基于區(qū)塊鏈的熱帶作物種質資源溯源技術研究

李陽 趙啟陽 何云 濮文輝 李瓊

（1.北京航空航天大學/軟件開發(fā)環(huán)境國家重點實驗室 北京 100191；2.中國熱帶農業(yè)科學院熱帶作物品種資源研究所 海南海口 571101）

農業(yè)種質資源包括作物、畜禽、水產、農業(yè)微生物等，是遺傳信息由上一代傳給下一代的載體。簡單地說，農業(yè)種質資源是農產品的最初源頭，也是人類賴以生存和發(fā)展的重要物質基礎，是重要的國家戰(zhàn)略資源。目前市場中種質資源的竊取、假冒、濫用等問題較為嚴重，種質資源的重要基因信息的安全保護同樣面臨困難，這些問題都需要引起足夠的重視，以防止重要種質資源流失。

面對這些問題與難點，需要利用先進的軟件技術與工具，設計一個熱帶種質資源信息管理及溯源方法，構建更加安全高效的管理平臺，以推動種質資源的采集保存與開發(fā)利用，加強種質資源的全面管理。2019年，劉鵬飛等[1]提出基于軟件工程的基本思想，即利用UML建模，結合Hyperledger Fabric 1.0開源區(qū)塊鏈結構，將藥品溯源中所有的標準信息化，永久記錄在區(qū)塊鏈賬本中，做到從藥品生產到流通、使用全程可溯源[1]，如查詢藥品基本信息、查詢藥品成分和中轉信息等，可有效避免傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)存在的成本高昂、效率低下、數(shù)據造假等問題[2]，在藥品供應管理體系中建立起信息共享的相互信任機制。中國農業(yè)科學院作物科學研究所劉海洋等[3-5]提出的區(qū)塊鏈存儲模式是對數(shù)據傳輸節(jié)點按照區(qū)塊鏈中的網絡節(jié)點進行建模，將數(shù)據根據規(guī)范存儲在區(qū)塊鏈中，數(shù)據共識由“雙中心化”的網絡節(jié)點來達成，利用非對稱加密技術，使用數(shù)據提交節(jié)點的私鑰在數(shù)據通過審核后對其進行簽名，進而實現(xiàn)對數(shù)據的加密。目前在種質資源管理平臺上對于區(qū)塊鏈的應用，并非完全“去中心化”，在種質資源審批的過程中，仍然需要中心化機構的參與，這使得平臺的底層架構依舊類似于傳統(tǒng)的中心化架構，計算效率不高，交易流程上也有不足，難以滿足更大的用戶量與數(shù)據量、實時交易、便捷溯源等需求。

本文基于區(qū)塊鏈技術，設計了一種熱帶作物種質資源登記與溯源方法，可將種質資源生命周期中不同環(huán)節(jié)的新增信息加上時間戳打包成區(qū)塊上鏈，由于區(qū)塊鏈技術本身的特性，上鏈后的區(qū)塊是天然可溯源的，可以方便地追溯種質資源生命周期中信息的增加與修改。由于區(qū)塊鏈本身具有集體維護和不可篡改等特點，保障了種質資源的存儲與數(shù)據安全，如果資源在某個環(huán)節(jié)上出現(xiàn)了流失、篡改或偽造等問題，也易于通過溯源查找到責任方[6]。

1 國內外相關研究

1.1 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈由Nakamoto[7]在2008年首次提出，以區(qū)塊鏈技術為基礎，建立了比特幣系統(tǒng)架構，這是一個點對點式的電子現(xiàn)金系統(tǒng)[8]，是去中心化的分布式系統(tǒng)，雙方在進行在線交易時可以直接面向對方進行交易，而不必通過第三方機構。比特幣金融系統(tǒng)自啟動起，一直在穩(wěn)定地運行和發(fā)展。而比特幣分布式的底層結構也開始被信息從業(yè)者注意和討論[9]，人們將這種基于分布式數(shù)據庫的技術稱為“區(qū)塊鏈”技術。相較于傳統(tǒng)的中心化體系架構，區(qū)塊鏈作為一種去中心化基礎架構和分布式計算范式[10]，具有去中心化、集體維護、不可篡改、時序數(shù)據、可以追溯等特點[11-24]，能夠更好地與種質資源采集、保存、利用及其復雜的基因信息等特點相適應。區(qū)塊鏈不將數(shù)據庫建立在中心機構上，而是建立分布式系統(tǒng)結構，在分布式節(jié)點間通過純數(shù)學方法建立信任關系，進行數(shù)據的驗證、記賬、存儲、維護和傳輸?shù)?，保證去中心化分布式系統(tǒng)的可信任性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)的不可篡改性通過區(qū)塊鏈技術中的非對稱密碼學原理對數(shù)據進行加密來保證；此外，分布式系統(tǒng)的部署也使得對某一數(shù)據的篡改在系統(tǒng)各個節(jié)點強大算力的抵抗下無法實現(xiàn)[25]；區(qū)塊鏈的數(shù)據存儲在鏈式區(qū)塊結構中，除了數(shù)據原本的字段外還增加了時間戳，增加了數(shù)據的時間維度，基于此可對數(shù)據進行驗證與追溯[26]；區(qū)塊鏈為用戶提供的腳本系統(tǒng)可由用戶根據自身需求自行編寫智能合約，使得對區(qū)塊鏈的應用更加靈活[27]。隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展以及信息數(shù)據存儲需求的增加，傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈中所部署的腳本已難以滿足日益復雜的需求，區(qū)塊鏈技術逐漸發(fā)展至第三代[28]，“智能合約”的出現(xiàn)使得根據需求自行設定區(qū)塊鏈交易規(guī)則得以實現(xiàn)?，F(xiàn)如今，區(qū)塊鏈技術已經被應用到金融、物聯(lián)網和物流、公共服務、數(shù)字版權[29]、保險、公益、醫(yī)療[30]等領域中，為這些領域數(shù)據與信息的管理與溯源提供了強大的技術支撐。

1.2 種質資源信息化

生物多樣性是人類生存發(fā)展的關鍵所在。對生物多樣性的保護核心在于生物種質資源多樣性的保護和發(fā)展[31]。生物種質資源的保護對于國家可持續(xù)發(fā)展以及人民生命安全具有重要意義，針對生物種質資源建設信息化平臺符合國民經濟和國家安全的需要，開展種質資源保護并使其健康發(fā)展是國家長期規(guī)劃的重要內容[32]。豐富優(yōu)質的種質資源是選育優(yōu)質農作物品種的基礎，優(yōu)質農作物品種是提高農作物產量的基礎，農作物品種與種質資源密切相關[33]。美國在農作物種質資源保護方面走在世界前列，其最早開展農作物種質資源信息共享與利用方面的工作，對農作物種質資源進行了全面規(guī)范的標準化整理和數(shù)字化表示，實現(xiàn)了對農作物種質資源的信息化管理[34]。現(xiàn)有種質資源數(shù)據量較大，利用傳統(tǒng)人工對種質資源進行管理服務的方法效率較低，難以避免數(shù)據篡改等問題。本文通過對種質資源進行信息化、數(shù)字化及高可信化轉換，實現(xiàn)數(shù)據的比對、挖掘、可視化，發(fā)現(xiàn)種質資源間的潛在規(guī)律和隱含價值。

2 基于區(qū)塊鏈的種質資源溯源系統(tǒng)

針對當前熱帶種質資源數(shù)量多、管理效率低、信息化程度低、可信化實現(xiàn)難等問題，提出了一種熱帶作物種質資源溯源技術。該技術利用區(qū)塊鏈技術的去中心化、不可篡改、可溯源等特點，設計開發(fā)了種質資源溯源區(qū)塊鏈系統(tǒng)，系統(tǒng)的基礎架構如圖1所示。區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構主要分為合約層、應用層、管理層、基礎設施層和節(jié)點。層級之間相互銜接，共同維護系統(tǒng)的正常運轉，各個層級的功能各不相同，以下對區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構的每個層級逐一介紹。

2.1 系統(tǒng)架構

合約層：合約層結合區(qū)塊鏈的特點，使用編程的方式定義數(shù)據操作流程，自動執(zhí)行相應操作，保證了合約的透明性與公平性，實現(xiàn)了自動化與智能化，減少了時間成本，提升了各方合作的效率。合約層主要有資源收集、運輸、保存信息登記合約、記錄種質資源的采集流通情況，完成種質資源信息以及流通信息的上鏈。資源溯源查詢合約則是為用戶提供了查詢種質資源溯源信息的接口。面向資源登記與溯源的區(qū)塊鏈系統(tǒng)技術架構見圖1。

應用層：應用層通過web端開發(fā)直接面向用戶，為客戶提供了種質資源信息的登記和溯源服務，將系統(tǒng)底層的記錄與數(shù)據直觀顯示出來。

管理層：對種質收集、運輸、保存過程所涉及的單位信息和種質本身的信息進行管理，以確保信息正確安全地上傳到區(qū)塊鏈網絡并進行永久存儲，為監(jiān)管、追責預警等做數(shù)據保證。

基礎設施層：選用FISCO BCOS區(qū)塊鏈平臺作為底層實現(xiàn)基礎，通過對智能合約的設計，完成對種質資源流通的永久記錄和追溯。

節(jié)點：主要包括種質資源收集、運輸、保存的單位、用戶、監(jiān)管部門等，由他們共同維護整個基于區(qū)塊鏈的種質資源登記與溯源系統(tǒng)的生態(tài)平衡，確保系統(tǒng)可以穩(wěn)定運行，對種子資源的保護進行監(jiān)督。

2.2 系統(tǒng)流程

圖2為種質資源登記與溯源業(yè)務流程圖。本研究提出的種質資源登記與溯源系統(tǒng)主要包括收集環(huán)節(jié)、運輸環(huán)節(jié)、保存環(huán)節(jié)，各環(huán)節(jié)采集的溯源信息不同。

圖2 種質資源登記與溯源業(yè)務流程

收集環(huán)節(jié)：種質資源收集單位主要到實地收集種質，并對收集的種質根據編號進行標識，記錄其名稱、資源類型、特性、用途、收集時間、收集單位等信息，并將信息上傳到區(qū)塊鏈中，這是種質資源登記與溯源系統(tǒng)的重要組成部分。

運輸環(huán)節(jié)：種質流通運輸是種質資源保護的中間環(huán)節(jié)，是種質資源分散的收集地點和保存地點之間的連接方，主要工作包括提供種質的發(fā)送地、目的地、配送人員信息，運輸種質并對其信息進行核對，再將運輸信息上傳到區(qū)塊鏈中。

保存環(huán)節(jié)：當種質通過運輸環(huán)節(jié)到達對應的種質保存單位時，保存方通過上游機構提供的追溯信息進行比對與反饋，最后將保存信息包括保存單位、保存地點、所屬種質圃、圃編號等上傳到區(qū)塊鏈中。

收集方、運輸方、保存方以及普通用戶分別作為區(qū)塊鏈中的參與組織，為其分配節(jié)點。收集方、運輸方與保存方根據各自的不同分工，對所負責登記的內容進行收集，將數(shù)據上傳至區(qū)塊鏈節(jié)點中，區(qū)塊鏈節(jié)點調用智能合約對上傳的數(shù)據進行審查與驗證，確認合法后再將區(qū)塊上鏈。普通用戶可對溯源區(qū)塊鏈數(shù)據庫發(fā)起溯源查詢請求，通過唯一的溯源碼對種質資源進行定位，并返回種質資源的溯源信息。

種質資源溯源流程如圖3所示。在輸入框中輸入種質資源所對應的唯一溯源碼，區(qū)塊鏈數(shù)據庫中可以將其定位到與之相對應的唯一的種質資源數(shù)據表中，若表中無此溯源碼所對應的種質資源，則結束查詢流程；若有，則對該區(qū)塊的信息進行訪問，查詢該區(qū)塊的信息是否為最初信息；若是，則將查詢到的溯源信息返回給發(fā)起溯源請求的用戶；若否，則通過區(qū)塊頭中的上一區(qū)塊哈希值訪問上一條信息，而后重復上述步驟直到訪問至最初的信息，再將全部的溯源信息返回給發(fā)起溯源請求的用戶。

圖3 種質資源溯源流程

3 實現(xiàn)與部署

3.1 數(shù)據庫設計

測試環(huán)境為MacOS系統(tǒng)，在Mac mini 8G 512G版本的電腦上運行，開發(fā)語言為Java語言，使用SpringBoot、Vue等框架搭建了熱帶作物種質資源溯源系統(tǒng)，采用MySQL作為系統(tǒng)數(shù)據庫與區(qū)塊鏈數(shù)據庫。數(shù)據庫中錄入的信息包括種質基本信息與收集信息，為方便數(shù)據的分類管理，根據種質資源信息的不同類型分為2個表，分別是種質資源基本信息表（表1）和種質資源收集信息表（表2）。其中，種質資源基本信息表包含了溯源碼、種質名稱種質外文名稱、科名、屬名或亞屬名、種名、種質資源類型、主要特性、主要用途、資源描述等與種質資源本體相關的信息，種質資源收集信息表則包含了溯源碼、收集號、采集號、引種號、收集單位、收集時間、來源國、來源省、來源地、土壤類型、生態(tài)系統(tǒng)類型等與種質資源收集環(huán)節(jié)相關的信息。

表1 種質資源基本信息表

表2 種質資源收集信息表

3.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

系統(tǒng)首頁如圖4所示。在系統(tǒng)首頁展示了熱帶作物種質資源管理服務系統(tǒng)底層區(qū)塊鏈的區(qū)塊數(shù)量、區(qū)塊鏈內上鏈的資源總數(shù)量、上鏈未成功的資源數(shù)量、區(qū)塊鏈的同步狀態(tài)等。在首頁左邊側邊欄有系統(tǒng)管理的功能，包括資源異議處理、資源申請?zhí)幚?、反饋處理、管理員列表、角色管理等功能，涵蓋了熱帶作物種質資源管理所需要的功能模塊。

圖4 熱帶作物種質資源管理服務系統(tǒng)首頁

熱帶作物種質資源管理服務系統(tǒng)的種質資源信息保存在區(qū)塊鏈上，圖5為區(qū)塊詳情頁面。在該頁面中，含有目前的區(qū)塊高度、區(qū)塊的哈希地址、上一區(qū)塊的hash值等內容。在區(qū)塊詳情頁面，可以通過點擊查看上一區(qū)塊的詳細內容。

圖5 區(qū)塊鏈詳情頁面

基于本文所述技術，一份種質資源從收集到入圃（庫）保存到共享的全鏈條過程如下：種質資源收集者在收集一份資源時將資源的收集信息上傳到區(qū)塊鏈節(jié)點中→運輸者、保存者將運輸信息、保存信息上傳到相應的區(qū)塊鏈節(jié)點中→區(qū)塊鏈節(jié)點調用智能合約對上傳的數(shù)據進行審查與驗證，確認合法后上鏈。普通用戶可對溯源區(qū)塊鏈數(shù)據庫發(fā)起溯源查詢請求，通過唯一的溯源碼對種質資源進行定位，并返回種質資源的溯源信息；如用戶對信息有異議，可從信息查看頁面（圖6）

圖6 種質資源追溯信息

提交，從而實現(xiàn)種質資源全鏈條跟蹤、追溯，保障各環(huán)節(jié)參與者的利益。

4 展望

本研究針對當下基于中心化組織的種質資源管理平臺與熱帶種質資源收集鏈條繁瑣、生命周期長所造成的種質資源數(shù)據丟失風險較高、種質資源責任主體不清、信息化管理水平不高、溯源難度較大、共享程度較低等問題，設計和實現(xiàn)一個基于區(qū)塊鏈的資源登記與溯源系統(tǒng)。通過對智能合約的編寫、編譯、部署與調用，實現(xiàn)種質資源全生命周期中各個環(huán)節(jié)信息的可信存儲、登記與溯源訪問，保證了種質資源的安全性與易用性，為今后熱帶種質資源信息化等研究性工作奠定了基礎。