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区块链技术在农产品安全信息溯源中的应用研究


作者:转自物联网技术   |   发布时间:2020-03-30   |   点击数:182

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近年来,农产品安全事件频频发生,农产品安全事件危害人类健康,同时带来一系列严重的社会问题,引起了社会的广泛关注,如何保障农产品安全已成为国家和人民关注的民生焦点问题[1]。农产品安全事件频繁发生的根本原因在于政府、生产加工企业、销售商和最终消费者之间各方所获取的农产品安全信息不全面、不透明、不对称,且农业智能化水平较低。特别是涉及到跨区域的农产品安全问题时,一旦农产品供应链中某一个环节出现了问题,必然影响到农产品安全系数,那么就需要追溯整个农产品供应链上每个环节的安全信息,每个环节都可能存在不安全因素。因此,保证农产品安全溯源信息每一环节的数据真实、完整、透明、不易被篡改等就尤为重要。

信息溯源技术近年来在农产品安全领域已有了一定的应用,但全程溯源信息也存在数据不完整、不安全、易篡改等问题,需要切实解决供应链信息的防篡改性;而正在金融领域兴起的区块链技术可以实现分布式记账,所有溯源上的主体都可以参与到数据信息的记录中来,但是这些溯源链条上的数据信息不可删除、不可篡改,区块链所具有的这些“去中心化”和“不可篡改”等特性,可以弥补传统信息溯源在数据的存储和保护方面的不足。区块链不需要第三方监管机构的参与,可提高数据信息的公开性和透明性。因此,可大力探索将信息溯源和区块链这两种技术进行有效融合,探索建立农产品供应链可信追溯模型和系统,实现农产品信息的透明化,提高农产品溯源链的智能化,及时跟踪农产品安全数据信息,发现问题农产品可快速召回,保证农产品质量的同时又可节约成本[2]

1农产品安全信息溯源

农产品安全信息溯源系统以确保放心安全食品上餐桌为目标,以全面保证农产品质量安全为出发点,以物联网体系架构、智能感知技术、通信技术、采集数据分析等关键技术为支撑,使农产品相关安全信息从采集、传输、管理、应用的整个供应链中都能可靠准确传输[3]。农产品安全信息追溯体系是农产品质量安全管理体系中的重要组成部分,是一个能够连接生产、检验、监管和消费各个环节,提供从农田到餐桌的追溯模式,提取生产、加工、流通、消费等供应链环节的安全信息公共追溯要素,对农产品所有信息记录全程进行电子数字化管理,为农产品建立透明的数字信息身份档案,建立农产品安全信息数据库,消费者、商家、政府可通过智能终端一体机扫描农产品溯源安全信息编码快速查询到生产供应链所有溯源信息。一旦发现问题,能够根据溯源信息进行有效的控制和召回,保证农产品质量安全,从源头上保障消费者的合法权益,同时也通过溯源系统为政府主管部门提供监管和决策依据。

2区块链技术

区块链就是基于区块链技术形成的公共数据库(或称公共账本)。其中区块链技术是指多个参与方之间基于观代密码学、分布式一致性协议、点对点网络通信技术和智能合约编程语言等形成的数据交换、处理和存储的技术组合[4],它的目的是用于验证其信息的有效性(防伪)。广义来讲,区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据,利用分布式节点共识算法来生成和更新数据,利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全,利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式[5]。区块链主要解决交易的信任和安全问题,包括共识机制、时间戳、智能合约、公有链、联盟链、私有链、侧链、跨链和闪电网络;主要核心技术包括分布式账本、非对称加密和授权技术、共识算法、分布式存储技术、P2P网络技术。区块链典型的特征包括去中介化、开放性、自治性、信息不可篡改、可追溯性、匿名性、高可靠性、高拓展性和包容性[6]。区块链基础架构[7]包括网络层、数据层和应用层。在网络层,建立去中心的分布式系统;在数据层,建立分布式数据库系统,是一个分布式账本;在应用层,用区块链代替传统的登记和清算系统,能够提供编程环境让用户编写智能合约。

一般来讲,区块链技术最受关注的应用主要在金融服务领域,但是其实它越来越多地影响着各个行业,继“人工智能+”之后,兴起的“区块链+”让人对区块链技术应用在各行业带来的改变充满期待,特别是农产品安全信息领域。

3区块链技术应用在农产品安全信息溯源关键技术中的研究

在农产品安全信息溯源平台研究和开发中,将区块链技术的去中心化、区块链基于时间戳的链式区块结构、区块链加密算法和共识机制、开放性等特征应用在农产品安全信息溯源场景中,将农产品全过程信息流记录上链并进行存证和固化,同时对数据进行加密存储,利用分布式账本,有效保证全程农产品安全信息溯源数据完整、真实、透明、不可篡改。

3.1运用区块链去中心化特性重构物联网框架的农产品安全信息溯源体系架构

首先采用物联网体系框架搭建农产品安全信息溯源体系架构,建立信息数据流分层原型模型。传统的分布式存储一般是通过中心节点往其他备份节点同步数据,在传统的溯源体系架构中专门设置了一个支撑层,这一层对农产品标识信息数据库、农产品供应链轨迹中的各类质量安全信息采用统一的中央数据库进行管理。而运用区块链具有的分布式账本这一核心技术,即交易记账是由分布在不同地方的多个节点共同来完成,每一节点都记录完整账目,也就是使用区块链分布式核算和存储,去除中心化的数据管理,任何节点的权利和义务都是对等的,即无需中心化的硬件和数据管理机构。区块链每个节点存储都是独立的,每个节点都按照块链式结构存储完整的数据,且每一节点的权利、义务是平等的。因此农产品安全信息溯源体系中数据块可由系统体系中具有维护功能的节点来共同维护。

运用区块链去中心化特征将农产品安全信息溯源体系按照信息数据流的横向流向把溯源体系分为感知层、传输层、支撑层、应用层、用户层五个类型分层[8]。感知层主要通过各种智能感知设备获取农产品信息的采集,包括RFID、各类传感器等采集的农产品相关数据和原始信息;传输层主要通过无线网、通信网、传感网等网络传输方式将采集到的供应链各个环节的安全信息能够可靠完整有效地传输;支撑层对各个环节采集到的农产品安全信息和数据使用区块链分布式存储、去中心化管理;应用层主要设计和构建农产品安全信息溯源平台、农产品安全信息监管平台、农产品采集信息溯源防伪识别平台、农产品质量安全预警应急处理平台、农产品质量安全分析与决策平台;用户层主要面向农产品生产商、加工商、销售商、政府主管部门、消费者。农产品安全信息溯源体系架构如图1所示。

3.2运用区块链基于时间戳的链式区块结构存储传输农产品安全信息数据

农产品从生产、运输、加工、包装到销售的生产供应链中,数据信息流经过感知层、传输层、支撑层、应用层和用户层,根据供应链主体划分追溯记录,区块链按照信息流层次顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构,每个区块都包含一个时间戳和一个与前一区块的链接。对农产品溯源信息采用时间戳的方式对区块进行链接,对数据进行分布式存储,每个节点都按照块链式结构存储完整的数据,可以在各个节点创建更清晰的追踪渠道。并运用分布式组网、数据传播和数据验证等机制可靠传输农产品供应链信息流。通过这种方式,农产品供应链每一环节都有了透明、完整的溯源信息,保证了各个节点信息的可靠传输交换,实现了对农产品安全信息的有效追溯。

3.3运用区块链加密算法和共识机制保证农产品安全溯源信息的完整和安全

传统的追溯方式根据ID值在数据库进行查询实现农产品信息追溯,这种追溯方式过于简单,真实性、有效性不能保证。区块链技术是利用密码学的方式,采用加密算法[9],对公钥和私钥进行设置,在农产品追溯中区块链是一串使用密码学方法相关联产生的数据块,每一个数据块中包含了一次供应链节点的业务信息,用于验证其信息的有效性(防伪)和生成下一个区块。运用区块链的共识机制,只有当大部分节点都同时认为这个信息记录正确时,或者所有参与记录的节点都比对结果一致通过后,才能认定记录的真实性和有效性,记录数据才允许被写入区块中。一旦数据经过验证并添加到区块链中,将被永久存储,且时间戳可以记录数据创建时间。这种共识机制在农产品安全信息溯源中不仅是数据记录认定的方式,同时也保证了信息的不可篡改。运用区块链加密算法和共识机制,建立不可篡改的可信追溯信息链条,是农产品供应链可信追溯的有效方法和手段,从而保证追溯信息的真实性、不可篡改性和传递的安全性、有效性。

3.4运用区块链开放性保证农产品安全溯源信息的公开透明

农产品安全信息溯源平台可根据不同农产品的生产、加工、运输、销售等环节的特定条件,设计开发质量安全溯源系统软件,连接农产品的生产、检验、运输、监管和消费各个供应链环节。由于区块链的数据可对所有人公开,区块链网络将所有的交易账本实时广播,因此运用区块链开放、透明等特性,让用户层成员充分了解农产品的生产流通过程,获悉农产品安全信息。除了交易主体的私有信息数据被加密外,所有人并都可通过公开接口查询区块链数据和相关应用,保证农产品安全信息溯源系统的信息高度透明,提升农产品消费者的信息程度,农产品从种植到最终上餐桌,能够完全实现实时溯源。

4结语

将区块链技术应用在农产品安全信息溯源关键技术中,探索将两者技术有效融合、优势互补,利用区块链去中心化、机器自治、不可篡改、公开透明、可完整追溯等特性,从技术上真正实现农产品安全信息的全程追溯,保证整个溯源链上所有数据真实、安全、透明和完整。

参考文献

[1]陈海滢,郭佳肃.物联网应用启示录:行业分析与案例实践[M].北京:机械工业出版社,2016

[2]杜均.区块链+[M].北京:机械工业出版社,2018

[3]李建功,王健全,王晶,等.物联网关键技术与应用[M].北京:机械工业出版社,2013

[4]邹均,曹寅,刘天喜,等.区块链技术指南[M].北京:机械工业出版社,2018.

[5]袁勇,王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报,2016,42(4): 481-494

[6]刘权.区块链与人工智能[M].北京:人民邮电出版社,2019

[7]张健.区块链[M].北京:机械工业出版社,2016.

[8]黄东军.物联网技术导论[M].北京:电子工业出版社,2012

[9]井底望天,蒋晓军,相里朋.区块链与产业创新[M].北京:人民邮电出舨社,2018

[10]王飞.区块链技术与促进我国跨境电商发展的新思路研究[J].理论月刊,2019(3): 117-122.