區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

付東波 陳峰 楊勝明 馬鵬程 彭曉溪

（1.北大荒農(nóng)墾集團八五O農(nóng)場有限公司 2.黑龍江農(nóng)墾墾通信息通信有限公司）

【關鍵字】 區(qū)塊鏈；農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)；應用

區(qū)塊鏈技術在全球已有較大發(fā)展，尤其是在金融領域方面的應用較廣泛，且有一定深度。區(qū)塊鏈技術以其分布式存儲、去中心化和不可篡改等特點，在農(nóng)產(chǎn)品供應鏈追溯體系中的應用也有一些探索的案例。目前，區(qū)塊鏈技術在農(nóng)產(chǎn)品供應鏈上尤其在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)過程中，不斷加大研究的趨勢明顯，在研究人員的不懈努力下，農(nóng)產(chǎn)品供應鏈形成了一套獨有的管理思路。

一、區(qū)塊鏈技術的發(fā)展

區(qū)塊鏈技術簡稱BT（Blockchain Technology），也稱為分布式賬本技術，是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術，其特點是去中心化、公開透明，讓每個人均可參與數(shù)據(jù)庫記錄，同時數(shù)據(jù)不可篡改。把數(shù)據(jù)庫比喻為一個賬本，一次記賬的行為就是一次數(shù)據(jù)庫的讀寫，當產(chǎn)生一個數(shù)據(jù)時，在一段時間內(nèi)誰最快拿到記賬權(quán)，將由這個人來記賬，然后把這個賬本信息發(fā)給整個系統(tǒng)里的其他所有人，所有人達成共識時，本次記賬有效，最終在賬本上的數(shù)據(jù)誰也無權(quán)修改。

2008年10月31日，比特幣創(chuàng)始人發(fā)明了一套新的不受政府和機構(gòu)控制的電子貨幣系統(tǒng)，區(qū)塊鏈技術就是支持比特幣運行的基礎。

區(qū)塊鏈技術是一種全網(wǎng)信息同步、利用哈希算法產(chǎn)生“通證”（代幣）的軟件應用，是一種對等網(wǎng)絡，要求發(fā)生的每一筆交易都要寫入歷史交易記錄，將海量數(shù)據(jù)存儲到計算機集群中。區(qū)塊鏈技術是在無信任的環(huán)境下，在整個網(wǎng)絡中的任意節(jié)點建立起的共識機制，不需要擔心數(shù)據(jù)被篡改。區(qū)塊鏈技術從1.0版本發(fā)展到現(xiàn)在的3.0版本，在不斷的發(fā)展過程中也在不同領域有了實際的應用。

2016年12月，Agri Digital公司在區(qū)塊鏈平臺上完成了首次稻谷的銷售，在之后的銷售過程中，1300名以上參與者利用區(qū)塊鏈平臺增加了稻谷的銷售量，提高了種植戶的收入。Agri Digital的成功激發(fā)了區(qū)塊鏈技術在農(nóng)業(yè)供應鏈中的潛在應用。

2018年11月，智鏈科技的北大荒優(yōu)質(zhì)大米追溯項目在北大荒集團建設并完成。2020年京東建設了區(qū)塊鏈追溯平臺，平臺已接入800余個品牌商。近年來，新冠肺炎疫情的突然發(fā)生更推動了區(qū)塊鏈技術的發(fā)展，區(qū)塊鏈技術還實現(xiàn)了與5G的有效聯(lián)合。

二、區(qū)塊鏈技術解決的問題及存在的難點

區(qū)塊鏈技術在農(nóng)業(yè)應用上不斷創(chuàng)新，尤其是在農(nóng)產(chǎn)品的溯源方面有了不斷的突破。農(nóng)產(chǎn)品溯源包括農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、儲存、運輸、銷售等多個環(huán)節(jié)，根據(jù)環(huán)節(jié)的特點區(qū)塊鏈技術可用于解決生產(chǎn)中的實際問題，保證食品的安全和完整性。

區(qū)塊鏈技術能夠解決農(nóng)產(chǎn)品在實際供應鏈中的質(zhì)量安全問題。

1.共享數(shù)據(jù)。農(nóng)產(chǎn)品溯源從種植、管理、收獲、儲存、運輸、加工、銷售等過程進行數(shù)據(jù)定位，如果這些數(shù)據(jù)在整個供應鏈中流動，會讓消費者看到完整的參與方數(shù)據(jù)，增加更多信任，但目前這些數(shù)據(jù)還不能有效被其他環(huán)節(jié)獲取，沒能有效打通供應鏈各環(huán)節(jié)。

2.去中心化信息存儲：存儲信息是集體維護，做到共識信任。在參與單位中，以誰為中心維護區(qū)塊鏈賬本是關鍵問題，供應鏈中的利益相關方，抽取哪一個節(jié)點來管理信息都存在一定的技術信息問題，采用去中心化信息存儲方式可以有效解決存儲中心化問題。

3.區(qū)塊鏈信息不可逆：不可篡改的區(qū)塊鏈溯源信息，為溯源、方位、確權(quán)等場景提供了支持，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改。

進入?yún)^(qū)塊鏈3.0時代后，區(qū)塊鏈也在實際應用中存在一定的難點。一是食品行業(yè)的數(shù)據(jù)分布存儲應在企業(yè)內(nèi)備份，不能只上傳到供應鏈的核心數(shù)據(jù)庫，且企業(yè)數(shù)據(jù)如何上傳到數(shù)據(jù)平臺，還有部分問題需要解決。二是區(qū)塊鏈技術作為發(fā)展中的技術，仍存在些許問題，還要在不斷發(fā)展中發(fā)現(xiàn)并解決。

三、應用技術

1.技術原理。區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊中，通過一定的算法把區(qū)塊連成一個鏈（如圖1所示），每一次交易都需要對Ledger（賬本）狀態(tài)進行一次改變，生成一個區(qū)塊，需要所有區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)的成員進行確認，達成全員共識時該區(qū)塊才生效。

圖1 區(qū)塊鏈技術架構(gòu)

區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)中Ledger（賬本）是一系列有序和防篡改狀態(tài)的轉(zhuǎn)換記錄，結(jié)構(gòu)由一個區(qū)塊鏈構(gòu)成，并將不可變的、有序的記錄存放在區(qū)塊中，同時包含一個狀態(tài)數(shù)據(jù)庫來記錄當前的狀態(tài)，賬本的當前狀態(tài)信息是鏈交易日志中記錄過的最新值，由于當前狀態(tài)表示的是通道已知的最新值，由此也被稱為世界狀態(tài)。

智能合約又稱為鏈碼，是區(qū)塊鏈上運行的一段代碼，是應用系統(tǒng)與區(qū)塊鏈底層交互的中間件，通過智能合約可以實現(xiàn)各種復雜的應用。

Kafka排序是一種高吞吐量的分布式發(fā)布訂閱消息系統(tǒng)，它可以處理消費者網(wǎng)站中的所有動作流數(shù)據(jù)，可以配置多個排序節(jié)點集群方式。Hyperledger Fabric利用Kafka的高吞吐、低延時特性，對交易信息進行排序處理，實現(xiàn)集群內(nèi)部支持節(jié)點的故障容錯。

2.算法。哈希（Hash）算法：可以將任意長度的消息明文轉(zhuǎn)換映射為固定長度的二進制串輸出，區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)通過哈希（Hash）算法，生成一串字符串，保存在區(qū)塊的內(nèi)部，一個區(qū)塊通過指向上一個Hash值，加入到區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)的區(qū)塊鏈中。哈希（Hash）算法是一種加密算法，對原始數(shù)據(jù)進行特定的轉(zhuǎn)換運算，換算成對應的加密值（稱為Hash值），是一種單向的加密方式，加密后的數(shù)據(jù)密文不可逆推，只有加密過程，沒有解密過程。

PBFT共識算法：區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)中PBFT共識算法主要應用分布式服務器部署，即使有部分區(qū)塊鏈追溯服務器出現(xiàn)故障，仍然能正常工作，其核心的正常節(jié)點間達成一致。PBFT容錯算法針對M個部署的區(qū)塊鏈追溯節(jié)點，整個區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)要求對非PBFT節(jié)點輸入的數(shù)據(jù)信息相同時，所產(chǎn)生的結(jié)果也應相同。PBFT共識算法適用于區(qū)塊鏈追溯場景，PBFT共識機制允許監(jiān)制節(jié)點參與，相對于其他共識算法，其性能更高、耗能更低，所以本系統(tǒng)采用PBFT共識算法。

四、Kafka集群部署與配置

1.Kafka及Zookeeper節(jié)點數(shù)量論證。區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)采用四個Kafka節(jié)點，Kafka集群節(jié)點的最小值為4，是故障容錯所需的最小值。四個kafka節(jié)點中一個節(jié)點崩潰后，所有的通道還可以繼續(xù)讀寫并能創(chuàng)建通道。

區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)采用三個Zookeeper節(jié)點，Zookeeper可以為3、5或7，必須是一個奇數(shù)，來避免分裂（split-brain），同時選擇大于1是為了避免單點故障，超過7個就多余了。

2.Kafka服務配置。區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)主要采用三個Orderder服務器、四個Kafka服務器、三個Zookeeper服務器、一個CA服務器和四個Peer節(jié)點服務器，共8臺物理服務器組成Kafka分布式集群，每臺服務器的對應如圖2所示。

圖2 服務器對應圖

3.分布式集群部署及集群啟動。區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品追溯分布式集群部署策略主要考慮負載均衡、容錯性和充分利用服務器資源的特點，將服務器分別部署在紅興隆數(shù)據(jù)中心、哈爾濱數(shù)據(jù)中心、九三數(shù)據(jù)中心，其中紅興隆數(shù)據(jù)中心主要利用Kafka的高吞吐、低延時特性，對交易信息進行排序處理，實現(xiàn)集群內(nèi)部支持節(jié)點故障容錯和CA證書頒發(fā)驗證，哈爾濱數(shù)據(jù)中心和九三數(shù)據(jù)中心主要負責數(shù)據(jù)的存儲，通過執(zhí)行鏈碼實現(xiàn)對賬本的讀寫操作，節(jié)點根據(jù)功能不同分為背書節(jié)點和提交節(jié)點，部署云圖如圖3所示，集群啟動流程如圖4所示。

圖3 部署云圖

圖4 集群啟動流程圖

4.接口配置。區(qū)塊鏈集群通過Fabric SDK調(diào)用賬本（Ledger）、智能合約（Smart contract）、通道（Channel）、節(jié)點（Peer）、排序（Orderer）等接口，方便第三方應用程序的開發(fā)，接口配置如圖5所示。

圖5 接口配置圖

5.CA方案設計。區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)生產(chǎn)環(huán)境部署有三個組織，分別為orderer（排序）組織和兩個Peer（節(jié)點）組織，對應的ID為bdhchina.com、org1.bdhchina.com和org2.bdhchina.com，為了讓生產(chǎn)環(huán)境Fabric CA具有擴展性和安全性，存在一個邏輯根CA（RootCA）和三個中間CA（Intermedia CA），三個中間CA（Intermedia CA）都隸屬根CA（RootCA），如圖6所示。

圖6 CA方案設計流程圖

五、系統(tǒng)功能

區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)將農(nóng)作物種植、管理、加工、運輸、倉儲、銷售等環(huán)節(jié)實施上鏈管理，系統(tǒng)利用智能合約進行農(nóng)產(chǎn)品信息采集，形成超級賬本，并利用區(qū)塊管理模塊，將信息發(fā)布到區(qū)塊鏈相應節(jié)點，防止信息篡改，采用分布式賬本存儲，能有效去除中心化系統(tǒng)的弊端，避免人為作弊或數(shù)據(jù)意外損失。

系統(tǒng)以數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的方式構(gòu)建區(qū)塊鏈溯源網(wǎng)絡，使用二維條碼技術建立生產(chǎn)和流通檔案，并在倉儲、運輸、銷售等環(huán)節(jié)讀取設備獲取的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)地和生產(chǎn)過程等相關信息，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品溯源。有效提高農(nóng)產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)臏蚀_性，進而提高質(zhì)量安全可追溯系統(tǒng)求解的精度。

系統(tǒng)從種植源頭開始，種植環(huán)節(jié)的灌溉水質(zhì)、土壤、質(zhì)檢報告、原產(chǎn)地證書等信息均上鏈管理，以溯源碼為基礎的信息，形成一品一碼（二維碼），再賦予每個商品唯一的身份ID，產(chǎn)品涉及的加工、倉儲、運輸、銷售等環(huán)節(jié)的信息也全部上鏈管理，并賦予唯一區(qū)塊ID編碼，包括形成區(qū)塊時間、該區(qū)塊數(shù)據(jù)量、所屬聯(lián)盟及區(qū)塊ID和區(qū)塊鏈認證證書，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從源頭到消費者全程信息可溯源，如圖7、8、9所示。

圖7 區(qū)塊連追溯大數(shù)據(jù)平臺

圖8 區(qū)塊鏈溯源證書

圖9 區(qū)塊鏈追溯農(nóng)戶及信息

1.區(qū)塊鏈聯(lián)盟。建立區(qū)塊鏈聯(lián)盟，將供應鏈上的各追溯企業(yè)組織成聯(lián)盟成員，獲取區(qū)塊鏈上各節(jié)點數(shù)據(jù)上傳的權(quán)限，是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)上傳真實性的基礎。

2.種植節(jié)點。種植過程是農(nóng)產(chǎn)品形成的源頭，上鏈信息要能夠抓住管理關鍵點，與種植過程有關的生產(chǎn)資料、生產(chǎn)管理過程都要上鏈形成分布式存儲，并在大數(shù)據(jù)界面展示，生成區(qū)塊ID、區(qū)塊時間、區(qū)塊數(shù)據(jù)個數(shù)，展示上傳者和所在聯(lián)盟信息。種植節(jié)點信息可通過智能終端APP直接上鏈存儲，信息及時、準確，上鏈數(shù)據(jù)包括種植面積、作物品種、農(nóng)戶、種植檔案、數(shù)據(jù)采集、水質(zhì)檢測、土壤檢測、產(chǎn)品檢測等數(shù)據(jù)。

3.倉儲節(jié)點。糧食產(chǎn)品的存儲在時間上相對較長，上鏈溯源信息包括倉庫位置、產(chǎn)品信息、產(chǎn)品來源等，將倉庫位置在數(shù)據(jù)地圖上找到，不同企業(yè)需要貨倉存儲產(chǎn)品，需要嵌套相應倉儲管理方式到該節(jié)點。

4.運輸節(jié)點。運輸過程要將起始點、運達終點及在途貨物的信息上鏈管理，還包括運輸車輛情況、駕駛員情況等，定期回傳運輸車輛的位置。

5.加工節(jié)點。加工過程中按照生產(chǎn)流程找到生產(chǎn)關鍵節(jié)點，通過聯(lián)盟成員接口，將生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)直接上鏈，實施分布式存儲。必要時，生產(chǎn)過程的數(shù)量衡算也要在上鏈數(shù)據(jù)中體現(xiàn)出來，加工過程節(jié)點數(shù)據(jù)包括供應商、原輔材料、重要生產(chǎn)節(jié)點、包裝量、入庫量等，形成數(shù)量衡算后上鏈存儲，同時在本地備份存儲。

6.銷售節(jié)點。將銷售節(jié)點收集的銷售材料上傳到該區(qū)塊節(jié)點，銷售信息包括產(chǎn)品信息、直銷方向及一級分銷商的信息。產(chǎn)品銷售過程管控能有效實施產(chǎn)品召回。銷售節(jié)點上鏈信息按照銷售金額、省份、產(chǎn)品數(shù)量等進行數(shù)據(jù)對比。

六、應用前景

區(qū)塊鏈技術使農(nóng)產(chǎn)品追溯過程信息更加透明可靠，打通了供應鏈各企業(yè)間的信息孤島，可將溯源過程中發(fā)現(xiàn)的問題快速追蹤到發(fā)生的環(huán)節(jié)。區(qū)塊鏈技術提供了許多好處，讓交易變得更安全，為了提高供應鏈的可追溯性，分散的分類賬有助于把農(nóng)民、供應商、生產(chǎn)商和買家連接起來。區(qū)塊鏈技術特別適用于發(fā)展中國家，可通過向小農(nóng)戶提供融資和保險來支持農(nóng)業(yè)發(fā)展。區(qū)塊鏈的使用可以建立一個值得信任的環(huán)境，建立透明的農(nóng)產(chǎn)品供應鏈，將主要利益相關者納入溯源供應鏈管理。

七、應用效果

區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)已在北大荒農(nóng)墾集團八五〇農(nóng)場有限公司進行了應用，該管理系統(tǒng)對全場2萬畝寒地稻田的種植節(jié)點數(shù)據(jù)和影像進行了采集管理，涉及的水稻品種包括綏粳18、三江6號等。使用區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)后，加強了農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源體系的監(jiān)管力度，促進了誠信體系的建立，提升了產(chǎn)品質(zhì)量的安全管理及產(chǎn)品信息的可追溯性，提高了產(chǎn)品在市場上的競爭力，增強了消費者購買的信心，推動稻米獲得更高附加值，促使整個產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。

八、結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術在有著去中心化、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。目前基于我國農(nóng)業(yè)發(fā)展水平，區(qū)塊鏈技術在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)上不斷向前端延伸，延伸到種植端，將種植端的管理舉措、生產(chǎn)資料等都進行上鏈管理，保證種植、運輸、倉儲、加工、銷售等環(huán)節(jié)信息的真實性，使供應鏈上各方都能受益，這是提升我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平的重要突破口。