基于區塊鏈的農產品安全可信溯源應用研究

高陽陽 呂相文 袁 柳 李 勐

(中國電子科技集團公司電子科學研究院 北京 100041)

0 引 言

品牌農產品溯源技術是保障品牌信譽和消費者權益的關鍵技術之一。然而，目前市面上存在這樣的亂象：消費者能買到的“品牌農產品”遠遠超過實際產量，且產品定價混亂，使得消費者難以分辨產品真假，嚴重影響品牌價值增長和信譽形象。文獻[1-2]從溯源標識數據模型以及技術應用角度進行了溯源應用研究。文獻[3-4]從可信機制及管理平臺方面進行了研究。文獻[5-7]針對新方法、算法和應用方面進行了分析。文獻[8-9]針對新模式和新的溯源驗證聯盟進行了探索。本文研究基于農業物聯網、智能全景監控、智能防偽和區塊鏈技術的去中心化溯源應用體系，將品牌農產品從種植、倉儲、加工到銷售等全產業鏈進行追溯應用，在種植環節植入相關傳感器，實時傳輸至可追溯系統，實現農田墑情智能控制、倉儲環節全自動溫濕度控制、加工環節可視化、銷售環節可追蹤等能力，通過商品追溯碼在平臺上驗證品牌農產品可信來源產業鏈信息，基于區塊鏈的溯源系統提升了溯源的安全性、穩定性和可信度。

1 需求分析

1.1 溯源系統痛點分析

(1) 品牌農產品溯源信任感缺失。傳統中心化溯源系統需要使用具有公信力的工具對溯源對象進行真偽辨別。防偽標簽不能物理地捆綁產品，同時普通標簽可以很容易地被復制。溯源信任感需要對全產業鏈關鍵環節進行追溯，例如，為了追蹤品牌農產品進行溯源，如果能將農產品產業鏈中種植生產環節、相關生產和銷售環節關鍵細節數據等進行如實記錄，對于提高追蹤溯源可信度具有重要作用。但是，傳統中心化溯源信息信任感缺失，無多方參與驗證，導致信任背書主體信任感不足。

(2) 傳統中心化溯源易篡改。傳統溯源系統是中心化系統，當溯源信息被記錄到中心化節點的信息系統數據庫中，集中式存儲的數據可能被黑客攻擊，導致數據丟失和損壞嚴重等問題。此外，中心化集中式溯源系統數據還極有可能遭受來自人為惡意的修改或者操作。在傳統的驗證中心化模式下，數據存儲在各自不同的平臺上，容易被篡改，導致真假難辨，進而威脅到整個溯源系統數據的真實性，影響后續防偽驗證環節的用戶體驗。

(3) 傳統中心化溯源系統性能欠佳。目前，在傳統中心化溯源體系下，整個產業鏈中存在著嚴重的信息孤島問題。由于整個產業鏈中存在多個信息系統，信息系統歸屬和權限不同，導致它們彼此之間交互變得不易，從而造成繁瑣的信息核查驗證。特別是當產業鏈中間環節長而復雜時，很難掌握各個節點的具體可控性，為了彌補這個問題，將會增加額外的諸多核驗和重復檢查工作量。

1.2 區塊鏈適配溯源的關鍵技術特點

鑒于以上痛點問題，本文將區塊鏈技術用于解決目前農產品追蹤溯源領域中遇到的現實問題。基于區塊鏈的溯源應用體系旨在提升防偽存證溯源和真實性，保障品牌農產品質量和安全，為樹立品牌信譽提供強信任技術背書。區塊鏈技術可用于溯源應用體系的關鍵技術特點包括：

(1) 在系統節點彼此不信任的場景下實現去中心化的強信任背書能力。區塊鏈系統技術本身保證了其真實性和可信任，并且不只是依靠外部公信力工具，而是整個系統都在提供信任背書，從技術上提升可信度。

(2) 分布式網絡架構，不存在單點故障，整體技術架構方面具有強穩定性、可靠性和可持續性。

(3) 強安全加密機制，共識機制達成分布式一致性時不要求第三方進入，通過技術手段，實現整個去中心化系統參與方的協同合作。

(4) 區塊鏈上記錄的數據具有只能增加不能修改的技術特征，這決定了區塊鏈信息的不可刪除性和不可篡改性。

2 區塊鏈溯源優勢

鑒于中心化溯源系統缺乏追蹤溯源信任感的問題，通過區塊鏈多方參與驗證，多方共同維護同一個賬本的模式，爭取與品牌農產品產業鏈關鍵環節眾多參與者形成聯盟。隨著聯盟參與方數量的增加，共同維護的數據越多，越能夠帶來更多的數據信任背書主體，為消費者提供更強的信任感支撐。

針對中心化溯源易篡改的問題，區塊鏈技術本身具有去中心化特性通過分布式網絡架構克服了中心化系統的各種缺點。同時，區塊鏈技術在溯源系統中的應用也可以避免人為惡意或者意外的數據丟失和誤操作等問題。此外，系統多參與方共同維護同一賬本的特性，有助于打破不同系統之間存在的信息孤島問題。最后，區塊鏈技術本身還能夠帶來支付即結算的清算能力，減少多方重復對賬所帶來的諸多問題和相應成本。

區塊鏈技術可以保證數據上鏈后的真實性、不可刪除性與不可篡改性，為了保證上鏈前數據的真實性和準確性，可在追蹤溯源系統中綜合運用多種技術手段。例如，當品牌農產品噴碼記錄上鏈時，我們可以在包裝箱中放置一個綁有電子標簽的全球定位系統(GPS)裝置，用以跟蹤品牌農產品物理位置信息，可跟隨該品牌農產品信息上鏈記錄實時流轉的GPS定位信息，從而保障該農產品在區塊鏈上記錄的地理位置的真實性，給予商品上鏈前線下真偽鑒定的方式和手段，從而在源頭上夯實溯源信息真實性。

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綜上，區塊鏈技術應用于品牌農產品追蹤溯源場景，可以在保障品牌農產品整個產業鏈關鍵環節信息數據記錄存入區塊鏈后，整個參與區塊鏈的主體都能跟蹤看到各個環節的關鍵信息，而且信息不會被人為篡改。根據鏈上存儲的信息可以很容易地追溯到每個信息數據被記入的關鍵環節點，并且避免了單點數據損壞的威脅。區塊鏈技術為品牌農產品溯源領域的問題帶來了新的解決方案，為產業鏈各關鍵環節帶來了更多的信息價值?；趨^塊鏈的溯源系統就是去中心化溯源系統，同時，將農業物聯網、智能監控技術、區塊鏈技術和智能防偽技術有機結合起來，利用區塊鏈在追蹤溯源領域的技術優勢，解決產業鏈上的信息不透明問題，從源頭上解決品牌農產品的可追蹤溯源信任問題，保護消費者的利益，同時提供對品牌方品牌價值的強信任背書的技術支撐。

基于區塊鏈的農產品溯源優勢包括將品牌農產品種植、生產、物流、銷售等全產業鏈關鍵環節數據上鏈，保證數據真實不可篡改，實現基于區塊鏈溯源系統的強信任背書。品牌農產品生產方可以利用互聯網身份標識相關技術，通過品牌農產品溯源鏈跟蹤記錄其生產的農產品信息，在區塊鏈溯源系統上完成認證后，生成區塊鏈品牌農產品生產信息鏈，形成透明和安全的記錄。記錄在區塊鏈溯源系統中的生產信息同時能夠幫助零售方管理不同店面中的品牌農產品的生產日期、上架日期和來源等。消費者可以通過區塊鏈提供的分布式溯源應用，對品牌農產品從種植到購買的整個產業鏈進行溯源查驗，便捷地查詢到不可篡改的商品全產業鏈溯源信息，通過品牌農產品產業鏈可信聯盟參與的基于區塊鏈的溯源系統可以保障品牌及消費者利益，樹立品牌信譽，同時，消費者可以購買到安全、真實的品牌農產品。

3 應用實現

3.1 應用體系

區塊鏈溯源一體化應用體系如圖1所示，主要包括農業物聯網設備層、網絡層、溯源鏈平臺和智慧應用層。其中農業物聯網結合種植、倉儲、加工和銷售實際產業環境需求，在關鍵節點部署農業物聯網傳感器，主要包括：土壤墑情、農田水位、雨量、風力、光照、氣壓、溫濕度等傳感器，以及自主研發的全景監控設備。其中，智能傳感器采集信息通過部署的物聯網網關傳到系統中，全景監控設備通過交換機接入到網絡中傳輸到后臺系統服務器。

圖1 品牌農產品溯源應用體系架構

同時，利用區塊鏈技術、物聯網智能設備、全景監控和智能防偽技術，可以融合區塊鏈技術和農業物聯網所需智能硬件設備部署。在品牌農產品信息記入溯源鏈平臺前，用機器代替人力對農產品信息進行校驗，減少道德風險，確保品牌農產品信息的真實性，針對品牌農產品關鍵環節如種植、倉儲、加工和銷售等的信息進行采集驗證上鏈?；趨^塊鏈分布式存儲、點對點傳輸、共識和不可篡改等，構建整個品牌農產品的全產業鏈信息不可篡改、不可偽造的強信任追蹤溯源應用體系?；趨^塊鏈溯源應用，每件品牌農產品都有了身份證，采用智能防偽技術，實現品牌農產品的開封即銷毀而且不可復制。

品牌農產品生命周期強溯源平臺如圖2所示，包括物聯網系統、視頻監控系統、去中心化溯源系統三個部分。通過虛實映射結合的方式，將產品生命周期關鍵信息進行驗證記錄，通過多方參與，共同保障產品的強信任度。

圖2 品牌農產品強溯源平臺組成系統示意圖

物聯網系統實現品牌農產品生長環境信息自動采集，對應的傳感設備可包括但不限于:多參數氣象傳感器、光合有效輻射傳感器、水位傳感器、土壤水分溫度電導率傳感器和土壤養分含量測量儀。數據采集傳輸處理包括：數據處理平臺軟件、無線數據采集模塊和無線智能網關。集成的物聯網系統可以全維度采集監測農產品生長環境信息，能夠預測周圍區域的小氣候，預測內容豐富：氣溫、空氣相對濕度、風速、風向、氣壓和降雨等。

視頻監控系統采用全景監控和普通監控結合的模式。全景監控采用智能全景監控，對比其他監控方案，監控視角廣，水平360度，垂直360度，廣域范圍，1 500萬像素360°全景網絡監控采用一體化設計模式，方便農產品種植環境快速安裝，輸出最高分辨率可達4 k(4 096×2 048)畫質，可以針對重要細節更加清晰呈現。

去中心化溯源應用系統依賴于區塊鏈上數據不可刪除、不可篡改和不可偽造的重要特性，建立強信任品牌農產品溯源應用體系。溯源系統主要包括農產品倉儲追溯、生產加工追溯、銷售溯源、視頻監控、農產品溯源鏈及其軟件管理系統功能。

圖3 系統關鍵技術架構圖

3.2 區塊鏈溯源應用系統流程

區塊鏈溯源應用系統通過為品牌農產品賦予獨一無二的“身份證”讓農產品從種植開始直到最終被消費者購買，全產業鏈關鍵環節信息都會被存證在區塊鏈上。品牌農產品獨一無二的“身份證”即拆即毀、不可被復制，確保消費者溯源驗證信息未被篡改。

數據上鏈，對于農產品品牌方來說，通過終端設備，使用區塊鏈技術，品牌農產品溯源系統將品牌農產品數據記入溯源區塊鏈，并通過哈希函數和橢圓曲線ECC非對稱加密算法等對數據進行加密和驗證，確保整個區塊鏈的參與方能夠透明地查看各個環節信息，并且存證信息不會被人為篡改。

對于消費者來說，在選擇購買品牌農產品時，可通過微信掃一掃溯源二維碼等便捷易用的方式，查看追溯驗證這件品牌農產品從種植、生產、包裝、運輸、報檢、第三方檢驗等關鍵環節全過程認證信息，從而利用溯源系統提升品牌產業鏈信息的真實溯源，增強品牌信任感。

基于區塊鏈的品牌農產品溯源鏈可進一步應用于防偽、溯源、防竄貨及控價、微信互動、大數據收集分析決策、區塊鏈和產業鏈可信溯源等多個應用交叉領域。

利用高科技進行品牌農產品溯源，使品牌農產品全產業鏈數據成為區塊鏈上的可信環節，不僅可以進一步推動品牌農產品銷售，也是集農業物聯網、智能全景監控、智能防偽和區塊鏈技術的強信任背書溯源應用體系的重要組成部分。

4 仿真實驗

4.1 實驗環境

實驗環境為Linux操作系統，硬件部署環境為Intel(R) Xeon(R) CPU E5-2680 v3 48核、64 GB內存、2.2 TB硬盤，品牌農產品溯源鏈實驗軟件環境、輕量級虛擬機和測試數據。

4.2 實驗方法

本實驗針對品牌農產品信息上鏈和響應時間性能進行驗證，從上鏈信息和響應時間來評估溯源系統的高可用性和穩定性。實驗以不同的上鏈信息數據規模和不同的請求頻次對應的上鏈響應時間為評估要素，驗證信息上鏈的可用性和穩定性。

4.3 實驗結果

在溯源信息量規模固定的情況下，采用不同的頻率進行數據上鏈，對應的上鏈響應時間變化如圖4所示，隨著頻率增大，響應時間減少，單位信息請求平均響應時間也在不斷減少。

圖4 不同頻率對應響應時間變化

在溯源信息上鏈頻率固定的情況下，針對不同的溯源信息量規模，上鏈響應時間變化如圖5所示，隨著信息量規模增大，單位信息響應時間基本保持不變。

圖5 不同數據量對應響應時間變化

由實驗結果可以看出，基于區塊鏈的農產品安全可信溯源應用系統在不同規模溯源信息及不同請求頻率下具有高可用性和穩定性，單位信息上鏈響應平均時間在秒級，具有可擴展性。

5 結 語

本文研究了將區塊鏈技術應用于品牌農產品溯源的一體化應用體系，解決中心化溯源系統信任度低和系統安全的問題，品牌農產品溯源鏈分布式、不可篡改和共識驗證等特性提升了系統的安全性和可信任度。從溯源信息上鏈和響應時間方面對去中心化溯源系統進行了仿真，結果表明基于區塊鏈的強信任溯源系統具有高可用性和穩定性，且在分布式溯源數據上鏈可擴展性等方面表現良好。下一步將通過對溯源鏈細節進行優化，提升不同場景下的系統整體性能表現。