近年來，農獸藥殘留超標等農產品質量安全事件頻發，不僅危及人們的身體健康，同時也對農產品出口貿易造成不利的影響，因此成為社會關注的熱點[1 - 2]，農產品追溯系統成為保障農產品安全的重要手段。農產品追溯系統能夠記錄、存儲供應鏈從生產到銷售的數據信息，一旦發生農產品質量安全問題，系統能夠快速追溯產品來源，并且定位責任主體，及時召回有問題批次的產品[3]。目前，追溯系統的研究主要集中在射頻識別[4]、二維碼[5]、無線傳感網絡[6]等物聯網技術對追溯信息的采集方面，但國內農產品供應鏈具有鏈條長、生產分散、信息多源異構等特點[7]，供應鏈上下游主體由于復雜的利益博弈關系，造成各節點間信息不對稱、信任成本較高等問題，影響了整體追溯效率。同時，傳統追溯系統存在無法將供應鏈各環節的追溯信息進行準確關聯、由企業中心數據庫自主管理供應鏈數據等問題，導致追溯信息不精確、不完整[8]，產生糾紛時舉證困難、責任難以明確[9]。因此，傳統追溯技術無法完全解決我國農產品供應鏈追溯中存在的問題，探索有效的技術方案成為國內外研究的熱點。

　　1 傳統追溯技術

　　追溯是指通過記錄或標識，追蹤和追溯客體的歷史、應用情況或所處位置的活動，追溯系統指基于追溯碼、文件記錄、相關軟硬件設備和通信網絡，實現現代信息化管理并可獲取產品追溯過程相關數據的集成[23]。農產品供應鏈追溯重點跟蹤記錄農產品在生產、加工、運輸、銷售等環節的數據，實現“從農田到餐桌”的全環節監管[24]。表 1 列出了國內外在水產品、農產品、果蔬等大型生鮮農產品領域建立的典型追溯系統[25 - 26]。

　　2 區塊鏈追溯

　　2. 1 區塊鏈簡介區塊鏈是多方參與共同維護的持續增長的分布式數據庫[32 - 33]，基于分布式網絡、密碼學和共識機制建立信任關系，通過智能合約構建價值互聯網。區塊鏈的本質是共享賬本[34]，通過開發分布式平臺解決主體協作、信息誤傳、缺乏監管的問題; 基于全網節點的計算、存儲和網絡共享模型，提供大數據共享和證據保存; 通過零知識證明[35]和安全多方計算，實現數據的驗證而不披露。區塊鏈網絡架構下所有節點互聯互通、對等通信，共同查詢、記錄、維護賬本數據，打破信息孤島，擴展網絡化運行的邊界，實現區塊鏈網絡的去中心化[36]。

　　2. 2 區塊鏈分類根據節點參與方式，區塊鏈可劃分為公有鏈 ( Public Blockchain ) [38]、 私 有 鏈 ( Private Blockchain ) [39] 和 聯 盟 鏈 ( Consortium Blockchain) [40]。根據節點參與權限，區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塊鏈在節點參與、記賬權、讀寫權限、激勵方式以及網絡特征等方面的特點。

　　2. 3 區塊鏈追溯技術區塊鏈追溯系統是在追溯系統中引入區塊鏈技術，實現農產品生產信息、加工信息、運輸信息以及銷售信息的數據一旦驗證通過寫入區塊賬本就無法修改，保證數據的真實、透明、可靠[43]。表 3 列出國內外主流組織和權威學者對區塊鏈追溯的定義。從中可以看出，農產品區塊鏈追溯目的是實現農產品全生命周期跟蹤追溯，構架農產品供應鏈間的溝通橋梁，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 區塊鏈追溯關鍵技術研究進展

　　基于聯盟鏈的農產品供應鏈追溯系統利用各種物聯網采集和保存方式，獲得農產品在生產、加工、運輸以及銷售過程中的關鍵數據，同時利用智能合約自動執行交易條款，基于非對稱加密和數字簽名保證交易數據的唯一性和安全性，通過多通道的事務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，在離散程度高、鏈條長、參與主體多的農產品供應鏈中實現多組織高效協作、資源共識共享共治的智能化配置，大幅降低農產品供應鏈成本。區塊鏈技術涉及到組網建鏈、數據協同、共識算法、智能合約、隱私保護和模式標準等系列技術，限于篇幅，本文重點從區塊鏈追溯鏈上鏈下數據協同、區塊鏈追溯共識機制和區塊鏈追溯隱私保護方面分析區塊鏈追溯關鍵技術的研究進展。

　　3. 1 區塊鏈追溯鏈上鏈下數據協同技術國內聯盟區塊鏈追溯的發展重點方向是鏈上鏈下的數據協同[57]，在區塊鏈追溯系統中鏈上需要鏈下的信息系統擴展計算和存儲能力，鏈下的信息系統需要和鏈上對接實現異構信息共享解決信息孤島問題[58]。區塊鏈追溯鏈上通過哈希函數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據或真實數據上鏈過程的真實性問題[59]，為實現大批統一的區塊鏈應用落地，區塊鏈鏈上鏈下數據協同能力成為目前研究熱點。

　　3. 2 區塊鏈追溯共識機制區塊鏈分布式網絡處理容錯的核心是共識機制，全網節點在預設規則下與其它節點交互達成對數據、行為或流程的一致，實現交易的不可變、全局一致的注冊[69]。公有鏈常用工作量證明機制 PoW ( Proof of work) 、權益證明機制 PoS( Proof of stake) 和委托權益證明機制 DPoS( Delegated proof of stake) 等共識機制; 聯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 對不同區塊鏈網絡中的共識算法進行了分析對比。

　　3. 3 區塊鏈追溯數據隱私保護技術區塊鏈基于對稱加密算法、非對稱加密算法、哈希算法保證數據完整性、隱私性和有效交易憑證[81]，并使用數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數據的安全驗證[82]。表 7 對比分析了隱私保護加強技術。

　　4 區塊鏈追溯應用

　　在區塊鏈追溯應用實踐方面，國內外商業公司進行了積極的探索。比較典型的是螞蟻集團研發的螞蟻鏈、京東集團研發的智臻鏈以及江蘇中南建設集團股份有限公司聯合黑龍江北大荒農業股份有限公司設計構建的區塊鏈大農場。其中，螞蟻鏈通過將網絡準入權限與支付寶綁定，實現一鍵式快速部署，已應用于奶粉、大米、紅酒、蜂蜜等全球 30 億件商品的原產地或境外溯源保真，溯源產地覆蓋 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 億條上鏈數據，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，解決價值網絡中信息流轉不暢、信息缺乏透明度、信息不對稱等問題[92]，區塊鏈大農場應用于北大荒高度組織化的農場種植模式，有 9 種物聯網數據采集標準，112 個電子表單，63 個農作物種植規范，覆蓋北大荒近百萬公頃土地，解決北大荒自然資源向數字資產可信轉移的問題[93]。

　　5 區塊鏈追溯技術展望

　　5. 1 區塊鏈技術發展方向 5. 1. 1 多鏈技術農產品區塊鏈追溯規模化應用后，受到共識速度的限制，節點的執行性能難以線性擴展，鏈上交易在區塊鏈單鏈賬本中串行處理，難以獲得接近中心化系統的性能表現。未來區塊鏈的發展趨勢將改變單鏈主導，實現多條同構鏈或異構鏈并存的區塊鏈新生態系統，解決供應鏈中存在的上下游博弈問題，實現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]設計使用公有鏈和私有鏈構建追溯系統，使用私有鏈存儲企業產品信息，使用公有鏈保證鏈上數據的可驗證和不可篡改，實現數據的可靠存儲和企業自管理隱私數據。LENG 等[76]提出的基于雙區塊鏈的農產品供應鏈系統選用公有鏈存儲公共服務平臺上企業用戶信息，在私有鏈上存儲企業隱私數據和交易數據。DING 等[104]提出了雙鏈的追溯許可鏈共識機制，主層部署聯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，系統也隨著參與節點的增加保持高效的運行效率。 5. 1. 2 跨鏈技術區塊鏈在農產品供應鏈追溯具體的應用場景中需要適應多樣化的業務需求，方便跨企業、跨生態業務數據的共享。在大批統一的區塊鏈應用場景下，采用不同的通信協議、編程語言、共識機制和隱私措施搭建的相對獨立的、缺乏統一的互聯互通機制的異構鏈難以做到價值互通、適應不同的場景需求，因此，異構鏈間實現跨鏈的價值傳遞將是區塊鏈追溯生態健康發展的必然要求。跨鏈[105 - 108]通過中間件實現異構鏈的互聯互通，實現賬本的跨鏈互操作，為追溯行業跨生態、跨行業的多維協作解決信息孤島問題，從追溯異構鏈“孤島”發展成為異構鏈“網絡”。

　　5. 2 與新一代信息技術融合助力追溯產業以物聯網、大數據、人工智能、云計算和 5G 為代表的新一代信息技術和區塊鏈的深度融合為農產品供應鏈追溯行業提供了巨大的潛在空間[109]。新一輪科技革命中各有側重并相互關聯，物聯網負責收集數據，全網海量數據匯集存儲在鏈下云端形成追溯大數據，云計算完成數據的高效查詢操作，大數據為人工智能提供訓練數據集不斷優化模型參數，構建輔助決策生產模型改進供應鏈上下游智能決策; 區塊鏈作為信任橋梁穩定涉及數據操作的信任機制，保證數據傳遞、共享的穩定可靠[110]。 5. 2. 1 區塊鏈 + 物聯網區塊鏈是構建物聯網真正分散、無信任和安全環境的缺失環節，通過區塊鏈的分布式網絡、不可篡改和可追溯的優勢為物聯網的安全應用提供媒介[111]。區塊鏈 + 物聯網實現物物之間信用的無風險、無杠桿的高效率傳遞，鏈上實現資金流、物流、信息流三流合一[112]，在物聯網萬物互聯的基礎上保證萬物可信，實現物理世界和數字世界的映射，保證上鏈信息的真實性和完整性，進一步助力智慧供應鏈追溯發展。表 8 列出了部分區塊鏈 + 物聯網模式在追溯方面的應用。5. 2. 2 區塊鏈 + 大數據區塊鏈技術具有加密共享、去中心化、信息防篡改等特性，對解決數據流通、價值共享、數據孤島等方面提供了解決方案，而大數據技術具備海量數據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據分析結果的正確性和數據挖掘效果，還極大提升區塊鏈數據的價值和使用空間。大數據管理聚合海量數據，將離散的數據需求聚合成數據長尾從而滿足數據治理需求。運用大數據管理的虛擬性有利于追溯信息跨行業、跨生態的應用和管理，避免供應鏈各環節存在的斷鏈情況，準確關聯各環節的追溯信息，提供精準、完整的追溯數據。趙嘉承等[120]從大數據挖掘角度剖析區塊鏈追溯過程中的信息真實性問題。CHEN 等[121]設計的農產品監管系統使用 云計算技術進行追溯環節中物聯網應用產生的大數據處理，并結合機器學習技術，建立模型預測對作物品種選擇、生產和栽培管理以及上市時間等給出最佳的選擇方案。5. 2. 3 區塊鏈 + 人工智能區塊鏈技術能夠鏈接供應鏈各環節信息，促進跨行業、跨生態的數據流動、共享，讓人工智能可以根據不同用途、需求獲取更加全面的數據，真正變得 “智能”。利用區塊鏈 + 人工智能技術研發農產品可信追溯系統，把追溯技術從過去的純數字空間防偽保護，升級為“物理空間 + 數字空間”的聯合保護，同時使用人工智能技術結合機器學習邊緣計算、自動化控制研發高速追溯數據采集系統，通過深度學習方法等自動識別農產品復雜供應鏈條中生產、加工、物流、銷售等全環節人工干預的操作，實現行為數據上鏈存證保證數據的不可篡改將是二者結合的重要方向。

　　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.

　　《農產品供應鏈區塊鏈追溯技術研究進展與展望》來源：《農業機械學報》，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