区块链构建农产品供应链信任：现状、问题与发展*

胡森森，黄 珊

(1.重庆工商大学 管理科学与工程学院，重庆 400067；2.电子科技大学 经济与管理学院，四川 成都 611731)

一、引言

众所周知，信任对供应链而言至关重要。良好的信任关系不仅有助于抑制机会主义，降低供应链企业的经营风险，还有助于增强供应链的灵活性，提升供应链的竞争力[1]，是供应链联盟进行内部资源整合的基础[2]。在农产品供应链中(以下简称供应链)，信任关系也发挥着重要的作用[3]，它一方面促进消费者的购买意愿，另一方面紧密供应链内部的协作。

然而，诸如三聚氰胺奶粉、含铬大米、含毒农药的豇豆等农产品造假行为时有发生[4]，已经严重地损害了消费者的信任[5]。由于各成员之间缺乏利益结盟机制[6][7]，供应链内部违约现象也屡见不鲜。鉴于农产品的信任品特性，迫切需要在供应链内外构建起信任，破解信息不对称的困境。

区块链是按时间顺序排列的分布式账本。[8]区块链的去中心化、集体维护、安全稳定、不可篡改的特性为解决供应链的信任问题提供了契机。[9-12]因此，本文深入分析了供应链信任问题，旨在提供一种从区块链技术角度解决传统信任问题的思考，综述了近三年文献的研究脉络，并探讨了未来研究的趋势。

二、农产品供应链信任问题

由于农产品易腐烂、易变质、运输储存要求高[13]，使农产品在从产地到消费终端的各个环节都容易出现问题，从而打击消费者对农产品的信心。在农产品供应链中，各环节参与者之间的合作行为主要是在彼此信任的基础上，通过契约或合同的形式固定下来的，参与者之间的关系本质上是一种信任关系，但由于资产专用性、交易双方的信息不对称、机会主义等因素，供应链中部分成员的利益难以得到有效保障，时常出现农户违约，导致利益受损甚至演变成信任危机。[14][15]

增强信任是实现农产品供应链可持续发展的关键点之一。[16]信任可以驱动生产者与消费者之间建立牢固关系，并克服消费者的困惑，建立新的忠诚度。[17]同时，信任是供应链各方合作的基础，有助于实现信息的共享，减少机会主义行为，提升合作绩效。[18][19]

(一)农产品供应链外部信任问题

供应链的外部信任主要是终端消费者对农产品的信任，这种信任最终转化为对农产品的信心。供应链上的可追溯性系统是消费者信心的重要来源。Pappa等[20]认为基于电子的可追溯系统是加强信任的工具，可确保农产品的安全和质量，保证产品增值，并最终为农产品供应链的透明性和可持续性提供价值。Alfian等[21]提出了一种利用RFID和物联网传感器的可追溯性系统，使易腐食品的位置历史、温度和湿度等产品细节在整个供应链中都得到了精确的监控，并在可追溯系统的网站中显示，以保持客户的信任和信心。此外，Naik等[13]提到品牌化可以带来很高的客户满意度，提高客户对农产品的购买信心。Yu[22]认为在农产品供应链的运营流程中使用冷链物流服务，并构建与运输、贸易、存储、包装等相关的标准化冷链物流系统，有助于提高农产品的新鲜度，以增强消费者对农产品质量安全的信任。

(二)农产品供应链内部信任问题

除了传统的契约手段，许多学者认为供应链的内部信任应建立管理信息系统或平台，加强供应链内部成员的信息流通。鄢章华等[1]认为不仅供应链成员企业要努力增强自身的综合实力，提高可信度，政府相关部门还应为供应链企业营造良好的信任氛围，建立信任，提供基础平台，防止信任关系的恶化；雷星晖等[23]提出供应链系统信任管理的概念，构建了基于组织间信任和信任文化形成等机制的供应链全面信任管理体系。此外，陈冬冬[14]基于进化博弈理论，研究农户和合作企业之间信任关系的演化，认为提高长期合作的期望，减少短期行为，可以增加农户和合作企业间的了解，提升双方合作的默契程度，减少供应链联盟内部的信息不对称性，有效提升农户和合作企业间的信任度。

虽然上述文献对供应链的信任问题进行了深入研究，但目前仍有一些关键问题亟待解决：

1.供应链的可追溯性系统不够完善，记录的信息粒度较粗。

2.中心化的农产品供应链管理系统容易导致信息不对称、不透明，存在信任问题，且中心化系统的监管成本较高。

3.供应链内部既要保证交易信息的安全性和隐私性，又要保证信息的共享和开放。

三、区块链技术融合农产品供应链的现状

区块链是一种分布式数据库，由互不信任的多方参与者共同维护[24-26]，实现了可信的多方数据共享和去中心化。区块链技术因其巨大潜力[27-34]，为当前存在的问题提供了新的解决办法。区块链技术通过加密算法、时间戳、共识机制等复杂数学算法实现公开透明的信息传播、信息可追溯和不可篡改等特性，能够为各主体带来有利的内部因素和外部环境，激发信任的产生。[26]供应链内部因素和外部环境共同影响各个主体的信任决策，并能进一步塑造社会信任模式。[35]在农产品供应链中，区块链技术可以在生产、加工、存储、运输、零售等各个环节发挥作用。

1.生产阶段：区块链技术与物联网技术相结合，传感器自动记录农产品的关键信息，并记录在区块链中。这些关键信息包括：背景环境，例如土壤、水、空气、阳光；植物的生长过程，包括种子的质量、品种、产地、生长条件、播种时间、采摘时间、工作方式，负相关责任的企业甚至员工等；肥料和农药的信息记录和使用情况；仓库的相关情况。异常情况发生时会自动触发智能合约。

2.加工阶段：生产者直接通过区块链将产品所有权转让给加工商。加工商将新数据记录到区块链中，这些数据包括：处理环境，例如温度控制、消毒和处理设备；使用添加剂的情况；仓库的相关情况；加工商及有关人员的基本情况；生产企业和与加工企业之间的财务交易。

3.运输阶段：在配送过程中，3T原则(时间、温度和耐藏性)是确保食品安全性和质量的关键因素。因此，通过传感器将实时环境数据(例如温度、湿度)记录到区块链中，当数据超过安全标准时，将立即发出警报。通过使用GPS，配送中心可以对每辆运输卡车进行车辆定位，并制订最佳的配送路线以缩短配送时间。还要记录运输路线、运输方式和运输时间等。

4.零售阶段：零售商在区块链中存储收到的产品数量和质量的详细信息，传感器定期将有关零售环境状态的信息自动存储在区块链中。由于农产品寿命短，零售商可以使用可追溯系统监视产品的新鲜寿命，更换接近保质期的产品。

5.消费阶段：零售商在区块链中存储有关已售产品的详细信息，而消费者能够在购买产品之前透明地验证产品的整个历史。若发生食品质量安全事故，可以立即找到有缺陷的产品。消费者可以使用手机连接到Internet/Web或网络应用程序扫描与食品相关的QR码，查看与产品相关的所有信息。

目前，已有许多公司致力于区块链技术在供应链方面的应用，打造具有高度竞争力的供应链。[36][37]在农业食品领域，为了增强整个供应链的信任和可靠性，存储记录的防篡改至关重要。阿里巴巴和京东等多家巨头企业都在积极落实区块链食品溯源项目，利用区块链技术追踪食品生产、加工、销售等全流程[7]。IBM和沃尔玛在中国猪肉和美国芒果的食品供应链项目中都使用了区块链技术。

四、区块链技术构建供应链信任的研究进展

供应链的产品和信息流从上游企业流向消费者的方向称为供应链跟踪系统，从消费者流向上游企业的方向称为可追溯性系统。在农产品供应链上，区块链技术在供应链跟踪系统和可追溯性系统中发挥作用，前者可提高供应链成员之间交易的信任度，后者便于消费者追溯产品来源以增加信心。

(一)面向可追溯的供应链系统

产品信息的透明度可以显著提高消费者对产品的信任度，增强消费者对农产品市场的信心。因此，农产品的可追溯性是形成良好品牌形象和信任的保证。区块链技术能够在农产品供应链系统的各个环节构建起信任关系[34][38-40]，它通过农产品数字化实现跨多个实体的跟踪，从而克服数据存储隔离和主体间信任缺失的问题[41][42]。

新兴的区块链技术、边缘计算架构与传统的传感器网络不断融合发展，构建起当前可追溯系统的技术支柱，如表1所示。Baralla[43]认为可以通过促进供应链中企业之间的信任度来消除中心化，消费者通过简单的QR码扫描来验证产品的质量，从而实现农产品信息的溯源。Caro等[34]提出了一种可追溯方案AgriBlockIoT，它采用以太坊和Hyperledger Sawtooth，并且无缝集成供应链上生产和消费数据的物联网设备，用于农产品供应链管理。为了确保从农场到餐桌的食品安全，Ricardo[44]和Daniel[45]等人分别采用区块链系统实现了对牛奶和鸡蛋生产的全程可追溯，Ricardo的方案还融合了边缘计算的架构。Tian[46]和Mondal等[47]构建的可追溯系统主要依靠RFID技术实现农产品供应链生产、加工、贮藏、配送和销售环节的数据采集、流通和共享，使用区块链技术来保证在这个可追溯系统中共享和发布的信息是可靠和真实的。他们的追溯系统不仅覆盖了农产品供应链上的每个企业，还包括一些强力部门，如政府部门和第三方监管机构。Casino[48]和Salah[49]将智能合约应用到可追溯系统中，进一步整合了供应链各个环节直接的信任关系。Casino的区块链和智能合约的可追溯性模型，把供应链的主体分为两部分：上游成员(如农民、食品生产商、制造商)的数据存储在中央服务器或星际文件系统(IPFS)中；下游成员(批发商、分销商、零售商)使用智能合约，以提供更好的消费服务和质量保证。

表1 文献所采用的新兴技术

在实践方面，中兴云链在2017年开发出国内首个基于区块链技术的有机食品溯源和防伪系统，并运用该技术追溯黑龙江有机大米、内蒙古红酒等农产品，以确保其质量安全。[50]众安科技开发的“步步鸡”区块链项目，消费者扫码进行防伪验证，也增强了消费者信心。AgriDigital平台是一个基于云的应用区块链技术的全球农业供应链，在食品可追溯、实时支付、数字托管和供应链金融等方面已经进行了全球领先的试点。

综上所述，大部分农产品可追溯模型都将区块链技术与物联网技术相结合，物联网设备用于收集供应链中生产和交易的相关数据；边缘计算技术用于就地处理和分析相关数据，降低区块链上数据的储存成本；IPFS解决数据存储问题，便于查询特定交易；智能合约用于自动执行相关预定操作。

(二)面向跟踪的供应链系统

信息经济学认为事前的信息不对称会造成“柠檬市场”，事后的信息不对称容易引发道德风险。[51]区块链技术可以建立企业信息交流的渠道，确保合作企业的相关信息真实可靠，以促进供应链中各种交易的顺利开展。值得注意的是，在促进供应链企业信息可信共享的同时，也要有相关措施确保企业机密信息的隐私性。

在非洲，Kamilaris等[40]使用智能合约来管理当地的小规模合作社，促进其谷物产品的销售。首先，该合作社通过智能合约制定销售条款，买家签署合约支付代币后，该智能合约由区块链网络的每个节点进行验证。如果通过验证，买家会自动接收到谷物仓库智能锁的访问码获取谷物。买卖双方通过智能合约建立信任，交易过程变得更透明、更公正。Leng[52]提出“用户信息链”和“事务链”双链结构的农业供应链，大大提高了公共服务平台的可信性和系统的整体效率。该架构可实现交易信息的开放性、安全性，并兼顾企业信息的隐私性，能够自适应地完成资源的寻租和匹配，使供应链合作企业之间相互信任。Longo[8]设计了一种软件连接器，将以太坊区块链与企业信息系统连接起来，使公司可以与具有不同可见性级别的合作伙伴共享信息，并通过区块链检查数据的真实性、完整性和不变性，从而建立信任。

(三)农产品供应链的共识机制

共识机制在维护区块链中记录内容的安全性和合法性方面起着关键作用。农产品供应链中，传感器实时产生数据，交易量较大，对区块链的各种性能要求较高。Azzi等[38]认为在供应链中部署区块链应用，应充分考虑以下需求来保证共识：第一，区块链的技术标准，如吞吐量、延迟、容量和可伸缩性等；第二，存储架构。Azzi采用了双存储架构来处理大量数据，并且引入私有区块链；第三，统一的接入设备接口标准，如速度、数据速率、通信范围、功耗、成本或通信协议；第四，数据安全。通过对系统跟踪设备进行身份验证、传输或收集的数据进行加密和签名，以提供一个安全和可靠的可追溯系统。

区块链有三种主流共识机制，即工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)和有向无环图(DAG)。[53][54]采用工作量证明(PoW)的系统中，参与者利用算力来竞争记账权，会造成大量的能源消耗[55]、高延迟、低事务处理率。[45][56]因此，PoW使农产品供应链中的企业造成资源浪费，并且提高企业运营的成本，鲜有农产品供应链采用。

在PoS中，记账权取决于节点拥有的权益轻重。PoS是一种节能的共识协议，它是利用内部代币激励的方式，而不是消耗大量计算能力来达成共识。[57]黄建华[53]和Bugday[58]等赋予节点相应的信任度、声誉值，来构建以信任为基础的共识机制。相比传统PoS共识机制，以上两种基于信任的共识机制更容易识别出恶意节点，提高了区块链系统的安全性和可靠性，并提高农产品供应链中数据的可信度。

黄建华[53]构建了基于动态授权的信任证明机制(proof of trust，简称 PoT)，并且在该机制的基础上修正了诸如权益粉碎攻击和贿赂攻击等现有区块生成办法中存在的问题。PoT将区块链网络中的节点分为矿工节点和基本权益代表节点，并根据节点参与创建区块的行为赋予其相应的信任度，基本权益代表节点对区块进行签名操作且赋予其信任度，再根据区块的信任度权重竞争上链。Bugday[58]提出了基于声誉的模型，响应时间、响应类型和系统中的金额这些特征值被用于计算声誉。在系统建立之初，预定节点组成可信的节点。这些可信节点将计算其他节点的声誉值，并选择声誉值更高的节点，重新构建新的可信节点。

DAG共识机制通过有向无环图使用多个并行链，提高了事务处理速度，也日益受到学者们的关注。当前使用有向无环图的区块链网络每秒能处理多达10 000个事务，并且显著降低了供应链成本。[55]DAG共识机制适用于物联网生态系统，而农产品供应链上有许多生成大量数据的物联网设备，因此DAG共识机制适用于农产品供应链的情况。Tangle是一种典型的把DAG共识机制用于储存交易的区块链系统。Tangle允许不同的分支最终合并到链中，当新的事务到达速度很快时，确认率和每秒事务数(TPS)比PoW和PoS高得多。[54]

五、障碍和挑战

从深层次来看，在农产品供应链中建立消费者信心，帮助消费者更有效、更清晰地识别优质、安全的农产品，还存在如下的障碍和挑战。

第一，区块链技术常与云计算、边缘计算、物联网等新兴的信息技术相结合，不仅要实现这些技术的集成，还要实现它们的互操作性。目前标准化接口还不统一，共享数据的安全性还有待进一步完善，数据的全部潜力还有待开发。

第二，区块链技术无法阻止人为作假信息的录入，因此应用区块链技术的前提取决于企业有控制农产品质量安全的意愿，并且能够将实际情况记录下来。农产品供应链企业应加强管理，完善监督体系，确保数据的自动化录入。

第三，对农户和中小企业而言，应用区块链技术存储大量数据的成本仍然较高，系统的可扩展性也是亟待解决的突出问题。

第四，区块链技术如何在确保信息共享的前提下保证信息的隐私性？比特币、以太坊的每个节点全量存储着全部交易数据，每个用户可见证任何用户的交易历史。在农产品供应链中，区块链隐私保护的难点在于既要隐藏交易细节，又要验证交易的有效性，这种共同见证虽保证了数据的可靠性，却牺牲了数据隐私。

六、未来的发展方向

信任对农产品供应链而言具有重要作用，建立信任是企业发展的重点之一。新技术对降低不确定性有很大作用，因为它们允许实时获取精确数据，而实时信息工具为企业提供了新的机会，使企业能够对供应条件的变化做出更快的反应。[11]因此，应用区块链技术是农产品供应链中企业发展的新趋势，从目前的应用实践看来，未来的研究可能集中在以下几个方面。

第一，未来可以在区块链共识机制方面进行创新，提出适用于农产品供应链实际情况的共识机制，目的是攻克区块链技术吞吐量、延迟、容量和可扩展性等技术难关，建立消费者信任和合作企业之间的信任，促进供应链中合作的展开。一方面，DAG共识机制无须交易费用，对计算能力要求低，在上链成本、交易确认速度和可扩展性方面均优于传统区块链，未来可对DAG进行进一步研究；另一方面可将多种共识机制进行混合与优化，扬长避短。

第二，提高区块链数据隐私保护能力。应从技术和管理方面对链上信息进行有效的管控和监督，确保隐私数据进行可靠加密。一是研究环签名、零知识证明、同态加密等方案的混合应用，实现节点的身份验证；二是对智能合约进行创新，将敏感数据记录在可信任的智能合约中，研究基于智能合约的访问控制机制；三是对异常节点的检测机制进行深入研究，以防止恶意节点盗取隐私。

第三，在农产品供应链中应用联盟链，将在隐私保护、安全可信等方面具有优势。研究联盟区块链的关键是发展高性能、高可用性和高可扩展性的技术。其中，高可扩展性技术的研究重点在于支持跨链。众多异构的区块链平台需要有效的跨链技术实现互联，但目前跨链存在的安全性问题亟待解决，如竞争条件攻击、日蚀攻击和跨链重放攻击等。因此，发展区块链跨链协作技术，实现向外扩展、互联互通，解决跨链通信，保证数据能在链间流通是未来研究的重点之一。

第四，基于多链设计方案构造农产品供应链平台，将交易信息与敏感数据分别储存至不同的链上，实现分片存储和并发执行。交易信息链记录农产品供应链中所有交易的细节，并保证数据完整性和可追溯性。敏感数据链可引入节点准入机制，储存并管理实名的用户信息，既能实现区块链的可扩展性，又起到了隐私保护的作用。

第五，将交易数据储存在链下系统中，做到链下储存、链上验证，可提高区块链系统的可扩展性。一方面，未来应对链下功能进行深入研究，如数据调用、复杂查询、数据分析和异常处理；另一方面，链上链下数据协同与融合方面的技术仍有待发展和突破。