基于区块链的农产品供应链质量追溯机制研究

孙玉玲，蒋以浩，纪贤兵,,,

（南京工业大学 经济与管理学院，江苏南京，211816）

摘要：农产品质量安全问题是关系国家民生的社会热点问题。本文基于区块链视角研究农产品质量安全追溯问题。首先分析了当前的农产品质量安全追溯系统存在的问题，进而分析了区块链技术应用于农产品质量安全的可行性，最后提出了基于区块链的农产品供应链质量追溯体系。

关键词：农产品；质量追溯；区块链

Abstract：The issue of quality and safety of agricultural products is a social hot issue related to people's safety. This paper studies the quality traceability of agricultural product and safety based on the perspective of blockchain. Firstly, we analyze the problems of the current agricultural product quality and safety traceability system. Then we analyze the feasibility of using blockchain technology for agricultural product quality and safety. Finally, we propose the quality traceability system of agricultural product supply chain based on blockchain.

Keywords: agricultural products; quality traceability; blockchain.

1.引言

食品安全与人们的日常生活息息相关。一直以来，国家对食品安全问题高度关注。2015年修订的食品安全法进一步强调了解决食品安全问题的紧迫性。然而，食品安全事件仍时有发生，例如今年发生的“假农药”、“无证饲料”事件。这些农产品安全事件极大的影响了消费者的生命安全。目前，通过质量追溯平台对产品进行质量监督是农产品质量管理的主要管理手段。例如，我国知名的质量追溯平台有维信312产品追溯管理服务平台、物联网防伪与质量追溯平台等。但是，农产品质量安全追溯效果并不太理想。一方面，农产品质量追溯系统涉及的环节众多，各个环节之间的信息不互通、不透明，容易存在信息孤岛问题，造成了农产品质量难以追溯。目前大多数农产品安全追溯系统是由地方监管部门和核心企业主导建立，属于中心化信息管理系统。这种中心化信息系统一旦被被篡改或者被黑客入侵的风险，会导致信息的真实性和有效性无法保证，进而无法实现农产品质量的有效追溯^[1]。要实现食品安全的有效追溯，如何保证供应链各个环节信息的真实性和有效性，各个节点的工作透明化是一个迫切需要解决的问题。

区块链是一种基于分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，它具有去中心化、开放透明、共识机制的显著特点，恰好为解决当前农产品供应链中质量信息易于篡改，不公开透明等问题提供了可能。

目前，已经有一些企业开始利用区块链技术解决食品安全中的质量追溯问题。例如京东和阿里巴巴利用区块链技术，设计了QR码，给实物产品提供自己的电子护照，用以记录他们的移动情况，来源和目的地；截至2018年5月，京东已经有10多个品牌参与其区块链，包括酒类，食品，茶叶和制药行业的公司。蚂蚁金融更是称通过区块链，伪造的成本大大增加，伪造风险会变得非常高。目前，对于农产品质量追溯方面的研究较多。李慧良（2011）等^[2]重点对蔬果、禽畜及肉制品、水产品、乳制品等四类供应链安全可追溯的研究成果进行了较全面的回顾和评述, 并对比了我国与部分发达国家生鲜农产品供应链安全可追溯的应用状况。金剑（2011）等^[3]具体介绍了神经网络法在环境危害评估、生物化学危害评估、粮食安全风险评估, 以及微生物污染、食品添加剂、食品有毒有害物质、假冒伪劣产品信息源检测中的应用。陈文迪（2012）等^[4]运用 J2EE中的 Struts+Spring+ Hibernate 框架实现了农产品管理、二维码管理、企业管理、权限管理等模块。钟小军（2013）等^[5]运用演化加密算法对二维码进行安全控制以让消费者和监管部门获取产品信息。黄红星（2017）等^[6]以生猪和蔬菜为例，从政府管理角度提出要对追溯体系和市场机制进行完善。上述文献分别研究了如何运用不同方法对数据进行维护，但这些研究的前提假设均是考虑中心化管理系统下的数据加密，这种中心化管理系统无法从根本上解决核心企业篡改质量信息的问题。本文将从区块链的视角研究农产品质量追溯问题。

近年来,开始有部分学者研究了如何将区块链技术运用到质量追溯领域。吕芙蓉（2016）等^[7]具体阐述了区块链技术运用于农产品质量安全追溯体系的优势。于丽娜（2017）^[1]系统梳理了农产品供应链以及区域链技术的相关概念、现状和技术方法，并提出了基于区块链的农产品供应链金融服务逻辑架构。林延昌（2017）等^[8]研究了区块链在牛肉质量追溯中的应用，设计了基于区块链的追溯系统模型。Juan(2018) ^[9]等分析了企业在食品追溯中实施区块链应当遵循的一些规则。Fabian等（2018） ^[10]则通过实证研究证明：区块链技术的运用对消费者的购买决策具有显著影响。这些文献主要研究了区块链技术在食品安全方面的应用，但都没有具体说明区块链技术下供应链质量追溯的方案结构。本文将基于区块链视角，系统分析农产品质量管理的难点问题，以及区块链技术应用于农产品质量安全的可行性，最后构建基于区块链的农产品供应链质量追溯体系。

2 农产品质量追溯现状分析

农产品是人们生活饮食的必需品，它的栽种、培育、采摘和销售流程中有很多的中间环节。在传统的农产品供应链质量追溯系统中，按照农产品的种植培育销售顺序，它的流程大致可以分为5个环节，即采购环节、栽种环节、培育环节、运输环节和销售环节，每个环节中有着很多的参与者，他们负责该环节的具体操作并向物联网中录入信息，参与者录入的信息最终会形成一个农产品档案，该档案以及信息的管理权都隶属于某个核心企业，具体示意图如图1所示。

图1 传统农产品供应链质量追溯示意图

如图所示，在农产品流通的各个阶段中，供应链各个环节之间的业务相对独立，单个环节内部几乎都能实现信息的共享（如农产品从采购环节往栽种环节流通过程中，他们之间的信息就是互通的），他们通过物联网实现信息采集、传输、加工处理等业务，这就保证了各个单独环节中信息的公开透明。但是农产品流通全程共享难以实现，主要有以下三个方面的原因：

（1）追溯系统结构中心化。在各个环节中，信息虽然互相流通，但是信息的拥有和写入往往只掌握在少数核心企业手中，如在栽种阶段，信息往往掌握在制造商手中，他们拥有修改生产资料信息的能力，如果由于某些原因影响了生产资料的质量而他们又不希望损失成本，他们就可以通过修改生产资料的信息来维持流程的正常运行，这样一来，质量追溯的真实性就会大大降低。

（2）数据安全性难以保证。数据真实性低除了结构中心化的问题以外，还有一个重要原因就是数据缺乏相应的保护。如果写入的数据可以很轻易地被篡改，那么质量追溯的意义就会大大降低。

（3）监督机构监管难度大。在进行质量追溯时，由于全流程的信息流通做不到公开透明，监管部门很难准确有效地追溯到质量出现问题的环节，此外由于中心化的原因信息的真实性又无法保证，导致追溯后的反馈信息真实性又无法保证。

3.区块链的原理及应用于农产品供应链质量追溯的可行性

3.1 区块链的原理

区块链技术源于2008年比特币的技术应用。经过不断的发展演进，目前形成了由分布式总账（Distributed）、共识信任（Trustless）、非对称加密（Asymmetric Cryptography）、 智 能 合 约（Smart Contract）和时间戳（Time Stamp）为主要特征的应用技术范式^[11]。区块链的原理就是可以让人们在没有中央权威机构的情况下，对互相协作彼此建立起信心，是用数学方法解决信任问题的产物^[12]。区块链技术的主要特点，可以归纳为去中心化、共识信任、集体维护和可靠数据库四个方面^[13-14]。下图2为区块链的特征示意图。

图2 区块链特征示意图

3.2 区块链应用于农产品供应链质量追溯可行性分析

根据区块链的四大特性，分析分析了将其应用于农产品供应链质量追溯的可行性。

去中心化。区块链技术下的农产品质量追溯系统中，中心化程度高的核心企业将不再存在。区块链采用的是分布式账本，每个供应链成员都将会有一个共享账本，区块链将进行农产品的信息见证和存储，并以数字资产的方式登记，这样质量信息的容错力、抗攻击力、防勾结串通能力都显著增强。

共识信任。区块链下的供应链成员遵守共识机制，这样的共识包括算法公式、决策共识和市场共识，其中算法公式最为常见，工作量证明POW机制、权益证明POS机制、拜占庭协议等都是针对这类共识，它会确保供应链中各网络节点的备份文本一致；决策共识能够帮助供应链成员发展并同意一个对群体最有效的决策；市场共识则保证了供应链中的每一笔交易都要遵守市场机制。此外，区块链的分布式账本能够记录所有参与成员的交易信息，并向全部节点公开，这样成员之间的信任很容易就建立起来。

集体维护。区块链采用的是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，农产品供应链中的每个成员都享有录入数据和维护数据的权利和义务，供应链中的质量数据再也不会因为某个系统的崩溃而丢失，信息丢失、质量不可追的问题将不复存在。

可靠数据库。区块链是多种技术融合的结果，多种技术包括P2P网络、密码算法、数据库、一致性算法、分布式结构等。区块链技术源于比特币系统，目前比特币系统的总算力比全球前500的超级计算机的总算力还要高，要想侵入该系统，必须攻破系统中一半以上的节点，这显然是不切实际的，在如此强大的数据库维护下，农产品质量信息自然不可篡改。

根据上文相关分析可知，利用区块链去中心化、去信任的方式集体维护一个可靠的公开透明的分布式数据库，同时利用区块链自身的密码学算法将数据进行加密存储以保证信息安全，对于农产品供应链是一个切实可行的技术方案。

4.基于区块链的农产品质量追溯

基于上文中提到的当前农产品质量追溯系统中存在的追溯系统结构中心化、数据安全性难以保证、监管部门追溯难度大等问题，本文将基于区块链技术构建农产品质量追溯平台的逻辑架构和质量追溯方案。

（1）基于区块链的农产品质量追溯平台的逻辑架构主要包括逻辑层、数据层、网络层、应用层、展示层以及用户层，如表1所示。由下往上，设备层包括智能合约、食品安全生产规则、农产品安全运输规则，这些是与实际业务挂钩的运行规则；数据层包括数据区块、链式结构等等是系统正常运行的基础，数据被打包记入了区块，从而不可篡改；网络层包括POW、POS、验证机制等等，这些技术保证了共识机制下写入和生成数据；应用层包括智能合约、可编程金融等等，它具有实现数据写入、存储、生成编码以及全程追溯的强大特点；展示层即是官方构建的农产品质量安全追溯系统平台网站，通过类似二维码的方式让消费者和监管部门实现追溯；最后用户层即是对区块链系统有需求的供应链成员，包括消费者、监管部门等等。

表1 区块链技术组成结构

（2）数据实体设计

数据实体设计是软件系统中数据层和展示层实现的关键步骤，是面向对象程序开发的典型方式。下面对农产品供应链的运作流程所涉及的关键数据进行分析，并将其抽象为数据实体。

以蔬菜为例，农产品从选种种植到采摘售卖大致分为以下步骤：农户、生产合作社向制造商购买生产资料（即蔬菜的种子）、选择合适的土地和气候进行种植、播种种子、施肥浇水、定期除草和检查病虫害、待其成熟后收割、向市场上运送农产品、进行储存包装等售卖前的生产作业、到达消费者手中。为保证农产品质量的可追溯，在购买生产资料阶段就要对生产资料的信息进行记录（这其中包括生产资料的生产日期、原材料质量等），在以后的作业中，这一批生产资料的信息将是这批农产品的永久信息，待其销售至消费者手中这全部的过程中，消费者和质量监管部门都可以通过查阅它的生产资料的方式来获取它的成长信息。对其生产过程中的其他信息进行同样操作，就有了以下9个关键信息：

种子信息、土地环境信息、播种信息、养料信息、防害信息、收割信息、产品运输信息、储存包装信息、售出信息。

这些信息中都包含着进行这些操作的时间和操作人员，终端的顾客和监管部门可以通过二维码的方式获取他们手中产品的具体质量信息。每个阶段的信息都有着相应的操作实体，下面对各阶段的信息做详细的分析：

1. 采购阶段

此阶段包含原材料的信息（原材料的日期、生产厂家以及原材料的种类。）

2.栽种阶段

此阶段包含选择的生长环境的信息（土地湿度、空气质量、土地酸碱度、降雨量等），播种信息（播种人员、播种密度、播种日期等）。

3.培育阶段

此阶段包含养料的信息（肥料的使用量、水分的摄入量、施肥的时间频率、肥料的种类、施肥人员等），防害信息（农产品定期检测的参数、害虫情况、除草人员、喷药人员信息等），收割信息（收割时间，收割时产品的成熟度、收割人员信息等）。

4.运输阶段

此阶段包含产品的运输信息（运输时间、运输地点、运输的人员交通工具等）。

5.销售阶段

此阶段包含产品的包装储存信息（储存的时间，储存的环境，储存人员、包装时是否有破损、包装人员和包装日期等）和售出信息（售出的时间和售出的单位等）。

整个系统的业务流程和数据实体如表2所示：

表2 系统业务流程与数据实体

4.3 追溯方案设计

图3 追溯流程方案

如图3为区块链下的追溯方案结构，此结构具有以下特点：

1.区块链由采购节点、栽种节点、培育节点、运输节点、销售节点、消费者权益保护局、食品药品监督局共同维护，区块链中的数据库由食品药品监督局维护；

2.每个节点在向区块链系统录入数据时都会得到一个返回值，即区块链中一条交易的哈希值，并将此返回值记入数据库。在录入的过程中，食品药品监督局会对他们进行监督，必须达到与其他节点的公识才能最终录入成功，其他节点也会自动同步该节点输入的数据，这样一来，单方节点也就无法对数据进行修改；

3.对于消费者而言，他们可以通过手中农产品的二维码自行简易地对产品的信息进行追溯，一旦存在质量问题，便可通过网络反馈的方式进行举报和反馈，反馈的信息将会被提取录入数据库，并等待食品药品监督局检查和进行追溯；

4.此外，信息录入难免存在着误差，如多单方节点想要修改自己不小心录入的错误数据，可向食品药品监督局提交修改申请，食品药品监督局审核通过后准予修改，全过程对链条中其他节点透明。

5.结论

本文讨论了利用区块链技术解决当前农产品质量追溯问题的必要性和可行性，并提出了具体的实施架构和实行措施。在我们的方案中，消费者无需拥有账号，他们只需要扫描其购买产品的二维码即可进行产品信息的查询，并可在该平台上进行合理的反馈，这就大大提升了消费者的便利性；监管部门会对加入区块链的成员进行实地考察并决定他们是否具有进入该系统的资格，这就很大程度上保证了区块链成员的合作效率；对于农产品供应链上的采购一直到销售的全部节点，我们实现了全流程的信息共享和维护，各节点之间的信任得以建立。我们利用区块链的信息不可篡改、去中心化和共识机制的特点让农产品供应链中的信息公开透明，让消费者可以参与该系统中实行监督，大大提升了农产品的安全性。

参考文献：

[1] 于丽娜.基于区块链技术的现代农产品供应链[J].农业机械学报，2017，48（12）：387-392.

[2] 李慧良.生鲜农产品供应链安全可追溯的研究与应用[J].科技管理研究2011,01（01）：209-212，36（11）：306-309.

[3] 金剑.神经网络法在食品安全预警中的应用[J].食品科技，2011，36（11）：306-309.

[4] 陈文迪.面向质量溯源的农产品管理系统设计与实现[D].广州市：中山大学,2012.

[5] 钟小军.基于演化加密的二维码生成技术及在农产品质量安全溯源系统中的应用[J].广东农业科学，2013，24（12）：153-157.

[6] 黄红星.农产品质量安全追溯应用展望与对策[J].科技管理研究2017,01（01）：215-220.

[7] 吕芙蓉.基于区块链技术构建我国农产品质量安全追溯体系的研究[J].农村金融研究，2016,12（5）：22-26.

[8] 林延昌.基于区块链的食品安全追溯技术研究与实现——以牛肉追溯为例[D].广西：广西大学，2017.

[9] Juan F.Galvez.Future challenges on the use of blockchain for food traceability analysis [J].Trends in Analytical Chemistry，2018，107（10），222-232.

[10] Fabian fagerholm. Designing and implementing an environment for software start-up education: Patterns and anti-patterns [J].The Journal of Systems & Software，2018,146（11）,1-13.

[11] 曹畅.区块链在信息经济领域应用前景分析[J].现代管理科学，2018，11（08），75-77.

[12] 陈伟利.区块链数据分析：现状、趋势与挑战[J].计算机研究与发展，2018，55（9），1853-1870.

[13] 董玉德.基于农产品供应链的质量安全可追溯系统[J].农业工程学报，2016,32（1），280-285.

[14] Larios H.G.Blockchain entreneueurship opportunity in the practices of the unbanked [J].Business Horizons，2017,60（07），865-874.