基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構(gòu)研究

艾洪福

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)信息技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130118)

隨著社會的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，人們的生活水平有了顯著提高，目前人們對農(nóng)產(chǎn)品的需求不再關(guān)注數(shù)量，而是更加關(guān)注質(zhì)量[1]。農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全與每個人的切身利益息息相關(guān)，保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量的安全性是保證人們身體健康的前提，同時高安全性的農(nóng)產(chǎn)品可提升市場競爭力。農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)田到餐桌包括多個環(huán)節(jié)，形成了復(fù)雜的鏈條，不僅包括種植過程的各個環(huán)節(jié)，同時包含物流供應(yīng)鏈等。任何環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題都會影響產(chǎn)品質(zhì)量的保障[2]。高質(zhì)量、高安全性的農(nóng)產(chǎn)品是每個消費者所關(guān)心的。如何保證農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全是目前廣泛關(guān)注的問題。尤其作為消費者，更應(yīng)該對所購買的農(nóng)產(chǎn)品有著清楚的了解。所以農(nóng)產(chǎn)品的溯源就顯得非常重要，其中溯源的準確性、可信性尤為關(guān)鍵。

1 農(nóng)產(chǎn)品溯源現(xiàn)狀

關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品的溯源，世界上的每個國家都十分關(guān)注，也得到了相關(guān)學(xué)者的高度重視，并進行了深入研究和探索。我國作為農(nóng)業(yè)大國，對農(nóng)產(chǎn)品的溯源更加關(guān)注，2002年我國開始探索農(nóng)產(chǎn)品溯源的相關(guān)技術(shù)，取得了豐碩的研究成果，并制定了相關(guān)的法規(guī)和政策。雖然很多學(xué)者已經(jīng)提出了多種溯源的方法和技術(shù)，但仍存在一些缺點與不足：農(nóng)事過程不可控，監(jiān)管機制缺失；溯源信息中心化存儲，導(dǎo)致數(shù)據(jù)共享性差，并且沒有統(tǒng)一的標準；現(xiàn)有的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)提供的溯源信息過于簡單，溯源的可信性低，溯源的靈活性不足[3]。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的逐漸成熟，其應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)從金融領(lǐng)域逐步擴展到諸多領(lǐng)域，其在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸得到學(xué)者的關(guān)注。本文將區(qū)塊鏈技術(shù)引入的農(nóng)產(chǎn)品溯源中，建立溯源體系架構(gòu)，提高農(nóng)產(chǎn)品溯源的可信性[4]。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為比特幣的實現(xiàn)方式，自2008年，匿名學(xué)者“中本聰”發(fā)表的一篇論文，區(qū)塊鏈技術(shù)得到了極大關(guān)注，從本質(zhì)上講，區(qū)塊鏈技術(shù)是一種技術(shù)的融合重新[5]。主要包括數(shù)據(jù)加密技術(shù)、共識機制、分布式存儲等。區(qū)塊鏈被認為“信任”機器，各個國家都在加快區(qū)塊鏈相關(guān)產(chǎn)業(yè)的布局和發(fā)展規(guī)劃。我國相繼出臺了有關(guān)的政策和文件，2019年，習(xí)近平總書記強調(diào)，把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，加快推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點

區(qū)塊鏈技術(shù)將數(shù)據(jù)進行分布式存儲，形成多個拷貝數(shù)據(jù)文件，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的共享，具有不可偽造的特點，其“時間戳”技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)全程留痕。構(gòu)建了“信任”基礎(chǔ)，形成“可靠”機制，應(yīng)用前景十分廣闊。區(qū)塊鏈的特點主要包括以下幾方面。

2.1.1 去中心化

區(qū)塊鏈利用分布式存儲方式記錄“全鏈”的所有交易信息。最終形成“公開賬本”。在區(qū)塊鏈中每個節(jié)點均具有記賬和存儲管理的功能，所有節(jié)點在“全鏈”中地位相同。改變了以往以“服務(wù)器”為中心的數(shù)據(jù)存儲和管理方式，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)存儲和管理的真正“去中心化”。

2.1.2 公開透明、防篡改

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)由每個節(jié)點共同參與維護，鏈上的每個節(jié)點都能獲得一份完整數(shù)據(jù)庫的拷貝；鏈上的信息對所有節(jié)點都是公開透明的，并且每個區(qū)塊的數(shù)據(jù)都有“時間戳”。鏈上的信息雖然理論上可以被更改，但實際是不可能做到的。如果某個節(jié)點想更改信息，則需要整個區(qū)塊鏈50%以上的節(jié)點同時參與才可以完成。這就形成了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)內(nèi)容的不可篡改性，保證了數(shù)據(jù)的真實性和完整性。

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用價值

區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用價值巨大，從技術(shù)角度，采用去中心化的分布式存儲，借助密碼學(xué)等技術(shù)，實現(xiàn)公開透明；從數(shù)據(jù)角度，基于共識機制可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的完備性，數(shù)據(jù)高度保持一致，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改；從業(yè)務(wù)角度，通過智能合約，可有效助力模式創(chuàng)新和新業(yè)態(tài)的培養(yǎng)[6]。

3 “區(qū)塊鏈+農(nóng)產(chǎn)品”溯源

區(qū)塊鏈技術(shù)在眾多領(lǐng)域已經(jīng)得到了良好的應(yīng)用效果。如金融服務(wù)領(lǐng)域、智能制造領(lǐng)域、文化娛樂領(lǐng)域、教育領(lǐng)域等。其中，應(yīng)用最多、應(yīng)用效果最好的是經(jīng)濟、金融領(lǐng)域。近些年，基于多領(lǐng)域的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用相關(guān)研究取得了很大進展，區(qū)塊鏈行業(yè)應(yīng)用價值水平逐漸提升[7]。隨著研究的深入，作為農(nóng)業(yè)大國，區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會得到越來越多的關(guān)注，并成為研究的熱點。

農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，人們最為關(guān)注的是農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全領(lǐng)域，構(gòu)建科學(xué)合理的溯源體系，確保溯源結(jié)果的可信性，將有利于構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的新生態(tài)，促進農(nóng)業(yè)發(fā)展[8]。

3.1 傳統(tǒng)溯源模型

目前，關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品溯源的相關(guān)研究已經(jīng)取得了較多成果，并在一定程度上得到了消費者的信任。但是，傳統(tǒng)的溯源主要采用溯源數(shù)據(jù)集中存儲模式。在中心化的數(shù)據(jù)庫中包括農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)農(nóng)資信息，農(nóng)產(chǎn)品種植過程中的相關(guān)農(nóng)事信息(種子、化肥、農(nóng)藥)，農(nóng)產(chǎn)品的采摘信息、倉儲、物流信息，經(jīng)銷商、分銷商等信息。通過生成溯源碼的方式，消費者可以通過掃描二維碼來獲取農(nóng)產(chǎn)品的相關(guān)信息，溯源結(jié)果具有一定的可信性[9]。但仍存在著一些問題，如溯源信息的可信程度偏低，由于溯源信息采用集中式存儲，某些企業(yè)為了自身利益存在修改數(shù)據(jù)的可能性，集中存儲的數(shù)據(jù)容易受到黑客的攻擊，導(dǎo)致溯源數(shù)據(jù)的安全性降低。同時，溯源系統(tǒng)在靈活程度上存在弊端，傳統(tǒng)溯源一般針對特定溯源信息進行設(shè)計，諸多事務(wù)處理流程是固化的，不能動態(tài)調(diào)整，導(dǎo)致溯源信息更新不及時[10]。

3.2 構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系

目前，由于計算機的配置存在差異性，導(dǎo)致計算機的性能差別較大，如果將關(guān)于農(nóng)產(chǎn)品各個環(huán)節(jié)(種植-倉儲-銷售)信息全部采用分布式存儲具有一定的局限性，不能保證溯源系統(tǒng)響應(yīng)的及時性。通過分析，本研究將采用“主鏈+輔鏈”模式構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品溯源體系。其中，在主鏈中采用區(qū)塊鏈技術(shù)，將地塊、種子、化肥、農(nóng)藥、采摘、監(jiān)管等信息進行分布式存儲。在輔鏈中采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)集中存儲模式，主要存儲農(nóng)事信息、加工信息、物流信息、經(jīng)銷商信息等。這樣的溯源體系模式可以在一定程度上提高溯源系統(tǒng)的效率，并可以保證重要溯源數(shù)據(jù)的真實和可信，溯源效果良好。

3.3 溯源體系架構(gòu)

基于“主鏈+輔鏈”模式的溯源模式，構(gòu)建農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 農(nóng)產(chǎn)品溯源體系架構(gòu)

3.3.1 數(shù)據(jù)采集層

通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用RFID標簽、各種傳感器(溫度、濕度等)、掃描設(shè)備，全面采集農(nóng)作物種植過程相關(guān)數(shù)據(jù)。利用傳統(tǒng)的運營系統(tǒng)收集生產(chǎn)資料、倉儲、物流、經(jīng)銷商等數(shù)據(jù)信息。為農(nóng)產(chǎn)品的溯源奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3.3.2 存儲層

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的特點以及計算機處理能力，在存儲層采用2種模式進行。采用區(qū)塊分布存儲模式，基于智能合約，將溯源信息中重要的數(shù)據(jù)進行區(qū)塊、分布式賬本存儲；傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中心存儲模式，主要用于存儲其它與農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的相關(guān)數(shù)據(jù)。這種模式可以降低溯源系統(tǒng)的復(fù)雜性，提高農(nóng)產(chǎn)品溯源效率。

3.3.3 應(yīng)用層

在該層中，針對不同的用戶角色，設(shè)定不同的權(quán)限，其中系統(tǒng)管理員可以對區(qū)塊進行管理，從事農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的相關(guān)企業(yè)或個人提供溯源數(shù)據(jù)。為保障數(shù)據(jù)的真實性，需要相關(guān)監(jiān)管部門的介入，對數(shù)據(jù)的可靠性進行監(jiān)管。消費者作為整個產(chǎn)業(yè)鏈的最后一環(huán)，可以對相關(guān)農(nóng)產(chǎn)品的信息進行溯源查詢。

3.3.4 交互層

交互層提供用戶與系統(tǒng)交互的接口，設(shè)計了3種不同的交互模式，用戶可以利用手機APP、Web以及溯源終端系統(tǒng)等對溯源系統(tǒng)進行操作。

4 溯源模型的應(yīng)用場景

基于構(gòu)建的溯源體系架構(gòu)，對農(nóng)產(chǎn)品的實際溯源進行了結(jié)果驗證。

4.1 溯源碼標識對象

在整個農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)鏈中，由于其涉及的環(huán)節(jié)眾多，既有生產(chǎn)環(huán)節(jié)、農(nóng)事作業(yè)環(huán)節(jié)，又包括加工、包裝、運輸、物流等眾多環(huán)節(jié)。這些環(huán)節(jié)通過溯源碼進行有效銜接，構(gòu)成完整的溯源數(shù)據(jù)信息。本文基于構(gòu)建的溯源體系架構(gòu)，充分考慮“粒度”問題，從農(nóng)產(chǎn)品(橘子)整個產(chǎn)業(yè)鏈中盡量剝離分析。最終選取輸出農(nóng)產(chǎn)品(橘子)為溯源對象。

4.2 超級賬本與數(shù)據(jù)的格式

本文的實際應(yīng)用場景是以超級賬本方式存儲鍵值對數(shù)據(jù)，基于前面分析所確定的溯源碼標識對象。通過設(shè)定農(nóng)產(chǎn)品(橘子)的批次信息為鍵，同時把生產(chǎn)地、物流運輸?shù)冗^程信息作為值進行溯源。以json格式進行描述，具體描述形式如圖2所示。

圖2 json格式描述

為了溯源操作方便，結(jié)果現(xiàn)實清晰，結(jié)合傳統(tǒng)的二維碼溯源模式，在系統(tǒng)中生成了溯源的二維碼，具體如圖3a所示。消費者可以通過掃描該溯源碼，獲得農(nóng)產(chǎn)品(橘子)的溯源信息，具體溯源信息如圖3b所示。

圖3 溯源碼及結(jié)果

5 總結(jié)

農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全已成為人們關(guān)注的熱點問題，關(guān)乎百姓的生活、人民的健康?？尚诺霓r(nóng)產(chǎn)品溯源信息，可以讓消費者對農(nóng)產(chǎn)品提高信任度，能夠做到吃得安心。傳統(tǒng)的溯源系統(tǒng)存在著諸多弊端[11]。本研究將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品溯源中，構(gòu)建可行、可信的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系架構(gòu)，同時在實際應(yīng)用場景中進行了驗證，結(jié)果表明溯源信息真實、可信。高安全的農(nóng)產(chǎn)品可以提升消費者信心，高可信的溯源信息可以提升農(nóng)產(chǎn)品的市場競爭力。進而促進農(nóng)業(yè)生態(tài)的構(gòu)建，助力農(nóng)業(yè)的供給側(cè)改革。