區塊鏈技術下農產品溯源系統架構淺析

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摘要:高可信的農產品溯源，可以有效保障農產品的質量，提升消費者的信心，同時有助于健康農業生態的構建。傳統的溯源模型存在著信任缺陷。本文基于區塊鏈技術，結合農產品的整個供應鏈的特點構建了可信的農產品溯源系統架構，并基于構建的體系架構，運用超級賬本方式，搭建溯源模型，對農產品(橘子)溯源信息進行驗證，并得到了良好的應用效果。

關鍵詞:區塊鏈;農產品溯源;系統架構

隨著社會的進步和經濟的發展，人們的生活水平有了顯著提高，目前人們對農產品的需求不再關注數量，而是更加關注質量［1］。農產品的質量安全與每個人的切身利益息息相關，保障農產品質量的安全性是保證人們身體健康的前提，同時高安全性的農產品可提升市場競爭力。農產品從農田到餐桌包括多個環節，形成了復雜的鏈條，不僅包括種植過程的各個環節，同時包含物流供應鏈等。任何環節出現問題都會影響產品質量的保障［2］。高質量、高安全性的農產品是每個消費者所關心的。如何保證農產品的質量安全是目前廣泛關注的問題。尤其作為消費者，更應該對所購買的農產品有著清楚的了解。所以農產品的溯源就顯得非常重要，其中溯源的準確性、可信性尤為關鍵。

1農產品溯源現狀

關于農產品的溯源，世界上的每個國家都十分關注，也得到了相關學者的高度重視，并進行了深入研究和探索。我國作為農業大國，對農產品的溯源更加關注，2002年我國開始探索農產品溯源的相關技術，取得了豐碩的研究成果，并制定了相關的法規和政策。雖然很多學者已經提出了多種溯源的方法和技術，但仍存在一些缺點與不足:農事過程不可控，監管機制缺失;溯源信息中心化存儲，導致數據共享性差，并且沒有統一的標準;現有的農產品溯源系統提供的溯源信息過于簡單，溯源的可信性低，溯源的靈活性不足［3］。隨著區塊鏈技術的逐漸成熟，其應用領域已經從金融領域逐步擴展到諸多領域，其在農業領域的應用逐漸得到學者的關注。本文將區塊鏈技術引入的農產品溯源中，建立溯源體系架構，提高農產品溯源的可信性［4］。

2區塊鏈技術

區塊鏈技術作為比特幣的實現方式，自2008年，匿名學者“中本聰”發表的一篇論文，區塊鏈技術得到了極大關注，從本質上講，區塊鏈技術是一種技術的融合重新［5］。主要包括數據加密技術、共識機制、分布式存儲等。區塊鏈被認為“信任”機器，各個國家都在加快區塊鏈相關產業的布局和發展規劃。我國相繼出臺了有關的政策和文件，2019年，習近平總書記強調，把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。

2.1區塊鏈技術的特點

區塊鏈技術將數據進行分布式存儲，形成多個拷貝數據文件，實現了數據的共享，具有不可偽造的特點，其“時間戳”技術能夠實現全程留痕。構建了“信任”基礎，形成“可靠”機制，應用前景十分廣闊。區塊鏈的特點主要包括以下幾方面。2.1.1去中心化。區塊鏈利用分布式存儲方式記錄“全鏈”的所有交易信息。最終形成“公開賬本”。在區塊鏈中每個節點均具有記賬和存儲管理的功能，所有節點在“全鏈”中地位相同。改變了以往以“服務器”為中心的數據存儲和管理方式，實現了數據存儲和管理的真正“去中心化”。2.1.2公開透明、防篡改。區塊鏈中的數據由每個節點共同參與維護，鏈上的每個節點都能獲得一份完整數據庫的拷貝;鏈上的信息對所有節點都是公開透明的，并且每個區塊的數據都有“時間戳”。鏈上的信息雖然理論上可以被更改，但實際是不可能做到的。如果某個節點想更改信息，則需要整個區塊鏈50%以上的節點同時參與才可以完成。這就形成了區塊鏈數據內容的不可篡改性，保證了數據的真實性和完整性。

2.2區塊鏈技術的應用價值

區塊鏈技術的應用價值巨大，從技術角度，采用去中心化的分布式存儲，借助密碼學等技術，實現公開透明;從數據角度，基于共識機制可實現數據的完備性，數據高度保持一致，實現數據的不可篡改;從業務角度，通過智能合約，可有效助力模式創新和新業態的培養［6］。

3“區塊鏈+農產品”溯源

區塊鏈技術在眾多領域已經得到了良好的應用效果。如金融服務領域、智能制造領域、文化娛樂領域、教育領域等。其中，應用最多、應用效果最好的是經濟、金融領域。近些年，基于多領域的區塊鏈技術應用相關研究取得了很大進展，區塊鏈行業應用價值水平逐漸提升［7］。隨著研究的深入，作為農業大國，區塊鏈技術在農業領域的應用會得到越來越多的關注，并成為研究的熱點。農業領域，人們最為關注的是農產品的質量安全。將區塊鏈技術應用到農產品質量安全領域，構建科學合理的溯源體系，確保溯源結果的可信性，將有利于構建農產品質量安全的新生態，促進農業發展［8］。

3.1傳統溯源模型

目前，關于農產品溯源的相關研究已經取得了較多成果，并在一定程度上得到了消費者的信任。但是，傳統的溯源主要采用溯源數據集中存儲模式。在中心化的數據庫中包括農業生產的相關農資信息，農產品種植過程中的相關農事信息(種子、化肥、農藥)，農產品的采摘信息、倉儲、物流信息，經銷商、分銷商等信息。通過生成溯源碼的方式，消費者可以通過掃描二維碼來獲取農產品的相關信息，溯源結果具有一定的可信性［9］。但仍存在著一些問題，如溯源信息的可信程度偏低，由于溯源信息采用集中式存儲，某些企業為了自身利益存在修改數據的可能性，集中存儲的數據容易受到黑客的攻擊，導致溯源數據的安全性降低。同時，溯源系統在靈活程度上存在弊端，傳統溯源一般針對特定溯源信息進行設計，諸多事務處理流程是固化的，不能動態調整，導致溯源信息更新不及時［10］。

3.2構建基于區塊鏈的農產品溯源體系

目前，由于計算機的配置存在差異性，導致計算機的性能差別較大，如果將關于農產品各個環節(種植－倉儲－銷售)信息全部采用分布式存儲具有一定的局限性，不能保證溯源系統響應的及時性。通過分析，本研究將采用“主鏈+輔鏈”模式構建農產品溯源體系。其中，在主鏈中采用區塊鏈技術，將地塊、種子、化肥、農藥、采摘、監管等信息進行分布式存儲。在輔鏈中采用傳統的數據集中存儲模式，主要存儲農事信息、加工信息、物流信息、經銷商信息等。這樣的溯源體系模式可以在一定程度上提高溯源系統的效率，并可以保證重要溯源數據的真實和可信，溯源效果良好。

3.3溯源體系架構

基于“主鏈+輔鏈”模式的溯源模式，構建農產品溯源系統架構如圖1所示。3.3.1數據采集層。通過物聯網技術，利用RFID標簽、各種傳感器(溫度、濕度等)、掃描設備，全面采集農作物種植過程相關數據。利用傳統的運營系統收集生產資料、倉儲、物流、經銷商等數據信息。為農產品的溯源奠定數據基礎。3.3.2存儲層。基于區塊鏈技術的特點以及計算機處理能力，在存儲層采用2種模式進行。采用區塊分布存儲模式，基于智能合約，將溯源信息中重要的數據進行區塊、分布式賬本存儲;傳統的數據庫中心存儲模式，主要用于存儲其它與農產品供應鏈的相關數據。這種模式可以降低溯源系統的復雜性，提高農產品溯源效率。3.3.3應用層。在該層中，針對不同的用戶角色，設定不同的權限，其中系統管理員可以對區塊進行管理，從事農業生產的相關企業或個人提供溯源數據。為保障數據的真實性，需要相關監管部門的介入，對數據的可靠性進行監管。消費者作為整個產業鏈的最后一環，可以對相關農產品的信息進行溯源查詢。3.3.4交互層。交互層提供用戶與系統交互的接口，設計了3種不同的交互模式，用戶可以利用手機APP、Web以及溯源終端系統等對溯源系統進行操作。

4溯源模型的應用場景

基于構建的溯源體系架構，對農產品的實際溯源進行了結果驗證。

4.1溯源碼標識對象

在整個農產品的產業鏈中，由于其涉及的環節眾多，既有生產環節、農事作業環節，又包括加工、包裝、運輸、物流等眾多環節。這些環節通過溯源碼進行有效銜接，構成完整的溯源數據信息。本文基于構建的溯源體系架構，充分考慮“粒度”問題，從農產品(橘子)整個產業鏈中盡量剝離分析。最終選取輸出農產品(橘子)為溯源對象。

4.2超級賬本與數據的格式

本文的實際應用場景是以超級賬本方式存儲鍵值對數據，基于前面分析所確定的溯源碼標識對象。通過設定農產品(橘子)的批次信息為鍵，同時把生產地、物流運輸等過程信息作為值進行溯源。以json格式進行描述，具體描述形式如圖2所示。為了溯源操作方便，結果現實清晰，結合傳統的二維碼溯源模式，在系統中生成了溯源的二維碼，具體如圖3a所示。消費者可以通過掃描該溯源碼，獲得農產品(橘子)的溯源信息，具體溯源信息如圖3b所示。5總結農產品的質量安全已成為人們關注的熱點問題，關乎百姓的生活、人民的健康。可信的農產品溯源信息，可以讓消費者對農產品提高信任度，能夠做到吃得安心。傳統的溯源系統存在著諸多弊端［11］。本研究將區塊鏈技術應用到農產品溯源中，構建可行、可信的農產品溯源體系架構，同時在實際應用場景中進行了驗證，結果表明溯源信息真實、可信。高安全的農產品可以提升消費者信心，高可信的溯源信息可以提升農產品的市場競爭力。進而促進農業生態的構建，助力農業的供給側改革。

作者:艾洪福 單位:吉林農業大學信息技術學院