基于區塊鏈的農業投入品智能管控平臺設計

錢建平 余強毅 史 云 張保輝 查 燕 吳文斌

（中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所，北京 100081）

1 引言

食品安全問題已成為重要的全球性問題[1]。農產品是既是食品的組成部分，又是食品原料的重要來源；而農業種養殖過程中農獸藥等投入品不合理的使用是導致食品安全的主要原因之一[2]。另一方面，化肥、農藥等的過量施用導致的農業環境污染、產品品質下降等問題也日益顯現[3]。圍繞化肥農藥減施，我國提出了“一控兩減三基本”的戰略目標[4]。因此，提高農業投入品的管控能力對于保障食品安全和實現“肥藥雙減”目標具有重要意義。

利用信息技術、物聯網等手段對農業投入品進行信息化管理已成為提升管理水平、增強追溯能力的重要手段。黃慶等通過對物聯網相關技術及網絡架構的分析，將其應用于農資溯源服務系統各環節，可實現對農資產品的溯源防偽[5]；毛林等提出了基于產品電子代碼（EPC）編碼的農資追溯系統，提供了一種輕量級的應用解決方案[6]；方薇等利用RFID（radio fre‐quency identification）和網屏或二維碼相結合的混合編碼模式，提出了一種農資信息溯源服務系統，系統可在保護農戶利益、凈化農資市場、樹立商家品牌方面發揮重要作用[7]；Qian等提出了結合“安心施”手機APP 的農藥施用控制云平臺，為實現農藥合理施用、提高農產品質量安全提供了有效手段[8]。

貫穿“生產‐經營‐施用”的農業投入品生命周期因時空跨度大、責任主體多、信息易失真，既加大了政府監管的難度，也降低了各主體的信任度。區塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、開放透明等重要特征[9]；作為一種為實現去中心化而提出的支持數據存儲和共享的技術，其核心包括密碼學、共識機制和區塊鏈網絡[10]。區塊鏈技術已應用于數字金融、物聯網、智能制造、供應鏈管理、數字資產交易等多個領域[11‐13]；在農業和食品的追溯領域也得到了較好應用，并有相關商業化案例[14]。本研究以區塊鏈技術為支撐，以農業投入品的“生產‐經營‐施用”為生命周期過程，構建農業投入品智能管控平臺，增強農業投入品監管能力、提升追溯可信度。

2 農業投入品管控存在的問題

農業投入品既是農業生產的源頭，又是農業生產的基本要素；其合規生產、合法經營、合理施用對于穩定農產品生產、保障農產品安全、降低農業污染具有重要作用。近年來，我國不斷強化農業投入品市場監管力度并取得了積極效果；但由于農業投入品供應鏈長、涉及主體多、技術手段缺乏等問題，農業投入品違規生產、銷售渠道混亂、產品質量良莠不齊、使用不合理、監管效率不高等問題時有發生。主要問題總結如下。

（1）臺賬錄入不規范，影響進銷數據可信度

建立農業投入品的購銷臺賬是經營企業管理的重要內容。由于農業投入品品種繁多、成分不一、規格不同，企業在建立購銷臺賬時往往出現同一商品多種名稱或同一名稱多種商品的情況；這種不規范的臺賬記錄影響了數據的可信度。通過建立規范商品數據庫，并在農業投入品的全生命周期統一使用，能有效減少這種現象的發生。

（2）施用記錄不清楚，影響農產品質量安全

農業投入品尤其是農藥的合理施用，對于保障農產品安全具有重要作用。農藥的過量施用或者施用后未滿足安全間隔期的要求進行采摘等現象時有發生，甚至部分使用者篡改農業投入品施用記錄。由于區塊鏈采用了時間戳技術和共識機制，不僅提高了區塊鏈中數據的不可篡改性，還使得區塊與區塊之間具有了時間序列的排序關系，使信息更加具有公正性。通過將投入品施用的核心數據存儲到區塊鏈中，能有效防止施用數據的篡改。

（3）信息記錄不準確，影響監管責任的界定

農業投入品中經常出現套牌、假冒和侵權的現象，給農業投入品產業的健康發展帶來了巨大的負面影響。究其原因，主要是由于防偽機制缺乏、信息記錄不準確，發生假冒偽劣商品時責任界定較為困難。區塊鏈本質上是一個分布式的公共賬本，技術特征包括去中心化、去信任、可集體維護等；區塊鏈的可靠不需要依靠人們的信任和信用，而完全由區塊鏈本身的技術特征決定，具有客觀性。因此通過去中心化的數據管理方式，既能有效防止假冒偽劣現象的發生，又能有效進行責任界定。

（4）生命周期不連貫，影響產品追溯和召回

農業投入品的生命周期包括生產、銷售、施用等過程，這些過程標識不對應、信息不關聯，導致無法有效進行追溯。利用區塊鏈技術的數據保存方式恰恰能解決數據的溯源問題，在農業投入品生命周期的每個階段將信息上傳鏈上，數據在底層以區塊鏈的形式進行存儲，可以保證采集方法及結果等數據按時間順序進行不可更改的存儲，保證數據的真實溯源。

3 總體架構

以農業投入品生命周期的“生產‐銷售‐施用”等核心環節為基礎、以實現智能化管控和全程追溯為目標，構建農業投入品智能管控平臺，如圖1所示。

平臺主要由數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層組成；網絡層通過身份驗證、節點權限等，結合P2P 網絡協議將區塊鏈數據存儲于各個節點。共識層采用PoS（權益證明，Proof of Stake）算法進行管理，在基于權益的共識算法中，權益證明就是資源證明，最高權益的節點即擁有最多資源的節點具有記賬權，這種機制滿足了農業投入品管控中，具有更多權益的監管部門及機構具有更高的權限，能夠實現對參與主體的審核。

3.1 數據存儲

平臺數據是生產、銷售、施用等各環節產生的數據，其中生產環節數據包括企業信息、原料信息、生產信息、檢測信息、出廠信息等，銷售環節數據包括經營主體、入庫信息、庫存信息、銷售信息、抽檢信息等，施用環節數據包括生產主體、購入信息、施用信息、施用標準、使用評價等，這些數據是管控的核心數據來源，構成了基礎數據。考慮到數據的容量及數據安全保密的要求，采用鏈上與鏈下相結合的方式進行數據的存儲，通過映射機制實現鏈上及鏈下數據映射。

3.2 智能合約

智能合約是一種去中心化、可自行校驗、自動執行核心內容的有約束力的數字化協議,通過設置一些可自動觸發的執行條件,為區塊鏈網絡中的用戶提供信息交互、價值轉移等功能[15]。平臺設計的智能合約主要有用戶認證、資質核驗、臺賬分析、施用預警、防偽追溯、智能召回、全程監管及糾紛查證。當節點上傳的信息或者調用的功能滿足相應合約的觸發條件后,系統將自動調用合約實現相應的功能。

4 “數據庫+區塊鏈”的數據雙模存儲設計

由于農業投入品生命周期各個節點的數據量大、且數據具有異構性，如果將各節點采集的所有數據都上傳到區塊鏈，并進行存儲，則會導致區塊鏈負荷大、運行成本高。隨著節點數的增加，交易數據呈現指數級增長，加之區塊鏈自身為鏈式結構，使查詢效率低下。因此，本研究中采用鏈上和鏈下相結合的雙模存儲機制。在鏈上部分，重要數據經過哈希計算產生與該數據對應的唯一標識碼，并存儲在區塊鏈中；在鏈下部分，通過將農業投入品生命周期各節點的詳細數據經智能合約驗證，與數據所在的區塊位置信息一同存入關系型數據庫中。

以某一種病蟲害防治產品的數據為例，其涉及的主要信息有唯一注冊碼、通用名稱、商品名稱、防治對象、主要成分及含量、生產日期等。同種產品由一家或多家生產商生產，涉及到生產商的編號、法人代表、生產許可證、電話號碼、地址等信息。同時，在使用過程中需根據不同作物確定施用方式，因此涉及到作物的編號、名稱、主要病蟲害等信息，及防治對象、用法、用量、最多施用次數、安全間隔期、最大殘留限量等施用方式信息。如圖2所示。

基于上述分析，在對病蟲害防治信息進行記錄時，存儲在本地數據庫中的信息字段包括操作序號、作物種植批次號、作物名稱、防治對象、病蟲害防治品唯一注冊碼、用法、用量、使用時間、使用人、區塊號。其中，操作序號作為記錄信息的唯一標識碼；區塊號是與鏈上數據相映射的標識，是通過將病蟲害防治信息的每個字段作為字符串拼接起來，進行哈希計算后的值。存儲在區塊鏈數上的病蟲害防治信息據結構包括區塊頭和區塊體，區塊頭主要有當前區塊號、前一個區塊哈希值、時間戳等信息。區塊體主要是病蟲害防治相關信息，采用Key‐Value 的方式進行存儲，Value 是寫入區塊鏈的值，包括docType、id、Infohash；其中id 與本地數據庫存儲的病蟲害防治信息的id 一一對應，InfoHash 是對溯源信息哈希計算之后的值。Key鍵是Value 值中對應的id 作為索引和唯一標識。

5 智能合約構建

在智能合約中，當簽署合約的各方就合約內容、執行條件、違約條件等達成一致時，智能合約被部署到區塊鏈上，使參與方無需依賴任何中心組織，自動執行合約。本文根據農業投入品在生產、銷售、施用、追溯等不同環節的需求，設計的典型智能合約如表1所示。

以施用預警為例，進一步說明智能合約的構建。該智能合約的作用是依據預先建立的農藥使用規則庫，進行農藥使用信息記錄的比對，對于違規使用給出預警信息、對于正確使用則記錄到區塊鏈上。具體來說，當輸入農藥使用記錄信息，如農藥名稱、作物名稱、使用量、使用方法、使用時間等時；智能合約自動執行相關判斷，包括信息填寫是否完整、是否是違禁使用品、用法、用量、安全間隔期等是否符合標準等；當完全符合相關判定規則時，農藥使用信息被記錄到區塊鏈上。

6 系統開發

根據節點進入區塊鏈的機制不同，可以將區塊鏈分為公有鏈、聯盟鏈、私有鏈3 種類型，其技術特點如表2 所示。公有鏈、聯盟鏈和私有鏈對節點的開放程度逐漸降低，公有鏈允許所有人進入網絡且都具有讀寫權限，如比特幣就是其典型代表，聯盟鏈則將權限進行了限制，僅特定群體預設的節點可以記賬，其他人可以參與交易但需要托管記賬，私有鏈中所有節點的權限都由一個組織控制。

表1 典型智能合約構建規則Table 1 Typical intelligent contract building rules

公有鏈、私有鏈和聯盟鏈各有優缺點，而聯盟鏈中又有授權節點又有公開節點，其共識管理模式保證了供應鏈參與組織的高效運行、同時兼顧了系統安全和可靠特征。Hyperledger 作為聯盟鏈平臺,在高可用、高性能和隱私保護上優勢更明顯,其特有的角色權限機制可以使監管部門擁有監管權,也能夠對其他角色開放對應的權限,既保護了供應鏈上的隱私信息,又保證了信息的公開透明。因此本文選擇Hy‐perledger構建農業投入品智能管控平臺。

表2 不同類型區塊鏈技術特點Table 2 Characteristics of different block chain technology

根據不同參與主體的需求及使用的便利性，平臺采用應用系統與移動APP 相結合的方式，主要提供生產管理、經銷管理、施用管理、智能監管、區塊鏈管理等模塊，如圖3所示。具體功能設計如下：

（1）生產管理模塊

生產管理是農業投入品管控的源頭，重點提供原料管理、生產記錄、成品管理、批次賦碼和銷售記錄等功能。其中原料管理重點記錄原料名稱、生產廠商、原料檢測、購入時間等信息；生產記錄是按批次記錄原料配比、加工線、加工時間等信息；批次賦碼是根據一定的編碼規則生成成品批次生產碼，并記錄到系統中。

（2）經營管理模塊

經營管理是農業投入品管控的關鍵，重點提供進貨管理、銷售管理、庫存分析、產品賦碼、小票打印等功能。進貨管理采用掃描錄入比對的方式，掃描產品在生產階段生成的批次生產碼，自動從管控平臺提取與批次生產碼對應的產品名稱、生產廠商等信息，并錄入進貨時間、負責人的信息，形成進貨記錄；銷售管理采用會員制銷售和普通零售相結合的方式；庫存分析能夠對農業投入品的庫存狀態進行實時預警，可分析某時間段內的出入庫情況；產品賦碼主要是根據經營主體的不同需求，對于進貨時無條碼的產品，可根據產品名稱、生產企業等信息生產條碼；小票打印對于每一筆銷售的產品均打印出帶有追溯二維條碼的銷售小票，此二維條碼與施用管理模塊無縫對接。

（3）施用管理模塊

合理施用農業投入品是管控平臺的核心，以移動APP的方式重點提供真偽查驗、入庫管理、施用記錄、標準查詢等功能。依托區塊鏈提供的數據防篡改優勢，可輸入產品編號進行真偽的查驗，有效防止假冒偽劣現象的發生；入庫管理主要是通過銷售小票的二維條碼實現，降低了數據錄入的錯誤、提高了錄入效率；施用記錄是通過調用施用預警的智能合約來實現，在記錄數據的同時提供使用方法和使用量的提示、預警功能，及安全間隔期等的提示功能；標準查詢是基于不同農業投入品的施用標準庫，如選擇在某種作物上防治某種病蟲害，該模塊即提示推薦施用的投入品及其使用標準等信息。

（4）智能監管

提高監管效率及智能化水平是管控平臺的保障。重點提供資質核查、經營檢查、違法記錄、產品召回、糾紛查證等功能。資質核查是對于生產者和經銷者的相關資質進行查驗，并可對于生產經營主體提交的材料進行審核。經營檢查、違法記錄功能主要以移動APP 的方式提供，便于進行現場執法監督；產品召回是當發生假冒偽劣等問題時，根據產品生產經營范圍快速確定需要召回的產品批次，并通知相關單位；糾紛查證是充分利用區塊鏈提供的非對稱加密、數字簽名等技術，將重要的生產經營數據存在區塊鏈上，當發生糾紛時可查詢。

（5）區塊鏈管理

區塊鏈管理用于維護管控平臺正常運行。重點提供用戶注冊、合約管理、防偽查詢、區塊維護等功能。用戶注冊和防偽查詢通過調用相關智能合約來實現；合約管理可用于構建、部署智能合約。

7 總結與展望

區塊鏈本質上是一個分布式的公共賬本，技術特征包括去中心化、去信任、可集體維護等。目前區塊鏈已經發展到3.0時代，從金融領域擴展到數字金融、物聯網、智能制造、供應鏈管理、數字資產交易等多個領域。農業投入品管控存在著時空跨度大、責任主體多、信息易失真等問題。本文以區塊鏈技術為支撐，以農業投入品的“生產‐經營‐施用”為生命周期過程，在分析農業投入品管控存在問題的基礎上，提出了農業投入品智能管控平臺總體框架，設計了“數據庫+區塊鏈”的數據雙模存儲機制，描述了智能合約的構建過程；結合聯盟鏈的優勢，提出了系統開發框架選擇及平臺功能設計，既有利于增強農業投入品監管能力，又能提升追溯可信度，對于農業投入品的合規生產、合法經營、合理施用提供了有力的技術支撐。