近年來，農(nóng)獸藥殘留超標等農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全事件頻發(fā)，不僅危及人們的身體健康，同時也對農(nóng)產(chǎn)品出口貿(mào)易造成不利的影響，因此成為社會關(guān)注的熱點[1 - 2]，農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)成為保障農(nóng)產(chǎn)品安全的重要手段。農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)能夠記錄、存儲供應(yīng)鏈從生產(chǎn)到銷售的數(shù)據(jù)信息，一旦發(fā)生農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題，系統(tǒng)能夠快速追溯產(chǎn)品來源，并且定位責(zé)任主體，及時召回有問題批次的產(chǎn)品[3]。目前，追溯系統(tǒng)的研究主要集中在射頻識別[4]、二維碼[5]、無線傳感網(wǎng)絡(luò)[6]等物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對追溯信息的采集方面，但國內(nèi)農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈具有鏈條長、生產(chǎn)分散、信息多源異構(gòu)等特點[7]，供應(yīng)鏈上下游主體由于復(fù)雜的利益博弈關(guān)系，造成各節(jié)點間信息不對稱、信任成本較高等問題，影響了整體追溯效率。同時，傳統(tǒng)追溯系統(tǒng)存在無法將供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的追溯信息進行準確關(guān)聯(lián)、由企業(yè)中心數(shù)據(jù)庫自主管理供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)等問題，導(dǎo)致追溯信息不精確、不完整[8]，產(chǎn)生糾紛時舉證困難、責(zé)任難以明確[9]。因此，傳統(tǒng)追溯技術(shù)無法完全解決我國農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯中存在的問題，探索有效的技術(shù)方案成為國內(nèi)外研究的熱點。

　　1 傳統(tǒng)追溯技術(shù)

　　追溯是指通過記錄或標識，追蹤和追溯客體的歷史、應(yīng)用情況或所處位置的活動，追溯系統(tǒng)指基于追溯碼、文件記錄、相關(guān)軟硬件設(shè)備和通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)現(xiàn)代信息化管理并可獲取產(chǎn)品追溯過程相關(guān)數(shù)據(jù)的集成[23]。農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯重點跟蹤記錄農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、運輸、銷售等環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)“從農(nóng)田到餐桌”的全環(huán)節(jié)監(jiān)管[24]。表 1 列出了國內(nèi)外在水產(chǎn)品、農(nóng)產(chǎn)品、果蔬等大型生鮮農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域建立的典型追溯系統(tǒng)[25 - 26]。

　　2 區(qū)塊鏈追溯

　　2. 1 區(qū)塊鏈簡介區(qū)塊鏈是多方參與共同維護的持續(xù)增長的分布式數(shù)據(jù)庫[32 - 33]，基于分布式網(wǎng)絡(luò)、密碼學(xué)和共識機制建立信任關(guān)系，通過智能合約構(gòu)建價值互聯(lián)網(wǎng)。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是共享賬本[34]，通過開發(fā)分布式平臺解決主體協(xié)作、信息誤傳、缺乏監(jiān)管的問題; 基于全網(wǎng)節(jié)點的計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)共享模型，提供大數(shù)據(jù)共享和證據(jù)保存; 通過零知識證明[35]和安全多方計算，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的驗證而不披露。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下所有節(jié)點互聯(lián)互通、對等通信，共同查詢、記錄、維護賬本數(shù)據(jù)，打破信息孤島，擴展網(wǎng)絡(luò)化運行的邊界，實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的去中心化[36]。

　　2. 2 區(qū)塊鏈分類根據(jù)節(jié)點參與方式，區(qū)塊鏈可劃分為公有鏈 ( Public Blockchain ) [38]、 私 有 鏈 ( Private Blockchain ) [39] 和 聯(lián) 盟 鏈 ( Consortium Blockchain) [40]。根據(jù)節(jié)點參與權(quán)限，區(qū)塊鏈可劃分為許可鏈( Permissioned Blockchain) [41]和非許可鏈 ( Permissionless Blockchain) [42]。表 2 分析了不同類型的區(qū)塊鏈在節(jié)點參與、記賬權(quán)、讀寫權(quán)限、激勵方式以及網(wǎng)絡(luò)特征等方面的特點。

　　2. 3 區(qū)塊鏈追溯技術(shù)區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)是在追溯系統(tǒng)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)信息、加工信息、運輸信息以及銷售信息的數(shù)據(jù)一旦驗證通過寫入?yún)^(qū)塊賬本就無法修改，保證數(shù)據(jù)的真實、透明、可靠[43]。表 3 列出國內(nèi)外主流組織和權(quán)威學(xué)者對區(qū)塊鏈追溯的定義。從中可以看出，農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯目的是實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品全生命周期跟蹤追溯，構(gòu)架農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈間的溝通橋梁，提升信息的透明度和真實性，在追溯平臺信任得到了良好的維護。

　　3 區(qū)塊鏈追溯關(guān)鍵技術(shù)研究進展

　　基于聯(lián)盟鏈的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)利用各種物聯(lián)網(wǎng)采集和保存方式，獲得農(nóng)產(chǎn)品在生產(chǎn)、加工、運輸以及銷售過程中的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，同時利用智能合約自動執(zhí)行交易條款，基于非對稱加密和數(shù)字簽名保證交易數(shù)據(jù)的唯一性和安全性，通過多通道的事務(wù)隔離性提供隱私保護，確保了信息流、資金流、物流和商流的可靠流轉(zhuǎn)，在離散程度高、鏈條長、參與主體多的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中實現(xiàn)多組織高效協(xié)作、資源共識共享共治的智能化配置，大幅降低農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈成本。區(qū)塊鏈技術(shù)涉及到組網(wǎng)建鏈、數(shù)據(jù)協(xié)同、共識算法、智能合約、隱私保護和模式標準等系列技術(shù)，限于篇幅，本文重點從區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同、區(qū)塊鏈追溯共識機制和區(qū)塊鏈追溯隱私保護方面分析區(qū)塊鏈追溯關(guān)鍵技術(shù)的研究進展。

　　3. 1 區(qū)塊鏈追溯鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同技術(shù)國內(nèi)聯(lián)盟區(qū)塊鏈追溯的發(fā)展重點方向是鏈上鏈下的數(shù)據(jù)協(xié)同[57]，在區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)中鏈上需要鏈下的信息系統(tǒng)擴展計算和存儲能力，鏈下的信息系統(tǒng)需要和鏈上對接實現(xiàn)異構(gòu)信息共享解決信息孤島問題[58]。區(qū)塊鏈追溯鏈上通過哈希函數(shù)的單向加密和不可碰撞性保證鏈上信息完整性，但卻無法解決鏈下虛假數(shù)據(jù)或真實數(shù)據(jù)上鏈過程的真實性問題[59]，為實現(xiàn)大批統(tǒng)一的區(qū)塊鏈應(yīng)用落地，區(qū)塊鏈鏈上鏈下數(shù)據(jù)協(xié)同能力成為目前研究熱點。

　　3. 2 區(qū)塊鏈追溯共識機制區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡(luò)處理容錯的核心是共識機制，全網(wǎng)節(jié)點在預(yù)設(shè)規(guī)則下與其它節(jié)點交互達成對數(shù)據(jù)、行為或流程的一致，實現(xiàn)交易的不可變、全局一致的注冊[69]。公有鏈常用工作量證明機制 PoW ( Proof of work) 、權(quán)益證明機制 PoS( Proof of stake) 和委托權(quán)益證明機制 DPoS( Delegated proof of stake) 等共識機制; 聯(lián)盟鏈常用實用拜占庭容錯算法 PBFT ( Practical byzantine fault tolerance) 、Kafka 等共識機制; 私有鏈中常用 Raft 共識機制。表 6 對不同區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的共識算法進行了分析對比。

　　3. 3 區(qū)塊鏈追溯數(shù)據(jù)隱私保護技術(shù)區(qū)塊鏈基于對稱加密算法、非對稱加密算法、哈希算法保證數(shù)據(jù)完整性、隱私性和有效交易憑證[81]，并使用數(shù)字簽名保障交易安全，尤其以橢圓曲線加密算法生成公私鑰對和橢圓曲線數(shù)字簽名算法保障交易不可抵賴為代表，并通過零知識證明和多方安全計算實現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全驗證[82]。表 7 對比分析了隱私保護加強技術(shù)。

　　4 區(qū)塊鏈追溯應(yīng)用

　　在區(qū)塊鏈追溯應(yīng)用實踐方面，國內(nèi)外商業(yè)公司進行了積極的探索。比較典型的是螞蟻集團研發(fā)的螞蟻鏈、京東集團研發(fā)的智臻鏈以及江蘇中南建設(shè)集團股份有限公司聯(lián)合黑龍江北大荒農(nóng)業(yè)股份有限公司設(shè)計構(gòu)建的區(qū)塊鏈大農(nóng)場。其中，螞蟻鏈通過將網(wǎng)絡(luò)準入權(quán)限與支付寶綁定，實現(xiàn)一鍵式快速部署，已應(yīng)用于奶粉、大米、紅酒、蜂蜜等全球 30 億件商品的原產(chǎn)地或境外溯源保真，溯源產(chǎn)地覆蓋 120 個國家，支持 14 萬類商品，解決溯源信息的真實性問題[91]，智臻鏈已有超 13 億條上鏈數(shù)據(jù)，700 余家合作品牌商，5 萬以上 SKU( Stock keeping unit) 入駐，逾 280 萬次售后用戶訪問查詢，解決價值網(wǎng)絡(luò)中信息流轉(zhuǎn)不暢、信息缺乏透明度、信息不對稱等問題[92]，區(qū)塊鏈大農(nóng)場應(yīng)用于北大荒高度組織化的農(nóng)場種植模式，有 9 種物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集標準，112 個電子表單，63 個農(nóng)作物種植規(guī)范，覆蓋北大荒近百萬公頃土地，解決北大荒自然資源向數(shù)字資產(chǎn)可信轉(zhuǎn)移的問題[93]。

　　5 區(qū)塊鏈追溯技術(shù)展望

　　5. 1 區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展方向 5. 1. 1 多鏈技術(shù)農(nóng)產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯規(guī)模化應(yīng)用后，受到共識速度的限制，節(jié)點的執(zhí)行性能難以線性擴展，鏈上交易在區(qū)塊鏈單鏈賬本中串行處理，難以獲得接近中心化系統(tǒng)的性能表現(xiàn)。未來區(qū)塊鏈的發(fā)展趨勢將改變單鏈主導(dǎo)，實現(xiàn)多條同構(gòu)鏈或異構(gòu)鏈并存的區(qū)塊鏈新生態(tài)系統(tǒng)，解決供應(yīng)鏈中存在的上下游博弈問題，實現(xiàn)多組織的信息對稱并降低上下游組織信任成本。劉家稷等[103]設(shè)計使用公有鏈和私有鏈構(gòu)建追溯系統(tǒng)，使用私有鏈存儲企業(yè)產(chǎn)品信息，使用公有鏈保證鏈上數(shù)據(jù)的可驗證和不可篡改，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲和企業(yè)自管理隱私數(shù)據(jù)。LENG 等[76]提出的基于雙區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)選用公有鏈存儲公共服務(wù)平臺上企業(yè)用戶信息，在私有鏈上存儲企業(yè)隱私數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)。DING 等[104]提出了雙鏈的追溯許可鏈共識機制，主層部署聯(lián)盟鏈用來追溯信息查詢共享，輔助層部署私有鏈存儲追溯信息，在保證追溯鏈私密性的同時，系統(tǒng)也隨著參與節(jié)點的增加保持高效的運行效率。 5. 1. 2 跨鏈技術(shù)區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯具體的應(yīng)用場景中需要適應(yīng)多樣化的業(yè)務(wù)需求，方便跨企業(yè)、跨生態(tài)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的共享。在大批統(tǒng)一的區(qū)塊鏈應(yīng)用場景下，采用不同的通信協(xié)議、編程語言、共識機制和隱私措施搭建的相對獨立的、缺乏統(tǒng)一的互聯(lián)互通機制的異構(gòu)鏈難以做到價值互通、適應(yīng)不同的場景需求，因此，異構(gòu)鏈間實現(xiàn)跨鏈的價值傳遞將是區(qū)塊鏈追溯生態(tài)健康發(fā)展的必然要求。跨鏈[105 - 108]通過中間件實現(xiàn)異構(gòu)鏈的互聯(lián)互通，實現(xiàn)賬本的跨鏈互操作，為追溯行業(yè)跨生態(tài)、跨行業(yè)的多維協(xié)作解決信息孤島問題，從追溯異構(gòu)鏈“孤島”發(fā)展成為異構(gòu)鏈“網(wǎng)絡(luò)”。

　　5. 2 與新一代信息技術(shù)融合助力追溯產(chǎn)業(yè)以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、云計算和 5G 為代表的新一代信息技術(shù)和區(qū)塊鏈的深度融合為農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈追溯行業(yè)提供了巨大的潛在空間[109]。新一輪科技革命中各有側(cè)重并相互關(guān)聯(lián)，物聯(lián)網(wǎng)負責(zé)收集數(shù)據(jù)，全網(wǎng)海量數(shù)據(jù)匯集存儲在鏈下云端形成追溯大數(shù)據(jù)，云計算完成數(shù)據(jù)的高效查詢操作，大數(shù)據(jù)為人工智能提供訓(xùn)練數(shù)據(jù)集不斷優(yōu)化模型參數(shù)，構(gòu)建輔助決策生產(chǎn)模型改進供應(yīng)鏈上下游智能決策; 區(qū)塊鏈作為信任橋梁穩(wěn)定涉及數(shù)據(jù)操作的信任機制，保證數(shù)據(jù)傳遞、共享的穩(wěn)定可靠[110]。 5. 2. 1 區(qū)塊鏈 + 物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈是構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)真正分散、無信任和安全環(huán)境的缺失環(huán)節(jié)，通過區(qū)塊鏈的分布式網(wǎng)絡(luò)、不可篡改和可追溯的優(yōu)勢為物聯(lián)網(wǎng)的安全應(yīng)用提供媒介[111]。區(qū)塊鏈 + 物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)物物之間信用的無風(fēng)險、無杠桿的高效率傳遞，鏈上實現(xiàn)資金流、物流、信息流三流合一[112]，在物聯(lián)網(wǎng)萬物互聯(lián)的基礎(chǔ)上保證萬物可信，實現(xiàn)物理世界和數(shù)字世界的映射，保證上鏈信息的真實性和完整性，進一步助力智慧供應(yīng)鏈追溯發(fā)展。表 8 列出了部分區(qū)塊鏈 + 物聯(lián)網(wǎng)模式在追溯方面的應(yīng)用。5. 2. 2 區(qū)塊鏈 + 大數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)具有加密共享、去中心化、信息防篡改等特性，對解決數(shù)據(jù)流通、價值共享、數(shù)據(jù)孤島等方面提供了解決方案，而大數(shù)據(jù)技術(shù)具備海量數(shù)據(jù)存儲和靈活高效的深度分析挖掘等功能，二者有機融合不僅保證了大數(shù)據(jù)分析結(jié)果的正確性和數(shù)據(jù)挖掘效果，還極大提升區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的價值和使用空間。大數(shù)據(jù)管理聚合海量數(shù)據(jù)，將離散的數(shù)據(jù)需求聚合成數(shù)據(jù)長尾從而滿足數(shù)據(jù)治理需求。運用大數(shù)據(jù)管理的虛擬性有利于追溯信息跨行業(yè)、跨生態(tài)的應(yīng)用和管理，避免供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)存在的斷鏈情況，準確關(guān)聯(lián)各環(huán)節(jié)的追溯信息，提供精準、完整的追溯數(shù)據(jù)。趙嘉承等[120]從大數(shù)據(jù)挖掘角度剖析區(qū)塊鏈追溯過程中的信息真實性問題。CHEN 等[121]設(shè)計的農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管系統(tǒng)使用 云計算技術(shù)進行追溯環(huán)節(jié)中物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用產(chǎn)生的大數(shù)據(jù)處理，并結(jié)合機器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立模型預(yù)測對作物品種選擇、生產(chǎn)和栽培管理以及上市時間等給出最佳的選擇方案。5. 2. 3 區(qū)塊鏈 + 人工智能區(qū)塊鏈技術(shù)能夠鏈接供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)信息，促進跨行業(yè)、跨生態(tài)的數(shù)據(jù)流動、共享，讓人工智能可以根據(jù)不同用途、需求獲取更加全面的數(shù)據(jù)，真正變得 “智能”。利用區(qū)塊鏈 + 人工智能技術(shù)研發(fā)農(nóng)產(chǎn)品可信追溯系統(tǒng)，把追溯技術(shù)從過去的純數(shù)字空間防偽保護，升級為“物理空間 + 數(shù)字空間”的聯(lián)合保護，同時使用人工智能技術(shù)結(jié)合機器學(xué)習(xí)邊緣計算、自動化控制研發(fā)高速追溯數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過深度學(xué)習(xí)方法等自動識別農(nóng)產(chǎn)品復(fù)雜供應(yīng)鏈條中生產(chǎn)、加工、物流、銷售等全環(huán)節(jié)人工干預(yù)的操作，實現(xiàn)行為數(shù)據(jù)上鏈存證保證數(shù)據(jù)的不可篡改將是二者結(jié)合的重要方向。

　　參 考 文 獻

　　[1] AIK J，TURNER R M，KIRK M D，et al. Evaluating food safety management systems in singapore: a controlled interrupted time-series analysis of foodborne disease outbreak reports[J]. Food Control，2020，117: 107324.

　　[2] YUAN J J，LU Y L，CAO X H，et al. Regulating wildlife conservation and food safety to prevent human exposure to novel virus [J]. Ecosystem Health and Sustainability，2020，6( 1) : 1741325.

　　《農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈區(qū)塊鏈追溯技術(shù)研究進展與展望》來源：《農(nóng)業(yè)機械學(xué)報》，作者：孫傳恒1，2 于華竟1，2 徐大明1，2 邢 斌1，2 楊信廷1，2