智能、第5代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和智慧氣象等現(xiàn)代信息技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用[9]。越來(lái)越多的研究人員也把區(qū)塊鏈研究融入到智慧農(nóng)業(yè)中。TIAN Feng[10]分析了農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)，并構(gòu)建利用射頻識(shí)別和區(qū)塊鏈技術(shù)的系統(tǒng)。GEORGE R V等[11]等從食品供應(yīng)鏈出發(fā)，介紹了區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)和食品供應(yīng)鏈方面的應(yīng)用。

2.1 單一種植業(yè)

2017年4月25日，江蘇某公司聯(lián)合黑龍江墾區(qū)，在上海舉辦全球首個(gè)“區(qū)塊鏈大農(nóng)場(chǎng)”推介會(huì)，針對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在大數(shù)據(jù)農(nóng)業(yè)方面的場(chǎng)景應(yīng)用和經(jīng)營(yíng)方式進(jìn)行重點(diǎn)推介。雙方合力打造了一個(gè)以農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈技術(shù)等為基礎(chǔ)的線上農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的管理平臺(tái)，形成了一個(gè)封閉的“平臺(tái)+基地+農(nóng)戶”的自治農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)體系。

該平臺(tái)將其智能服務(wù)一分為五，將種植前中后一系列服務(wù)融合到一起。聯(lián)手優(yōu)質(zhì)產(chǎn)業(yè)鏈伙伴，共同為訂單客戶提供優(yōu)質(zhì)的生產(chǎn)服務(wù)；使用智能的農(nóng)業(yè)終端，實(shí)現(xiàn)作業(yè)全程數(shù)字化、信息實(shí)時(shí)化和管理智能化，訂單客戶可實(shí)時(shí)追蹤訂單情況；利用智能合約技術(shù)將訂單與合同智能匹配，既降低了違規(guī)操作的可能性又提升了產(chǎn)品效益；使用權(quán)威機(jī)構(gòu)的檢測(cè)結(jié)果多方面評(píng)判糧食品質(zhì)，為糧食交易提供精確品質(zhì)保障。為了將糧食信息價(jià)值化，平臺(tái)將信息封裝成區(qū)塊，這種區(qū)塊是可以在鏈上自由交易的數(shù)字化資產(chǎn)，任何參與者以通過(guò)自己手中的資源獲取到“價(jià)值信息”。該平臺(tái)借助新興科技力量改變了傳統(tǒng)靠天吃飯種植模式，以訂單需求進(jìn)行資源劃分，分配土地種植，改善傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)資產(chǎn)與資源濫用的情況，開(kāi)創(chuàng)了一種從土地到種子、從種子到種植戶、最后到售賣的全新農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系。平臺(tái)可對(duì)整個(gè)過(guò)程進(jìn)行追蹤記錄，從產(chǎn)品初始地就保證了糧食的安全生產(chǎn)及信息的透明化。該平臺(tái)的實(shí)質(zhì)是通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行溯源，以智能合約技術(shù)進(jìn)行訂單管理，借鑒該平臺(tái)的技術(shù)，可以將其推廣到漁業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)等方面，幫助農(nóng)業(yè)向著更高智能化水平發(fā)展。

2.2 多元種植業(yè)

“綠色農(nóng)業(yè)”一直是我國(guó)倡導(dǎo)的農(nóng)業(yè)發(fā)展模式，當(dāng)前我國(guó)正積極推進(jìn)農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革，強(qiáng)調(diào)以科技促進(jìn)農(nóng)業(yè)的綠色發(fā)展，走循環(huán)發(fā)展的路子。某公司與同濟(jì)大學(xué)聯(lián)手利用區(qū)塊鏈技術(shù)打造了我國(guó)第1個(gè)有機(jī)食品的溯源與防偽系統(tǒng)。該系統(tǒng)是授權(quán)認(rèn)證的聯(lián)盟鏈，借助區(qū)塊鏈技術(shù)良好數(shù)據(jù)傳輸與安全性的特點(diǎn)，將農(nóng)產(chǎn)品在種植、倉(cāng)儲(chǔ)、檢測(cè)、加工與銷售過(guò)程中涉及的實(shí)體全部加入到鏈內(nèi)，建立了一個(gè)全方位的質(zhì)量溯源平臺(tái)。

為了迎合潮流，方便大眾，該公司同時(shí)與黑龍江墾區(qū)精誠(chéng)合作，研發(fā)了國(guó)內(nèi)首款農(nóng)業(yè)質(zhì)量溯源APP。該APP是基于C-Ledger區(qū)塊鏈大數(shù)據(jù)庫(kù)的手機(jī)客戶端應(yīng)用，用戶可以通過(guò)該APP查詢到大米從田間到商場(chǎng)的過(guò)程中產(chǎn)生的一系列信息，并且通過(guò)防偽碼可以驗(yàn)證大米是否摻假。為了擴(kuò)大聯(lián)盟鏈的范圍，該公司先后同新疆生產(chǎn)建設(shè)兵團(tuán)，齊齊哈爾等地區(qū)的種植戶進(jìn)行合作，涵蓋了蔬菜、水果等多種有機(jī)食品，靈活地將綠水青山同群眾舌尖上的安全聯(lián)系了起來(lái)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效益與民生效益的雙贏，為更多產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)增值提供借鑒與參考。

2.3 養(yǎng)殖業(yè)

某科技公司同保險(xiǎn)公司、物聯(lián)網(wǎng)科技平臺(tái)合作，聯(lián)手打造了一個(gè)集人工智能、區(qū)塊鏈和防偽等技術(shù)的農(nóng)村養(yǎng)殖業(yè)的質(zhì)量溯源系統(tǒng)。從雞苗的入欄到成熟、屠宰和運(yùn)輸，這一系列過(guò)程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息都會(huì)被記錄入鏈，利用鏈上區(qū)塊數(shù)據(jù)不可篡改性的特點(diǎn)保證每只雞的信息安全可信。同時(shí)，該項(xiàng)目負(fù)責(zé)人與當(dāng)?shù)胤鲐氜k合作，將分散的養(yǎng)殖戶的雞集中管理，既保證了雞的品質(zhì)，又解決了當(dāng)?shù)刎毨舻木蜆I(yè)問(wèn)題。

為了更好地收集每只雞的信息，養(yǎng)殖場(chǎng)為每一只雞都佩帶了物聯(lián)證件——“雞牌”?！半u牌”可以自動(dòng)收集各類信息并實(shí)時(shí)上傳至區(qū)塊鏈，結(jié)合使用混沌學(xué)防偽、光學(xué)防偽等技術(shù)，使得每一只雞的“雞牌”都是獨(dú)一無(wú)二的，并且用完立即焚毀。利用養(yǎng)殖場(chǎng)的監(jiān)控設(shè)備，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控雞倉(cāng)溫度、土壤濕度和雞的日常生活等信息，然后傳到后臺(tái)；利用人工智能技術(shù)對(duì)信息分析建模并預(yù)測(cè)雞的健康。同時(shí)，為了降低養(yǎng)殖戶的投資風(fēng)險(xiǎn)，依據(jù)區(qū)塊鏈上的信息，保險(xiǎn)公司可以評(píng)估養(yǎng)殖戶的資質(zhì)，為其提供農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)等保障，大大減少養(yǎng)殖戶財(cái)產(chǎn)損失，降低投資風(fēng)險(xiǎn)。

該項(xiàng)目開(kāi)創(chuàng)了我國(guó)養(yǎng)殖業(yè)第1個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的質(zhì)量溯源系統(tǒng)的先河，為養(yǎng)殖業(yè)的溯源提供了新的思路，同時(shí)將保險(xiǎn)資質(zhì)評(píng)估的信息加入到鏈內(nèi)使得養(yǎng)殖戶投保工作變得不再繁瑣。

2.4 案例經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

案例1與案例2有一個(gè)共同特點(diǎn)，都是依托黑龍江墾區(qū)萬(wàn)畝良田，借助企業(yè)的科技力量，聯(lián)合眾多農(nóng)戶合力打造的大米質(zhì)量溯源系統(tǒng)，其優(yōu)勢(shì)在于黑龍江墾區(qū)種植面積大，種植大米的種類雖然多但是便于統(tǒng)一管理，可以機(jī)械化統(tǒng)一作業(yè)，而且已有的基礎(chǔ)設(shè)施齊全，不需要再進(jìn)行大規(guī)模地改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較方便。后者為了擴(kuò)大領(lǐng)域，將果蔬也涵蓋進(jìn)其溯源系統(tǒng)。

上述2個(gè)案例均是作用在大規(guī)模種植地區(qū)，對(duì)于種植種類多但是土地不成片的地區(qū)適應(yīng)性則較差。針對(duì)這類地區(qū)可以采用聯(lián)盟鏈的方式進(jìn)行管理，首先，根據(jù)作物的不同，劃分不同的種植代表地區(qū)，依托權(quán)威檢測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行授權(quán)，符合標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)才能準(zhǔn)許入鏈。其次，不同地區(qū)使用不同的物聯(lián)設(shè)備采集作物信息，然后建立小基站收集信息，統(tǒng)一收集并由專業(yè)人員進(jìn)行鑒定，保證上傳的信息真實(shí)可信。最后，聯(lián)盟鏈應(yīng)該由當(dāng)?shù)卣鲗?dǎo)，合理地協(xié)調(diào)各方利益沖突，統(tǒng)籌各地區(qū)人員與物資規(guī)劃。

案例3創(chuàng)新性地將區(qū)塊鏈溯源技術(shù)應(yīng)用到養(yǎng)殖業(yè)，參考其為雞配發(fā)“雞牌”的做法，可以將其推廣至牛、羊等養(yǎng)殖業(yè)，但是如果大型牲畜從一開(kāi)就進(jìn)行這種模式，其費(fèi)用也是巨大的。大型牲畜飼養(yǎng)周期長(zhǎng)、費(fèi)用大，針對(duì)這一問(wèn)題，可以建立一個(gè)中間檢測(cè)機(jī)構(gòu)，在進(jìn)行販賣牲畜前，需要到該機(jī)構(gòu)進(jìn)行登記，該機(jī)構(gòu)將會(huì)進(jìn)行牲畜檢測(cè)，并將牲畜的檢測(cè)信息存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)，符合檢測(cè)要求的牲畜可以進(jìn)行販賣，檢測(cè)機(jī)構(gòu)還需記錄收購(gòu)者的信息，條件允許還可以將收購(gòu)者的信息統(tǒng)一錄入。通過(guò)這種方式的規(guī)劃可以減少前期收集牲畜信息過(guò)程中產(chǎn)生的巨額成本，提高辦事效率。

3 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文通過(guò)分析總結(jié)上述3個(gè)案例，提出農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)地實(shí)時(shí)查詢，讓消費(fèi)者吃上安全可信的食物具有重要意義，使用區(qū)塊鏈技術(shù)可以很好解決這個(gè)問(wèn)題[12]。首先，需要將農(nóng)產(chǎn)品的各類信息加蓋時(shí)間戳，然后利用哈希數(shù)輸出每個(gè)產(chǎn)品的哈希值，并按照時(shí)間序列將這些信息成塊成鏈[13]。農(nóng)產(chǎn)品各類信息包括育種、種植、收貨、生產(chǎn)、加工、保存和運(yùn)輸?shù)?，還需要保證這些數(shù)據(jù)的真實(shí)性[14]。其次，某個(gè)產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，根據(jù)信息在傳輸?shù)哪硞€(gè)過(guò)程中使用的數(shù)字簽名和密鑰可以找到信息的發(fā)出者，找到該負(fù)責(zé)人并對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行追回。上述案例中的“善糧味道”就是農(nóng)產(chǎn)品溯源很好的成果，在發(fā)生問(wèn)題之后能夠第一時(shí)間定位到問(wèn)題源點(diǎn)，通過(guò)借鑒該平臺(tái)的成功經(jīng)驗(yàn)，可以將其推廣到水果、蔬菜和魚(yú)肉蛋奶等其他農(nóng)產(chǎn)品。時(shí)間戳可以保證數(shù)據(jù)的完整性，哈希函數(shù)保證了數(shù)據(jù)的不可篡改性，數(shù)字簽名保證了數(shù)據(jù)的不可否任性，因此利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以高效地完成農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源。

農(nóng)產(chǎn)品種類多，種植地區(qū)紛繁復(fù)雜，想要建立規(guī)模龐大的農(nóng)產(chǎn)品溯源體需要多方組織參與，針對(duì)上述特點(diǎn)，基于聯(lián)盟鏈方式設(shè)計(jì)的溯源體系架構(gòu)如圖2所示。

圖2 地區(qū)農(nóng)業(yè)多種作物種植的質(zhì)量溯源體系架構(gòu)Fig.2 Quality traceability system for regional agriculture of multiple crops

3.1 準(zhǔn)入制

準(zhǔn)入制服務(wù)可以分為地區(qū)注冊(cè)與管理、農(nóng)戶身份管理及企業(yè)管理3個(gè)部分。地區(qū)注冊(cè)與管理服務(wù)是負(fù)責(zé)地區(qū)土地資源與作物種植管理，科技工作站派遣技術(shù)人員深入當(dāng)?shù)睾侠碓u(píng)價(jià)土地資源和適宜種植的作物等，根據(jù)作物種植種類，將符合條件的地區(qū)劃分成不同節(jié)點(diǎn)，給予入鏈權(quán)限。農(nóng)戶身份管理服務(wù)則是對(duì)進(jìn)入聯(lián)盟鏈的農(nóng)戶進(jìn)行培訓(xùn)，定期考察有無(wú)違規(guī)操作，對(duì)有違規(guī)操作的農(nóng)戶直接除名不得再次入鏈。企業(yè)管理服務(wù)則需要政府聯(lián)合相關(guān)檢測(cè)機(jī)構(gòu)將信用良好且有能力的企業(yè)加入聯(lián)盟鏈中負(fù)責(zé)農(nóng)產(chǎn)品的后續(xù)加工服務(wù)。準(zhǔn)入制服務(wù)管理節(jié)點(diǎn)的驗(yàn)證人需要有良好的信譽(yù)，必須是值得信賴的才行，否則會(huì)出現(xiàn)難以想象的后果。上述節(jié)點(diǎn)的評(píng)定次數(shù)超過(guò)3次，則永久失去進(jìn)入聯(lián)盟鏈的資格。評(píng)定流程如圖3所示。

圖3 準(zhǔn)入服務(wù)流程Fig.3 Access service flow

3.2 區(qū)塊鏈服務(wù)

區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)服務(wù)統(tǒng)一由農(nóng)業(yè)工作站的科技人員進(jìn)行管理，包括數(shù)據(jù)的采集、核對(duì)和校驗(yàn)等，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊都必須含有時(shí)間戳，溯源時(shí)可以找到準(zhǔn)確的時(shí)間點(diǎn)。同時(shí)，結(jié)合使用二維碼技術(shù)和條碼技術(shù)，利用二維碼標(biāo)識(shí)作物在生產(chǎn)加工過(guò)程的一系列信息，使用條碼技術(shù)存儲(chǔ)農(nóng)產(chǎn)品從種植到銷售等過(guò)程中的一系列信息。

交易服務(wù)的前端可以利用微信小程序，依據(jù)購(gòu)買數(shù)量將購(gòu)買身份分為個(gè)人購(gòu)買者和企業(yè)購(gòu)買者。個(gè)人購(gòu)買者可以直接申請(qǐng)賬號(hào)注冊(cè)，注冊(cè)賬號(hào)成功后可以進(jìn)行購(gòu)買產(chǎn)品，付款成功后可以獲取到產(chǎn)品和一個(gè)公鑰，利用該公鑰可以查詢到該產(chǎn)品的各類信息，如果產(chǎn)品出現(xiàn)問(wèn)題，可以向管理員申請(qǐng)私鑰進(jìn)行溯源查詢。企業(yè)購(gòu)買者首先需要向管理員申請(qǐng)資格評(píng)定，符合資格的企業(yè)購(gòu)買者可以直接獲取公鑰查詢產(chǎn)品相關(guān)信息，簽訂訂單后可獲取私鑰進(jìn)行產(chǎn)品溯源信息的獲取。獲準(zhǔn)進(jìn)行的交易經(jīng)由權(quán)限節(jié)點(diǎn)的確認(rèn)打包上鏈后，統(tǒng)一管理。

基于聯(lián)盟鏈的質(zhì)量溯源系統(tǒng)需要處理的交易數(shù)量多，如果通過(guò)節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)算力來(lái)獲得記賬權(quán)，會(huì)降低交易的處理速度，并且會(huì)浪費(fèi)大量資源。系統(tǒng)采用權(quán)威證明(PoA)共識(shí)機(jī)制，前期指定政府檢測(cè)機(jī)構(gòu)為授權(quán)節(jié)點(diǎn)，對(duì)新進(jìn)來(lái)的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簽名廣播，后期可以通過(guò)投票的方式篩選新的授權(quán)節(jié)點(diǎn)避免出現(xiàn)非法節(jié)點(diǎn)。使用權(quán)威證明(PoA)算法能夠保證聯(lián)盟鏈的處理速度更快、能源消耗更低且可擴(kuò)展性更強(qiáng)，從而符合智慧農(nóng)業(yè)的要求。

3.3 智能合約服務(wù)

制定一系列獎(jiǎng)懲措施，利用智能合約技術(shù)編程實(shí)現(xiàn)，嵌入到代碼中，當(dāng)違反聯(lián)盟鏈規(guī)則的行為發(fā)生時(shí)自動(dòng)執(zhí)行獎(jiǎng)懲，提高管理效率。使用智能合約技術(shù)管理合同與訂單，根據(jù)生產(chǎn)量與訂單數(shù)量，智能地分配訂單任務(wù)，高效地利用每一塊土地資源。合約一旦建立，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行合約，任何人都不可以單方面撤銷合約或阻止合約的執(zhí)行，避免出現(xiàn)信用問(wèn)題。使用進(jìn)程間隔離的技術(shù)將智能合約代碼的進(jìn)程隔離到系統(tǒng)之外，并通過(guò)socket通信方式遠(yuǎn)程調(diào)用智能合約。最先進(jìn)的是安全容器技術(shù)，讓智能合約代碼運(yùn)行在獨(dú)立的容器內(nèi)，實(shí)現(xiàn)合約代碼與賬本數(shù)據(jù)的完全隔離，避免出現(xiàn)賬本數(shù)據(jù)被修改的安全問(wèn)題。

3.4 聯(lián)盟鏈的維護(hù)與優(yōu)勢(shì)

聯(lián)盟鏈的前期維護(hù)可以利用政府或是高校的科技工作者，后期可以尋求符合資格的企業(yè)進(jìn)行共同維護(hù)，采用聯(lián)盟鏈的形式進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植作物的質(zhì)量溯源可以較大程度保證質(zhì)量溯源的可靠性，接納更多的良心企業(yè)參與其中，使得來(lái)自不同地區(qū)的不同作物都能夠上鏈。專門的科技人員進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與維護(hù)，這種方式雖然會(huì)增加一定的成本，但是如果在某個(gè)環(huán)節(jié)出了問(wèn)題，就可以快速地找到問(wèn)題源頭，從而節(jié)約時(shí)間，提高辦事效率。聯(lián)盟鏈最大的特點(diǎn)就是可以容納多方進(jìn)入，這樣就可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品種植、生產(chǎn)加工和包裝銷售的一條龍服務(wù)。聯(lián)盟鏈采取的是先訂單后種植方式，根據(jù)訂單的數(shù)量合理分配土地資源，既可以有效利用土地資源，又能夠減少農(nóng)產(chǎn)品滯銷風(fēng)險(xiǎn)?？偟膩?lái)說(shuō)，使用聯(lián)盟鏈的方式要優(yōu)于使用公鏈或者私鏈的方式進(jìn)行質(zhì)量溯源。

4 結(jié)束語(yǔ)

我國(guó)傳統(tǒng)種植業(yè)經(jīng)常存在農(nóng)藥使用超標(biāo)、產(chǎn)地造假等問(wèn)題，為解決這類問(wèn)題，可以利用鏈上數(shù)據(jù)具有溯源性這一特點(diǎn)，將農(nóng)作物育種、產(chǎn)地、存儲(chǔ)和物流等一系列信息上鏈，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)溯源、及時(shí)解決，既保證了農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量真實(shí)可信，又節(jié)約了企業(yè)的質(zhì)量檢測(cè)成本。將分布式賬本的特性應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、物流和消費(fèi)環(huán)節(jié)以“鏈”實(shí)現(xiàn)，可以解決產(chǎn)品買賣雙方地位不平等問(wèn)題。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，自然災(zāi)害問(wèn)題是難以避免的，將農(nóng)業(yè)保險(xiǎn)的一些條款利用智能合約技術(shù)寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈中，當(dāng)災(zāi)害發(fā)生之后自動(dòng)執(zhí)行合約，既可以提高理賠效率，又能夠減少騙保行為的發(fā)生。

區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展至今已有12年，但是將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)還有許多問(wèn)題需要解決。首先，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)上的時(shí)間并不長(zhǎng)，想要商業(yè)化落地還需要不斷創(chuàng)新，大力推廣。其次，雖然區(qū)塊鏈技術(shù)中的數(shù)據(jù)有很好的安全性，但也不是完全不可能被竊取，如何保證農(nóng)業(yè)數(shù)據(jù)不被竊取也是一個(gè)重要的問(wèn)題。最后，區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)不允許篡改，如果上傳到鏈上的數(shù)據(jù)本就是虛假的，將會(huì)造成難以想象的后果。上述僅是區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的部分問(wèn)題，作為新技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)還需要不斷探索以保證在智慧農(nóng)業(yè)發(fā)展中更好發(fā)揮作用。