基于区块链技术的农产品可追溯平台构建

李燕 蒋嘉琦

摘要：农产品食品安全问题是近年3·15晚会的“钉子户”。为解决农产品食品安全问题，通过分析区块链技术的技术特征，并针不同技术特征同农产品流通的相性进行了分析。研究结果表明，区块链技术可以缓解农产品流通过程中旧有的“追责难”“维权难”“监管难”“信任难”等问题。在此基础上分析利用区块链技术构建农产品追溯平台的框架结构及技术体系，并就该追溯体系对解决农产品食品安全的作用机制进行了阐述。

关键词：区块链技术;可追溯平台;食品安全;作用机制

中图分类号：TP399文献标识码：ADOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20210610

纵观中国农业发展的历史，食品安全问题始终都切身关系着百姓的民生。基于对食品安全的考量，古人对于食物的相性及不同食物常温下的保存问题有着大量的研究，甚至早在战国时期就已经开始应用食物的保鲜及防腐技术。随着时代变迁及科技进步，现如今的食品安全已不再局限于食材的新鲜及相性的问题，一些动物源疾病（如疯牛病、SARS、2019-nCoV等）、非法添加剂（苏丹红、三聚氰胺等）等问题正逐渐威胁着人们的生命安全。

针对解决食品安全问题，学者们主要有3种解决思路，第一种是以徐晓新等[1-3]为代表的主张从政府监管的角度入手，通过提高政府监管人员服务能力、规范食品安全问题的监管标准、优化有关部门的监管体系及程序。在此种框架内，李雪石等[4]在搜集了国外学者的研究观点后，认为传统的仅从监管及标准入手的方法过于片面，并引申出协调“国家—市场—社会”的解决方法。

第二种思路是张晓勇等[5]为代表的分析消费者对于食品安全接受情况的研究，分析了居民的消费结构，并提出了高学历及年轻人对待安全食品的偏好相对较高。周应恒等[6]研究了三聚氰胺事件后消费者对于奶制品选择的偏好问题，发现消费者由于缺乏辨识能力，因此仅能通过日常信息积累或者询问商店销售人员的渠道来进行甄别，并且倾向于信任大品牌的商品。

第三种思路是随着信息技术进步逐渐兴起的以信息平台为代表的追溯制度，其中包括：楊信廷等[7]研究的基于物联网技术的“一核、双轴、三链”的农产品及食品质量安全追溯系统技术体系框架。向明生[8]认为食品安全问题已成为一种十分棘手的社会公共问题，为解决食品安全问题需要协调食品生产及流通环节各方主体，同时构建优质农产品认证体系、农产品质量追溯体系、农业食品安全预警体系、农业食品安全适时监督检查体系、农业食品安全惩罚体系“五位一体”的农业食品安全管控体系。韩佳伟等[9]认为低流通效率是导致农产品出现食品安全问题的一个重要原因，并针对农产品物流现状提出了农产品智慧物流的发展思路。在回顾其他学者研究的基础上本文结合区块链技术及农产品食品安全追溯体系的特点，讨论基于区块链技术的农产品追溯平台的组建方式及作用机制。

1农产品追溯体系发展历程

世界最早的现代化农产品追溯体系源自英国疯牛病事件，疯牛病最早于1985年在英国被发现，但由于重视程度不够及缺乏应对手段，在往后的20 年间，疯牛病飞速扩散，最终波及全球共31个国家并导致了几百亿英镑的经济损失。疯牛病事件的恐慌促使各国政府开始构建农产品追溯体系。美国基于反恐的需要，自911事件后建立起了以反恐为目的的食品追溯体系。

2002年中国农产品质量安全中心的成立标志着我国开始农产品追溯体系的建设，目前已取得了一定的成效。2002—2006年，我国配合国际物品编码协会和美国统一代码委员会制定的标准，出台《EAN-UCC系统128条码》的国家标准并完善了禽类、牛肉、水果、蔬菜和水产品可追溯法规的标准体系。2006年《中华人民共和国农产品质量安全法》第一次从法律上明确了农产品追溯标准。此后农业部及商业部出台了《农产品产地安全管理办法》《农产品包装与标识管理办法》《关于“十二五”期间加快肉类蔬菜流通追溯体系建设的指导意见》等多项规定，地方政府也根据本省农产品流通的实际情况对本省农产品追溯体系进行了规定，完善了农产品追溯体系的相关标准。2015年修正的《中华人民共和国食品安全法》进一步从信息平台建设、网络食品交易、批发市场基础设施、召回制度、标签制定几方面完善了现有的农产品追溯体系。2018 年《中华人民共和国食品安全法》又进行了修正，此次修正将食品与药品进行分离，在法律标准方面提升了我国农产品追溯相关法律规定的专业性。

虽然我国农产品追溯体系的法律法规及相关标准已比较完善，但目前在农产品流通渠道中的实际应用情况却并不乐观。根据李玉红等[10]对我国几个一二线城市的可追溯猪肉的消费情况的调查结果表明，目前消费者对于农产品追溯体系的了解、利用效率较低，愿意为之付出合理的额外支出的消费者更是凤毛麟角。

我国追溯体系的应用效果不如人意的主要原因是消费者重视程度较低。而消费者“不买账”主要有以下几点原因：首先，网络上的追溯平台鱼龙混杂，其中不乏鱼目混珠、以次充好之辈，极大的透支了消费者的信任程度;其次，农产单位售价通常较低，而追溯平台则具有较大的网络外部性，在进入成熟期前，单位农产品的追溯成本往往居高不下;再次，由于消费者缺乏专业的辨别能力，并且中老年群体对于新事物的接受能力不强，因此消费者难以清楚地了解追溯平台的实际效果;最后，即使追溯平台较为规范，但也难以避免部分生产企业会传递追溯虚假信息的可能，由于平台没有较大的惩处权限，进一步影响消费者对于平台的信任程度。

2区块链技术

2.1区块链技术的技术特征

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式。区块链通过建立去中心化的数据库，通过采用信息传递、信息加密、信息存储等计算机技术建立数据块，再通过数据块间联系实现信息的防伪、公开以及自我管理。区块链技术是自2008年后新兴的一种信息技术，时下已成为最热门和发展呼声最高的信息技术。

区块链技术最本质的特征就是去中心化，去中心化即无中心管制，是指脱离了第三方的监管、硬件设施实现自我管理和运转。除去中心化外，区块链技术还具有安全性、开放性、匿名性、独立性的特征。安全性：篡改信息块内的信息需要占据一定比例以上（通常为50%）的数据节点，因此独立个体无法擅自更改存储的信息，即使可以所付出的成本也是得不偿失的。开放性：区块链信息块的信息是完全公开的，除交易双方的个人信息外，任何人都可以查询并应用区块链所包含的信息。匿名性：在技术层面上，各个区块节点无需披露自己的身份信息就可以实现信息传递。独立性：基于区块链去中心化的特征，区块链体系可以独立运行无需第三方的介入，并可以自动进行实现信息防伪及信息传递等服务。

2.2区块链技术与农产品追溯体系

基于区块链技术的技术特征，利用区块链技术加密打造公开、独立、安全的信息公示平台已成为区块链技术一种最重要的应用构想。目前农产品追溯体系不健全是导致我国食品安全问题的一个主要诱因，追溯体系不健全导致了如下问题：食品安全事故责任纠纷;消费者维权无门;有关部门监管难度过大。区块链技术在解决这些问题、完善農产品追溯体系等方面大有可为。

首先，基于食品安全问题一直存在难追责的问题，因为农产品从生产环节一直到消费者食用农产品，需要经历生长、采摘、再生产、流通、销售等环节，而食品安全的风险存在于农产品由产到销售的每个环节中。因此当出现安全问题时很难及时发现问题原因并加以整改。而基于区块链的安全性和公开性，仅需通过自动记录农产品流通环节中的所有信息，向前可以追溯至农产品生产者的生产环节，向后可以追溯到消费了同一批次农产品的消费者，这样就可以实现每一阶段同批次销售的农产品的调查，精确定位事故原因并第一时间加以整改。

其次，由于传统的农产品销售方式为顾客到市场、连锁超市等地自主选购，消费者间相互联系较少，即使食用了同一批次农产品的顾客发生食品安全问题，由于食用不安全食品具有隐蔽性个人消费者的直接损失又十分有限，而且发生食品安全问题的消费者群体彼此间缺乏联系，许多食品安全事故由于证据不足或受害者群体不明最后只能不了了之。针对此问题，区块链可利用其匿名性和公开性的特性，使得消费者购买时匿名，若出现食品安全问题，可以第一时间公开发声，便于受害者群体联合起来进行维权。

第三，我国农产品流通环节食品安全问题是由食品药品监督管理局进行监管的，由于中国人口众多，食品药品监督管理长期以来存在监管密度低、强度差、效果差强人意的问题。这些问题归根到底是由农产品食品安全问题的隐蔽性所导致的，由于受害者大多没有较大的损失，因此对于违规企业难以施加严厉的处罚措施，所以农产品食品安全监管成效一直较低，处于亡羊补牢的阶段。而利用区块链技术，一方面，消费者可以联合起来主动向相关部门举报维权;另一方面，监管部门完全可以通过区块链技术中记载的流通流程，在农产品集中的环节进行质量抽检，以此降低监管的成本。

最后，针对上文提到的消费者信任程度较低的问题及成本问题，区块链技术基于其安全性，使得企业无法更改其录入的信息，农产品的生产及流通企业对其农产品的年产量、流通总量、流通总渠道录入后，公开在区块链技术信息平台，接受广大消费者、其余生产及流通企业和相关监管部门的监督，由于录人的信息需受专业人士的监督，可能导致信息录入时出现弄虚作假的现象。当发现信息平台的准入企业出现故意弄虚作假的行为后，监管部门可以通过警告、处罚、暂停准入甚至取消准入资格等惩罚措施，以限制企业的作假行为。同时，如果区块链信息平台的规模达到一定程度，监管过程中实现规模效应也可以在一定程度上降低消费者的额外成本。

3基于区块链技术的农产品追溯体系建设

3.1追溯体系设计

追溯体系是利用区块链技术加密流通平台公示的农产品流通信息，使平台的用户可以实现农产品流通的全程追溯。应用框架具体为生产企业、流通企业、消费企业3个主体基于应用区块链技术的农产品流通平台进行的物质与信息的往来，具体应用框架如图1所示。

选择区块链技术主要是为了解决农产品流通环节中的信息管理的问题。针对区块链架构设计，吕芙蓉等[11]认为区块链框架具体包含应用层、智能合约、共识层、网络层、数据层5个部分。谭磊等[12]提出的区块链架构也大同小异，认为在应用层与共识层间存在激励层。目前区块链技术存在公有链、私有链、联盟链3种应用模式。公有链是典型的区块链模式，特点就是信息完全公开、任何人都可以查询并应用该区块链的信息。私有链和联盟链是在公有链完全公开的基础上引入准入机制，私有链的信息仅针对内部人员公开，由管理者统一管理。联盟链介于公有链与私有链之间，是由多家组织共同合作维系区块链的运转。根据我国农产品流通环节的情况，我国人口基数较大，如果对农产品流通区块链不进行准入许可的限制，极有可能出现大量“垃圾信息”占据信息平台的现象，因此有必要对区块链的准入加以限制。但是如果采取严格限制的私有链模式，则会阻碍广大消费者获取农产品信息、出现食品安全后难以公开信息进行维权，失去了组建区块链平台的意义，因此我国农产品流通区块链技术应采取联盟链的模式，其体系设计如图2所示。

农产品流通追溯体系总体框架由应用层、合约层、共识层、网络层、数据层组成。数据层及数据采集是整个区块链平台运转的基础，此环节主要由农产品生产及流通企业通过RFID芯片、遥感、监控等终端设备自动采集农产品流通环节的一手资料，并通过局域网、WIFI、5G等无线通讯技术将采集到的设备自动上传至分布式数据库及服务器节点进行储存。对数据层上传数据进行处理的环节就是区块链体系的数据层。数据层的主要功能建立起Merkle树，通过Merkle树将区块信息进行编码，形成类似身份证号码的编码形式，这种编码形式包含基于哈希算法的前后区块的联系信息，并通过特殊算法，如SHA256实现上下游区块间的信息传递。这一环节中除了记录交易信息以外，在区块头的元数据部分还记录了区块的随机数据、难度系数、时间戳等信息，构成了整个平台运行的基础。

网络层位于数据层后，网络层的功能主要是对数据层提供的数据进行检验，只有通过筛选的数据才能够得以保留。网络层包含组网方式选择、消息传播协议和数据验证机制3个部分。在组网方式选择中，网络结构有对等网络和非对等网络之分，对等网络（peer to peer，P2P）的每个节点可以执行相同的功能，更符合区块链去中心化的特征，因此选择P2P作为网络层的组网方式，之后将数据基于消息传播协议导入数据验证机制中，实现数据的筛选。

共识层顾名思义即达成共识，是参与联盟链的各个主体对各区块数据录入的规则达成共识，避免数据录入的错误，以维护区块数据的有效性。由于存在多种可选择的共识机制如：PoW、PoS、DPoS、RaFT、PBFT，并且这些机制均各有利弊，适用的条件也各不相同，因此共识层的选择是整个体系最复杂的环节。在各个共识机制中，除PoW完全去中心化适用于公共链以外，其余4种都可以应用于联盟链当中。但这4种共识机制也各有特色，PoS是基于所拥有的被视作股权的财产的数量选出记账者并由记账者制定记账规则，这种模式在继承PoW机制需要拥有51%节点量才能进行攻擊的安全性的同时，还改善了PoW机制重复计算、交易效率低下的弊端。但由于PoS机制的“权力集中制”的选拔方式的不足，诞生了DPoS机制，这种机制是利用类似于股东大会的机制选拔记账者使小规模区块的拥有者拥有投票权，在一定程度上提高了效率，因此DPoS是更加高效的，但同样存在着大型区块所有者操纵选举的可能。而RaFT与PBFT是针对于一些特殊情况下的共识机制，其中RaFT机制是在所有节点中投票选拔出leader，其他节点无条件遵守leader的指令。而PBFT机制（实用拜占庭将军机制）是基于PoS的一种名为BFT（拜占庭将军问题）机制衍生出来的新机制，这种机制的目的是在存在“背叛者”即参与者间目标存在差异时达成共识，但这种机制的安全性较差，仅需超过1/3的节点就可以实现攻击。4种机制各有利弊，既符合我国农产品流通市场现状的部分，亦存在棘手的弊病，因此需要参考实际建设中的参与者的情况再进行选择。

合约层也可以称为智能合约环节，这一环节主要是利用信息技术和网络技术，基于已确定的合约与规定，自动识别合约的完成情况进行续约或解约操作，智能合约的出现使区块链可以自动处理不同领域内的事件，实现了区块链在不同领域的应用。

应用层就是信息平台数据的使用者，各个使用者根据身份不同，基于平台披露的信息进行决策。3.2维护农产品食品安全作用机制

构建区块链信息平台的初衷就是维护农产品流通环节的食品安全、降低消费者食品安全风险。区块链在以下几个方面维护了农产品的食品安全。

（1）区块链的开放性使得流通中所有环节的主体均可以参与进来，同时由匿名性及独立性保证消费者可以放心参与农产品追溯环节。区块链信息平台覆盖了农产品从生产者采摘到消费者选购的全过程，需要流通的各个主体作为参与者录入各个环节的农产品实时信息，并由实时监控作保，因此上下游的流通主体对其余企业的服务能力都拥有比较清楚的认知，生产组织可以选择服务和口碑更好的流通企业进行合作，流通企业也可以选择生产优质农产品的企业作为长期客户，不仅提升了双方的产品和服务的质量，还可以将生产劣质产品和违规流通的企业逐渐驱逐出市场，从而提高整个行业的产品质量。

（2）区块链的开放性、独立性特种，同时去中心化模式下信息平台存储的数据轻易不可篡改，这就使利用基于区块链技术的信息平台同国家有关监管机构进行协作成为可能。流通企业在进行生产博弈时需要考虑的不仅是当期的利润提升，还需要考虑到当其违规行为被观测到后的利润下降情况，如果利润下降的额度低于第一期违规的收益时才会选择违规流通。建立信息平台后，企业违规行为在全程监控、上下游企业监督和有关部门定期抽查下变得“无处可藏”。假设企业第一期违规流通可以获得W的利润，但会处以P的罚金，而且之后的每一期需要损失C的收益，企业年均利润率为r，此时只有在（W-P）×（1+r）≥C/r时企业才会选择违规流通。农产品可追溯信息平台将增加违规行为暴露的可能，并将违规情况及相关证据上报至有惩处权限的监管部门，由监管部门进行惩处。暴露风险增加将增加企业违规流通的成本，当多数违规行为无利可图时就能极大程度上降低食品安全事件的发生。

（3）可追溯平台的建立一定程度上还能缓解农产品流通过程中信息不对称的问题。农产品食品安全问题的一个主要成因就是普通消费者缺乏辨别产品优劣的能力，因此容易发生劣质农产品最终将优质品驱逐出市场的“柠檬市场”现象。而在信息平台中，由于区块链技术开放性的特征，消费者作为信息平台的应用主体可以获取农产品从生产到流通全过程的信息，这样就使消费者对不同商品拥有了清晰的辨别能力，根据消费者主观消费观念的差异选购不同价位的农产品。采用先进流通技术的流通企业可以获得相应的收益，促进农产品流通环节技术与设施水平的提高，带动整个农产品流通产业的现代化发展，最终提升农产品的产品质量。

（4）可追溯平台也将限制生产者的违规行为。长期以来农产品食品安全很难明确具体责任人，而农产品生产和流通环节由不同的部门负责，因此消费者在购买到劣质农产品时往往面临几家企业互相推诿责任的局面。但是采用区块链信息平台流通的农产品可以实现农产品流通全程的跟踪监控，一旦发生食品安全问题，监管部门可以调取流通环节的资料及时取证，以确定食品安全问题发生的具体环节。这就使监管部门可以很容易地发现生产者违规使用了化肥、农药的行为，从而对生产者进行处罚。因此建立信息平台后生产者的生产行为也会受到监督，尤其是生产者需要在首先录入流通的农产品的具体信息，生产者还要面临后续流通企业对流通产品的检测，而参加信息平台的生产者的也会规范自身生产行为。

参考文献

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[12]谭磊，陈刚.区块链2.0[M].北京：电子工业出版社，2016：38-61.

Construction of Agricultural Products Traceability Platform based on Blockchain Technology

Li Yan，Jiang Jiaqi

（College of Economics，Harbin University of Commerce，Harbin，Heilongjiang 150028 ）

Abstract：The food safety problem of agricultural products is the "nail household" of the 3·15 party in recent years. In order to solve the food safety problem of agricultural products，this paper analyzes the technical characteristics of blockchain technology，and analyzes the compatibility of different technical characteristics with the circulation of agricultural products. It is considered that blockchain technology can alleviate the old "blame chasing" and "rights protection" in the circulation of agricultural products On this basis，it analyzes the framework structure and technical system of building agricultural product traceability platform by using blockchain technology，and finally expounds the function mechanism of the traceability system to solve the food safety of agricultural products.

Key words：blockchain technology，traceability platform，food safety，action mechanism

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