基于區塊鏈技術的糧油食品溯源研究進展及展望

葛宏義，吳旭陽，蔣玉英，張 元，孫振雨，崔光遠，賈志遠

·農產品加工工程·

基于區塊鏈技術的糧油食品溯源研究進展及展望

葛宏義1,2,3，吳旭陽1,2,3，蔣玉英1,2,4※，張 元1,2,3※，孫振雨1,2,3，崔光遠1,2,3，賈志遠1,2,3

（1. 河南工業大學糧食信息處理與控制教育部重點實驗室，鄭州 450001；2. 河南工業大學河南省糧食光電探測與控制重點實驗室，鄭州 450001；3. 河南工業大學信息科學與工程學院，鄭州 450001； 4. 河南工業大學人工智能與大數據學院，鄭州 450001）

糧油食品供應鏈周期長、結構復雜、利益相關者眾多，維護供應鏈的安全具有挑戰性。近年來，特別是在糧食購銷領域，存在“以陳頂新”、“轉圈糧”、壓級壓價等現象，已嚴重威脅到糧食安全。追溯系統是一個能夠對產品實施正向、反向和非定向跟蹤的產品管理系統，可以連接糧油食品供應鏈的各個環節，監控原料采集、加工、儲運、分銷與銷售過程，對糧食質量安全有重要保障。傳統的追溯體系面臨數據中心化、信息不透明、數據容易偽造、極易形成信息孤島等問題。區塊鏈作為繼網絡之后的下一代顛覆性技術，具備去中心化、分布式存儲、匿名性、數據公開透明、內容不易篡改等新特點，為糧油食品供應鏈中的產品可追溯性問題帶來新的解決方案。該文首先介紹近年來區塊鏈智能合約、共識機制等關鍵技術的發展和應用，其次，闡述區塊鏈技術應用到糧油食品溯源等領域的研究進展；最后，探討當前糧油食品區塊鏈溯源在存儲、跨域與跨鏈、系統互操作性和可移植性等方面所面臨的挑戰，對區塊鏈技術在糧油食品溯源領域中提高存儲性能、跨域跨鏈、可擴展性等方面進行展望，為區塊鏈技術在糧油食品中的創新應用提供參考。

農產品；溯源；區塊鏈；追溯體系；糧油食品；供應鏈

0 引 言

中國作為農產品貿易大國，近年來，出口農產品質量安全事故時有發生。在世界范圍內，各國政府高度關注，并出臺法律法規加強對可追溯性的管理，以保障農產品質量安全[1-3]。糧食作為農產品的一個重要分支，糧油食品幾乎每天都占據著國人的餐桌，其中谷物是人體礦物質、膳食纖維等營養素的重要食物來源，有助于預防心血管和代謝性疾病等[4]。油性食物可以提供人體所需的脂肪酸[5]。但糧油供應鏈具有周期長、參與主體多、涉及面廣、環境較為復雜等特性，再加上傳統溯源體系中數據中心化、供應鏈數據不透明、易篡改等問題，導致糧油食品安全事件仍然嚴峻，使中國農業發展面臨重大挑戰[6-7]。

在糧油食品供應鏈中，特別是在糧食購銷領域，存在諸多因監管力度不足而引起的糧食安全問題。“轉圈糧”、“以陳頂新”、“升溢糧”、壓級壓價等現象已嚴重影響到中國糧食供給安全[8]。因此，為解決傳統糧油食品溯源中存在的問題，急需一種先進的溯源技術應用到糧油食品溯源領域來保障糧油食品安全。

區塊鏈技術是一個跨學科創新技術，狹義的講，區塊鏈是哈希指針連接到一起的交易區塊，廣義來說區塊鏈是一種分布式賬本存儲技術，被譽為下一個“信任的基石”[9-10]。其去中心化、不易篡改等特性可以有效解決傳統溯源中存在的問題。中國在區塊鏈溯源領域已有一些應用，其中華為發布的“中國農村沃土云平臺”；由京東自己開發的區塊鏈服務平臺—智臻鏈；五常市政府與天貓等開展全方位協作，引進螞蟻金服區塊鏈追溯科技，使出售的每袋稻谷都有一張專屬的“身份證”等[11-12]。

基于當前區塊鏈技術在溯源領域已取得的成果及應用，本文闡述了區塊鏈技術應用到糧油食品溯源等領域的研究進展，探討了當前糧油食品區塊鏈溯源面臨的挑戰，對區塊鏈技術在糧油食品溯源領域中的應用潛力進行展望，以期為區塊鏈技術在糧油食品中的創新應用提供參考。

1 區塊鏈概述

2008年，一位名為“中本聰”的學者首次定義了比特幣[13]。比特幣網絡中的信息交流能夠在沒有其他第三方的情況下完成，其本質是一個分布式數據庫系統，包括所有參與成員間共同的交易記錄[14-15]。因為每次交易都是由大多數成員間共同確定的，使得虛假交易無法經過集體證實，一旦記錄被區塊鏈創建并接受，它就很難被篡改[16-17]。這也是區塊鏈應用到糧油食品溯源領域重要原因之一。針對于不同的應用場景，區塊鏈的發展歷程可分1.0-3.0階段，如表1所示。

表1 區塊鏈1.0-3.0階段發展歷程及應用場景

區塊鏈分為公有鏈、私有鏈與聯盟鏈[19-20]。公有區塊鏈一般被看作是“徹底去中心化”的，即指每個節點都能夠隨時隨地加入到網絡系統中讀取數據、爭奪記賬權等[21-22]。私有區塊鏈的去中心化水平較低，其權限是由某個機構或者管理者掌控，根據不同的需求對外選擇性開放讀寫權限，適用于特定機構的內部數據管理。聯盟鏈的去中心化程度介于上述2種鏈之間，其數據只允許聯盟成員訪問，實現“部分去中心化”功能[23-24]。

圖1 區塊結構圖

區塊鏈具有去中心化、可追溯、不易篡改、匿名性等特征[25-26]。去中心化意味著不是將區塊鏈權限被某一個節點所控制，而是依賴共識機制負責驗證和確認，這也使得節點想要篡改數據基本不可能實現[27]。區塊基本架構由帶有時間戳的鏈式區塊組成，如圖1所示，具備極強的可溯源性，匿名性在一定程度上很好保護了用戶的隱私[28-29]，但區塊鏈不能提供完全的隱私保護，其中每一筆交易都可以被所有節點查看，通過分析每個地址發生的交易，就能發現很多用戶之間的關系。

2 區塊鏈與糧油食品溯源

2.1 區塊鏈相關技術研究進展

區塊鏈技術誕生以來，越來越多的研究人員從事相關技術的研究，當前區塊鏈不僅有傳統的鏈式結構，也存在有向無環圖（direct acyclic graph, DAG）架構的區塊鏈[30]。區塊鏈關鍵技術包括分布式存儲技術、智能合約、共識機制等，如圖2所示。在供應鏈溯源領域，區塊鏈技術在維護供應鏈安全、保障數據隱私等方面發揮著至關重要的作用。

圖2 區塊鏈相關技術

2.1.1 區塊鏈存儲技術

由于區塊鏈技術具有多個網絡節點共同記錄和存儲的特點，隨著用戶量的增加和數據的高冗余存儲，區塊鏈網絡越來越擁堵，效率也無法滿足要求，區塊空間的大小成為了限制區塊鏈發展的瓶頸[31-32]。目前已有不少學者開展基于區塊鏈存儲優化的研究，主要有區塊鏈自身存儲結構的優化，包括區塊鏈分片技術等，也有部分研究將區塊鏈與星際文件系統（interplanetary file system，IPFS）、云存儲等相結合的方式提高存儲能力，區塊鏈多鏈架構緩解存儲壓力也取得了一些研究成果。無論哪種研究方式，旨在提高區塊鏈技術的存儲能力。

DAI等[33]為了滿足快速增長的存儲需求，將網絡編碼（network coded，NC）和分布式存儲（distributed storage，DS）相結合，提出了一個NC-DS存儲的區塊鏈框架，該框架在節約存儲空間方面取得了顯著成績。XU等[34]為了滿足數據量大的應用程序的存儲，提出了段區塊鏈概念，使節點存儲一個區塊鏈段的副本相比于傳統區塊鏈的存儲方式，存儲需求大大減小。ZHANG等[35]提出了一種基于區塊鏈技術的糧食供應鏈系統架構，并設計了一種結合鏈存儲的多模式存儲機制，該機制在一定程度上減輕區塊鏈存儲壓力。KUMAR等[36]提供了一個基于IPFS的區塊鏈存放模式，礦工們將事件存放到IPFS分布式檔案管理系統內存上，并把從事件中返回的IPFS哈希值放在區塊鏈塊中，減緩了區塊鏈存儲壓力。ZHANG等[37]建立了糧油食品供應鏈模型，設計了多鏈存儲結構，建立可信溯源機制，解決了傳統溯源機制中存在的數據安全性低，共享差等問題。于華竟等[38]提出了基于區塊鏈多鏈架構的雜糧追溯模型，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，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，驗證了模型的有效性。

2.1.2 智能合約與共識機制

智能合約是區塊鏈基礎架構中合約層的重要組成部分，可以作為一種嵌入式腳本語言內置在任何區塊鏈的交易數據和數字資產上，形成一種可編程自動控制執行的系統，在溯源系統中，智能合約的應用也很常見[39-40]。當前區塊鏈智能合約研究主要有智能合約的運行機制、基于智能合約的隱私保護、交易并發執行效率、智能合約安全性等。

WANG等[41]提出了一個基于聯盟和智能合約的框架來跟蹤農產品供應鏈的工作流程，實現供應鏈的可追溯性和可共享性，并盡可能地打破企業之間的信息孤島，消除對中央機構和代理機構的需要，提高交易記錄的完整性、可靠性和安全性。YU等[42]提出了一種利用聯盟區塊鏈和智能合約來高效執行農產品交易的方法，從而實現對農產品在整個供應鏈中的跟蹤。KTARI等[43]提出一種使用物聯網的多鏈橄欖油追溯系統，并設計兩個智能合約，一個部署到系統參與者的私有區塊鏈，另一個部署到可以訪問該系統的公共區塊鏈，實現對橄欖油供應鏈整條鏈的溯源。YAKUBU等[44]提出一個稻米供應鏈框架，該框架能夠通過智能合約跟蹤和監控稻米供應鏈中所有利益相關者之間的交易信息，也包含一個客戶滿意度反饋系統，使所有利益相關者能夠獲得最新的稻米質量信息，使他們能夠作出更明智的供應鏈決策。

共識機制是整個區塊鏈技術的核心，確保在分布式環境下節點間對系統狀態進行的一致性確認，直接決定著整個區塊鏈體系的執行效率。不同共識算法存在不同的優缺點，如工作量證明（proof of work，PoW）算法雖穩定性較好，若出現惡意節點入侵區塊鏈系統，需要付出極大的成本，且其會造成嚴重的資源浪費和網絡性能低[45-46]。因此，不少研究人員開始改進共識算法來提高區塊鏈系統的運行效率，包括引入獎懲機制、委員會節點等，但委員會節點會在一定程度上降低區塊鏈的去中心化能力。

LI等[47]實現了輕量級區塊鏈，提出了基于獎懲策略的PBFT區塊鏈共識機制，根據每個節點的行為，獎懲策略更新節點得分，并對每個節點的狀態進行評估，依據每個節點的狀態，篩選出參與協商一致過程的節點，然后從這些協商一致節點中投票選出主節點，減少了區塊鏈一致性確認的時間。BRAVO-MARQUEZ等[48]介紹了一種新的分布式共識協議PoL（proof of learning），該算法通過對給定任務的機器學習系統進行排序來實現分布式共識，減少了系統資源的浪費。任守綱等[49]提出一種基于信譽監督機制共識算法（credit-supervisor byzantine fault tolerance，CSBFT），提高聯盟鏈共識機制的安全性和效率，并設計智能合約，自動保存關鍵溯源信息，與傳統溯源平臺相比，應用CSBFT算法的溯源平臺在溯源信息上鏈時具有更高的安全性和更小的時延。LI等[50]分析了糧食食品供應鏈各環節的流程和數據特點，提出了基于主從多鏈結構的糧食食品區塊鏈可追溯信息管理模型，針對主鏈設計了基于Raft與改進PoW算法相結合的PLEW共識算法，針對從鏈設計了基于可信信息度的CI-PBFT共識算法，并與區塊鏈單鏈結構的交易吞吐量和可追溯效率進行了比較，所設計實現的糧食溯源系統在各方面均優于區塊鏈單鏈結構。

2.1.3 訪問控制與隱私保護

在供應鏈的管理中，如何維護用戶的管理權限、設計適合于供應鏈的管理策略、做到細粒度訪問控制是一個巨大的挑戰[51-52]。區塊鏈技術可以為供應鏈提供一種新的安全身份認證方式，保障數據在用戶之間的安全共享。目前，基于區塊鏈的訪問控制研究主要有訪問權限的管理策略制定、細粒度訪問控制的設計與實施、供應鏈中敏感數據的保護等。

ZHANG等[53]針對當前谷物大米追溯體系所面臨的問題，設計了安全可靠的農產品追溯系統的邏輯框架，使用數據加密和靈活的訪問控制來保護追溯系統中利益相關者的數據安全共享。TARIQ等[54]為實現橄欖油的細粒度訪問追溯，設計一種基于物聯網的多鏈追溯系統，系統中的內部參與者使用私有鏈，訪問系統的用戶使用公有鏈，實現橄欖油溯源數據的安全共享。ZHANG等[55]為了實現溯源數據的細粒度訪問控制，利用基于屬性加密算法來加密數據。使用密鑰管理服務，使數據共享方法無需更新密文即可撤銷。總體而言，這些方法實現了隱私保護、可撤銷性和去中心化的細粒度訪問。

此外，隱私意味著用戶信息或數據必須受到保護，在任何情況下未經參與主體同意不能泄露[56]。區塊鏈網絡中數據完全公開透明，但是區塊鏈公開透明的特性也會導致用戶身份和數據隱私泄露問題[57]，其中訪問控制在一定程度上也對用戶隱私或數據隱私起到一定的保護作用。當前供應鏈研究中隱私保護主要包含身份隱私保護和數據隱私保護，其中應用混幣技術、各種加密算法已成為供應鏈隱私保護的趨勢。

陳邦越[58]設計了基于區塊鏈的水稻全供應鏈溯源系統，針對敏感數據、隱私數據上鏈問題，搭建敏感數據溯源模型和區塊鏈隱私數據共享模型，實現在區塊鏈網絡中共享隱私數據。范茂順[59]基于微眾銀行FISCO區塊鏈框架，采用基格密碼的可連接環簽名技術替代傳統簽名技術，實現區塊鏈上用戶身份信息的隱私保護。ZHOU等[60]利用了同態加密，隱私共享以及零知識證明技術建立了一種開放可驗證的安全性MPC協定，該協定由鏈上運算階段和鏈下預處理階段2個部分構成，并把該協定整合在超級賬本結構的鏈碼中，以保障交易數據的隱私性。WANG等[61]針對大米供應鏈各個環節建立關鍵信息分類表，利用各種加密算法保護供應鏈上企業的敏感數據，滿足監管機構高效監管的需要。MALIK等[62]提出了一個隱私保護框架PrivChain，使用零知識證明保護區塊鏈上的敏感數據，PrivChain提供來源和可追溯性，不會向終端消費者或供應鏈實體透露任何敏感信息，這對于農產品溯源建立隱私保護有很大啟發。李莉等[63]針對區塊鏈溯源中數據可追溯與用戶隱私保護難以平衡的問題，提出一種區塊鏈可監管雙重隱私保護方案，用戶選擇對數據進行屬性加密，實現鏈上數據的隱私保護。

2.1.4 區塊鏈+物聯網

由于區塊鏈技術的迅速發展，有效緩解了傳統供應鏈追溯的問題，但在實際應用中存在無法保證供應鏈溯源數據在上鏈之前的準確性，有人為篡改的可能性[64]。物聯網技術能有效避免這一問題。將區塊鏈技術與物聯網技術相結合能夠更好把控供應鏈在溯源過程中數據采集、數據傳輸到數據應用的真實性，真正實現從“農田到餐桌”全區鏈條溯源[65]。目前供應鏈中應用到的物聯網技術主要有傳感器技術、RFID等。

劉丹等[66]將物聯網和區塊鏈結合起來建立農產品溯源系統，通過物聯網設備進行信息采集，應用ZigBee技術、二維碼技術等，實現了對農產品的全過程追溯。XU等[67]基于區塊鏈的特點，應用物聯網技術，建立城市水果可追溯模型，實現水果品質全過程的真實記錄和跟蹤，有效提高智慧城市的服務水平。WU等[68]將區塊鏈技術、機器學習和RFID相結合，搭建了基于機器學習的區塊鏈物聯網茶葉可追溯系統，確保鏈上信息的真實性，實現了對茶葉供應鏈的全程可追溯。MONDAL等[69]建立一個基于區塊鏈和物聯網的架構，RFID提供數據的唯一標識，有助于實施質量監控；區塊鏈體系結構有助于創建每個實例的食品包裝防篡改數字數據庫，并對此架構進行了詳細的安全分析。

2.2 糧油食品區塊鏈溯源研究進展

2.2.1 糧油食品供應鏈管理

在新冠疫情、俄烏沖突的大背景下，全球糧食供應鏈也面臨前所未有的挑戰。面對突發事件，糧食應急調度效率低、不及時的問題較為嚴重；各種糧油食品原料和成品的供應受到威脅，全球市場糧油食品價格有所上漲[70]。中國作為糧食生產大國，要切實保障糧食質量安全和供應鏈安全，一個可靠的糧油食品供應鏈管理體系，對人民群眾生命健康和社會和諧發展具有重要意義。當前基于區塊鏈的糧油食品供應鏈管理包括國家糧油主管部門、各級糧油主管部門，利用新一代信息化技術建立糧油食品溯源平臺，實現穿透式監管，避免“轉圈糧”、“升溢糧”、“以陳頂新”、壓級壓價等現象發生；針對糧油食品供應鏈溯源，主要是對溯源數據的管控，確保數據的真實性和可靠性；對參與主體的管理主要是用戶身份認證、跨域與跨鏈的訪問控制等。通過部署智能合約、建立可信的管理機制與監督機制，確保整條供應鏈的安全。

PENG等[71]基于多鏈協同管理供應鏈，對大米供應鏈信息管控進行研究，構建“區塊鏈+子鏈”供應鏈模型，設計可信鏈機制、多級子鏈加密機制、可信監督機制和分層共識機制，這些機制共同服務于大米供應鏈溯源數據管理。ALKHUDARY等[72]針對橄欖油供應鏈中存在的有關質量和欺詐等問題，提出區塊鏈與物聯網和智能合約相結合的架構，保障橄欖油質量安全和供應鏈安全管理。

2.2.2 傳統糧油食品供應鏈溯源

在傳統糧油食品溯源系統中，大部分溯源系統是內部溯源，雖然傳統溯源系統結合了物聯網技術，如圖3a所示，但還存在以下幾方面的問題：

1）信息不對稱，出現嚴重的信息孤島問題[73]。供應商在各個環節中維護著自己所在節點的生產信息，使供應商內部產生了中心化的數據庫結構，各節點間信息銜接更加困難，追溯過程耗費大量時間。

2）信息易被篡改。傳統糧油食品供應鏈是一個中心化的溯源體系，企業可能存在為了利益而修改糧油食品關鍵追溯信息。

3）追溯條碼可復制[74]。傳統糧油食品追溯條碼并不是唯一的，每個環節都可能會有一個追溯條碼，有被復制的可能，造成糧油食品摻假的問題。

4）難以確認責任主體。在糧油食品發生質量安全問題時，由于傳統追溯體系的復雜性，很難實現精準和快速確認責任主體。

圖3 糧油食品追溯不同框架

2.2.3 基于區塊鏈的糧油食品供應鏈溯源

區塊鏈的可追溯性，可以滿足追蹤糧油食品信息的需求[75]。區塊鏈技術一開始并沒有和其他技術結合應用到追溯領域，只是作為一種單一的技術，把追溯的各個環節數據上傳到區塊鏈網絡[76]，如圖3b所示。但人為上傳數據存在被篡改的可能，使得上鏈的數據從源頭開始就不真實，這與區塊鏈之所以能應用到追溯體系相悖論。

之所以對糧油食品供應鏈溯源，其目的為保障整個糧油食品供應鏈安全。糧油作為農產品的一個重要分支，是人們日產生活中的必需品。但不同品類的農產品溯源工作也存在一定差異。其中糧油食品供應鏈周期長，參與主體多，在溯源過程中會注重溯源數據的真實性、溯源工作的效率以及供應鏈各個環節內部的規范化[77]。果蔬在生長過程中存在噴灑農藥等情況，會側重源頭溯源信息的透明度[78]；奶制品由于保存時間不宜過長，會注重溯源工作的時效性[79]；煙草受嚴格國家管控，其重點為煙草供應商的身份認證和溯源數據標準性[80]；冷鏈食品由于在物流倉儲環節有相關要求，更加側重物流和倉儲信息更新的及時性與溯源信息查詢效率[81]。

PENG等[82]分析了大米供應鏈中溯源數據特點以及在不同并行區塊鏈中存儲的不同類型的數據，提出一種基于“數據加密+智能合約+中繼鏈”的跨鏈數據管理機制，以及一種適用于多鏈共識算法，通過仿真實驗，該模型具有較好的安全性、跨鏈效率和可擴展性。董云峰等[83]構建了基于區塊鏈的糧油食品供應鏈模型，解決了當前追溯系統中心化程度高、信息孤島等問題，在此基礎上，開發了糧油食品供應鏈原型系統，并應用實際場景論證模型的可行性和有效性。

2.2.4 基于區塊鏈+物聯網的糧油食品供應鏈溯源

為了解決源頭數據不真實的問題，往往是區塊鏈技術和物聯網技術一起應用到供應鏈溯源系統中[84]，如圖3c所示。其中較多溯源系統應用傳感技術、射頻識別技術等通信技術。

區塊鏈技術不僅應用于糧油食品領域，在金融、工業物聯網等領域應用也較為廣泛[85]。雖然都是利用區塊鏈技術賦能相關領域，但不同領域結合區塊鏈技術的側重點有所不同。在糧油食品溯源領域，涉及主體多，每個環節的數據類型不同，且都有大量的非結構化數據，如何利用上鏈技術將每個環節的非結構化數據上鏈是一個巨大挑戰。另外，數據存儲壓力在糧油食品區塊鏈溯源中也是一個顯著問題。在金融區塊鏈領域，非結構化數據較少，更多利用區塊鏈技術防篡改、去中心化等特征保障數據安全、降低服務成本。在工業物聯網領域中，更加側重用保障網絡安全和提高整個工業流程效率，其中區塊鏈共識機制替代中心認證機制，整個網絡節點無需第三方信任平臺，上鏈數據需網絡節點達成共識才可被記錄，降低網絡被攻擊的可能性，保護整個工業物聯網的安全[86-87]。

XU等[88]提出了區塊鏈和工業物聯網連接器應用于糧油溯源的概念，基于這一理念，構建了可靠的糧油質量安全追溯模型。最后，設計了可靠的小麥質量安全追溯樣機系統，并驗證了模型的系統實現。LU等[89]提出了一種基于區塊鏈和物聯網的食品防偽溯源系統。該系統利用區塊鏈技術存儲食品生產、銷售和運輸過程中的溯源數據，同時，通過物聯網技術保證區塊鏈源數據的真實可靠，該系統具有更高的安全性和更低的通信成本。

3 挑戰與發展方向

3.1 挑 戰

3.1.1 數據上鏈存儲壓力大

糧油食品供應鏈參與主體多，有大量的溯源數據，其中包含結構化溯源數據和非結構化溯源數據。區塊鏈自身存儲性能不足已無法滿足整條供應鏈溯源數據的存儲，容易遇到存儲瓶頸。在視頻溯源數據上鏈存儲中，特別是糧油食品供應鏈中糧庫視頻監管數據，無論是從圖像質量還是視頻分辨率，國家對其有較高的要求，導致視頻數據占有較大的存儲空間，其上鏈存儲對整條糧油食品供應鏈來說是一個巨大的挑戰。

3.1.2 系統操作性和可移植性差

目前很多行業都應用了區塊鏈技術，在糧油食品供應鏈中，參與主體較多，在部分供應鏈溯源系統中沒有標準協議可以讓它們互相協作和集成，這不利于糧油食品區塊鏈的發展。盡管開發人員可以用不同的平臺編寫代碼，但存在一些區塊鏈網絡孤立的情況，難以滿足系統之間的交互。此外，一部分供應鏈系統由于沒有標準化的管理策略與高效的轉化機制，系統移植性差，無法保證移植后的系統仍具備與其他系統的互操作性。

3.1.3 糧油食品溯源監管難度大

糧油食品供應鏈具有周期長、利益相關者眾多、結構復雜的特點。對于監管部門來說，糧油食品供應鏈中每個環節的監管方式與監管內容存在不同，收購環節是對糧食質量數據的監測，倉儲環節則是對糧食存儲環境進行監測，因監管力度不足存在的“轉圈糧”、“升溢糧”“以陳頂新”、壓級壓價等糧食安全問題已嚴重影響到糧油食品供應鏈的安全。除糧油食品外，不同農產品溯源工作也存在一定的差異，監管的重心也有所不同，對不同的農產品監管力度也不易掌控。

3.1.4 跨域與跨鏈實施困難

糧油食品供應鏈中利益相關者眾多，存在諸多可信域，一些可信域彼此之間互不信任，如何將這些可信域之間建立信任，滿足用戶跨域訪問，對糧油食品供應鏈來說是一個挑戰。目前在糧油食品供應鏈中，單鏈的跨域訪問已有一些研究成果[90-91]。隨著供應鏈中參與主體的增多，單鏈在糧油食品供應鏈中可能已無法滿足用戶的需求。跨鏈技術存在智能合約不通用、用戶身份可能存在重復等問題，對糧油食品區塊鏈而言，跨域與跨鏈實施較為困難。

3.2 發展方向

3.2.1 提高糧油食品區塊鏈的存儲性能和可擴展性

在整個糧油食品供應鏈溯源中有大量的溯源數據需要上鏈存儲，其中包含一些非結構化的視頻數據。區塊鏈在自身存儲方面存在缺陷，當前已有不少學者提出不同的方法來提高區塊鏈存儲能力，但多數方法會增加糧油食品供應鏈的成本開銷，其中也存在鏈下數據庫存儲數據丟失或者損壞的可能性。如何構建一個適合于糧油食品供應鏈的高容量、安全共享的存儲架構是一個重要課題。其次，區塊鏈可擴展性差和吞吐量低一直以來都是一個比較難解決的問題[92]。比特幣網絡每秒能處理的交易數量約為7筆，以太坊約網絡約為20筆交易，而傳統網絡Visa可以處理1 700～2 000筆交易[93-94]。有向無環圖（direct acyclic graph, DAG）架構的區塊鏈技術是不同于傳統區塊鏈的一種分布式賬本技術，其具有系統延展性高和交易速度快的明顯優勢，但安全性和一致性相對傳統區塊鏈還有待驗證[95]。當前DAG架構的區塊鏈已在數據管理[96-97]、數據安全[98-99]、6G網絡服務[100-101]等領域有所應用，其在供應鏈溯源領域研究相對較少，因此，加大對DAG架構區塊鏈在糧油食品供應鏈溯源的研究也是勢在必行。

3.2.2 加強糧油食品供應鏈常態化穿透式監管

糧油食品供應鏈周期長，參與主體多，對各個環節實現全方位的監管難度較大，特別是在糧食購銷領域因監管力度不夠出現的糧食安全問題。將區塊鏈技術應用到糧油食品溯源領域可以減少供應鏈監管缺失缺位的問題，其去中心化可以實現對糧油食品供應鏈中質量安全的實時監控，確保溯源數據的安全性和完整性；共識機制也可以提高糧食安全監管的效率。如何利用區塊鏈技術建立糧油食品供應鏈常態化穿透式監管機制，是未來糧油食品溯源領域的一個重要研究方向。

3.2.3 融合區塊鏈+IoT+人工智能

相比糧油食品溯源架構中將區塊鏈技術與物聯網技術結合，其他前沿技術與區塊鏈結合應用到溯源架構的研究較少。融合區塊鏈、IoT、人工智能，應用到糧油食品供應鏈是一個重要研究方向。將機器學習應用到糧油食品區塊鏈共識算法領域，通過建立模型將共識節點聚類，加快共識節點的選取，提高溯源系統的效率；利用深度學習優化訪問控制策略，解決用戶之間的訪問策略沖突問題；利用人工智能算法對糧油區塊鏈中智能合約進行安全分析和漏洞檢測，確保合約執行結果的完整性和可靠性。

3.2.4 面向多系統的跨域與跨鏈訪問

在糧油食品區塊鏈溯源中，如何利用區塊鏈技術在各個可信系統之間建立低成本的信任機制，滿足不同用戶之間跨域訪問需求，在糧油食品區塊鏈未來發展中是一個重要的研究方向。但是，糧油食品區塊鏈中有大量的溯源數據需要管理和維護，僅僅通過單鏈來實現所有數據管理較為困難，那么多鏈并行協同管理各系統溯源數據勢在必行。因此，如何解決多鏈之間智能合約不匹配、用戶訪問策略沖突，在未來糧油食品區塊鏈溯源研究中也是一個重要研究課題。

4 總 結

傳統的糧油食品追溯體系存在著數據中心化、信息不透明、數據共享困難、溯源成本高等問題，且監管部門對糧油食品溯源信息并不能實施全方位的監管，在糧食購銷領域出現“轉圈糧”、“升溢糧”、“以陳頂新”、壓級壓價等糧食安全問題。區塊鏈具有其去中心化、防止偽造、數據透明化和可溯源性等優點，結合物聯網技術保證鏈上數據的真實性和完整性，實現對糧油食品供應鏈全鏈條的追溯與監管，確保糧油食品供應鏈安全。本文總結了區塊鏈技術應用到糧油食品溯源等領域的研究進展，指出當前糧油食品區塊鏈溯源面臨的挑戰，并對區塊鏈技術在糧油食品溯源領域中的應用潛力進行展望，為區塊鏈技術在糧油食品中的創新應用提供有益參考。

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Research progress and prospect of grain and oil food traceability based on blockchain technology

GE Hongyi1,2,3, WU Xuyang1,2,3, JIANG Yuying1,2,4※, ZHANG Yuan1,2,3※, SUN Zhenyu1,2,3, CUI Guangyuan1,2,3, JIA Zhiyuan1,2,3

(1.,,,450001,; 2.,,450001,; 3.,,450001,; 4.,,450001,)

Grains and oils have been one of the most important branches of agricultural products in the basic necessity of daily life. The safety accidents of cereal and oil food occur frequently in recent years, leading to a gradual weakening of the consumers' trust in cereal and oil food quality and supply chain. There is a long cycle in the supply chain of cereals, oils, and foodstuffs, particularly for the complex structure and many stakeholders. It is still challenging to maintain the safety of the supply chain, especially in the field of grain purchase and sale. There are some risks to food security, such as "topping new with old", "revolving grain", and pressure on grade and price. The traceability system can serve as the product management to implement forward, reverse, and non-directional tracking of products, in order to connect all aspects of grain, oil, and food distribution. As such, an important guarantee can be provided for the quality and safety in the process of raw material collection, manufacturing, processing, storage, and transportation, as well as distribution and sales. The traditional traceability system cannot fully meet the large-scale production in recent years, such as data centralization, opaque information, easy data falsification, and easy formation of information silos. Blockchain can be taken as a next-generation disruptive technology after the Internet, with new features such as decentralization, distributed storage, anonymity, open and transparent data, and content not easily tampered with, bringing new solutions to product traceability in the grain and oil food supply chain. The article first introduced the basic meaning of blockchain technology, and then listed the development stages of blockchain 1.0-3.0, including the characteristics and application scenarios of each stage. Blockchain technology was summarized in the blockchain traceability field of grain and oil food over the past five years, with emphasis on the different architectures. The progress of blockchain-related technology was described in such fields as grain and oil food traceability, including combining blockchain and Internet of Things (IoT) technologies. The traceability system was then optimized for the blockchain storage performance for the traceability system. The basic architecture of blockchain was applied to the grain and oil food traceability, including blockchain alone and the blockchain + IoT. Some differences and difficulties were proposed to apply the blockchain in the field of grain, oil, and foodstuffs traceability, compared with the financial and industrial IoT fields. Traceability was used for the different categories of agricultural products. The current challenges were elaborated, in terms of storage performance, interoperability, traceability system portability, supervision difficulty, cross-chain, and cross-domain. The blockchain storage performance enhanced the blockchain scalability and throughput, and then integrated blockchain+IoT+artificial intelligence, as well as the cereal and oil food blockchain in the cross-domain and cross-chain. An outlook was given on the future field of cereal and oil food traceability. The finding can also provide a strong reference for the innovative application of blockchain technology in cereal and oil food.

agricultural products; traceability; blockchain; traceability system; grain and oil food; supply chain

10.11975/j.issn.1002-6819.202209205

TP301

A

1002-6819(2023)-05-0214-10

葛宏義，吳旭陽，蔣玉英，等. 基于區塊鏈技術的糧油食品溯源研究進展及展望[J]. 農業工程學報，2023，39(5)：214-223.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209205 http://www.tcsae.org

GE Hongyi, WU Xuyang, JIANG Yuying, et al. Research progress and prospect of grain and oil food traceability based on blockchain technology[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2023, 39(5): 214-223. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.202209205 http://www.tcsae.org

2022-09-26

2023-02-24

國家自然科學基金項目（61975053, 62271191）；河南工業大學糧食信息處理與控制教育部重點實驗室開放基金項目（KFJJ2020103, KFJJ2021102）；河南省自然科學基金項目（222300420040）；河南省高校科技創新人才支持計劃項目（22HASTIT017, 23HASTIT024）；河南省重大公益專項（201300210100）

葛宏義，博士，副教授，研究方向為先進傳感技術、區塊鏈技術。Email：gehongyi2004@163.com

蔣玉英，博士，副教授，研究方向為智能信息處理。Email：jiangyuying11@163.com

張元，教授，博士生導師，研究方向為智能信息與信號處理、電磁波探測技術。Email：zhangyuan@haut.edu.cn