基于区块链技术的生鲜农产品追溯系统研究进展

张 哲 杨信廷 于合龙 李珊珊 孙传恒

（1.吉林农业大学信息技术学院，长春 130118；2.国家农业信息化工程技术研究中心，北京 100097；3.农产品质量安全追溯技术及应用国家工程研究中心，北京 100097）

1 引言

生鲜农产品是指与我们日常生活息息相关的新鲜果蔬、水产及畜禽肉类产品，通常被称为“生鲜三品”。随着互联网技术的不断发展和广泛应用，生鲜农产品的消费市场逐渐扩大，人们可以通过线上或线下多种平台和渠道进行采购，这种方式高效地促进了跨地域消费，但同时也成为了食品安全问题的重大隐患[1]。由于生鲜农产品最本质的特性就是易腐烂变质、保质期短、易受到周边环境条件的影响，这对储存方式和运输过程都产生了较高的考验。

为切实满足消费者的需求，中国生鲜农产品的品质正向着绿色、优质、安全等方面逐渐提升[2]，同时加强食品生产、流通加工、仓储配送、销售等诸多环节的把控力度，不断优化生鲜农产品供应链体系，坚决避免类似英国马肉冒充牛肉[3]等食品安全问题再次出现。目前，生鲜农产品供应链主要呈现上游分散，下游零售渠道并行的情况，并且各环节间易出现信息不对称且缺乏信任等问题，难以确保信息的安全性[4]。

基于区块链技术的农产品追溯系统具有提高生产、加工、运输、销售过程的透明度和效率，增强数据可信度，体现数据可追溯性等优点，同时可以剔除农产品供应链中不必要的中间商，并且增强消费者对可追溯农产品的信心[5]。杨信廷等认为可追溯性指的是产品供应链追溯与跟踪的特性与能力，追溯系统是通过一定技术手段实现可追溯性的方法、模型和体系[6]，构建成熟完善的追溯系统是保障生鲜农产品信息安全的有效手段。本文结合区块链技术的特点，提出了生鲜农产品的可追溯性架构，并对基于区块链技术的生鲜农产品追溯系统的应用现状进行全面总结，同时指出生鲜农产品与区块链溯源技术相结合的未来发展方向，为生鲜农产品追溯技术的发展与推进奠定坚实基础。

2 区块链与生鲜农产品供应链

2.1 区块链技术

区块链技术（Blockchain Technology）是一种利用块链式数据结构来验证与存储数据、通过节点共识算法来生成和更新数据、使用密码学的方式保证数据传输和访问安全、且由智能合约来编程和操作数据的分布式架构和计算范式[7]。

2.1.1 区块链结构

区块链是指由一系列通过加密算法链接的数据块组成的分布式账本[8]。从创世区块开始每个区块都记录一组网络交易信息，区块链接起来形成一个完整的区块链结构，区块链结构如图1 所示。每个区块由区块头（block header）和区块体（block body）组成[9]。区块头主要保存用于与前一个区块连接的信息和用于验证的信息，包括版本号、前一个区块的哈希值、当前区块写入时间的时间戳、用于证明工作负载难度的Nonce 和难度系数以及用于验证区块体事务的Merkle 树根的总哈希，区块体主要包含交易信息和所有交易信息的Merkle树[10]。

图1 区块链结构Fig.1 Blockchain structure

在区块链网络中，任意两个节点都可以进行交易，每次交易由单个节点广播到整个网络上的所有节点[11]。当所有节点确认记录正确时，交易信息在区块链中链接，并且该过程依赖于网络的共识机制[12]。分布式结构使每个节点能够记录所有交易信息，每个节点实时更新和存储整个网络的所有信息[13]。

2.1.2 技术特点

区块链主要涉及3 项关键技术，包括加密算法、共识机制和智能合约。

首先，加密算法是用于确保系统安全的基本技术，主要包括哈希函数和公钥加密，应用于数据结构、验证方法、通信协议以及信息存储。哈希函数通过哈希值和哈希指针来保证分布式账本数据的完整性、真实性和不变性，哈希算法的关键是将输入数据转换成定长Hash，并且这个过程是不可逆的[14]。公钥加密主要是指非对称加密算法，用于向区块链网络提供身份验证[15,16]。

其次，共识机制，通过解决一致性问题的共识算法来证明节点的所有权和准确性。这种机制在系统中的不同节点之间建立信任，并保证所有节点的每笔交易保持一致。随着区块链技术的发展，出现了许多一致性算法，如工作量证明(Proof of Work,PoW)[17]、权益证明(Proof of Stake,PoS)[18]、实用拜占庭容错(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)[19]。

最后，智能合约是指以数字形式定义的一组承诺。合约内容以代码的形式固定在区块链中，最终生成自动执行的脚本[20]。每笔交易都由智能合约处理，一旦触发预定义的条件，相应的合约条款可以自动执行[21]。这个过程不需要第三方，这对商业模型的设计有巨大的影响[22]。

2.1.3 区块链溯源优势

区块链技术是融合加密算法、共识机制、智能合约等技术特点所构成的分布式数据库模型，拥有去中心化、不可篡改性、安全可追溯性等优势[23]，可以针对性的解决传统溯源系统中的信任问题，并且数据流通过程公开透明，与生鲜农产品质量追溯环节相吻合。

(1)去中心化存储。信任问题是传统溯源防伪任务中存在的最大难题，使用区块链技术可以将所有信息记录在分布式账本上，实现农产品从种植饲养、生产加工到物流运输、分销销售整个供应链过程的追溯功能。并且采用复杂的加密算法，可以使数据免受攻击和篡改，充分保障了可追溯性数据的准确性，由此解决信任问题。

(2)不可篡改。区块链中的不可篡改性主要由加密算法中的哈希函数所决定，而哈希函数生成的随机数具有不可预测性，如果想对数据进行修改就需要消耗大量算力。由于篡改数据需要付出巨大成本的原因，所以难以实现。

(3)安全可追溯。区块链技术因可通过多方共同维护同一个账本的特点，能有效打破传统的信息孤岛问题，实现数据共享，并且其独有的链式结构决定了区块链追溯具有安全可追溯性。

2.2 生鲜农产品供应链分析

生鲜农产品供应链主要是在供应商、制造商、零售商和消费者之间建立一种协作关系，主要包括信息流、资金流、物流和商流[24]。生鲜农产品供应链具有产品种类丰富、物流运输量庞大等特点，从种植养殖环节到生产环节，再经过运输环节和销售环节，最终到消费者手中的过程中仍存在着信息孤岛问题。目前，生鲜农产品供应链主要包含生鲜农产品的种植养殖、生产加工、物流运输和分销售卖等环节。生鲜农产品从农户主体供应到消费者主体的过程中涉及到的环节繁杂众多，并且信息数据量巨大，同时包括农民、加工企业、运输商、销售商和消费者等不同主体[25]。生鲜农产品供应链如图2所示。

图2 生鲜农产品供应链Fig.2 Fresh agricultural products supply chain

2.3 生鲜农产品可追溯性架构

可追溯性已成为企业、政府和消费者的重要需求。它能够跟踪、协调、执行业务事务和收集来自大多数支持IoT 设备的信息，例如射频识别(RFID)、无线传感器网络(WSN)、QR(Quick Response)码和其他IoT 设备。区块链技术为生鲜农产品可追溯性管理过程中的价值和信息交换提供了一个可行的信息透明度和安全性解决方案。可追溯性信息存储在分散的平台上，可以通过连接RFID、条形码、物联网设备等手段将物理流与信息流联系起来，可以记录不可改变且不能伪造的交易信息，有效地维护可追溯性业务中的运输物流和信息流。因此,区块链可提高信息安全和透明度,并通过基于物联网的设备为生鲜农产品提供持久性信息获取,从而提供可持续的可追溯性管理产品。通过分析生鲜农产品供应链的分析，笔者提出了一种基于区块链的生鲜农产品追溯架构，如图3所示。

图3 生鲜农产品追溯架构Fig.3 Traceability framework of fresh agricultural products

3 区块链技术在生鲜农产品追溯中的应用研究

随着区块链技术的迅速发展，越来越多的学者开始将视线聚焦在区块链应用中，其中在生鲜农产品追溯研究中也进行了大量探索。本节重点总结了国内外学者针对生鲜农产品在区块链追溯系统构建的相关工作。

3.1 果蔬产品区块链追溯研究进展

果蔬追溯主要目的是为了果蔬的食品质量安全，保证消费者手中拿到的果蔬具备可追溯性。田丰(Feng T)等人提出RFID 和区块链技术相结合用于保证整个果蔬供应链的食品安全和质量，并且减少物流过程中的损失[26]。埃尔登库乌(Erdenekhuu)提出了香蕉供应链架构，保证了香蕉从农田到消费者整个分销链上的质量安全[27]。沃尔玛在北京建立了食品安全合作中心，其芒果区块链解决方案试点将芒果从原产地的跟踪时间从7 天减少到2.2 秒，从而实现了更高的透明度和效率[28]。史亮等人基于区块链的特征和优势，在传统的果蔬追溯体系中加入了区块链技术，不但可以使消费者轻松获取果蔬农产品的所有信息，同时降低了政府监管的成本，为果蔬农产品追溯提供有力依据[29]。江琳丽等指出了利用自建二维码平台进行追溯的弊端，并以柚子产业为例，阐述了区块链技术助力溯源的新模式，体现区块链等信息技术的应用，增强了消费者对农产品质量安全的信心[30]。戈国伟等提出了基于区块链的数据哈希值二次上链和验证方法，不但保证多个参与实体之间数据的真实性，而且增强了果蔬质量追溯系统数据存储可信度，并解决了消费者追溯查询用时过长问题[31]。杨信廷(Xinting Yang)等人提出了一种基于区块链的果蔬农产品跟踪系统以解决集中管理的问题。该系统通过引入链上链下双重存储结构，缓解了链上负载压力，提高了信息的透明度和可信度。此外，性能分析结果表明，该系统符合实际应用的标准[32]。区块链在果蔬追溯的应用如表1所示。

表1 区块链在果蔬追溯的应用Table 1 Application of blockchain in fruit and vegetable traceability

3.2 畜禽肉类产品区块链追溯研究进展

为达到整个溯源流程对数据不可篡改、合同签名安全、信息共识和分布式存储等方面的要求，谯业石基于Hyperledger Fabric 平台和互联网技术，根据不同经济预算设计了不同的区块链网络的搭建方式，确保了猪肉溯源信息的真实性[33]。丹尼尔(Daniel)等提出了一种基于区块链和物联网的追溯系统，以使用PoS 作为共识方法来跟踪鸡蛋供应链数据。该系统向消费者提供关键产品信息，同时提高供应链内部的透明度[34]。左敏等人通过智能禽舍和基于联盟区块链的智能鸡舍监控管理平台采集得到的食品追溯数据集，优化了实用拜占庭容错共识算法，保证了区块链共识安全，同时提升了食品溯源区块链网络通信和共识效率[35]。陈秋强以区块链技术为基础，选用Hyperledger Fabric 架构设计了一套畜禽产品区块链追溯系统，验证了区块链溯源技术在畜禽溯源过程中的有效性[36]。杨信廷等集成区块链技术和聚合签名算法，实现监管部门节点、畜牧耳标等物联网设备间身份验证的可信追溯，并应用于畜牧资产监管身份认证，保障畜牧资产监管系统细粒度的身份验证[37]。曹守峰(Shoufeng Cao)等基于区块链开发了一种人机协调机制，以便在向消费者交付认证的可追溯性数据时，在全链范围内分担责任，并将其部署到了Beef-Ledger可追溯系统中，从而增加消费者对牛肉追溯数据的信任[38]。区块链在畜禽肉类追溯的应用如表2所示。

表2 区块链在畜禽肉类追溯中的应用Table 2 Application of blockchain in livestock and poultry meat traceability

3.3 水产品区块链追溯研究进展

针对产品质量信息的不透明和信息可篡改等问题，世界野生动物基金会(WWF)创建了一个名为“从鱼饵到盘子”的项目，重点关注新西兰金枪鱼在整个供应链中的可追溯性。其项目采用以太坊平台和RFID 技术相结合进行鱼类标记[39]。埃尔登库乌(Erdenekhuu)提出了鱼类供应链架构，为交易的安全进行以及食品质量安全提供了有力保障[27]。洪坤明等基于联盟区块链，采用GS1-128 条形码标准、PBFT共识算法及Hyperledger 智能合约链码，设计开发了分层次多用户的水产养殖品质量追溯系统，有效保障了水产养殖品食用安全[40]。李梦琪等基于Hyperledger Fabric 平台，设计了基于主从多链的水产品区块链溯源信息管理系统，提出对溯源信息进行并发分层存储，有效解决了隐私数据无需共享和单链负载两个方面的问题[41]。冯国富等基于Fabric 技术框架和星际文件系统(InterPlanetary File System，IPFS)，提出了水产品交易溯源模型。结合溯源模型构建了水产品溯源系统，并且可以满足水产品交易数据的存储和溯源业务需求[42]。李明智等针对中国贝类设施养殖产业发展中的资源共享问题，基于以太坊智能合约和信息技术构建了贝类设施养殖资源共享平台，实现了平台用户的知识产权保护以及交易过程的可追溯和不可篡改[43]。区块链在水产品追溯的应用如表3所示。

表3 区块链在水产品追溯中的应用Table 3 Application of blockchain in aquatic products traceability

4 目前尚存在的问题

4.1 消费者对区块链接受度低

加密技术是区块链中不可或缺的重要组成部分，整个供应链中的参与者都会拥有自己的公钥与私钥。针对缺少相关技术经验的企业用户、供应商和消费者而言，对私钥的概念理解程度较低，消费者通常会将私钥理解成身份证或营业执照，一旦将其丢失可以进行补办措施，但实际上是私钥无法补办，私钥一旦丢失，账户的信息与资产便无法进行任何操作，会极大的伤害消费者的利益[23]。尽管尹威(Wei Yin)等针对加密算法的安全性问题提出了针对性解决方法[44]，但在加密技术上仍有很大进步空间。

4.2 市场主体之间存在用户隐私与交易保密的顾虑

区块链作为去中心化的数据库，每个节点都掌握着全部数据信息，但企业并非希望把所有数据及交易进行公开，因为部分数据会涉及商业机密。这种现象使得供应商、制造商、零售商以及消费者之间对用户隐私和交易保密的问题产生顾虑。现阶段区块链通过隐私保护措施来保护用户隐私，底层机密性数据通过加密算法进行存储，并且只有企业用户可以查询，为确保上层应用的隐私安全，设置严格的权限控制。

现阶段追溯技术可提供消费者查询、监督的权利，但生鲜农产品在运输配送过程中易出现损坏或保鲜度不够等问题，会降低消费者的购买舒适度。在传统溯源系统中，多采用二维码、条形码等进行一物一码溯源[45]，但二维码和条形码都具有可复制性，不法分子通常会更换完整新鲜的农产品，并复制产品的追溯码，从而使商品溯源失效。

4.3 无法保证源头数据的真实性，易出现“真瓶装假酒”问题

在区块链溯源场景中，源头数据的真实性是最大的痛点。区块链只能保证上链的数据不会被篡改，但无法判断数据本身是否是真实数据。因此，结合区块链技术构建生鲜农产品追溯体系只能从一定程度上增加数据造假的成本，无法保证源头数据的有效性与真实性。

如今，在日常生活中白酒已经成为人们不可缺少的饮品，但白酒在市场中鱼龙混杂，在购买白酒时易遇到“真瓶装假酒”的问题[46]。因此，证明瓶中的酒是否被掉包以及包装中的商品是否为供应商生产成为区块链应用落地中迫切需要解决的问题。生鲜产品亦是如此，以阳澄湖大闸蟹为例，为抑制市场中出现“冒牌蟹”，当地商家为每一只大闸蟹同时包装一个防伪吊牌，但此举依然无法制止“冒牌蟹”的出现，并且市场上出现的每只假蟹同样持有防伪吊牌。为解决这一难题，冯裕清等提出一种基于迁移学习和金字塔卷积的河蟹背甲图像个体识别算法，为河蟹个体识别追溯提供了理论基础与方法支持[47]。

5 未来发展方向

随着国民消费水平的日益提升，消费者对生鲜农产品的食品质量安全标准整体提高。农户、供应商和销售商要想满足消费者的要求，就要通过各种方式加强生鲜农产品供应链各环节的食品质量保障。区块链技术的不断发展与完善，是提高食品质量安全的重要途经。本文通过总结区块链技术在生鲜农产品追溯方面的工作，并分析当前仍存在的主要问题，为未来区块链技术与农产品相结合指明方向，为提升生鲜农产品质量以及创新区块链农产品溯源提供帮助。将区块链与多技术融合，构建更完善、更安全、更高效的生鲜农产品质量安全追溯系统是当下刻不容缓的重要任务。

中国在生鲜农产品方面的发展水平正在不断进步，同时生产销售规模也在持续扩大，随之带来的追溯方式更是向着多样化发展，区块链将成为未来促进贸易的重要技术[48]。针对上述对生鲜农产品结合区块链技术仍存在的问题进行分析，笔者分别从以下几个方面阐述其未来发展方向。

(1)建立专业知识宣传平台。积极科普区块链知识，大力推广区块链生鲜农产品可追溯系统,逐渐解除消费者对于区块链农产品追溯存在的信任问题,促进区块链可追溯生鲜农产品项目的建立与实施，进而推动形成全社会支持区块链溯源的氛围。

(2)结合大数据、人工智能、物联网等技术。由于区块链无法保证源头数据真实性、“真瓶装假酒”问题以及条码可复制等痛点，可采用与图像个体识别存证[47,49-53]和视频动作识别存证[52,54]等技术相结合的方式，从而实现双因子身份验证[49]，这样既保证源头数据的真实性，又提升了产品本身的价值。

(3)充分利用相关的法律法规制定合理化标准化的行业制度标准,以保证流通到市场上的产品符合标准,促使消费者增加对各市场主体间的信任度。同时加强链下监控和链上监管,快速追查农产品流通供应链、包装检验等追溯信息,提升综合监管效能。并建立消费者查询、投诉渠道,使农产品事故解决过程透明化,提升消费者对区块链生鲜农产品追溯的信心。