区块链技术在农产品供应链中的应用与发展对策

麻剑钧，刘晓慈，易森林，封春芳，夏先亮

（1.湖南省农业农村信息中心，湖南 长沙 410005；2.衡阳县优质农产品开发中心，湖南衡阳 421200；3.常宁市洋泉镇农业综合服务中心，湖南 衡阳 421524；4.衡南县三塘镇农业综合服务中心，湖南 衡阳 421100；5.常宁市农业技术推广中心，湖南 衡阳 421500）

区块链技术是以数据库作为数据存储载体，以P2P 网络作为通信载体，依赖密码学确定所有权和保障隐私，依赖分布式系统共识框架保障一致性，旨在构建价值交换系统的技术[1]。区块链是利用密码学、共识机制、智能合约等技术共同实现的去中心化、多方可信、不可篡改、可追溯的分布式账本[2]，因此区块链技术又被称为分布式账本技术。随着区块链技术的不断发展，它已经成为众多领域的改革技术之一[3]，被许多不同的行业所采用，特别是具有银行[4]、供应链[5]、物流[6]等背景的行业。作为新兴底层技术，区块链技术为农业现代化提供了基础条件[7]。农产品区块链发展政策和战略模式呈现不同的地方特色，东部地区凭借经济、技术、人才等优势高规格高起点投入，以巩固引领新技术革命优势保持领先发展；而西部地区则把区块链作为继大数据、人工智能等新技术实现后的又一战略选择[8]。因此，分析农产品区块链的原理和运行机制，打造可信任、高透明度的农业供应链，促进农产品溯源、农产品供应链管理等领域的发展，对我国农业高质量发展具有重要意义。

1 农产品区块链原理及运行机制

区块链本质上是一个分布式数据库，它以加密块的形式按时间顺序排列记录链，由所有已执行并在参与方之间共享的交易组成。这些交易的结果可以在未来的任何时候被验证和访问，因为一旦输入，信息就永远不会被删除。这是在不损害相关各方隐私的情况下完成的，因为数据是加密的，称为“矿工”，被要求解决计算密集型问题，而其他计算机则验证解决方案与之前的交易是否对应。网络中的每台计算机都存储区块链的副本，节点定期同步，以确保所有节点共享相同的数据库。

随着新交易的产生、矿工节点持续的完成对随机数的计算，以及节点对交易信息进行验证并产生新的区块储存交易信息，这个链式的结构就会随着时间节点的先后持续增长[9]。每个环节上节点都拥有一份包括全区块的信息备份，而这是通过数据验证算法解密后自主完成[10]。

如图1 所示。区块链的基本组成单元是区块，区块记录一段时间内的交易。由包含元数据的区块头和许多条交易记录的区块体2 部分组成。区块头包括版本号、父区块哈希值、时间戳、随机数、目标值、Merkle 树的根植等。目标值是哈希值的阈值。随机数与目标值组成数学运算，目标值相当于随机数的值域，由随机数计算出的值要在目标值范围内。该数学运算成立获得区块的记账权。区块的全部交易的认证都被记录在时间戳。当前区块记录前一区块的哈希值，后一区块记录后一区块的哈希值。哈希值是每个区块的唯一标识。区块通过哈希值连接在一起。通过这种方式，从最新的块到第一个区块的连接是由每个块到其父散列值的序列创建的，创建了一种类似于数据结构的形式。即通过单向的哈希链将所有区块组织成一个整体。区块哈希值是区块的摘要信息，区块的改变必将引起区块哈希值的改变。父区块的哈希值已经保存到子区块中，若要篡改父区块，则必须篡改子区块所保存的哈希值。而且每个区块包含的众多交易通过Merkle 树结构与区块头中的 Merkle 树的根值相关联，任何交易的变动都将引起连锁反应导致此区块以及后续区块的数据都会变化。

图1 区块的组成

为了确保数据的安全性，区块链中的初始数据都是经过Hash 函数处理的，Hash 函数的特点为：输入的字符串可以是任意长度的；输出的大小是固定的；能进行有效计算且速度较快。为了保证Hash函数的安全特征，则需附加三个特性：单向性、友好性、抗碰撞性。

Merkle 树看起来非常类似于二叉树，它可以总结并快速验证一个块中的所有交易数据。叶节点使用数据块的散列作为其标记，而非叶节点使用其子节点的标记的加密散列作为其标记。如图1 区块体所示，将每个事务的哈希值分别作为叶节点。将两个叶节点的哈希值进行另一个哈希计算，生成父节点，即Merkle 根。当交易记录被篡改时，值将不一致。这种环环相扣的存储方法不仅使区块链能够快速发现信息已被篡改，而且使它能够快速定位具体的事务信息。

比特币是最初的区块链。它是一种公有链，开放性的、完全去中心化的。参与者（节点）可自由加入或者退出区块链，通过交易或者挖矿来读取和写入数据。但随着应用场景不同，不同领域或行业要求区块链系统实现不完全去中心化，且希望可以控制开放性。因此，将区块链分为三类：公有链、联盟链、私有链。私有链的记账权、组织部署和运营归私人或私人机构所有，不对外开放[11]。虽然内部是区块链结构，但对外部来说私有链系统是中心化的。私有链的节点由私人或私人机构全权控制，具有访问权限可控、交易速度高、成本低等优点。

针对农产品供应链特点，联盟链更适用农产品供应链。联盟链是应用于联盟组织的区块链，由群体或者部分组织机构组成的链条。联盟中的成员承担记账职责，每一个组织成员都可以作为记账节点，其智能合约经联盟协商一致后进行部署。联盟链介于公有链和私有链之间，是一种特殊的区块链，是弱中心化或者多中心化。加入联盟链需要注册和许可，只对注册经过许可的组织机构开放。以此维护分布式结构，限制参与者的数量。通过预先选择的节点来验证数据和区块，不须整个网络中的所有节点参与验证，加快了区块的生成，缩短了数据达成一致性和验证的时间。此外，通过预先设置的节点在区块链中进行验证，提高联盟链的安全性。由此可见，联盟链具有共识节点少、系统运行效率高、交易速度快等特点。溯源系统在隐私保护、交易速度和内部监督方面要求很高，在溯源系统中采用联盟链更加合适。如果每个溯源 参与者都加入联盟链，结合智能合约技术，可以有效解决现有溯源系统建立在单一企业发展基础上的问题，从而打破企业之间的信息孤岛。

2 农产品区块链应用分析

2.1 农产品供应链管理

农产品供应链的管理包括许多管理者（如农民、生产者、经销商、超市管理员）和作业（如农业监测、食品质量认证、产品运输和包装），这些管理者和作业对最终产品的质量有重大影响。管理者和作业的数量以及它们之间的交互是众多而复杂的。农产品供应链的高度复杂性和处理产品的敏感性要求有效和透明的管理。

将区块链技术应用于农产品供应链管理的核心之一是增加透明度。区块链技术通过节点建立共识网络使日常业务更透明、更可靠，在发生故障时有更快的反应时间。

记录在区块链数据库上的数据可以被认为比集中的数据库更可靠，因为它们在进入系统后无法被操纵。然而，区块链技术无法防止输入系统前的数据造假、欺诈。为了防止数字产品和实体产品之间的数据不一致性，可以采取以下对策防范：（1）加密签名的证书，有机农业数据符合分布式文件标准，由独立第三方直接添加到分类账中。将数据概要及数据详情的Hash 值存储在区块链，加密后的详情数据存储在本地文件系统中。（2）通过分析方法确定农产品的化学、物理和生物特性是质量管理体系的一个组成部分，可用于有机生产的认证、地理来源的确定以及农产品中农药残留的检验。（3）将物联网设备产生的相关数据整合到质量管理流程中，同时也共享在分类账中。光谱传感器与多变量数据分析相结合是检测草药和香料掺假等的有效和快速工具。在供应链的不同阶段，原料的“光谱指纹”的比较和验证可用于质量管控。

供应链中的参与者可以参与具有透明度特性的分布式账本的建立，并使用区块链技术对信誉进行有效评估。建立良好信誉可以从竞争对手中脱颖而出，并可能增加用户。此外，恶意和欺诈会给农产品企业带来长期的经济后果。利用区块链构建良好信誉的农产品供应链，“从农场到餐桌”全程可监控可以真正实现。

2.2 农产品溯源系统

由于供应链的实体数量众多，溯源过程非常繁琐，因此将实体划分为农场、加工机构、配送机构、销售机构和监管机构，这五个机构涵盖了供应链中所有节点。在该系统中，任一节点与其上级和下级之间构成了链条关系，依此形成由各级节点溯源事件组成的溯源链。

为了实现农产品的可追溯性，使用超级账本智能合约记录溯源信息，将农产品供应链的所有参与者添加到系统中。详细记录作物的环境和生长数据，其中作物的生长图像带有时间戳。时间戳为用户提供了一些用户数据生成时间的电子证据。农民收获成熟的作物，出售给加工机构进行加工。成品农产品由分销商批量采购、储存并出售给零售商，零售商从分销商处购买农产品，再小批量直接销售给客户。分销商和零售商统称为销售机构。

采用数字签名对溯源数据进行加密，存储在区块链中，具有以下优点。（1）防篡改：签名后通过签名的计算和验证来确定数据的真实性确保数据的完整性。（2）不可否认性：数字签名是对存储数据实体的认证，也是对签名过程的证据。（3）保密性：数据丢失很可能导致数据泄露，但需要对数字签名的数据进行解密才能获得原始数据。

节点和机构对自身数据负责，区块链通过智能合约自动执行程序，一旦有违反合约行为的，将采取处罚措施。在种植阶段，农民使用各种传感器将作物的生长环境信息和详细信息直接实时上传到服务器。数据不经过人工处理，增强了数据的真实性和防篡改特性，使数据具有可审计性和可信性。（1）农场机构：农场负责种植作物，包含农户信息、种植信息、地块信息、作物信息、管理信息等。利用传感器监测和记录作物生长的数据，如生长环境的温度、湿度、CO2和O2浓度、光照和土壤质量，并将有关作物生长过程的信息以图像或MPEG 的形式存储在溯源系统中。农户负责创建智能合约，并将数据的哈希值存储其中。（2）加工机构：农场机构收割农作物后，将其出售给加工企业，加工企业将农作物加工成消费者最终购买的成品。将加工企业信息、加工过程信息、仓储信息、批次关联信息、数量保存在溯源系统中。数据哈希存储在区块链中，最终生成数据标签并粘贴在农产品包装上。（3）配送机构：配送机构信息、配送作业信息、物流信息。（4）销售机构：成品在到达零售商之前可能要经过多级分销。 经销商负责储存加工过的农产品，并分批销售给零售商。公司信息、零售商信息、员工信息、销售时间、数量、价格存储在系统中，而在区块链中存储数据哈希值，确保后续数据不被篡改。零售商从分销商那里购买加工过的成品，然后少量卖给消费者。（5）监管机构：主要管理和指导质量监督检验工作，负责对生产企业实施农产品质量监督和强制检验。 主要包含监管部门信息、作物检测信息、成品检测信息、检测时间。查处标准化、计量、质量等违法违规行为，打击假冒伪劣违法行为，溯源信息记录在系统上，哈希值存储在区块链上。

3 农产品区块链存在的问题与发展对策

3.1 农产品区块链存在的问题

3.1.1 区块链应用的农业基础设施薄弱目前我国农业数字化程度低，农业基础设施与区块链产品应用的硬件条件不匹配。一是农产品区块链的基础设施薄弱。小农户家庭经营仍是主体，农业数据资源分散，无法轻松、有效地获取农业数据。二是与农产品区块链相匹配的智能农业机械、农业传感器、农业软件平台等设施发展滞后，硬件设备和软件平台无法满足农产品区块链技术的推广应用。三是农业数据的标准化不统一。上传区块链的数据必须统一标准，复杂、多样的农业数据无法满足标准化数据采集。

3.1.2 上传区块链前的农业数据不可靠第一，农产品区块链应用的基础是采集标准、可靠的农业数据，而目前农业数据采集设备各样、口径多样、规范不一，这些数据一旦“上链”则造成农产品区块链不可靠。第二，农民文化知识水平较低，没有形成隐私保护意识，农产品区块链信息透明性公开了农民信息，不法分子更容易收集和倒卖农民隐私信息，侵犯农民隐私，传播不良信息，造成农民财产损失，对社会安全、社会认知等存在潜在风险。

3.1.3 农产品区块链复合型人才缺口大 一是农产品区块链涉及农学、计算机科学、计算数学等领域，农产品区块链复合型人才既要掌握区块链原理且能够应用区块链技术，又要能够运用农产品供应链专业知识，还要了解传统农产品供应链的痛点和瓶颈，这样农产品区块链复合型人才严重缺乏。二是目前我国小农户家庭经营者大多年龄偏大、文化知识水平较低，对区块链这种前沿高科技技术持怀疑态度，对新技术应用的前期高成本投资不愿尝试。

3.2 农产品区块链发展的对策建议

3.2.1 完善基础设施建设，拓宽农产品区块链应用领域一是各级政府加大智能农业机械、农业传感器、农业软件平台等基础设施建设的财政补贴。同时制定优惠企业援助政策，鼓励企业投入农产品区块链基础设施建设中。二是在农产品供应链管理和农产品区块链溯源的基础上，依托移动通信产业，加快农产品溯源全程化、农产品供应链现代化、农村信贷平民化、农业产业保险层次化等，提升智慧农业智能化水平，为农产品区块链大范围应用奠定设施基础。

3.2.2 构建行业标准体系，强化农产品区块链技术应用一是针对同类农产品数据，设计类似的采集设备，制定统一口径，建立标准数据规范，加强农产品区块链标准化研究，规范农产品信息采集方法。各级政府组织龙头企业、高校院所等专家、技术骨干组成标准制定团队，共同开展农产品区块链技术研发、科技成果转化。二是大力推动农产品区块链的试点示范，建立农产品区块链应用场景，让企业、小农户家庭经营者看到农产品区块链产品。三是布局特色农产品区块链应用群，与农业物联网、农业大数据形成良性互补、协同发展的格局。

3.2.3 加快建设复合型人才队伍，提升农产品区块链技术应用能力一是各级政府部门、高等院校和科研院所联动合作，有针对性地培养农产品区块链复合型人才，既加强区块链技术的应用，也要普及农产品的专业知识。二是利用远程教育、线上课程等方式培养企业技术骨干和小农户家庭经营者等农产品区块链人才，形成人才梯队。支持农民利用手机终端等学习农产品区块链知识，普及相关政策、技术和经验。

4 结 论

区块链是分布式数据库，以加密块的形式按时间顺序排列记录链，由所有已执行并在参与方之间共享的交易组成。随着区块链技术的不断发展，它已经成为众多领域的改革技术之一，被许多不同的行业所采用，特别是具有银行、供应链、物流等背景行业。作为新兴底层技术，区块链技术为农业现代化提供基础条件。本文分析了农产品区块链的原理和运行机制，打造可信任、高透明度的农业供应链，促进农产品溯源、农产品供应链管理等领域的发展，对我国农业高质量发展具有重要意义。