梁昊 劉思辰 張一諾 呂科

摘? ?要：作為傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)大國(guó)，中國(guó)多次強(qiáng)調(diào)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要性。但生產(chǎn)分散、技術(shù)落后、基礎(chǔ)薄弱等問(wèn)題嚴(yán)重阻礙了中國(guó)農(nóng)業(yè)信息化的發(fā)展。區(qū)塊鏈由于采用了分布式存儲(chǔ)與計(jì)算方式，與分布式經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)具有較好的兼容性，在金融、物流、電子商務(wù)等多個(gè)行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用前景。本研究采用廣義區(qū)塊鏈的設(shè)計(jì)思想，結(jié)合中國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中遇到的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了信息采集層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層與應(yīng)用層的7層農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)。該架構(gòu)可以提供靈活的分布式存儲(chǔ)機(jī)制、完備的信息共識(shí)體系、可靠的信息防篡改功能和實(shí)用的激勵(lì)回報(bào)措施。針對(duì)以上功能在農(nóng)產(chǎn)品信息溯源和農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)信息透明化中的應(yīng)用進(jìn)行了說(shuō)明，提出了建立區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品交易體系的概念，最后對(duì)區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)和展望。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;農(nóng)產(chǎn)品信息;智能合約;共識(shí)機(jī)制;溯源

中圖分類(lèi)號(hào)：S24? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：201812-SA020

梁? ?昊， 劉思辰， 張一諾， 呂? ?科. 農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用展望[J]. 智慧農(nóng)業(yè)， 2019， 1（1）： 67-75.

Liang H， Liu S， Zhang Y， Lv K. Framework design and application prospect of agricultural product information blockchain[J]. Smart Agriculture， 2019， 1（1）： 67-75.? （in Chinese with English abstract）

1? 引言

我國(guó)是一個(gè)農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)業(yè)一直是關(guān)乎國(guó)計(jì)民生的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。如何在有限的耕地上滿(mǎn)足13多億人的飲食要求，從吃飽吃好到安全放心、健康飲食成為了政府和國(guó)民關(guān)注的熱點(diǎn)[1]。2015年，國(guó)務(wù)院印發(fā)《國(guó)務(wù)院關(guān)于積極推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)》，其中將“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)作為11大重點(diǎn)任務(wù)之一[2]。2016年，以農(nóng)業(yè)部為首的國(guó)家8部委聯(lián)合制定《“互聯(lián)網(wǎng)+”現(xiàn)代農(nóng)業(yè)三年行動(dòng)實(shí)施方案》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《方案》），進(jìn)一步提出通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)、農(nóng)業(yè)電子商務(wù)等一系列技術(shù)推動(dòng)信息產(chǎn)業(yè)與農(nóng)業(yè)融合。

隨著技術(shù)的發(fā)展，區(qū)塊鏈作為電子代幣的關(guān)鍵底層技術(shù)得到了世界各國(guó)的廣泛重視。歐、美、俄、日等國(guó)分別制定了本國(guó)的區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展路線(xiàn)[3]。2016年10月，我國(guó)工業(yè)和信息化部印發(fā)了《中國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書(shū)》[4]（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《白皮書(shū)》），成為了我國(guó)區(qū)塊鏈發(fā)展與應(yīng)用的依據(jù)和基石，為區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用指明了路線(xiàn)和方向。

部分學(xué)者開(kāi)展了研究，Lan等[5]介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)在南非葡萄園的應(yīng)用，并以此演示了區(qū)塊鏈在農(nóng)產(chǎn)品溯源中的方案。Lin等[6]提出建立一個(gè)具有區(qū)塊鏈基礎(chǔ)設(shè)施的信息和通信技術(shù)的電子農(nóng)業(yè)系統(tǒng)以及評(píng)價(jià)體系，從技術(shù)的角度闡述了區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)與環(huán)境方面應(yīng)用的前景。Feng[7]提出了通過(guò)區(qū)塊鏈和射頻芯片提高農(nóng)產(chǎn)品信息安全性的技術(shù)方案。但以上農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)架構(gòu)多面向大型農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)基地，與我國(guó)的國(guó)情存在差異。我國(guó)自改革開(kāi)放以來(lái)，社會(huì)經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，但農(nóng)業(yè)發(fā)展水平長(zhǎng)期處于落后的地位[8]，具體體現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

（1）農(nóng)業(yè)基礎(chǔ)薄弱。我國(guó)是典型的小生產(chǎn)大市場(chǎng)的農(nóng)業(yè)體系，農(nóng)業(yè)技術(shù)落后，資金短缺，生產(chǎn)成本高，收益低[9]。這種情況使高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)難以落戶(hù)農(nóng)家，進(jìn)一步加劇了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的落后局面，嚴(yán)重阻礙了我國(guó)農(nóng)業(yè)的現(xiàn)代化。

（2）農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全存在隱患。雖然我國(guó)設(shè)置了3萬(wàn)多個(gè)農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)、監(jiān)控機(jī)構(gòu)。但近些年來(lái)，三聚氰胺、瘦肉精、地溝油等依然屢有發(fā)生[10]。農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全監(jiān)管無(wú)法覆蓋到生產(chǎn)、流通、銷(xiāo)售的所有環(huán)節(jié)，安全隱患依然存在。

（3）農(nóng)產(chǎn)品交易中存在信息孤島。目前農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中普遍存在著農(nóng)產(chǎn)品采購(gòu)價(jià)格低，消費(fèi)價(jià)格高的供求不平衡問(wèn)題[11]。生產(chǎn)者無(wú)法了解消費(fèi)者的訴求，消費(fèi)者只能根據(jù)市場(chǎng)供應(yīng)做出被動(dòng)選擇，多重信息孤島導(dǎo)致了供求信息的不透明化。

針對(duì)以上這三個(gè)問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的具體現(xiàn)狀，本文中提出了一套區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)信息化中應(yīng)用的初步技術(shù)架構(gòu)與應(yīng)用方案。

2? 區(qū)塊鏈的基本概念及技術(shù)架構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)原型在2008年由化名“中本聰”的學(xué)者在《Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System（比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子貨幣系統(tǒng)）》[12]中提出，并在之后的電子代幣和行業(yè)應(yīng)用中得到了不斷的發(fā)展?！栋灼?shū)》根據(jù)區(qū)塊鏈應(yīng)用領(lǐng)域的不同，進(jìn)一步將區(qū)塊鏈技術(shù)概念劃分為狹義區(qū)塊鏈和廣義區(qū)塊鏈。

狹義區(qū)塊鏈主要應(yīng)用于電子代幣的交易和記賬。區(qū)塊按照時(shí)間戳的順序進(jìn)行排序，通過(guò)區(qū)塊的Hash值對(duì)區(qū)塊進(jìn)行標(biāo)記和鏈接，本區(qū)塊的Hash值是對(duì)本區(qū)塊內(nèi)交易清單Merkle樹(shù)的對(duì)稱(chēng)Sha256散列結(jié)果，并由此來(lái)保證交易賬單的不可篡改性。全部區(qū)塊鏈信息被分布式存儲(chǔ)在網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每次交易由全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)參與確認(rèn)，由此形成全網(wǎng)共識(shí)[12]。狹義區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字代幣中得到了廣泛的應(yīng)用，但也暴露出了一定的技術(shù)局限性，例如完全的去中心化使網(wǎng)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力不斷增加，操作確認(rèn)的時(shí)間越來(lái)越長(zhǎng)，共識(shí)機(jī)制能耗過(guò)高以及缺少終端應(yīng)用等[13]。廣義區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)和計(jì)算范式，被行業(yè)和學(xué)術(shù)界認(rèn)為可以改變業(yè)務(wù)運(yùn)作模式的重大創(chuàng)新技術(shù)[14]。圖1給出了狹義區(qū)塊鏈（a）和廣義區(qū)塊鏈（b）的技術(shù)差異和功能擴(kuò)展說(shuō)明。

（1）應(yīng)用層：不僅局限于數(shù)字代幣，還可提供面向不同平臺(tái)不同行業(yè)的應(yīng)用接口。

（2）激勵(lì)層：不再僅限于獲得電子代幣，而是幫助企業(yè)、行業(yè)降低成本、提高效率，或者是通過(guò)智能合約獲得數(shù)字資產(chǎn)。

（3）共識(shí)層：放棄了單純耗能的POW（Proof of Work）機(jī)制，共識(shí)可以建立在科學(xué)計(jì)算、投票、股權(quán)等更加智能、高效的共識(shí)機(jī)制之上。

（4）網(wǎng)絡(luò)層：不再需要所有的節(jié)點(diǎn)都分擔(dān)全部區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)任務(wù)，采用P2P（Peer-to-Peer）和中心拓?fù)湎嘟Y(jié)合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，由數(shù)字簽名、加密技術(shù)提供中心數(shù)據(jù)庫(kù)中區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的完備性和不可篡改性。

（5）數(shù)據(jù)層：不僅局限于對(duì)數(shù)字代幣交易賬單的記錄，可以記錄智能合約執(zhí)行過(guò)程中更復(fù)雜的數(shù)據(jù)信息。

廣義區(qū)塊鏈，針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域與應(yīng)用需求，又可以進(jìn)一步劃分為：公有鏈、專(zhuān)有鏈、聯(lián)盟鏈三種類(lèi)型[14]。專(zhuān)有鏈、聯(lián)盟鏈?zhǔn)歉鶕?jù)具體應(yīng)用，對(duì)公有鏈技術(shù)的補(bǔ)充。專(zhuān)有鏈技術(shù)已經(jīng)在阿里、京東等電商企業(yè)的交易和物流信息記錄中得到了的應(yīng)用[15]。由國(guó)際頂級(jí)金融機(jī)構(gòu)組成的R3CEV區(qū)塊鏈聯(lián)盟，計(jì)劃在銀行之間建立聯(lián)盟鏈，逐步探索區(qū)塊鏈在金融機(jī)構(gòu)之間的應(yīng)用[16]。表1中詳細(xì)的給出了廣義區(qū)塊連的類(lèi)型與特性。

3? 農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈作為現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)，正在成為一種現(xiàn)象，開(kāi)始逐漸融入人們的生活，“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”、“數(shù)字金融+區(qū)塊鏈”、“大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈”等一系列技術(shù)概念被相繼提出并應(yīng)用[17]。本文在參考了大量的“物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”、“數(shù)字金融+區(qū)塊鏈”、“區(qū)塊鏈產(chǎn)品信息溯源”等已有應(yīng)用的技術(shù)概念后，針對(duì)我國(guó)農(nóng)業(yè)的實(shí)際情況設(shè)計(jì)了農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)。

3.1? 總體技術(shù)架構(gòu)

區(qū)塊鏈由于使用了時(shí)間戳和鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，對(duì)信息的完整性、不可修性提供了良好的技術(shù)保障，因此成為了產(chǎn)品信息溯源的可靠工

具[4]。依托區(qū)塊鏈技術(shù)，本文提出了一種可以將農(nóng)產(chǎn)品信息通過(guò)區(qū)塊鏈進(jìn)行存儲(chǔ)，并在生產(chǎn)者、監(jiān)督者、經(jīng)銷(xiāo)商、消費(fèi)者等多方取得共識(shí)的信息區(qū)塊鏈。該區(qū)塊鏈可以實(shí)現(xiàn)在農(nóng)民、企業(yè)、監(jiān)管部門(mén)、消費(fèi)者之間的信息透明，低技術(shù)門(mén)檻對(duì)接和低成本應(yīng)用。整個(gè)區(qū)塊鏈架構(gòu)對(duì)廣義區(qū)塊鏈概念進(jìn)行了功能擴(kuò)展，集成了行業(yè)應(yīng)用、管理與服務(wù)、數(shù)據(jù)支持、信息采集4方面的功能，分為信息采集層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層、應(yīng)用層7個(gè)層次，具體如圖2所示。

由于農(nóng)產(chǎn)品信息溯源涉及到的信息源分散，信息結(jié)構(gòu)復(fù)雜，信息時(shí)間、距離跨度大，因此本文采用了聯(lián)盟鏈作為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，聯(lián)盟鏈的使用可以實(shí)現(xiàn)以下6方面的功能[4]：

（1）提供靈活的中心化、去中心化控制;

（2）區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)由聯(lián)盟內(nèi)的節(jié)點(diǎn)共同維護(hù);

（3）在聯(lián)盟內(nèi)部對(duì)信息形成普遍的共識(shí)，并保證信息的正確性，消除消費(fèi)者對(duì)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問(wèn)題的擔(dān)心;

（4）保證農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈的快速、高效運(yùn)行，滿(mǎn)足操作特別是交易的快速確認(rèn);

（5）輕量級(jí)的用戶(hù)客戶(hù)端，沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力，方便終端應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā);

（6）針對(duì)不同用戶(hù)提供不同等級(jí)的信息透明度，滿(mǎn)足政府部門(mén)、企業(yè)、個(gè)人用戶(hù)的隱私和知情權(quán)。

下文將自下而上對(duì)每一個(gè)層次進(jìn)行說(shuō)明。

3.2? 信息采集層與數(shù)據(jù)層設(shè)計(jì)

2016年，《方案》中將物聯(lián)網(wǎng)作為農(nóng)業(yè)信息化的主要手段，但隨著大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的部署，數(shù)據(jù)量飛速增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)中心作為目前物聯(lián)網(wǎng)單一的中心控制樞紐，在計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)承載等方面都要承擔(dān)巨大的壓力，需要不斷的提升硬件設(shè)備的存儲(chǔ)和處理能力，造成了成本快速提升，給本就薄弱的農(nóng)業(yè)資金鏈帶來(lái)了更加沉重的負(fù)擔(dān)。

區(qū)塊鏈技術(shù)采用P2P網(wǎng)絡(luò)模式，可為物聯(lián)網(wǎng)提供分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算技術(shù)，因此可大量分擔(dān)物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)處理壓力，降低物聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)維成本。物聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈信息采集層采集的信息包括了從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷(xiāo)售到消費(fèi)者的全部環(huán)節(jié)。農(nóng)作物基礎(chǔ)數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)的傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行自動(dòng)采集，采集到的信息在質(zhì)檢部門(mén)監(jiān)督下自動(dòng)或者手工錄入，成為區(qū)塊中的農(nóng)作物信息的基本數(shù)據(jù)。所有數(shù)字資產(chǎn)變更的操作都通過(guò)智能合約來(lái)進(jìn)行表達(dá)，并在區(qū)塊中進(jìn)行記錄。

以上信息按照對(duì)稱(chēng)二叉樹(shù)排列后構(gòu)成的Merkle樹(shù)，并生成Merkle樹(shù)的Hash值，從而使信息無(wú)法被篡改，保證了農(nóng)產(chǎn)品信息可追溯環(huán)節(jié)的完備性。符合戳中不僅包含數(shù)據(jù)錄入和操作提交的時(shí)間信息，還包含農(nóng)作物的地點(diǎn)信息。版本信息是為了保持區(qū)塊鏈的可升級(jí)和兼容性。農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層的詳細(xì)設(shè)計(jì)架構(gòu)如圖3所示。

3.3? 網(wǎng)絡(luò)層與共識(shí)層設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)層采用非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)，所有數(shù)據(jù)操作請(qǐng)求全部通過(guò)嚴(yán)格的公鑰、私鑰體系進(jìn)行認(rèn)證，保證所有節(jié)點(diǎn)身份的真實(shí)性。網(wǎng)絡(luò)層在區(qū)塊鏈原有的P2P分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，引入了半分布式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖4所示。該結(jié)構(gòu)吸取了中心化結(jié)構(gòu)和全分布式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中

加入超級(jí)節(jié)點(diǎn)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)可為普通節(jié)點(diǎn)提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算的服務(wù)支持。因此可以避免普通節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)過(guò)大的情況，在一些普通的節(jié)點(diǎn)中僅需要存儲(chǔ)一些輕量化的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息，如不存儲(chǔ)農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和交易信息，僅存儲(chǔ)區(qū)塊Hash值。

共識(shí)層采用了DPOS（Delegated Proof of Stake，委任權(quán)益證明）的共識(shí)機(jī)制，DPOS的優(yōu)點(diǎn)是共識(shí)不需要復(fù)雜、高能耗的數(shù)學(xué)計(jì)算[18]，聯(lián)盟內(nèi)部的所有委托人（機(jī)構(gòu)、公司）對(duì)數(shù)據(jù)信息的正確性取得共識(shí)后，區(qū)塊信息得到確認(rèn)，并加入?yún)^(qū)塊鏈。

委托人的準(zhǔn)入將由相關(guān)權(quán)威部門(mén)牽頭并確定，委托人由農(nóng)產(chǎn)品監(jiān)管機(jī)構(gòu)、銀行、物聯(lián)網(wǎng)公司、農(nóng)產(chǎn)品加工企業(yè)、物流公司、農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者等合法的單位和個(gè)人組成。每一個(gè)新區(qū)塊產(chǎn)生以后，首先聯(lián)盟內(nèi)部的所有相關(guān)委托人要對(duì)數(shù)據(jù)的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后在區(qū)塊鏈的共識(shí)信息中寫(xiě)入委托人的身份識(shí)別信息;之后留下經(jīng)過(guò)私鑰加密的委托人身份識(shí)別信息的數(shù)字簽名;最后生成共識(shí)信息的Hash值。以上做法可以保證共識(shí)機(jī)制中委托人身份的合法性，以及共識(shí)達(dá)成后無(wú)法篡改共識(shí)信息。

另外政府機(jī)構(gòu)、銀行、大型企業(yè)在聯(lián)盟鏈中還需要擔(dān)任超級(jí)節(jié)點(diǎn)，提供更強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和計(jì)算能力，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和小型企業(yè)僅需要維護(hù)本身相關(guān)的區(qū)塊鏈信息。在微應(yīng)用終端，例如農(nóng)民、消費(fèi)者的手機(jī)APP、Web等應(yīng)用終端僅保存輕量化終端用戶(hù)區(qū)塊鏈信息。該信息包括數(shù)據(jù)分隔符和數(shù)據(jù)區(qū)塊頭部信息，頭部信息依然保存了完整的區(qū)塊Hash值，共識(shí)信息和共識(shí)信息數(shù)據(jù)簽名，但沒(méi)有基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此在微應(yīng)用終端沒(méi)有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的壓力。如果用戶(hù)需要訪(fǎng)問(wèn)某一區(qū)塊的詳細(xì)信息，則需要根據(jù)復(fù)合戳的時(shí)間地點(diǎn)信息、區(qū)塊Hash值進(jìn)行快速檢索，如圖5所示。

輕量化終端用戶(hù)區(qū)塊鏈在緩解了終端用戶(hù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力的同時(shí)保存了全部的區(qū)塊鏈Hash值，可以杜絕聯(lián)盟鏈中所有或大部分的超級(jí)節(jié)點(diǎn)達(dá)成協(xié)議同時(shí)篡改數(shù)據(jù)的可能，是消費(fèi)者獲取真實(shí)數(shù)據(jù)的保證。

3.4? 激勵(lì)層、合約層與應(yīng)用層設(shè)計(jì)

激勵(lì)主要來(lái)源于共識(shí)DPOS的過(guò)程中，經(jīng)銷(xiāo)商（電商平臺(tái)）、政府相關(guān)部門(mén)能根據(jù)智能合約的規(guī)定取得交易金額中的一部分資金分成和通過(guò)采用區(qū)塊鏈技術(shù)，達(dá)到提高效率、降低成本，從而帶來(lái)的利潤(rùn)增長(zhǎng)[14]。由于共識(shí)層采用DPOS機(jī)制，沒(méi)有高能耗的共識(shí)計(jì)算POW過(guò)程[19]，區(qū)塊鏈聯(lián)盟成員通過(guò)表決，即數(shù)字簽名完成對(duì)農(nóng)產(chǎn)品信息準(zhǔn)確性的認(rèn)可，只有當(dāng)所有機(jī)構(gòu)都認(rèn)可后，農(nóng)產(chǎn)品信息才具備可靠性。在DPOS機(jī)制中激勵(lì)層的作用并沒(méi)有被削弱。

合約層是運(yùn)行在《中華人民共和國(guó)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全法》、地方法律法規(guī)、行業(yè)規(guī)定等一系列相關(guān)法規(guī)下的可編程合約條款。智能合約不需要第三方的擔(dān)保，可以自動(dòng)強(qiáng)制執(zhí)行復(fù)雜數(shù)字資產(chǎn)轉(zhuǎn)移操作，并將詳細(xì)的交易記錄加入?yún)^(qū)塊鏈[20]。智能合約技術(shù)如圖6所示，可在法規(guī)的約束之下提供更多的預(yù)置觸發(fā)條件和響應(yīng)規(guī)則，滿(mǎn)足更加復(fù)雜和貼近實(shí)際的可編程數(shù)字合約。

應(yīng)用層主要是為滿(mǎn)足政府部門(mén)、企業(yè)、消費(fèi)者、農(nóng)民等不同的應(yīng)用訴求，提供更加便捷農(nóng)作物的交易能力，更低廉的農(nóng)作物加工、運(yùn)輸、交易成本，更完整、可靠的產(chǎn)品回溯方案和更直接、透明的市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)制。

4? 農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈應(yīng)用方案

上文中介紹的農(nóng)業(yè)信息區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)可以同物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、電子商務(wù)等多種技術(shù)相結(jié)合，推進(jìn)農(nóng)業(yè)信息化發(fā)展。在應(yīng)用環(huán)節(jié)，區(qū)塊鏈可以起到橋梁和支點(diǎn)的作用，具體從以下三方面體現(xiàn)。

4.1? 建立農(nóng)產(chǎn)品信息回溯體系

物聯(lián)網(wǎng)+農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈聯(lián)盟的技術(shù)手段可在農(nóng)產(chǎn)品信息回溯體系中發(fā)揮重要作用，成為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全的有效保障，具體體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）可以為農(nóng)產(chǎn)品在種植、加工、認(rèn)證、銷(xiāo)售等階段提供可靠、安全的信息透明度，消除信息黑洞;

（2）基于數(shù)字加密與驗(yàn)證技術(shù)的分布式信息存儲(chǔ)方法為農(nóng)產(chǎn)品的信息安全提供了不可篡改性;

（3）由政府相關(guān)部門(mén)牽頭，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者、加工企業(yè)、物流公司、電商、消費(fèi)者等多方共同組成農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈聯(lián)盟，通過(guò)在聯(lián)盟內(nèi)部達(dá)成共識(shí)，提供了農(nóng)產(chǎn)品信息的權(quán)威性;

（4）農(nóng)產(chǎn)品不同階段的所有數(shù)據(jù)信息、交易操作，都需要在聯(lián)盟內(nèi)部達(dá)成共識(shí)，參與共識(shí)的聯(lián)盟成員通過(guò)數(shù)字簽名生成不可修改的共識(shí)簽名，建立質(zhì)量問(wèn)題追責(zé)的閉環(huán)體系;

（5）由質(zhì)檢機(jī)構(gòu)、經(jīng)銷(xiāo)商、大型企業(yè)共同組成聯(lián)盟鏈的超級(jí)節(jié)點(diǎn)，承擔(dān)主要的分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、信息維護(hù)，從而減少農(nóng)民、消費(fèi)者在區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力，降低農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈的技術(shù)門(mén)檻。

4.2? 建立信息透明的農(nóng)產(chǎn)品交易市場(chǎng)

利用區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)技術(shù)，將農(nóng)產(chǎn)品上下游的信息數(shù)據(jù)化，并在整個(gè)農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈聯(lián)盟中共享。農(nóng)產(chǎn)品市場(chǎng)將會(huì)透明化，農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)者、中間商、消費(fèi)者都可以根據(jù)透明的信息采取更針對(duì)性的應(yīng)對(duì)行為。例如，農(nóng)民可以預(yù)測(cè)什么作物收益更高，企業(yè)可以發(fā)現(xiàn)什么農(nóng)產(chǎn)品更緊俏，消費(fèi)者可以找到什么食品更劃算。

利用區(qū)塊鏈的P2P通信技術(shù)和智能合約，可以為農(nóng)民和經(jīng)銷(xiāo)商、消費(fèi)者提供實(shí)時(shí)的P2P交易服務(wù)。通過(guò)智能合約的可編程技術(shù)，將合同邏輯預(yù)置在區(qū)塊鏈中，條件滿(mǎn)足即可自動(dòng)觸發(fā)，支付快速完成。農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和消費(fèi)者之間可以直接交易，電商平臺(tái)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)根據(jù)智能合約可以獲得交易金額中的一部分資金分成，從而可以增加收益、降低價(jià)格、提高交易效率。

4.3 建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品交易體系

長(zhǎng)期以來(lái)，資本和技術(shù)問(wèn)題成為了我國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展滯后的主要原因。我國(guó)是典型的小生產(chǎn)大市場(chǎng)的農(nóng)業(yè)模式，上下游市場(chǎng)龐大、集中度低是我國(guó)農(nóng)業(yè)主要特點(diǎn)之一[9]。國(guó)家統(tǒng)計(jì)局?jǐn)?shù)據(jù)顯示我國(guó)2017年農(nóng)業(yè)總產(chǎn)值為5.8萬(wàn)億人民幣[21]，農(nóng)產(chǎn)品加工業(yè)總收入為19.4萬(wàn)億人民幣，具有巨大的市場(chǎng)空間[22]。但廣大的農(nóng)民無(wú)法承受信息產(chǎn)業(yè)的巨額投入，如何將資本和技術(shù)引入到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域成為農(nóng)業(yè)信息化的關(guān)鍵問(wèn)題。

在本文提出的農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈技術(shù)的共識(shí)層與激勵(lì)層中，數(shù)據(jù)提供者為物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，呈現(xiàn)者為電商平臺(tái)，審查者為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)檢部門(mén)、銀行，抽查者為具有資質(zhì)的民間農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量抽查公司。其中數(shù)據(jù)提供者、呈現(xiàn)者、審查者需要對(duì)信息進(jìn)行共識(shí)并簽名（數(shù)字簽名），在簽名的過(guò)程中三方可以通過(guò)智能合約從交易中獲得利潤(rùn)，如圖7所示，一方面保證農(nóng)產(chǎn)品信息的真實(shí)性（多方認(rèn)證），另一方面也給予了認(rèn)證方（紅色箭頭）合理的收益，最后農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)者、加工者、消費(fèi)者也可以通過(guò)更透明、合理的交易價(jià)格獲得回報(bào)（黑色箭頭）。

通過(guò)以上機(jī)制，可以吸引電商平臺(tái)、物聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的資金與技術(shù)投入，同時(shí)通過(guò)智能合約可以提供對(duì)共識(shí)責(zé)任的懲戒措施，保證共識(shí)信息的正確性。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量信息共識(shí)認(rèn)證環(huán)節(jié)中，資金和技術(shù)提供方都可以在共識(shí)體系中得到激勵(lì)回報(bào)和責(zé)任約束。通過(guò)利潤(rùn)回報(bào)提高資金和技術(shù)進(jìn)入農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的速度。

5? 小結(jié)與展望

我國(guó)農(nóng)業(yè)信息化的道路依然任重而道遠(yuǎn)，如何讓信息技術(shù)走進(jìn)農(nóng)村、入戶(hù)農(nóng)家，是農(nóng)業(yè)信息化需要解決的重要問(wèn)題。本文將區(qū)塊鏈技術(shù)同農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、農(nóng)產(chǎn)品電商平臺(tái)相結(jié)合，提出了農(nóng)產(chǎn)品信息區(qū)塊鏈總體技術(shù)架構(gòu)和農(nóng)業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用的解決方案，該方案可以提供可靠的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全回溯體系，更透明、高效的農(nóng)產(chǎn)品交易市場(chǎng)和基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品交易體系方案。

區(qū)塊鏈作為一種底層技術(shù)，將會(huì)在農(nóng)業(yè)信息化中扮演支點(diǎn)和橋梁的作用，可以較好的服務(wù)于農(nóng)業(yè)信息化中的關(guān)鍵技術(shù)，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的技術(shù)水平，降低生 產(chǎn)成本。區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)應(yīng)用中的前景非常廣闊。但本文所提出的技術(shù)框架也僅僅是對(duì)區(qū)塊鏈應(yīng)用的設(shè)想，還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)。區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用還處于探索的階段，該技術(shù)還遠(yuǎn)未成熟，需要更多的理論探索和應(yīng)用嘗試。

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Framework design and application prospect of agricultural product information blockchain

Hao Liang1， Sichen Liu2， Yinuo Zhang3， Ke Lv1*

（1. School of Engineering Science， University of Chinese Academy of Sciences， Beijing 100049， China;

2. Institute of Crop Germplasm Resources of Shanxi Academy of Agricultural Sciences， Taiyuan 030031， China;

3. School of Economics， Capital University of Economics and Business， Beijing 100070）

Abstract： Agriculture of China is a typical agricultural system of small producer and large market. Producers are too scattered. Agricultural foundation remains weak in the vast rural areas， especially poverty-stricken areas. All of the above have built up a hedge for the high input of information industry and been a serious impediment to agricultural informationalization. As the underlying technology of electronic tokens， blockchain has become the current research hotspot， and been applied in finance， logistics， electronic commerce， information traceability and so on. Blockchain is a distributed storage and computation system， which is decentralized， so it is highly compatible with the distributed economic system. It will be a comprehensive solution to the agricultural status that is "scattered， small and weak". The book China Blockchain Technology and Application Development Whitepaper 2016 gives guidance suggestions for the application of blockchain in different industries including agriculture. This article is proposed by combining the specific status of Chinese agriculture and the technical characteristics of the block chain. Blockchain will play a very important rule in information gathering， resource integrating， profits sharing and backtracking information. Framework of blockchain for agricultural product with 7 levels of information gathering layer， data layer， network layer， consensus layer， excitation layer， contract layer and application layer was designed based on generalized blockchain according to actual situation of agriculture in China. The function of information gathering layer and data layer weve used to storage encrypted information that is acquired by IoT node in a distributed way. The Network layer was designed with a semi-distributed topological structure based on the original Peer-to-Peer distributed network structure in the blockchain by adding the supper notes. In the consensus layer， the DPOS was implied install of POW， therefore， there is no need for intensive computing. Due to the use of smart contact in the contract layer， transactions can be completed automatically in the absence of intermediaries. Furthermore， members of the Blockchain Union can also get repay by participating in the consensus with the smart contracts. The application layer was designed to provide the interface for application of government， bank， enterprise， producer and consumers. This framework can provide flexible mechanism of distributed storage， complete information consensus system， reliable information tamper-proof function and practical incentive reward measures. Subsequently， the above functions have been explained in the agricultural products quality safety traceability and application for the agricultural product market information transparency in more detail. However， the application of block chain in the field of agriculture is still in the stage of exploration， the technology is far from mature， and still need to be perfected in the process of application gradually.

Key words： blockchain; agricultural product informatization; smart contract; consensus mechanism; traceability