區(qū)塊鏈技術(shù)在糧食質(zhì)量追溯體系中應(yīng)用探討

李燕羽，常 青，苑江浩，趙會(huì)義，孫開(kāi)源，TENG Shyh-wei

（1. 國(guó)家糧食和物資儲(chǔ)備局科學(xué)研究院，北京 100037；2. 鄭州華糧科技股份有限公司，河南 鄭州450001；3. 聯(lián)邦大學(xué)，維多利亞州 3842，澳大利亞）

民以食為天，食以糧為安，糧食安全既是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的必備條件，也是社會(huì)穩(wěn)定的基礎(chǔ)[1]。新時(shí)代下，糧食安全承載著國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康發(fā)展壓艙石的重要角色，對(duì)保障人民大眾安居樂(lè)業(yè)意義巨大。我國(guó)“十三五”規(guī)劃中明確提到要用科技手段支撐國(guó)家的糧食安全戰(zhàn)略，在轉(zhuǎn)變農(nóng)業(yè)發(fā)展方式的同時(shí)，更加注重農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和食品安全[2]。利用科學(xué)技術(shù)，通過(guò)學(xué)科融合，改變傳統(tǒng)行業(yè)和產(chǎn)業(yè)，符合科技興國(guó)戰(zhàn)略，也是科技創(chuàng)新發(fā)展的重要?jiǎng)恿Α＝陙?lái)，科學(xué)技術(shù)蓬勃發(fā)展，以5G、云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工AI等為代表的信息技術(shù)引領(lǐng)社會(huì)進(jìn)入新的發(fā)展階段，對(duì)于相對(duì)傳統(tǒng)的糧食行業(yè)，如何利用這些新技術(shù)，搭上時(shí)代發(fā)展的快車(chē)，夯實(shí)糧食安全的同時(shí)，進(jìn)一步滿足人民群眾日益提升的物質(zhì)文化需求，是當(dāng)前許多科技工作者和傳統(tǒng)糧食人不斷探索和追求的目標(biāo)。

1 區(qū)塊鏈在我國(guó)的發(fā)展情況

近年來(lái)，“區(qū)塊鏈”作為一種前沿的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[3]，被許多領(lǐng)域借鑒參考，除了諸如比特幣在內(nèi)的虛擬貨幣之外，利用區(qū)塊鏈自身的去中心化、加密、不可篡改等特性[4]，被廣泛應(yīng)用在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)和智能化體系中，諸如金融[5]、保險(xiǎn)、產(chǎn)品溯源[6]等領(lǐng)域，均能見(jiàn)到“區(qū)塊鏈”的概念和題材，我國(guó)也在積極借助區(qū)塊鏈技術(shù)，發(fā)展數(shù)字貨幣，可以說(shuō)，區(qū)塊鏈技術(shù)已經(jīng)在有形和無(wú)形中逐漸改變著原有行業(yè)，對(duì)促進(jìn)科技進(jìn)一步發(fā)展發(fā)揮了積極作用。

2008年，比特幣創(chuàng)始人中本聰?shù)谝淮卧凇侗忍貛虐灼?shū)》[7]中提出“區(qū)塊鏈”概念，隨后的數(shù)年中，區(qū)塊鏈技術(shù)在全球得到了快速傳導(dǎo)和推廣。我國(guó)區(qū)塊鏈領(lǐng)域研究雖然起步較晚，但發(fā)展迅速，據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2019年，我國(guó)相關(guān)公司占有全球區(qū)塊鏈專(zhuān)利權(quán)的八成以上[8]。在2016年公布的《十三五國(guó)家信息化規(guī)劃》中，我國(guó)將區(qū)塊鏈技術(shù)列為戰(zhàn)略性前沿技術(shù)。2018年，區(qū)塊鏈融入我國(guó)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域[9]，與傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中生產(chǎn)管理手段和體系方面進(jìn)行了一系列理論論證實(shí)踐，在“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”、“農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈”、“金融保險(xiǎn)+區(qū)塊鏈”、“質(zhì)量追溯+區(qū)塊鏈”[9]等方面都做出了積極嘗試和理論探索，部分領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始采取試點(diǎn)應(yīng)用，取得了不少科技成果。

2 糧食領(lǐng)域區(qū)塊鏈研究應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷研究與發(fā)展，區(qū)塊鏈在糧食行業(yè)的研究與應(yīng)用近兩年來(lái)取得了一些進(jìn)展。利用區(qū)塊鏈技術(shù)的“去中心化”、“時(shí)間戳”、“不可更改”等特點(diǎn)，研究人員將其使用在糧食電子商務(wù)平臺(tái)，通過(guò)建立電子合同的方式，提高工作效率并確保其安全性。實(shí)踐運(yùn)用中，研究者針對(duì)東北糧網(wǎng)項(xiàng)目中的合約設(shè)計(jì)，運(yùn)用區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)，對(duì)合約簽訂進(jìn)行升級(jí)，不僅減少了第三方服務(wù)干擾，還進(jìn)一步體現(xiàn)了合約安全性[10]，由于技術(shù)上不可篡改，所以合約的保障性更好。

利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)追溯功能，近年來(lái)也有學(xué)者在糧農(nóng)領(lǐng)域進(jìn)行過(guò)理論分析和論證，研究人員發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈的一些特性和功能，非常適合用來(lái)打造現(xiàn)代化的食品質(zhì)量安全追溯體系[11]。質(zhì)量安全追溯體系，目前在食品安全中已經(jīng)被廣泛研究應(yīng)用[4]，其基本原理是利用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)，數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，建立形成一套數(shù)據(jù)庫(kù)管理和查詢(xún)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)從消費(fèi)端到生產(chǎn)源頭的信息檢索，找到質(zhì)量問(wèn)題根源，使之追責(zé)有據(jù)，并以此檢查防患質(zhì)量漏洞。目前，質(zhì)量追溯體系已經(jīng)作為一種行之有效并管理手段在糧農(nóng)領(lǐng)域?qū)嵤┻\(yùn)用，取得了不少成果[12]。在糧食行業(yè)，有學(xué)者以近場(chǎng)通信技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建追溯體系框架，實(shí)現(xiàn)了稻米質(zhì)量的溯源[13]，而在實(shí)際應(yīng)用中，一些知名糧食企業(yè)也都建立了自己的溯源體系，用來(lái)檢測(cè)產(chǎn)品的流向，增加產(chǎn)品的品牌效應(yīng)[14]。在我國(guó)江蘇省，更是計(jì)劃打造“江蘇好糧油”品牌，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等手段實(shí)現(xiàn)庫(kù)存糧食的質(zhì)量追溯體系，成為重要的試點(diǎn)地區(qū)[15]。

3 傳統(tǒng)追溯體系在糧食行業(yè)的瓶頸

盡管物聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)已經(jīng)比較成熟，質(zhì)量追溯體系也已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了從理論設(shè)計(jì)到應(yīng)用落地，但在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中仍面臨一些瓶頸和不足之處。

3.1 傳統(tǒng)手段無(wú)法滿足糧食的全鏈條可追溯

傳統(tǒng)方案下，一般的質(zhì)量追溯鏈體系可以借助物聯(lián)網(wǎng)，設(shè)計(jì)相關(guān)的傳感器、芯片、條碼等設(shè)備，在相關(guān)產(chǎn)品上預(yù)計(jì)標(biāo)記，收集記錄產(chǎn)品的各類(lèi)信息和資料，并記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中（圖1）。比如，有研究通過(guò)給活禽身上安裝芯片的方法，記錄下從孵化、養(yǎng)殖到宰殺的全部過(guò)程和信息，信息經(jīng)過(guò)物聯(lián)網(wǎng)錄入后，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)查詢(xún)，可獲得該芯片對(duì)標(biāo)的活禽全部生長(zhǎng)和養(yǎng)殖信息，實(shí)現(xiàn)追溯功能[16]。

圖1 傳統(tǒng)質(zhì)量追溯平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

但是，由于糧食形態(tài)散，顆粒小且數(shù)量大等特點(diǎn)，通過(guò)安裝芯片、條碼等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量追溯，這樣的方式難度較大。國(guó)外有研究人員曾有過(guò)類(lèi)似嘗試，一是通過(guò)使用微型 RFID芯片，另外是將可食用原料制成印有條碼的顆粒物混入糧食中[17]，理論上都實(shí)現(xiàn)了糧食追溯效果。不過(guò)從實(shí)際應(yīng)用中來(lái)看，在動(dòng)輒數(shù)幾十噸、上百?lài)嵣踔燎f(wàn)噸級(jí)別谷物生產(chǎn)、儲(chǔ)藏、流通中，投放RFID芯片亦或者加入條碼顆粒物，不但會(huì)造成糧食的雜質(zhì)率上升，妨礙加工，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)極高的成本，因此這樣的方式不適合廣泛用于應(yīng)用。

3.2 現(xiàn)有技術(shù)整合難度大，重復(fù)投入過(guò)多

鑒于糧食自身的一些特點(diǎn)，建設(shè)追溯體系相對(duì)可取的方法是在各個(gè)環(huán)節(jié)中設(shè)立節(jié)點(diǎn)或終端，一是借助傳感器記錄相關(guān)數(shù)據(jù)，自動(dòng)錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。比如在大田生產(chǎn)環(huán)節(jié)，記錄水分、光照等數(shù)據(jù)。另外一些節(jié)點(diǎn)和環(huán)節(jié)需要通過(guò)人工方式，將有效數(shù)據(jù)予以錄入。比如在糧食收儲(chǔ)、儲(chǔ)藏、加工的環(huán)節(jié)，糧食的品質(zhì)檢測(cè)數(shù)據(jù)等，有賴(lài)人工記載并通過(guò)終端錄入數(shù)據(jù)庫(kù)。追溯平臺(tái)的主數(shù)據(jù)庫(kù)承載著來(lái)自生產(chǎn)、加工、物流等各節(jié)點(diǎn)的信息，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，滿足監(jiān)管部門(mén)以及消費(fèi)終端的管理、查詢(xún)和追溯。

即便如此，該種構(gòu)架下的追溯設(shè)計(jì)，在統(tǒng)一管理和應(yīng)用方面，仍表現(xiàn)出技術(shù)整合難度大，重復(fù)投入多等一些短板。傳統(tǒng)構(gòu)架布局下，為展現(xiàn)品牌效果，一般農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)多主導(dǎo)和承擔(dān)追溯體系建設(shè)工作，相應(yīng)開(kāi)發(fā)主數(shù)據(jù)庫(kù)和相關(guān)環(huán)節(jié)的子數(shù)據(jù)庫(kù)體系，面向不同節(jié)點(diǎn)部署終端，并開(kāi)發(fā)相應(yīng)查詢(xún)、數(shù)據(jù)錄入平臺(tái)等（圖1）?？紤]基于不同軟件開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)庫(kù)或平臺(tái)缺乏共融性，在相同節(jié)點(diǎn)都需要設(shè)置不同的傳感器、條碼等，并配置相關(guān)設(shè)備。比如零售端，有 A、B兩個(gè)公司的兩種商品，每種商品都配置了不同類(lèi)型傳感器，零售人員進(jìn)貨并做數(shù)據(jù)錄入時(shí)，需要在A、B兩個(gè)公司開(kāi)發(fā)的兩個(gè)平臺(tái)或信息端口錄入數(shù)據(jù)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。消費(fèi)者也需要在多個(gè)平臺(tái)下實(shí)現(xiàn)查詢(xún)追溯，極為不便。并且按照傳統(tǒng)構(gòu)架部署，每品牌對(duì)應(yīng)的商品都需要自有的硬件設(shè)備（諸如服務(wù)器、傳感器等），數(shù)據(jù)庫(kù)等，存在重復(fù)性投入。

而這樣的設(shè)計(jì)，還存在一個(gè)比較明顯的弊端，就是中心服務(wù)器扮演著連接各節(jié)點(diǎn)、匯總?cè)繑?shù)據(jù)的重要功能，一旦出現(xiàn)故障或受到網(wǎng)絡(luò)攻擊，就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)追溯體系無(wú)法正常運(yùn)轉(zhuǎn)，嚴(yán)重情況下，如果數(shù)據(jù)發(fā)生丟失，則整個(gè)追溯體系就會(huì)失去核心，不再具備追溯意義。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)在糧食追溯體系建設(shè)中的應(yīng)用場(chǎng)景

借助區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)規(guī)劃和布局糧食追溯體系，可以有效解決傳統(tǒng)構(gòu)架下信息的安全性問(wèn)題。從本質(zhì)看，區(qū)塊鏈本身是一種去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)在任何節(jié)點(diǎn)發(fā)生變化，不但會(huì)自動(dòng)加蓋“時(shí)間戳”，而且鑒于區(qū)塊鏈的加密特性，鏈中各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都不可被篡改，且數(shù)據(jù)分布在整個(gè)區(qū)塊鏈中。

若從區(qū)塊鏈的模式開(kāi)展糧食追溯體系的規(guī)劃和設(shè)計(jì)（圖2），所有收儲(chǔ)、加工、物流、零售等節(jié)點(diǎn)都通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)予以部署，終端用戶(hù)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和各節(jié)點(diǎn)也都通過(guò)追溯平臺(tái)，獲取相關(guān)的查詢(xún)數(shù)據(jù)。實(shí)現(xiàn)去中心化后，能夠有效解決傳統(tǒng)框架下因中心服務(wù)器故障、受損等帶來(lái)的體系癱瘓風(fēng)險(xiǎn)，以及數(shù)據(jù)損毀給追溯體系帶來(lái)的損失。并且，以區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)組建的質(zhì)量追溯體系，可以避開(kāi)中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)等系統(tǒng)建設(shè)，降低軟硬件的設(shè)備重復(fù)性投入以及人工維護(hù)成本。在基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)模式下，還便于監(jiān)管機(jī)構(gòu)組織企業(yè)共同建設(shè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的質(zhì)量追溯網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，規(guī)范系統(tǒng)的接入端口，以此提升監(jiān)管能力，并增加終端用戶(hù)的查詢(xún)追溯體驗(yàn)感，增強(qiáng)質(zhì)量追溯體系的應(yīng)用性。

糧食產(chǎn)業(yè)鏈較長(zhǎng)，糧食從播種到走上餐桌，期間經(jīng)歷包括田間管理、收獲、儲(chǔ)備、加工、流通等一個(gè)相當(dāng)長(zhǎng)的產(chǎn)業(yè)鏈條，不僅環(huán)節(jié)多，而且在從原糧到成品糧的過(guò)程中，糧食的形態(tài)、結(jié)構(gòu)、性質(zhì)會(huì)發(fā)生許多變化。傳統(tǒng)概念中，質(zhì)量追溯體系可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)源頭的查詢(xún)，反應(yīng)到糧食品種上，就是在作物播種時(shí)就應(yīng)該開(kāi)始記錄相關(guān)信息數(shù)據(jù)。理論上種子、化肥、田間管理等因素都會(huì)對(duì)糧食品質(zhì)帶來(lái)影響，但實(shí)際生產(chǎn)中，糧食成熟收獲后規(guī)模性進(jìn)入市場(chǎng)，一部分進(jìn)入儲(chǔ)備體系成為儲(chǔ)備糧以備不時(shí)之需，另一部分直接進(jìn)入加工企業(yè)，進(jìn)行成品糧的生產(chǎn)。無(wú)論是哪個(gè)環(huán)節(jié)，對(duì)糧食優(yōu)劣的定義，重要的參考依據(jù)是收獲時(shí)的糧食質(zhì)量，也就是常見(jiàn)的糧食等級(jí)，由于加工的流程和工藝總體固定，因此不同品質(zhì)的糧食會(huì)對(duì)成品糧質(zhì)量帶來(lái)明顯影響。

鑒于此，我們?cè)诮ㄔO(shè)糧食監(jiān)測(cè)體系時(shí)，盡管從技術(shù)手段上能夠?qū)崿F(xiàn)糧食各個(gè)環(huán)節(jié)的監(jiān)測(cè)，但實(shí)際應(yīng)用意義有限。不管何種原因，只要糧食收獲時(shí)品質(zhì)達(dá)不到加工或食用需求，就不會(huì)進(jìn)入剩余的加工消費(fèi)環(huán)節(jié)，也就失去了追溯的價(jià)值?？紤]實(shí)際情形，不妨只在糧食儲(chǔ)備、加工、物流、零售等環(huán)節(jié)做好監(jiān)測(cè)和記錄，消費(fèi)者或者監(jiān)管單位通過(guò)平臺(tái)能夠追溯和查詢(xún)到糧食的產(chǎn)地、品種等級(jí)、質(zhì)量變化、存放時(shí)間、加工情況、是否有摻兌等比較具有參考價(jià)值的指標(biāo)和數(shù)據(jù)，能夠確定買(mǎi)到或吃到的糧食是健康的，安全的，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的，基本上也就實(shí)現(xiàn)了糧食質(zhì)量追溯的真正目標(biāo)。這樣一來(lái)，也方便營(yíng)造追溯體系的應(yīng)用生態(tài)，反向推動(dòng)糧食儲(chǔ)備、加工流程的規(guī)范化，使糧食體優(yōu)質(zhì)優(yōu)價(jià)得到體現(xiàn)，提高生產(chǎn)者種好糧的積極性，也可減輕儲(chǔ)藏、加工等環(huán)節(jié)的投機(jī)心理，帶動(dòng)產(chǎn)業(yè)良性發(fā)展。

在現(xiàn)有糧食行業(yè)生態(tài)環(huán)境下，科技儲(chǔ)糧、智能化糧庫(kù)等手段不斷發(fā)展，糧食產(chǎn)業(yè)較以前越發(fā)規(guī)范化、制度化，這方便在區(qū)塊鏈框架下，對(duì)質(zhì)量追溯體系進(jìn)行進(jìn)一步研究和完善，總結(jié)出一套更加科學(xué)的操作標(biāo)準(zhǔn)、制度、體系用來(lái)對(duì)標(biāo)糧食追溯工作，使之更好記載各種數(shù)據(jù)和指標(biāo)，包容各種用戶(hù)的查詢(xún)和應(yīng)用。隨著 5G技術(shù)的強(qiáng)勢(shì)發(fā)展以及全國(guó)乃至全球大數(shù)據(jù)體系的不斷建設(shè)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)主導(dǎo)的糧食追溯體系，相信不久就會(huì)在實(shí)際的生產(chǎn)生活中發(fā)揮重要作用。

5 展望

糧食安全對(duì)于糧食加工業(yè)、食品零售商和分銷(xiāo)商以及管理部門(mén)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，因?yàn)樗赡苤苯佑绊懴M(fèi)者的健康。在過(guò)去的十年里，世界各地食品安全發(fā)展的重點(diǎn)從傳統(tǒng)的食品安全危害分析關(guān)鍵控制點(diǎn)（HACCP）原則轉(zhuǎn)移到食品防御，最近又轉(zhuǎn)向了食品欺詐的預(yù)防。也就是除了預(yù)防微生物、化學(xué)和物理危害外，目前正在加大力度打擊與食品欺詐或食品真實(shí)性相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。當(dāng)今的糧食安全管理體系包括安全、防御和欺詐預(yù)防措施，以應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜和全球化的食品供應(yīng)鏈。人工智能、區(qū)塊鏈、云技術(shù)和數(shù)據(jù)科學(xué)（ABCD技術(shù)）等領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展將使傳統(tǒng)的糧食行業(yè)轉(zhuǎn)變?yōu)橹悄芑Z食，通過(guò)處理從各種來(lái)源和來(lái)源獲取的結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)糧食安全和糧食真實(shí)性問(wèn)題，以確保消費(fèi)者的健康并將經(jīng)濟(jì)損失降至最低。

目前，區(qū)塊糧技術(shù)在糧食可追溯中應(yīng)用會(huì)遇到兩大問(wèn)題。一是交易風(fēng)險(xiǎn)，二是交易可控性問(wèn)題。交易準(zhǔn)確性問(wèn)題主要表現(xiàn)在復(fù)雜的環(huán)節(jié)上，信息透明度不高，利益相關(guān)者相對(duì)獨(dú)立，從而加劇了交易的風(fēng)險(xiǎn)?，F(xiàn)貨交易市場(chǎng)規(guī)模巨大，市場(chǎng)交易過(guò)程中存在諸多困難，可控性不高，給現(xiàn)貨交易市場(chǎng)的健康發(fā)展帶來(lái)了安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，將區(qū)塊鏈技術(shù)與可追溯技術(shù)相結(jié)合，提高信息的快速交互，增加了市場(chǎng)雙向交易，保證了交易的真實(shí)性和可靠性，降低了交易風(fēng)險(xiǎn)。開(kāi)發(fā)區(qū)塊鏈技術(shù)的分散功能，提高市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)市場(chǎng)秩序的監(jiān)管能力，保證了糧食現(xiàn)貨交易的健康發(fā)展。共同努力利用信息領(lǐng)域，有助于最大限度地減少經(jīng)濟(jì)損失，提高消費(fèi)者對(duì)食品數(shù)量和質(zhì)量的信心。

備注：本文的彩色圖表可從本刊官網(wǎng)（http://lyspkj.ijournal.cn/ch/index.axpx）、中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普、超星等數(shù)據(jù)庫(kù)下載獲取。