基于区块链技术的种子溯源体系研究＊

■ 马生璞 刘强 高思亮

甘肃农业大学信息科学技术学院 兰州 730000

0 引言

中国是粮食生产大国，也是种子需求大国，农作物种子质量是农业增产、农民增收、农业繁荣的重量保障。随着我国农业新形势和市场经济发展的不断变化，保障种质安全对提高我国种业核心竞争力，推动我国由种业大国向种业强国转变提出了迫切需求。我们面对的问题是，我国种业的整体竞争力却不强。我国种业起步晚，发展时间短，直到上个世纪90年代后期，才进行了实质性的商业化、市场化改革。与孟山都、先锋等跨国种业巨头相比，我国的种子企业几乎没有竞争优势。目前，世界绝大多数种子供应已被美、法、德等西方国家种业公司垄断，国际种业对中国市场的控制力也在逐渐增加。

作为农业“芯片”，种业的发展水平直接关乎着我国粮食安全的命脉。

近年来，尽管我国种业发展有了长足进步，但受种业入门门槛较低、科研与市场脱节、管理制度落后等影响，目前仍面临模仿抄袭成风、种子企业小而多小而散、“洋种子”威胁加剧等困境，卡脖子隐忧渐渐凸显，为我国种子安全敲响警钟。从产业链的角度来说种子行业包括种子品质创新、品种繁育、生产加工、销售等环节，截止2019年我国种子产业发展的优势资源主要集中在品种培育部分，后期的加工、销售等方面还存在一些问题，在育种、销售过程中由于信息沟通错位、种子售卖渠道很难追溯，因此，创新种子质量监管手段，促进区块链技术与产业结合，建立从种子培育、繁殖、运输、销售的信息可追溯系统，从源头上确保种子安全生产，具有十分重要的意义[1]。

目前对于种子质量安全溯源有一些学者做了相关研究。李慧玲介绍了种子身份证概念、作用以及应用，介绍了溯源技术的实现方式、作用以及应用[2]。方钰，朱静波，许学等利用种子电子代码，通过分开录入售前阶段各级分销信息，分层写入地理代码集合，在用户验证最小包装单元时动态解析用户位置信息，逐层匹配地理代码集合，构建了种子溯源双向动态交互模型[3]。黄庆林，张立新，焦玉聪等采用Visual Studio 2012 作为开发平台，以C#为开发语言，以SQL Server 2008 为数据库，以射频识别(radio frequency identification，RFID)为数据传输技术，开发了基于RFID 技术的棉种质量安全溯源系统[4]。陈琴刚，李锋霞，马本学等通过基于RFID 技术的棉种溯源系统对棉种生产的全过程进行监控，安全控制体系的建立，可以对棉种质量安全信息进行快速追溯，对棉种质量安全隐患进行预警[5]。陈莹，张友华，郭书普等现有溯源、智慧包装等技术的基础上，提出了一种结合小麦种子身份证的防伪溯源码编码方案。消费者通过扫码追溯并依据追溯防伪验证模型进行验证，实现小麦种子真伪的判定；同时设计了一种根据溯源验证记录分析的防伪预警模型，智能化展示问题小麦种子的地点分布和影响程度[6]。对于利用区块链技术在种子领域开展质量安全溯源的研究比较少，本文拟从区块链技术去中心化、防数据篡改的角度对种子溯源体系做一研究。

本文针对目前种子溯源领域出现的一些问题，从区块链技术的原理出发，通过对传统溯源系统相关技术特性进行比较，借助区块链技术的去中心化、防篡改、信息安全等特点，提出一种基于区块链技术在种子溯源领域的应用设计，并从物理层、数据库层、网络层、应用层对区块链技术在种子溯源领域的应用方式进行分析，旨在解决种子溯源在数据溯源、运输销售等环节存在的问题。最后，基于区块链技术及种子溯源领域的发展现状，分析了区块链技术应用的局限性[7]。

1 溯源系统相关技术

1.1 条形码

条形码是由一组规则排列的条、空和字符组成，用以表达一定信息的图形符号，整个过程由计算机执行。目前，条形码生活和工作中已经广泛应用，其中条形码的数据采集量大、识别率高、操作难度低、唯一识别性等特点为其应用奠定了基础[8]。

1.2 二维码

二维码实际上是用某种特定的几何图形，按照一定的规则在平面（二维方向）上分布的黑、白相间的图形符号。二维码依靠这些黑、白相间组成的图形来记录信息。与传统的一维码相比，广泛使用的二维码得到了极大的改进，具有信息容量大，容错性好，防污能力强，识别效率高等特点[9]。

1.3 RFID技术

RFID（Radio Frequency Identification）技术，称为无线射频识别技术，可以通过无线电波来进行数据信息传递的自动识别技术。RFID 是一种通过射频信号通过电磁场实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到自动识别目的的技术，它可以自动识别多个标签和高速移动的物体。无需接触、操作简单、快速，无需人工干预，可在特殊环境下操作[10]。

1.4 区块链技术及其特点

1.4.1 区块链技术

区块链技术是伴随着比特币(Bitcoin)的诞生而产生的，2008年，由一个化名为“中本聪”(Satoshi Nakamoto)的学者首次提出[11]，是指通过去中心化和去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。其中区块链技术由于其自身特性而作为比特币系统底层技术支撑，解决了加密数字货币中存在的双重支付和共识问题，在去中心化的P2P 网络中，保证了交易记录的真实性和有效性。区块链技术通过分布式计算、密码学、共识算法、智能合约等多种技术结合，保障在不通过第三方机构信用背书的条件下，可以实现数据的不可篡改、不易伪造、可追溯等特性，共同创造了一种低成本高可靠的环境。

1.4.2 区块链技术的特点

根据区块链的定义，区块链技术主要具备去中心化(decentralized) 、共识信任(consensus trust) 、可追溯性(traceability ) 、不可篡改（tamper proof）4 个特征[12]。去中心化：。共识信任：是指以去中心化的方式就网络的状态达成一致的过程。可追溯性：区块链是一个分散的数据库，分散数据库记录了区块链的每笔交易，从而可以轻松的追踪资产数量变化和交易活动。不可篡改：非对称加密技术和哈希算法的使用使数据的记录和传输真实、不可否认和不可篡改。保证了区块链各个节点上数据的统一，除非系统中超过51%的“算力”可以同时控制才有可能篡改数据，否则在单个节点上对数据库的修改是无效的，大大提升了数据篡改的难度和成本[13]。

1.5 区块链技术与传统溯源技术比较

区块链技术在防伪性能、可追溯性、识别效率、抗污损性、应用范围上较传统溯源防伪商标性能都有较大提升。而RFID、二维码、条形码是获取物理信息的关键技术，尽管其在经济性上具有优势，但由于种子产品利润空间存在局限性，因此，目前RFID、二维码、条形码技术与区块链技术在溯源领域相比较而言，区块链技术依靠其数据的不可篡改、不易伪造、可追溯等优异的特性使其在各个领域应用广泛，由其创造的低成本、高可靠的环境大大提高了产品溯源效率，区块链技术与传统溯源技术比较结果如由表1所示。

表1 区块链技术与传统溯源技术比较

2 溯源对象的选择

目前，种子市场中种子品种和质量良莠不齐，“同种异名”、“同名异种”、“假冒套牌”等乱象丛生。探索和研究种子溯源所需关键技术，建立一套成熟、便捷、实用的种子溯源体系对于促进农业生产、增加农民收入、保障粮食安全水平有着非常重要的作用。同时，也是一种提高种子流通的现代化水平，是增强种子质量安全保障能力的有效手段。

甘肃省河西走廊地区因地势平坦、气候干燥、降雨量少、光照充足、昼夜温差大等独特的地理环境和气候条件使玉米制种业成为了甘肃省农业和农村经济发展的亮点产业。截至2019年，甘肃省杂交玉米种子生产面积突破了8.26 万hm2，已发展成为我国最大的杂交玉米种子生产基地，年产种子能力超过5.96 亿kg，保障了全国50%以上大田玉米用种。在面对国际种子行业市场竞争压力和保障全国粮食生产安全的需求下，在构建以国内大循环为主，国内国际双循环相互促进的新发展格局背景下，对维护甘肃省种子生产安全，促进甘肃省种业发展，进一步发挥甘肃国家制种基地优势，更进一步推进现代种业发展提出了更高要求。目前，在甘肃玉米制种企业中，有对玉米种子质量安全、玉米种子溯源的迫切需求，开展玉米种子的溯源体系研究及应用，提供玉米种子全程可追溯具有现实意义。因此，本文选取玉米种子为溯源对象，依托甘肃省张掖地区制种企业开展玉米种子溯源体系研究，对维护我省玉米制种大省的地位，稳定种子生产基地，保障国家粮食安全有着重要意义。

3 基于区块链技术的种子溯源体系设计

3.1 基于区块链技术的种子溯源体系架构

本文基于区块链技术，针对种子溯源需求，以甘肃省张掖市玉米制种企业玉米种子为研究对象，通过对传统种子溯源技术分析，对玉米种子在育种、制种、运输、销售等环节进行研究，提出构建基于区块链技术的去中心化、不可篡改、可追溯等特性的溯源体系，以实现玉米种子在育种、制种、运输、销售等环节中信息记录不可篡改、可追溯，并通过去中心化的网络特性解决玉米种子溯源体系中存在的数据孤岛问题[14]。区块链技术应用于种子溯源，可解决传统溯源中溯源信息的信任问题，将大大保证种子质量安全，推进区块链技术与产业融合发展，以推动玉米种子产业溯源发展进程。基于区块链技术的种子溯源体系架构图如图1所示。

图1 基于区块链技术的种子溯源体系架构

溯源技术不仅可以尽量保证种子的质量安全，验证种子的真伪，还能够保护种子市场秩序。基于区块链技术的不同环节应用，繁育、生产环节中主要节点角色是指育、制种企业，首先对不同品种的种子进行分类身份标记并建立种子信息文档，生产过程中部分种子检验信息需要由监管机构（种子管理局）通过数字签名对种子安全性进行认证。随后在系统中录入种子温、湿度、特征特性、栽培要点、质量指标、种子编号、种子交易编号、生产日期、出厂日期、经销商账号（ID）等指定信息。当前方节点通过发起交易请求对下一环节进行交易操作时，系统完成记录并自动对下一节点进行授权，并继续负责对种子信息文档进行跟进和维护[15]。

运输环节通过物流公司及经销商的追踪信息查询系统对种子运送地理位置状态进行实时监控，因此运输商需要对种子的运输方式、运输环境和接收方进行信息文档的补充。

销售环节指通过多次直销或分销对种子进行最后的销售，因此在各个环节的销售中，经销商及零售商需要保证种子信息来源的正确性并录入信息文档，包含销售时间、行业价格等保证区块链中信息的完整性。在溯源环节，用户可以通过查询溯源网站对种子的包装二维码及标志信息溯源号对种子信息文档进行查阅，以便了解种子真实信息。

3.2 基于区块链技术的种子溯源技术架构

基于区块链技术的种子溯源技术架构由物理层、数据存储层、网络通信层、应用层四层构成，层与层之间相互独立但又存在联系。具体技术架构如图2所示。

图2 基于区块链技术的种子溯源技术架构

应用层可以使用户通过APP 或互联网可以对种子信息直接进行查询，育、制种企业、运输企业、经销商、用户和种子监管机构在应用层对交易信息可通过接入接口进行输入，应用层再将信息传递到网络层为用户提供溯源相关的信息查询。该模型中，基于区块链技术的哈希加密算法和时间戳技术，具有共享加密和公开透明的特点，通过分布式网络与共识机制的溯源信息系统既保证了种子数据源的真实性，又为种子质量提供了安全性和可靠性的保证[16]。

网络层按照多签名复杂网络设置，接入管理机制，采用分布式组网机制使数据分布在不同的节点数据库，数据库层和网络层在技术层面保证了区块链产生和传递。区块链中分布式账本将取代传统第三方构建的中介信任，降低每笔交易的信任成本[17]，并且将监管机构和种子产业链各参与方作为数据验证和认证节点，可以实现对种子质量的信息的标准化、规范化管理。

数据库层通过区块链技术协议将种子信息按照“区块头＋区块体”的方式进行封装，对数据记录进行加密并加入时间戳写入区块链中。公有链中不设访问权限，信息记录对网络中所有节点公开；而私钥记录该参与者在验证身份、读取信息和修改信息的权限[18]。

物理层主要包含智能传感器等检测装置，通过对种子的生产加工、运输、销售的完整生命周期信息进行检测记录，将种子温、湿度，特征特性，栽培要点，质量指标，产品编号等数据信息采集并转发到上层协议，保证了种子产品信息的安全、可靠，而这些存储的种子生长、运输、销售等相关信息，一旦存入数据库网络中将使其无法修改。

本方案基于区块链的技术架构，构建一个透明、可靠、去中心化的溯源平台，可实时查看状态、降低流通成本、追溯种子质量。

4 溯源体系功能设计

4.1 数据采集录入功能

在溯源系统设计中，信息是溯源体系中最基础也是最重要的元素，每个品种的种子在区块链网络中都是数字化的，包括种子的身份标识和参数信息，信息维护者可以对种子信息进行全面具体地维护，防止溯源信息碎片化问题[19]。通过种子和参与者的身份标识，认证授权中心就可以通过智能合约的方式自动开放对种子当前节点权限，通过授予权限的节点将通过私钥连接到区块链网络中，在软件应用程序接口录入数据信息。录入的数据信息包括种子温湿度、特征特性、栽培要点、质量指标、产品编号、种子交易编号、生产日期、出厂日期等信息，如果参与者开始产品转移，溯源系统通过智能合约来验证数据格式是否合法，是否符合行业标准等，验证成功后，参与者提供的信息将被打包录入[20]。

4.2 数据溯源查询功能

在溯源系统中，种子信息都将被保存为任何参与者的电子文档。当用户和经销商完成交易后，如果需要对种子信息进行溯源，可以通过输入种子交易编号进行区块链上的溯源，由于区块结构包含上一个区块的哈希值，因此可以通过哈希值追溯到上一个种子交易之前的信息，并最终查询到种子的源头。种子溯源数据信息查询文档应从育、制种企业、监管机构、运输企业、经销商和用户等五大环节进行数据把控（图3）。

图3 种子溯源数据信息查询文档

5 结论

本文以我省张掖市制种企业玉米种子为研究对象，根据农业领域种子溯源需求，通过对目前市场上传统的溯源技术进行比较分析发现，基于区块链技术的种子溯源体系，可以避免传统溯源系统存在的成本高、效率低和数据不安全等问题。区块链技术由于其去中心化、去信任化、集体维护和可靠数据库等天然属性而更适合溯源应用。区块链技术采用分布式数据管理方式，不仅可以解决育种科研中假数据、错数据问题，还可以建立一套完整的、可追溯的种子交易体系，将科研育种、品种审定、品种出售以及种子商标等各环节的数据有机地结合起来，对记入数据库中的数据和每一笔种子交易进行监管。采用区块链技术，通过低成本的数据存储技术，确保种业各环节用户的交易合法、安全及数据的真实可信[21]。通过将区块链技术和传统种子溯源场景相结合，可以有效降低参与各方的信任成本，将各参与方运作透明化，从而提高效率，而去中心化模式则是区块链信任机制的衍生特质。

基于区块链技术的种子溯源体系的构建对玉米种子品牌保护、防伪打假都起到了举足轻重的作用，不仅降低了制种企业的成本，它所提供从育种、包装，到销售环节可追溯数据管理，更为制种企业领导决策提供有力的数据支撑。

本设计的目的是为农产品溯源研究与体系构建提供一种新的思路和问题解决方案。该溯源系统研究设计还有一些不足的地方需要改进：1、系统的运行模式还需要进一步研究，系统的体系结构、功能设计还有待进一步完善；2、由于目前区块链技术发展的影响，种子流通过程中的信任问题可以得到解决，但生产商造成的种子质量问题还不能完全避免；3、相比于很多互联网支付网络，区块链的交易效率较低，从交易处理频率来看，区块链技术远不如互联网，这也是区块链技术面临的重大技术挑战之一。因此，基于区块链技术的种子质量安全溯源体系的构建是一项长期且复杂的工作[22]。

区块链技术因其去中心化、去信任化、信息透明安全等天然属性对推动行业监管等发展具有重大意义，但不能指望其解决所有问题。区块链技术以不可篡改的共享数据为基础，引入社会、用户的共同监督，从而实现生产商、监管机构、用户的交叉验证，从而提高了各参与方的造假成本，对改善种子溯源领域的生态环境具有重要意义。