雜糧供應鏈區塊鏈多鏈追溯監管模型設計

于華竟，徐大明，羅 娜，邢 斌，孫傳恒

雜糧供應鏈區塊鏈多鏈追溯監管模型設計

于華竟，徐大明，羅 娜，邢 斌，孫傳恒※

（1. 國家農業信息化工程技術研究中心，北京 100097；2. 農產品質量安全追溯技術及應用國家工程實驗室，北京 100097）

針對雜糧產品供應鏈鏈條長、主體多、區塊鏈追溯過程數據無法差異化共享、鏈上數據難以實時監管等難題，通過分析雜糧供應鏈環節業務流程與監管特性，提出了基于區塊鏈多鏈架構的雜糧追溯模型，并在此基礎上建立多鏈數據存儲架構，設計了基于監管授權組網建鏈的網絡準入機制，并通過智能合約實現數據的鏈前監管與追溯節點的鏈上管控。為驗證模型有效性，基于Hyperledger Fabric設計并實現區塊鏈追溯系統，對山西忻州雜糧應用案例進行分析。在安全方面，企業組網授權擴散性測試密文平均改變率為82.53%，相關性測試密文平均改變率為82.39%，具備較高的安全性與混淆性。在效率方面，消費者查詢公開追溯數據平均時間為0.415 s，監管部門調用跨鏈接口查詢企業敏感追溯數據平均時間為0.871 s。結果表明，該研究設計并實現的面向監管的雜糧多鏈追溯系統在滿足消費者追溯需求的基礎上，能夠實現追溯數據賬本與鏈間交易記錄的實時管控，為農產品區塊鏈追溯監管系統研究提供借鑒與參考。

農產品；追溯；區塊鏈；多鏈；數據監管；Hyperledger Fabric

0 引 言

雜糧具有豐富的營養物質，是中國西部地區農業經濟的主要來源[1]。但近幾年，食品質量安全問題頻發，化學藥品濫用、重金屬超標等嚴重影響人們對農戶的信任[2]，農產品信息亟須有效監管。構建雜糧追溯系統實現多方高效協作、快速追溯產品來源，能夠重筑雜糧與消費者間信任橋梁[3]?，F有的追溯系統研究集中于條形碼[4]、二維碼[5]、射頻識別[6]以及無線傳感網絡等記錄追溯數據，但中國雜糧存在種植、加工、物流等追溯鏈條長、生產分散、上下游信息斷鏈和數據不透明等問題[7]，傳統追溯系統難以關聯并且高效監管各環節追溯記錄，出現質量安全問題時無法及時召回問題產品、準確定位責任主體、精準管控追溯企業等問題。

區塊鏈鏈式結構具有數據不可篡改、正向記錄逆向追溯特點[8]，實現全維度、透明化追蹤記錄雜糧作物生產收獲全過程，為解決雜糧供應鏈企業數據共享、數據價值深度挖掘等提供技術支撐[9]。近些年，國內外學者從不同角度探究區塊鏈技術在農產品追溯中的應用，如楊信廷等[10]、于合龍等[11]、Yang等[12]采用鏈下中心化數據庫協同存證的方式探究區塊鏈技術在農產品供應鏈大數據中的應用；李宣等[13]、Cao等[14]、Ding等[15]、李夢琪等[16]設計雙區塊鏈架構存儲產品追溯海量數據。然而，由于雜糧供應鏈追溯企業分散以及區塊鏈網絡賬本公開透明，具備商業價值的敏感數據隱私保護以及授權訪問等還需要進行深入研究。此外，陳純[17]、洪學海等[18]指出區塊鏈網絡健康可持續的發展需要監管技術的支持，區塊鏈安全監管技術已經成為區塊鏈規?；瘧玫闹攸c研究方向。在區塊鏈農產品追溯系統數據監管方面，張燕等[19]、王毅[20]、許繼平等[21]從追溯數據監管方面探究區塊鏈技術在農產品追溯中的應用，霍紅等[22]從供應鏈視角構建區塊鏈農產品質量安全監管體系，指出供應鏈監管還包括參與主體的行為、意識的管控。針對以上問題，在保證雜糧供應鏈各企業間追溯數據隱私保護的基礎上，如何實現數據、交易行為的穿透式監管，不僅體現在追溯數據的全方面監管，也體現在對追溯企業節點的管控。因此，設計適用于雜糧供應鏈的可監管追溯具有重要意義。

本文通過分析雜糧供應鏈全生命周期追溯流程，設計并實現基于區塊鏈多鏈架構的可監管雜糧追溯系統，并根據實際生產情況提出面向監管的雜糧區塊鏈多鏈數據存儲模型，并設計基于監管授權的網絡準入機制，通過智能合約實現鏈上鏈下協同監管，充分利用區塊鏈技術保障各類生產要素資源與雜糧實體經濟深度對接，將雜糧供應鏈與區塊鏈雙鏈融合，解決雜糧供應鏈存在的數據擴容、數據共享、監管難等問題。

1 雜糧供應鏈關鍵信息分析

雜糧供應鏈包括種植、加工、倉儲、運輸、銷售等多環節，由攝像頭、傳感器、北斗定位裝置等物聯網設備實時采集視頻、音頻、圖像、位置等產品操作信息，達到物理級真實，保證高品質雜糧產品源頭安全。但在規模化應用的雜糧產品追溯中，數據多源、海量、異構、種類繁雜，其中并非所有數據用于共享追溯，涉及生產數量、成本等與產品質量安全無關的敏感信息無法完全透明公開，并且供應鏈主體間關于數據采集、存儲格式缺乏共識性標準，導致上下游企業間數據隱私性差、監管部門無法高效監管供應鏈數據。針對上述問題，在保證產品基本信息逆向追溯的基礎上，為了提升監管部門工作效率以及保證企業敏感數據的安全，本文提取供應鏈各環節關鍵追溯數據并將其劃分為可公開共享數據與敏感數據，具體如表1所示。

表1 雜糧供應鏈關鍵信息

2 基于區塊鏈多鏈的雜糧供應鏈追溯模型設計

2.1 雜糧追溯區塊鏈多鏈架構

中國雜糧供應鏈追溯環節多、追溯數據海量異構，而傳統追溯系統通過企業中心化數據庫存儲追溯數據，造成企業間數據流通即時性差并且存在篡改風險[23]。區塊鏈以分布式賬本代替中心數據庫存儲企業數據，正向記錄產品信息、逆向追溯，實現供應鏈上下游企業數據共享、價值傳遞，解決因企業間信任問題引起的數據壁壘問題。區塊鏈追溯節點通過區塊高度（Block height）或交易哈希（Transaction hash）等索引查詢數據賬本，無法做到鏈上數據的差異化共享[24]，而且區塊單鏈式存儲結構能夠保證區塊數據不可篡改、不可刪除的永久可查、可用，但面臨追溯大數據的擴容難題。在區塊鏈追溯規模化應用后，因網絡節點共識串行處理數據交易而無法獲得傳統中心化追溯系統的性能表現[25]。

針對上述問題，根據雜糧實際應用環境，綜合考慮監管部門與供應鏈環節，在生產、加工、倉儲、物流以及經銷等供應鏈企業獲取監管部門組網授權文件后建立企業區塊鏈，并且由各企業追溯節點、消費者節點與監管節點建立追溯區塊鏈，如圖1所示。通過區塊鏈通道技術建立面向企業數據存儲的生產鏈、加工鏈、倉儲鏈、物流鏈、分銷鏈五條企業區塊鏈，建立面向追溯需求、鏈間交易與可控監管的追溯鏈，以企業鏈多鏈結構和追溯主鏈的形式共同組建雜糧區塊鏈追溯系統，實現數據容量擴增、數據隔離存儲、消費者逆向追溯、鏈間交易留痕可控。追溯鏈作為區塊鏈追溯網絡主鏈，提供鏈間交易環境，實現雜糧供應鏈多企業鏈間數據交互以及上下游企業間交易留痕管控。

為保證區塊鏈追溯網絡健康可持續穩定發展，供應鏈企業首先獲取監管部門審核授權文件，利用通道技術建立企業追溯多鏈以及企業節點組建追溯網絡，通過通道天然的隔離性保證企業間數據的隱私性、安全性。監管部門與各企業追溯節點加入追溯通道創建追溯主鏈，企業產品生產加工過程中涉及商業價值敏感數據存儲在企業鏈，具備追溯價值的可公開產品信息存儲在追溯主鏈。同時由于通道隔離上下游企業鏈間交易無法直接進行，必須通過追溯主鏈交互完成信息交換與追溯價值傳遞。企業追溯節點在追溯主鏈上通過智能合約向監管節點提供同構多鏈跨鏈數據查詢接口，企業敏感追溯數據面向監管追溯開放；同時對消費者節點提供追溯鏈上賬本查詢接口，公開追溯數據面向消費追溯開放。

2.2 追溯數據存儲與監管模型

本文在深入分析雜糧供應鏈特點的基礎上，基于區塊鏈技術建立面向監管的雜糧多鏈追溯數據存儲模型，如圖 2所示。追溯數據按照供應鏈環節從生產鏈開始記錄并通過追溯鏈共享直到產品消費，產品敏感信息由企業鏈加密存儲授權訪問、公開信息由追溯鏈透明共享、產品交易由追溯鏈留痕管控。其中，企業鏈通過追溯鏈交互共享數據，數據上鏈時首先調用監管合約執行數據鏈前監管，判斷數據格式、內容是否符合合約追溯條例；然后通過上鏈智能合約在企業節點共識記賬，更新區塊鏈企業節點數據庫與區塊索引記錄；最后觸發跨鏈合約將可公開共享追溯數據上傳追溯鏈。上鏈鍵值對追溯數據如表2所示，由供應鏈企業物聯網設備實時采集和上游企業交易的產品數據存入區塊體默克爾樹葉子節點出塊記賬，并且以鍵值對的形式更新世界狀態數據庫，同時將返回的交易哈希、區塊高度存入世界狀態索引數據庫，通過區塊高度或交易哈希索引查詢追溯數據，降低查詢時間。

從數據存儲、數據監管兩方面分析數據存儲模型。數據存儲中追溯文本數據選用CouchDB狀態數據庫以鍵值對方式存儲，通過鏈下索引數據庫檢索數據提升數據上傳與查詢效率，多媒體流數據通過星際文件系統（Interplanetary File System，IPFS）分布式存儲[26]。數據監管一方面是鏈前數據與鏈上賬本的監管，數據鏈前監管是通過智能合約審計數據格式、內容，保證數據上鏈時安全可靠；鏈上監管是由監管節點實時接收追溯鏈上廣播信息，根據動態關鍵字詞庫審計追溯數據賬本，出現違規追溯記錄時及時進行數據取證、認定；另一方面是追溯節點的管控，監管部門根據審計實時反饋通過取消監管授權的方式限制追溯節點鏈上數據賬本操作權限，為追溯網絡數據內容安全提供有力支撐。

表2 上鏈鍵值對數據

2.3 企業組網建鏈與授權管控模型

區塊鏈基于P2P協議構建去中心化系統，全網節點平等、數據無成本快速傳遞[27-28]。在雜糧追溯網絡規模化應用后，受到上鏈數據量大、時效性高限制，在加強鏈前數據審查的基礎上，強化鏈上節點權限管控力度具有重要的研究意義。針對追溯節點監管，本文設計基于監管授權的網絡準入機制，如圖3所示。供應鏈企業通過非對稱國密算法SM2生成公私密鑰對，加入區塊鏈追溯網絡時，監管部門獲取由供應鏈企業廣播的公鑰，并接收由供應鏈企業提交的授權申請；根據授權申請，對供應鏈企業進行建鏈資質審核；在建鏈資質審核通過的情況下，利用公鑰對授權文件進行加密，生成授權密文；將授權密文作為建鏈資質審核結果發送給供應鏈企業，以供供應鏈企業利用私鑰對授權密文進行解密，并根據解密后獲取的授權文件構建相應的企業私有鏈；私鑰與公鑰相對應。本文設計的追溯企業組網建鏈與授權管控模型，監管部門通過對供應鏈企業進行建鏈授權的方式，管控鏈上追溯節點的網絡賬本操作權限。

由于供應鏈企業組網建鏈以及操作鏈上賬本數據都需要企業授權文件Key，所以追溯網絡的安全性取決于Key是否安全不可破解。監管部門根據企業建鏈資質生成授權密文，并通過哈希函數生成唯一不可逆的授權簽名，加密算法如公式（1）～（4）所示。為保證授權文件傳輸安全，如公式（5）～（6）所示通過企業公鑰加密傳輸、私鑰解密獲取授權建鏈組建企業追溯網絡。

根據授權過期時間信息、授權名稱信息、授權企業信息和簽發時間信息，生成授權文件的中間編碼密文Info，記為

監管部門接收到供應鏈企業的公鑰和授權申請后，生成授權文件密文并通過公鑰加密傳輸，生成具有保密性的的授權密文，由于只有企業保留的私鑰可以對授權密文進行解密，進而讀取解密后的內容，可以有效防止信息泄露。記為

2.4 智能合約設計

智能合約在觸發條件滿足時可自動執行合約邏輯，以信息化的方式傳播、驗證或執行合約協議，使區塊鏈及時對外部治理做出反應[29-30]。本文設計監管智能合約，實現監管自動執行，強化數據鏈前監管、鏈上安全，減緩監管部門負載壓力。監管合約將監管法律條例轉化為合約條款，由雜糧供應鏈企業主體參與協商制定，內容公開透明且不可篡改，提供鏈上協作的基石，實現區塊鏈追溯節點組網授權管控、追溯數據鏈前與鏈上交易監管、跨鏈數據穿透式查詢監管，具體智能合約設計如表3。

本文通過聯盟鏈通道技術創建追溯多鏈網絡，為多條企業鏈和追溯鏈封裝出賬本數據交互接口，通過合約調用接口實現鏈間數據交互。下面介紹數據上鏈與查詢的智能合約算法，算法1描述追溯數據上鏈操作，算法2描述監管追溯跨鏈查詢步驟，第7～9步、12～14中查詢追溯鏈公開賬本數據，面向消費者掃碼追溯可返回相應企業公開追溯數據，面向監管追溯則返回上游企業鏈追溯碼；第3～5步、15～17中通過智能合約調用企業鏈賬本查詢接口獲取企業鏈敏感追溯數據。

表3 智能合約設計

算法1：數據上鏈智能合約算法

輸入：企業追溯節點cTraPeer，企業鏈授權文件Keyproc，追溯鏈授權文件Keytra，追溯數據traceData

輸出：交易哈希txID，區塊高度blockNum，公開追溯數據traceData’

算法2：數據查詢智能合約算法

輸入：監管節點sTraPeer，五條企業鏈授權文件Key，追溯鏈授權文件Keytra，產品追溯碼traceCode

輸出：企業鏈產品敏感追溯數據

3 面向監管的雜糧區塊鏈多鏈追溯系統實現

3.1 系統架構

通過聯盟鏈構建雜糧產品追溯系統，基于通道技術創建多條企業鏈保證敏感數據的隱私保護與授權訪問，通過追溯鏈保證公開數據多方共享與價值傳遞，由監管合約保證數據監管條例的實時運行與鏈上數據賬本與節點的有效管控，實現追溯系統數據安全。

追溯系統架構分為4層：應用層、接口層、數據層、存儲層。其中，應用層通過溫濕度和光敏等傳感器、北斗定位裝置、攝像頭等物聯網設備采集鏈下追溯數據確保數據源頭真實可信；面向消費者提供追溯掃碼查詢產品追溯信息，面向企業提供追溯數據跨鏈存儲以及追溯鏈上交易留痕可管控；面向監管部門提供追溯企業節點授權管控和追溯數據穿透式監管。

接口層封裝企業多鏈和追溯鏈賬本數據寫入與查詢操作接口，對監管部門提供數據跨鏈操作接口和企業授權管控接口，對消費者提供追溯數據查詢接口。

數據層中企業節點授權監管部門可穿透式監管企業鏈敏感數據；授權消費者透明查詢公開追溯數據。消費者掃碼發送產品追溯碼查詢追溯鏈上數據賬本獲取追溯信息，監管部門通過企業賬本操作授權以及由追溯鏈獲取的產品追溯碼跨鏈監管企業敏感數據。

存儲層中區塊鏈數據賬本由文件系統存儲的區塊結構和數據庫維護的世界狀態組成，通過智能合約執行交易更新區塊鏈賬本。文件系統以默克爾樹哈希存儲上鏈數據，通過鏈式區塊結構實現數據正向記錄和逆向追溯。世界狀態包括狀態數據庫、區塊索引數據庫歷史索引數據庫，追溯數據以鍵值對的形式存儲在狀態數據庫，將返回的交易哈希、區塊高度、區塊哈希等存放在索引數據庫，對同一鍵值數據執行的更新操作存放歷史索引數據庫。索引數據庫通過索引指向區塊鏈文件系統區塊位置，確保鏈上僅最新數據可查。狀態數據庫為鏈外保存的CouchDB數據庫，存放帳本中所有鍵值對的當前值，通過智能合約執行交易時，可通過世界狀態索引查詢鍵值的最新狀態，無需全鏈遍歷查詢，提高數據查詢效率。

3.2 測試環境

測試環境基于Hyperledger Fabric搭建，使用虛擬機的配置為：32 G內存、16核處理器、100 G硬盤，64萬條追溯試驗數據來源于山西忻州雜糧出口平臺。其中，生產鏈、加工鏈、倉儲鏈、物流鏈、分銷鏈，每條鏈通過4個節點存儲追溯數據，追溯鏈包括監管節點、消費者節點以及企業節點；所有節點采用外部狀態數據庫CouchDB，通過索引檢索狀態數據庫代替遍歷查詢；所有測試用例以及測試結果通過區塊鏈基準測試工具Hyperledger Caliper生成，試驗環境具體的配置如表4。

表4 區塊鏈配置

3.3 應用案例分析

通過對雜糧產品供應鏈實地調研，基于Hyperledger Fabric開發了區塊鏈追溯系統正向記錄“產、加、儲、運、銷”全過程追溯數據。系統應用在山西忻州雜糧企業，該企業涉及雜糧供應鏈所有追溯環節，但是數據存儲在追溯企業中心數據庫，數據易被篡改且難以即時動態監管，因此，應用本文開發的區塊鏈多鏈雜糧可監管追溯系統進行優化。通過本文設計的區塊鏈追溯系統，雜糧產品貼有追溯二維碼，如圖4a所示。消費者通過手持設備掃描二維碼獲取產品全供應鏈追溯數據，如圖4b所示。雜糧追溯數據存儲在區塊鏈賬本，追溯系統向用戶展示區塊鏈數據存儲信息，包括區塊鏈服務平臺訪問地址、鏈上追溯碼、區塊高度等，如圖4c所示。雜糧區塊鏈追溯服務平臺記錄交易數量3萬多筆，生成區塊1萬多，監管部門通過鏈上不可篡改交易記錄監管雜糧供應鏈追溯企業數據交易行為，如圖4d所示。監管部門通過服務平臺可監管查看追溯數據，通過區塊高度查詢產品鏈上存證信息，如圖 4e所示。目前，忻州建成6塊、共計746.67 hm2的有機旱作區塊鏈追溯基地，打通農業與區塊鏈發展壁壘，通過優化追溯系統，雜糧產品質量有所保證、銷量有所提升，其中玉米雜糧比較未采用區塊鏈追溯系統前售價提升28.8個百分點。

4 性能與安全性分析

4.1 區塊鏈追溯網絡性能分析

雜糧追溯網絡采用Raft共識機制，由全部追溯節點選取主節點進行記賬、驗證、廣播，在主節點故障失聯后全網節點重新選取主節點，期間舊主節點操作回滾撤銷，增加網絡故障節點的容錯效率。圖5a展示將Hyperledger Fabric出塊時間設置為0.25～2.00 s時，追溯數據共識記賬時延。根據測試結果，數據記賬完成時延與出塊時間增長正相關，在出塊時間為0.50 s時數據共識記賬最大時延為0.82 s，平均時延為0.41 s，能夠滿足雜糧區塊鏈追溯的應用需求。因此，本文設置出塊時間為0.50 s。

測試區塊鏈多鏈追溯網絡數據寫入與查詢吞吐量，如圖5b所示，在發送速率為25～150間網絡寫入吞吐量呈線性增加，在達到135后趨于平緩。在發送速率25～200間網絡讀取吞吐量呈線性增加，在達到200后趨于平緩。因此，本文建立的區塊鏈雜糧多鏈追溯網絡具有較高的數據寫入與查詢的吞吐量。

4.2 系統效率分析

驗證本文提出的區塊鏈雜糧多鏈追溯系統中追溯數據的寫入與查詢效率，為保證實驗數據的真實可靠性，所有測試結果均采用60次執行結果的平均值。如圖6a所示，數據平均寫入時間為0.696 s；如圖6b所示，公開追溯數據平均查詢時間為0.415 s，敏感追溯數據平均查詢時間為0.871 s。從測試結果可以看出，面向監管建立的雜糧供應鏈多鏈追溯模型具有較好的數據查詢與寫入效率，能夠滿足雜糧銷售過程中的數據上鏈與查詢需求。

4.3 安全性分析

供應鏈企業基于監管授權組網建鏈以及操作鏈上賬本，因此，區塊鏈鏈上監管安全性源于授權密文的安全性。以下對授權密文進行相關性與擴散性測試，相關性測試是在授權密鑰不變的基礎上，通過修改授權內容引起的密文變化情況，如圖7a所示，相關性測試中授權密文平均變化率為82.39%。擴散性測試是在授權內容不變的基礎上，通過修改授權密鑰引起的密文變化情況，如圖7b所示，擴散性測試中授權密文平均變化率為82.53%。因此，該研究提出的授權算法具備較高的混淆性，能夠保證雜糧溯源網絡數據傳輸過程密文與密鑰的安全性。

5 結 論

本文設計并實現面向監管的雜糧區塊鏈多鏈追溯模型，為規?；s糧供應鏈追溯提供借鑒與參考，并得出以下結論：

1）通過聯盟鏈Hyperledger Fabric通道技術構建雜糧多鏈追溯系統，通過多條企業鏈并行操作提升網絡運行效率，擴展數據存儲容量，通過通道天然隔離性實現數據隱私保護；提出基于監管部門授權的企業組網建鏈機制，監管部門根據鏈上數據賬本實時審計結果管控追溯節點賬本操作權限；設計追溯數據上鏈合約，實現數據的鏈前監管與鏈上管控；并設計數據查詢智能合約實現面向消費溯源與監管溯源的差異化數據查詢。本研究提出的監管授權方案，相關性測試中密文平均變化率為82.39%，擴散性測試中密文平均變化率為82.53%；經區塊鏈追溯網絡吞吐量測試，消費者查詢公開追溯數據平均時間為0.415 s，監管調用跨鏈接口查詢企業追溯數據平均時間為0.871 s。

2）構建并實現的雜糧供應鏈追溯系統能夠解決追溯鏈上多企業間數據隱私保護、數據差異化共享以及追溯數據的穿透式監管、追溯節點的實時管控問題，實現了雜糧追溯大數據價值的深度挖掘、追溯網絡的安全可持續發展。

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Design of the blockchain multi-chain traceability supervision model for coarse cereal supply chain

Yu Huajing, Xu Daming, Luo Na, Xing Bin, Sun Chuanheng※

(1.,100097,; 2.,100097,)

Acoarse cereal is one of the most important crops rich in nutrients. However, the frequently-occurred issues on food quality and safety have seriously endangered the trust in recent years, for example, the abuse of chemicals, heavy metals exceeding the standard, and harmful germs. Therefore, a traceability system is an urgent need for coarse cereals, in order to bridge the trust between farms and consumers, where the source of agricultural coarse foods can be rapidly traced through multi-party efficient collaboration. Most current traceability systems focus on recording data using bar or QR codes, radio frequency identification, and wireless sensor networks. But the tracing information is broken easily between upstream and downstream, leading to the blur transferred data, particularly on the long and scattered supply-chain of agricultural foods, including cultivation, processing, logistics, storage, and sales. Furthermore, the traditional traceability system cannot efficiently supervise the data records of each company, when quality and safety issues occur. As such, it is impossible to recall the problematic foods in time, much less to accurately locate the responsible party. Fortunately, blockchain technology can be utilized to integrate the distributed architecture, storage, and verification in the block, peer-to-peer network protocols, encryption, consensus mechanisms, identity authentication, and smart contracts. The data disclosure can also be used to enhance trust with fewer intermediate links. Therefore, this study aims to deal with the long supply-chain of coarse cereals, many trace entities, the differentiate share of data ledger, and the real-time monitoring of on-chain data. A novel traceability system was designed to implement the supervisable food products using the multi-chain architecture of blockchain and supply chain in coarse cereal. The forward and reverse traceability data was also collected ranging from the planting, processing, warehousing, transportation, and sales, using cameras, sensors, Beidou positioning devices, and IoT devices in real-time. Moreover, a systematic investigation was made on the business process and supervision characteristics of the supply-chain, as well as the full life cycle of coarse cereal. In addition, a new architecture of supervision-oriented multi-chain data storage was proposed for the actual production of coarse cereal. Specifically, the off-chain CouchDB state database was selected to store the key-value traceability data, particularly on the key-index instead of traversal query to improve the query efficiency. More importantly, a network access mechanism was designed using the regulatory authority, further to realize the collaborative supervision on- and off-chain through smart contracts. Correspondingly, blockchain technology was used to ensure the deep connection of various production factor resources with the real economy of coarse cereal. Anyway, the supply chain of coarse cereal integrated with the blockchain was utilized to strengthen the multi-party collaboration through mutual identity authentication, especially on data expansion, data sharing, and supervision. In terms of security, the average change rate of ciphertext in the enterprise network authorization diffusivity test was 82.53%, the average change rate of ciphertext in the enterprise network authorization correlation test was 82.39%, indicating higher security and less confusion. In terms of efficiency, the average time for consumers to query public traceability data was 0.415 s, and the average time for regulators to call cross-link port to query enterprise sensitive traceability data was 0.871 s. Furthermore, an actual traceability system was implemented to verify the model using Hyperledger Fabric for data privacy protection, data differentiation sharing, and the penetration supervision of traceability data, together with the real-time management, and control of traceability nodes. The in-depth mining was realized for the value of coarse cereal traceability big data, and sustainable development of the traced network. As such, farmers can receive professional or industrial policy guidance, whereas, companies can obtain the market trends and price conditions in real-time, and regulatory authorities can accurately control traceability data and transaction behavior. The finding can greatly improve the quality and safety of coarse cereal, production efficiency, and economic benefits.

agricultural products; traceability; blockchain; multi-chain; data regulatory; Hyperledger Fabric

于華竟，徐大明，羅娜，等. 雜糧供應鏈區塊鏈多鏈追溯監管模型設計[J]. 農業工程學報，2021，37(20)：323-332.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.036 http://www.tcsae.org

Yu Huajing, Xu Daming, Luo Na, et al. Design of the blockchain multi-chain traceability supervision model for coarse cereal supply chain[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(20): 323-332. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.036 http://www.tcsae.org

2021-06-02

2021-07-07

國家自然科學基金面上項目（31871525）

于華竟，研究方向為區塊鏈追溯技術。Email：18852897525@163.com

孫傳恒，博士，研究員，研究方向為農產品追溯技術。Email：sunch@nercita.org.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.20.036

TP309.2；TS201.6

A

1002-6819(2021)-20-0323-10