基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品信息流追溯體系建設(shè)*

□ 戴 進(jìn)，董繼昌

(江蘇科技大學(xué)，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

1 研究背景

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)高速發(fā)展與經(jīng)濟(jì)水平的迅猛提升，消費(fèi)者對(duì)生活品質(zhì)的追求越來(lái)越高，但日常必需的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量卻依舊停滯不前。同時(shí)，由于網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的便捷性，消費(fèi)者獲得信息、購(gòu)買(mǎi)物資的方式日趨多元，這使得他們對(duì)商品成分、產(chǎn)地、加工、流通等重要信息的要求也不斷上升，盡管國(guó)家監(jiān)管部門(mén)現(xiàn)已制定了相應(yīng)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，但公眾早已不再僅僅滿足于國(guó)家公示的檢驗(yàn)結(jié)果。除國(guó)家認(rèn)證外，市場(chǎng)現(xiàn)有的第三方的檢測(cè)認(rèn)證在當(dāng)下也仍舊僅僅是一個(gè)流程化的形式，并不能起到時(shí)刻監(jiān)督、有效制約的作用[1]。與此同時(shí)，重大農(nóng)產(chǎn)品安全事件的頻發(fā)(毒豆芽，毒木耳，假三文魚(yú)等)，更在不斷提醒消費(fèi)者農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量保障令人擔(dān)憂，長(zhǎng)此以往，必將導(dǎo)致政府公信力下降，不利于社會(huì)的長(zhǎng)治久安。

消費(fèi)者迫切希望獲得更加真實(shí)全面的商品信息，政府與市場(chǎng)也需要運(yùn)用安全級(jí)別更高、制約力更強(qiáng)、監(jiān)管追責(zé)更迅速的方法,因此，建設(shè)農(nóng)產(chǎn)品流通溯源體系是我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)的必經(jīng)之路。目前，農(nóng)產(chǎn)品流通追溯體系建設(shè)面臨著兩個(gè)嚴(yán)峻問(wèn)題，一是如何快速的集成化采集農(nóng)產(chǎn)品流通信息并有效上傳；二是如何確保流通環(huán)節(jié)的交易信息具有安全共識(shí)且物流信息不會(huì)丟失。

2 現(xiàn)有信息采集技術(shù)

在傳統(tǒng)流通追溯環(huán)節(jié)，信息的收集主要依賴于物流公司成熟的位置追蹤技術(shù)，但農(nóng)產(chǎn)品交易較為零碎短暫，難成規(guī)模[2]，傳統(tǒng)的定位技術(shù)難以精確追蹤，致使物流公司無(wú)法在產(chǎn)品信息文檔中補(bǔ)充運(yùn)輸方式、運(yùn)輸環(huán)境和接受地等信息。所以在農(nóng)產(chǎn)品附加標(biāo)簽以跟蹤實(shí)體，通過(guò)對(duì)標(biāo)簽的規(guī)范化掃描，來(lái)采集并存儲(chǔ)可追溯鏈上所有階段的信息是農(nóng)產(chǎn)品流通追溯體系建設(shè)的前提。

2.1 條碼技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源的信息采集應(yīng)用

作為最成熟、經(jīng)濟(jì)的自動(dòng)識(shí)別數(shù)據(jù)技術(shù)，條形碼已被廣泛應(yīng)用于各種可追溯管理系統(tǒng)的信息采集階段[3]。條碼的信息輸入速度快、可靠性強(qiáng)且制作成本低，但儲(chǔ)存信息的安全性及信息容量存在缺陷，其編碼技術(shù)的公開(kāi)化使存儲(chǔ)的信息極易受到復(fù)制篡改。另外，條形碼抗污性較差，而農(nóng)產(chǎn)品的流通環(huán)境容易造成條碼受損而丟失信息。

2.2 RFID技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品追溯中的信息采集應(yīng)用

解決信息采集痛點(diǎn)的另一個(gè)成熟技術(shù)即是無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)(RFID)，相比條碼技術(shù)，該技術(shù)可同時(shí)識(shí)別多個(gè)產(chǎn)品、自動(dòng)化高、信息儲(chǔ)存量、防污染及可回收等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]，但其標(biāo)簽成本較高且技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)缺乏統(tǒng)一性。在物流領(lǐng)域，RFID已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)加工、倉(cāng)庫(kù)管理、物流跟蹤和產(chǎn)品防偽等領(lǐng)域。RFID技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的應(yīng)用包括生產(chǎn)(種植/飼養(yǎng))、采摘/屠宰、加工、倉(cāng)儲(chǔ)、分銷和銷售等[5]。在這一系列環(huán)節(jié)中，RFID系統(tǒng)為生產(chǎn)者、批發(fā)商、零售商和消費(fèi)者提供農(nóng)業(yè)食品流通管理信息和安全數(shù)據(jù),嚴(yán)格保證了農(nóng)業(yè)食品的質(zhì)量和安全，極大地提高農(nóng)業(yè)食品的價(jià)值。

2.3 其他技術(shù)的應(yīng)用

除以上兩種技術(shù)，近年來(lái)同位素溯源技術(shù)和DNA分析技術(shù)讓信息安全性更進(jìn)一步，但該類技術(shù)尚未成熟，且產(chǎn)品信息識(shí)別耗時(shí)過(guò)長(zhǎng)。

3 條碼與RFID并行融合的農(nóng)產(chǎn)品信息采集技術(shù)

針對(duì)于我國(guó)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)產(chǎn)品眾多，散貨規(guī)模較大的現(xiàn)狀，單一使用RFID技術(shù)不光成本較大，且難以實(shí)現(xiàn)信息追溯系統(tǒng)的實(shí)時(shí)登記把控；然而將條碼技術(shù)與RFID技術(shù)融合使用，解決其信息互通問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)多方面優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，解決眾多技術(shù)瓶頸與成本矛盾，如條碼的規(guī)模使用可以解決其基本成本問(wèn)題，而RFID可以通過(guò)射頻識(shí)別技術(shù)解決信息的效率識(shí)別與表面附著問(wèn)題。

農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)有供應(yīng)鏈流程大致為：農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)、流通加工環(huán)節(jié)、倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)。這五大環(huán)節(jié)間必須建立統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)以實(shí)現(xiàn)每一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息互通，且使用兼容的信息掃描讀取設(shè)備與統(tǒng)一的編碼規(guī)則進(jìn)行信息的更新添加，全環(huán)節(jié)并行融合。

在生產(chǎn)種植環(huán)節(jié)，為處于同一地塊的同一品種產(chǎn)物加上電子標(biāo)簽并賦予唯一身份ID，通過(guò)對(duì)電子標(biāo)簽的規(guī)范化掃描將農(nóng)產(chǎn)品的生長(zhǎng)環(huán)境，農(nóng)藥化肥施放，當(dāng)前狀態(tài)等信息，通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)該農(nóng)產(chǎn)品的唯一ID，進(jìn)行信息的存儲(chǔ)保護(hù)。

在流通加工環(huán)節(jié)，通過(guò)讀取電子標(biāo)簽信息對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的品種、尺寸、質(zhì)量進(jìn)行層級(jí)劃分，將不同層級(jí)的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行商品分裝，利用電子標(biāo)簽與條碼打印機(jī)數(shù)據(jù)信息互通，為各層級(jí)包裝的農(nóng)產(chǎn)品粘貼鏈接至數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)應(yīng)ID的條碼。數(shù)據(jù)融合如下圖所示：

圖1 信息數(shù)據(jù)的串行融合

在倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)，因農(nóng)產(chǎn)品保鮮期較短，需進(jìn)行合理有序的貨位安排輔助智能化調(diào)度才能保證農(nóng)產(chǎn)品周轉(zhuǎn)效率最大化。因此，在倉(cāng)庫(kù)設(shè)置統(tǒng)一的電子標(biāo)簽讀寫(xiě)設(shè)備，入庫(kù)前通過(guò)對(duì)電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)的讀取，在信息系統(tǒng)中合理規(guī)劃安放貨位。

在運(yùn)輸環(huán)節(jié)，通過(guò)在集裝運(yùn)輸車中添加可讀電子標(biāo)簽，通過(guò)設(shè)置時(shí)間段進(jìn)行信息的讀寫(xiě)更新，并連同信息傳感設(shè)備獲取運(yùn)輸車內(nèi)環(huán)境信息導(dǎo)入至數(shù)據(jù)庫(kù)，并在到站后裝卸通過(guò)統(tǒng)一的讀寫(xiě)設(shè)備進(jìn)行電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)到條碼封裝的數(shù)據(jù)互通。

在最終銷售環(huán)節(jié)，銷售商通過(guò)對(duì)條碼的掃讀進(jìn)行系統(tǒng)中貨物信息的及時(shí)更新，并在送出后通過(guò)電子標(biāo)簽的定時(shí)讀取完成終端配送信息的更新。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品流通追溯的價(jià)值

在農(nóng)產(chǎn)品流通追溯體系建設(shè)過(guò)程中，另一個(gè)重要的問(wèn)題即是如何維護(hù)流通過(guò)程中的交易信息不被篡改。而區(qū)塊鏈的核心就是為安全信息建立共識(shí)基礎(chǔ)，依靠數(shù)據(jù)庫(kù)的技術(shù)方案，通過(guò)分散和無(wú)信任的方法共同維護(hù)交易信息，不必去擔(dān)心節(jié)點(diǎn)被惡意篡改。該技術(shù)方案可以通過(guò)使用加密對(duì)系統(tǒng)中的任何數(shù)量的節(jié)點(diǎn)來(lái)創(chuàng)建區(qū)塊，每個(gè)塊包含一段時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)中發(fā)生的所有交易數(shù)據(jù)，通過(guò)創(chuàng)建數(shù)字識(shí)別機(jī)制，使用不同密鑰加密解密，并用來(lái)驗(yàn)證信息的有效性并與下一個(gè)塊連接。

利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以構(gòu)建新型農(nóng)產(chǎn)品流通體系，改變現(xiàn)在信息極不對(duì)稱，流通體系極不健全的現(xiàn)狀[6]。因此，設(shè)想利用區(qū)塊鏈技術(shù)搭建一個(gè)基于以太坊智能合約的包括種植商、分銷商、零售商、物流公司以及終端客戶在內(nèi)的公鏈，不光允許農(nóng)產(chǎn)品流通環(huán)節(jié)的所有參與者加入監(jiān)管環(huán)節(jié)，甚至公眾也可獲得合法的訪問(wèn)身份，通過(guò)應(yīng)用端參與農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)的監(jiān)管。通過(guò)推廣該技術(shù)，促使該鏈條將資金信息流與貨物流都記錄在鏈上不可篡改，這樣有效降低了農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈成本；同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品流通信息的真實(shí)性與可追溯性[7]。

4.1 流通追蹤查詢

傳統(tǒng)的信息記錄往往面臨著信息丟失和篡改的問(wèn)題[8]，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)可使交易信息由參與者集體保護(hù)擁有且不被篡改。在傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品流通過(guò)程中，往往面臨著多個(gè)承運(yùn)商轉(zhuǎn)運(yùn)的情況，信息極易丟失，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)可保障流通過(guò)程中信息記錄的完整性、真實(shí)性，也可保證交易用戶隨時(shí)通過(guò)應(yīng)用查詢到流通信息。

4.2 信息共識(shí)安全

在以往的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存方式中，數(shù)據(jù)通常由中央處理器集中存儲(chǔ)，只要擁有一定訪問(wèn)核心權(quán)限的工作人員對(duì)數(shù)據(jù)稍加更改，就能使流動(dòng)信息達(dá)到被篡改的目的。而區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化處理，使每個(gè)參與者都是“處理核心”，要想更改數(shù)據(jù)，理論上需要同時(shí)獲得起碼51%以上用戶的訪問(wèn)權(quán)限，當(dāng)某個(gè)不法參與商企圖刪除更改自己的違法記錄，也只能更改自己這唯一終端的數(shù)據(jù)，然而其他參與者依舊保留原始數(shù)據(jù)，確保了責(zé)任認(rèn)定的無(wú)誤。

5 農(nóng)產(chǎn)品流通追溯體系基礎(chǔ)架構(gòu)設(shè)計(jì)

綜合現(xiàn)有信息收集技術(shù)與區(qū)塊鏈特性，設(shè)計(jì)出區(qū)塊鏈基本架構(gòu)如下圖2所示,該框架主要分為物理層、通信(協(xié)議)層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用(接口)層;其中區(qū)塊鏈技術(shù)直接應(yīng)用于通信層與數(shù)據(jù)層[9]。

物理層：物理層主要包含上文闡述的傳感器與掃描信息收集技術(shù)，采集市場(chǎng)上相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品包括產(chǎn)地、實(shí)時(shí)價(jià)格、流通加工等重要信息，并上傳至數(shù)據(jù)層。但現(xiàn)有訪問(wèn)機(jī)制使其信息傳遞具有被攻擊的潛在威脅，安全性的加強(qiáng)必須依靠通信層的身份認(rèn)證。在信息采集方面，物理層使用了RFID與條碼技術(shù)的并行融合設(shè)計(jì)，通過(guò)兩者交叉混合使用，增加了物理層信息采集的效率并且降低了基礎(chǔ)使用成本。

圖2 農(nóng)產(chǎn)品流通體系基礎(chǔ)框架

通信層：通信層主要包含網(wǎng)絡(luò)傳輸與信息協(xié)議，采用4G/5G，以太網(wǎng)等通信機(jī)制，建立在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的以太坊平臺(tái)，保護(hù)系統(tǒng)在節(jié)點(diǎn)遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊的情況下依舊穩(wěn)定。在這一層中，主要采取的是POW共識(shí)機(jī)制，該共識(shí)以哈希SHA256算法函數(shù)為基礎(chǔ)，通過(guò)運(yùn)算出滿足規(guī)則的隨機(jī)數(shù)獲得訪問(wèn)記賬權(quán)限，并發(fā)出本次所需記錄的數(shù)據(jù)，當(dāng)其他節(jié)點(diǎn)共同驗(yàn)證后，即可共同進(jìn)行交易信息存儲(chǔ)。[10]通信層可以確保信息傳遞的穩(wěn)定快速與身份驗(yàn)證的安全可靠，這對(duì)于RFID與條碼間的信息互通驗(yàn)證極為重要，通過(guò)智能協(xié)議對(duì)唯一身份ID的驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)信息的交換與封裝是實(shí)現(xiàn)物理層信息交換的保障。

數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層為交易記錄創(chuàng)建信息區(qū)塊，建立分布式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)非對(duì)稱加密與時(shí)間戳的方式使每條交易記錄擁有獨(dú)立的加密密鑰，交易記錄一旦成功存儲(chǔ)至數(shù)據(jù)層即無(wú)法更改，且完整的交易數(shù)據(jù)可供任何合法身份用戶進(jìn)行驗(yàn)證審核。訪問(wèn)該公鏈不需要獲取訪問(wèn)權(quán)限，信息記錄對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有合法節(jié)點(diǎn)公開(kāi)，使其具有高透明性，建立了交易信息安全共識(shí)基礎(chǔ)。該層保存了RFID實(shí)時(shí)更新收集的信息，條碼待封裝的信息以及外部用戶信息獲取交易信息，一經(jīng)存儲(chǔ)即無(wú)法篡改。

應(yīng)用(接口)層：應(yīng)用層可以理解為消費(fèi)者可使用的客戶端軟件，通過(guò)嵌入相關(guān)協(xié)議，進(jìn)行身份確認(rèn)后，消費(fèi)者可通過(guò)應(yīng)用層的接口與區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)接，進(jìn)行信息交易，獲取相關(guān)產(chǎn)品溯源信息，監(jiān)管部門(mén)亦可追溯問(wèn)題商品流通，實(shí)行精確定位，快速追責(zé)。

在該平臺(tái)搭建成功的環(huán)境下，農(nóng)產(chǎn)品的基本身份信息與每一環(huán)節(jié)的流通信息均可通過(guò)物理層的傳感交互技術(shù)進(jìn)行高效收集，并鏈接到電子信息文檔，解決無(wú)法集成化采集農(nóng)產(chǎn)品流通信息的痛點(diǎn)。通過(guò)通信層的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)層平臺(tái)，在通信層基于以太坊的智能合約與完全去中心化的共識(shí)機(jī)制可以保證信息傳輸?shù)母咝暾野踩缘玫奖Ｕ稀Ｍ瓿缮蟼鞯男畔?，通過(guò)數(shù)據(jù)層的分布式記賬存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)完全去中心化，保證信息獲得安全共識(shí)且無(wú)法篡改。而在應(yīng)用層，終端用戶通過(guò)嵌入接口達(dá)到數(shù)據(jù)層互通的APP，掃描農(nóng)產(chǎn)品包裝上的條碼獲取承載的信息，達(dá)到獲取農(nóng)產(chǎn)品每一流通加工環(huán)節(jié)信息的目的。

6 結(jié)論

本文融合了現(xiàn)有成熟的信息采集技術(shù)，基于區(qū)塊鏈工作原理，設(shè)計(jì)了應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品流通追溯體系框架，并從技術(shù)層面解釋了運(yùn)營(yíng)流程以及框架的合理性。目前，我國(guó)基于區(qū)塊鏈應(yīng)用的農(nóng)產(chǎn)品追溯案例較少，大多數(shù)應(yīng)用均為大型企業(yè)內(nèi)部或企業(yè)間合作的流程性追溯。本文則創(chuàng)新地結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品交易市場(chǎng)現(xiàn)狀，分析了公眾對(duì)追溯系統(tǒng)建設(shè)地迫切需求，從社會(huì)、企業(yè)、政府多層面綜合性提出建設(shè)方案，以區(qū)塊鏈技術(shù)為落腳點(diǎn)，并考慮到技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度，充分利用現(xiàn)有成熟技術(shù)與新技術(shù)結(jié)合，既解決了農(nóng)產(chǎn)品流通追溯體系建設(shè)面臨的痛點(diǎn)，又滿足了我國(guó)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展建設(shè)的需求。