張 哲 楊信廷 于合龍 李珊珊 孫傳恒
(1.吉林農(nóng)業(yè)大學信息技術學院,長春 130118;2.國家農(nóng)業(yè)信息化工程技術研究中心,北京 100097;3.農(nóng)產(chǎn)品質量安全追溯技術及應用國家工程研究中心,北京 100097)
生鮮農(nóng)產(chǎn)品是指與我們日常生活息息相關的新鮮果蔬、水產(chǎn)及畜禽肉類產(chǎn)品,通常被稱為“生鮮三品”。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展和廣泛應用,生鮮農(nóng)產(chǎn)品的消費市場逐漸擴大,人們可以通過線上或線下多種平臺和渠道進行采購,這種方式高效地促進了跨地域消費,但同時也成為了食品安全問題的重大隱患[1]。由于生鮮農(nóng)產(chǎn)品最本質的特性就是易腐爛變質、保質期短、易受到周邊環(huán)境條件的影響,這對儲存方式和運輸過程都產(chǎn)生了較高的考驗。
為切實滿足消費者的需求,中國生鮮農(nóng)產(chǎn)品的品質正向著綠色、優(yōu)質、安全等方面逐漸提升[2],同時加強食品生產(chǎn)、流通加工、倉儲配送、銷售等諸多環(huán)節(jié)的把控力度,不斷優(yōu)化生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈體系,堅決避免類似英國馬肉冒充牛肉[3]等食品安全問題再次出現(xiàn)。目前,生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈主要呈現(xiàn)上游分散,下游零售渠道并行的情況,并且各環(huán)節(jié)間易出現(xiàn)信息不對稱且缺乏信任等問題,難以確保信息的安全性[4]。
基于區(qū)塊鏈技術的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)具有提高生產(chǎn)、加工、運輸、銷售過程的透明度和效率,增強數(shù)據(jù)可信度,體現(xiàn)數(shù)據(jù)可追溯性等優(yōu)點,同時可以剔除農(nóng)產(chǎn)品供應鏈中不必要的中間商,并且增強消費者對可追溯農(nóng)產(chǎn)品的信心[5]。楊信廷等認為可追溯性指的是產(chǎn)品供應鏈追溯與跟蹤的特性與能力,追溯系統(tǒng)是通過一定技術手段實現(xiàn)可追溯性的方法、模型和體系[6],構建成熟完善的追溯系統(tǒng)是保障生鮮農(nóng)產(chǎn)品信息安全的有效手段。本文結合區(qū)塊鏈技術的特點,提出了生鮮農(nóng)產(chǎn)品的可追溯性架構,并對基于區(qū)塊鏈技術的生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀進行全面總結,同時指出生鮮農(nóng)產(chǎn)品與區(qū)塊鏈溯源技術相結合的未來發(fā)展方向,為生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯技術的發(fā)展與推進奠定堅實基礎。
區(qū)塊鏈技術(Blockchain Technology)是一種利用塊鏈式數(shù)據(jù)結構來驗證與存儲數(shù)據(jù)、通過節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、使用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問安全、且由智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的分布式架構和計算范式[7]。
2.1.1 區(qū)塊鏈結構
區(qū)塊鏈是指由一系列通過加密算法鏈接的數(shù)據(jù)塊組成的分布式賬本[8]。從創(chuàng)世區(qū)塊開始每個區(qū)塊都記錄一組網(wǎng)絡交易信息,區(qū)塊鏈接起來形成一個完整的區(qū)塊鏈結構,區(qū)塊鏈結構如圖1 所示。每個區(qū)塊由區(qū)塊頭(block header)和區(qū)塊體(block body)組成[9]。區(qū)塊頭主要保存用于與前一個區(qū)塊連接的信息和用于驗證的信息,包括版本號、前一個區(qū)塊的哈希值、當前區(qū)塊寫入時間的時間戳、用于證明工作負載難度的Nonce 和難度系數(shù)以及用于驗證區(qū)塊體事務的Merkle 樹根的總哈希,區(qū)塊體主要包含交易信息和所有交易信息的Merkle樹[10]。
圖1 區(qū)塊鏈結構Fig.1 Blockchain structure
在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中,任意兩個節(jié)點都可以進行交易,每次交易由單個節(jié)點廣播到整個網(wǎng)絡上的所有節(jié)點[11]。當所有節(jié)點確認記錄正確時,交易信息在區(qū)塊鏈中鏈接,并且該過程依賴于網(wǎng)絡的共識機制[12]。分布式結構使每個節(jié)點能夠記錄所有交易信息,每個節(jié)點實時更新和存儲整個網(wǎng)絡的所有信息[13]。
2.1.2 技術特點
區(qū)塊鏈主要涉及3 項關鍵技術,包括加密算法、共識機制和智能合約。
首先,加密算法是用于確保系統(tǒng)安全的基本技術,主要包括哈希函數(shù)和公鑰加密,應用于數(shù)據(jù)結構、驗證方法、通信協(xié)議以及信息存儲。哈希函數(shù)通過哈希值和哈希指針來保證分布式賬本數(shù)據(jù)的完整性、真實性和不變性,哈希算法的關鍵是將輸入數(shù)據(jù)轉換成定長Hash,并且這個過程是不可逆的[14]。公鑰加密主要是指非對稱加密算法,用于向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡提供身份驗證[15,16]。
其次,共識機制,通過解決一致性問題的共識算法來證明節(jié)點的所有權和準確性。這種機制在系統(tǒng)中的不同節(jié)點之間建立信任,并保證所有節(jié)點的每筆交易保持一致。隨著區(qū)塊鏈技術的發(fā)展,出現(xiàn)了許多一致性算法,如工作量證明(Proof of Work,PoW)[17]、權益證明(Proof of Stake,PoS)[18]、實用拜占庭容錯(Practical Byzantine Fault Tolerance,PBFT)[19]。
最后,智能合約是指以數(shù)字形式定義的一組承諾。合約內容以代碼的形式固定在區(qū)塊鏈中,最終生成自動執(zhí)行的腳本[20]。每筆交易都由智能合約處理,一旦觸發(fā)預定義的條件,相應的合約條款可以自動執(zhí)行[21]。這個過程不需要第三方,這對商業(yè)模型的設計有巨大的影響[22]。
2.1.3 區(qū)塊鏈溯源優(yōu)勢
區(qū)塊鏈技術是融合加密算法、共識機制、智能合約等技術特點所構成的分布式數(shù)據(jù)庫模型,擁有去中心化、不可篡改性、安全可追溯性等優(yōu)勢[23],可以針對性的解決傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中的信任問題,并且數(shù)據(jù)流通過程公開透明,與生鮮農(nóng)產(chǎn)品質量追溯環(huán)節(jié)相吻合。
(1)去中心化存儲。信任問題是傳統(tǒng)溯源防偽任務中存在的最大難題,使用區(qū)塊鏈技術可以將所有信息記錄在分布式賬本上,實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從種植飼養(yǎng)、生產(chǎn)加工到物流運輸、分銷銷售整個供應鏈過程的追溯功能。并且采用復雜的加密算法,可以使數(shù)據(jù)免受攻擊和篡改,充分保障了可追溯性數(shù)據(jù)的準確性,由此解決信任問題。
(2)不可篡改。區(qū)塊鏈中的不可篡改性主要由加密算法中的哈希函數(shù)所決定,而哈希函數(shù)生成的隨機數(shù)具有不可預測性,如果想對數(shù)據(jù)進行修改就需要消耗大量算力。由于篡改數(shù)據(jù)需要付出巨大成本的原因,所以難以實現(xiàn)。
(3)安全可追溯。區(qū)塊鏈技術因可通過多方共同維護同一個賬本的特點,能有效打破傳統(tǒng)的信息孤島問題,實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享,并且其獨有的鏈式結構決定了區(qū)塊鏈追溯具有安全可追溯性。
生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈主要是在供應商、制造商、零售商和消費者之間建立一種協(xié)作關系,主要包括信息流、資金流、物流和商流[24]。生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈具有產(chǎn)品種類豐富、物流運輸量龐大等特點,從種植養(yǎng)殖環(huán)節(jié)到生產(chǎn)環(huán)節(jié),再經(jīng)過運輸環(huán)節(jié)和銷售環(huán)節(jié),最終到消費者手中的過程中仍存在著信息孤島問題。目前,生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈主要包含生鮮農(nóng)產(chǎn)品的種植養(yǎng)殖、生產(chǎn)加工、物流運輸和分銷售賣等環(huán)節(jié)。生鮮農(nóng)產(chǎn)品從農(nóng)戶主體供應到消費者主體的過程中涉及到的環(huán)節(jié)繁雜眾多,并且信息數(shù)據(jù)量巨大,同時包括農(nóng)民、加工企業(yè)、運輸商、銷售商和消費者等不同主體[25]。生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈如圖2所示。
圖2 生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈Fig.2 Fresh agricultural products supply chain
可追溯性已成為企業(yè)、政府和消費者的重要需求。它能夠跟蹤、協(xié)調、執(zhí)行業(yè)務事務和收集來自大多數(shù)支持IoT 設備的信息,例如射頻識別(RFID)、無線傳感器網(wǎng)絡(WSN)、QR(Quick Response)碼和其他IoT 設備。區(qū)塊鏈技術為生鮮農(nóng)產(chǎn)品可追溯性管理過程中的價值和信息交換提供了一個可行的信息透明度和安全性解決方案??勺匪菪孕畔⒋鎯υ诜稚⒌钠脚_上,可以通過連接RFID、條形碼、物聯(lián)網(wǎng)設備等手段將物理流與信息流聯(lián)系起來,可以記錄不可改變且不能偽造的交易信息,有效地維護可追溯性業(yè)務中的運輸物流和信息流。因此,區(qū)塊鏈可提高信息安全和透明度,并通過基于物聯(lián)網(wǎng)的設備為生鮮農(nóng)產(chǎn)品提供持久性信息獲取,從而提供可持續(xù)的可追溯性管理產(chǎn)品。通過分析生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈的分析,筆者提出了一種基于區(qū)塊鏈的生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯架構,如圖3所示。
圖3 生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯架構Fig.3 Traceability framework of fresh agricultural products
隨著區(qū)塊鏈技術的迅速發(fā)展,越來越多的學者開始將視線聚焦在區(qū)塊鏈應用中,其中在生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯研究中也進行了大量探索。本節(jié)重點總結了國內外學者針對生鮮農(nóng)產(chǎn)品在區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)構建的相關工作。
果蔬追溯主要目的是為了果蔬的食品質量安全,保證消費者手中拿到的果蔬具備可追溯性。田豐(Feng T)等人提出RFID 和區(qū)塊鏈技術相結合用于保證整個果蔬供應鏈的食品安全和質量,并且減少物流過程中的損失[26]。埃爾登庫烏(Erdenekhuu)提出了香蕉供應鏈架構,保證了香蕉從農(nóng)田到消費者整個分銷鏈上的質量安全[27]。沃爾瑪在北京建立了食品安全合作中心,其芒果區(qū)塊鏈解決方案試點將芒果從原產(chǎn)地的跟蹤時間從7 天減少到2.2 秒,從而實現(xiàn)了更高的透明度和效率[28]。史亮等人基于區(qū)塊鏈的特征和優(yōu)勢,在傳統(tǒng)的果蔬追溯體系中加入了區(qū)塊鏈技術,不但可以使消費者輕松獲取果蔬農(nóng)產(chǎn)品的所有信息,同時降低了政府監(jiān)管的成本,為果蔬農(nóng)產(chǎn)品追溯提供有力依據(jù)[29]。江琳麗等指出了利用自建二維碼平臺進行追溯的弊端,并以柚子產(chǎn)業(yè)為例,闡述了區(qū)塊鏈技術助力溯源的新模式,體現(xiàn)區(qū)塊鏈等信息技術的應用,增強了消費者對農(nóng)產(chǎn)品質量安全的信心[30]。戈國偉等提出了基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)哈希值二次上鏈和驗證方法,不但保證多個參與實體之間數(shù)據(jù)的真實性,而且增強了果蔬質量追溯系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲可信度,并解決了消費者追溯查詢用時過長問題[31]。楊信廷(Xinting Yang)等人提出了一種基于區(qū)塊鏈的果蔬農(nóng)產(chǎn)品跟蹤系統(tǒng)以解決集中管理的問題。該系統(tǒng)通過引入鏈上鏈下雙重存儲結構,緩解了鏈上負載壓力,提高了信息的透明度和可信度。此外,性能分析結果表明,該系統(tǒng)符合實際應用的標準[32]。區(qū)塊鏈在果蔬追溯的應用如表1所示。
表1 區(qū)塊鏈在果蔬追溯的應用Table 1 Application of blockchain in fruit and vegetable traceability
為達到整個溯源流程對數(shù)據(jù)不可篡改、合同簽名安全、信息共識和分布式存儲等方面的要求,譙業(yè)石基于Hyperledger Fabric 平臺和互聯(lián)網(wǎng)技術,根據(jù)不同經(jīng)濟預算設計了不同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的搭建方式,確保了豬肉溯源信息的真實性[33]。丹尼爾(Daniel)等提出了一種基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的追溯系統(tǒng),以使用PoS 作為共識方法來跟蹤雞蛋供應鏈數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)向消費者提供關鍵產(chǎn)品信息,同時提高供應鏈內部的透明度[34]。左敏等人通過智能禽舍和基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的智能雞舍監(jiān)控管理平臺采集得到的食品追溯數(shù)據(jù)集,優(yōu)化了實用拜占庭容錯共識算法,保證了區(qū)塊鏈共識安全,同時提升了食品溯源區(qū)塊鏈網(wǎng)絡通信和共識效率[35]。陳秋強以區(qū)塊鏈技術為基礎,選用Hyperledger Fabric 架構設計了一套畜禽產(chǎn)品區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng),驗證了區(qū)塊鏈溯源技術在畜禽溯源過程中的有效性[36]。楊信廷等集成區(qū)塊鏈技術和聚合簽名算法,實現(xiàn)監(jiān)管部門節(jié)點、畜牧耳標等物聯(lián)網(wǎng)設備間身份驗證的可信追溯,并應用于畜牧資產(chǎn)監(jiān)管身份認證,保障畜牧資產(chǎn)監(jiān)管系統(tǒng)細粒度的身份驗證[37]。曹守峰(Shoufeng Cao)等基于區(qū)塊鏈開發(fā)了一種人機協(xié)調機制,以便在向消費者交付認證的可追溯性數(shù)據(jù)時,在全鏈范圍內分擔責任,并將其部署到了Beef-Ledger可追溯系統(tǒng)中,從而增加消費者對牛肉追溯數(shù)據(jù)的信任[38]。區(qū)塊鏈在畜禽肉類追溯的應用如表2所示。
表2 區(qū)塊鏈在畜禽肉類追溯中的應用Table 2 Application of blockchain in livestock and poultry meat traceability
針對產(chǎn)品質量信息的不透明和信息可篡改等問題,世界野生動物基金會(WWF)創(chuàng)建了一個名為“從魚餌到盤子”的項目,重點關注新西蘭金槍魚在整個供應鏈中的可追溯性。其項目采用以太坊平臺和RFID 技術相結合進行魚類標記[39]。埃爾登庫烏(Erdenekhuu)提出了魚類供應鏈架構,為交易的安全進行以及食品質量安全提供了有力保障[27]。洪坤明等基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈,采用GS1-128 條形碼標準、PBFT共識算法及Hyperledger 智能合約鏈碼,設計開發(fā)了分層次多用戶的水產(chǎn)養(yǎng)殖品質量追溯系統(tǒng),有效保障了水產(chǎn)養(yǎng)殖品食用安全[40]。李夢琪等基于Hyperledger Fabric 平臺,設計了基于主從多鏈的水產(chǎn)品區(qū)塊鏈溯源信息管理系統(tǒng),提出對溯源信息進行并發(fā)分層存儲,有效解決了隱私數(shù)據(jù)無需共享和單鏈負載兩個方面的問題[41]。馮國富等基于Fabric 技術框架和星際文件系統(tǒng)(InterPlanetary File System,IPFS),提出了水產(chǎn)品交易溯源模型。結合溯源模型構建了水產(chǎn)品溯源系統(tǒng),并且可以滿足水產(chǎn)品交易數(shù)據(jù)的存儲和溯源業(yè)務需求[42]。李明智等針對中國貝類設施養(yǎng)殖產(chǎn)業(yè)發(fā)展中的資源共享問題,基于以太坊智能合約和信息技術構建了貝類設施養(yǎng)殖資源共享平臺,實現(xiàn)了平臺用戶的知識產(chǎn)權保護以及交易過程的可追溯和不可篡改[43]。區(qū)塊鏈在水產(chǎn)品追溯的應用如表3所示。
表3 區(qū)塊鏈在水產(chǎn)品追溯中的應用Table 3 Application of blockchain in aquatic products traceability
加密技術是區(qū)塊鏈中不可或缺的重要組成部分,整個供應鏈中的參與者都會擁有自己的公鑰與私鑰。針對缺少相關技術經(jīng)驗的企業(yè)用戶、供應商和消費者而言,對私鑰的概念理解程度較低,消費者通常會將私鑰理解成身份證或營業(yè)執(zhí)照,一旦將其丟失可以進行補辦措施,但實際上是私鑰無法補辦,私鑰一旦丟失,賬戶的信息與資產(chǎn)便無法進行任何操作,會極大的傷害消費者的利益[23]。盡管尹威(Wei Yin)等針對加密算法的安全性問題提出了針對性解決方法[44],但在加密技術上仍有很大進步空間。
區(qū)塊鏈作為去中心化的數(shù)據(jù)庫,每個節(jié)點都掌握著全部數(shù)據(jù)信息,但企業(yè)并非希望把所有數(shù)據(jù)及交易進行公開,因為部分數(shù)據(jù)會涉及商業(yè)機密。這種現(xiàn)象使得供應商、制造商、零售商以及消費者之間對用戶隱私和交易保密的問題產(chǎn)生顧慮?,F(xiàn)階段區(qū)塊鏈通過隱私保護措施來保護用戶隱私,底層機密性數(shù)據(jù)通過加密算法進行存儲,并且只有企業(yè)用戶可以查詢,為確保上層應用的隱私安全,設置嚴格的權限控制。
現(xiàn)階段追溯技術可提供消費者查詢、監(jiān)督的權利,但生鮮農(nóng)產(chǎn)品在運輸配送過程中易出現(xiàn)損壞或保鮮度不夠等問題,會降低消費者的購買舒適度。在傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中,多采用二維碼、條形碼等進行一物一碼溯源[45],但二維碼和條形碼都具有可復制性,不法分子通常會更換完整新鮮的農(nóng)產(chǎn)品,并復制產(chǎn)品的追溯碼,從而使商品溯源失效。
在區(qū)塊鏈溯源場景中,源頭數(shù)據(jù)的真實性是最大的痛點。區(qū)塊鏈只能保證上鏈的數(shù)據(jù)不會被篡改,但無法判斷數(shù)據(jù)本身是否是真實數(shù)據(jù)。因此,結合區(qū)塊鏈技術構建生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯體系只能從一定程度上增加數(shù)據(jù)造假的成本,無法保證源頭數(shù)據(jù)的有效性與真實性。
如今,在日常生活中白酒已經(jīng)成為人們不可缺少的飲品,但白酒在市場中魚龍混雜,在購買白酒時易遇到“真瓶裝假酒”的問題[46]。因此,證明瓶中的酒是否被掉包以及包裝中的商品是否為供應商生產(chǎn)成為區(qū)塊鏈應用落地中迫切需要解決的問題。生鮮產(chǎn)品亦是如此,以陽澄湖大閘蟹為例,為抑制市場中出現(xiàn)“冒牌蟹”,當?shù)厣碳覟槊恳恢淮箝l蟹同時包裝一個防偽吊牌,但此舉依然無法制止“冒牌蟹”的出現(xiàn),并且市場上出現(xiàn)的每只假蟹同樣持有防偽吊牌。為解決這一難題,馮裕清等提出一種基于遷移學習和金字塔卷積的河蟹背甲圖像個體識別算法,為河蟹個體識別追溯提供了理論基礎與方法支持[47]。
隨著國民消費水平的日益提升,消費者對生鮮農(nóng)產(chǎn)品的食品質量安全標準整體提高。農(nóng)戶、供應商和銷售商要想滿足消費者的要求,就要通過各種方式加強生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應鏈各環(huán)節(jié)的食品質量保障。區(qū)塊鏈技術的不斷發(fā)展與完善,是提高食品質量安全的重要途經(jīng)。本文通過總結區(qū)塊鏈技術在生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯方面的工作,并分析當前仍存在的主要問題,為未來區(qū)塊鏈技術與農(nóng)產(chǎn)品相結合指明方向,為提升生鮮農(nóng)產(chǎn)品質量以及創(chuàng)新區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品溯源提供幫助。將區(qū)塊鏈與多技術融合,構建更完善、更安全、更高效的生鮮農(nóng)產(chǎn)品質量安全追溯系統(tǒng)是當下刻不容緩的重要任務。
中國在生鮮農(nóng)產(chǎn)品方面的發(fā)展水平正在不斷進步,同時生產(chǎn)銷售規(guī)模也在持續(xù)擴大,隨之帶來的追溯方式更是向著多樣化發(fā)展,區(qū)塊鏈將成為未來促進貿(mào)易的重要技術[48]。針對上述對生鮮農(nóng)產(chǎn)品結合區(qū)塊鏈技術仍存在的問題進行分析,筆者分別從以下幾個方面闡述其未來發(fā)展方向。
(1)建立專業(yè)知識宣傳平臺。積極科普區(qū)塊鏈知識,大力推廣區(qū)塊鏈生鮮農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng),逐漸解除消費者對于區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品追溯存在的信任問題,促進區(qū)塊鏈可追溯生鮮農(nóng)產(chǎn)品項目的建立與實施,進而推動形成全社會支持區(qū)塊鏈溯源的氛圍。
(2)結合大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等技術。由于區(qū)塊鏈無法保證源頭數(shù)據(jù)真實性、“真瓶裝假酒”問題以及條碼可復制等痛點,可采用與圖像個體識別存證[47,49-53]和視頻動作識別存證[52,54]等技術相結合的方式,從而實現(xiàn)雙因子身份驗證[49],這樣既保證源頭數(shù)據(jù)的真實性,又提升了產(chǎn)品本身的價值。
(3)充分利用相關的法律法規(guī)制定合理化標準化的行業(yè)制度標準,以保證流通到市場上的產(chǎn)品符合標準,促使消費者增加對各市場主體間的信任度。同時加強鏈下監(jiān)控和鏈上監(jiān)管,快速追查農(nóng)產(chǎn)品流通供應鏈、包裝檢驗等追溯信息,提升綜合監(jiān)管效能。并建立消費者查詢、投訴渠道,使農(nóng)產(chǎn)品事故解決過程透明化,提升消費者對區(qū)塊鏈生鮮農(nóng)產(chǎn)品追溯的信心。