基于區塊鏈技術的生鮮農產品追溯系統研究進展

張 哲 楊信廷 于合龍 李珊珊 孫傳恒

（1.吉林農業大學信息技術學院，長春 130118；2.國家農業信息化工程技術研究中心，北京 100097；3.農產品質量安全追溯技術及應用國家工程研究中心，北京 100097）

1 引言

生鮮農產品是指與我們日常生活息息相關的新鮮果蔬、水產及畜禽肉類產品，通常被稱為“生鮮三品”。隨著互聯網技術的不斷發展和廣泛應用，生鮮農產品的消費市場逐漸擴大，人們可以通過線上或線下多種平臺和渠道進行采購，這種方式高效地促進了跨地域消費，但同時也成為了食品安全問題的重大隱患[1]。由于生鮮農產品最本質的特性就是易腐爛變質、保質期短、易受到周邊環境條件的影響，這對儲存方式和運輸過程都產生了較高的考驗。

為切實滿足消費者的需求，中國生鮮農產品的品質正向著綠色、優質、安全等方面逐漸提升[2]，同時加強食品生產、流通加工、倉儲配送、銷售等諸多環節的把控力度，不斷優化生鮮農產品供應鏈體系，堅決避免類似英國馬肉冒充牛肉[3]等食品安全問題再次出現。目前，生鮮農產品供應鏈主要呈現上游分散，下游零售渠道并行的情況，并且各環節間易出現信息不對稱且缺乏信任等問題，難以確保信息的安全性[4]。

基于區塊鏈技術的農產品追溯系統具有提高生產、加工、運輸、銷售過程的透明度和效率，增強數據可信度，體現數據可追溯性等優點，同時可以剔除農產品供應鏈中不必要的中間商，并且增強消費者對可追溯農產品的信心[5]。楊信廷等認為可追溯性指的是產品供應鏈追溯與跟蹤的特性與能力，追溯系統是通過一定技術手段實現可追溯性的方法、模型和體系[6]，構建成熟完善的追溯系統是保障生鮮農產品信息安全的有效手段。本文結合區塊鏈技術的特點，提出了生鮮農產品的可追溯性架構，并對基于區塊鏈技術的生鮮農產品追溯系統的應用現狀進行全面總結，同時指出生鮮農產品與區塊鏈溯源技術相結合的未來發展方向，為生鮮農產品追溯技術的發展與推進奠定堅實基礎。

2 區塊鏈與生鮮農產品供應鏈

2.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術（Blockchain Technology）是一種利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、通過節點共識算法來生成和更新數據、使用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問安全、且由智能合約來編程和操作數據的分布式架構和計算范式[7]。

2.1.1 區塊鏈結構

區塊鏈是指由一系列通過加密算法鏈接的數據塊組成的分布式賬本[8]。從創世區塊開始每個區塊都記錄一組網絡交易信息，區塊鏈接起來形成一個完整的區塊鏈結構，區塊鏈結構如圖1 所示。每個區塊由區塊頭（block header）和區塊體（block body）組成[9]。區塊頭主要保存用于與前一個區塊連接的信息和用于驗證的信息，包括版本號、前一個區塊的哈希值、當前區塊寫入時間的時間戳、用于證明工作負載難度的Nonce 和難度系數以及用于驗證區塊體事務的Merkle 樹根的總哈希，區塊體主要包含交易信息和所有交易信息的Merkle樹[10]。

圖1 區塊鏈結構Fig.1 Blockchain structure

在區塊鏈網絡中，任意兩個節點都可以進行交易，每次交易由單個節點廣播到整個網絡上的所有節點[11]。當所有節點確認記錄正確時，交易信息在區塊鏈中鏈接，并且該過程依賴于網絡的共識機制[12]。分布式結構使每個節點能夠記錄所有交易信息，每個節點實時更新和存儲整個網絡的所有信息[13]。

2.1.2 技術特點

區塊鏈主要涉及3 項關鍵技術，包括加密算法、共識機制和智能合約。

首先，加密算法是用于確保系統安全的基本技術，主要包括哈希函數和公鑰加密，應用于數據結構、驗證方法、通信協議以及信息存儲。哈希函數通過哈希值和哈希指針來保證分布式賬本數據的完整性、真實性和不變性，哈希算法的關鍵是將輸入數據轉換成定長Hash，并且這個過程是不可逆的[14]。公鑰加密主要是指非對稱加密算法，用于向區塊鏈網絡提供身份驗證[15,16]。

其次，共識機制，通過解決一致性問題的共識算法來證明節點的所有權和準確性。這種機制在系統中的不同節點之間建立信任，并保證所有節點的每筆交易保持一致。隨著區塊鏈技術的發展，出現了許多一致性算法，如工作量證明(Proof of Work,PoW)[17]、權益證明(Proof of Stake,PoS)[18]、實用拜占庭容錯(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)[19]。

最后，智能合約是指以數字形式定義的一組承諾。合約內容以代碼的形式固定在區塊鏈中，最終生成自動執行的腳本[20]。每筆交易都由智能合約處理，一旦觸發預定義的條件，相應的合約條款可以自動執行[21]。這個過程不需要第三方，這對商業模型的設計有巨大的影響[22]。

2.1.3 區塊鏈溯源優勢

區塊鏈技術是融合加密算法、共識機制、智能合約等技術特點所構成的分布式數據庫模型，擁有去中心化、不可篡改性、安全可追溯性等優勢[23]，可以針對性的解決傳統溯源系統中的信任問題，并且數據流通過程公開透明，與生鮮農產品質量追溯環節相吻合。

(1)去中心化存儲。信任問題是傳統溯源防偽任務中存在的最大難題，使用區塊鏈技術可以將所有信息記錄在分布式賬本上，實現農產品從種植飼養、生產加工到物流運輸、分銷銷售整個供應鏈過程的追溯功能。并且采用復雜的加密算法，可以使數據免受攻擊和篡改，充分保障了可追溯性數據的準確性，由此解決信任問題。

(2)不可篡改。區塊鏈中的不可篡改性主要由加密算法中的哈希函數所決定，而哈希函數生成的隨機數具有不可預測性，如果想對數據進行修改就需要消耗大量算力。由于篡改數據需要付出巨大成本的原因，所以難以實現。

(3)安全可追溯。區塊鏈技術因可通過多方共同維護同一個賬本的特點，能有效打破傳統的信息孤島問題，實現數據共享，并且其獨有的鏈式結構決定了區塊鏈追溯具有安全可追溯性。

2.2 生鮮農產品供應鏈分析

生鮮農產品供應鏈主要是在供應商、制造商、零售商和消費者之間建立一種協作關系，主要包括信息流、資金流、物流和商流[24]。生鮮農產品供應鏈具有產品種類豐富、物流運輸量龐大等特點，從種植養殖環節到生產環節，再經過運輸環節和銷售環節，最終到消費者手中的過程中仍存在著信息孤島問題。目前，生鮮農產品供應鏈主要包含生鮮農產品的種植養殖、生產加工、物流運輸和分銷售賣等環節。生鮮農產品從農戶主體供應到消費者主體的過程中涉及到的環節繁雜眾多，并且信息數據量巨大，同時包括農民、加工企業、運輸商、銷售商和消費者等不同主體[25]。生鮮農產品供應鏈如圖2所示。

圖2 生鮮農產品供應鏈Fig.2 Fresh agricultural products supply chain

2.3 生鮮農產品可追溯性架構

可追溯性已成為企業、政府和消費者的重要需求。它能夠跟蹤、協調、執行業務事務和收集來自大多數支持IoT 設備的信息，例如射頻識別(RFID)、無線傳感器網絡(WSN)、QR(Quick Response)碼和其他IoT 設備。區塊鏈技術為生鮮農產品可追溯性管理過程中的價值和信息交換提供了一個可行的信息透明度和安全性解決方案。可追溯性信息存儲在分散的平臺上，可以通過連接RFID、條形碼、物聯網設備等手段將物理流與信息流聯系起來，可以記錄不可改變且不能偽造的交易信息，有效地維護可追溯性業務中的運輸物流和信息流。因此,區塊鏈可提高信息安全和透明度,并通過基于物聯網的設備為生鮮農產品提供持久性信息獲取,從而提供可持續的可追溯性管理產品。通過分析生鮮農產品供應鏈的分析，筆者提出了一種基于區塊鏈的生鮮農產品追溯架構，如圖3所示。

圖3 生鮮農產品追溯架構Fig.3 Traceability framework of fresh agricultural products

3 區塊鏈技術在生鮮農產品追溯中的應用研究

隨著區塊鏈技術的迅速發展，越來越多的學者開始將視線聚焦在區塊鏈應用中，其中在生鮮農產品追溯研究中也進行了大量探索。本節重點總結了國內外學者針對生鮮農產品在區塊鏈追溯系統構建的相關工作。

3.1 果蔬產品區塊鏈追溯研究進展

果蔬追溯主要目的是為了果蔬的食品質量安全，保證消費者手中拿到的果蔬具備可追溯性。田豐(Feng T)等人提出RFID 和區塊鏈技術相結合用于保證整個果蔬供應鏈的食品安全和質量，并且減少物流過程中的損失[26]。埃爾登庫烏(Erdenekhuu)提出了香蕉供應鏈架構，保證了香蕉從農田到消費者整個分銷鏈上的質量安全[27]。沃爾瑪在北京建立了食品安全合作中心，其芒果區塊鏈解決方案試點將芒果從原產地的跟蹤時間從7 天減少到2.2 秒，從而實現了更高的透明度和效率[28]。史亮等人基于區塊鏈的特征和優勢，在傳統的果蔬追溯體系中加入了區塊鏈技術，不但可以使消費者輕松獲取果蔬農產品的所有信息，同時降低了政府監管的成本，為果蔬農產品追溯提供有力依據[29]。江琳麗等指出了利用自建二維碼平臺進行追溯的弊端，并以柚子產業為例，闡述了區塊鏈技術助力溯源的新模式，體現區塊鏈等信息技術的應用，增強了消費者對農產品質量安全的信心[30]。戈國偉等提出了基于區塊鏈的數據哈希值二次上鏈和驗證方法，不但保證多個參與實體之間數據的真實性，而且增強了果蔬質量追溯系統數據存儲可信度，并解決了消費者追溯查詢用時過長問題[31]。楊信廷(Xinting Yang)等人提出了一種基于區塊鏈的果蔬農產品跟蹤系統以解決集中管理的問題。該系統通過引入鏈上鏈下雙重存儲結構，緩解了鏈上負載壓力，提高了信息的透明度和可信度。此外，性能分析結果表明，該系統符合實際應用的標準[32]。區塊鏈在果蔬追溯的應用如表1所示。

表1 區塊鏈在果蔬追溯的應用Table 1 Application of blockchain in fruit and vegetable traceability

3.2 畜禽肉類產品區塊鏈追溯研究進展

為達到整個溯源流程對數據不可篡改、合同簽名安全、信息共識和分布式存儲等方面的要求，譙業石基于Hyperledger Fabric 平臺和互聯網技術，根據不同經濟預算設計了不同的區塊鏈網絡的搭建方式，確保了豬肉溯源信息的真實性[33]。丹尼爾(Daniel)等提出了一種基于區塊鏈和物聯網的追溯系統，以使用PoS 作為共識方法來跟蹤雞蛋供應鏈數據。該系統向消費者提供關鍵產品信息，同時提高供應鏈內部的透明度[34]。左敏等人通過智能禽舍和基于聯盟區塊鏈的智能雞舍監控管理平臺采集得到的食品追溯數據集，優化了實用拜占庭容錯共識算法，保證了區塊鏈共識安全，同時提升了食品溯源區塊鏈網絡通信和共識效率[35]。陳秋強以區塊鏈技術為基礎，選用Hyperledger Fabric 架構設計了一套畜禽產品區塊鏈追溯系統，驗證了區塊鏈溯源技術在畜禽溯源過程中的有效性[36]。楊信廷等集成區塊鏈技術和聚合簽名算法，實現監管部門節點、畜牧耳標等物聯網設備間身份驗證的可信追溯，并應用于畜牧資產監管身份認證，保障畜牧資產監管系統細粒度的身份驗證[37]。曹守峰(Shoufeng Cao)等基于區塊鏈開發了一種人機協調機制，以便在向消費者交付認證的可追溯性數據時，在全鏈范圍內分擔責任，并將其部署到了Beef-Ledger可追溯系統中，從而增加消費者對牛肉追溯數據的信任[38]。區塊鏈在畜禽肉類追溯的應用如表2所示。

表2 區塊鏈在畜禽肉類追溯中的應用Table 2 Application of blockchain in livestock and poultry meat traceability

3.3 水產品區塊鏈追溯研究進展

針對產品質量信息的不透明和信息可篡改等問題，世界野生動物基金會(WWF)創建了一個名為“從魚餌到盤子”的項目，重點關注新西蘭金槍魚在整個供應鏈中的可追溯性。其項目采用以太坊平臺和RFID 技術相結合進行魚類標記[39]。埃爾登庫烏(Erdenekhuu)提出了魚類供應鏈架構，為交易的安全進行以及食品質量安全提供了有力保障[27]。洪坤明等基于聯盟區塊鏈，采用GS1-128 條形碼標準、PBFT共識算法及Hyperledger 智能合約鏈碼，設計開發了分層次多用戶的水產養殖品質量追溯系統，有效保障了水產養殖品食用安全[40]。李夢琪等基于Hyperledger Fabric 平臺，設計了基于主從多鏈的水產品區塊鏈溯源信息管理系統，提出對溯源信息進行并發分層存儲，有效解決了隱私數據無需共享和單鏈負載兩個方面的問題[41]。馮國富等基于Fabric 技術框架和星際文件系統(InterPlanetary File System，IPFS)，提出了水產品交易溯源模型。結合溯源模型構建了水產品溯源系統，并且可以滿足水產品交易數據的存儲和溯源業務需求[42]。李明智等針對中國貝類設施養殖產業發展中的資源共享問題，基于以太坊智能合約和信息技術構建了貝類設施養殖資源共享平臺，實現了平臺用戶的知識產權保護以及交易過程的可追溯和不可篡改[43]。區塊鏈在水產品追溯的應用如表3所示。

表3 區塊鏈在水產品追溯中的應用Table 3 Application of blockchain in aquatic products traceability

4 目前尚存在的問題

4.1 消費者對區塊鏈接受度低

加密技術是區塊鏈中不可或缺的重要組成部分，整個供應鏈中的參與者都會擁有自己的公鑰與私鑰。針對缺少相關技術經驗的企業用戶、供應商和消費者而言，對私鑰的概念理解程度較低，消費者通常會將私鑰理解成身份證或營業執照，一旦將其丟失可以進行補辦措施，但實際上是私鑰無法補辦，私鑰一旦丟失，賬戶的信息與資產便無法進行任何操作，會極大的傷害消費者的利益[23]。盡管尹威(Wei Yin)等針對加密算法的安全性問題提出了針對性解決方法[44]，但在加密技術上仍有很大進步空間。

4.2 市場主體之間存在用戶隱私與交易保密的顧慮

區塊鏈作為去中心化的數據庫，每個節點都掌握著全部數據信息，但企業并非希望把所有數據及交易進行公開，因為部分數據會涉及商業機密。這種現象使得供應商、制造商、零售商以及消費者之間對用戶隱私和交易保密的問題產生顧慮。現階段區塊鏈通過隱私保護措施來保護用戶隱私，底層機密性數據通過加密算法進行存儲，并且只有企業用戶可以查詢，為確保上層應用的隱私安全，設置嚴格的權限控制。

現階段追溯技術可提供消費者查詢、監督的權利，但生鮮農產品在運輸配送過程中易出現損壞或保鮮度不夠等問題，會降低消費者的購買舒適度。在傳統溯源系統中，多采用二維碼、條形碼等進行一物一碼溯源[45]，但二維碼和條形碼都具有可復制性，不法分子通常會更換完整新鮮的農產品，并復制產品的追溯碼，從而使商品溯源失效。

4.3 無法保證源頭數據的真實性，易出現“真瓶裝假酒”問題

在區塊鏈溯源場景中，源頭數據的真實性是最大的痛點。區塊鏈只能保證上鏈的數據不會被篡改，但無法判斷數據本身是否是真實數據。因此，結合區塊鏈技術構建生鮮農產品追溯體系只能從一定程度上增加數據造假的成本，無法保證源頭數據的有效性與真實性。

如今，在日常生活中白酒已經成為人們不可缺少的飲品，但白酒在市場中魚龍混雜，在購買白酒時易遇到“真瓶裝假酒”的問題[46]。因此，證明瓶中的酒是否被掉包以及包裝中的商品是否為供應商生產成為區塊鏈應用落地中迫切需要解決的問題。生鮮產品亦是如此，以陽澄湖大閘蟹為例，為抑制市場中出現“冒牌蟹”，當地商家為每一只大閘蟹同時包裝一個防偽吊牌，但此舉依然無法制止“冒牌蟹”的出現，并且市場上出現的每只假蟹同樣持有防偽吊牌。為解決這一難題，馮裕清等提出一種基于遷移學習和金字塔卷積的河蟹背甲圖像個體識別算法，為河蟹個體識別追溯提供了理論基礎與方法支持[47]。

5 未來發展方向

隨著國民消費水平的日益提升，消費者對生鮮農產品的食品質量安全標準整體提高。農戶、供應商和銷售商要想滿足消費者的要求，就要通過各種方式加強生鮮農產品供應鏈各環節的食品質量保障。區塊鏈技術的不斷發展與完善，是提高食品質量安全的重要途經。本文通過總結區塊鏈技術在生鮮農產品追溯方面的工作，并分析當前仍存在的主要問題，為未來區塊鏈技術與農產品相結合指明方向，為提升生鮮農產品質量以及創新區塊鏈農產品溯源提供幫助。將區塊鏈與多技術融合，構建更完善、更安全、更高效的生鮮農產品質量安全追溯系統是當下刻不容緩的重要任務。

中國在生鮮農產品方面的發展水平正在不斷進步，同時生產銷售規模也在持續擴大，隨之帶來的追溯方式更是向著多樣化發展，區塊鏈將成為未來促進貿易的重要技術[48]。針對上述對生鮮農產品結合區塊鏈技術仍存在的問題進行分析，筆者分別從以下幾個方面闡述其未來發展方向。

(1)建立專業知識宣傳平臺。積極科普區塊鏈知識，大力推廣區塊鏈生鮮農產品可追溯系統,逐漸解除消費者對于區塊鏈農產品追溯存在的信任問題,促進區塊鏈可追溯生鮮農產品項目的建立與實施，進而推動形成全社會支持區塊鏈溯源的氛圍。

(2)結合大數據、人工智能、物聯網等技術。由于區塊鏈無法保證源頭數據真實性、“真瓶裝假酒”問題以及條碼可復制等痛點，可采用與圖像個體識別存證[47,49-53]和視頻動作識別存證[52,54]等技術相結合的方式，從而實現雙因子身份驗證[49]，這樣既保證源頭數據的真實性，又提升了產品本身的價值。

(3)充分利用相關的法律法規制定合理化標準化的行業制度標準,以保證流通到市場上的產品符合標準,促使消費者增加對各市場主體間的信任度。同時加強鏈下監控和鏈上監管,快速追查農產品流通供應鏈、包裝檢驗等追溯信息,提升綜合監管效能。并建立消費者查詢、投訴渠道,使農產品事故解決過程透明化,提升消費者對區塊鏈生鮮農產品追溯的信心。