基于區(qū)塊鏈的有機蔬菜認證與溯源方案研究

張冠湘　崔金銀　蔡文學　龔麗萍

摘要? 為了解決有機市場的有機作假和有機認證效率低下等問題，利用區(qū)塊鏈技術的不可篡改、去信任化和分布存儲等特性，提出基于區(qū)塊鏈技術的有機蔬菜認證與溯源模型。論述有機市場存在的問題，并研究相關領域的國內外發(fā)展現狀;分析有機蔬菜認證與溯源的數據基礎，構建其認證與溯源系統(tǒng)模型，設計基于有機認證的智能合約;并與中心化系統(tǒng)對比，分析模型的優(yōu)勢;以購買假冒有機標識和數據作假2個情景為例，分析模型在解決有機作假和提高認證效率的效果。

關鍵詞? 區(qū)塊鏈;有機蔬菜;農產品;有機認證;溯源

中圖分類號? S126;TS201.6??? 文獻標識碼? A

文章編號? 0517-6611（2019）24-0222-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2019.24.066

Research on Organic Vegetable Certification and Traceability Scheme Based on Blockchain

ZHANG Guan-xiang，CUI Jin-yin，CAI Wen-xue et al? （Department of Economics and Commerce，South China University of Technology，Guangzhou，Guangdong 510006）

Abstract? To solve the problems in organic markets like organic fraud and inefficient certification，the organic chain certification and traceability model based on blockchain technology was proposed by using the characteristics of blockchain technology such as non-tampering，de-trusting and distributed storage.The problems in the organic market were discussed，and then development status of related fields at home and abroad was studied.After analyzing the data foundation of organic vegetable certification and traceability，the certification and traceability system model was constructed and the intelligent contract based on organic certification was designed.The system based on blockchain technology was compared with the centralized system，and two scenarios of buying counterfeit organic identification and counterfeit data were taken as examples to analyze the advantages and effect of the system based on blockchain technology.The result showed that the system could solve the problem of organic fraud well，improve the efficiency of organic certification and make traceable data more complete.

Key words? Blockchain;Organic vegetable;Agricultural products;Organic certification;Traceability

作者簡介? 張冠湘（1975—），男，湖南郴州人，副教授，博士，從事農產品冷鏈、危險品物流等研究。*通信作者，碩士，研究方向：從事農產品冷鏈。

收稿日期? 2019-07-03

隨著人們生活水平的提高，人們對食品的品質要求不斷提高，有機食品逐漸成為消費者的首選，有機農業(yè)的發(fā)展突飛猛進。瑞士有機農業(yè)研究所（FIBL）和IFOAM國際有機聯(lián)盟（IFOAM-Organics International）統(tǒng)計顯示，截至2016年年底，全球有機農地總面積為5 780萬hm2，全球有機農地比例為1.2%，其中有機農地面積最大的是澳大利亞，高達2 710萬hm2，中國的有機農地為230萬hm2;2016年全球有機市場規(guī)模為897億美元，比2000年的179億美元增長了近4倍，其中美國、德國、法國和中國的規(guī)模分別為431億、105億、75億和66億美元，是全球有機市場的主要組成部分[1]。

然而，有機市場存在有機標識造假、溯源信息不透明和有機認證流程復雜等問題[2-3]。中國國家認證認可監(jiān)督管理委員會公示顯示，截至2018年11月底，我國在農林牧漁和中藥領域的產品認證機構共有45個，共出具產品認證證書1 021萬件，其中食品農產品認證證書有98萬件，但市場上的有機產品魚目混珠，2017年9月國家認監(jiān)委發(fā)布第18號公告，公示了10家影響較大的非法從事認證活動的認證機構[4]。經市場調研與專家咨詢，曝光的非法認證機構僅是有機造假的冰山一角，有機市場亂象叢生，其溯源信息與普通蔬菜差異不大，絕大部分信息未對消費者開放，導致信息透明度低、消費者認可度不高[5-6]。此外，蔬菜的有機認證流程復雜，單次認證成本高達3萬～5萬元。導致上述問題的根本原因是有機生產環(huán)節(jié)多而嚴、有機認證成本高昂和溯源信息的可篡改性。

為了解決有機市場的有機作假和有機認證效率低下等問題，利用區(qū)塊鏈技術的不可篡改、去信任化和分布存儲等特性[7-8]，筆者采用了現有系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術，構建了基于區(qū)塊鏈的有機蔬菜認證與追溯模型，為解決有機市場存在的問題提供解決方案。

1? 國內外研究現狀

1972年，全球最大的有機民間機構IFOAM成立，有機農業(yè)步入新的發(fā)展時期;隨后各國政府也紛紛出臺有機農業(yè)標準或法規(guī)，有機農業(yè)的標準化快速發(fā)展[1]。21世紀后，發(fā)達國家和發(fā)展中國家對有機產品的需求劇增，全球有機農業(yè)迎來了全面發(fā)展階段。我國有機農業(yè)起步于20世紀80年代，國外認證機構開始進入中國市場。目前，南京國環(huán)有機產品認證中心（OFDC，原環(huán)境保護部南京環(huán)境科學研究所環(huán)境評價與咨詢中心）是市場認可度較高的認證機構[9-11]。

自食品安全溯源受到廣泛關注以來，其關鍵技術也逐漸從最初的條碼技術和數據庫技術向以RFID技術和傳感技術為核心的物聯(lián)網技術、DNA技術、無線傳感網絡（WSN）技術等新技術發(fā)展。在我國，傅澤田等[12]從追溯單位、信息采集、傳輸和處理4方面總結并歸納了食品追溯技術的發(fā)展趨勢。王東亭等[13]研究分析了歐美、日韓和中國臺灣等的農產品追溯體系的法律、規(guī)范和落實情況。熊本海等[14]、邱榮洲等[15]、沈敏燕[3]將溯源技術應用到生豬的生產、蔬菜基地的管理和果蔬冷鏈信息的追溯上，設計與實現了食品追溯系統(tǒng)，是追溯技術的直接應用。在國外，BOSONA T等[16]從定義、驅動力、發(fā)展阻力、優(yōu)勢、溯源技術、系統(tǒng)性能及改進等方面詳細研究了食品溯源系統(tǒng)，并指出溯源系統(tǒng)未來應側重于研究標準化、實物及供應鏈主體之間的聯(lián)系等方面。OLSEN P等[17]結合政府部門、學術研究以及實際經驗，從追溯單位的劃分、追溯系統(tǒng)的結構和追溯屬性的確定歸納了一般追溯系統(tǒng)的組成結構。

區(qū)塊鏈技術被認為是最具潛力觸發(fā)第五輪顛覆性革命浪潮的核心技術，近年來受到政府、金融和互聯(lián)網等行業(yè)的廣泛關注，在供應鏈溯源上也得到學者的研究與應用。劉家稷等[18]提出雙區(qū)塊鏈模式以解決防偽問題。XIE C等[19]提出了雙鏈存儲結構對有機農產品的跟蹤追溯進行存儲與查詢，使用私有鏈存儲完整的溯源信息，生成哈希值并將其錨定到共有鏈上，從而實現溯源信息的安全存儲。Simone Figorilli等[20]融合物聯(lián)網技術、互聯(lián)網和區(qū)塊鏈技術搭建了木材的電子化追溯系統(tǒng)原型，并以板栗樹為例進行分析。該系統(tǒng)使用RFID等傳感器采集數據，數據經APP和接口技術與微軟Azure 工作臺交互，由智能合約處理記錄到以太坊區(qū)塊鏈上。LI J等[21]對比了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)與基于區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng)，說明了基于區(qū)塊鏈的溯源系統(tǒng)在數據真?zhèn)涡?、數據安全和政府監(jiān)管等方面的優(yōu)勢。NEISSE R等[22]、MAO D H等[23]、CASADO-VARA R等[24]、FABIAN S等[25]將區(qū)塊鏈技術應用到供應鏈的信息追溯上，以提高供應鏈溯源信息的透明度、可信性和供應鏈效率。此外，GALVEZ J F等[26]還研究分析了區(qū)塊鏈在食品溯源上面臨的挑戰(zhàn)。

2? 基于區(qū)塊鏈的有機認證與溯源模型

2.1? 有機蔬菜生產全過程流程分析與系統(tǒng)框架

蔬菜溯源是物流管理的組成部分，指在蔬菜供應鏈的各環(huán)節(jié)采集、存儲和傳遞有關蔬菜及其投入物、生產活動等的準確信息，從而在需要時服務于蔬菜的質量安全管理和供應鏈追溯。有機蔬菜的供應鏈涵蓋7個主要環(huán)節(jié)和8類主體，通過互聯(lián)網、條形碼、RFID、GPS等方式采集農事活動、質量檢測、包裝加工、物流信息等數據，為有機認證與追溯提供數據基礎（圖1）。

7個主要環(huán)節(jié)包括生產環(huán)境監(jiān)測（水、土、重金屬等）、原材料采購（種子、肥料等）、種植與采收、蔬菜質量檢測、包裝加工、運輸配送、銷售。結合企業(yè)資質、生產、管理和有機蔬菜追溯的7個主要環(huán)節(jié)等信息，有機認證機構對種植農場和加工企業(yè)進行現場檢查和檢測，才能對申請的蔬菜出具有機認證書。

以微軟的Azure blockchain workbench為基礎，構建基于區(qū)塊鏈的有機認證與溯源系統(tǒng)框架模型，實現現有系統(tǒng)與區(qū)塊鏈平臺的協(xié)調與互通。由圖2可知，8個系統(tǒng)參與者通過Web App、IOS App和Android App等方式將資質文件、管理體系文件、生產規(guī)劃及計劃、生產運作和物流信息記錄為輸入，由API處理傳輸至服務總線;此外，物聯(lián)網設備采集環(huán)境、位置等信息，由物聯(lián)網中心處理后，傳輸至服務總線。數據在服務總線完成數據格式轉換，從而轉換為符合區(qū)塊鏈的數據格式。數據記錄簽名加密后，上傳至區(qū)塊鏈平臺。當新的數據記錄到區(qū)塊鏈時，數據鏈路終端（DLT）監(jiān)聽程序獲取數據記錄的通知，并將通知發(fā)布到服務總線，各節(jié)點用戶獲得該通知并從區(qū)塊鏈平臺上的新數據同步到鏈下數據庫，實現各節(jié)點數據的同步更新。當某一節(jié)點的數據發(fā)生變化或與其他節(jié)點不一致時，該節(jié)點會與其他節(jié)點的數據鏈對比，數據鏈最長的節(jié)點為參考更新數據庫，保證數據的一致性。消費者通過客戶端、二維碼等媒介發(fā)出查詢請求，鏈下數據庫服務器做出請求回應，經API進行數據格式轉換，將有機蔬菜溯源數據真實完整地呈現給消費者，其中數據涵蓋從原材料采購到有機蔬菜銷售。

2.2? 基于有機認證的智能合約設計

目前有機認證主要為前期申請和現場檢查2個階段，其人工審核環(huán)節(jié)多，時間跨度長，總成本高昂。智能合約的設計主要實現有機認證的智能化，降低認證成本以及人工作假、數據纂改等風險。

智能合約的設計如圖3所示，包括材料自動審查和現場檢查結果確認2個部分。其一，申請人提交有機認證申請，系統(tǒng)自動檢查申請人的資質文件、管理體系文件和生產規(guī)劃及計劃，若區(qū)塊鏈無法查詢相關材料，則請求補充，否則繼續(xù)審查。然后，系統(tǒng)依次審查地塊種植記錄、原材料（種子、肥料及農藥）、生產過程記錄、蔬菜有機檢測報告和物流環(huán)節(jié)，當且僅當所有記錄符合有機生產技術要求時，申請人才具備有機認證資格。其二，有機認證機構對具備有機認證資格的申請人進行現場檢查，對現場環(huán)境合格的企業(yè)提交合格確認至系統(tǒng)。當申請人具備有機認證資格且獲得現場檢查合格確認時，由智能合約自動生成有機蔬菜認證證書，有機認證機構根據認證結果頒發(fā)對應數量的有機標識。

3? 對比分析

3.1? 基于區(qū)塊鏈的有機認證與溯源系統(tǒng)與傳統(tǒng)中心化認證系統(tǒng)的比較

由表1可知，與中心化系統(tǒng)相比，基于區(qū)塊鏈的有機認證與溯源系統(tǒng)在認證效率、認證成本、溯源數據和政府監(jiān)管等上都有明顯的優(yōu)勢。在認證時間和成本上，中心化模式下有機認證要人工審核大量的文件，據調研單次認證時間跨度長達1.5～2.0個月，認證成本高達1.3萬～1.8萬元;而區(qū)塊鏈模式下有機認證的大部分材料審核由智能合約自動審核，減少了大量的人工審核環(huán)節(jié)，節(jié)約大量的時間與成本，預估認證時間將在1個月以內，認證成本低于1萬元。在溯源數據上，中心化模式下有機蔬菜溯源數據來源于供應鏈上不同主體的企業(yè)系統(tǒng)，協(xié)調難度大，溯源存在數據盲區(qū)，且存在數據后期篡改的可能;而區(qū)塊鏈模式下有機蔬菜溯源數據涵蓋整條供應鏈，鏈上數據自動同步更新，溯源數據完整不可篡改。在政府監(jiān)管和用戶認可度上，中心化模式下政府監(jiān)管部門難以監(jiān)督所有企業(yè)的數據，且中心化系統(tǒng)的數據存在作假可能，消費者認可度不高;而區(qū)塊鏈模式下政府監(jiān)管部門是區(qū)塊鏈的節(jié)點，參與區(qū)塊鏈上溯源數據的記錄，且能時刻監(jiān)控鏈上數據，消費者對溯源數據的真實性更具有信心且認可度更高。因此，基于區(qū)塊鏈的有機認證與溯源模式具有認證效率高、認證成本低、數據真實完整和政府參與監(jiān)控等優(yōu)勢。

3.2? 情景分析

以購買假冒有機標識和材料造假2個場景為例，分析區(qū)塊鏈技術下有機認證與溯源系統(tǒng)的放偽造效果。倘若A產品的有機標識是偽造的，區(qū)塊鏈中無該有機產品的記錄，消費者通過溯源碼無法查詢該產品的完整溯源記錄，因此消費者能輕易地識別出有機產品中有機標識的真?zhèn)涡?，從而抑制市場中偽造有機標識的發(fā)展。倘若企業(yè)企圖通過材料造假來申請有機認證，由于認證材料和溯源數據是后期修改和補充的，數據記錄與實際操作存在一定的時間差，因此在區(qū)塊鏈技術下的系統(tǒng)則無法對數據進行纂改，一旦數據記錄到區(qū)塊鏈系統(tǒng)上，各節(jié)點數據庫同步更新，鏈上數據將無法修改。例如，種植農場企圖修改地塊的近3年種植記錄時，其數據庫記錄與其他節(jié)點存在沖突，各節(jié)點同步更新的特性使得種植農場的數據庫重新從其他節(jié)點更新近3年的地塊種植記錄，防止了數據篡改，從而遏制了數據作假現象。

4? 小結

該研究將區(qū)塊鏈技術與有機蔬菜的認證與溯源相結合，為有機市場的有機作假和低效率等問題提供解決方案。與中心化的認證與溯源系統(tǒng)相比，基于區(qū)塊鏈技術的有機蔬菜認證與溯源系統(tǒng)有如下優(yōu)勢：①同步共享數據，有效解決造假問題;②減少人工環(huán)節(jié)，提高認證效率;③政府部門參與，數據更可信更權威。然而，區(qū)塊鏈在實際落地中仍面臨一些問題，如企業(yè)間的協(xié)調、信息共享程度等，解決這些問題仍有待今后進一步研究。

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