基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術的分布式農產品質量控制系統(tǒng)研究

柴洪 楊林娟

摘要：根據區(qū)塊鏈公開性、去中心化、去信任、永久保存、可追溯、集體維護特點，構建了分布式農業(yè)生產及農業(yè)服務質量控制聯(lián)盟區(qū)塊鏈，從技術上解決農產品智能質量控制、可追溯的問題。實現農業(yè)生產經營管理從“經驗控制”到“精準控制” 的產業(yè)鏈監(jiān)控轉變，加快促進農業(yè)大數據、農業(yè)數字資產確權和定價，實施“從田間地頭到餐桌”的農業(yè)全產業(yè)鏈智能質量控制。建立分布式農業(yè)生產及農業(yè)服務質量控制聯(lián)盟區(qū)塊鏈需要大數據中心、5G網絡、IPV6互聯(lián)網、先進傳感器等硬件設施支撐。

關鍵詞：聯(lián)盟區(qū)塊鏈;農產品;農業(yè)社會化服務;智能質量控制

一、引言

“民以食為天，食以質為先”，如何生產出“綠色、有機、無公害的高品質食品”，需要實施“從田間地頭到餐桌”的農業(yè)全產業(yè)鏈質量控制。我國經濟已由“高速增長”階段轉向“高質量”發(fā)展階段，推進農業(yè)信息化建設，加強農業(yè)與信息技術融合，發(fā)展智慧農業(yè)，全面推進農業(yè)農村信息化，培育互聯(lián)網農業(yè)，建立健全智能化、網絡化農業(yè)生產經營體系，提高農業(yè)生產全過程信息管理服務能力是農業(yè)高質量發(fā)展的必由之路。區(qū)塊鏈以底層技術進步推動了上層生產關系的轉變，區(qū)塊鏈技術具有公開性、去中心化、去信任、永久保存可追溯、集體維護、可靠性強的特點，在農業(yè)生產、農業(yè)社會化服務過程中可以充分利用區(qū)塊鏈的技術優(yōu)勢解決農產品質量控制的問題。

二、“中心化”全面質量管理的弊端

“沒有最好，只有更好”、“唯一不變的是持續(xù)改進”、“質量控制永遠都在路上”、“質量是企業(yè)的生命線”，全面質量管理理念以產品質量為核心，運用PDCA管理方法，以企業(yè)管理者為主導，企業(yè)全員參與為基礎的全流程、全方位控制。

“中心化”全面質量管理是生產者以質量管理部門為樞紐，布置產品質量、工序質量、服務質量監(jiān)控點，堅持全面、全員、預防、服務、科學的原則，企業(yè)通過建立、實施、改進全面質量控制體系，不斷提高產品質量控制效率，提供令客戶滿意的優(yōu)質產品和服務，同時降低企業(yè)的經營風險。但是中心化的質量控制體系存在以下弊端：1.生產者容易控制質量數據，質量記錄輸入端擇優(yōu)錄入，屏蔽不利數據;2.需要建立龐大的監(jiān)督機構，質量追溯來自于生產系統(tǒng)外部——政府或消費者，是質量控制主體與質量監(jiān)督主體之間的博弈，監(jiān)督成本高，難度大;3.存在生產者產權保護風險和電子質量記錄容易遭受外部黑客攻擊雙重風險;4.我國農業(yè)信息化水平低，農產品質量檢測抽樣樣本數量少，調查分析法、聚類分析法、趨勢外推法等樣本分析方法存在以偏概全、代表性弱的問題。

三、基于區(qū)塊鏈農產品質量控制優(yōu)勢

（一）實現農業(yè)生產經營管理從“經驗控制”到“精準控制”的產業(yè)鏈監(jiān)控轉變

農業(yè)大數據在農業(yè)中的應用有三個階段：數據收集、技術處理、服務管理階段，大數據和智能化支撐將成為中國農業(yè)現代化的強力保障，隨著大數據、物聯(lián)網技術的發(fā)展與應用，從育種、農業(yè)生產到農業(yè)社會化服務的各個階段狀態(tài)監(jiān)測數據都可以在區(qū)塊鏈上自動永久記錄，農業(yè)產業(yè)鏈經濟主體也可以通過各種網絡終端快速方便查詢、篩選、分析上傳的數據。如同工業(yè)生產自動化控制，物聯(lián)網、大數據、云計算、人工智能、區(qū)塊鏈的結合正在推動農業(yè)生產方式從粗放式的“經驗管理”向數字化、可視化的“精準管理”轉變，區(qū)塊鏈上記錄的農業(yè)全產業(yè)鏈大數據，為實現農業(yè)生產“增強虛擬現實”奠定數字基礎。

（二）有利于加快促進農業(yè)大數據、農業(yè)數字資產確權和定價

賦予農業(yè)大數據和農業(yè)數字資產所有權、隱私權、許可權、審計權、分紅權是農業(yè)大數據和農業(yè)數字資產的產權得到保護、合理定價、價值增值、價值轉移的必要前提。區(qū)塊鏈上的數字信息是通過非對稱加密算法使用公私鑰對數據加密存儲和傳輸后解密接收，區(qū)塊鏈上所有節(jié)點都只有一個相同版本的“分布式賬本”，保證了數據存儲時間的唯一性和空間的唯一性，即歷史數據不可篡改。因此區(qū)塊鏈從技術上解決了農業(yè)大數據、農業(yè)數字資產法律保護的問題。

（三）點對點數據存儲方式，從技術上解決了農產品質量可追溯的問題

農業(yè)生產分布廣泛，來自農業(yè)生產和社會化服務的農業(yè)大數據數量巨大，來源多元化，種類繁多，具有“頂天立地”的空天地一體化特征，例如：光照、空氣溫度、濕度、通風、土壤養(yǎng)份、海拔等是農產品質量的決定性因素。區(qū)塊鏈分布式存儲數據模式與農業(yè)大數據分布廣泛之間有強的相似性，因此適合建立農業(yè)大數據區(qū)塊鏈。

農業(yè)大數據在安全性、隱私性方面不敏感。農業(yè)生產活動具有通識性特征（除育種、農產品加工工藝、配方），農產品生產是通過廣泛復制傳播先進的農業(yè)知識，改進農藝技術的一種生產活動，共享農業(yè)生產活動產生的大數據有利于普遍提高農產品品質。

既可以共享農業(yè)大數據，又可以保證數據的隱私。區(qū)塊鏈點對點網絡存儲的數據對所有的節(jié)點參與者共享，數據唯一可追溯。當農業(yè)大數據經哈希算法存儲到區(qū)塊鏈上，數字簽名技術使持有私鑰的人才可以對數據進行訪問，保證了數據的私密性。

四、分布式農業(yè)生產及農業(yè)服務質量控制聯(lián)盟區(qū)塊鏈

從農產品品種、農業(yè)產業(yè)、行業(yè)依次有序推進建立聯(lián)盟鏈，利用先進的光、電、聲、圖像、化學、生物傳感器和無線傳感網絡（Wireless Sensor Network，WSN）采集并上傳農業(yè)生產和農業(yè)社會化服務大數據，在質量控制聯(lián)盟鏈節(jié)點存儲、運算、分析、監(jiān)控農產品基因大數據（育種）、種養(yǎng)大數據（園藝）、智能生產大數據（農機）、農業(yè)社會化服務大數據（圖1），在物聯(lián)網、大數據、云計算、人工智能基礎設施的支撐下應用和發(fā)展區(qū)塊鏈技術，實現農業(yè)生產全產業(yè)鏈、全方位、全過程、全樣質量控制，是粗放式農業(yè)生產方式向精準、精品農業(yè)生產方式轉變的優(yōu)化選擇。

五、分布式農產品生長及加工狀態(tài)監(jiān)測大數據聯(lián)盟鏈結構

（一）數據層

1. 數據分類

根據數據來源不同，將分布式農業(yè)大數據分為兩類：內部數據和外部數據。內部數據是農產品生長狀態(tài)、加工狀態(tài)監(jiān)測數據，也稱為農產品品質數據，例如：動植物營養(yǎng)成份、動植物農藥殘留、生長階段、農產品加工、原產地等。外部數據是農業(yè)生產社會化服務大數據，包括農業(yè)生產環(huán)境大數據、農業(yè)數字資產大數據、輔助服務大數據，例如：育種、氣象、病蟲害監(jiān)測、農村金融、農機狀態(tài)、銷售、農產品消費、農產品消費者健康狀態(tài)數據等。

2. 數據存儲

分布式農產品生長及加工狀態(tài)監(jiān)測大數據聯(lián)盟鏈為農業(yè)生產提供了一種分布式大數據存儲架構，在該鏈區(qū)塊中封裝了農產品生長狀態(tài)監(jiān)測和農產品加工狀態(tài)監(jiān)測的底層數據、數據加密信息，為分布式數據清冼、運算、分析奠定了基礎（見圖1）。本聯(lián)盟鏈節(jié)點和分布式農業(yè)社會化服務大數據聯(lián)盟節(jié)點經授權通過數據讀寫口讀取分布式農產品生長及加工聯(lián)盟鏈的數據，運行各聯(lián)盟區(qū)塊鏈的功能。

數據采用分布式哈希表（Distribute Hash Table，DHT）存儲方式。分布式哈希表不僅在區(qū)塊鏈節(jié)點中復制數據，而且也在節(jié)點中復制數據的存儲信息，即使區(qū)塊鏈上某個節(jié)點失效或受到攻擊，數據也不會丟失。因此，區(qū)塊鏈上的農業(yè)大數據實際上是一個“分布式賬本”，為農產品生長和加工數據的安全提供了一種全新的分布式數據架構和監(jiān)控模式，保證數據信息唯一、可追溯，數據安全性極高，解決了因惡意篡改或攻擊引起的數據安全問題。

3. 數據采集、上傳、驗證

聯(lián)盟區(qū)塊鏈集成由主節(jié)點（MNi：Master Node，數據集成存儲）網絡和從節(jié)點（SNi：Slave Node，即：物理傳感器節(jié)點Sensor Node）網絡構成（見圖2）。光、電、聲、圖像、化學、生物等物理傳感器通過區(qū)塊鏈身份驗證系統(tǒng)驗證通過后，成為無線傳感合法節(jié)點（SNi），并獲取用于加密的傳感器節(jié)點名和證書。傳感器節(jié)點請求上傳數據，請求中包含節(jié)點名及和數字簽名，從而保證數據來源可靠真實，數據集成存儲區(qū)塊（MNi）接收到請求后，驗證傳感器節(jié)點的請求和身份信息，確認其合法性后發(fā)出回應。傳感器節(jié)點使用當前節(jié)點名的公鑰加密數據并附上加密數字簽名通過無線傳感網絡將數據上傳。數據集成存儲區(qū)塊（MNi）對傳感器上傳的加密數據進行有效驗證，驗證通過，按區(qū)塊的數據結構永久存儲數據，驗證不通過，則忽略。

（二）網絡層

包括農產品生長和加工狀態(tài)傳感器物理節(jié)點、數據存儲節(jié)點、物聯(lián)網，聯(lián)結分布式農產品生長及加工狀態(tài)監(jiān)測大數據聯(lián)盟鏈的通信節(jié)點、廣播機制、驗證機制。

（三）共識層

1. 聯(lián)盟鏈主節(jié)點區(qū)塊工作量證明（POW）

在一段等待時間內（例如10分鐘），主-從節(jié)點區(qū)塊對這段時間接收的有效數據進行數據簽名，保證數據來源合法可追溯，然后尋找有效的工作量證明記錄本次數據區(qū)塊，并獲得獎利證明。工作量證明是機器進行數學計算獲取的記帳權，是一份工作量認可的證明，數據存儲器依據父哈希值、merkle根值、隨機值Nonce計算出當前區(qū)塊的哈希值，蓋上時間戳并永久保存數據。最先計算出隨機值的節(jié)點將向其他節(jié)點廣播當前計算值，以便審計和校驗。如果其他節(jié)點也認可這個最快計算出的哈希值工作量證明，該節(jié)點將數據集合整合成新的數據區(qū)塊，并取得數據存儲聯(lián)盟鏈的權利，同時獲得相應的系統(tǒng)獎勵。后續(xù)工作量證明將在這個新的區(qū)塊數據上進行后續(xù)的計算。

2. 聯(lián)盟鏈主-從節(jié)點區(qū)塊共識（PBFT）

主-從節(jié)點共識可以采用PBFT共識機制（拜占庭容錯），PBFT是一種基于消息傳送的一致性算法，該算法經過五個階段達成一致性，五個階段也可能因為共識失敗而重復驗證過程（見圖3）。

（四）激勵層

激勵層提供一種激勵措施，包括發(fā)行機制、分配機制、云計算服務積分，每個節(jié)點都有獲取獎勵的均等機會，鼓勵其積極參與區(qū)塊鏈的安全驗證。

（五）合約層

合約中封裝了數據讀寫授權證書，合約腳本代碼，合約版本信息。智能合約執(zhí)行效率高，當合約執(zhí)行的觸發(fā)條件被激發(fā)時合約將自動執(zhí)行，不需要經濟主體各方互相認可和信任，可以完全規(guī)避合約執(zhí)行過程中的法律爭端。

六、分布式農業(yè)社會化服務大數據聯(lián)盟鏈結構方案

（一）農業(yè)社會化服務體系

農業(yè)社會化服務是農業(yè)生產的輔助系統(tǒng)（圖4），農產品從田間地頭到加工車間最后到餐桌的過程中，農業(yè)社會化服務質量對提高農產品品質起到至關重要的作用。在農業(yè)現代化進程中專業(yè)化服務與大規(guī)模、專業(yè)化生產相匹配是提高農產品品質的必由之路。隨著我國農業(yè)現代化進程的提速，農業(yè)社會化服務范圍在擴大，對農業(yè)專業(yè)化服務的質量要求在逐步提高。因此，傳統(tǒng)的“中心化”農業(yè)社會化服務系統(tǒng)不能滿足智能化、規(guī)模化、機械化、高質量的現代農業(yè)生產方式的需求，需要構建以區(qū)塊鏈技術支撐的“去中心化”農業(yè)社會化服務系統(tǒng)。

（二）數據層

1. 農業(yè)數字資產“無信任”非對稱加密存儲與管理機制

農業(yè)數字資產是農業(yè)生產要素的數字化。農業(yè)數字資產既包括土地（農林牧草漁）、水利設施、農機、生物資產、農產品加工存儲廠房、農產品加工設備等實物資產，也包括專利、發(fā)明、實用新型、品牌、股份等非實物資產。對于龐大的分布式農業(yè)資產，依賴傳統(tǒng)的“中心化”管理模式，管理成本高，資產交易費用大。利用區(qū)塊鏈P2P數據存儲傳輸技術可以建立農業(yè)數字資產分布式“無信任”加密控制與管理機制，對各類農業(yè)資產進行登記、注冊、變更、交易、投資、維護。所有的農業(yè)資產都可以在區(qū)塊鏈上加密注冊，登記注冊后的農業(yè)數字資產被擁有私鑰的用戶控制，也就是線下的農業(yè)資產在區(qū)塊鏈上進行了數字化登記、注冊、確權，并將確權狀態(tài)向區(qū)塊鏈所有節(jié)點廣播，達成共識。

該機制的優(yōu)點：（1）從技術上解決農業(yè)數字資產確權的法律問題，將農業(yè)數字資產的所有權、使用權、處置權、收益權轉移變得方便易行。（2）基于“去中心“化的區(qū)塊鏈“無信任”農業(yè)數字資產交易機制可以有效地防止欺詐行為，大幅降低農業(yè)數字資產的交易成本。（3）加速農業(yè)數字資產優(yōu)化組合，提高農業(yè)資產使用效率，降低農業(yè)生產杠桿率。

2. 農業(yè)生產環(huán)境、輔助服務數據“無信任”非對稱加密存儲

農業(yè)生產環(huán)境數據，例如：氣象、空氣濕度、溫度、病蟲害監(jiān)控、土壤水肥監(jiān)控等數據。輔助服務數據，例如：育種、園藝技術、物流、銷售、農機狀態(tài)、農村金融服務、消費情況、農產品消費者健康狀況監(jiān)測等數據。持有私鑰的用戶從分布式大數據存儲區(qū)塊中授權讀取數據。

（三）網絡層、共識層、激勵層

網絡層。包括農業(yè)社會服務傳感器物理節(jié)點、物聯(lián)網，聯(lián)結農業(yè)社會化服務聯(lián)盟鏈的通信節(jié)點、廣播機制、驗證機制。

共識層。所有節(jié)點互聯(lián)驗證，達到共識，識別數據真?zhèn)?，其原理同分布式農產品生長及加工狀態(tài)監(jiān)測大數據聯(lián)盟鏈。

激勵層。通過設計的發(fā)行機制和分配機制所有參與安全驗證的節(jié)點將得到相應的報酬，參與數據集成的主節(jié)點會多得更多的報酬。包括經濟主體為農業(yè)生產提供服務的社會化服務費。

（四）合約層

合約層封裝了分布式農業(yè)社會化服務業(yè)務邏輯、狀態(tài)激發(fā)、服務費的算法與機制。

農業(yè)數字資產確權與管理智能合約：持有私鑰的農業(yè)數字資產用戶在管理數字資產時必須按照合約層的規(guī)則管理農業(yè)數字資產，每筆數字資產的管理狀態(tài)都在所有節(jié)點共識下按照區(qū)塊鏈智能合約來執(zhí)行，例如：當買賣農業(yè)數字資產的交易達成之后，區(qū)塊鏈會自動將該資產對應的秘鑰從原所有人名下轉到新所有人名下，并向區(qū)塊鏈所有節(jié)點廣播，達成共識，包括農業(yè)數字資產的設備名稱、交易主體、價格、資產狀態(tài)、時間等信息都以分布式帳戶的形式記錄下來并永久保存。

七、應用層廣泛開發(fā)及普及需要具備的其他條件

（一）海量數據存儲設備

聯(lián)盟鏈中主、從節(jié)點本身并不能存儲所有傳感器上傳的有效大數據，只能存儲包含數據、數據類型、存取位置、版本、讀取權限、讀寫歷史等部分數據。當智能農產品質量控制區(qū)塊鏈應用平臺相繼開發(fā)普及應用后，海量的光、電、聲、圖像、化學、生物數據可以以分布式結構存儲到各地大數據中心的存儲機柜中（例如：建設中的設計規(guī)模達5萬個存儲機柜的甘肅金昌紫金云大數據中心）。

（二）提高網絡傳輸帶寬和速率

根據高德納技術成熟度定位，大數據在2013年達到了過熱期頂峰，從2015年開始，高德納對大數據的定位從“新興”轉為“主流”。區(qū)塊鏈在2016年才第一次出現在技術成熟度曲線中，并且直接進入了過熱期，意味著目前區(qū)塊鏈是企業(yè)的生產能力要素，雖然在生產、社會各個領域開發(fā)應用晚，但是技術起點高，發(fā)展速度非?？?。區(qū)塊鏈開發(fā)應用、廣泛普及需要提高區(qū)塊數據驗證、算法、獎勵的運算速度。國際電信聯(lián)盟ITU的相關技術規(guī)范測算，未來5G峰值速率可達到20Gbps，用戶體驗數據率達到100Mbps、時延達到1毫秒，未來5G技術的研發(fā)和基站建設可以加速助推分布式農業(yè)生產及農業(yè)服務質量控制聯(lián)盟區(qū)塊鏈的開發(fā)應用。

（三）IPV6互聯(lián)網建設

加快發(fā)展基于互聯(lián)網協(xié)議第六版（IPV6）的互聯(lián)網技術，開發(fā)移動互聯(lián)、物聯(lián)網、云計算、大數據、人工智能在IPV6網絡中的應用技術，加快支持IPV6的芯片、操作系統(tǒng)、終端網絡設備、安全系統(tǒng)的技術攻關和產業(yè)化，盡快建成IPV6高速互聯(lián)網應用體系，為高效支撐分布式農業(yè)生產及農業(yè)服務質量控制聯(lián)盟區(qū)塊鏈提供基礎設施保障。

（四）加快研發(fā)先進的傳感器

中國農業(yè)信息化起步晚，信息化覆蓋范圍窄，要進入“農業(yè)智能化”時代具備的條件之一是部署大量的傳感器廣泛采集農業(yè)產業(yè)鏈大數據，建成農業(yè)物聯(lián)網。農業(yè)生產不同于工業(yè)生產，生產過程標準化程度低，所以需要加速研究、開發(fā)、量產適用于各種極端環(huán)境、功能各異的光、電、聲、圖、化學、生物傳感器，能夠快速準確采集農產品生長、加工狀態(tài)和農業(yè)生產服務的大數據。新一代傳感器要與IPV6網絡、5G傳輸速率及帶寬相匹配，符合農業(yè)物聯(lián)網、云計算、大數據、人工智能、區(qū)塊鏈的技術要求。

八、結語

物聯(lián)網、大數據、云計算、區(qū)塊鏈、人工智能五項技術完美結合，實現人與人感知、人與物感知、物與物感知?；趨^(qū)塊鏈技術的農產品質量控制系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)“中心化”農產品全面質量管理模式，從農產品全產鏈質量監(jiān)控作為出發(fā)點，構建了分布式農業(yè)生產及農業(yè)服務質量控制聯(lián)盟區(qū)塊鏈，從技術上解決農業(yè)數字資產確權的法律問題，大幅降低農業(yè)數字資產的交易成本，降低農業(yè)生產杠桿率，為改變農產品質量監(jiān)控模式—以“政府和消費者”外部監(jiān)督為主轉變?yōu)椤吧a者”內部自控為主提供技術基礎。區(qū)塊鏈在2016年首次出現在高德納技術成熟度曲線中，并且直接進入了過熱期，目前區(qū)塊鏈是企業(yè)的生產能力要素，但是廣泛開發(fā)普及應用層還需大數據存儲中心、5G網絡、IPV6互聯(lián)網、先進傳感等硬件設施支持。

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