“物聯網+區塊鏈”的農產品質量溯源體系研究

劉曉云，王曉春

(安徽大學商學院，安徽合肥230601)

0 引言

農產品質量溯源由來已久，通過可追溯性體系的構建可以保障食品的質量安全，進而提高消費者的信心和企業的形象。近年來，三聚氰胺奶粉、地溝油、瘦肉精等食品安全事故使農產品質量溯源問題受到廣泛的關注。農產品質量溯源的價值在于對農產品的生產、加工、流通等過程進行可視化監控，一方面，通過可視化的追溯系統讓消費者了解并且信任產品；另一方面，通過溯源使得該產品與其他產品產生差異化，進而產生競爭優勢。文章從研究傳統農產品質量溯源體系的基礎架構出發，再到基于物聯網技術的農產品質量溯源體系，總結出現有農產品質量溯源體系中出現的問題，針對物聯網和區塊鏈這兩大新興互聯網技術，嘗試將二者進行結合、優勢互補，以期構建一個可信的農產品質量溯源體系。

1 農產品質量溯源體系

1.1 農產品質量溯源概述

可追溯性指產品生產、加工以及銷售等各個環節的公開透明化，該系統對產品相關環節的數據進行記錄、存儲與備份，以便供應鏈中的相關利益者通過查詢獲得相關信息。

建立一個農產品質量溯源體系，不僅能對食品質量安全相關法律進行響應，也能使供應鏈中的信息實現共享、供應鏈效率更加高效。對企業而言，通過全過程可視化溯源可以有效把握農產品的質量，確立產品品牌化競爭優勢。對食品安全監管者而言，供應出現安全事故時可對問題產品進行快速溯源并召回，提高供應鏈快速響應的能力，降低問題產品的影響[1]。對消費者而言，可打通信息壁壘，增強對產品和企業的信心。

1.2 農產品質量溯源體系的基本架構

農產品質量追溯主要是對農產品的生產、加工、倉儲和物流等環節進行追溯和監控，一般包括可追溯信息的收集、處理和查詢這3個基本環節。信息的收集是根據農產品質量安全法律和地方性的農產品質量監督管理暫行辦法進行的，可追溯的信息有消費者、生產加工企業、物流運輸企業以及銷售企業等。可追溯信息收集之后輸入到系統中進行處理，進而形成一個中心數據庫。消費者、相關企業和監督管理部門通過可追溯信息平臺獲取信息。農產品質量信息追溯系統基本架構如圖1所示。

圖1 農產品質量溯源體系的基本架構[2]

2 基于物聯網的農產品質量溯源體系

物聯網技術架構下的農產品質量溯源體系是質量溯源體系發展的較新研究成果。不少學者基于物聯網技術設計了農產品質量溯源體系，如黃全高[3]設計了基于物聯網的農產品質量溯源可視化體系；凌菁、寧曉梅、寧夏[4]融合了NFC(近場通信)和物聯網技術設計了稻米的可追溯系統，對稻米的生產加工、流通和銷售全過程進行了追蹤溯源；邱榮洲等[5]設計了一套基于GAP規范的茶葉生產質量溯源管理方案，促進了企業和農戶規范化生產，便于消費者快速高效查詢產銷記錄的所有信息；李彪等[6]基于物聯網中的RFID和二維碼技術搭建了新疆哈密瓜的追溯系統，成功宣傳和提升了哈密瓜的品牌價值。

2.1 基于物聯網技術的農產品質量溯源體系的技術架構

總結前人的成果可發現基于物聯網技術的農產品質量溯源系統的技術架構一般包括4個層次。基礎接入層：傳感器(氣溫、濕敏等用于檢測環境的傳感器)、條碼設備、RFID無線射頻識別技術、GPS定位裝置、監控設備、網絡設施(2G/3G/4G網絡)以及一些物聯網中間件等[7]。數據庫層：對信息進行處理，包括信息的認證、加密處理等，最終形成一個農產品信息數據庫。應用層：為供應鏈中的利益相關者提供農產品信息數據，如農產品生產、加工企業參與信息預警、遠程控制，監管者對農產品進行可視化的監督，消費者進行質量溯源和認證等。展現層：表現為一個具體的農產品質量安全追溯系統平臺，包含生產檢測子系統、加工管理子系統、物流運輸子系統等功能子系統[8]。

2.2 物聯網技術下的農產品質量溯源體系發展困境

基于物聯網技術的農產品質量溯源體系雖實現了農產品生產、加工、流通等環節信息的可視化，但存在以下4個方面的問題。一是系統架構問題。物聯網技術下的農產品質量溯源體系是基于中心化數據庫的，信息無法共享，并且存在信息不對稱、信息分層等現象[9]。另外，物聯網的搭建成本高，信息獲取成本高。需求端與供應端之間的信任易出現危機。二是信息可篡改，信息記錄管理有待提高。由于中心化的數據庫集權效應明顯，數據在存儲、傳輸和展示的環節都存在人為篡改的可能性。即使有中心監管部門，但由于缺乏對中心監管部門的約束和管制，監管的可信度不高。三是信息安全問題。當前的溯源體系中，主要是借助加密RFID技術標簽來實現信息安全。但在成本約束下，體系中通常只是對少部分的射頻識別芯片進行加密,農產品相關利益主體的隱私安全不能得到保證[10]。四是對問題產品處理緩慢。對于監管者、消費者而言，一旦發現問題產品，農產品質量溯源體系的價值在于快速溯源、確立責任主體，進而實施賠付。而現行的基于物聯網的農產品質量溯源體系通常對問題產品的處理速度遲緩，經常拖欠賠付，甚至最后不了了之[11]。

3 物聯網與區塊鏈

3.1 區塊鏈概念及其重要特征

關于區塊鏈，大部分學者都是基于學科背景或是研究需求進行界定，目前還沒有形成一個權威并且統一的定義。這里我們認為區塊鏈是能夠進行分布式數據驗證存儲、生成和更新，最終形成一個共享式數據庫(或稱之為共享賬本)的一項技術，區塊鏈背后每一個節點用戶都擁有數據庫的副本。

區塊鏈技術是一種新興的互聯網技術，除了具有傳統互聯網技術的一些共性以外，區塊鏈技術擁有自身的獨特性，吸引了學術界和商界對區塊鏈技術的高度關注。區塊鏈技術的重要特征主要體現在以下4個方面。一是數據不可篡改。區塊鏈分布式系統中每一個節點都參與數據的驗證、存儲、生成和更新過程，同時借助非對稱密碼學技術對數據進行加密。強大的保密系統和分布式的維護足以抵擋外部攻擊，避免數據被篡改，數據更加安全可靠。二是數據可追溯。從區塊鏈的基本數據結構區塊來看，每一個區塊鏈都包含指向上一個區塊的哈希指針，即每一個區塊都包含上一個區塊的所有信息，區塊之間按照時間發生順序進行連接。區塊中還包含時間戳，即區塊鏈中的數據是具有時間維度的時序數據，可以實現向前溯源。三是系統去中心化。將區塊鏈看成一個數據庫，在這個數據庫中所有數據的驗證存儲、生成更新、編程和操作都是基于分布式計算范式和去中心化的基礎架構。因此區塊鏈技術下的信任是分布式協作的點對點信任，也稱之為去中心化的信任[12]。四是執行智能合約。智能合約是一種自動運行相應業務邏輯的編碼，區塊鏈技術下實現的是去中心化的智能合約，即基于一個共享式的安全賬本而不是一個中心化的監管機構執行的合約，參與方不需第三方監管機構就能夠自動履行合約(業務邏輯)[13]。

3.2 區塊鏈技術與物聯網技術對比

很多學者將區塊鏈技術稱為新一代的互聯網技術，原因是區塊鏈技術解決了一些傳統互聯網技術不能解決的問題。與物聯網技術相比，區塊鏈技術有很多不同之處，如表1所示。

表1 區塊鏈和物聯網技術對比

3.3 “物聯網+區塊鏈”的意義

可溯源信息是一條信息鏈，“物聯網+區塊鏈”實現了信息來源可靠、傳輸過程不被篡改。首先，物聯網及其相應的傳感設備構建物聯網平臺，數據收集完全由機器操作，人為選擇性輸入現象不會出現，保證了可追溯信息的來源可靠[14]；其次，區塊鏈使用分布式數據庫和參與節點共同認證等實現了數據不可篡改。區塊鏈和物聯網相結合為農產品交易過程營造了一個可信任的數據交易環境。在這樣一個可信任的數據資源交易環境中，需要高強度信任的交易如農業保險和農村抵押貸款等都能夠實現。

“物聯網+區塊鏈”使隱私安全和數據共享能同時實現。從理論上來講，物聯網通過RFID加密技術也可實現保護信息提供者的隱私，但是該加密技術的成本高、實施的難度極大。相比較而言，區塊鏈為每一個數據交易節點配備了私鑰和公鑰一對密鑰，公鑰起地址通信作用，私鑰對實際地址進行加密簽名，只有具有對應私鑰的主體才可以解密，實現數據匿名傳輸。同時，區塊鏈形成的是一個共享數據庫。因此，隱私安全和數據共享同時得以實現，加之區塊鏈技術的可追溯性，用戶體驗得以提升。

“物聯網+區塊鏈”技術下的智能合約是去中心化的智能合約，各交易方之間沒有中介，也沒有大量紙質的信用憑證，只需要執行私有分布式賬戶上的智能合約。交易效率得以提升，交易的成本也有所降低。

4 “物聯網+區塊鏈”共建農產品質量溯源體系

4.1 “物聯網+區塊鏈”在農產品質量溯源體系中的作用機理

溯源信息接入層(物聯網感知層)：構建信息輸入接口，以便供應鏈中的各個交易節點輸入相應的記錄信息，常用到的技術設備包括傳感器、RFID、GPS定位、條碼設備、監控設備、網絡設施等，這一層的作用是采用相關的技術設備實現上鏈信息的準確性。溯源信息處理層(區塊鏈信息處理層)：首先，農產品信息傳輸到這一層之后形成產品信息區塊，由于區塊鏈中的數據都是帶有時間節點的，因此產品信息可實現可追溯；其次，區塊鏈的分布式存儲和節點共識機制等實現信息不可篡改，信息安全得以保障；再次，區塊鏈中的私鑰、公鑰機制以及相應的加密算法使得相關利益主體的隱私安全得以保證；最后，區塊鏈的智能合約使區塊鏈技術下的農產品質量溯源體系可以實現智能支付、智能賠付等事項。作用機理如圖2所示。

圖2 農產品質量溯源體系的作用機理

4.2 “物聯網+區塊鏈”下農產品質量溯源體系的基礎架構

物聯網和區塊鏈技術在基本架構、數據特征以及交易執行等方面體現不同的特征，并且各有優缺點。物聯網和區塊鏈相結合可以實現優勢互補，共建一個可信任的農產品質量溯源體系。具體來講，物聯網技術作為信息系統接入層構建一個產品信息物聯網，保證進入區塊鏈前信息的準確性。區塊鏈技術將準確可靠的產品信息形成相應的區塊并實施挖礦等以維護交易安全。“物聯網+區塊鏈”的農產品質量溯源體系可供供應鏈中的所有利益相關者查詢使用。基于“物聯網+區塊鏈”的農產品質量溯源體系基礎架構，如圖3所示。

4.3 基于“物聯網+區塊鏈”的農產品質量溯源體系在農產品供應鏈中的應用

在農產品供應鏈的各個環節實現可信任的信息追溯，可以保障農產品從農田到餐桌的安全供給。首先，在農產品的種(養)殖階段，實施可信任的農產品信息追溯，可以對農產品的種(養)殖過程實施遠程監控，保證農產品的來源安全。其次，通過對農產品加工倉儲過程中的添加劑、物流信息等進行有效追溯，可有效提高加工過程的安全保障和物流運輸的效率。再次，在農產品交易過程中，區塊鏈可以實現理想的、去中心化智能合約，即不需要第三方中介認證，通過區塊鏈中記錄的可追溯性數據等自動執行合約，對于農產品交易中的支付安全以及出現安全事故時快速鎖定責任主體實施智能賠付等有非常大的作用。最后，在消費時，消費者可以通過查詢端口，如掃描產品表面的二維碼等實現農產品供給全過程的可視化，豐富了消費體驗，增強了消費者的消費信心。

圖3 “物聯網+區塊鏈”技術下農產品質量溯源體系的基礎架構

5 農產品質量溯源體系存在的問題及其建議

5.1 平臺的搭建

當前我國農產品質量溯源和認證體系分為政府主導建立的以及企業內部建立的，顯然政府發起建立的更容易獲得消費者信賴。由于農產品供應鏈中的信息所有者分散在不同的節點中，存在信息獲取難度大和成本高的問題。

電子商務時代，電商平臺在農產品供應鏈中處于優越位置。電子商務平臺中存在現成的各個交易節點的動態數據，獲取可追溯信息非常輕松；此外，電子商務平臺具有很強大的數據處理能力。因此，以“政府+電子商務平臺”作為主體，鼓勵其他利益相關者參與將是一個很好的選擇。

5.2 體系的實施

底層由傳感器、RFID以及網絡設施等構成的產品信息互聯網，通常需要比較大的運算、存儲和維護成本，這些大大增加了農產品質量溯源體系的構建成本。此外，區塊鏈技術復雜難懂，相關的專業人才匱乏，因此資金和人才雙重匱乏的情況下，基于“物聯網+區塊鏈”的農產品質量溯源體系實施的難度較大。

從成本和可操作性角度來看，全面搭建“物聯網+區塊鏈”的農產品質量溯源體系肯定是不現實的。因此，需對地區進行考察，尋找農特產品豐富、硬件和軟件設施較齊全的區域作為試點。在試點地區搭建一個基于區塊鏈技術的農產品質量溯源體系，并宣傳推廣區塊鏈、物聯網等新興互聯網技術。

5.3 信息的獲取和查詢

農產品質量溯源體系是否能夠發揮作用，關鍵在于展現層的門戶網站是否能夠很好地實現信息的獲取和輸出。信息是溯源體系的最基礎也是最重要的元素。在信息獲取方面，相關企業、消費者等信息所有者可能基于信息保密以及其他保護自身利益的出發點，有時不愿意提供相關的信息。信息查詢者可能由于對信息接入端口的不適用性、信息準確性的懷疑等，對查詢到的信息產生不信任[15]。

針對以上難題，首先門戶網站可通過與信息所有者互動參與的模式提高信息輸入的積極性。其次，要提高門戶網站信息查詢端口的優化設計，使相關信息利益主體可以很方便地查詢到想要的信息。最后，對系統安全性問題進行解釋與處理，使用戶放心。

6 結語

在“物聯網+區塊鏈”的農產品質量溯源體系中溯源信息成本更低、信息被篡改的可能性更小、信息安全程度更高，解決了當前農產品質量溯源體系中存在的大部分問題。雖然目前搭建主體不明確、技術性人才匱乏等仍是因擾“物聯網+區塊鏈”農產品質量溯源體系發展的因素，但是政府的大力扶持將會帶領農產品質量溯源體系走出困境。