基于衛(wèi)星定位的時空區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源和原產(chǎn)地數(shù)字認(rèn)證中的應(yīng)用

羅恒雪，景貴飛

（北京航空航天大學(xué)云南創(chuàng)新研究院，云南 昆明 650500）

0 引 言

我國積極發(fā)展高附加值特色農(nóng)業(yè)，打造區(qū)域特色農(nóng)業(yè)品牌，推動特色農(nóng)業(yè)高質(zhì)量、高端化發(fā)展，地理標(biāo)志農(nóng)產(chǎn)品、生態(tài)原產(chǎn)地保護(hù)產(chǎn)品等代表特定區(qū)域產(chǎn)品品質(zhì)、承載區(qū)域特色生態(tài)與文化價值的高附加值產(chǎn)品成為打造區(qū)域農(nóng)業(yè)特色品牌、助力鄉(xiāng)村振興的重要抓手。“原產(chǎn)地”是承載區(qū)域特色農(nóng)產(chǎn)品核心價值的關(guān)鍵屬性，原產(chǎn)地認(rèn)證不論在品牌打造過程中還是在國際貿(mào)易的“原產(chǎn)地規(guī)則”中都具有關(guān)鍵作用。衛(wèi)星定位技術(shù)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品生產(chǎn)、流通各環(huán)節(jié)時間空間變化的記錄與呈現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)溯源數(shù)據(jù)一致存儲、無法篡改，基于衛(wèi)星定位技術(shù)形成時空信息+區(qū)塊鏈的雙重數(shù)據(jù)認(rèn)證，可為農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地數(shù)字認(rèn)證提供具有普適性的解決方案。

1 農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地溯源技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

面向農(nóng)產(chǎn)品的原產(chǎn)地溯源已經(jīng)有多種技術(shù)支撐，例如基于GPS 和二維碼技術(shù)的溯源[1]、基于區(qū)塊鏈的食品供應(yīng)鏈溯源[2]、基于近紅外光譜技術(shù)的產(chǎn)地溯源[3]等，但現(xiàn)有技術(shù)都難以同時滿足原產(chǎn)地可信數(shù)據(jù)來源以及流轉(zhuǎn)過程數(shù)據(jù)全程留痕不可篡改的需求。如利用二維碼技術(shù)為溯源信息查詢提供簡便途徑，運(yùn)用GPS 技術(shù)為溯源添加定位信息，提高溯源信息的準(zhǔn)確性，但尚未形成產(chǎn)品流通鏈全流程信息的回溯和不可篡改的保障。區(qū)塊鏈的作用在于構(gòu)建可信的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，解決價值交換與轉(zhuǎn)移中存在的欺詐和尋租現(xiàn)象[4]，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息具有不可偽造、全程留痕、可追溯、公開透明等特征，但其痛點(diǎn)是難以保證上鏈前數(shù)據(jù)來源的真實(shí)性，即便使用了區(qū)塊鏈技術(shù)，但若無法保障數(shù)據(jù)源的可信，上傳到區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)即使無法篡改也不能保證建立可信、可靠的全產(chǎn)業(yè)鏈數(shù)字化體系。為解決區(qū)塊鏈上鏈數(shù)據(jù)的可信性問題，目前已有采用傳感器、物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)方案。利用物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)作為可信的數(shù)據(jù)源，形成種植、養(yǎng)殖過程的可信數(shù)據(jù)來源，并建立可追溯體系，但這種方案適用于一些標(biāo)準(zhǔn)化、現(xiàn)代化種植農(nóng)場或養(yǎng)殖工廠，普適性較差，難以契合廣泛存在的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)實(shí)。近紅外光譜技術(shù)的產(chǎn)地溯源方法目前多應(yīng)用于普洱茶等產(chǎn)品的溯源過程中，該方法的應(yīng)用依賴于通過開展數(shù)量龐大的、不同產(chǎn)地的產(chǎn)品溯源試驗(yàn)，不斷驗(yàn)證和優(yōu)化所建模型的穩(wěn)健性、適用性和預(yù)測能力，該方法重點(diǎn)解決了產(chǎn)品原產(chǎn)地識別的問題，但不能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從生產(chǎn)者到消費(fèi)的全程流轉(zhuǎn)追溯信息記錄與呈現(xiàn)，對于絕大多數(shù)農(nóng)產(chǎn)品而言適用性不足。

2 基于衛(wèi)星定位的時空區(qū)塊鏈技術(shù)在原產(chǎn)地數(shù)字認(rèn)證中的優(yōu)勢

衛(wèi)星定位產(chǎn)生的時空數(shù)據(jù)可以將各類數(shù)據(jù)串聯(lián)起來，并貼上時空標(biāo)簽，在保障數(shù)據(jù)精準(zhǔn)程度的同時，可實(shí)現(xiàn)物品時空流轉(zhuǎn)變化軌跡的清晰記錄與呈現(xiàn)。因此，基于衛(wèi)星定位形成區(qū)塊鏈+時空信息的雙重數(shù)據(jù)認(rèn)證，確保了線上線下數(shù)據(jù)真實(shí)有效且不可篡改，可綜合應(yīng)用空間信息和時空區(qū)塊鏈技術(shù)解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中的精準(zhǔn)生產(chǎn)管理和溯源認(rèn)證問題。

時空區(qū)塊鏈為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)設(shè)置時空圍欄，其為具有區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和事務(wù)處理模式，有以下三個典型特征的區(qū)塊鏈：

（1）區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)區(qū)塊均具有時空認(rèn)證標(biāo)簽，時空認(rèn)證標(biāo)簽是利用區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)所在位置的時間數(shù)據(jù)和空間數(shù)據(jù)生成的具有唯一性的一組數(shù)據(jù)；

（2）區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的有效性、合法性與其所處的空間范圍和時間范圍相關(guān)；

（3）由主節(jié)點(diǎn)、子節(jié)點(diǎn)和星節(jié)點(diǎn)至少三類節(jié)點(diǎn)參與構(gòu)建的一種具備多重架構(gòu)的區(qū)塊鏈，子節(jié)點(diǎn)與星節(jié)點(diǎn)是具備獲取衛(wèi)星導(dǎo)航定位和衛(wèi)星授時數(shù)據(jù)功能的設(shè)備[5]。

時空區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用保障了只有在指定位置、指定時間內(nèi)生成的數(shù)據(jù)是正確有效的才可以上傳到區(qū)塊鏈系統(tǒng)，保證向區(qū)塊鏈傳輸?shù)臄?shù)據(jù)來源可靠[6]。

3 時空區(qū)塊鏈原產(chǎn)地溯源和數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)構(gòu)建及實(shí)現(xiàn)路徑

3.1 原產(chǎn)地溯源和數(shù)字認(rèn)證管理平臺的設(shè)計

管理平臺產(chǎn)品生產(chǎn)、流通、監(jiān)管等維度，依據(jù)平臺管理主體、產(chǎn)品生產(chǎn)主體、產(chǎn)品生產(chǎn)流通經(jīng)手人等角色在溯源鏈條中的職責(zé)分配，設(shè)計各主體的交互操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溯源系統(tǒng)的管理和應(yīng)用。

平臺操作賬號設(shè)置?；谛l(wèi)星定位的時空區(qū)塊鏈原產(chǎn)地溯源和數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)按照功能實(shí)現(xiàn)的需求，設(shè)置協(xié)會管理員賬號和產(chǎn)品生產(chǎn)主體賬號。協(xié)會管理員賬號適用于承擔(dān)產(chǎn)業(yè)監(jiān)管職能的政府部門或行業(yè)協(xié)會等，在系統(tǒng)操作中實(shí)現(xiàn)的功能為生產(chǎn)主體賬號注冊審核、溯源產(chǎn)品電子圍欄設(shè)置與核定、溯源編碼額度設(shè)定以及審核生產(chǎn)主體提出的編碼申請；生產(chǎn)主體賬號適用于溯源產(chǎn)品的生產(chǎn)企業(yè)或個人，一個生產(chǎn)主體管理員賬號下根據(jù)各生產(chǎn)或流通環(huán)節(jié)的信息錄入及信息關(guān)聯(lián)需求可有多個具有相應(yīng)權(quán)限的用戶賬號，生產(chǎn)主體賬號在系統(tǒng)操作中實(shí)現(xiàn)的功能：產(chǎn)品各生產(chǎn)及流通環(huán)節(jié)信息錄入及關(guān)聯(lián)、溯源碼申請、溯源碼打印并貼于溯源產(chǎn)品外包裝。

平臺主要功能模塊設(shè)置。登錄注冊模塊用于實(shí)現(xiàn)協(xié)會管理賬號、生產(chǎn)主體賬號的身份信息錄入及確認(rèn)；產(chǎn)品管理模塊實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)主體對溯源品牌及產(chǎn)品信息的錄入與添加，實(shí)現(xiàn)協(xié)會管理賬號對系統(tǒng)內(nèi)可溯源產(chǎn)品的監(jiān)測管理；編碼管理模塊實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)主體溯源碼申請及協(xié)會管理賬號對溯源碼申請的審核及生成。溯源管理平臺設(shè)計流程如圖1 所示。

3.2 產(chǎn)品溯源數(shù)據(jù)獲取與添加

農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)獲取的目的是將生產(chǎn)過程的數(shù)據(jù)通過多種方式收集、匯總到數(shù)據(jù)中心，為農(nóng)產(chǎn)品原產(chǎn)地數(shù)字認(rèn)證提供溯源數(shù)據(jù)支撐。普遍采用的方法是利用物聯(lián)網(wǎng)傳感器、遙感、視頻、圖像和人工數(shù)據(jù)采集等途徑獲取農(nóng)產(chǎn)品種植和加工過程數(shù)據(jù)。為保障溯源產(chǎn)品的原產(chǎn)地屬性，需使用具有接收衛(wèi)星信號功能的終端設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品溯源編碼申請及數(shù)據(jù)上傳，如智能手機(jī)、連接衛(wèi)星定位模塊的電腦等，將獲取的坐標(biāo)與在管理平臺設(shè)置的電子圍欄匹配后生成編碼，確保只能在指定區(qū)域生成正確的時空編碼。

溯源系統(tǒng)為數(shù)據(jù)獲取提供智能手機(jī)及電腦應(yīng)用的基礎(chǔ)軟件工具，支持溯源數(shù)據(jù)的采集上傳，以及產(chǎn)品生產(chǎn)流轉(zhuǎn)過程中通過“掃碼收貨”“掃碼發(fā)貨”實(shí)現(xiàn)的碼碼關(guān)聯(lián)。碼碼關(guān)聯(lián)的目的是在產(chǎn)品的種植、加工、運(yùn)輸、倉儲等環(huán)節(jié)更替過程中，銜接上一環(huán)節(jié)的信息，并且添加本環(huán)節(jié)帶時空坐標(biāo)的信息，從而形成完整的產(chǎn)品溯源信息鏈。

溯源數(shù)據(jù)獲取流程如圖2 所示。

圖2 溯源數(shù)據(jù)獲取流程

3.3 時空區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用

時空編碼指的是將數(shù)據(jù)按照時間和空間維度進(jìn)行“唯一性”編碼，通過將時間、空間信息寫入編碼，能準(zhǔn)確表達(dá)信息主體在時間和空間維度的確定性，將編碼技術(shù)提升到能全面表達(dá)信息主體“全維度”特征的層次，在保證數(shù)據(jù)完整性的基礎(chǔ)上，通過編碼實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)特征的最大化呈現(xiàn)[7]。時空編碼技術(shù)在產(chǎn)品溯源中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的時間和空間不可篡改，賦有時空坐標(biāo)的數(shù)據(jù)保障了溯源信息來源的真實(shí)性。

區(qū)塊鏈技術(shù)的使用使得數(shù)據(jù)不可篡改，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息形成線性的、以時間為序的“事件鏈”，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護(hù)等特征?；谶@些特征，區(qū)塊鏈技術(shù)奠定了堅實(shí)的“信任“基礎(chǔ)，為消費(fèi)者、生產(chǎn)商、經(jīng)銷商、認(rèn)證機(jī)構(gòu)、監(jiān)管部門等各參與方明晰權(quán)責(zé)，從而形成可靠的“合作”機(jī)制。所有溯源數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)了與位置和時間信息的關(guān)聯(lián)，賦予時空標(biāo)簽，建立與區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交換接口，形成區(qū)塊鏈+時空信息的雙重數(shù)據(jù)認(rèn)證，確保了全追溯數(shù)據(jù)的真實(shí)有效且不可篡改。所應(yīng)用的區(qū)塊鏈應(yīng)支持隨時隨地動態(tài)時空編碼，支持時空編碼與區(qū)塊鏈的交互認(rèn)證，支持聯(lián)盟鏈與全球公鏈的交叉驗(yàn)證。產(chǎn)品信息上鏈流程如圖3 所示。

圖3 產(chǎn)品信息上鏈

3.4 溯源信息的呈現(xiàn)及區(qū)塊鏈存證

二維碼在二維空間水平方向和垂直方向上都存儲信息，具有信息容量大、安全性強(qiáng)、保密性高、識別率高、編碼范圍廣等特點(diǎn)[8]。時空區(qū)塊鏈溯源以二維碼作為呈現(xiàn)溯源信息的載體，通過掃描溯源管理平臺生成的電子溯源碼或打印貼于產(chǎn)品包裝的溯源碼，向消費(fèi)者呈現(xiàn)產(chǎn)品生態(tài)背景、檢驗(yàn)檢測報告等檔案、各環(huán)節(jié)生產(chǎn)日志、流轉(zhuǎn)時空變化及地圖軌跡等。

區(qū)塊鏈存證對產(chǎn)品的原產(chǎn)地信息、倉儲與流轉(zhuǎn)過程的原產(chǎn)地信息進(jìn)行數(shù)字化存證，用以表明其原產(chǎn)地或其生產(chǎn)、倉儲和物流流轉(zhuǎn)過程的位置和時間是真實(shí)、可靠、可追溯的。生成憑證要求進(jìn)行產(chǎn)品原產(chǎn)地認(rèn)證信息數(shù)字存證的產(chǎn)品需具備時空編碼，產(chǎn)品的時空編碼和屬性信息須形成數(shù)據(jù)區(qū)塊并實(shí)時同步于區(qū)塊鏈系統(tǒng)。利用衛(wèi)星定位時間和位置為原產(chǎn)地產(chǎn)品生成全球唯一的時空編碼并加密，寫入?yún)^(qū)塊鏈永久保存且不可篡改，溯源和數(shù)字認(rèn)證平臺生成的產(chǎn)品區(qū)塊鏈存證證書具有唯一的證書編號，可包含產(chǎn)品的名稱、生產(chǎn)商、原產(chǎn)地信息、時空編碼、數(shù)字存證的區(qū)塊地址、流轉(zhuǎn)過程時空節(jié)點(diǎn)信息等，成為產(chǎn)品原產(chǎn)地證明的支持憑證[9]。

3.5 基于衛(wèi)星定位的時空區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用效果

課題組利用該技術(shù)在昆明石林縣對地理標(biāo)志產(chǎn)品“西街口人參果”進(jìn)行了測試，該地區(qū)以生產(chǎn)具有特色的人參果而揚(yáng)名省內(nèi)外，近年來出現(xiàn)非產(chǎn)區(qū)人參果冒用產(chǎn)區(qū)商標(biāo)的現(xiàn)象，本產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)品得不到具有技術(shù)支撐的可信溯源認(rèn)證，對產(chǎn)區(qū)的品牌發(fā)展及產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展造成負(fù)面影響。

課題組在石林縣西街口鎮(zhèn)宜奈村的人參果生產(chǎn)基地部署了時空區(qū)塊鏈原產(chǎn)地溯源和數(shù)字認(rèn)證系統(tǒng)，通過實(shí)際應(yīng)用顯示，溯源系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的原產(chǎn)地可信溯源數(shù)據(jù)采集及上傳、產(chǎn)品生產(chǎn)流通各環(huán)節(jié)時空信息及操作數(shù)據(jù)跟蹤、“一物一碼”溯源碼生成及管理、溯源信息區(qū)塊鏈存證等，且可通過系統(tǒng)軟件的“掃碼收貨”“掃碼發(fā)貨”功能實(shí)現(xiàn)“碼碼關(guān)聯(lián)”，將溯源數(shù)據(jù)的采集及長傳過程嵌入到產(chǎn)品生產(chǎn)流通的交接過程中，不用額外增加繁瑣的操作手續(xù)，具有較高的應(yīng)用普適性[10]。

系統(tǒng)生成的最終貼于產(chǎn)品外包裝的溯源碼，是消費(fèi)者溯源查驗(yàn)和原產(chǎn)地數(shù)字認(rèn)證憑證查詢的入口。通過智能手機(jī)等設(shè)備掃描溯源碼進(jìn)入后可查詢所購產(chǎn)品的生產(chǎn)檔案、檢測認(rèn)證等展示信息，產(chǎn)品種植、加工、運(yùn)輸時空信息變化及操作記錄，地圖展示的流通軌跡。該產(chǎn)品特有的唯一溯源碼、時空區(qū)塊鏈憑證等，可支撐品牌展示、產(chǎn)品全鏈條溯源、原產(chǎn)地數(shù)字認(rèn)證憑證查詢，如圖4 ～圖7 所示。

圖4 溯源信息展示

圖5 產(chǎn)品流通軌跡及時空信息鏈

圖6 測試產(chǎn)品時空區(qū)塊鏈信息

圖7 測試產(chǎn)品溯源查驗(yàn)?zāi)M結(jié)果

4 結(jié) 語

原產(chǎn)地是決定產(chǎn)品品質(zhì)和產(chǎn)品特征的關(guān)鍵因素，農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈涉及的點(diǎn)多、線長、面廣，且需要各主體間交互，導(dǎo)致溯源面臨數(shù)據(jù)真實(shí)性難保證、數(shù)據(jù)難共享、易篡改等問題。實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品溯源首先要確保產(chǎn)品來自真正的原產(chǎn)地，基于衛(wèi)星定位的時空區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)在原產(chǎn)地才能生成對應(yīng)編碼，以保障產(chǎn)品來源。在確定產(chǎn)品原產(chǎn)地來源真實(shí)后，按時間順序記錄產(chǎn)品的位置信息以及該產(chǎn)品流轉(zhuǎn)過程的包裝、交接等人員信息，保障其流轉(zhuǎn)過程可追溯、可控。在建立了按時間和位置記錄的產(chǎn)品流轉(zhuǎn)鏈基礎(chǔ)上，關(guān)聯(lián)產(chǎn)品的介紹信息、認(rèn)證信息、評價信息、圖片和視頻等。時空區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用為實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品從原產(chǎn)地（田間地頭）到商品的動態(tài)全追溯提供了思路，然而該技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品溯源和原產(chǎn)地數(shù)字認(rèn)證領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于探索階段，需要在進(jìn)一步開展技術(shù)熟化及相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的研究與制定的基礎(chǔ)上，才能有效發(fā)揮支撐產(chǎn)業(yè)發(fā)展的作用。