徐 特 王德成 邵長勇，3 惠云婷 唐 欣 顧 揚

（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，北京100083；2山東科技大學(xué)，青島266590；3山東省種子有限公司，濟南250100；4山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，濟南250100；5內(nèi)蒙古盛齊堂生態(tài)藥植有限公司，呼和浩特011500）

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)正在逐漸改變?nèi)蚪鹑赱1-2]、商業(yè)[3]、物流業(yè)[4]、電動汽車行業(yè)[5]、建筑行業(yè)[6]和農(nóng)業(yè)[7]的發(fā)展模式。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展涉及到社會經(jīng)濟和生活等各個領(lǐng)域，將對未來社會變革產(chǎn)生深遠影響。人們將區(qū)塊鏈技術(shù)比作“改變?nèi)祟惿畹男禄ヂ?lián)網(wǎng)的未來”[8]。黃芪產(chǎn)業(yè)作為農(nóng)業(yè)行業(yè)[9]的分支，其生產(chǎn)和發(fā)展存在諸多問題，傳統(tǒng)方法解決起來有諸多困難[10]。因此，抓住時代機遇，迎接挑戰(zhàn)，加強區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用尤為重要。本文將加強對區(qū)塊鏈技術(shù)的分析，結(jié)合黃芪產(chǎn)業(yè)發(fā)展中存在的問題，展望區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用前景。

1 區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)與基礎(chǔ)模型

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于2008 年，由名為“中本聰”（Satoshi nakamoto）的學(xué)術(shù)專家在密碼學(xué)郵件組中發(fā)表了一篇名為《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的論文[11]，然后被炒得火熱的一個概念。區(qū)塊鏈技術(shù)依托于核心技術(shù)優(yōu)勢建立起來的去中心化、信息不可篡改等優(yōu)勢受到諸多行業(yè)歡迎，涉及社會生活各個領(lǐng)域，金融、IT等領(lǐng)域最早紛紛與區(qū)塊鏈牽手，對社會變革產(chǎn)生了深入影響。狹義的講，區(qū)塊鏈是一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以鏈條的方式組合成特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，用密碼學(xué)保證的不可偽造和不可篡改的去中心化共享總賬（Decentralized shared ledger），能夠安全存儲有先后關(guān)系的、簡單的、可在系統(tǒng)內(nèi)驗證的有效數(shù)據(jù)[8]；廣義的區(qū)塊鏈技術(shù)定義為利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，利用加密鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)來驗證與存儲數(shù)據(jù)，利用智能合約來操作和編程數(shù)據(jù)的一種全新的分布式計算范式與去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)[12]。

區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)構(gòu)架模型如圖1所示，系統(tǒng)總體架構(gòu)分為應(yīng)用層、合約層、激勵層、共識層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層[13]。

圖1 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)模型

1.1 應(yīng)用層應(yīng)用層封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場景和案例，例如：可編程金融（轉(zhuǎn)賬和記賬功能）、可編程貨幣（比特幣）和可編程社會等應(yīng)用場景。

1.2 數(shù)據(jù)層數(shù)據(jù)層包括數(shù)據(jù)區(qū)塊、鏈式結(jié)構(gòu)、時間戳、哈希函數(shù)、梅克爾（Merkle）樹和非對稱加密等技術(shù)。區(qū)塊鏈技術(shù)是將各個節(jié)點共享的數(shù)據(jù)一同記錄，每個節(jié)點能通過特定的梅克爾（Merkle）樹結(jié)構(gòu)和哈希函數(shù)，把這段時間內(nèi)接收到的所有數(shù)據(jù)和記錄封裝到一個帶有時間戳的特定的數(shù)據(jù)塊中，并可以通過鏈式結(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)塊連接到最長的主區(qū)塊鏈上。如圖2所示，每個數(shù)據(jù)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體，區(qū)塊頭包含了當前區(qū)塊PoW共識過程的解隨機數(shù)（Nonce）、前一區(qū)塊的地址（Prev-block）、當前的版本號（Version）、當前區(qū)塊目標哈希值（Bits）、時間戳（Timestamp）以及梅克爾根（Merkle-root）等信息；區(qū)塊體則包含了這個區(qū)塊中所有的交易信息，包括交易數(shù)量和經(jīng)過驗證的、在此交易區(qū)塊中形成的交易記錄，這些交易信息通過梅克爾（Merkle）樹的哈希過程生成了有且僅有一個的梅克爾根（Merkle-root），梅克爾根（Merkle-root）最終被記入?yún)^(qū)塊頭。

圖2 數(shù)據(jù)層區(qū)塊結(jié)構(gòu)

1.3 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層封裝了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)驗證、組網(wǎng)方式（P2P網(wǎng)絡(luò)）和消息傳播協(xié)議機制等要素。網(wǎng)絡(luò)層結(jié)合各行業(yè)實際應(yīng)用需求，通過設(shè)計特定的數(shù)據(jù)驗證和傳播協(xié)議機制，使得區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的每一個節(jié)點都可以參與區(qū)塊數(shù)據(jù)的記賬和校驗過程，僅當區(qū)塊數(shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)大部分節(jié)點驗證后，才能記入?yún)^(qū)塊鏈。

1.4 共識層共識層封裝了工作量證明機制（PoW）、權(quán)益證明（PoS）機制和股份授權(quán)證明（DPoS）機制等要素。在分布式系統(tǒng)中如何高效地達成共識是分布式計算領(lǐng)域重要的研究課題。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)勢之一就是能夠在決策權(quán)高度分散的去中心化系統(tǒng)中使得各節(jié)點高效地針對區(qū)塊數(shù)據(jù)的有效性達成共識。

1.5 激勵層發(fā)行機制和分配機制封裝在該層。區(qū)塊鏈共識過程本質(zhì)上是一種共識節(jié)點間的任務(wù)眾包過程，通過聚合大規(guī)模共識節(jié)點的算力資源，完成共享區(qū)塊鏈賬本數(shù)據(jù)驗證和記賬工作的實現(xiàn)。中心化系統(tǒng)中存在的共識節(jié)點，本身是自利的，其根本目標是使參與數(shù)據(jù)驗證和記賬的共享區(qū)塊鏈賬本實現(xiàn)自身收益最大化。區(qū)塊鏈系統(tǒng)通過集成設(shè)計適度的經(jīng)濟激勵機制和共識過程來聚集大規(guī)模的節(jié)點參與，與此同時也形成了對區(qū)塊鏈歷史的穩(wěn)定共識。

1.6 合約層該層封裝了所有類型的區(qū)塊鏈系統(tǒng)腳本代碼、算法以及由此生成的更為復(fù)雜的智能合約。隨著技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了圖靈完備的腳本語言，例如以太坊等，可實現(xiàn)更為復(fù)雜和靈活的智能合約，使區(qū)塊鏈支持宏觀金融和社會系統(tǒng)的諸多應(yīng)用成為現(xiàn)實。

2 黃芪產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

黃芪為豆科植物，分為蒙古黃芪（A.mongholicus Bunge）、膜 莢 黃 芪（Astragalus membranaceus（Fisch）Bunge）和北蒙古黃芪（A.borealimongolicus Y.Z.Zhao），其干燥根是常見的中藥材之一[14-15]，主要由單糖、多糖、皂苷、黃酮等化學(xué)成分組成，其中多糖含量較多，黃芪廣泛的藥理作用使其廣泛地應(yīng)用在臨床醫(yī)療領(lǐng)域[16]。除了醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，近年來，畜牧養(yǎng)殖業(yè)開始在飼料中添加黃芪粉來飼養(yǎng)畜牧，發(fā)現(xiàn)有改善動物的體質(zhì)，提高畜牧產(chǎn)品品質(zhì)的效果[17]。

內(nèi)蒙古是黃芪道地產(chǎn)區(qū)，栽培歷史悠久，種植優(yōu)勢突出，知名度高。近幾年，由于野生黃芪資源遭到掠奪式采挖，栽培黃芪成為商品芪的主要來源。但黃芪種質(zhì)資源研究開發(fā)、加工利用不足，栽培種質(zhì)混亂混雜，人工選育工作滯后，無優(yōu)良品種品系，種質(zhì)資源已成為制約黃芪產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸。具體表現(xiàn)在以下幾個方面：一是黃芪產(chǎn)業(yè)的主體是農(nóng)民，農(nóng)民所接受的信息技術(shù)教育不足，在一定程度上造成了黃芪產(chǎn)業(yè)信息的封閉性和混亂性；二是黃芪產(chǎn)業(yè)的相關(guān)農(nóng)資產(chǎn)品的來源和銷售渠道無法追蹤，傳統(tǒng)的溯源體制不利于政府部門監(jiān)管；三是黃芪產(chǎn)業(yè)供需不平衡，容易造成產(chǎn)品供應(yīng)不足或者產(chǎn)品過剩，造成消費者和生產(chǎn)者的損失；四是黃芪產(chǎn)業(yè)缺乏信任機制，容易造成買賣雙方毀約的情況；五是黃芪產(chǎn)業(yè)鏈缺乏保險行業(yè)來保障天災(zāi)時農(nóng)民收入的問題[18]。

3 區(qū)塊鏈在黃芪產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用

針對傳統(tǒng)黃芪產(chǎn)業(yè)存在的問題，提出依靠區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、開放性、集體維護、自治性、信息不可篡改和安全可信等特點與傳統(tǒng)黃芪產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的解決方案，利用區(qū)塊鏈技術(shù)來籌劃黃芪產(chǎn)業(yè)的信息平臺，依托信息平臺建立新型黃芪產(chǎn)溯源體制，優(yōu)化供應(yīng)鏈體系，簽訂智能合約，加大保險業(yè)與黃芪產(chǎn)業(yè)的合作。

3.1 區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)建立信息平臺上的應(yīng)用展望區(qū)塊鏈技術(shù)的核心優(yōu)點是去中心化及其透明性，區(qū)塊鏈技術(shù)像是一個大家都在記賬的公共賬簿，不同于銀行的數(shù)據(jù)庫。銀行需要一個龐大的數(shù)據(jù)庫來記錄每一位成員或者客戶的交易信息，所有的用戶需要去銀行查詢自己的交易信息，并且不能查詢其他客戶的交易信息，無法做到信息的公開透明，這就使得信息封閉，黃芪產(chǎn)業(yè)參與的主體需要公開的、透明的、不可修改的信息來作出決策。

區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)上交易信息上的應(yīng)用，將會使得所有交易信息都會被黃芪產(chǎn)業(yè)鏈上的參與主體共同記錄，一同驗證，依靠黃芪產(chǎn)業(yè)鏈上所有節(jié)點的力量來確保交易信息的準確性、安全性和透明性，進而建立一個黃芪產(chǎn)業(yè)的信息平臺，在這個信息平臺中，任何節(jié)點不能更改信息，但任何節(jié)點都可以查閱有關(guān)黃芪產(chǎn)業(yè)的信息，例如交易價格、成交數(shù)量、銷售渠道的信息等等。區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)上建立的信息平臺將會使得黃芪產(chǎn)業(yè)的信息更加透明，農(nóng)民、經(jīng)銷商和消費者也因此能夠獲得更多的產(chǎn)業(yè)相關(guān)信息和決策支持。

3.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)的新型溯源機制上應(yīng)用展望傳統(tǒng)的溯源機制是利用數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，但是這種機制存在一定缺陷，傳統(tǒng)的溯源機制過度依賴于數(shù)據(jù)庫中的信息，且無法保證人工錄入溯源信息時不會出現(xiàn)信息的誤添或者漏添的現(xiàn)象；其次黃芪產(chǎn)業(yè)鏈中生產(chǎn)者、加工企業(yè)、物流行業(yè)、銷售企業(yè)和消費者等都是相互隔離的，且任何一方得到數(shù)據(jù)庫密碼后可以隨意更改黃芪產(chǎn)業(yè)鏈上的信息，因此缺乏信任機制和監(jiān)督機制[19]。

應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)將彌補以上傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)的缺陷，交易信息將會被記錄在由區(qū)塊鏈技術(shù)支持的新型溯源體制，新型溯源體制是公開的，任何參與黃芪產(chǎn)業(yè)的主體都可以查看，甚至每一個黃芪產(chǎn)業(yè)鏈上的參與節(jié)點都可以擁有一份完整的信息，同時新型溯源體制上的交易信息卻不可以被修改。區(qū)塊鏈技術(shù)的公開性和透明性可以實時追蹤黃芪產(chǎn)品的信息，從選種到種植，再到銷售，最終到消費者的手上，每一個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都通過區(qū)塊鏈技術(shù)記錄在新型溯源機制上。

3.2.1 黃芪生產(chǎn)者通過黃芪產(chǎn)業(yè)的信息平臺，種植黃芪的農(nóng)民可以迅速地選擇最適合自己需求的黃芪種子和栽種期間所需要的肥料和農(nóng)藥等農(nóng)資。在當今的互聯(lián)網(wǎng)時代，幾乎任何商品都可以網(wǎng)上銷售，可是黃芪種子作為重要的生產(chǎn)資料和商品，卻很難實現(xiàn)網(wǎng)上銷售，究其原因是黃芪生產(chǎn)者對網(wǎng)上的黃芪種子缺乏信心和信任，有了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到黃芪產(chǎn)業(yè)，黃芪種子的研發(fā)、生產(chǎn)、銷售等所有環(huán)節(jié)都可以被數(shù)據(jù)化記錄和跟蹤，農(nóng)民可以查看到種子是如何生產(chǎn)的，可以查看到往年的種子長出的黃芪品質(zhì)，這樣區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用使得黃芪生產(chǎn)者可以直觀并且科學(xué)地選取黃芪種子，若黃芪產(chǎn)品出現(xiàn)問題，便可以通過新的溯源機制來鎖定出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，杜絕壞種的出現(xiàn)，減小農(nóng)民的損失，讓農(nóng)民購買黃芪種子和農(nóng)資產(chǎn)品更放心。

3.2.2 農(nóng)資加工企業(yè)農(nóng)資生產(chǎn)者可以通過此平臺管理黃芪及其相關(guān)產(chǎn)品的生產(chǎn)、入庫、出庫、物流等，例如黃芪化肥的生產(chǎn)，從化肥的生產(chǎn)目的（例如此種化肥是針對補充黃芪所需要的鉀）、生產(chǎn)過程以及生產(chǎn)出化肥的試驗效果（是否有效地補充了黃芪生長期間所需要的鉀元素）、何時入庫、何時售出（保證農(nóng)資在有效期內(nèi)）、售出對象等數(shù)據(jù)都可以被新型溯源體制記錄，為以后的追本溯源和售后服務(wù)提供數(shù)據(jù)參考。

3.2.3 消費者消費者購買黃芪商品后，最注重的就是黃芪商品品質(zhì)，若商品出現(xiàn)質(zhì)量問題，消費者可以通過新的溯源系統(tǒng)來尋找問題環(huán)節(jié)，維護自身權(quán)益，做到“誰出錯，誰負責(zé)”。

3.2.4 政府監(jiān)管部門政府監(jiān)督部門可以通過依托黃芪產(chǎn)業(yè)信息的公開化和新的溯源體制，來監(jiān)管黃芪產(chǎn)業(yè)上商品的流通，實現(xiàn)黃芪商品的生產(chǎn)記錄、信息查詢、流向追蹤、責(zé)任追溯，以此來保障黃芪產(chǎn)業(yè)的市場安全。

3.3 區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)供應(yīng)鏈體系上應(yīng)用展望目前區(qū)塊鏈技術(shù)與企業(yè)的供應(yīng)鏈體系相結(jié)合的例子屈指可數(shù)，如IBM與食品產(chǎn)業(yè)一同打造的食品鏈的區(qū)塊鏈技術(shù)聯(lián)盟[20]，企業(yè)運用區(qū)塊鏈技術(shù)幫助自身監(jiān)控供應(yīng)鏈，解決食品安全問題等等[21]。

本文提到的區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈體系的應(yīng)用主要是：在黃芪產(chǎn)業(yè)鏈上實現(xiàn)信息實時共享的背景下，黃芪產(chǎn)業(yè)的各個主體參考不同風(fēng)險規(guī)避程度下做出自身決策，決策將根據(jù)供應(yīng)鏈上不同信息的共享程度，應(yīng)對供應(yīng)鏈上的供需匹配問題；同時通過降低尋找供應(yīng)鏈體系上合作伙伴的成本問題，來達到各個參與主體利潤最大化的目的；考慮到黃芪產(chǎn)業(yè)由于存貨不足不能及時滿足客戶或者生產(chǎn)上的需要，引起的缺貨損失以及黃芪隨時間流逝而產(chǎn)生的殘值，針對不同集約化參與的黃芪產(chǎn)業(yè)鏈上的主體，提出不同的方案，依靠區(qū)塊鏈技術(shù)來規(guī)避以上問題。因此依托區(qū)塊鏈技術(shù)所改善的黃芪供應(yīng)鏈體系將實現(xiàn)各個參與主體的利益最大化。

3.4 區(qū)塊鏈技術(shù)在智能合約上應(yīng)用展望通過觀察以往黃芪產(chǎn)業(yè)的訂單，在市場價格波動較大時或者黃芪產(chǎn)品質(zhì)量存在爭議時，采購商和種植戶可能彼此毀約，利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立起智能合約，讓消費者、種植戶、采購商、批發(fā)商都同步記賬，防止篡改，相互制衡，保證數(shù)據(jù)真實[22]，督促買賣雙方按照約定的時間、約定的品質(zhì)、約定的價格進行交易，并以此為基礎(chǔ)建立起長久的信任合作機制。

3.5 區(qū)塊鏈技術(shù)在保險與黃芪產(chǎn)業(yè)合作上應(yīng)用展望現(xiàn)有的黃芪產(chǎn)業(yè)保險少之又少，覆蓋范圍小，并且時常出現(xiàn)騙保問題。在傳統(tǒng)模式下，保險業(yè)評估流程復(fù)雜，理賠成本較高，而區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化的數(shù)據(jù)存儲會讓更多的主體參與到保險行業(yè)的驗證工作中，成本分擔(dān)下來的同時信用也提高了。區(qū)塊鏈技術(shù)讓黃芪產(chǎn)業(yè)保險賠付更加智能化，一旦檢測到農(nóng)業(yè)災(zāi)害，就會自動啟動賠付流程，使得黃芪保險行業(yè)更加高效。在保險設(shè)計環(huán)節(jié)，區(qū)塊鏈技術(shù)可以定制屬性較強、分類明確的保險品類，例如：蟲災(zāi)保險、農(nóng)業(yè)氣象保險、黃芪收購價格保險、收益保險、種子質(zhì)量保險、黃芪品質(zhì)保險等。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，將加強保險業(yè)與黃芪產(chǎn)業(yè)的合作，簡化索賠提交程序，減少人工復(fù)查需要，縮短處理周期。

4 結(jié)論

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、不可篡改、可追溯性等特點，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠賦予黃芪產(chǎn)業(yè)新的運作方式，幫助農(nóng)民、黃芪加工企業(yè)、經(jīng)銷商、消費者維護好自身的利益，建立黃芪產(chǎn)業(yè)完善的信息平臺，為傳統(tǒng)黃芪產(chǎn)業(yè)升級并以此來解決傳統(tǒng)黃芪產(chǎn)業(yè)存在的信息封閉、溯源困難、供需不平衡、信任缺失等問題，由此可見，區(qū)塊鏈技術(shù)與黃芪產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域相結(jié)合的深度和廣度十分廣泛，應(yīng)用前景廣闊。但同時也要注意到區(qū)塊鏈技術(shù)正處在初級階段，其性能和效率存在一定的問題，限于國內(nèi)黃芪產(chǎn)業(yè)信息化和現(xiàn)代化水平，區(qū)塊鏈技術(shù)在黃芪產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用還有很長的路要走。