基于双链区块链的农产品供应链信息协同研究

2023-03-26朱亦成张鑫

粮食科技与经济 2023年6期

朱亦成张鑫

摘要：随着数字技术上升为农业产业发展的战略方向，强化区块链技术在农业生产经营中的应用成为了农业产业发展的重要议题。当前农产品供应链面临的产销效率低下、牛鞭效应突出等问题，较大部分原因在于供应链信息协同程度不足。文章分析了目前的农产品供应链信息协同现状与存在的问题，提出了基于双链区块链的农产品供应链信息协同体系，利用区块链分布式存储、智能合约、共识机制等特性实现农产品供应链信息协同，提高信息共享度与节点之间的信任度，以期优化农产品供应链存在的信息孤岛等问题，弱化农产品供应链的供需失衡现象，提高农产品供应链的运作效率。

关键词：双链区块链；农产品供应链；信息化；信息协同

中图分类号：TP399 文献标志码：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230605

Research on agricultural product supply chain information collaboration based on dual-chain blockchain

Zhu Yicheng1， Zhang Xin2

（ 1.School of Marketing and Logistics Management， Nanjing University of Finance & Economics， Nanjing， Jiangsu 210023； 2. School of Applied Technology， Suzhou University， Suzhou， Jiangsu 215325 ）

Abstract： With digital technology rising to the strategic direction of agricultural industry development， strengthening the application of blockchain technology in agricultural production and management has become an important issue of agricultural industry development. At present， the agricultural product supply chain is faced with problems such as low production and marketing efficiency and prominent bullwhip effect. Most of the reasons lie in the lack of supply chain information synergy. This paper analyzed the current situation and existing problems of agricultural product supply chain information collaboration， and put forward an agricultural product supply chain information collaboration system based on dual-chain blockchain. It used the characteristics of blockchain distributed storage， smart contract， consensus mechanism， and other features to achieve agricultural product supply chain information collaboration， and improve the degree of information sharing and the degree of trust between nodes， with a view to optimizing the problems of information islands in agricultural product supply chain， weakened the imbalance between supply and demand in the supply chain of agricultural products， and improved the operational efficiency of the supply chain of agricultural products.

Key words： dual-chain blockchain， agricultural product supply chain， promotion of information technology， information collaboration

农业与农产品流通行业由于受到数字技术发展的影响，近年来也在加速向数字化方向转型。2020年中央“一号文件”首次明确提出“加快物联网、大数据、区块链、人工智能、第五代移动通信网终、智慧气象等现代信息技术在農业领域的应用”。此项文件的发布标志着农业数字化将以区块链、人工智能为代表的数字技术作为发展的战略方向。2021年11月国务院颁发的《“十四五”推进农业农村现代化规划》[1]再次明确提出，要“推动物联网、大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术与农业生产经营深度融合”，加快区块链技术在农业生产经营中的应用是当前农业数字化发展的一个重要内容。

国内将农产品供应链与区块链技术结合的相关研究近些年来也在不断开展，于丽娜等[2]解析了农产品供应链的概念和内涵与目前农产品流通中存在的问题，结合农产品供应链需求与区块链技术的概念、特点，提出了基于区块链的农产品供应链架构。王可可等[3]分析区块链的去中心化等特性，针对农产品追溯系统中的安全和效率问题提出一种基于联盟区块链的农产品质量追溯体系，最后通过仿真实验数据证明联盟区块链可适用于大范围、多数据的农产品追溯。生吉萍等[4]在介绍区块链发展进程和功能特点的基础上，通过构建模型对区块链提升供应链创新福利水平和供应链绩效的增效机理进行剖析，阐释区块链赋能农业协同创新发展的管理机制，最后通过案例分析得出：区块链应用优化了农业产业化路径和产业链交易方式，通过建设“供应链+区块链”与“区块链+区域化”生产交易方式，有效提升农产品供应链信息真实性并强化主体间的信任。

在之前各位学者研究的基础上，本文首先分析了目前农产品供应链中存在的信息不对称、信任缺失等问题，根据其现实需求，引入了私有链与联盟链结合的双链区块链并分析了其技术特征，构建了基于双链区块链的农产品供应链信息协同系统，最后研究该系统借助双链区块链的技术优势以实现农产品供应链信息协同优化的作用机制，能够针对前文中提出诸多问题有效优化农产品供应链的信息共享状况。

1 农产品供应链信息协同现状分析

目前中国已成为全球第二大农产品贸易国，农业质量效益和竞争力显著提高，农产品贸易圈不断扩大，产业结构呈多样化发展趋势。但从供应链形式来看，受限于较薄弱的发展基础与流通过程中现实因素的影响，我国大部分地区仍然采取以农贸批发市场为中心的传统农产品供应链形式，交易形式仍是落后的“货银两讫”现货交易，农产品供应链的形态严重落后于农业产业发展水平。

目前农产品供應链信息流运作模式主要仍处于链式双向信息流模式，供应链信息交互以及交易决策都只局限在相邻节点之间，在供应链整体上形成了信息传递的延滞与失真，对农产品产销效率产生较大负面影响。赵芸等[5]提出我国农产品供应链目前存在着生产分散、物流滞后、信息不对称、缺乏信任等问题。赵晓飞等[6]指出农产品供应链主体间合作有赖于彼此的信息沟通，而农产品供应链主体间信息沟通不畅将制约供应链发展。传统的信息技术仅能够为农产品供应链的信息协同提供部分的解决方案，必须引入新的供应链管理思路、采用新的信息化技术手段、建立新的运作机制以实现农产品供应链的高质量发展。

经过总结，农产品供应链信息协同运行的主要问题有以下4个方面。

1.1 供应链涉及多个主体，跨节点不信任

农产品供应链运营涉及到包括批发商、物流企业、零售商、消费者及政府部门等在内的多个主体，分散在供应链上下游，难以实现多主体之间的跨节点信任。

跨节点之间的不信任以及信息的单向流动会加大信息传递的风险因素，传递过程中无法保证信息的安全性与完整性。比如处于供应链源头的农产品生产者难以跨节点获取到供应链末端的农产品销售数据，收到的数据也无法保障其真实性，可能会加大供应商的成本投入和产品积压风险。

1.2 交易形式信息化水平低

目前我国农产品供应链普遍的运作模式仍然是以农贸批发市场为中心的形式，采取“货银两讫”的交易形式。但在数字经济下买卖行为愈发复杂，合同的种类也愈发扩大，落后的交易形式难以保障各方权益，阻碍了供应链的高效运作，供应链运行更加需要对各个主体进行合规管控，对于买卖的介入，帮助双方明确在民事行为中的权利和义务，保障交易双方获得应有的利益。

1.3 信息采集技术落后，产品溯源困难

目前，我国农产品供应链以线下流通为主，伴随着互联网和物联网技术的发展，部分主体开始建设物联网系统，采取信息采集技术，联合供应链上下游其他节点建设云储存数据库与农产品溯源系统[7]。但是物联网系统无法一体式建设，是由不同的主体分别在各自内部建设。这些分散在不同节点的物联网系统看似组成了一个互联互通的农产品供应链信息网络，但其业务相对独立，涉及到众多主体，存在大量的不确定因素，难以真正实现全流程的信息共享，信息难以追溯。

1.4 受限于农产品供应特点，牛鞭效应显著

农产品供应链普遍地域跨度较大，覆盖多层次节点，每个节点主要根据相邻下级节点的需求信息进行生产或供应，经常产生供大于求的现象，逐级沿着供应链向源头方向，再加上农产品的高时效性、季节性生产、生产周期较长等特点，使供应链中由于信息不对称导致的牛鞭效应会对农产品供应链造成更严重的破坏。

2 双链区块链技术与农产品供应链信息协同间的耦合

农产品供应链上下游之间、政府与企业之间等都存在委托代理关系，而在一系列活动中，不同的主体对于农产品供应链所包含的资金、物资、信息的流动及其存量等情况的了解是不同的。龙头企业等农产品供应链核心节点能够较充分地获取整个供应链的运作信息，在农产品供应链合作之中处于有利位置。而农户或消费者等个体以及部分规模较小的企业和合作社由于自身规模和技术局限，仅仅掌握生态农产品供应链的部分信息，难以把握供应链运行情况，在农产品供应链合作之中处于劣势。虽然，核心企业在互联网技术应用的基础上可以通过建立信息交流平台等方式促进生态农产品供应链信息流通，但是，由于核心企业的盈利特性，其即使构建了相关信息交流平台，也是以自身利益为中心，相关信息的流动和各主体的沟通也在核心企业的控制之下。

双链区块链技术是由计算机科学、数学等多门学科交叉形成的，其本质是一个去中心化的数据库[8]。针对农产品供应链信息协同中存在的诸多问题，双链区块链的各项技术特征存在天然耦合，例如时间戳技术能够有效弱化供应链信息传递失真问题；智能合约技术可以提高农产品流通效率、降低交易风险等。

双链区块链的技术特征与农产品供应链之间的的耦合关系如图1所示。

3 基于双链区块链技术的农产品供应链信息协同模式设计与构建方案

3.1 平台体系结构

针对农产品供应链目前在信息协同方面存在的诸多问题，提出基于双链区块链的农产品供应链信息协同系统，该系统主要由数据存储层、网络共识层、智能合约层和服务应用层4个部分组成。其中，数据存储层主要提供联盟链加私有链的数据存储功能；网络共识层使用适用于高可信度联盟链、私有链的实用拜占庭容错算法；智能合约层在双链系统中引入智能合约提高信息共享速率与交易可靠性；服务应用层为最终的信息开放平台，向各级用户开放并对数据信息进行高实用性管理。基于双链区块链的农产品供应链信息协同的整体架构如图2所示。

3.1.1 数据存储层

对供应链上的各个主体而言，自身的交易记录、资金状况等数据是需要保密的敏感信息。而区块链区别于企业自建的数据库与中心化数据库，是一个高度开放的信息系统。因此，将交易记录等原始数据存放至区块链需要对节点进行可靠的数据保护。在保护节点私密信息的基础上，系统还需要实现跨节点的数据交互、职能部门的监督管理等功能，需要额外在数据保护的基础上构建数据访问控制机制。

所以系统的数据存储架构分为私有链和联盟链，主体包括农户、批发商、物流商、零售商、消费者及政府部门等。各个主体在使用独有的密钥对其所持有的供应链信息签名之后，通过哈希算法生成信息相应位置的hash值和相应的摘要信息，之后由系统根据生成信息的时间顺序排列生成共享信息联盟链。

此外，私有链每生成两个区块就会将产生相应的位置hash值和摘要信息打包存储在联盟链中，从而缓解信息共享面临的存储空间和吞吐量等问题。

本文设计的双链区块链信息存储架构如图3所示。

在双链信息存储架构下，作为用户数据的私有链的主要功能是保护链上主体数据的完整性、真实性和隐私性，并保障数据的可追溯性，是数据层的主要存储场所。所以本文在私有链数据存储中引入Merkle Tree存储结构，以实现对节点于私有链的敏感数据的快速归纳与存储、大规模检验与访问等功能[9]，如图4所示。

Merkle Tree结构首先会对主体的交易信息等数据进行哈希运算并得出计算结果，记作hash值并录入到区块主体中；这一过程在多次重复之后得到的哈希结果就是本区块Merkle Tree的根，被封装在每个区块的头部。

这种数据结构使得各个区块只需在其头部封装Merkle Tree的根即可，无需再存储大量底层数据，降低了数据存储与运算给系统带来的算力压力。同时各个区块内都保留了上一个区块的hash值，能够快速验证区块数据的真实性和完整性。

3.1.2 网络共识层

在网络共识层本文采用实用拜占庭容错算法（practical byzantine fault tolerance，PBFT）。

农业作为基础产业是国民经济的基础，农产品供应链不可能实现完全的去中心化。在一个支持PBFT的分布式系统中的节点是按顺序排列的，其中一个节点是主节点，其他节点被称为次节点。但同时PBFT中的主节点并不具备很大权限，与普通节点地位相对平等，如果主节点出现问题，普通节点可以拒绝其请求并很容易被替换。

PBFT中节点与目前主流的工作量证明算法（proof of work，PoW）不同，无法随意加入，需要经过选举或许可，保障了农产品供应链内部主体的真实性与可靠性。这样的节点准入机制也使得系统节点相对固定，更加适用于网络环境可信度较高的联盟链与私有链。

3.1.3 智能合约层

智能合约层在智能合约技术的基础上建立智能化农产品供应链信息共享方式。一旦完成了智能合约的部署，系统就能够通过识别交易执行状态并触发合约自动执行，这一过程链上任何节点都无权篡改或阻止。智能合约进行可信交易无需第三方的担保。

3.1.4 服务应用层

服务应用层是在前3层的基础上建立的共享平台节点服务接入端口，由管理节点、普通节点以及基于双链区块链的农产品供应链信息Web 应用接口组成。其中，Web应用端口向管理节点和普通节点开放，二者可以通过该端口实现交易查询、数据检索、信息溯源等业务，信息需求方获取信息后也可凭借位置hash值对信息进行溯源查询。同时为解决开放性Web应用接口带来的安全风险问题，系统结构中引入普通节点与管理节点，规定节点访问权限，只有授权成为节点的用户才可查询信息源数据记录，未授权用户无法查询此类敏感信息。此外，服务应用层还可以监控信息共享运行情况，并及时给予警告信息。

3.2 宏观控制机制

作为国民经济的基础，农业产业的发展不可能离开政府的监督与管理。在政府大力支持农业发展的背景下，由相关职能部门接入到双链区块链系统中，对农产品供应链信息进行宏观控制，能够充分发挥政府的主导优势，确保区块链网络上链信息的真实性和可靠性，保证供应链的平稳运作。

所以在基于双链区块链技术的农产品供应链信息协同体系中，除去农户、批发商、消费者等供应链内部主体，还需要将供应链外部主体即政府监管部门等管理主体作为主节点加入区块链中。

宏观控制机制中以政府职能部门为主体的政府主导机制如图5所示。

首先，作为节点嵌入区块链中的政府职能部门能够在区块链中便捷地发布与农产品经营相关的制度信息以及经营质量标准，以便农产品供应链上各主体在运营过程中及时获取到最新相关政策，规范自身经营行为。

其次，农产品供应链上的各主体在区块链中上传各个环节中产生的诸如农产品生产信息、物流运输状态、仓储设施投入等数据，这些数据不仅会在供应链运行过程中公开透明，还会接受职能部门的监管和上下游企业的监督，最终引导各主体在职能部门的宏观管控下合法合规开展业务。

同时，包括质检部门、税务部门等在内的职能部门在系统中对农产品供应链运营状况进行全方位的监管，其监管行为与监管数据也会通过分布式存储系统上传至区块链中供全体主体监督。农产品供应链监管数据在不同的职能部门之间、职能部门与经营者之间的信息共享，促成各方之间的相互监督。职能部门不仅是供应链运营的监督者，也会受到来自供应链全体的监督，最终规范各部門的监管行为。

最后，系统中设置的联盟链电子认证（certification authority，CA）证书颁发机构，通过节点准入机制实现对全链各节点的行为检测，对区块链中各节点进行资格审查，对供应链运营过程中各个节点进行认证。只有获得了CA证书的供应链节点才可以被认定为信任主体，嵌入到区块链中，并将该主体的诚信信息记录到其所在区块中；而未通过审核的不合格节点将会被记录惩罚信息，累计之后将最终被监管部门逐出供应链系统中。系统通过CA认证对节点进行审查最终实现市场调节，激励各节点合规经营，助力农产品供应链高质量发展的实现[10]。

4 双链区块链系统赋能农产品供应链信息协同机制

双链区块链体系通过以下4个方面的机制优化了农产品供应链各主体之间的信息共享，推进了农产品供应链的信息协同。

4.1 分布式存储提升跨节点信任，消除信息孤岛

农产品供应链在引入双链区块链之后，分布式存储能够实现供应链信息的公开透明，其内部各个主体可及时将信息发布在链上，以此实现数据信息的分布式存储、记录与更新。

双链区块链将农产品供应链区分为私有链与联盟链，联盟链的分布式存储实现由链上所有节点参与记录，并且设置非中心化的账本，参与者之间的信息共享都在账本中同步更新。各主体节点根据发布的信息更新自身私有链数据库，并及时在联盟链共享最新数据，避免了传统中心化组织中不同账本更新过程中花费的时间和精力，最终提高各主体推进农产品供应链信息协同的能力。

4.2 智能合约改进交易方式，提高供应链运作效率

智能合约技术是一套基于数字呈现的计算机协议，在其完成代码撰写之后可用于共享主体间的数据信息交换。代码中会设置智能合约触发的条件。在编码完成之后，智能合约就会上传至双链区块链网络。数据上链表明，用户已经与程序执行代码达成协议且网络中所有节点同步更新，这使得双链区块链的单独节点无法对链上数据进行操作。

在智能合约的管控下，系统可以脱离第三方信任中介直接运作，省去了缔结和约前的信用调查等步骤，简化了信息流通的交易流程、节省了信息流通的人力成本。需要指出的是，合約储存在链上的去中心化账本中，链上各个节点都存在智能合约副本，可以减少合约放错或丢失的风险，加速合约执行与验证的过程，提高信息共享效率。

4.3 时间戳搭配加密算法，实现供应链透明可追溯

时间戳是区块链技术体系的最典型特征，其将系统中的区块按照生成时间排列，当获得记账权限的节点加入双链区块链网络便被加盖时间戳，以此表明数据生成的时间，保证链上各区块按照时间顺序依次排列，保障了数据的长期安全存储。

时间戳在与非对称加密、哈希算法等匹配之后能够实现区块链系统的稳定运作。双链区块链的非对称加密技术由信息共享者利用需求方公钥对传递的数据进行加密，之后再由需求方利用私钥对信息进行破解，并对已接收且解开的信息利用私钥进行签名。网络中其他节点可以利用信息需求方公布的公钥对其进行验证，从而保障共享信息的真实性与有效性。因此，基于双链区块链技术的数据共享具有极高的可靠性、追本溯源性以及防篡改性。

4.4 去中心化实现平等信息交互，弱化牛鞭效应

区块链技术按照去中心化思想对农产品供应链信息资源实行分布式管理，各主体享有相同的权利与义务，诚实地存储信息并公平地进行信息交换。区块链的点对点的组网方式、分布式账本及去中心化特性适用于跨区域和区域内农业产业链中的多主体协作模式，有效地实现农产品供应链牛鞭效应的弱化。

5 结语

本研究分析了目前农产品供应链在信息协同方面存在的部分缺陷，基于双链区块链视角剖析了农产品供应链信息协同的赋能机理，在此基础上提出基于双链区块链的农产品供应链信息协同系统。

基于双链区块链的农产品供应链信息协同系统，能够有效满足当前日益发展的农产品供应链的信息服务需求，对解决现阶段农产品供应存在的诸多问题具有积极意义，这不仅有利于我国农业产业的高质量发展，践行“十四五”农业发展要求，还顺应了未来农业发展智能化的发展潮流和缓解区块链需长期扩容的问题。

需要指出的是，本研究仅仅是从理论层面对基于双链区块链的农产品供应链信息协同系统建设进行探讨，缺乏基于实际案例数据的实证分析，拟在今后的研究中不断完善。

参考文献

[1] 中国政府网.国务院关于印发“十四五”推进农业农村现代化规划的通知[R/OL].（2021-11-12）[2022-12-20].http：//www.gov. cn/zhengce/zhengceku/2022-02/11/content_5673082.htm.

[2] 于丽娜，张国锋，贾敬敦，等.基于区块链技术的现代农产品供应链[J].农业机械学报，2017，48（S1）：387-393.

[3] 王可可，陈志德，徐健.基于联盟区块链的农产品质量安全高效追溯体系[J].计算机应用，2019，39（8）：2438-2443.

[4] 生吉萍，莫际仙，于滨铜，等.区块链技术何以赋能农业协同创新发展：功能特征、增效机理与管理机制[J].中国农村经济，2021（12）：22-43.

[5] 赵芸，黄解宇.农产品供应链主体协同机制研究：以山西为例[J].技术经济与管理研究，2019（10）：22-25.