基于区块链的农产品溯源：优势与挑战

吕星辰，孟 军

（1东北农业大学工程学院，哈尔滨 150030；2东北农业大学文理学院，哈尔滨 150030）

0 引言

随着市场全球化，很多产品和信息在各个国家进行流动。消费者可以从中获得便利，他们可以在当地市场找到来自世界各国的食品。此外，现在人们认为吃到反季的水果或者蔬菜是一种正常现象。可以说全球化一方面给顾客带来便利，另一方面给食品部门也带来了保证食品安全的挑战[1]。

理想情况下，质量保证要求对产品的每个环节进行全面的追踪，这要求所有参与者进行信息分享，以满足消费者对食品安全、质量和可持续日益增长的需求。20世纪90年代和21世纪00年代的几起食品安全问题，如“苏丹红鸭蛋”、“三鹿奶粉”、“瘦肉精”等安全事件[2]，严重威胁着人们的身体健康和生命安全，给国家造成了巨大的经济损失并引起了民众对于食品安全的信任危机。食品安全问题不仅促使监管机构制定更加严格的食品安全和质量控制法规，也提高了消费者的意识。农产品溯源现在是保障食品安全和产品质量的重要技术[3-4]，农产品的可溯源性，对增加消费者的信心和满意度起到了极大的促进作用。

农产品溯源系统在农产品供应的整个过程中，是对农产品的各种相关信息的记录、存储的质量保障系统，通常包括了在农产品的生产、加工、流通和销售等环节的相关信息，一旦出现了农产品质量问题，能够快速有效的进行农产品溯源，找到问题的症结所在，保证了后续产品召回、制定惩罚措施等工作的顺利开展，有效保障农产品质量控制和食品安全。

目前。在农产品供应链中，使用的标准大多数为各个环节中企业自己制定的，或者是以国际法规为标准，这样供应链中没有一个统一的规章制度。为了可以提高农产品的可追溯性，企业之间需要相互信任，信息共享。然而，供应链中各个企业之间独立运行，遵守的标准也各不相同，因此，合作伙伴之前缺乏一定的信任。区块链技术被誉为是一种创造信任的技术。目前区块链技术在农产品溯源应用上有一定的研究[5-7]，但是这些研究主要还是在技术层面，侧重于技术的可行性和技术改进方面。而人们对于区块链如何具体实现信息透明，具体如何收集数据，如何将数据保存到区块链中，理解非常有限。区块链在农产品溯源中的具体优势和挑战是什么，哪些问题暂未解决，需要学者进一步探讨和研究。

本研究通过回答以下几个关键问题，对区块链在农产品溯源上的应用进行了如下的阐述：

（1）区块链技术如何解决农产品供应链中信息不透明和真实性的问题？

（2）如何将物联网技术应用到基于区块链的农产品溯源体系中？

（3）农产品的溯源深度应该如何把握？

（4）区块链技术在农产品溯源体系应用中的优势和挑战是什么？

1 农产品溯源

由于食品安全和质量问题，企业、政府和消费者对农产品溯源的需求显著增加。2011—2019年百度浏览器搜索“溯源”的频次如图1所示，可以看出，人们日常生活中对农产品溯源的关注度越来越高。

图1 百度搜索“溯源”频次

如今，随着物联网的发展，物联网把所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理[5]。可溯源的农产品信息可以由企业和IoT设备中进行跟踪、协调和收集。例如射频识别（Radio Frequency Identification,RFID）技术[6-7]、无线传感器网络（Wireless sensor Network,WSN）[8-9]、二维码和NFC等。这些技术常常结合使用，解决了受环境限制的缺点，提高了产品识别能力和分配效率，为农产品溯源提供了很大程度的便利。

在整个农产品供应链中，参与方可以分为：生产方、加工方、运输方、销售方以及负责质检的监管部门，溯源结构如图2所示。但是这种农产品溯源系统存在三个问题：第一，不同溯源系统的信息标准不统一。同一类农产品在不同的溯源平台所展现的溯源信息不统一，对于溯源的深度没有统一的规定。第二，溯源系统信息的可靠性以及可信度有待提高。不同组织进行信息共享时，需要集中控制所有的信息，这样无法保证信息是否被篡改[10-11]，且人工录入数据时也存在失误的可能。第三，多主体信息难以实现共享。农产品供应链中多个企业在各环节之间的信息对接过程十分冗杂，信息流动不畅导致供应链上的各节点难以第一时间掌握相关情况，影响供应链信息传递效率[12]，而传统溯源系统中，各个组织之间互不信任，信息孤岛现象严重。这些问题使得企业无法对市场需求进行实时、准确地预测，消费者难以查询到购买的农产品真实源头信息，同时监管部门也无法实现对农产品市场的实时监控。

图2 传统农产品溯源系统

2 基于区块链技术的农产品溯源体系

2.1 区块链技术

1991年，Haber等[13]《如何为数字文档添加时间戳》一文，提出使用时间戳，使文档不能被修改和复制，这篇文章为区块链技术奠定了基础。2009年，中本聪（Nakamoto S）《比特币：一种点对点的数字现金系统》（Bitcoin:A peer-to-peer electronic cash system）[14]，主要是讨论了比特币系统，关于区块链的定义和概念没有明确的提出，但提出了区块链是用于记录比特币交易账目历史的数据结构[15]。区块链虽暂无统一的定义，但是其理念是一致的。维基百科上给出的定义中，将区块链类比为一种分布式数据库技术，通过维护数据块的链式结构，可以维持持续增长的、不可篡改的数据记录。区块链技术是一种以现代数据库技术、互联网技术、现代密码学技术为基础，集合分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的应用模式[16-17]。使用密码学为区块链数据传输的安全提供了保障，使用数据库记录每一个节点的信息。

习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调要加快推动区块链技术和产业创新发展，区块链技术是一种颠覆传统网络架构的新模式，区块链的去中心化网络模式可有效避免中心化网络中心服务器故障所带来的问题，并且具有构建可信任网络，自动运行业务的两大特征[18]。因此区块链技术具有广泛的应用前景，例如金融[19]、智能交通[20]、医疗[21]和供应链管理[22]等多个行业。

2.2 区块链在农产品溯源中的应用

随着农产品安全问题不断升级，越来越多的学者和企业将区块链技术应用在农产品溯源系统上。CNKI中“农产品溯源”和“区块链”的中文相关文献量对比，如图3所示。

图3 CNKI中“农产品溯源”和“区块链”的中文相关文献量对比图

在分布式账本技术下，改变数据需要多个节点同意，因此区块链上的数据信息不能由任何一方随意更改。区块链的不可篡改的特征，可以保障农产品供应链上信息的有效性，分布式记账结构可以使得不同组织之间的信息互通，不再使得信息集中在某一方手中，这弥补了传统溯源技术的不足。

利用区块链技术的可信化、去中心化和不可篡改等特点，将农产品从种植到销售等过程的信息以不可逆的方式写入到区块链当中，各个企业之间信息共享，在实现溯源数据透明的同时，保证数据的真实性。基于区块链的农产品溯源体系主要节点包括种植、加工、运输、销售和监管部门等。以农产品质量安全相关法律法规为政治支柱，构建基于区块链技术的农产品溯源体系，分为数据采集层、数据存储层、网络层、应用层和用户层，以大米全产业链溯源系统为例，溯源系统框架如图4所示。

图4 基于区块链技术的农产品溯源系统框架

数据采集层。大米溯源体系中，需要采集种植、仓储、加工、物流及消费等环节的完整生命周期信息。各个节点的信息主要包括物料的属性信息（主要成分、性质、环境信息等），操作信息（操作人/设备、时间、地点、批次等），管理信息（责任人、管理制度、执行标准等）。如图5中，展示了全产业链中部分节点的部分信息采集情况。其中，种植环节、仓储环节、加工环节和物流环节，可以利用不同的监测系统进行监测。例如，种植环节中，地块信息的土壤水分和环境等，使用物联网技术进行实时监测；仓储环节中，仓库存储量、熏蒸和通风等都是保证大米质量的关键，使用基于无线传感器技术进行环境监测；加工环节中，工艺参数和环境参数等，使用监控数据和流水线数据对加工过程进行监控；物流环节中，车辆环境信息等，使用无线传感技术进行监测[23]。

图5 大米全产业链部分信息采集

数据存储层。收集到的数据，需要存储在底层数据库中，数据存储层通过默克尔树的数据结构，把每一个子节点信息的哈希值，自下向上，两两成对组进行哈希运算组成新的哈希值，重复组队，直到形成根哈希，根哈希作为区块的唯一标识，可以提高数据的查询效率。根哈希保存到区块头中，默克尔树保存到区块体中，使用时间戳方法将数据添加到区块链中。一旦数据添加到区块链中将无法对数据进行修改和删除。网络层。在网络层中，收到节点的交易请求后，对交易进行验证，确认无误之后，在区块链中进行“挖矿”，这里的挖矿是指对某一个时间段内的操作进行数据打包上链。并将监管部门和农产品供应链各个机构作为数据验证和认证节点，对农产品质量的信息进行标准化、规范化管理。

应用层。使用客户端软件或者互联网接口，使得注册过的用户可以直接进行查询，农户、生产者、运输商和零售商在应用层对操作过程的信息，使用API接口进行数据录入。

用户层。主要有种植水稻的农户、生产/加工企业、物流公司、零售商、消费者、检测机构和监管部门。不同用户可以设置为不同责任节点，根据节点不同，其职责和所能查看的信息不同，所追溯的深度也不同。通常情况下，不是所有区块链信息都应该被所有用户知道，而是只有有限数量的用户可以查看所有信息，大部分用户可查看信息应该是有一定限制的，这样不仅可以提高系统的效率，也可以有效的防止未经授权的访问和泄漏，保护敏感信息。因此，根据专家建议和调查研究，将区块链上的信息分为两类：基础信息和详细信息。其中基础信息即为可公开的非敏感信息，详细信息即为图5所示中的全产业链信息。各个环节及其追溯基础信息如表1所示，用户节点与追溯信息如表2所示。

表1 追溯环节与追溯基础信息

表2 用户节点与追溯信息

区块链溯源系统通过电子标签等方式对农产品赋予独一无二的身份信息，让农产品从种植开始到最后销售过程，全产业链的关键信息都被保存在区块链上。通过采集终端和传感器采集传输农产品生长环境及基础数据，再通过分布式网络与共识机制实现数据区块链的录入，使供应链上的每个环节信息在不同的节点可以追溯。用户可使用客户端软件进行注册，注册后会自动生成一个公钥和一个私钥，以方便对区块链进行录入和确认。

3 基于区块链技术的农产品溯源体系的优势和挑战

3.1 区块链技术在农产品溯源中的优势

3.1.1 提高了供应链中的监管效率 在供应链整个过程中，使用物联网技术可以使数据随时上传，上传至区块链中存储，如果发现某一环节出现了问题，能够及时反馈，并进行纠正。如果一直没有改正，参数就会一直被记录，直到下一个参与主体将产品退回，或者监管机构介入，对有问题的参与主体追责。即使在最后一步才发现产品出现问题，监管部门也可通过区块链技术快速追溯到具体责任主体，通过问题的严重程度制订相应的惩罚措施[24-25]。因此，对于大米等农产品在供应链过程中，出现的质量安全监管的问题，可以通过区块链技术得到解决，政府、企业以及消费者都可以通过平台查询农产品供应链过程中的数据，对其进行监管，有效的提高了监管的效率，实现了多方监管。

3.1.2 增强了追溯信息的透明度 农产品从种植到销售，供应链时空跨度大、参与主体多且分散、中性化方式管理与运作困难，并且数据采集时，缺乏约束机制，容易造成信息不透明。基于区块链技术的溯源系统，通过物联网技术将信息自动收集，并存储在区块链中。实现了端到端的跟踪[26]。生产过程中的每一步都可以在区块链中输入农产品来源、批号、检疫日期、工厂、加工数据、运输数据、存储数据等可追溯的信息[27]，这增强了信息的透明度，增强了相关利益方之间的信任。企业可以通过这些信息为食品的可溯源性管理提供法律依据，证明农产品的真实性。同时增强了交易数据的完整性和安全性[28-29]。

3.1.3 改善了企业之间的信任度 溯源系统不是单独的一个企业或公司独立构成，而是需要各个组织之间，相互协作，信息共享[30]。然而有的企业因为涉及到机密，不愿意把信息公开，或者是为了逃避某些责任，拒绝信息共享。区块链可以增强供应链间各个组织之间的信任和合作[31]。

3.1.4 提升农产品质量安全预警能力 在农产品质量安全控制体系中，查询和召回非常重要，但是以质量安全预警与分析决策为核心的预防，更为重要[32-33]。通过构造的农产品溯源系统框架，在数据采集层可获取到大量的数据。生产过程中病虫害预警，物流过程中货架期预测等是保障农产品质量安全的有效手段[34]。这些信息在整个供应链过程中完全透明，还可以大大降低供应链中的“牛鞭效应”。

3.1.5 提高了农业供应链的可持续发展 区块链技术为各个企业和组织之间打破信息屏障，增强了企业间信息透明度，促进了可靠的数据收集和实时交易。区块链技术可以减少产品掺假和商家欺诈等行为。对于农户和消费者之间，消除中间商，允许农民决定价格，消费者能够直接获取到农产品的种植信息，以及信息共享可以使消费者能够获得当季的、廉价的农产品，农户和消费者之间建立信任，降低了交易成本[35]。区块链技术通过数据收集、分析和整合，可以促进企业向循环经济转型。这种技术与循环经济之间的联系，可以提高农产品供应链的可持续发展[36-38]。

3.1.6 提高了农产品溯源系统的弹性 农产品溯源系统中，各组织之间联系紧密，从种植到销售，整个供应链中，如果某一个环节出现问题，整个溯源系统应该从事故中快速响应和恢复到初始状态。区块链的分布式账本技术使各组织间信息共享，为溯源系统中的利益相关者提供临时可见性、提高预期和优化适应水平[39]。此外，通过区块链的实时信息共享，可以使农户和经销商实时了解市场信息，决定农产品种植面积和价格等，大大降低了供应链中的“牛鞭效应”，从而提高了农产品溯源系统的可靠性，使其更具弹性[40]。

3.2 区块链技术在农产品溯源中的挑战

3.2.1 区块链数据处理速率有限 最初的区块链系统设计将区块的大小限制为1 MB，处理速率限制为每秒7个区块。在供应链流程的短时间内，要处理数百个区块，这种设计是不可能实现的。此外，农产品整个供应链过程中，信息复杂且周期长[41]，几个周期后，区块链会因为数据爆炸而导致速率降低。虽然使用优化后的共识算法[42]，可以显著提高系统的吞吐量，但是与VISA信用卡平台2000笔/s的交易处理速度相比，现有的区块链系统可能不适合交易量大的应用，尤其是物联网。

3.2.2 供应链中数据的隐私缺少保护 基于区块链技术的溯源系统中，供应链全过程周期较长，数据较多，需要对数据进行筛选，且应该注意一些敏感数据的保护。可以将数据治理应用到区块链溯源系统中，对供应链全过程中的数据进行管理。

3.2.3 区块链系统的安全性有待提高 区块链技术依赖于代码编程，容易受到黑客的攻击。区块链技术是通过代码和互联网来实现的，即使有共识机制和智能合约保证代码的逻辑性，也难免会出现漏洞，这些代码为寻求经济利益的黑客提供了机会。最突出的例子可能是DAO(Distributed Autonomous Organization)黑客组织，寻找智能合约代码中的逻辑错误，从而盗取货币。

3.2.4 法律法规不完善 目前区块链技术还没有一套明确的法律法规制度，相关部门对于区块链技术还缺乏明确的认知，监管标准和行业规范难以制定[43]。“十四五”规划中，强调要完善区块链监管机制。在农产品溯源方面，引入法律和监管框架进行监测，是目前迫在眉睫的任务之一。

3.2.5 区块链上的大数据难以整合分析 通过物联网收集到的大数据，具有海量性、异构性和巨大的商业价值。由于物联网设备的计算能力较差，复杂的大数据分析案例不能直接应用于物联网设备[44]。且区块链数据庞大，无法全部存储在数据库中，虽然云计算可以解决这些问题，但是将庞大的数据上传到云服务器中，可能导致隐私泄密和增大延时等问题[45]。设计出与区块链相适应的数据库也是一种解决思路。

3.2.6 区块链技术的市场接受度较低 即使大多数企业正在进行区块链技术的研究，但是在农民和很多加工商中间还未普及，对现有的区块链技术的认识不足，因此不愿意使用区块链溯源系统。在整个供应链体系中，让每一个利益相关者相信区块链的好处，并参与进来，是目前面临的一大挑战。

4 总结

区块链技术被誉为是一种很有前途的可以用来解决农产品溯源问题的方案，相比较传统农产品溯源系统，基于区块链的溯源系统提高了供应链中的监管效率、增强了信息的透明度、溯源信息更加安全可靠、改善了企业之间的信任度，并且提升了农产品质量安全的预警能力。但是在具体操作过程中，溯源管理、法律法规和应用等的实现都面临着一定的挑战。本研究通过回答4个关键问题，为以后的区块链技术在农产品溯源中更好的应用提供思路。首先，通过区块链在农产品溯源上的应用，阐述了区块链技术是如何保证信息的透明性和真实性。第二，通过构建的基于区块链技术的农产品溯源系统框架，介绍了物联网技术是如何应用到溯源系统中，并以大米为例，展示了通过物联网技术收集的供应链中的部分数据。第三，将信息划分为可公开的基础溯源信息和详细信息，来探讨不同的用户节点的溯源深度。最后，讨论了基于区块链技术的农产品溯源系统的优势和挑战。本研究通过回顾区块链技术在农产品溯源中的应用，加深了我们的理解和认识，为进一步研究提供宝贵的信息，推进了区块链技术在农产品溯源体系应用的研究和实践，提供了有价值的理论和实践贡献。