基于区块链的藜麦溯源系统应用研究

2021-04-13韩珍珍杨文焕

河北省科学院学报 2021年1期

韩珍珍，王程，杨文焕，成彬

(1.河北省科学院应用数学研究所，河北石家庄 050081；2.河北省信息安全认证工程技术研究中心，河北石家庄 050081)

我国的农产品质量安全追溯体系起步较晚，虽然近些年来，随着我国各方参与者的重视程度逐步提高，农产品质量安全检测体系得到了快速发展，但与欧美等发达国家相比仍存在较大差距。随着近年来国内对食品安全问题的越来越重视，国内外的学者对溯源系统做了大量的研究，使得溯源系统的应用研究有了很大的进步。最初，产品的种植信息存储在服务器端，通过扫描条形码的方式获取农产品的信息[1]。为提高棉种追溯系统的真实性，黄成伟在RFID和EPC的基础上提出了棉种供应链系统[2]。于合龙等人基于物联网技术，采用petri网模型搭建了B/S模式的水稻质量安全可追溯系统，消费者可通过扫描二维码查询到大米的信息[3]。学者们对溯源系统的研究提高了存储效率和查询速度，但是也存在一些问题。一方面，由于数据存储在中心数据库，所以存在中心化的问题，数据存在在记录过程中被篡改的可能，不能有效的保证数据的可信度。另一方面，由于农产品从种植到销售到消费者要经过很多环节，参与主体之间数据并不公开透明。

传统农产品溯源数据信息收集覆盖产业链较短，一般只包含产品产地，种植等部分数据，追溯系统获取信息的能力不足。藜麦含有丰富的优质蛋白，其中有人体必需的9种氨基酸，是一种非常适合人类食用的健康食品。越来越多的消费者被其丰富的营养价值所吸引[4]。藜麦由于营养全面并且国内只有个别省市种植，所以销售价格较高。但是面对高消费，消费着对其购买的商品从种植、加工、仓储、运输、分销等环节的各项数据信息都一无所知。藜麦相关数据缺失时，一旦出现农产品质量安全问题，容易导致难以确认责任主体问题，不能明确是生产环节还是加工运输等环节出的问题。

1 基于区块链技术溯源的优势

区块链是利用密码学、共识机制、智能合约等技术共同实现的分布式电子账本，具有多方可信、不可篡改、可追溯的特点，其可以帮助缺乏信任的双方完成交易。区块链技术通过去中心化，为数据可靠性提供了保障。通过哈希加密算法保证安全性。通过智能合约，建立了透明，安全的机制[5]。区块链的可追溯性、公开透明、真实性且不可篡改的特点与农产品溯源需求存在很多耦合。将区块链技术应用到农产品溯源领域中，应用区块链技术解决农产品从生产到销售全流程中存在的问题得到越来越多的关注。

本文设计了基于区块链的全产业链的溯源系统。通过搭建追溯平台，能够更安全，可跟踪，透明的追踪藜麦从生产—销售—消费者这一过程中每个环节的信息。获取藜麦种植、管理、加工等方面的追溯信息，实现农产品各流程、各交易的实时查询、整合及管理，大幅提升溯源效率。增加用户信任度、提升品牌形象、扩大产品的认知度。

2 区块链的形式和特点

根据不同的应用场景和实现功能，区块链主要分为公有链、联盟链、私有链这三种形式。其特点如表1所示。私有链对单独的机构进行开放，更有隐私性。而读取权限可根据需求有选择地对外开放，适用于公司内部数据管理与审计。公有链中所有节点对等，读写权限对所有人开放，任何人都可以随意加入，既可以进行交易也可以读取信息，并且数据是公开透明的，例如比特币。联盟链读写权限只对联盟节点开放，由多个机构作为节点记账人，每个根据共识机制协调工作，其他接入节点需要申请许可才可以进入联盟链参与交易。

表1 区不同形式的块链特点对比

藜麦质量溯源系统需要多方组织参与，根据溯源机制的组织形式，该系统采用Fisco Bcos平台架设联盟链作为系统构建基础。联盟链由若干节点共同管理，均可进行记账，去中心化程度适中，不同组织间的可以互相信任交流，沟通效率较高且能耗较少。采用联盟链的形式进行藜麦质量溯源可以能够保证质量溯源的可靠性，能够容纳更多的流通环节的参与者上链，实现从藜麦种植、生产加工到销售整个环节的全产业链的追溯。

3 基于区块链的藜麦溯源系统

传统溯源体系面临很多困境，如管理体系不统一，企业之间存在交流障碍。采用区块链技术去中心化特点，可以避免传统的中心化数据存储的缺点，利用分布式存储和加密技术能够保证藜麦数据信息安全和可靠性。能够有效的改善以往藜麦溯源体系中信息完整性、真实性难以保证的情况。并且在藜麦种植时就能初始地保证藜麦的安全生产和信息的透明化，这对于对藜麦溯源体系的建设与发展有重要的积极作用。

3.1 基于区块链的藜麦溯源系统方案设计

该系统以区块链为载体，构建以生产商，加工商，物流和分销商为核心的藜麦溯源系统。

3.1.1 信息管理主体

农场用户、工厂用户、物流用户和销售用户及其他节点。他们分别采集不同的信息上链。消费者、监管用户可以查看各节点业务信息。

3.1.2 各主体定位

农产用户负责收集和整理地块信息，播种信息、收获信息等。例如藜麦种植以及生长过程当中的空气温度、空气湿度、土壤温度、土壤湿度以及光照数据。

加工用户将加工过程的基本信息、原粮收购、加工情况、质检情况、认证情况等参数采集，如加工厂名称，负责人，藜麦入库批次，加工批次、抽检批次、认证证书等。

物流用户采集藜麦运输过程中物流公司名称，收货日期，批发包装ID等。销售公司采集藜麦销售过程的企业基本信息、进货信息、销售信息。如零售商名称、营业执照、到货日期等。

3.1.3 主体流程

系统执行者分4个角色。种植农场为溯源链的起始角色，产出为农产品原料，流向加工商；加工商在农产品原料交易中为接收方，产出为食品商品，在食品商品的流转中为起始角色，流向经销商或零售商；经销商的商品来源为加工商或其他经销商，流向为其他经销商或零售商；零售商为溯源链的终止角色，商品来源为加工商或经销商。

3.2 基于区块链的藜麦溯源系统体系架构

根据区块链基本架构和藜麦溯源系统的基本需求，设计了基于区块链的藜麦溯源系统体系架构，基于区块链的藜麦溯源系统业务流程如图1所示。

图1 基于区块链的藜麦溯源系统业务流程

首先，将藜麦的每一个流通环节设置为一个区块，每一个区块加盖时间戳，这样能保证数据的完整性。然后将数据通过哈希函数计算得到哈希值。哈希函数具有不可逆的特点，因此可以保证溯源机制数据不可篡改的特性。然后区块按照时间顺序连接成区块链。最后，在信息传输的过程使用数字签名和密钥能够保证数据的不可否认性。系统通过采集种植、生产、仓储、销售各环节数据，为藜麦产品赋予唯一、可追溯的数字身份码，完成藜麦种植、加工、销售全链条的追溯。

基于区块链的藜麦溯源系统体系架构如图2所示。系统应用层为管理平台，通过HTTP+JSON方式与数据平台的应用接口API进行通信。数据平台包括种植子系统、加工子系统、物流子系统、销售子系统4个子系统，各子系统独立部署。区块链网络使用藜麦链主网，子系统间通过藜麦链主网进行通信。网关服务相当于增加了一层上链前的处理，可以支持安全隐私、私钥托管、鉴权认证、协议转换等功能。区块链浏览器可以查询存证上链信息以及显示区块链运行的各种指标数据。