近年来，农兽药残留超标等农产品质量安全事件频发，不仅危及人们的身体健康，同时也对农产品出口贸易造成不利的影响，因此成为社会关注的热点[1 - 2]，农产品追溯系统成为保障农产品安全的重要手段。农产品追溯系统能够记录、存储供应链从生产到销售的数据信息，一旦发生农产品质量安全问题，系统能够快速追溯产品来源，并且定位责任主体，及时召回有问题批次的产品[3]。目前，追溯系统的研究主要集中在射频识别[4]、二维码[5]、无线传感网络[6]等物联网技术对追溯信息的采集方面，但国内农产品供应链具有链条长、生产分散、信息多源异构等特点[7]，供应链上下游主体由于复杂的利益博弈关系，造成各节点间信息不对称、信任成本较高等问题，影响了整体追溯效率。同时，传统追溯系统存在无法将供应链各环节的追溯信息进行准确关联、由企业中心数据库自主管理供应链数据等问题，导致追溯信息不精确、不完整[8]，产生纠纷时举证困难、责任难以明确[9]。因此，传统追溯技术无法完全解决我国农产品供应链追溯中存在的问题，探索有效的技术方案成为国内外研究的热点。
1 传统追溯技术
追溯是指通过记录或标识，追踪和追溯客体的历史、应用情况或所处位置的活动，追溯系统指基于追溯码、文件记录、相关软硬件设备和通信网络，实现现代信息化管理并可获取产品追溯过程相关数据的集成[23]。农产品供应链追溯重点跟踪记录农产品在生产、加工、运输、销售等环节的数据，实现“从农田到餐桌”的全环节监管[24]。表 1 列出了国内外在水产品、农产品、果蔬等大型生鲜农产品领域建立的典型追溯系统[25 - 26]。
2 区块链追溯
2. 1 区块链简介区块链是多方参与共同维护的持续增长的分布式数据库[32 - 33]，基于分布式网络、密码学和共识机制建立信任关系，通过智能合约构建价值互联网。区块链的本质是共享账本[34]，通过开发分布式平台解决主体协作、信息误传、缺乏监管的问题; 基于全网节点的计算、存储和网络共享模型，提供大数据共享和证据保存; 通过零知识证明[35]和安全多方计算，实现数据的验证而不披露。区块链网络架构下所有节点互联互通、对等通信，共同查询、记录、维护账本数据，打破信息孤岛，扩展网络化运行的边界，实现区块链网络的去中心化[36]。
2. 2 区块链分类根据节点参与方式，区块链可划分为公有链 ( Public Blockchain ) [38]、 私 有 链 ( Private Blockchain ) [39] 和 联 盟 链 ( Consortium Blockchain) [40]。根据节点参与权限，区块链可划分为许可链( Permissioned Blockchain) [41]和非许可链 ( Permissionless Blockchain) [42]。表 2 分析了不同类型的区块链在节点参与、记账权、读写权限、激励方式以及网络特征等方面的特点。
2. 3 区块链追溯技术区块链追溯系统是在追溯系统中引入区块链技术，实现农产品生产信息、加工信息、运输信息以及销售信息的数据一旦验证通过写入区块账本就无法修改，保证数据的真实、透明、可靠[43]。表 3 列出国内外主流组织和权威学者对区块链追溯的定义。从中可以看出，农产品区块链追溯目的是实现农产品全生命周期跟踪追溯，构架农产品供应链间的沟通桥梁，提升信息的透明度和真实性，在追溯平台信任得到了良好的维护。
3 区块链追溯关键技术研究进展
基于联盟链的农产品供应链追溯系统利用各种物联网采集和保存方式，获得农产品在生产、加工、运输以及销售过程中的关键数据，同时利用智能合约自动执行交易条款，基于非对称加密和数字签名保证交易数据的唯一性和安全性，通过多通道的事务隔离性提供隐私保护，确保了信息流、资金流、物流和商流的可靠流转，在离散程度高、链条长、参与主体多的农产品供应链中实现多组织高效协作、资源共识共享共治的智能化配置，大幅降低农产品供应链成本。区块链技术涉及到组网建链、数据协同、共识算法、智能合约、隐私保护和模式标准等系列技术，限于篇幅，本文重点从区块链追溯链上链下数据协同、区块链追溯共识机制和区块链追溯隐私保护方面分析区块链追溯关键技术的研究进展。
3. 1 区块链追溯链上链下数据协同技术国内联盟区块链追溯的发展重点方向是链上链下的数据协同[57]，在区块链追溯系统中链上需要链下的信息系统扩展计算和存储能力，链下的信息系统需要和链上对接实现异构信息共享解决信息孤岛问题[58]。区块链追溯链上通过哈希函数的单向加密和不可碰撞性保证链上信息完整性，但却无法解决链下虚假数据或真实数据上链过程的真实性问题[59]，为实现大批统一的区块链应用落地，区块链链上链下数据协同能力成为目前研究热点。
3. 2 区块链追溯共识机制区块链分布式网络处理容错的核心是共识机制，全网节点在预设规则下与其它节点交互达成对数据、行为或流程的一致，实现交易的不可变、全局一致的注册[69]。公有链常用工作量证明机制 PoW ( Proof of work) 、权益证明机制 PoS( Proof of stake) 和委托权益证明机制 DPoS( Delegated proof of stake) 等共识机制; 联盟链常用实用拜占庭容错算法 PBFT ( Practical byzantine fault tolerance) 、Kafka 等共识机制; 私有链中常用 Raft 共识机制。表 6 对不同区块链网络中的共识算法进行了分析对比。
3. 3 区块链追溯数据隐私保护技术区块链基于对称加密算法、非对称加密算法、哈希算法保证数据完整性、隐私性和有效交易凭证[81]，并使用数字签名保障交易安全，尤其以椭圆曲线加密算法生成公私钥对和椭圆曲线数字签名算法保障交易不可抵赖为代表，并通过零知识证明和多方安全计算实现数据的安全验证[82]。表 7 对比分析了隐私保护加强技术。
4 区块链追溯应用
在区块链追溯应用实践方面，国内外商业公司进行了积极的探索。比较典型的是蚂蚁集团研发的蚂蚁链、京东集团研发的智臻链以及江苏中南建设集团股份有限公司联合黑龙江北大荒农业股份有限公司设计构建的区块链大农场。其中，蚂蚁链通过将网络准入权限与支付宝绑定，实现一键式快速部署，已应用于奶粉、大米、红酒、蜂蜜等全球 30 亿件商品的原产地或境外溯源保真，溯源产地覆盖 120 个国家，支持 14 万类商品，解决溯源信息的真实性问题[91]，智臻链已有超 13 亿条上链数据，700 余家合作品牌商，5 万以上 SKU( Stock keeping unit) 入驻，逾 280 万次售后用户访问查询，解决价值网络中信息流转不畅、信息缺乏透明度、信息不对称等问题[92]，区块链大农场应用于北大荒高度组织化的农场种植模式，有 9 种物联网数据采集标准，112 个电子表单，63 个农作物种植规范，覆盖北大荒近百万公顷土地，解决北大荒自然资源向数字资产可信转移的问题[93]。
5 区块链追溯技术展望
5. 1 区块链技术发展方向 5. 1. 1 多链技术农产品区块链追溯规模化应用后，受到共识速度的限制，节点的执行性能难以线性扩展，链上交易在区块链单链账本中串行处理，难以获得接近中心化系统的性能表现。未来区块链的发展趋势将改变单链主导，实现多条同构链或异构链并存的区块链新生态系统，解决供应链中存在的上下游博弈问题，实现多组织的信息对称并降低上下游组织信任成本。刘家稷等[103]设计使用公有链和私有链构建追溯系统，使用私有链存储企业产品信息，使用公有链保证链上数据的可验证和不可篡改，实现数据的可靠存储和企业自管理隐私数据。LENG 等[76]提出的基于双区块链的农产品供应链系统选用公有链存储公共服务平台上企业用户信息，在私有链上存储企业隐私数据和交易数据。DING 等[104]提出了双链的追溯许可链共识机制，主层部署联盟链用来追溯信息查询共享，辅助层部署私有链存储追溯信息，在保证追溯链私密性的同时，系统也随着参与节点的增加保持高效的运行效率。 5. 1. 2 跨链技术区块链在农产品供应链追溯具体的应用场景中需要适应多样化的业务需求，方便跨企业、跨生态业务数据的共享。在大批统一的区块链应用场景下，采用不同的通信协议、编程语言、共识机制和隐私措施搭建的相对独立的、缺乏统一的互联互通机制的异构链难以做到价值互通、适应不同的场景需求，因此，异构链间实现跨链的价值传递将是区块链追溯生态健康发展的必然要求。跨链[105 - 108]通过中间件实现异构链的互联互通，实现账本的跨链互操作，为追溯行业跨生态、跨行业的多维协作解决信息孤岛问题，从追溯异构链“孤岛”发展成为异构链“网络”。
5. 2 与新一代信息技术融合助力追溯产业以物联网、大数据、人工智能、云计算和 5G 为代表的新一代信息技术和区块链的深度融合为农产品供应链追溯行业提供了巨大的潜在空间[109]。新一轮科技革命中各有侧重并相互关联，物联网负责收集数据，全网海量数据汇集存储在链下云端形成追溯大数据，云计算完成数据的高效查询操作，大数据为人工智能提供训练数据集不断优化模型参数，构建辅助决策生产模型改进供应链上下游智能决策; 区块链作为信任桥梁稳定涉及数据操作的信任机制，保证数据传递、共享的稳定可靠[110]。 5. 2. 1 区块链 + 物联网区块链是构建物联网真正分散、无信任和安全环境的缺失环节，通过区块链的分布式网络、不可篡改和可追溯的优势为物联网的安全应用提供媒介[111]。区块链 + 物联网实现物物之间信用的无风险、无杠杆的高效率传递，链上实现资金流、物流、信息流三流合一[112]，在物联网万物互联的基础上保证万物可信，实现物理世界和数字世界的映射，保证上链信息的真实性和完整性，进一步助力智慧供应链追溯发展。表 8 列出了部分区块链 + 物联网模式在追溯方面的应用。5. 2. 2 区块链 + 大数据区块链技术具有加密共享、去中心化、信息防篡改等特性，对解决数据流通、价值共享、数据孤岛等方面提供了解决方案，而大数据技术具备海量数据存储和灵活高效的深度分析挖掘等功能，二者有机融合不仅保证了大数据分析结果的正确性和数据挖掘效果，还极大提升区块链数据的价值和使用空间。大数据管理聚合海量数据，将离散的数据需求聚合成数据长尾从而满足数据治理需求。运用大数据管理的虚拟性有利于追溯信息跨行业、跨生态的应用和管理，避免供应链各环节存在的断链情况，准确关联各环节的追溯信息，提供精准、完整的追溯数据。赵嘉承等[120]从大数据挖掘角度剖析区块链追溯过程中的信息真实性问题。CHEN 等[121]设计的农产品监管系统使用 云计算技术进行追溯环节中物联网应用产生的大数据处理，并结合机器学习技术，建立模型预测对作物品种选择、生产和栽培管理以及上市时间等给出最佳的选择方案。5. 2. 3 区块链 + 人工智能区块链技术能够链接供应链各环节信息，促进跨行业、跨生态的数据流动、共享，让人工智能可以根据不同用途、需求获取更加全面的数据，真正变得 “智能”。利用区块链 + 人工智能技术研发农产品可信追溯系统，把追溯技术从过去的纯数字空间防伪保护，升级为“物理空间 + 数字空间”的联合保护，同时使用人工智能技术结合机器学习边缘计算、自动化控制研发高速追溯数据采集系统，通过深度学习方法等自动识别农产品复杂供应链条中生产、加工、物流、销售等全环节人工干预的操作，实现行为数据上链存证保证数据的不可篡改将是二者结合的重要方向。
参 考 文 献
[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.
《农产品供应链区块链追溯技术研究进展与展望》来源：《农业机械学报》，作者：孙传恒1，2 于华竟1，2 徐大明1，2 邢 斌1，2 杨信廷1，2
