基于區塊鏈技術的農產品物流信息系統模式

張旭鳳 宛如星 鄭忠義

摘要：隨著科學技術的快速進步以及“互聯網+”在各個行業的應用，農產品物流信息平臺的發展也較迅速。針對成本高、信息平臺建設滯后、配送效率低、信息追溯難等相關問題，構建基于區塊鏈技術的農產品物流信息平臺，結合區塊鏈去中心化、非對稱加密、智能合約等特征，設計數據加密體系、信用-支付體系、農產品信息追溯體系等功能體系，從根本上解決農產品物流信息平臺存在的問題，提高其透明性、安全性以及可追溯性。

關鍵詞：區塊鏈技術;農產品物流;信息系統;非對稱加密;去中心化

中圖分類號： S126

文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2019）15-0263-06

自2008年中本聰提出比特幣概念，到2016年區塊鏈技術逐步獨立于比特幣，區塊鏈技術開始受到人們的關注。由于區塊鏈所具備的去中心化、不可篡改、可追溯等特點，而不斷地被應用到各個領域。目前，我國農產品物流發展迅速，但存在成本高、損耗大、增值能力弱[1]、信息平臺建設滯后[2]、配送過程中效率低等問題，這些問題都表明中國農產品物流業存在很大的問題。為了解決這些問題，可以引入區塊鏈技術，將區塊鏈技術與物流信息系統相結合，既可以達到數據共享、安全可控、創新服務等目的，也可以實現農產品的信息化、實時追溯。2016年10月工業和信息化部發布《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書》，旨在推動區塊鏈技術和產業發展;2016年12月15日國務院印發《“十三五”國家信息化規劃》，定義區塊鏈為戰略性前沿技術;2016年12月31日，作為國家首個大數據綜合試驗區貴州省貴陽市人民政府發布《貴陽區塊鏈發展和應用》白皮書;2017年8月，國家互聯網應急中心發起成立的國家互聯網金融安全技術專家委員會官網發布《合規區塊鏈指引》;2017年10月，廣東省深圳市人民政府印發《深圳市扶持金融業發展若干措施》，提出“設立金融科技專項獎，重點獎勵在區塊鏈、數字貨幣、金融大數據運用等領域的優秀項目”;2018年5月，工業和信息化部信息中心再次正式發布《2018年中國區塊鏈產業發展白皮書》。這些相關文件的出臺，逐步推進了區塊鏈合規化的發展，也標志著區塊鏈成為我國戰略性前沿技術。

1 研究現狀分析

1.1 區塊鏈的內涵及特征

區塊鏈技術最早應用是2008年，它作為比特幣的底層核心技術出現[3]。直到2016年，我國學術界與科技界才正式進入區塊鏈研究行列，從中國知網收錄區塊鏈論文來看，從2016年開始區塊鏈相關論文呈井噴式增長;中國人民銀行于2016年1月宣布使用數字貨幣后，中國很多企業及機構開始紛紛投資進入區塊鏈。

2008年，中本聰提出一種通過點對點分布式的時間戳服務器來生成依照時間前后排列并加以記錄的電子交易證明，從而解決雙重支付問題[3]。袁勇等認為，區塊鏈有狹義與廣義之分，狹義的區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以鏈條的方式組合成特定的數據結構;廣義的區塊鏈技術則是一種全新的去中心化基礎架構與分布式計算范式[4]。姚前認為，區塊鏈是以密碼技術為基礎，通過分布式多節點“共識”機制，可以完整但不可篡改地記錄價值轉移的全過程[5]。

區塊鏈有自行組織的、可以隨時進入與退出的公有鏈，基于協議的共識機制的聯盟鏈以及某機構獨立運作的私有鏈3種類型。本研究總結區塊鏈的特點主要有以下4點：（1）去中心化與集體維護。對于整個系統而言，每個節點都是平等的，沒有中心節點來負責整個系統的運行，同時需要每個節點共同負責系統的維護。（2）不可篡改與可追溯性。由于區塊鏈中的所有數據向系統所有用戶開放，所以數據透明可查，具備可信任性;由于在區塊鏈數據庫有時間戳的組成成分，使得數據不能被篡改，從而保證了數據的安全性。（3）去信任與匿名性。在區塊鏈系統中，各個節點進行的信息交換遵循固定的算法，交換數據時無須信任，由系統自行判斷該行為是否有效，即無須公布身份便可進行操作。（4）非對稱加密。區塊鏈中數據的加密、解密使有公鑰、私鑰這樣一對配對密鑰進行加密和解密，只能在密鑰配對成功的狀態下才能解密，確保了數據的安全性（圖1）。

1.2 區塊鏈研究現狀

目前國內學術界對于區塊鏈的研究主要集中在金融、能源互聯網以及供應鏈管理，也涉及到醫療、教育、保險、政府治理等多個方面。朱興雄等提出將區塊鏈技術應用到供應鏈金融中，構建各方共享的聯盟平臺，既可以通過智能合約實現按時還款和結算，還能整合各方數據，確保數據的安全性與業務的透明可視化，加強對風險的管理[6]。邰雪等提出區塊鏈應用于能源互聯網的具體架構，從定性分析與定量分析2個角度對區塊鏈交易的成本與速度的影響因素進行分析，以探究區塊鏈傳播速度的影響因素，降低電力交易的難度[7]。方燕兒等對區塊鏈技術在商業銀行產業鏈金融中的應用進行探討，分析區塊鏈技術在產業鏈金融發展中的市場潛力和可行性、發展環境以及存在的困難，并從跟蹤研究等4個角度提出探索建議[8]。王毛路等結合區塊鏈技術的特性分別對房管部門的產權登記、文化部門的知識產權保護、教育部門的學歷信息和學術成果的存證管理等具體政務業務應用場景進行可行性分析，指出區塊鏈技術將帶來政務業務數據管理模式升級和快速定義治理規則兩大方面的機遇[9]。

1.3 農產品物流研究分析

農產品物流是指以農產品為對象，通過農產品產后加工、包裝、儲存、運輸和配送等物流環節，做到農產品保值增值，最終送到消費者手中的活動[10]。當前對于農產品物流的研究包含多個方面。針對物流效率，黃福華等以湖南省長沙市生鮮農產品為研究樣本，利用灰色關聯模型分析影響生鮮農產品物流效率的因素，基于主要影響因素，構建基于規模化定制、共同物流及流通方式變革的生鮮農產品物流效率提升模式[11]。針對農產品信息追溯，楊信廷等結合物聯網技術特點構建“一核、雙軸、三鏈”的農產品及食品質量安全追溯系統技術體系框架[12];王曉平等提出在農產品流通過程中，流通的每個環節界限明確并記錄信息，則可以在追溯的時候分階段追溯[13]。針對農產品物流信息平臺的建設，汪旭暉等從政府監管部門、冷鏈相關企業和消費者的功能需求出發，構建包含多個物聯網系統和信息平臺在內的生鮮農產品冷鏈物流體系框架，從生鮮農產品冷鏈物流過程視角分析該體系的運行機理[14]。

2 基于區塊鏈技術的農產品物流信息平臺的架構設計

2.1 架構設計

基于區塊鏈的農產品物流信息系統，主要包括生產/加工企業、配送企業、銷售企業、客戶、監管機構以及金融機構等，這些主體通過信息流、資金流等相互聯系，形成一個綜合體系（圖2）。

生產/加工企業、配送企業等主要通過系統錄入數據和查看數據，包括農產品在配送過程中實時監控到的相關數據都會及時通過物流網自動上傳。金融機構主要通過系統進行支付行為、構建信用體系。監管機構主要對信息平臺的運行以及相關商業活動進行監管與有效控制。

基于區塊鏈的農產品物流信息平臺，運行功能主要有：（1）數據的分布式存儲。將收集到的數據以“區塊的”方式分散存儲到多個數據存儲服務器上，如果想要修改某個區塊內的數據，就必須將該區塊和后面所有區塊的信息進行修改，這樣可以避免虛假交易和信息篡改。（2）數據的加密。在數據加密與解密過程中使用一個“鑰匙對”，即在發送信息時，使用公鑰對信息進行加密;在接收到信息后，接收方以配對的私鑰對信息解密。使用非對稱加密，可以有效確保數據的安全性、透明性以及匿名性，能更好地保護個人隱私。（3）智能合約生成與調用。主要基于區塊鏈系統中可信的、不可篡改的數據，自動執行一些預先定義好的規則和條款。智能化合約協議的執行是以預設好的計算機操作作為執行方式，達成的交易可追蹤且不可逆轉。（4）證書中心的驗證與更新。主要是對密鑰及其版本號進行驗證與更新。

2.2 流程設計

基于區塊鏈的農產品物流信息平臺，對于參與者各方而言，彼此都是陌生的。當各個主體注冊賬號后，可以通過唯一的賬號進行登錄，從而開展相關活動。主要參與主體有生產/加工企業、配送企業、銷售企業、最終客戶、金融機構與監管機構等（圖3）。

用戶進入平臺界面，選擇注冊/登錄，從而進入平臺。生產/加工企業通過配送企業將農產品冷鏈運輸到銷售企業，在農產品配送過程中，生產/加工企業、配送企業與銷售企業三者之間都會有加密信息的傳輸，以確保交易的安全性;同時交易行為將形成交易區塊存入分布式數據庫，確保數據的透明性與不可篡改性。

銷售企業在收到農產品后，對農產品進行冷鏈存儲，同時通過信息平臺創建商品目錄，出售商品。創建的目錄將發送至P2P網絡，在最終客戶搜索準備購買的商品名稱時被獲取。當最終客戶決定購買某商品時，通過平臺與銷售企業進行協商，兩者達成協議后，信息平臺將為他們生成智能合約，同時在該交易的后續行為中驗證合約的執行。接著銷售企業通過配送企業對農產品進行冷鏈運輸，并且隨著農產品的流動，在銷售企業、配送企業與最終客戶之間有加密信息的傳輸。當最終客戶收到貨物后，通過私鑰解密數據，進行信息核對，在確認無誤后，最終客戶確認收貨并支付款項，發生的交易以區塊的方式存入數據庫。

對于整個流程的進行，金融機構主要支持支付行為的發生與信用的審核評估等;政府等監管機構主要負責整個交易行為的監督，尤其在發生糾紛時或須要對農產品信息進行追溯時起到監管作用。

3 功能體系設計與應用

3.1 數據的分布式存儲體系與加密體系

當前大部分的數據存儲方式是中心化數據庫存儲方式，由于目前海量數據的產生，對于中心數據庫提出了更高要求，中心化存儲方式存在諸如成本較高、安全性低、隱私泄漏等問題。而數據的分布式存儲將數據存儲在多臺獨立的存儲服務器上，分布式存儲通過備份、冗余編碼等手段，可以提高系統的可靠性、可用性和存取效率，還易于擴展[15]。基于區塊鏈技術的農產品物流信息平臺將從各個參與者獲取的數據以“區塊”的形式進行處理，放入整個鏈條中，防止其被篡改;接著將數據存儲在各個節點，各個節點平等，用戶在調用查看數據時不用再經過中心數據庫調用，可以就近從某個節點數據庫調用查看，避免了中心數據庫任務繁重、容易被攻擊泄露等問題的出現（圖4）。

對于數據的加密問題，傳統的對稱加密算法的加解密很容易，只需要雙方的密鑰一致，就可以實現數據的解密，另外對數據傳輸通道的安全要求很高;但正因為如此，也使得其容易被破解或者篡改。如A企業在發送貨物信息給B企業時，采用對稱加密的算法，那么當傳輸環境不是很安全時，C企業即可以利用網絡技術，偽造密鑰，對數據進行篡改;同時，在物流配送過程中，如果物流與信息流同時傳輸，在同時進行的狀態下，由于參與者越多所需要的密鑰數量就越多，造成管理難度大、容易被偽造等問題的出現。

基于區塊鏈的農產品物流信息平臺，采用非對稱加密，即每個用戶都有公鑰和私鑰2個密鑰，2個密鑰互相匹配，但只有公鑰對外公開，私鑰僅用戶本人持有。常見的非對稱加密算法有RSA、Elgamal、背包算法、Rabin、D-H、ECC等。這里可以采用RSA算法，RSA算法能同時用于加密和數字簽名的算法，也易于理解和操作，可以廣泛使用。基于區塊鏈技術的農產品物流信息平臺的數據傳輸與加密設計見圖5[16]。

首先是用戶A（商家）進行貨物準備與信息準備，通過信息平臺的非對稱加密算法進行加密（使用配送企業的公鑰與最終客戶的公鑰分別加密），然后進行信息傳遞;同時將貨物發送給配送企業。配送企業在收到貨物及信息的同時，使用自己的私鑰對信息進行解密，然后進行信息與貨物的核對。配送企業準備發送貨物時，同時使用用戶B（客戶）的公鑰對信息進行加密，然后進行物流與信息流的同步傳輸。當用戶收取貨物時，先用自己的私鑰分別對用戶A與配送企業的信息進行解密，在進行核對后，進行訂單確認。這樣能保證信息的安全性，同時由于只有在用戶B使用私鑰解密數據及對信息與貨物進行核對后，才能進行訂單確認，可以有效杜絕當前快遞員代簽、他人錯簽、冒名代替簽收等問題的出現。

基于區塊鏈的農產品物流信息平臺采用非對稱加密算法，使得區塊鏈通信難以被篡改。因此，非對稱加密相對于傳統的對稱加密更加安全。同時由于每個用戶只需要2把密鑰，對稱加密存在的密鑰庫過于龐大的問題也隨之消失，更利于密鑰的管理。

3.2 信用-支付體系

當前的農產品交易行為主要有現金交易（貨到付款）與第三方支付（支付寶、財付通、銀聯商務等），尤其在電子商務飛速發展的同時，第三方支付的交易行為已經成為當前交易的主流趨勢。根據iiMedia Research（艾媒咨詢）的數據顯示，2017年中國移動支付用戶規模達5.62億人，較2016年增長了21.6%。但是由于第三方支付機構已呈現半壟斷現象，而其缺乏相應的監管，所以從安全性與可信度角度來看，還有待考驗。

另外，傳統的銀行支付方式主要是基于信任的中心化交易模式。即當客戶A向B發起支付（分行網點、網銀、手機銀行等）時，用戶的交易信息會發送到基于信任的該銀行的核心服務器來進行，這樣不僅會加大中心節點（即總行核心服務器）的工作量，而且對于客戶來說，所有的行為都是基于對該行的信任來進行，一旦“信任”有誤，那么會給客戶造成一定的損失。

相較于傳統的中心化交易模式，基于區塊鏈的農產品物流信息平臺采用區塊鏈的方式進行交易，而區塊鏈是一種典型的去中心化模式（圖6）。從節點角度來看，參與基于區塊鏈技術的交易模式的各個節點都是平等的，各個節點之間可以平等傳輸信息，所有節點都以加密區塊存儲方式、按時間序列單獨記錄系統全部交易信息，去掉了中心節點。即當用戶C向D發起支付行為后，用戶的個人信息、資金信息都會以加密區塊的形式進行存儲;接著形成的交易區塊將進行認證，即通過銀行、做市商等金融機構，經銷商等參與者以及最后的收款方的認證，在認證過程中各認證者可以通過接口進入企業或個人征信系統對參與各方的信用度進行查詢，認證結束后，該交易信息將作為企業/個人的信用評估參考進入企業/個人征信系統，同時交易信息以區塊的方式加入鏈條并存入分布式數據庫，且該數據永久性不能修改;最后，資金由C轉移到收款方D。且在整個交易過程中，每個用戶在進入交易信息區塊時都須要加蓋時間戳，可以確保責權分明，便于加強監督。

去中心化交易模式可以很好地解決安全、信任等問題，同時由于各個節點是平等的，可以減輕某一臺機器作為中心節點的負擔。另外，由于以區塊的形式存在，數據永久性不能修改，可以保證責任的明確。

3.3 農產品信息追溯體系

當前農產品信息追溯主要有一追到底追溯模式以及王曉平等提出的分階段追溯模式[13]，這2種追溯模式從追溯成本以及追溯難度來看，一追到底的追溯模式的成本較高、管理難度較大;而從責任角度來分析，分階段追溯則可能出現遺漏問題;特別是從數據的真實性來看，2種追溯模式都存在很大的風險。

基于區塊鏈的農產品信息追溯體系（圖7），由于在農產品從生產商到客戶的每個階段都是將數據以區塊的方式及時存入數據庫，尤其在配送過程中實時監測到的數據也會及時自動上傳，所以每個階段的數據對于參與者而言，都是實時且公開、透明的，參與者可以隨時查閱到信息。在用戶追溯開始的同時，會激活監管機構的監管行為，以確保每個參與者的利益得以保證。用戶進入平臺后，根據用戶的數據（農產品名稱或編碼），系統將進入數據庫進行查找，對每個階段的數據進行分析比對，然后輸出信息。輸出信息包括生產/加工企業、配送企業以及銷售企業的企業信息、該階段的農產品信息以及資質證書，通過數據分析可以很容易找到問題發生的環節以及該負責的企業，同時分析原因;在用戶確定信息后，追溯完成，新產生的數據（責任人、時間、原因等）將以區塊的形式存入數據庫，供參與者參考。

在這種追溯模式下，可以有效解決一追到底模式成本高、難度大的問題，還可以解決分階段追溯的責任不明確的問題。基于區塊鏈技術的農產品追溯體系，由于各個環節的數據是公開的，且由于是以區塊的方式存儲，形成鏈條，數據不能夠進行篡改，所以有效杜絕了數據不真實情況的出現。

4 面臨的風險及應對策略

4.1 面臨的風險

區塊鏈技術在不斷發展的同時，由于技術、設備以及法律的滯后性等影響，不可避免地存在一定的風險，這些風險的存在毫無疑問也會成為區塊鏈發展的阻力。

4.1.1 技術風險 基于區塊鏈的農產品物流信息系統雖然使用了非對稱加密，以確保信息的安全性，但由于私鑰是自己生成且個人擁有，所以私鑰一旦丟失，用戶的交易行為將受到很大的限制，同時可能會造成經濟上的損失。另外，區塊鏈的協議與其算力基礎息息相關，一旦面臨算力攻擊，在系統不能抵抗時，區塊鏈的去信任化也將成為空談。另外，平臺的構建需要人力來完成，程序員的不規范操作或設計出現問題都可能導致信息平臺出現漏洞，遭到黑客攻擊。

4.1.2 法律風險 雖然區塊鏈在國內發展迅速，但到目前為止并沒有一份區塊鏈相關的法律文件出臺。目前有參考價值的僅有2013年12月5日中國人民銀行、工業和信息化部、中國銀行業監督管理委員會、中國證券監督管理委員會、中國保險監督管理委員會聯合發布的《關于防范比特幣風險的通知》，所以區塊鏈技術在國內的應用還缺乏法律約束。基于區塊鏈的農產品物流信息平臺運行中所生成的智能合約，雖然旨在保證交易安全、公正地進行，但是由于沒得到司法機關的正式認可，還缺乏法律效應。同時，雖然提出了政府等機構作為監管機構，但如何將整個平臺的監管納入國家監管體系還須要進一步探討。

4.2 應對策略

4.2.1 創新技術，加大人才培養力度 企業應積極推動技術的創新，加大對人才的培養，規范程序員技術規范，減少技術漏洞的出現。另外，積極構建更具有靈活性、容錯性的區塊鏈體系，推動區塊鏈的積極發展。

4.2.2 積極完善法律，建立監管體系 積極督促國家出臺相關法律，以試點試行來推動整個法律體系的完善。相關法律可以從技術風險、盜竊、詐騙、非法利用信息網絡、逃稅漏稅等多個角度對區塊鏈法律進行制定，同時將其監管納入整個監管體系，做好相應的監管措施，確保有法可依、有法必依、執法必嚴、違法必究。