區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用展望

李喬宇，阮懷軍，尚明華，王富軍，劉淑云

（山東省農(nóng)業(yè)科學(xué)院科技信息研究所，濟南250100）

0 引言

2008年，國際金融危機爆發(fā)。同年11月1日，中本聰（筆名）發(fā)表了《比特幣：一種點對點的現(xiàn)金支付系統(tǒng)》[1]的論文，基于P2P技術(shù)和加密技術(shù)，提出了一種不需要金融機構(gòu)的交易系統(tǒng)。論文中首次提出了區(qū)塊鏈技術(shù)，近年在以比特幣為代表的虛擬幣備受關(guān)注的同時，作為比特幣底層技術(shù)的區(qū)塊鏈技術(shù)也獲得了爆發(fā)式的發(fā)展。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展涉及社會生活各個領(lǐng)域，有望對社會變革產(chǎn)生深入影響。筆者通過對區(qū)塊鏈技術(shù)的分析，探索其在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場景，展望區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用前景。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈概述

在傳統(tǒng)的交易中通常需要一個中心節(jié)點記賬，一方面，中心節(jié)點提供信用體系讓各方可以信任，另一方面中心節(jié)點記賬可以防止多次結(jié)算。但這樣的缺點也是明顯的，如果中心節(jié)點出現(xiàn)問題，那么整個經(jīng)濟體系就會崩潰，比特幣的起源就是無政府主義者（主要是IT從業(yè)者）對華爾街作惡引發(fā)了2008年金融危機的不滿。因此，中本聰在設(shè)計比特幣時遵循去中心化的思想，為了解決無中心節(jié)點的記賬問題，通過分布式技術(shù)，全網(wǎng)共同維護唯一一條交易鏈，鏈的每個節(jié)點即為一個區(qū)塊，每個區(qū)塊記錄當(dāng)前交易的信息和前面、后面交易的地址，每發(fā)生一筆交易就在交易鏈上延伸一個區(qū)塊，全網(wǎng)更新該交易鏈，這條交易鏈也叫做區(qū)塊鏈，以此延伸的技術(shù)就是區(qū)塊鏈技術(shù)?；谶@樣的設(shè)計思路，區(qū)塊鏈具有以下幾個特點：（1）去中心化。區(qū)塊鏈通過密碼學(xué)和共識機制提供信任機制，不需要中心化的管理機構(gòu)。

（2）自治性。區(qū)塊鏈系統(tǒng)內(nèi)部采取統(tǒng)一協(xié)商管理，整個操作規(guī)范和協(xié)議操作能夠在安全的環(huán)境中進行交換[2]。

（3）開放性。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)對所有人公開，任何人都可以通過公開的接口查詢區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和開發(fā)相關(guān)應(yīng)用。

（4）信息不可篡改。全網(wǎng)所有節(jié)點備份區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，除非能夠同時控制住系統(tǒng)中超過51%的節(jié)點，否則單個節(jié)點上對數(shù)據(jù)庫的修改是無效的。

1.2 區(qū)塊鏈發(fā)展歷程

1.2.1 區(qū)塊鏈1.0《比特幣：一種點對點的現(xiàn)金支付系統(tǒng)》中闡述的初代區(qū)塊鏈概念，被認為是區(qū)塊鏈1.0（圖1）。區(qū)塊鏈1.0實現(xiàn)了電子貨幣的功能，比特幣是其首個應(yīng)用，比特幣通過互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議和加密技術(shù)提供保護和支持，實現(xiàn)了無需信任中介的信任機制，顛覆了傳統(tǒng)的交易模式。更重要的是，區(qū)塊鏈技術(shù)提供了一種機制，通過程序和協(xié)議使交易自發(fā)運行，避免和防止人為參與。在這種帶著哲學(xué)思想的機制下，區(qū)塊鏈技術(shù)有可能動搖人類社會的共識模式，因此，區(qū)塊鏈技術(shù)被認為是繼大型機、個人電腦、互聯(lián)網(wǎng)、移動/社交網(wǎng)絡(luò)之后計算范式的第五次顛覆式創(chuàng)新，是人類信用進化史上繼血親信用、貴金屬信用、央行紙幣信用之后的第4個里程碑[2]。

區(qū)塊鏈1.0奠定了區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)，包括：

（1）分布式技術(shù)實現(xiàn)區(qū)塊鏈中各節(jié)點獨立、完整的數(shù)據(jù)存儲。從使用的角度講，區(qū)塊鏈通過在互聯(lián)網(wǎng)上建立一本公共賬簿，允許所有的參與者在賬簿上記錄與核查，保障多方參與、節(jié)點相互獨立。

（2）鏈?zhǔn)酱鎯用苄畔⒈Ｕ峡煽孔x入。搭建區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)區(qū)塊間的相互聯(lián)系機制，哈希算法(Hash Algorithm)、數(shù)字簽名、非對稱數(shù)字加密技術(shù)確保數(shù)據(jù)安全可靠并達成交易雙方初步的相互信任。

（3）共識機制下實現(xiàn)信息的有效流轉(zhuǎn)。共識機制指的是區(qū)塊鏈中所有個體對區(qū)塊鏈中的數(shù)字、行為或流程達成一致。區(qū)塊鏈的共識機制具備“少數(shù)服從多數(shù)”及“人人平等”的特點[3]。

1.2.2 區(qū)塊鏈2.0 2013年，以太坊創(chuàng)初版白皮書《以太坊：下一代智能合約和去中心化應(yīng)用平臺》[4]發(fā)布，描繪了區(qū)塊鏈技術(shù)在虛擬貨幣之外應(yīng)用的方式，由此拉開了區(qū)塊鏈2.0時代的序幕（圖2）。以太坊搭建了一個平臺，將數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)和共識3個層次封裝為區(qū)塊鏈底層的“虛擬機”，在此之上提供一套圖靈完備的腳本語言（EthereumVirtual Machinecode，簡稱EVM語言），使用者可以編寫智能合約實現(xiàn)各種去中心化的應(yīng)用。智能合約嵌入在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)、交易、有形或無形資產(chǎn)上，形成可編程控制的軟件定義的系統(tǒng)、市場和資產(chǎn)。智能合約不僅為傳統(tǒng)金融資產(chǎn)的發(fā)行、交易、創(chuàng)造和管理提供了創(chuàng)新性的解決方案，同時能夠在社會系統(tǒng)中的資產(chǎn)管理、合同管理、監(jiān)管執(zhí)法等事務(wù)中發(fā)揮重要作用[5]。

圖1 區(qū)塊鏈1.0技術(shù)架構(gòu)[3]

圖2 區(qū)塊鏈2.0技術(shù)架構(gòu)[3]

1.2.3 區(qū)塊鏈3.0作為新興并快速發(fā)展的技術(shù)，區(qū)塊鏈存在許多技術(shù)上的問題，包括安全問題、效率問題、資源問題和博弈問題[5]，制約了區(qū)塊鏈在行業(yè)中應(yīng)用。為此，誕生了EOS、Cardano、IOTA、NEO等大批區(qū)塊鏈技術(shù)，針對行業(yè)應(yīng)用場景，優(yōu)化區(qū)塊鏈底層協(xié)議使得在保證去中心化、去信任中介的同時，達到商用級別的高性能，從而以社會應(yīng)用為切入點，讓區(qū)塊鏈應(yīng)用到各個垂直行業(yè)中去?？梢哉f，區(qū)塊鏈1.0實現(xiàn)貨幣互聯(lián)，區(qū)塊鏈2.0實現(xiàn)資產(chǎn)互聯(lián)，而區(qū)塊鏈3.0將實現(xiàn)萬物互聯(lián)[6]。

1.3 通證經(jīng)濟

任何有價值的資產(chǎn)都可以被認為是通證(Token)，如貨幣、股票、債券乃至積分、Q幣、電子券。區(qū)塊鏈技術(shù)為通證的使用創(chuàng)造了完美環(huán)境，首先，在區(qū)塊鏈上發(fā)行的通證不需要中心節(jié)點為信用背書，其權(quán)益受密碼學(xué)的機制保護，任何人不能偽造、刪除和篡改；其次，任何人和組織都可以發(fā)行通證，任何資產(chǎn)，從鑰匙、門票到積分、卡券，也都可以用通證標(biāo)識；此外，區(qū)塊鏈上的通證具有可流通性，這使得其具有交易價值。

于是，區(qū)塊鏈和通證結(jié)合，創(chuàng)造了一個新的概念——通證經(jīng)濟(Token Economy)。在通證經(jīng)濟下，區(qū)塊鏈項目的參與者為項目運營貢獻力量，而運營方則向參與者發(fā)送代表項目權(quán)益的通證作為獎勵，這形成了正向激勵，使運營方和參與者都能從項目的發(fā)展中獲益。事實上，比特幣就是初代的通證，為了鼓勵參與者更新區(qū)塊鏈，最快更新區(qū)塊鏈的人會獲得比特幣獎勵。在區(qū)塊鏈2.0時代，以太坊設(shè)計了ERC20標(biāo)準(zhǔn)，使得任何人在以太坊上可以發(fā)行通證，這帶來了ICO(Initial Coin Offering)的繁榮，促進了區(qū)塊鏈的大發(fā)展。到了區(qū)塊鏈3.0，通證不再限于虛擬幣，而是以更多樣的方式介入傳統(tǒng)的經(jīng)濟生活中。比如基于區(qū)塊鏈技術(shù)的內(nèi)容社區(qū)“幣乎”(https://bihu.com/)會向社區(qū)參與者發(fā)送KEY作為獎勵，KEY代表幣乎平臺及其周邊生態(tài)的功能的使用權(quán)，那么所有者就不僅僅是用戶，還有了部分股東的角色，這就激勵了用戶為社區(qū)的發(fā)展做貢獻。

2 區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用

進入?yún)^(qū)塊鏈3.0時代，區(qū)塊鏈技術(shù)在游戲娛樂、支付、物聯(lián)網(wǎng)、社交通訊、去中心化交易所、數(shù)據(jù)交換等多個行業(yè)進行了有效的探索，但是距離大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還有待時日。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，一方面需要解決技術(shù)上的瓶頸，另一方面也要行業(yè)從業(yè)者探索區(qū)塊鏈在行業(yè)中的應(yīng)用模式，從而使技術(shù)能夠落地。

近些年，物聯(lián)網(wǎng)、云計算以及3S技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相融合，提升了中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平[7]，另一方面，總體上中國仍以小規(guī)模和低水平的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)為主，基于信息技術(shù)的新技術(shù)難以在農(nóng)業(yè)中大規(guī)模應(yīng)用。在中國農(nóng)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀下，區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)中主要的應(yīng)用場景在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和農(nóng)產(chǎn)品溯源[8-12]。

2.1 農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)并不是獨立存在的一種新行業(yè)，而是與不同領(lǐng)域的傳統(tǒng)行業(yè)深度結(jié)合，由物聯(lián)網(wǎng)給傳統(tǒng)行業(yè)賦能，在此基礎(chǔ)上形成的一種新生態(tài)模式。農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用，在中國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化過程中的起到重要技術(shù)支撐作用的同時，也受限于農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，其中最主要的問題在于中國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)仍以小規(guī)模模式為主，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成本、穩(wěn)定性、使用門檻限制了其在農(nóng)戶中的推廣[13]。

區(qū)塊鏈的去中心化機制可以解決當(dāng)農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中接入設(shè)備過多導(dǎo)致的成本和效率問題[11]，但是就中國目前農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的現(xiàn)狀而言并不迫切。中國農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的瓶頸在于，占主體地位的小規(guī)模農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者缺乏購買物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的意愿。除了在技術(shù)上對農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提升，區(qū)塊鏈的另一個用途是對經(jīng)濟方式的改造[14-15]。采用區(qū)塊鏈技術(shù)最大的優(yōu)勢在于，能夠提供去信任中介的直接交易，通過智能合約的方式制定執(zhí)行條款，當(dāng)條件達到時，自動交易并執(zhí)行。這種方式可以產(chǎn)生很多應(yīng)用場景，比如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備除了監(jiān)控農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，還有一個重要產(chǎn)出——監(jiān)控數(shù)據(jù)，這是農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)分析、農(nóng)業(yè)模型構(gòu)建、農(nóng)業(yè)智能控制的重要基礎(chǔ)。監(jiān)控數(shù)據(jù)在通證經(jīng)濟中被認為是有價值的資產(chǎn)，通過區(qū)塊鏈技術(shù)，可以設(shè)計智能合約，當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)生成一條監(jiān)控數(shù)據(jù)，就自動給予對農(nóng)戶一定的代幣獎勵，這將有效提升農(nóng)戶使用物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的意愿。

2.2 農(nóng)產(chǎn)品溯源

農(nóng)產(chǎn)品溯源是對涉及農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、銷售的產(chǎn)業(yè)鏈各個節(jié)點的信息認證，通過溯源碼可以查出農(nóng)產(chǎn)品在各個節(jié)點的信息，明確責(zé)任，保證食品安全。追溯目前使用的RFID和二維碼（或條形碼）技術(shù)已經(jīng)比較成熟，區(qū)塊鏈可以切入的方向有2個。

（1）數(shù)據(jù)安全。當(dāng)前，溯源信息保存在溯源平臺的系統(tǒng)中，這種中心化的存儲方式存在安全性問題，黑客攻擊、數(shù)據(jù)損壞、人為篡改，都有可能造成無法彌補的損失。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以將農(nóng)產(chǎn)品從生產(chǎn)、加工、物流、銷售各個環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)上鏈，記錄到區(qū)塊鏈分布式網(wǎng)絡(luò)中存儲，數(shù)據(jù)一旦上鏈便不可篡改，解決了數(shù)據(jù)安全的問題。

（2）新商業(yè)模式。溯源在機制上存在幾個缺陷。首先，溯源機制依賴于記錄在數(shù)據(jù)庫中的溯源信息，但是卻無法保證人工錄入溯源信息時不出現(xiàn)差錯。其次，農(nóng)產(chǎn)品溯源產(chǎn)業(yè)鏈中的農(nóng)戶（或生產(chǎn)企業(yè)）、加工企業(yè)、物流方、銷售公司、消費者等是彼此隔離的，缺乏信任機制。基于區(qū)塊鏈的通證經(jīng)濟可以通過智能合約的方式，構(gòu)建溯源節(jié)點間的信任機制，并隨著追溯信息在節(jié)點中前進，向節(jié)點發(fā)送代幣作為獎勵，使其從溯源系統(tǒng)的參與者變成所有者，可以有效激勵其保證錄入信息的質(zhì)量。通過區(qū)塊鏈，可以實現(xiàn)各方效益的最大化，構(gòu)筑新型合作共贏的生態(tài)場景。

2.3 其他方向

區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)安全生產(chǎn)和電子商務(wù)[16-17]、農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)[18]、農(nóng)村金融和保險[19]、農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈[20]等方向具有應(yīng)用潛力，但是受限于中國農(nóng)業(yè)信息化程度和區(qū)塊鏈本身的技術(shù)特點，恐怕難以在短時間落地。

3 結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)在有著去中心化、信息不可篡改、開放、自治等優(yōu)點的同時，也存在性能和效率的問題。限于國內(nèi)農(nóng)業(yè)信息化和現(xiàn)代化水平，區(qū)塊鏈的優(yōu)勢并非面向農(nóng)業(yè)中的痛點，因而從技術(shù)角度來說，區(qū)塊鏈與現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)信息化技術(shù)結(jié)合的切入點比較少。另一方面，隨著通證經(jīng)濟的提出，區(qū)塊鏈已經(jīng)超越了技術(shù)本身，更像一種對傳統(tǒng)經(jīng)濟方式的改造。以區(qū)塊鏈和通證經(jīng)濟的思路構(gòu)建共贏的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生態(tài)場景，讓各方都能從中受益，或許是提升國內(nèi)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的突破口。