基于區塊鏈的廣西農產品質量安全追溯體系構建

□文/任悅林

（廣西師范大學 廣西·桂林）

［提要］ 目前，廣西農產品在種植、加工、運輸以及銷售過程中所涉計到的主體眾多且環節較復雜，并且其產品數據都是由各參與方直接單獨完成，這就造成產品在種植、運輸、銷售過程中出現數據容易人為隨意篡改的風險。因此，強化全過程農產品質量安全監管、健全追溯體系是目前我國所積極提倡的重點。本文從追溯體系視角出發，利用區塊鏈技術，探討5G 時代廣西農產品質量安全追溯體系平臺的構建。

近年來，基于區塊鏈的農產品食品安全的研究已經逐漸替代了傳統的農產品食品安全追溯體系，但是廣西由于地域的偏遠，科學技術的不發達，因此在農產品的安全上面并未達到很好的追溯結果。除此之外，很多的研究者是在4G 的通信條件下進行研究的，關于提升平臺的運行效率、降低運營成本以及數據可靠性的研究并不多。因此，本文在基于區塊鏈技術的基礎上加入了5G 技術，對廣西農產品的質量安全追溯平臺的數據平均傳輸時間、對數據的識別準備率以及數據丟失的恢復等進行了研究，力圖研發出用最小的消耗、最低的成本以及最高的信息傳輸效率的系統，同時又能兼容PC 端、手機App 以及小程序等，使其操作更加簡單，更加具有廣泛的適用范圍。通過區塊鏈可以更好地維持農產品在采摘、運輸以及售賣的過程中各個環節的透明化，這樣就可以很好地做到數據追根溯源的過程。

一、廣西農產品質量安全追溯現狀

廣西農產品有著較長的發展歷史，由于是農產品發展大國，因此其農產品的發展對全國的糧食儲備具有一定的影響。

廣西土地分布廣泛且平坦，主要生產旱作物、茶葉等經濟作物，以及果蔬等農產品。2019 年12 月，為了推進農產品的質量安全體系的建設，廣西壯族自治區農業農村廳就食品安全的問題頒布了《廣西農產品質量安全“黑名單”管理辦法（試行），該管理辦法指出凡是適用農產品的經營主體，如農作物種子的播種、肥料的實施、產品的出售、獸藥的生產以及出售等都是需要按照相關的政府部門所規定的食品質量安全政策辦理相關的經營許可證。因此，農產品的生產經營主體要嚴格照實記錄該產品的生長、經營以及售賣的全過程，并且要時刻接受縣級及以上食品質量安全管理相關部門的核查，層層遞進，實現對農產品的質量安全在流通過程中的全面監督與可追溯。

在實施農產品質量檢查時，有拒絕接受抽樣檢查的、拒絕整改的、有一定的范圍內使用農藥以及非法添加劑的、銷售不合格農產品的、有存放違禁藥品和其他化合物的、從業人員無有效的健康證明的、偽造相關材料證明的等行為均被列入“黑名單”。這些被列入“黑名單”的企業經營單位，兩年內對企業進行整改管理，兩年之后要對產品再進行重新的質量檢查，并且在檢查申請審核通過后方能解除“黑名單”。

以廣西壯族自治區柳江縣為例，柳江縣位于廣西的中部，是柳州市的直轄縣，是典型的城郊型農業縣。從2004 年起，柳江縣建立了農產品質量安全監測體系，不斷推廣標準化的生產，質量安全監管平臺的推出使得農產品的安全問題得到了很大的提升。但是農產品質量監管平臺也出現了監測體系不健全、市場的準入準則尚未建立、質量可追溯條碼難以推廣、檢測經費不足等問題。

二、廣西農產品質量安全追溯體系中嵌入區塊鏈的優勢

（一）區塊鏈技術原理。區塊鏈是以比特幣為代表的數字加密貨幣體系為主要的核心技術，由各種各樣的區塊構成。區塊上主要是承載了商品進行交易的數據，然后這些區塊又按照數據上傳的時間順序進行連接起來。區塊是構成區塊鏈的基本組成部分，區塊頭與區塊體是構成區塊鏈的重要組成部分，如圖1 所示。區塊頭主要包含了版本號、本次的工作量證明參數、進行時間統計的時間戳、前一區塊Hash、Merkle 樹根、難度目標等本區塊元信息。前一區塊Hash 字段中主要是對前一區塊的Hash 值進行存儲，若出現前一區塊中任何內容被篡改的現象，則就會對后一階段的Hash 值進行重新的計算，但Hash 運算后的結果就與此字段完全不同，由此可定位數據發生篡改的區塊位置。Merkle 樹根是屬于一種Hash 二叉樹，其葉子中的結點主要起到保存溯源數據的作用，其分支的葉子節點主要保存子葉子節點的Hash值，底層節點數據一旦發生變化就會逐級將新產生的數據向上傳遞到父節點，一直到Merkle 樹根，從而可定位發生篡改的節點位置。（圖1）

圖1 區塊鏈結構圖

區塊鏈技術的應用主要是對于數據進行保護，不論是在哪一個節點上面，一旦發生數據被篡改的現象，就會在下一個環節被察覺出來，進而追根溯源，找到數據被篡改的位置。因此，區塊鏈技術的使用大大加強了數據在流通的過程中的安全性與可靠性，使得數據的信息更加透明。在農產品的質量安全中使用區塊鏈技術，農產品從種植、生產、運輸以及到最后的銷售階段，對數據進行及時的上傳以及更新。根據區塊鏈的保證數據真實的特性，為當地相關的農產品質量安全的監管部門提供了一定安全真實可靠的數據分析。由于區塊鏈技術的使用，消費者在購買商品的過程中，可以根據一定的平臺網站對農產品的質量安全問題進行查詢，通過了解農產品的整個流通過程，增強消費者對產品的信賴。

（二）傳統溯源體系。傳統的廣西農產品質量安全的追溯平臺一般是依靠二維碼、物聯網的功能等實現，能夠對農產品所在的位置、來源以及部分信息等進行追溯與分享，如圖2 所示。（圖2）

圖2 傳統農產品質量安全追溯體系圖

廣西處于偏遠地區，由于受物聯網以及通信設備不完善等因素影響，傳統農產品溯源體系存在著一些問題。例如：（1）隨著每年數據的不斷增長，在追溯平臺上上傳以及下載的數據不斷增加，那么隨著物聯網容量的增長，其性能在不斷降低，則時常就會出現掃碼或者是登陸的時候出現卡頓以及信息錯誤等現象。（2）數據傳輸效率低。現如今，農產品的質量追溯主要是4G 網絡完成，4G 網絡時支撐數據傳輸的主要渠道。但是，由于受4G 網絡本身的數據傳輸慢的限制，當上傳多個數據的時候，就會出現信息帶入錯誤，界面卡頓以及信息更新不及時等的現象。（3）安全性不高。由于目前的網絡沒有加密形式，而且農產品質量的相關內容主要是通過掃碼的形式進行查詢與了解，而進行掃碼的二維碼有可能是被一些非法分子刻意篡改過的，因此掃碼得出來的信息是不真實的。（4）不能實現信息共享。在傳統的追溯信息平臺上，環節與環節之間并不相連，而是一個個獨立的個體，造成了數據在傳輸過程中會丟失的現象。不僅如此，還會造成數據在傳輸的過程中，有的供應商為了獲得更高的利潤，隨意篡改數據，導致數據的不真實，但是也無法查詢。

三、基于區塊鏈的廣西農產品質量安全追溯體系構建

（一）功能需求分析

1、消費者需求。消費者是整個供應鏈中的最后一個客戶，也是極為重要的客戶。由于農產品具有“檢驗性”，而檢驗的最終結果取決于最終的消費者的消費體驗。消費者在購買產品的時候，可以根據相關的服務平臺或者是產品上面所提供的二維碼實現對產品的質量安全的追溯，對該產品有一個最為直觀的了解，實現了農產品信息的全面透明化，提高了客戶對農產品信息的信任度。

2、企業需求。由于農產品在采摘以及運輸的過程中涉及到的環節眾多，中間有很多的企業經手，因此每個環節的企業不僅要對農產品實現信息的全面覆蓋，還需要對該產品的信息實現正向以及逆向的追溯。因此，每個關節都需要設置一個管理員，分別對數據進行處理，處理之后對數據進行存儲并且與其他節點上面的數據進行同步。通過各個環節信息的核對與同步，可以實現農產品產業鏈的信息匯總到區塊鏈的溯源系統中，實現了企業對農產品數據的全面覆蓋。

3、政府需求。政府部門所起到的最重要的作用就是對農產品質量進行監管。作為區塊鏈溯源中權限最高的節點之一，能夠直接對系統中的數據進行查看監督，實時監控節點上面的數據是否超乎規范，能夠及時對產品進行抽樣檢查，并且對問題產品進行查詢及實時追蹤。

（二）框架的構建。在農產品質量安全追溯體系中，農產品從種植、成長、采摘、售賣、物流等各個環節均是由具體的版塊組成，各個環節的后臺服務程序以及區塊鏈中的分布式數據庫權限均是由peer 節點進行數據的整合，從而使得體系獲得去中心化事務處理和數據存儲的功能。本文所搭建的區塊鏈主要分為交互模塊、核心模塊以及基礎模塊三個版塊，如圖3 所示。（圖3）

圖3 基于區塊鏈的追溯平臺框架圖

（三）功能的實現

1、交互模塊。區塊鏈的交互模塊主要是應用平臺的前端，即用戶的應用層。農產品從種植最終到消費者手中這一系列環節所涉及到所有信息流都是在應用層實現。應用層是產品供應鏈中的各個成員與信息進行交互的平臺，也是供應商、中間商、消費者之間進行信息交流的平臺。應用層全面包含了農產品在信息流、物流、資金流等全方位的記錄。其中，應用層主要包含了金融機構、監管機構以及供應鏈。金融機構為應用層上面的客戶提供金融、融資、審計等具有特色的金融服務，形成了金融信息流；監管機構為應用層上的客戶提供監督、檢查以及修復等服務，保障了供應鏈的安全與健康運行，有利用供應鏈上各個環節業務的順利開展。供應鏈信息流主要是為了農產品在種植、運輸以及銷售的過程中安全的管理，整條供應鏈被視為一個有機的整體，每個節點都不是孤立的存在，考慮供應鏈中所有相關公司的內部與外部的聯系，提高供應鏈節點上各個企業的整體協作意識。除此之外，整條供應鏈上所涉及到的相關企業在信息共享的情況下實現協同決策，這樣可以有效地預防分散決策所帶來的盲目性而導致整條供應鏈條不穩定。因此，由于供應鏈信息流的存在，使得信息更加完善，傳統意義上的商家敵對關系被緊密的合作關系所取代，新型的合作關系賦予了供應鏈新的價值，實現了“雙贏”的大局意識。這種關系不但有利于供應鏈上各個節點企業的構建，更能維護核心的競爭力，能夠最大限度地幫助客戶實現利益的最大化，實現供應鏈價值的最大化。

2、核心模塊。核心模塊主要是引導用戶去介入網絡、注冊、查詢等環節。該版塊是由各類腳本代碼以及計算機算法機制組成。核心模塊主要包含了合約層、共識層以及網絡層。合約層主要利用現代化技術整合成一個智能合約，即使用計算機編碼編成的一套數字形式的承諾，基本滿足if……then 或者what……if 的邏輯，供應鏈中的所有參與方都需要遵從智能合約上面的約定，其中包括金融合約、監督合約以及供應鏈合約。共識層主要是隨機動態股份授權證明，簡稱SDDPOS，該證明可以授予用戶一些能力去決定哪些節點可以被信任。如果該客戶端不能履行他們的職責，例如輪到他們進行數據記賬時，其沒有按時完成記賬或者是對數據進行虛假操作，系統一旦發現，就會立即將其除名，除名之后，網絡就會自定選定新的節點來取代他們，并且此項操作是不可逆轉的，這樣就極大地控制了商家對數據進行弄虛作假的行為。在區塊鏈中，有一個SDDPOS 模塊，此模塊可以實現對數據進行秒處理，這就大大降低對區塊鏈進行維護的網絡費用。

此外，本次研究在區塊鏈的網絡層加入了5G 通訊技術，5G 通訊技術中的全光網技術的使用是用來降低區塊鏈所要處理的數據在空中傳輸的時延，并利用新型多址技術節省了數據進行調度的開銷，通過網絡切片來減少數據轉發的節點，實現超低時延通信。另外，還進行了P2P 網絡協議、網絡接入管理以及身份機制的驗證。其中利用P2P網絡協議，使得用戶與用戶之間直接進行交互，使得網絡上的溝通變得更加簡便，數據更加共享。

3、基礎模塊。基礎模塊主要是進行數據的處理。數據的處理主要包括數據的采集以及存儲。數據的采集主要是將農產品所經歷的各個環節的信息進行收集，包括農產品的種植數據、農藥用量數據、采摘數據，產量數據、存儲時的溫度、運輸時的距離、時間以及分銷商在銷售時的銷售數據等。掃描相對應的二維碼標簽即可以獲取相對應的數據為消費者所購買的產品提供透明化的保障。數據的存儲是利用區塊鏈的去中心化特點對農產品的種植、運輸、銷售等數據進行處理的。數據庫，一方面是對區塊鏈系統中數據的備份；另一方面是用于存儲，例如員工的隱私、企業的投入情況等，減少區塊鏈系統的存儲開支。

傳統農產品質量追溯體系主要保存的是非溯源類數據，而基于區塊鏈的農產品質量追溯體系主要保存的是溯源類數據。新型的農產品質量追溯體系并沒有將傳統的追溯體系拋棄，而是與傳統的追溯體系相融合，這也能夠充分保證體系對完整數據的存儲以及查詢管理。

四、總結

在供應鏈的影響背景下，農產品的生產與物流成為密不可分的一體。在隨著時代的發展帶來很多機遇的同時，也給農產品的質量安全問題帶來很大的挑戰。近年來，雖然中國的農產品質量安全問題已經得到很大的提升，但是傳統的農產品追溯系統平臺已經跟不上時代的發展以及消費者的需求。盡管農產品質量安全追溯系統越來越受人們的關注，但是當前的農產品追溯平臺存在信息收集不全、信息得不到及時更新、數據存儲不安全且易丟失的情況，因此安全、透明、可信的農產品質量安全追溯平臺的構建迫在眉睫。

2020 年，廣西壯族自治區在農產品質量安全追溯平臺建設方面出資1，000 萬元，在南寧、柳州等幾個區進行試點。目前，政府已經出資把信息平臺搭建起來了，期待著各個環節的商家及時提供可靠的數據上傳平臺。然而，政府運用的RIFD 技術（即消費者可通過掃描二維碼來獲取食品溯源信息）對于廣大老百姓和上下游商家來說都有好處，但并非是剛需。因此，區塊鏈技術的出現很好地解決了這個問題。由于區塊鏈具有天然的去中心化、分布式存儲、數據不可篡改以及多通道的特點，使得廣西農產品質量安全追溯系統具有廣泛的應用前景。本文在傳統農產品質量安全追溯信息平臺的基礎上嵌入了區塊鏈技術，利用現代的5G 通訊技術，提高農產品在運輸的過程中數據的傳輸、存儲、同步以及備份的功能，實現農產品數據的全面透明化，增加最終消費者的信任，同時在農產品溯源系統中加入了供需功能，主要是利用大數據與云計算，根據雙方的交易記錄完成推送與其類似以及相關的產品，提升農產品的銷售量。