基于區塊鏈技術的生鮮農產品信息追系統優勢與發展趨勢

Abstract： The fresh agricultural product information traceabilitysystem is a specialized platform for tracking and tracing the information of fresh agricultural products fromproduction， circulation to use throughout the entire process.It is an important means to achieve \"traceable destination\" and \"traceable source\" of fresh agricultural products. The supporting technology of the platform is the core to ensure the credible， efficient and safe traceability ofinformation.Theadvantages of blockchain technology are also the technical advantages of the fresh agricultural product information traceability system， and thisadvantage becomes more obvious with the rapid development ofa new generation of information technologies such as the internet of things， cloud computing， quantum information， mobile internet，artificial intelligence，and big data.Based on theanalysis of the characteristics ofthe fresh supply chain of freshagriculturalproductsand the architectureof theinformation traceability system， this paper discusses the technical advantagesand development trends of the fresh agricultural product information traceability system based ‘on blockchain technology，providinga reference for further promotingtheapplication of blockchain technology in the information traceabilitysystemof fresh agricultural products.

Key words： fresh agricultural products; blockchain technology; information traceability system; technical advantages; development trends

0引言

生鮮農產品安全生產是食品安全的前提和保障，是關系著人民群眾身體健康和生命安全的根本問題，也是現階段農業和農村經濟工作必須解決的重大問題。多種風險源如農作物種植和養殖環節中的有害物質濫用問題、生鮮農產品保存與運輸階段的隱患、生鮮農產品本身生長發育期間的風險以及新型農業技術的運用所引發的問題等都對生鮮農產品質量安全的保障構成威脅。近年來，隨著我國國民經濟的不斷發展，人民生活水平得到不斷改善，生鮮農產品的質量安全問題已成為公眾關注焦點和科研研究熱點d。為提升消費者的生鮮農產品消費意愿、提高生鮮農產品生產經營者的管理能力、提高職能部門對生鮮農產品質量安全監管水平、提高生鮮農產品全產業鏈信息傳遞能力、提高生鮮農產品的國際競爭力，實現農業的標準化、規模化和產業化等，世界各國相繼建立生鮮農產品信息追溯制度與管理辦法，研發基于不同技術支持的生鮮農產品信息追溯系統[-3]。生鮮農產品質量信息追溯是指利用信息技術手段，采集記錄生鮮農產品生產、加工、倉儲、物流、消費等環節相關數據信息，建立生鮮農產品可視化產品檔案，向消費者展示產品安全與品質相關信息，從而實現來源可查、去向可追、責任可究。隨著大數據、云計算、物聯網、量子信息和人工智能等新興信息技術的快速發展及廣泛應用，生鮮農產品信息追溯體系的技術支撐獲得了顯著提升，特別是近年來以區塊鏈技術為基礎的信息追溯系統取得迅速進展和推廣應用。

本文在分析生鮮農產品生鮮供應鏈特性及信息追溯系統模型的基礎上，探討基于區塊鏈技術的生鮮農產品信息追系統技術優勢與發展趨勢，為進一步推動區塊鏈技術在生鮮農產品信息追溯系統中的應用提供參考。

1生鮮農產品產業鏈特性及信息追溯系統架構

1.1生鮮農產品產業鏈特性

農產品產業鏈不同于其它產業鏈，特別是我國生鮮農產品為人們生活所必需，市場大、剛性需求彈性小，同時具有鮮活性、區域性以及季節性等特點，因此，生鮮農產品產業鏈具有質量安全要求高、物流成本高、產業鏈高度復雜、損失風險性大等特性[5-7]。

（1）質量安全要求高。生鮮農產品的安全直接關系到社會公眾的生命安全和身體健康，人們對食品安全和食品質量的需求隨著生活條件改善不斷上升，特別關注生鮮農產品的新鮮程度、環保特性和安全性；生鮮農產品的安全問題與我國現代化農業可持續發展高度相關，農業為我國國民經濟的建設與發展提供關鍵支撐，其中最重要的是確保安全，因此要提高我國的農業國際化水平，推進農業的安全生產和加工是目前的首要任務，亦是農業可持續發展的保證；生鮮農產品的安全狀況還將深度影響新農村建設的推進，對農業和農村經濟改革發展有著重要的推動作用，只有大力提高生鮮農產品的質量安全水平，才能更好地優化農業結構，助力新農村建設。

（2）物流成本高。由于生鮮農產品具有時效性和地域分布性，物流環節在產業鏈流通過程中的重要地位日益凸顯。同時，生鮮農產品的易損耗性對產品在物流環節的配送時間和配送設備提出較高要求，尤其需要特定或指定的冷藏倉庫和包裝容器，以嚴格控制生鮮農產品的新鮮度，因此，生鮮農產品在流通環節的物流成本居高不下。

（3）產業鏈高度復雜。一個完整的生鮮農產品產業鏈包括從農產品種植采摘，到進入市場流通、再到完成銷售的所有環節，覆蓋生鮮農產品的供應商、零售商和消費者等所有參與者。生鮮農產品產業鏈系統需要根據市場需求波動隨時做出調整，通過調整產業鏈中的所有環節來對接市場。我國幅員遼闊，但生鮮農產品生產規模不大，且生產基地不集中，產業鏈成員多但分散，導致生鮮農產品產業鏈高度復雜且越來越復雜。

（4）風險性大。 ① 區域內生鮮農產品種類同質化比較嚴重； ② 旱、澇、風、雹、霜凍等氣象災害影響較大； ③ 受消費者需求和季節影響，生鮮農產品的市場需求波動較大； ④ 產業鏈流通節點多，存在新鮮度下降及損耗大等風險。與此同時，生鮮農產品的供應商以農業部門、農業合作社組織和農戶個體為主，缺乏完整的產業鏈風險應對策略，風險應對能力總體較低。

1.2生鮮農產品信息追溯系統架構

將生鮮農產品在生產、加工、運輸、銷售等環節的數據信息進行收集匯總并建立檔案，使得消費者能夠準確查詢到相關信息，從而讓生鮮農產品從農田到家庭的過程可以雙向追溯，這一過程就是生鮮農產品追溯，生鮮農產品追溯信息如圖1所示。

圖1生鮮農產品追瀕信息

圖2生鮮農產品追溯系統架構

我國生鮮農產品信息追溯系統研究起步較晚，但發展成果顯著。自2000年以來，中央和地方的相關主管部門積極推進生鮮農產品追溯行動，如農業部在北京、上海等八個城市啟動生鮮農產品質量安全監管系統試點工作，北京和河北省聯合開展“進京蔬菜產品質量追溯制度試點項目”，山東省濰坊壽光田苑蔬菜基地和洛城蔬菜基地先后實施蔬菜安全可追溯性信息系統研究及應用示范工程，上海市建立農副產品質量安全信息查詢平臺，江蘇省南京市也推出生鮮農產品質量IC卡管理體系等。同時，云馬追溯系統、廣西慧云信息技術有限公司、北京瑞德金穗信息技術開發中心、北京中園搏望科技發展有限公司、杭州百代信息工程有限公司、深圳悅厚科技有限公司、中企信誠（北京）防偽技術有限公司等機構積極探索基于物聯網、云計算、量子信息、移動互聯網、人工智能、大數據等新興信息技術的追技術領域并且已經成功研發出多款生鮮農產品信息追溯平臺[9-10]，特別是基于區塊鏈技術的生鮮農產品溯源系統，充分發揮區塊鏈技術的去中心化、開放性、自治性、匿名性與信息不可篡改等核心技術優勢，生鮮農產品從種植到銷售的全流程數據分布式存儲于全網絡多個數據節點上，每一個節點都有完整的數據存儲和備份，形成一個規模巨大的存儲資源池，數據詳實、保真度高，使得生鮮農產品的可信溯源功能得以實現。典型的基于區塊鏈技術的追溯平臺架構如圖2所示]。

在圖2所示的構架中，生產種植模塊中通過環境溫度及濕度感知器、視頻監控等對生鮮農產品生產的相關信息進行采集；采摘加工模塊中通過產品標識、感知芯片等對加工過程的信息予以采集、記錄；物流運輸模塊則借助環境監控設備對運輸、周轉的過程進行記錄；銷售終端模塊中借助二維碼、條碼等來對銷售情況進行記錄。不同環節所采集信息傳遞到區塊鏈網絡中，進行儲存應用。各參與節點是生鮮農產品信息傳遞的重要環節，每個參與節點都設置密鑰，銷售終端環節發起者通過自己的密鑰對節點進行身份驗證，從而啟動整個交易流程[2]。圖2中采用智能合約方法將生鮮農產品任意信息傳遞和坐標變化準確有效地記錄在區塊鏈上，確保產品可追溯性的全過程透明且不可篡改，解決傳統可追溯性的完整性問題。同時圖2中采用共識算法以確保數據的公開性和透明性，借助一致性算法和密碼學兩者保證信息不被篡改，產品信息在區塊鏈中所有節點確認后被分發并存儲在每個節點的分布式賬本中[13]。

2基于區塊鏈的生鮮農產品信息追溯系統技術優勢

基于區塊鏈的生鮮農產品信息追溯系統技術優勢也就是區塊鏈的技術優勢，區塊鏈本質上是個基于時間戳技術、加密技術、P2P網絡技術的共享數據庫，存儲其中的數據和信息具有去中心化、防篡改性及集體維護、開放性、可追溯性、安全性及保密性等技術優勢。

2.1數據的防篡改性提升生鮮農產品溯源數據的完備性與可靠性

相對于傳統的分布式存儲，區塊鏈利用加密技術來驗證與存儲數據、利用分布式共識算法來新增和更新數據，區塊鏈各節點共同參與驗證交易和出塊。區塊鏈每個節點處于相對獨立地位，聯合共識機制的集體維護保證存儲的一致性和數據的安全性。載有交易數據的數據存儲庫為開放式訪問狀態，但在算法設計、密碼學和共識機制的共同保護下，任何人不得隨意修改區塊鏈的節點數據或變更區塊鏈數據記錄。同時，生鮮農產品區塊鏈的整體正常運作不會因任一節點的數據出錯或清空而停止，在算法的自我約束機制下，任何違背系統規定的行為都會被其他節點阻攔，因此生鮮農產品區塊鏈的數據記錄和數據保護特性能有效防止數據被惡意篡改或被操縱修改的情況出現，極大程度地降低各類風險，具有極強的數據穩定性和可靠性[1415。

2.2區塊鏈去中心化提升生鮮農產品產業鏈信息溯源的管理效率

區塊鏈技術以去中心化特征為核心技術優勢，圍繞去中心化進行技術顛覆和創新。在去中心化的技術特征下，區塊鏈不依賴任何中心化的硬件或第三方，由各節點的終端應用程序獨立完成數據的驗證、傳輸和交易任務。任何個人都無法操控修改全局數據，即使某個節點停止工作也不會阻礙系統的整體運作，這將極大地提升生鮮產業鏈管理效率[6-1]。同時，區塊鏈技術可以永久全面地記錄涵蓋生產者、加工、物流運輸、價格、銷售等環節在內的生鮮農產品產業鏈信息，降低成本，減少人工失誤和時間延誤，提高交易效率，且供應鏈上數據公開透明，各節點完全自主掌握相關生鮮農產品的信息，使得供應鏈成員可以快速識別、分析并及時解決生鮮農產品產業鏈中存在的問題，從而提升產業鏈管理的整體效率[18]

2.3區塊鏈技術的可溯源性杜絕生鮮農產品產業的欺詐與失信行為

基于分布式記賬結構的不可逆特性，區塊鏈能夠保證鏈上的所有節點數據清晰完整、透明公開，任何人都可以以公開接口為媒介，以數據查詢的形式對區塊鏈節點數據行為進行實時追溯追蹤和監控。區塊鏈上的所有交易數據經鏈式存儲固化到區塊數據，同時輔以密碼學算法對所有區塊數據進行疊加式HASH加密處理，并予以追溯端口和特定追溯方式，這就保證數據的安全可靠與可溯源性[。利用區塊鏈的追溯特性，實現生鮮農產品供應鏈中生產、裝卸、倉儲、運輸等所有環節的公開透明可追溯，不但可以進一步保證生鮮農產品各環節的質量安全，也可以對供應鏈上的所有參與者進行實時監督，有效提高供應鏈參與者的自覺性，杜絕偽造、欺詐等失信行為[20]。

2.4區塊鏈技術的匿名性保障生鮮農產品追溯信息中保密信息的安全性

基于正確的地址及算法，可以免去區塊鏈各節點間對真實身份、實名識別的彼此驗證環節，同時將保障數據傳遞、數據交互及數據管理等過程的數據安全。如區塊鏈上的他人只能查到轉賬記錄，無法掌握你在區塊鏈上的資產數量以及和誰進行轉賬及轉賬地址背后更多的信息，根據隱私需要可以按基本級、高級、極致級等級別匿名加密這些保密信息。此外，利用區塊鏈的高度匿名特性，生鮮農產品產業鏈的所有環節參與者采取私鑰簽名、公鑰地址和身份認證等方法，避免數據存儲不安全的問題[21]。

2.5區塊鏈技術的開放性確保生鮮農產品追溯體系的不斷完善與隨機擴充

由于區塊鏈具有開放性的特征，生鮮農產品供應鏈參與者可以自由訪問區塊鏈，安全高效地對區塊鏈數據信息進行查詢。除了被供應鏈各環節參與方已加密的私有數據信息，區塊鏈公有鏈上的基礎數據高度透明且對所有人開放，任何人可以通過區塊鏈公開接口查詢鏈條數據，并支持相應的開發，如對賬戶身份信息進行高度加密、定義智能合約、開發應用終端等。同時，區塊鏈系統是由分布在任何不同地點的計算機節點組成的扁平化網絡，在區塊鏈的公有鏈中，任何計算機節點可以隨時加人或退出，體現絕對自由性[22]。

3基于區塊鏈技術的生鮮農產品信息追溯系統技術發展趨勢

隨著計算機算力的不斷發展，尤其是量子計算技術的不斷進步，與其它區塊鏈系統一樣，生鮮農產品信息追溯系統也在分布式共識算法、密碼安全性、網絡安全方面仍面臨許多風險和挑戰，全球主要國家和地區都在針對這些風險和挑戰開展理論和應用技術研究，使得基于區塊鏈技術的生鮮農產品信息追溯系統具有如下技術發展趨勢[23]。

3.1加密算法的不斷改進與優化，促進生鮮農產品信息追溯系統更為安全

密碼學技術是區塊鏈系統安全的基本保證，加密算法是確保區塊鏈數據的機密性、完整性和身份驗證的基礎。區塊鏈加密算法主要包括哈希函數、非對稱加密算法和共識算法。哈希函數可用于系統內驗證信息是否被篡改，非對稱加密技術（公鑰和私鑰技術）用于身份驗證，共識算法用于定義交易校驗和產生區塊鏈執行規則。隨著計算機算力的不斷發展，加密算法也在不斷改進。自 2015年以來，美國國家標準與技術研究所（NIST）、歐洲量子密碼和工業界研究者聯合組織相繼推出SHA3新算法、加密和授權標準等，極大增強數據的安全性和防篡改能力；2020年，DARPA啟動“零知識證明”研究，能夠在不向驗證者提供任何有用信息的情況下，顯著提高驗證的正確性。2021—2023年間，NIST又推出公鑰、數字簽名和密鑰交換新算法，同期微軟公司也發布“基于格”密碼庫，提高密碼系統的安全性和效率。此外，隨著量子計算的發展、多因素認證的普及和人工智能發展，加密算法將得到不斷改進與應用，傳統的加密算法不斷被破解與替代，信息追溯系統中許多安全問題也將迎刃而解[24]。

3.2區塊鏈技術不斷迭代更新，大幅生鮮農產品信息追溯系統運行效能

區塊鏈是塊鏈結構，其技術框架一般包括數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層等，每個部分的分工明確功能各不相同且特定。區塊鏈技術雖已在諸多領域得到廣泛應用，但主要應用場景還是在存證、清算等低頻交易場景中，對于實時大量交易、物聯網等高頻交易，區塊鏈的通量嚴重不足、運行效能低下，這也限制其應用范圍的擴展。與多種區塊鏈的應用系統一樣，基于區塊鏈技術的生鮮農產品信息追溯系統也是通過加密實現權屬明晰，利用大量冗余的存儲低成本地建立系統信任，因此存儲效率與運行效能低下；為解決這一因存儲而導致的問題，很多應用系統都把現有區塊鏈數據導出到外部進行存儲，實現由單一鍵值數據庫向融合IPFS、關系型數據庫、分布式數據庫等方向發展[5]。區塊鏈技術不斷迭代更新的另一方面是從單一的共識機制向多類混合的共識機制演變，同時區塊鏈技術加以云計算技術將帶來服務定制化多樣化，如此區塊鏈技術不斷迭代更新，將大幅增加生鮮農產品信息追溯系統運行效能。

3.3區塊鏈技術與其他智能技術融合，促進生鮮農產品信息追溯系統提質升級

當前物聯網、云計算、量子信息、移動互聯網、人工智能、大數據等新一代信息技術正快速發展，生鮮農產品信息追溯系統的提質升級必然與其他智能技術融合。為保證數據在鏈上各個環節的真實性和可靠性，需要依靠物聯網技術獲取鏈上可靠數據并確保網絡暢通且運行高速，基于區塊鏈的去中心化、不可篡改特性來形成生鮮農產品產業鏈的信任體系2]。同時區塊鏈技術與諸如云計算、大數據等智慧技術相互融合，對生鮮農產品產業鏈數據進行分析與預測，能應對鏈上數據量過度增加的情形，并提高鏈上信息的對稱性，克服生鮮農產品產業鏈中的信息不透明、信息監控困難等現象。同時，通過對區塊鏈技術架構的模塊化處理，運維理念被引入區塊鏈技術，區塊鏈技術逐步與多種成熟的運維工具進行聯合開發。區塊鏈技術和云管理理念融合而生的區塊鏈服務應用模式大幅提高區塊鏈的可用性和安全性2。

4結束語

生鮮農產品產業鏈特性具有質量安全要求高、物流成本高、產業鏈高度復雜及風險大的特點，區塊鏈本質上是個基于時間戳技術、加密技術、P2P網絡技術的共享數據庫，存儲其中的數據和信息具有去中心化、防篡改性及集體維護性、開放性、可追溯性、安全性及保密性等技術優勢，這些技術優勢促進生鮮農產品信息追溯系統的日益完善與應用。

隨著新一代智能信息技術的快速發展和應用，生鮮農產品信息追溯體系的加密算法將得到不斷改進與應用，傳統的加密算法不斷被破解與替代，信息追溯系統中許多安全問題也將迎刃而解，區塊鏈技術不斷迭代更新，尤其是由單一鍵值數據庫向融合IPFS、關系型數據庫、分布式數據庫等方向發展，將大幅提升生鮮農產品信息追溯系統運行效能。區塊鏈技術與如物聯網、云計算、量子信息、移動互聯網、人工智能、大數據等新一代智能信息技術融合，將促進生鮮農產品信息追溯系統提質升級。

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