區塊鏈技術在農產品供應鏈中的應用與發展對策

麻劍鈞，劉曉慈，易森林，封春芳，夏先亮

（1.湖南省農業農村信息中心，湖南 長沙 410005；2.衡陽縣優質農產品開發中心，湖南衡陽 421200；3.常寧市洋泉鎮農業綜合服務中心，湖南 衡陽 421524；4.衡南縣三塘鎮農業綜合服務中心，湖南 衡陽 421100；5.常寧市農業技術推廣中心，湖南 衡陽 421500）

區塊鏈技術是以數據庫作為數據存儲載體，以P2P 網絡作為通信載體，依賴密碼學確定所有權和保障隱私，依賴分布式系統共識框架保障一致性，旨在構建價值交換系統的技術[1]。區塊鏈是利用密碼學、共識機制、智能合約等技術共同實現的去中心化、多方可信、不可篡改、可追溯的分布式賬本[2]，因此區塊鏈技術又被稱為分布式賬本技術。隨著區塊鏈技術的不斷發展，它已經成為眾多領域的改革技術之一[3]，被許多不同的行業所采用，特別是具有銀行[4]、供應鏈[5]、物流[6]等背景的行業。作為新興底層技術，區塊鏈技術為農業現代化提供了基礎條件[7]。農產品區塊鏈發展政策和戰略模式呈現不同的地方特色，東部地區憑借經濟、技術、人才等優勢高規格高起點投入，以鞏固引領新技術革命優勢保持領先發展；而西部地區則把區塊鏈作為繼大數據、人工智能等新技術實現后的又一戰略選擇[8]。因此，分析農產品區塊鏈的原理和運行機制，打造可信任、高透明度的農業供應鏈，促進農產品溯源、農產品供應鏈管理等領域的發展，對我國農業高質量發展具有重要意義。

1 農產品區塊鏈原理及運行機制

區塊鏈本質上是一個分布式數據庫，它以加密塊的形式按時間順序排列記錄鏈，由所有已執行并在參與方之間共享的交易組成。這些交易的結果可以在未來的任何時候被驗證和訪問，因為一旦輸入，信息就永遠不會被刪除。這是在不損害相關各方隱私的情況下完成的，因為數據是加密的，稱為“礦工”，被要求解決計算密集型問題，而其他計算機則驗證解決方案與之前的交易是否對應。網絡中的每臺計算機都存儲區塊鏈的副本，節點定期同步，以確保所有節點共享相同的數據庫。

隨著新交易的產生、礦工節點持續的完成對隨機數的計算，以及節點對交易信息進行驗證并產生新的區塊儲存交易信息，這個鏈式的結構就會隨著時間節點的先后持續增長[9]。每個環節上節點都擁有一份包括全區塊的信息備份，而這是通過數據驗證算法解密后自主完成[10]。

如圖1 所示。區塊鏈的基本組成單元是區塊，區塊記錄一段時間內的交易。由包含元數據的區塊頭和許多條交易記錄的區塊體2 部分組成。區塊頭包括版本號、父區塊哈希值、時間戳、隨機數、目標值、Merkle 樹的根植等。目標值是哈希值的閾值。隨機數與目標值組成數學運算，目標值相當于隨機數的值域，由隨機數計算出的值要在目標值范圍內。該數學運算成立獲得區塊的記賬權。區塊的全部交易的認證都被記錄在時間戳。當前區塊記錄前一區塊的哈希值，后一區塊記錄后一區塊的哈希值。哈希值是每個區塊的唯一標識。區塊通過哈希值連接在一起。通過這種方式，從最新的塊到第一個區塊的連接是由每個塊到其父散列值的序列創建的，創建了一種類似于數據結構的形式。即通過單向的哈希鏈將所有區塊組織成一個整體。區塊哈希值是區塊的摘要信息，區塊的改變必將引起區塊哈希值的改變。父區塊的哈希值已經保存到子區塊中，若要篡改父區塊，則必須篡改子區塊所保存的哈希值。而且每個區塊包含的眾多交易通過Merkle 樹結構與區塊頭中的 Merkle 樹的根值相關聯，任何交易的變動都將引起連鎖反應導致此區塊以及后續區塊的數據都會變化。

圖1 區塊的組成

為了確保數據的安全性，區塊鏈中的初始數據都是經過Hash 函數處理的，Hash 函數的特點為：輸入的字符串可以是任意長度的；輸出的大小是固定的；能進行有效計算且速度較快。為了保證Hash函數的安全特征，則需附加三個特性：單向性、友好性、抗碰撞性。

Merkle 樹看起來非常類似于二叉樹，它可以總結并快速驗證一個塊中的所有交易數據。葉節點使用數據塊的散列作為其標記，而非葉節點使用其子節點的標記的加密散列作為其標記。如圖1 區塊體所示，將每個事務的哈希值分別作為葉節點。將兩個葉節點的哈希值進行另一個哈希計算，生成父節點，即Merkle 根。當交易記錄被篡改時，值將不一致。這種環環相扣的存儲方法不僅使區塊鏈能夠快速發現信息已被篡改，而且使它能夠快速定位具體的事務信息。

比特幣是最初的區塊鏈。它是一種公有鏈，開放性的、完全去中心化的。參與者（節點）可自由加入或者退出區塊鏈，通過交易或者挖礦來讀取和寫入數據。但隨著應用場景不同，不同領域或行業要求區塊鏈系統實現不完全去中心化，且希望可以控制開放性。因此，將區塊鏈分為三類：公有鏈、聯盟鏈、私有鏈。私有鏈的記賬權、組織部署和運營歸私人或私人機構所有，不對外開放[11]。雖然內部是區塊鏈結構，但對外部來說私有鏈系統是中心化的。私有鏈的節點由私人或私人機構全權控制，具有訪問權限可控、交易速度高、成本低等優點。

針對農產品供應鏈特點，聯盟鏈更適用農產品供應鏈。聯盟鏈是應用于聯盟組織的區塊鏈，由群體或者部分組織機構組成的鏈條。聯盟中的成員承擔記賬職責，每一個組織成員都可以作為記賬節點，其智能合約經聯盟協商一致后進行部署。聯盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，是一種特殊的區塊鏈，是弱中心化或者多中心化。加入聯盟鏈需要注冊和許可，只對注冊經過許可的組織機構開放。以此維護分布式結構，限制參與者的數量。通過預先選擇的節點來驗證數據和區塊，不須整個網絡中的所有節點參與驗證，加快了區塊的生成，縮短了數據達成一致性和驗證的時間。此外，通過預先設置的節點在區塊鏈中進行驗證，提高聯盟鏈的安全性。由此可見，聯盟鏈具有共識節點少、系統運行效率高、交易速度快等特點。溯源系統在隱私保護、交易速度和內部監督方面要求很高，在溯源系統中采用聯盟鏈更加合適。如果每個溯源 參與者都加入聯盟鏈，結合智能合約技術，可以有效解決現有溯源系統建立在單一企業發展基礎上的問題，從而打破企業之間的信息孤島。

2 農產品區塊鏈應用分析

2.1 農產品供應鏈管理

農產品供應鏈的管理包括許多管理者（如農民、生產者、經銷商、超市管理員）和作業（如農業監測、食品質量認證、產品運輸和包裝），這些管理者和作業對最終產品的質量有重大影響。管理者和作業的數量以及它們之間的交互是眾多而復雜的。農產品供應鏈的高度復雜性和處理產品的敏感性要求有效和透明的管理。

將區塊鏈技術應用于農產品供應鏈管理的核心之一是增加透明度。區塊鏈技術通過節點建立共識網絡使日常業務更透明、更可靠，在發生故障時有更快的反應時間。

記錄在區塊鏈數據庫上的數據可以被認為比集中的數據庫更可靠，因為它們在進入系統后無法被操縱。然而，區塊鏈技術無法防止輸入系統前的數據造假、欺詐。為了防止數字產品和實體產品之間的數據不一致性，可以采取以下對策防范：（1）加密簽名的證書，有機農業數據符合分布式文件標準，由獨立第三方直接添加到分類賬中。將數據概要及數據詳情的Hash 值存儲在區塊鏈，加密后的詳情數據存儲在本地文件系統中。（2）通過分析方法確定農產品的化學、物理和生物特性是質量管理體系的一個組成部分，可用于有機生產的認證、地理來源的確定以及農產品中農藥殘留的檢驗。（3）將物聯網設備產生的相關數據整合到質量管理流程中，同時也共享在分類賬中。光譜傳感器與多變量數據分析相結合是檢測草藥和香料摻假等的有效和快速工具。在供應鏈的不同階段，原料的“光譜指紋”的比較和驗證可用于質量管控。

供應鏈中的參與者可以參與具有透明度特性的分布式賬本的建立，并使用區塊鏈技術對信譽進行有效評估。建立良好信譽可以從競爭對手中脫穎而出，并可能增加用戶。此外，惡意和欺詐會給農產品企業帶來長期的經濟后果。利用區塊鏈構建良好信譽的農產品供應鏈，“從農場到餐桌”全程可監控可以真正實現。

2.2 農產品溯源系統

由于供應鏈的實體數量眾多，溯源過程非常繁瑣，因此將實體劃分為農場、加工機構、配送機構、銷售機構和監管機構，這五個機構涵蓋了供應鏈中所有節點。在該系統中，任一節點與其上級和下級之間構成了鏈條關系，依此形成由各級節點溯源事件組成的溯源鏈。

為了實現農產品的可追溯性，使用超級賬本智能合約記錄溯源信息，將農產品供應鏈的所有參與者添加到系統中。詳細記錄作物的環境和生長數據，其中作物的生長圖像帶有時間戳。時間戳為用戶提供了一些用戶數據生成時間的電子證據。農民收獲成熟的作物，出售給加工機構進行加工。成品農產品由分銷商批量采購、儲存并出售給零售商，零售商從分銷商處購買農產品，再小批量直接銷售給客戶。分銷商和零售商統稱為銷售機構。

采用數字簽名對溯源數據進行加密，存儲在區塊鏈中，具有以下優點。（1）防篡改：簽名后通過簽名的計算和驗證來確定數據的真實性確保數據的完整性。（2）不可否認性：數字簽名是對存儲數據實體的認證，也是對簽名過程的證據。（3）保密性：數據丟失很可能導致數據泄露，但需要對數字簽名的數據進行解密才能獲得原始數據。

節點和機構對自身數據負責，區塊鏈通過智能合約自動執行程序，一旦有違反合約行為的，將采取處罰措施。在種植階段，農民使用各種傳感器將作物的生長環境信息和詳細信息直接實時上傳到服務器。數據不經過人工處理，增強了數據的真實性和防篡改特性，使數據具有可審計性和可信性。（1）農場機構：農場負責種植作物，包含農戶信息、種植信息、地塊信息、作物信息、管理信息等。利用傳感器監測和記錄作物生長的數據，如生長環境的溫度、濕度、CO2和O2濃度、光照和土壤質量，并將有關作物生長過程的信息以圖像或MPEG 的形式存儲在溯源系統中。農戶負責創建智能合約，并將數據的哈希值存儲其中。（2）加工機構：農場機構收割農作物后，將其出售給加工企業，加工企業將農作物加工成消費者最終購買的成品。將加工企業信息、加工過程信息、倉儲信息、批次關聯信息、數量保存在溯源系統中。數據哈希存儲在區塊鏈中，最終生成數據標簽并粘貼在農產品包裝上。（3）配送機構：配送機構信息、配送作業信息、物流信息。（4）銷售機構：成品在到達零售商之前可能要經過多級分銷。 經銷商負責儲存加工過的農產品，并分批銷售給零售商。公司信息、零售商信息、員工信息、銷售時間、數量、價格存儲在系統中，而在區塊鏈中存儲數據哈希值，確保后續數據不被篡改。零售商從分銷商那里購買加工過的成品，然后少量賣給消費者。（5）監管機構：主要管理和指導質量監督檢驗工作，負責對生產企業實施農產品質量監督和強制檢驗。 主要包含監管部門信息、作物檢測信息、成品檢測信息、檢測時間。查處標準化、計量、質量等違法違規行為，打擊假冒偽劣違法行為，溯源信息記錄在系統上，哈希值存儲在區塊鏈上。

3 農產品區塊鏈存在的問題與發展對策

3.1 農產品區塊鏈存在的問題

3.1.1 區塊鏈應用的農業基礎設施薄弱目前我國農業數字化程度低，農業基礎設施與區塊鏈產品應用的硬件條件不匹配。一是農產品區塊鏈的基礎設施薄弱。小農戶家庭經營仍是主體，農業數據資源分散，無法輕松、有效地獲取農業數據。二是與農產品區塊鏈相匹配的智能農業機械、農業傳感器、農業軟件平臺等設施發展滯后，硬件設備和軟件平臺無法滿足農產品區塊鏈技術的推廣應用。三是農業數據的標準化不統一。上傳區塊鏈的數據必須統一標準，復雜、多樣的農業數據無法滿足標準化數據采集。

3.1.2 上傳區塊鏈前的農業數據不可靠第一，農產品區塊鏈應用的基礎是采集標準、可靠的農業數據，而目前農業數據采集設備各樣、口徑多樣、規范不一，這些數據一旦“上鏈”則造成農產品區塊鏈不可靠。第二，農民文化知識水平較低，沒有形成隱私保護意識，農產品區塊鏈信息透明性公開了農民信息，不法分子更容易收集和倒賣農民隱私信息，侵犯農民隱私，傳播不良信息，造成農民財產損失，對社會安全、社會認知等存在潛在風險。

3.1.3 農產品區塊鏈復合型人才缺口大 一是農產品區塊鏈涉及農學、計算機科學、計算數學等領域，農產品區塊鏈復合型人才既要掌握區塊鏈原理且能夠應用區塊鏈技術，又要能夠運用農產品供應鏈專業知識，還要了解傳統農產品供應鏈的痛點和瓶頸，這樣農產品區塊鏈復合型人才嚴重缺乏。二是目前我國小農戶家庭經營者大多年齡偏大、文化知識水平較低，對區塊鏈這種前沿高科技技術持懷疑態度，對新技術應用的前期高成本投資不愿嘗試。

3.2 農產品區塊鏈發展的對策建議

3.2.1 完善基礎設施建設，拓寬農產品區塊鏈應用領域一是各級政府加大智能農業機械、農業傳感器、農業軟件平臺等基礎設施建設的財政補貼。同時制定優惠企業援助政策，鼓勵企業投入農產品區塊鏈基礎設施建設中。二是在農產品供應鏈管理和農產品區塊鏈溯源的基礎上，依托移動通信產業，加快農產品溯源全程化、農產品供應鏈現代化、農村信貸平民化、農業產業保險層次化等，提升智慧農業智能化水平，為農產品區塊鏈大范圍應用奠定設施基礎。

3.2.2 構建行業標準體系，強化農產品區塊鏈技術應用一是針對同類農產品數據，設計類似的采集設備，制定統一口徑，建立標準數據規范，加強農產品區塊鏈標準化研究，規范農產品信息采集方法。各級政府組織龍頭企業、高校院所等專家、技術骨干組成標準制定團隊，共同開展農產品區塊鏈技術研發、科技成果轉化。二是大力推動農產品區塊鏈的試點示范，建立農產品區塊鏈應用場景，讓企業、小農戶家庭經營者看到農產品區塊鏈產品。三是布局特色農產品區塊鏈應用群，與農業物聯網、農業大數據形成良性互補、協同發展的格局。

3.2.3 加快建設復合型人才隊伍，提升農產品區塊鏈技術應用能力一是各級政府部門、高等院校和科研院所聯動合作，有針對性地培養農產品區塊鏈復合型人才，既加強區塊鏈技術的應用，也要普及農產品的專業知識。二是利用遠程教育、線上課程等方式培養企業技術骨干和小農戶家庭經營者等農產品區塊鏈人才，形成人才梯隊。支持農民利用手機終端等學習農產品區塊鏈知識，普及相關政策、技術和經驗。

4 結 論

區塊鏈是分布式數據庫，以加密塊的形式按時間順序排列記錄鏈，由所有已執行并在參與方之間共享的交易組成。隨著區塊鏈技術的不斷發展，它已經成為眾多領域的改革技術之一，被許多不同的行業所采用，特別是具有銀行、供應鏈、物流等背景行業。作為新興底層技術，區塊鏈技術為農業現代化提供基礎條件。本文分析了農產品區塊鏈的原理和運行機制，打造可信任、高透明度的農業供應鏈，促進農產品溯源、農產品供應鏈管理等領域的發展，對我國農業高質量發展具有重要意義。