基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源應(yīng)用研究Research on the Application of Traceability of Agricultural Product Supply Chain Based on Blockchain

尹雪倩　于安芬

摘? 要：農(nóng)產(chǎn)品是人類食物的重要來源之一。農(nóng)產(chǎn)品種類繁多，供應(yīng)鏈復(fù)雜，導(dǎo)致消費者購買的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊。農(nóng)產(chǎn)品溯源是消費者在購買前，評判農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)的重要參考。建立可信的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)具有重大意義。文章通過對農(nóng)產(chǎn)品溯源的研究，根據(jù)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品的供應(yīng)鏈特點結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計并實現(xiàn)了農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；農(nóng)產(chǎn)品；溯源；以太坊；智能合約

中圖分類號：F259.27? ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.13.028

Abstract： Products are one of the important sources of human food. The variety of agricultural products and the complexity of the supply chain lead to the uneven quality of agricultural products purchased by consumers. The traceability of agricultural products is an important reference for consumers to judge the quality of agricultural products before purchasing. It is of great significance to establish a reliable traceability system for agricultural products. Based on the research on the traceability of agricultural products， according to the characteristics of agricultural products supply chain and the blockchain technology， this paper designs and implements the traceability system of agricultural products.

Key words： blockchain; agriculture products; traceability; ethereum; smart contract

0? 引? 言

農(nóng)產(chǎn)品為人類提供糧食、蔬菜、果類等食物，是人類的食物的主要來源。與此同時，農(nóng)產(chǎn)品市場也是商品市場的重要組成部分。在農(nóng)業(yè)中，產(chǎn)品供應(yīng)鏈相對較長，從農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)加工、分銷、零售最后消費者手中，農(nóng)產(chǎn)品流通需經(jīng)過多個環(huán)節(jié)，大部分環(huán)節(jié)分散無序。在農(nóng)產(chǎn)品最終達到消費者餐桌之前，其內(nèi)部的許多過程都是復(fù)雜的、不透明的，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品信息無從追溯。由于綠色高品質(zhì)的農(nóng)產(chǎn)品價值較高，導(dǎo)致如今的農(nóng)產(chǎn)品市場有很多名不副實，濫竽充數(shù)的冒充的高品質(zhì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)品?？梢酝ㄟ^建立可靠的溯源系統(tǒng)的方式，確保產(chǎn)品的品質(zhì)水平，因此可靠的溯源系統(tǒng)的建立具有重要意義。

早在2008年的時候，比特幣就已經(jīng)進入了大眾視野。很多群體對該技術(shù)的研究產(chǎn)生了興趣，由于該技術(shù)還處于萌芽階段，人們對該技術(shù)不夠了解，應(yīng)用的領(lǐng)域也較為狹窄。在技術(shù)方法的日新月異情況下，區(qū)塊鏈技術(shù)的研究也在不斷深入，已經(jīng)有三種技術(shù)框架分別是比特幣技術(shù)框架、以太坊技術(shù)框架和超級賬本技術(shù)框架，其底層技術(shù)的研究也成為了公眾的焦點。由于區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)是以去中心化的分布式存儲方式存儲的，區(qū)塊鏈技術(shù)具有不可篡改性、交易可追溯性、交易隱私性等特點，將其應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品溯源中，能有效地解決農(nóng)產(chǎn)品溯源產(chǎn)業(yè)溯源信息的可靠性、安全性等問題。

1? 農(nóng)產(chǎn)品溯源方案設(shè)計

1.1? 農(nóng)產(chǎn)品溯源供應(yīng)鏈分析

農(nóng)產(chǎn)品溯源是指對農(nóng)產(chǎn)品相關(guān)信息的溯源。農(nóng)產(chǎn)品信息包括農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的生產(chǎn)、加工、物流和銷售等信息。在農(nóng)產(chǎn)品溯源方案中需要針對農(nóng)產(chǎn)品和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的特點進行設(shè)計。農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈與普通產(chǎn)品供應(yīng)鏈相比有很多方面的不同，表現(xiàn)在下列幾點：

（1）產(chǎn)品的生產(chǎn)標準不同

普通產(chǎn)品的大多是通過機器作業(yè)的方式生產(chǎn)的，有統(tǒng)一的加工標準，產(chǎn)品的生產(chǎn)時間基本不會影響到產(chǎn)品質(zhì)量。農(nóng)產(chǎn)品與其不同，同批次農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)也有可能不同。

（2）產(chǎn)品的生產(chǎn)方式不同

普通產(chǎn)品有統(tǒng)一的生產(chǎn)流程，采用批量生產(chǎn)的方式。農(nóng)產(chǎn)品有合作社種植方式、農(nóng)戶零散化多種種植方式，沒有統(tǒng)一的生產(chǎn)流程，人工參與度比較高。

（3）產(chǎn)品的銷售方式不同

普通產(chǎn)品大多采用多級銷售的方式出售。農(nóng)產(chǎn)品出售方式多種多樣，主要分為批發(fā)的方式和零售的方式進行出售。

（4）產(chǎn)品的運輸方式不同

普通產(chǎn)品的運輸方式比較固定并且對于運輸環(huán)境也沒有特殊要求。但是農(nóng)產(chǎn)品在運輸途中有可能變得不新鮮甚至腐爛，對物流環(huán)境要求比較高。例如，新鮮的農(nóng)產(chǎn)品在運輸過程需要一個溫度比較低的條件。

1.2? 農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)模型

農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈與其他產(chǎn)品的供應(yīng)鏈對比來說，具有參與角色較多、農(nóng)產(chǎn)品信息種類繁雜、農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)量龐大等特點。在農(nóng)產(chǎn)品溯源模型設(shè)計時應(yīng)該考慮這些特點進行設(shè)計。

產(chǎn)品供應(yīng)鏈還具有復(fù)雜、長短不一的特點。在一條簡單的供應(yīng)鏈中，消費者直接從生產(chǎn)者手中購買，這時供應(yīng)鏈中生產(chǎn)者一個角色。在復(fù)雜的供應(yīng)鏈中有農(nóng)戶、加工商、物流商等多個角色。

本文依據(jù)所在供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的先后順序主要有生產(chǎn)者、加工商、物流商、銷售商。每個角色都對其對應(yīng)的供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)信息進行上傳，由于方案采用了區(qū)塊鏈技術(shù)避免了信息被篡改的風(fēng)險，每個節(jié)點都采用信息共用與同步模式，得以完成信息流的追溯。農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)模型如圖1所示。

（1）生產(chǎn)環(huán)節(jié)

主要對應(yīng)的角色是用戶，農(nóng)戶負責(zé)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)上傳到系統(tǒng)中，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)信息建檔任務(wù)，每隔一段時間把產(chǎn)品數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)塊中，并通過私鑰簽名以認證生產(chǎn)環(huán)節(jié)符合規(guī)范。當(dāng)產(chǎn)品生產(chǎn)完成并被出售給加工商時，農(nóng)戶需要發(fā)起一個交易請求，加工商已成為新的授權(quán)角色。角色授權(quán)過程主要利用私鑰簽署內(nèi)嵌在區(qū)塊鏈中的智能合約，授權(quán)角色負責(zé)跟蹤產(chǎn)品并維護產(chǎn)品信息文件，以確保維護的數(shù)據(jù)正確可靠。

（2）加工環(huán)節(jié)

加工過程對應(yīng)的角色是加工商，在其接收到農(nóng)戶提供的產(chǎn)品后，便有了查看及維護產(chǎn)品信息數(shù)據(jù)的資格。加工商的任務(wù)是記錄產(chǎn)品原產(chǎn)地、品種、品質(zhì)等一些數(shù)據(jù)。上傳數(shù)據(jù)之后會生成溯源碼，消費者會通過溯源碼進行農(nóng)產(chǎn)品溯源。

（3）物流環(huán)節(jié)

物流過程對應(yīng)的角色是物流商，物流商能夠根據(jù)公司的定位系統(tǒng)，獲取農(nóng)產(chǎn)品所在的運輸位置的相關(guān)信息，同時把數(shù)據(jù)錄入產(chǎn)品數(shù)據(jù)文檔，如始發(fā)位置、送達位置及運輸溫度等數(shù)據(jù)。

（4）銷售環(huán)節(jié)

銷售過程對應(yīng)的角色是銷售商。當(dāng)農(nóng)產(chǎn)品被銷售時，中間環(huán)節(jié)可能要經(jīng)歷很多次分銷才能被零散售出。正因如此，在農(nóng)產(chǎn)品銷售時要做好信息記錄，將農(nóng)產(chǎn)品的批次、收售時間、品質(zhì)等級等關(guān)鍵農(nóng)產(chǎn)品信息記錄在冊，只有這樣才可以確保農(nóng)產(chǎn)品溯源信息的真實完整。

在該方案中，生產(chǎn)者、加工商、物流商、銷售商4個角色均都進行了農(nóng)產(chǎn)品信息上鏈操作。區(qū)塊鏈的分散存儲結(jié)構(gòu)和鏈式區(qū)塊連接確保了數(shù)據(jù)的可追溯性。根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品溯源特點，提出了一種可靠的溯源方案，確保農(nóng)產(chǎn)品可追溯性數(shù)據(jù)的可靠性，提高消費者對農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈追溯的積極性。

1.3? 區(qū)塊鏈技術(shù)平臺的選型

針對傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)不可信問題，從已有的區(qū)塊鏈平臺中，選一款較為成熟平臺作為農(nóng)產(chǎn)品溯源的系統(tǒng)框架。區(qū)塊鏈技術(shù)平臺是系統(tǒng)底層框架，平臺的選型關(guān)系到溯源系統(tǒng)研究目標能否順利實現(xiàn)。在選擇溯源系統(tǒng)基礎(chǔ)框架平臺時需要注意三個問題：

（1）區(qū)塊鏈平臺的成熟度，在系統(tǒng)開發(fā)過程中成熟的平臺出現(xiàn)問題較少，系統(tǒng)具有更高的穩(wěn)定性，更易于平臺的后續(xù)維護。

（2）項目開源情況，開源的項目是世界級技術(shù)高手共同的勞動成果，在可靠性方面開源項目比閉源項目更具優(yōu)勢。

（3）平臺SDK（Software Development Kit，軟件開發(fā)工具包）接口的豐富度，在針對溯源平臺選擇區(qū)塊鏈平臺的原型時，需要考慮到SDK接口中是否具有功能相同接口。

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)平臺主要分為三種，分別是比特幣、以太坊和超級賬本。區(qū)塊鏈三大技術(shù)平臺對比如表1所示。以太坊平臺是一款具有優(yōu)秀綜合屬性的主流區(qū)塊鏈技術(shù)平臺，該平臺提供了豐富的SDK接口，滿足開發(fā)者實現(xiàn)各類功能的需求。

1.4? 溯源方案數(shù)據(jù)的共識機制

POW共識機制的核心思想是通過分布式節(jié)點之間的算力競爭得出記賬節(jié)點。當(dāng)添加一個新節(jié)點時，比特幣系統(tǒng)中各節(jié)點會基于各自的算力相互競爭，獲勝的節(jié)點擁有記賬權(quán)。節(jié)點就解決一個數(shù)學(xué)難題進行算力競爭，這個難題就是SHA256數(shù)學(xué)難題。該SHA256難題求解起來非常復(fù)雜，但驗證相對容易。POW共識算法有三個重要要素組成，分別是工作量證明函數(shù)、區(qū)塊以及難度值。

POW是區(qū)塊鏈主流共識算法區(qū)塊鏈中一個區(qū)塊的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

“Nonce”代表著任意數(shù)，每個位置的節(jié)點運用計算能力得到之后一個區(qū)塊的Nonce，第一個得到該值的區(qū)塊，就可以進行記賬了。假設(shè)想要對區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)進行篡改，這時需要擁有超過全網(wǎng)51％的算力，達到這一算力很難實現(xiàn)的，因此區(qū)塊鏈重點數(shù)據(jù)不能夠被篡改，保證了交易的安全性。

2? 農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的設(shè)計

2.1? 需求分析

根據(jù)系統(tǒng)功能的不同，可將系統(tǒng)劃分為4個部分，每個模塊都與其功能相對應(yīng)。平臺包括登錄管理模塊、農(nóng)產(chǎn)品管理模塊、信息錄入模塊和溯源碼溯源模塊。系統(tǒng)各模塊具體功能如圖3所示。

（1）登錄管理模塊

用戶注冊賬號后就能登錄系統(tǒng)進行后續(xù)操作；登錄模塊主要是面向農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)者、加工商、物流商和銷售商，消費者無需進行用戶的注冊和登陸，在平臺中輸入商品的專屬碼就能查詢到供應(yīng)鏈信息。

（2）信息錄入模塊

在信息錄入部分針對的用戶是生產(chǎn)者、加工商、物流商、銷售商4類。加工商和物流商主要將農(nóng)產(chǎn)品加工過程和運輸過程中的加工信息和物流信息傳入到系統(tǒng)中；銷售商用戶將農(nóng)產(chǎn)品銷售過程中的銷售信息傳入系統(tǒng)。

（3）農(nóng)產(chǎn)品管理模塊

農(nóng)產(chǎn)品管理模塊面向管理員用戶，系統(tǒng)管理員主要對系統(tǒng)中的農(nóng)產(chǎn)品進行管理工作，包括農(nóng)產(chǎn)品查詢、農(nóng)產(chǎn)品刪除。

（4）溯源碼溯源功能模塊

溯源碼溯源模塊主要面向消費者用戶，消費者想要了解農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量信息時，只需在溯源系統(tǒng)輸入溯源碼，就能查詢到農(nóng)產(chǎn)品溯源信息。該模塊又分為溯源碼生成和解析兩個小模塊。

2.2? 系統(tǒng)架構(gòu)

農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的架構(gòu)如圖4所示。

基礎(chǔ)層的區(qū)塊鏈模塊負責(zé)對溯源信息進行存儲，在區(qū)塊鏈中農(nóng)產(chǎn)品溯源信息以分布式賬本的形式存儲，即去中心化的存儲方式，有效地保障了農(nóng)產(chǎn)品的可信度。

核心層的關(guān)鍵性在于該層是溯源系統(tǒng)與區(qū)塊鏈架構(gòu)交互層。本文選用的是成熟度較高、平臺SDK接口豐富的開源項目系統(tǒng)架構(gòu)——以太坊架構(gòu)。農(nóng)產(chǎn)品信息錄入到溯源系統(tǒng)后，農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈中的節(jié)點通過共識機制形成供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)，將區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)通過智能合約打包之后，將數(shù)據(jù)部署在區(qū)塊鏈上，完成農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)上鏈。

服務(wù)層主要面向追溯平臺的應(yīng)用環(huán)境。服務(wù)層主要分為3個功能模塊：用戶服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)錄入模塊、溯源碼模塊。用戶模塊主要面向的3種用戶，分別是管理員、生產(chǎn)者、加工商、物流商和銷售商，并負責(zé)用戶的登錄和注冊；數(shù)據(jù)錄入模塊面向的4種用戶，負責(zé)將用戶錄入的數(shù)據(jù)上傳到溯源系統(tǒng)中；溯源碼模塊的主要面向2種用戶，分別是生產(chǎn)者和消費者。把用戶上傳的農(nóng)產(chǎn)品信息轉(zhuǎn)變成溯源碼，同時也可以把農(nóng)產(chǎn)品的專屬碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變成農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)。

應(yīng)用層是系統(tǒng)與用戶的交互層，供應(yīng)鏈中對農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)銷售信息的上傳以及消費者對溯源信息的查詢都是通過應(yīng)用層實現(xiàn)的。于此同時，管理員對系統(tǒng)和用戶權(quán)限的管理也要通過應(yīng)用層實現(xiàn)。

管理層溯源系統(tǒng)的管理，包括對用戶權(quán)限的管理和對農(nóng)產(chǎn)品的管理。

2.3? 系統(tǒng)概要設(shè)計

2.3.1? 系統(tǒng)邏輯視圖

整個系統(tǒng)劃分為溯源碼服務(wù)模塊、用戶服務(wù)模塊、數(shù)據(jù)錄入模塊、區(qū)塊鏈服務(wù)模塊，這些功能模塊集成到交易管理服務(wù)模塊。其關(guān)系為溯源碼服務(wù)模塊主要提供消費者端的溯源服務(wù)；用戶服務(wù)模塊主要提供供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的溯源服務(wù)；數(shù)據(jù)錄入模塊提供標準的服務(wù)窗口，供用戶完成追溯信息的記錄；區(qū)塊鏈服務(wù)模塊主要完成基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)加密、區(qū)塊化、分布式存儲等相關(guān)服務(wù)，體現(xiàn)系統(tǒng)的可追溯性、不可篡改性、保密性等追溯系統(tǒng)本質(zhì)屬性的保證。交易管理模塊將供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)標準化為交易管理服務(wù)，保證交易方法的規(guī)范性。系統(tǒng)邏輯視圖如圖5所示。

2.3.2? 系統(tǒng)開發(fā)視圖

系統(tǒng)開發(fā)視圖是開發(fā)人員對于開發(fā)視角的描述，是系統(tǒng)設(shè)計的基礎(chǔ)視圖。系統(tǒng)開發(fā)視圖如圖6所示。

在平臺開發(fā)視圖中平臺劃分成3個層面：視圖層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)存儲層。系統(tǒng)的最上層是視圖層。主要為平臺及用戶提供介質(zhì)，方便用戶和平臺之間的信息交換。視圖層有數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)錄入和登錄注冊4個界面。數(shù)據(jù)層中Dispatcher（調(diào)度員）分發(fā)模塊能夠?qū)Σ煌臄?shù)據(jù)進行調(diào)度。數(shù)據(jù)的交互伴隨著數(shù)據(jù)的調(diào)度而進行。在調(diào)度過程中，數(shù)據(jù)被分配給了各自模塊采取接下來的處理。

業(yè)務(wù)層有智能合約模塊、溯源碼溯源模塊和用戶管理模塊3大模塊。區(qū)塊鏈上存儲了農(nóng)產(chǎn)品溯源信息。智能合約能夠?qū)^(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)進行存取，智能合約通過調(diào)用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體方式對區(qū)塊鏈上的相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行存儲和查看操作；農(nóng)產(chǎn)品溯源信息與溯源碼信息是兩種不同的數(shù)據(jù)，溯源碼溯源的功能是作用在這兩類數(shù)據(jù)間；用戶管理的主要功能是用戶的登錄注冊。數(shù)據(jù)存儲層是以區(qū)塊鏈為核心存儲，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中數(shù)據(jù)是以分布式賬單的形式存儲的。農(nóng)產(chǎn)品溯源信息、用戶信息全部存儲在數(shù)據(jù)存儲層。

3? 研究結(jié)論

在農(nóng)業(yè)信息化進程中，為解決和保障農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全問題，農(nóng)業(yè)技術(shù)人員在不斷的對農(nóng)產(chǎn)品溯源方法進行摸索。大多數(shù)現(xiàn)有的溯源解決方案中溯源數(shù)據(jù)的存儲是中心化的。中心化的溯源平臺反映了相關(guān)數(shù)據(jù)信息都是集中存儲管理，缺乏監(jiān)管機制。中心化的農(nóng)產(chǎn)品溯源平臺中數(shù)據(jù)存在被篡改的安全隱患，農(nóng)產(chǎn)品信息的可信性難以保證。

因此，對于目前溯源領(lǐng)域的不合理現(xiàn)象，本文結(jié)合了當(dāng)前較為流行的區(qū)塊鏈技術(shù)，考慮到農(nóng)產(chǎn)品種類繁多和農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈復(fù)雜問題，針對傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)中數(shù)據(jù)不透明，易被篡改以及數(shù)據(jù)中心化的問題，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。

本文在一定程度上解決了傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品溯源中溯源數(shù)據(jù)的不可信問題，具有實際應(yīng)用價值。本文的主要工作如下：

（1）綜合分析區(qū)塊鏈的三種主流架構(gòu)，分別從項目開源情況、平臺成熟度以及平臺SDK接口豐富度方面考慮，選擇將以太坊作為系統(tǒng)的底層框架。系統(tǒng)分析了農(nóng)產(chǎn)品和供應(yīng)鏈的特點，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源方案。

（2）綜合考慮農(nóng)產(chǎn)品溯源的業(yè)務(wù)特點，設(shè)計了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)對智能合約的結(jié)構(gòu)體和功能進行了詳細設(shè)計。

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