基于区块链的农产品溯源技术研究综述

李旭东 杨千河 姚竟发 贺吉 范晓飞

摘要：随着国内农产品安全事故的频发，消费者对农产品质量和供应链的信任逐渐下降。溯源作为一个能够连接产品流通各环节、对产品进行不定向追踪管理的生产控制系统，对保障产品的质量安全具有重要意义。在传统的溯源体系中，信息存在不准确、不透明、不安全等问题;区块链凭借去中心化、透明公开、不可篡改、分布式存储等特点，为农产品溯源体系的构建提供技术支持。将区块链技术与溯源技术相结合可以实现真正意义上的溯源，切实保障供应链上全体成员以及广大人民群众的权益。在区块链理论分析的基础上，通过研究农产品溯源机制，详细阐述了区块链技术的概念与主要特征，梳理总结近些年国内外基于区块链的溯源体系的研究与应用，确定了基于区块链技术解决农产品可追溯性问题的方案，总结了基于区块链的农产品溯源系统的架构设计框架和适用性应用分析流程，阐述了基于区块链的农产品追溯系统实施的优势与挑战，分析了将区块链技术应用于农产品溯源体系时的重要环节，以期为区块链农产品溯源体系的研究和建立提供参考。

关键词：区块链技术;农产品溯源;溯源系统;分布式存储

中图分类号：TP311;F326.6   文献标志码： A

文章编号：1002-1302（2022）06-0016-08

收稿日期：2021-06-25

基金项目：国家自然科学基金（编号：32072572）;河北省高层次人才资助项目（编号：E2019100006）;河北省重点研发计划（编号：20327403D）;河北农业大学引进人才科研专项（编号：YJ201847）。

作者简介：李旭东（1996—），男，河北沧州人，硕士研究生，主要研究方向为智慧农业。E-mail：394087866@qq.com。

通信作者：范晓飞，博士，教授，主要研究方向为农业人工智能。E-mail：fanxiaofei@hebau.edu.cn。

我国是农业大国，但多年来的监管不力和违法行为使得我国农业发展受到重重阻碍，这类事故一次次损害社会信用，损害人民健康，使我国农业发展建设面临重大挑战[1]。因此，建立基于区块链技术的农产品溯源体系的需求日益强烈。目前我国农产品溯源主要依赖于国家的中心数据库[2]，主要存在以下问题：（1）供应链数据不透明;（2）各级数据存储情况不透明;（3）社会公信程度低;（4）数据分散，无法系统整合，共享难度大。而区块链技术的去中心化、开放性、自治性、匿名性、信息不可篡改、信息可溯源等特点，为这些问题提供了全新的思路与解决方案[3]。本文详细介绍了区块链技术，总结了近年来基于区块链技术的溯源系统研究与应用进展。

1 农产品溯源

1.1 传统农产品溯源

农产品溯源系统是指追踪农产品（包括食品、生产资料等）进入市场各个阶段（从生产到流通的全过程）的系统，涉及到农产品产地、加工、运输、批发及销售等多个环节，有助于质量控制和在必要时召回产品。采用农产品可追溯系统可以实现产品源头到加工流通过程的追溯，保证终端用户购买到放心产品，防止假冒伪劣农产品进入市场[4]。

在整个农产品供应链中，各级参与方可分为生产者、加工者、运输者、地区销售和零售者。目前，主流农产品溯源系统主要是内部溯源和外部溯源相结合的双层溯源（图1）。这种传统的溯源方式目前暴露了多种问题，比如：（1）信息容易被篡改、丢失，地区性农产品信息共享难度大，数据传递效率低，第一级农产品（农作物）溯源难度大;（2）系统复杂，监管方信息重叠或矛盾，监管压力大;（3）各级用户难以信任数据的真实性[5]。

1.2 农产品溯源体系起源

最早的农产品溯源体系起源于20世纪70年代的欧洲，当时欧洲暴发严重的疯牛病，欧洲各国开始追溯牛羊肉等畜牧类农产品的来源[6]。1997年再次遭受疯牛病后，欧盟对牛和牛肉以及牛肉制品建立起一个可追溯体系，该体系通过对牛耳进行标签，发行动物护照，保障消费者通过追溯系统可以追踪到该牛从饲养到屠宰再到加工销售的全流程信息。目前，欧盟已建立起畜禽动物及其肉制品、转基因产品和饲料的溯源系统[7-8]。

日本从2001 年开始推动“食品可追溯制度”，大部分超市都安装了产品溯源终端，基本实现了食品领域零售业务的可追溯。2003 年日本开始对牛肉制品实施追溯;2005 年日本农业协作组织（简称农协）要求，必须对通过农协上市流通的农产品实现可追溯[9-10];2008 年日本宣布拟建立大米的可追溯体系[11]。

21世纪初，美国开始从国家战略的层面建设溯源系统，建立了美国全国动物识别系统（NAIS）。澳大利亚也构建了国家牲畜认证系统（NLIS），通过RFID技術对每一头牛颁发唯一的“身份证”，实现养殖的全流程数据采集。印度使用GrapeNet建立溯源平台，保证出口葡萄的安全和品质。

中国在农产品溯源上起步较晚，但也一直在进步。2004年，原农业部率先在北京、河北开始溯源系统试点，实施“进京蔬菜产品质量追溯制度试点项目”[12]。2008 年，国家主动提出要建立健全农产品标识，建立并实施农产品安全的追溯体系。此外，国家蔬菜质量安全追溯体系等追溯制度也在建设与试点。2017 年，国家农产品质量安全追溯管理信息平台正式上线，首先在四川、广东、山东等地展开试点[13]。

2 区块链与农产品溯源

2.1 区块链概念

区块链这一概念起源于比特币。2008年，一位自称“中本聪”的用户发表了《比特币：一种点对点的电子现金系统》一文，提出了比特币的构想。随着比特币的运行，区块链作为比特币最底层的技术逐渐进入大众视野。区块链技术是一种区别于传统网络架构的全新模式，区块链独有的去中心化模式能避免中心化网络带来的缺点，构建可信任的自主运行网络模式[14-15]。

从类型上看，区块链可分为公有区块链、联合（行业）区块链和私有区块链。公有区块链（public block chains）是指世界上任何用户或团体都可以发送交易，且交易可以获得该区块链的确认，任何人都可以参与到其中的共识过程[16]。联合（行业）区块链（consortium block chains）是指某个团体内部指定多个节点作为记账节点，每个区块的生成由所有的预设节点共同决定，其他节点可以参加交易，但没有记账权限，任何人都可以通过该区块链进行查询[17]。私有区块链（private block chains）是指仅使用区块链的记账技术进行记账，可以是一个企业、公司，也可以是个人，拥有该私有区块链的写入权限[18]。

区块链还具有去中心化、开放性、独立性、安全性、匿名性等特征。（1）去中心化。区块链不依赖第三管理方和硬件，没有中心服务器，通过分布式的计算和存储，每个节点实现数据的自我验证、传输和管理[19]。（2）开放性。区块链技术是开源的，除了交易的私人信息被保密，区块链内的数据对每个人开放，每个人都可以通过公开接口进入区块链进行查询和开发[19]。（3）安全性。只要不被人掌握全部节点的51%，就无法被随便篡改数据，这使得区块链避免了人为恶意篡改[19]。（4）匿名性。任何节点的身份信息都不需要公开和验证，数据传递可以匿名发送[20]。（5）可追溯性。将信息上传区块链中的各个区块，每个区块都有前一区块的哈希值，只有识别了正确的哈希区块才能上链（图2），这就保证了信息的可追溯。

区块链因为自身的特点，相比于传统溯源方式有很大优势（表1）。与传统溯源方式相比较，以区块链技术为基础的溯源方式在前端的数据采集工作与传统方式区别不大，区别大的地方在于后端。区块链技术能提供新的溯源工具，方便消费者对农产品安全信息的查询。加上区块链具有去中心化的特点，各节点都可以通过链上实时共享数据，同时所有节点也必须履行共同维护数据可靠性的义务[21-24]。

2.2 区块链溯源体系的研究进展

2.2.1 将区块链技术与物联网技术相结合

物联网技术经过多年的发展已经相当成熟，物联网技术与区块链溯源体系相结合会使溯源技术更加智能化和便捷化，同时物联网技术也会让信息变得更加可靠，所以物联网技术与区块链溯源技术相结合，是溯源技术的发展趋势。George等结合物联网技术和区块链技术，对猪的养殖、加工、零售实现了溯源，利用各种传感器对猪的生长、屠宰、加工信息进行采集，最后将数据上传区块链完成溯源[25]。Ali等提出了联盟链和智能合约与物联网溯源服务相结合的数据服务中心[26]。Bordel等利用RFID电子标签技术和区块链技术相结合，设计了一个食品安全溯源系统[27]。李明佳等将区块链技术应用到传统溯源系统中的数据库和通信层上，设计了让传统溯源系统中的数据更好接入区块链的方法[28]。史亮等通过利用区块链分布式存储和节点资源共享的特点，实现了溯源环节的正逆双向追踪[29]。Stamatellis等利用區块链分布式分类账本和身份匿名特性设计了电子病历，有效保证了信息的真实和患者的隐私[30]。祝锡永等利用危害分析和关键控制点体系（HACCP）对服装生产的每一个步骤进行危害分析，最后利用区块链技术实现对危害原因的溯源[31]。

2.2.2 改进智能合约来建立溯源体系

区块链技术中的智能合约也对溯源体系有很大的作用，Casino等利用智能合约和HACCP相结合设计了一个酸奶生产加工销售全流程的溯源系统[32]。Mohamed等开发了一种智能合约模型，用于物联网信息追溯，这对于农产品溯源设计有很大启发[33]。葛艳等利用HACCP规范提取数据结构，为上层溯源业务层提供支撑，最后调用智能合约接收数据，将数据打包成区块实现牡蛎质量监测[34]。

2.2.3 改进区块链技术的服务性以提升溯源系统的便捷

区块链溯源体系的发展与推广首先要提高区块链技术的服务性，Yin等提出了一种基于区块链技术的协作训练模型，该方法使用区块链的去中心化会计技术来解决不同参与者之间的信任问题[35]。王红梅等采用BCS（blockchain service）分布式账本云平台，让溯源系统变得更加可靠[36]。仵冀颖等针对完全去中心化的公有链在执行智能合约的及时性和响应速度上无法满足实时业务查询的需求，且私有链及现有的分布式结构和云平台架构对参与方多的情况下并不适用，设计了一种以政府监管机构为核心的联盟链，让溯源系统更加方便快捷[37]。

2.2.4 加强区块链技术的安全监管保障数据的真实性

区块链溯源体系对于保证人们的利益有重要意义，须提高区块链技术的安全性，加强对企业私有链的监管以及相关企业和人员的法律意识。周正强等提出了基于联盟链的医疗数据安全共享的方案，用联盟链储存元数据，将智能合约和密文加密技术结合，设计了数据共享的安全协议[38]。Zheng等针对近年出现的大数据安全问题，提出了一种基于区块链的去中心化数据交易系统，对于区块链溯源系统中的数据安全有重要启示[39]。于合龙等基于Hyperledger Fabric平台设计实现了水稻全供应链信息溯源系统，在供应链溯源隐私数据上传区块链网络前，利用密码分组链接模式（ciper block chaining，CBC）对其进行对称加密，采用椭圆曲线算法（elliptic curve cryptography，ECC）对密钥加密后写入区块链网络中，区块链网络中存储隐私数据加密后的密文，授权节点利用私钥查看区块链上溯源隐私数据，实现在区块链网络中共享隐私数据[40]。

2.3 区块链溯源体系的应用进展

在区块链溯源体系应用上，有很多国外企业已经尝试着将区块链溯源体系应用于商业。2016年6月，沃尔玛开始使用区块链溯源体系在美国芒果市场测试运行。由于2018年沃尔玛发生严重的食品安全事故，传统溯源方式无法彻底解决问题，2019年沃尔玛百货有限公司（简称“沃尔玛”）的所有超市开始使用区块链溯源体系。沃尔玛还与国际商业机器公司（简称“IBM”）联合成立了食品信托系统（food trust）[41]用来追踪芒果和猪肉产品，它建立在Hyperledger Fabric平台上，所有数据都存储在区块链账本上，从生产者到消费者的整个供应链都可以访问。如果没有食品信托系统，识别芒果来源的过程可能需要跟踪7 d，而有了食品信托系统后则只需要约2.2 s。芬兰将区块链溯源体系首次运用到集装箱运输工程中。Provenance是一家推广基于区块链的鱼类产品追溯系统的公司，通过公司提出的申请，每一种鱼类产品都有独特的标签，这个标签的内容包括鱼类产品的包装、运输和储存条件等信息。

2017年众安技术服务有限公司使用区块链溯源体系与养鸡相结合[42]，从鸡苗出生开始都戴上唯一的标签，利用传感器技术，实时监控鸡每天的活动，并检测鸡舍的空气和水土指标，直到鸡送到屠宰场，每一步的信息都被上传区块链保存。2017年12月我国第1个食品安全区块链联盟成立[43]。2017年阿里巴巴（中国）网络技术有限公司旗下的蚂蚁金服推出区块链溯源应用[44]。华为技术有限公司推出了“农业沃土云平台”，打造了包括从种子、种植、农产品加工、食用风味多环节区块链溯源体系。

3 将区块链技术应用于农产品溯源

3.1 基于区块链的可追溯性运营框架

目前主流的区块链溯源框架如图3所示。作为一种分布式和去中心化的技术，区块链是由加密哈希链接的一组带有时间戳的块。它已经成为分散的公众共识，与数字分布式数据库协调交易活动[45-47]。基于区块链的可追溯性，提出了追踪农产品信息的需求[48]，有助于更有效地追溯业务中的物料和信息流。 因此，区块链将提高信息的安全性和透明度，并通过IoT设备为农产品的信息获取和持久性做出可持续的可追溯管理[49-50]。

3.2 区块链技术与物联网技术相结合的农产品可追溯系统

本文总结了将区块链技术与物联网技术相结合的农产品可追溯系统。在每个可追溯业务流程中通过物联网技术将数据记录并上传区块，利用区块链信息的高透明度、去中心化、无法篡改[51-53]等特性完成溯源（图4）。

3.2.1 生产阶段 生产阶段就是农场所实施的生产活动，农民使用种子来种植农作物，并将种子的质量信息（出苗率、真实性、活力、一致性等）在区块中记录，以便追溯种子的来源。农作物成熟时，农民将本季度农作物的产量和质量情况上传，可追溯性信息可包括耕种背景环境（如土壤、水、温度和湿度质量）、耕种人员、日期、时间、农药品种的来源和应用、灌溉、施肥等[54]。

3.2.2 加工阶段 此阶段涉及将一个主要产品全部或部分转化为一个或多个其他次级产品。随后进入包装阶段，可追溯性信息包括加工条件，如加工设备、时间、批次转换、包装信息、消毒方法、操作员和最终产品标签信息等。在该阶段中，每个包装可以通过RFID记录包含生产日期和使用的原材料列表等信息，并生成唯一编码[55-59]。

3.2.3 运输阶段 经过上一阶段的加工包装阶段，农产品就到了运输阶段，使用物联网传感器设备可以获得物流和冷藏相关的可追溯信息。在冷藏容器区域中部署环境传感器和GPS传感器，可以监视和收集要存储在区块链系统中的物流和冷藏环境信息，可追溯信息在这一阶段内包括運输的方式、车辆信息、发货时间与到货时间，都将在区块中记录[60]。

3.2.4 消费阶段 消费者是整个区块链的最终用户，消费者在购买产品前可以查询到本产品的信息，如质量标准、原产国、生产方法等[61-62]。

4 基于区块链的农产品追溯系统的优势与挑战

4.1 优势

区块链对农业产品可追溯性的研究和实践具有深远的影响。与物联网设备结合时，它可以克服信息安全性和透明度方面存在的问题。

4.1.1 信息安全

由于共识机制，信息存储在基于区块链的可追溯性系统中更加可靠，增强了数据的完整性和安全性[63-64]。此外，它提供了高度不变性和信息完整性，并且当连接到物联网（IoT）设备时，它能够提高交易效率。

4.1.2 技术优势 信息通过加密操作存储在多个分类帐数据库中，很难被攻击。共识机制确保当所有参与者在可追溯过程中达成共识时，信息不会被篡改[65-67]。

4.1.3 确保供应链安全协作 跨组织业务流程的互操作性与集成用分布式服务来执行任务。区块链可以增强供应链合作伙伴之间的信任和协作，可以在整个可追溯链中追踪无篡改的历史信息[66，68-69]。

4.1.4 减少产品浪费和经济损失 由于区块链技术可以追溯产品在每个阶段的详细信息，从而使各环节都能得到产品的信息，避免了产品因为信息不对称而造成的浪费[70-72]。

4.2 应对的挑战

区块链技术应用于农产品溯源可以彻底改变现有的溯源状况，但是依旧面临着多种挑战。表2列出了当前仍需解决的问题。

5 结论与展望

区块链技术能够保证链上数据的不可篡改和可追溯性，因此在产品从生产到流通的全过程中可实现完整信息的记录，为监管部门提供产品全面数据信息，使其可以更高效地完成产品质量检验及数据互联互享。

我国溯源体系起步较晚，农产品溯源没有真正走进人们的生活，市面上带有溯源标签的产品还很少，带有溯源标签的产品价格普遍较高。除此之外，溯源体系运营成本高、数据共享难、供应链各自保密等因素都阻碍着溯源体系的建立。目前以区块链技术为基础的溯源体系大多还处在理论验证和试验试点阶段，“区块链+溯源”要真正走进人们的生活，还需从市场经济、国家政策、企业创新等多方面努力。

基于区块链技术的农产品溯源体系仍存在一些待解决的问题，如区块链技术能保证链上数据的真实性，但是前端采集的物理层面被篡改的风险依然很高，因此如何有效地进行数据防伪是一个重要课题。

未来的研究可以从多个角度调整和评估基于区块链的可追溯操作框架、设计架构、分析流程图。应特别注意基于区块链的农产品可追溯系统的硬件部署、存储能力、交易速度和整体性能。

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