基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同研究

朱亦成 張鑫

摘要：隨著數字技術上升為農業產業發展的戰略方向，強化區塊鏈技術在農業生產經營中的應用成為了農業產業發展的重要議題。當前農產品供應鏈面臨的產銷效率低下、牛鞭效應突出等問題，較大部分原因在于供應鏈信息協同程度不足。文章分析了目前的農產品供應鏈信息協同現狀與存在的問題，提出了基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同體系，利用區塊鏈分布式存儲、智能合約、共識機制等特性實現農產品供應鏈信息協同，提高信息共享度與節點之間的信任度，以期優化農產品供應鏈存在的信息孤島等問題，弱化農產品供應鏈的供需失衡現象，提高農產品供應鏈的運作效率。

關鍵詞：雙鏈區塊鏈；農產品供應鏈；信息化；信息協同

中圖分類號：TP399 文獻標志碼：A DOI：10.16465/j.gste.cn431252ts.20230605

Research on agricultural product supply chain information collaboration based on dual-chain blockchain

Zhu Yicheng1， Zhang Xin2

（ 1.School of Marketing and Logistics Management， Nanjing University of Finance & Economics， Nanjing， Jiangsu 210023； 2. School of Applied Technology， Suzhou University， Suzhou， Jiangsu 215325 ）

Abstract： With digital technology rising to the strategic direction of agricultural industry development， strengthening the application of blockchain technology in agricultural production and management has become an important issue of agricultural industry development. At present， the agricultural product supply chain is faced with problems such as low production and marketing efficiency and prominent bullwhip effect. Most of the reasons lie in the lack of supply chain information synergy. This paper analyzed the current situation and existing problems of agricultural product supply chain information collaboration， and put forward an agricultural product supply chain information collaboration system based on dual-chain blockchain. It used the characteristics of blockchain distributed storage， smart contract， consensus mechanism， and other features to achieve agricultural product supply chain information collaboration， and improve the degree of information sharing and the degree of trust between nodes， with a view to optimizing the problems of information islands in agricultural product supply chain， weakened the imbalance between supply and demand in the supply chain of agricultural products， and improved the operational efficiency of the supply chain of agricultural products.

Key words： dual-chain blockchain， agricultural product supply chain， promotion of information technology， information collaboration

農業與農產品流通行業由于受到數字技術發展的影響，近年來也在加速向數字化方向轉型。2020年中央“一號文件”首次明確提出“加快物聯網、大數據、區塊鏈、人工智能、第五代移動通信網終、智慧氣象等現代信息技術在農業領域的應用”。此項文件的發布標志著農業數字化將以區塊鏈、人工智能為代表的數字技術作為發展的戰略方向。2021年11月國務院頒發的《“十四五”推進農業農村現代化規劃》[1]再次明確提出，要“推動物聯網、大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術與農業生產經營深度融合”，加快區塊鏈技術在農業生產經營中的應用是當前農業數字化發展的一個重要內容。

國內將農產品供應鏈與區塊鏈技術結合的相關研究近些年來也在不斷開展，于麗娜等[2]解析了農產品供應鏈的概念和內涵與目前農產品流通中存在的問題，結合農產品供應鏈需求與區塊鏈技術的概念、特點，提出了基于區塊鏈的農產品供應鏈架構。王可可等[3]分析區塊鏈的去中心化等特性，針對農產品追溯系統中的安全和效率問題提出一種基于聯盟區塊鏈的農產品質量追溯體系，最后通過仿真實驗數據證明聯盟區塊鏈可適用于大范圍、多數據的農產品追溯。生吉萍等[4]在介紹區塊鏈發展進程和功能特點的基礎上，通過構建模型對區塊鏈提升供應鏈創新福利水平和供應鏈績效的增效機理進行剖析，闡釋區塊鏈賦能農業協同創新發展的管理機制，最后通過案例分析得出：區塊鏈應用優化了農業產業化路徑和產業鏈交易方式，通過建設“供應鏈+區塊鏈”與“區塊鏈+區域化”生產交易方式，有效提升農產品供應鏈信息真實性并強化主體間的信任。

在之前各位學者研究的基礎上，本文首先分析了目前農產品供應鏈中存在的信息不對稱、信任缺失等問題，根據其現實需求，引入了私有鏈與聯盟鏈結合的雙鏈區塊鏈并分析了其技術特征，構建了基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同系統，最后研究該系統借助雙鏈區塊鏈的技術優勢以實現農產品供應鏈信息協同優化的作用機制，能夠針對前文中提出諸多問題有效優化農產品供應鏈的信息共享狀況。

1 農產品供應鏈信息協同現狀分析

目前中國已成為全球第二大農產品貿易國，農業質量效益和競爭力顯著提高，農產品貿易圈不斷擴大，產業結構呈多樣化發展趨勢。但從供應鏈形式來看，受限于較薄弱的發展基礎與流通過程中現實因素的影響，我國大部分地區仍然采取以農貿批發市場為中心的傳統農產品供應鏈形式，交易形式仍是落后的“貨銀兩訖”現貨交易，農產品供應鏈的形態嚴重落后于農業產業發展水平。

目前農產品供應鏈信息流運作模式主要仍處于鏈式雙向信息流模式，供應鏈信息交互以及交易決策都只局限在相鄰節點之間，在供應鏈整體上形成了信息傳遞的延滯與失真，對農產品產銷效率產生較大負面影響。趙蕓等[5]提出我國農產品供應鏈目前存在著生產分散、物流滯后、信息不對稱、缺乏信任等問題。趙曉飛等[6]指出農產品供應鏈主體間合作有賴于彼此的信息溝通，而農產品供應鏈主體間信息溝通不暢將制約供應鏈發展。傳統的信息技術僅能夠為農產品供應鏈的信息協同提供部分的解決方案，必須引入新的供應鏈管理思路、采用新的信息化技術手段、建立新的運作機制以實現農產品供應鏈的高質量發展。

經過總結，農產品供應鏈信息協同運行的主要問題有以下4個方面。

1.1 供應鏈涉及多個主體，跨節點不信任

農產品供應鏈運營涉及到包括批發商、物流企業、零售商、消費者及政府部門等在內的多個主體，分散在供應鏈上下游，難以實現多主體之間的跨節點信任。

跨節點之間的不信任以及信息的單向流動會加大信息傳遞的風險因素，傳遞過程中無法保證信息的安全性與完整性。比如處于供應鏈源頭的農產品生產者難以跨節點獲取到供應鏈末端的農產品銷售數據，收到的數據也無法保障其真實性，可能會加大供應商的成本投入和產品積壓風險。

1.2 交易形式信息化水平低

目前我國農產品供應鏈普遍的運作模式仍然是以農貿批發市場為中心的形式，采取“貨銀兩訖”的交易形式。但在數字經濟下買賣行為愈發復雜，合同的種類也愈發擴大，落后的交易形式難以保障各方權益，阻礙了供應鏈的高效運作，供應鏈運行更加需要對各個主體進行合規管控，對于買賣的介入，幫助雙方明確在民事行為中的權利和義務，保障交易雙方獲得應有的利益。

1.3 信息采集技術落后，產品溯源困難

目前，我國農產品供應鏈以線下流通為主，伴隨著互聯網和物聯網技術的發展，部分主體開始建設物聯網系統，采取信息采集技術，聯合供應鏈上下游其他節點建設云儲存數據庫與農產品溯源系統[7]。但是物聯網系統無法一體式建設，是由不同的主體分別在各自內部建設。這些分散在不同節點的物聯網系統看似組成了一個互聯互通的農產品供應鏈信息網絡，但其業務相對獨立，涉及到眾多主體，存在大量的不確定因素，難以真正實現全流程的信息共享，信息難以追溯。

1.4 受限于農產品供應特點，牛鞭效應顯著

農產品供應鏈普遍地域跨度較大，覆蓋多層次節點，每個節點主要根據相鄰下級節點的需求信息進行生產或供應，經常產生供大于求的現象，逐級沿著供應鏈向源頭方向，再加上農產品的高時效性、季節性生產、生產周期較長等特點，使供應鏈中由于信息不對稱導致的牛鞭效應會對農產品供應鏈造成更嚴重的破壞。

2 雙鏈區塊鏈技術與農產品供應鏈信息協同間的耦合

農產品供應鏈上下游之間、政府與企業之間等都存在委托代理關系，而在一系列活動中，不同的主體對于農產品供應鏈所包含的資金、 物資、信息的流動及其存量等情況的了解是不同的。龍頭企業等農產品供應鏈核心節點能夠較充分地獲取整個供應鏈的運作信息，在農產品供應鏈合作之中處于有利位置。而農戶或消費者等個體以及部分規模較小的企業和合作社由于自身規模和技術局限，僅僅掌握生態農產品供應鏈的部分信息，難以把握供應鏈運行情況，在農產品供應鏈合作之中處于劣勢。雖然，核心企業在互聯網技術應用的基礎上可以通過建立信息交流平臺等方式促進生態農產品供應鏈信息流通，但是，由于核心企業的盈利特性， 其即使構建了相關信息交流平臺，也是以自身利益為中心，相關信息的流動和各主體的溝通也在核心企業的控制之下。

雙鏈區塊鏈技術是由計算機科學、數學等多門學科交叉形成的，其本質是一個去中心化的數據庫[8]。針對農產品供應鏈信息協同中存在的諸多問題，雙鏈區塊鏈的各項技術特征存在天然耦合，例如時間戳技術能夠有效弱化供應鏈信息傳遞失真問題；智能合約技術可以提高農產品流通效率、降低交易風險等。

雙鏈區塊鏈的技術特征與農產品供應鏈之間的的耦合關系如圖1所示。

3 基于雙鏈區塊鏈技術的農產品供應鏈信息協同模式設計與構建方案

3.1 平臺體系結構

針對農產品供應鏈目前在信息協同方面存在的諸多問題，提出基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同系統，該系統主要由數據存儲層、網絡共識層、智能合約層和服務應用層4個部分組成。其中，數據存儲層主要提供聯盟鏈加私有鏈的數據存儲功能；網絡共識層使用適用于高可信度聯盟鏈、私有鏈的實用拜占庭容錯算法；智能合約層在雙鏈系統中引入智能合約提高信息共享速率與交易可靠性；服務應用層為最終的信息開放平臺，向各級用戶開放并對數據信息進行高實用性管理?；陔p鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同的整體架構如圖2所示。

3.1.1 數據存儲層

對供應鏈上的各個主體而言，自身的交易記錄、資金狀況等數據是需要保密的敏感信息。而區塊鏈區別于企業自建的數據庫與中心化數據庫，是一個高度開放的信息系統。因此，將交易記錄等原始數據存放至區塊鏈需要對節點進行可靠的數據保護。在保護節點私密信息的基礎上，系統還需要實現跨節點的數據交互、職能部門的監督管理等功能，需要額外在數據保護的基礎上構建數據訪問控制機制。

所以系統的數據存儲架構分為私有鏈和聯盟鏈，主體包括農戶、批發商、物流商、零售商、消費者及政府部門等。各個主體在使用獨有的密鑰對其所持有的供應鏈信息簽名之后，通過哈希算法生成信息相應位置的hash值和相應的摘要信息，之后由系統根據生成信息的時間順序排列生成共享信息聯盟鏈。

此外，私有鏈每生成兩個區塊就會將產生相應的位置hash值和摘要信息打包存儲在聯盟鏈中，從而緩解信息共享面臨的存儲空間和吞吐量等問題。

本文設計的雙鏈區塊鏈信息存儲架構如圖3所示。

在雙鏈信息存儲架構下，作為用戶數據的私有鏈的主要功能是保護鏈上主體數據的完整性、真實性和隱私性，并保障數據的可追溯性，是數據層的主要存儲場所。所以本文在私有鏈數據存儲中引入Merkle Tree存儲結構，以實現對節點于私有鏈的敏感數據的快速歸納與存儲、大規模檢驗與訪問等功能[9]，如圖4所示。

Merkle Tree結構首先會對主體的交易信息等數據進行哈希運算并得出計算結果，記作hash值并錄入到區塊主體中；這一過程在多次重復之后得到的哈希結果就是本區塊Merkle Tree的根，被封裝在每個區塊的頭部。

這種數據結構使得各個區塊只需在其頭部封裝Merkle Tree的根即可，無需再存儲大量底層數據，降低了數據存儲與運算給系統帶來的算力壓力。同時各個區塊內都保留了上一個區塊的hash值，能夠快速驗證區塊數據的真實性和完整性。

3.1.2 網絡共識層

在網絡共識層本文采用實用拜占庭容錯算法（practical byzantine fault tolerance，PBFT）。

農業作為基礎產業是國民經濟的基礎，農產品供應鏈不可能實現完全的去中心化。在一個支持PBFT的分布式系統中的節點是按順序排列的，其中一個節點是主節點，其他節點被稱為次節點。但同時PBFT中的主節點并不具備很大權限，與普通節點地位相對平等，如果主節點出現問題，普通節點可以拒絕其請求并很容易被替換。

PBFT中節點與目前主流的工作量證明算法（proof of work，PoW）不同，無法隨意加入，需要經過選舉或許可，保障了農產品供應鏈內部主體的真實性與可靠性。這樣的節點準入機制也使得系統節點相對固定，更加適用于網絡環境可信度較高的聯盟鏈與私有鏈。

3.1.3 智能合約層

智能合約層在智能合約技術的基礎上建立智能化農產品供應鏈信息共享方式。一旦完成了智能合約的部署，系統就能夠通過識別交易執行狀態并觸發合約自動執行，這一過程鏈上任何節點都無權篡改或阻止。智能合約進行可信交易無需第三方的擔保。

3.1.4 服務應用層

服務應用層是在前3層的基礎上建立的共享平臺節點服務接入端口，由管理節點、普通節點以及基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息Web 應用接口組成。其中，Web應用端口向管理節點和普通節點開放，二者可以通過該端口實現交易查詢、數據檢索、信息溯源等業務，信息需求方獲取信息后也可憑借位置hash值對信息進行溯源查詢。同時為解決開放性Web應用接口帶來的安全風險問題，系統結構中引入普通節點與管理節點，規定節點訪問權限，只有授權成為節點的用戶才可查詢信息源數據記錄，未授權用戶無法查詢此類敏感信息。此外，服務應用層還可以監控信息共享運行情況，并及時給予警告信息。

3.2 宏觀控制機制

作為國民經濟的基礎，農業產業的發展不可能離開政府的監督與管理。在政府大力支持農業發展的背景下，由相關職能部門接入到雙鏈區塊鏈系統中，對農產品供應鏈信息進行宏觀控制，能夠充分發揮政府的主導優勢，確保區塊鏈網絡上鏈信息的真實性和可靠性，保證供應鏈的平穩運作。

所以在基于雙鏈區塊鏈技術的農產品供應鏈信息協同體系中，除去農戶、批發商、消費者等供應鏈內部主體，還需要將供應鏈外部主體即政府監管部門等管理主體作為主節點加入區塊鏈中。

宏觀控制機制中以政府職能部門為主體的政府主導機制如圖5所示。

首先，作為節點嵌入區塊鏈中的政府職能部門能夠在區塊鏈中便捷地發布與農產品經營相關的制度信息以及經營質量標準，以便農產品供應鏈上各主體在運營過程中及時獲取到最新相關政策，規范自身經營行為。

其次，農產品供應鏈上的各主體在區塊鏈中上傳各個環節中產生的諸如農產品生產信息、物流運輸狀態、倉儲設施投入等數據，這些數據不僅會在供應鏈運行過程中公開透明，還會接受職能部門的監管和上下游企業的監督，最終引導各主體在職能部門的宏觀管控下合法合規開展業務。

同時，包括質檢部門、稅務部門等在內的職能部門在系統中對農產品供應鏈運營狀況進行全方位的監管，其監管行為與監管數據也會通過分布式存儲系統上傳至區塊鏈中供全體主體監督。農產品供應鏈監管數據在不同的職能部門之間、職能部門與經營者之間的信息共享，促成各方之間的相互監督。職能部門不僅是供應鏈運營的監督者，也會受到來自供應鏈全體的監督，最終規范各部門的監管行為。

最后，系統中設置的聯盟鏈電子認證（certification authority，CA）證書頒發機構，通過節點準入機制實現對全鏈各節點的行為檢測，對區塊鏈中各節點進行資格審查，對供應鏈運營過程中各個節點進行認證。只有獲得了CA證書的供應鏈節點才可以被認定為信任主體，嵌入到區塊鏈中，并將該主體的誠信信息記錄到其所在區塊中；而未通過審核的不合格節點將會被記錄懲罰信息，累計之后將最終被監管部門逐出供應鏈系統中。系統通過CA認證對節點進行審查最終實現市場調節，激勵各節點合規經營，助力農產品供應鏈高質量發展的實現[10]。

4 雙鏈區塊鏈系統賦能農產品供應鏈信息協同機制

雙鏈區塊鏈體系通過以下4個方面的機制優化了農產品供應鏈各主體之間的信息共享，推進了農產品供應鏈的信息協同。

4.1 分布式存儲提升跨節點信任，消除信息孤島

農產品供應鏈在引入雙鏈區塊鏈之后，分布式存儲能夠實現供應鏈信息的公開透明，其內部各個主體可及時將信息發布在鏈上，以此實現數據信息的分布式存儲、記錄與更新。

雙鏈區塊鏈將農產品供應鏈區分為私有鏈與聯盟鏈，聯盟鏈的分布式存儲實現由鏈上所有節點參與記錄，并且設置非中心化的賬本，參與者之間的信息共享都在賬本中同步更新。各主體節點根據發布的信息更新自身私有鏈數據庫，并及時在聯盟鏈共享最新數據，避免了傳統中心化組織中不同賬本更新過程中花費的時間和精力，最終提高各主體推進農產品供應鏈信息協同的能力。

4.2 智能合約改進交易方式，提高供應鏈運作效率

智能合約技術是一套基于數字呈現的計算機協議，在其完成代碼撰寫之后可用于共享主體間的數據信息交換。代碼中會設置智能合約觸發的條件。在編碼完成之后，智能合約就會上傳至雙鏈區塊鏈網絡。數據上鏈表明，用戶已經與程序執行代碼達成協議且網絡中所有節點同步更新，這使得雙鏈區塊鏈的單獨節點無法對鏈上數據進行操作。

在智能合約的管控下，系統可以脫離第三方信任中介直接運作，省去了締結和約前的信用調查等步驟，簡化了信息流通的交易流程、節省了信息流通的人力成本。需要指出的是，合約儲存在鏈上的去中心化賬本中，鏈上各個節點都存在智能合約副本，可以減少合約放錯或丟失的風險，加速合約執行與驗證的過程，提高信息共享效率。

4.3 時間戳搭配加密算法，實現供應鏈透明可追溯

時間戳是區塊鏈技術體系的最典型特征，其將系統中的區塊按照生成時間排列，當獲得記賬權限的節點加入雙鏈區塊鏈網絡便被加蓋時間戳，以此表明數據生成的時間，保證鏈上各區塊按照時間順序依次排列，保障了數據的長期安全存儲。

時間戳在與非對稱加密、哈希算法等匹配之后能夠實現區塊鏈系統的穩定運作。雙鏈區塊鏈的非對稱加密技術由信息共享者利用需求方公鑰對傳遞的數據進行加密，之后再由需求方利用私鑰對信息進行破解，并對已接收且解開的信息利用私鑰進行簽名。網絡中其他節點可以利用信息需求方公布的公鑰對其進行驗證，從而保障共享信息的真實性與有效性。因此，基于雙鏈區塊鏈技術的數據共享具有極高的可靠性、追本溯源性以及防篡改性。

4.4 去中心化實現平等信息交互，弱化牛鞭效應

區塊鏈技術按照去中心化思想對農產品供應鏈信息資源實行分布式管理，各主體享有相同的權利與義務，誠實地存儲信息并公平地進行信息交換。區塊鏈的點對點的組網方式、分布式賬本及去中心化特性適用于跨區域和區域內農業產業鏈中的多主體協作模式，有效地實現農產品供應鏈牛鞭效應的弱化。

5 結 語

本研究分析了目前農產品供應鏈在信息協同方面存在的部分缺陷，基于雙鏈區塊鏈視角剖析了農產品供應鏈信息協同的賦能機理，在此基礎上提出基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同系統。

基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同系統，能夠有效滿足當前日益發展的農產品供應鏈的信息服務需求，對解決現階段農產品供應存在的諸多問題具有積極意義，這不僅有利于我國農業產業的高質量發展，踐行“十四五”農業發展要求，還順應了未來農業發展智能化的發展潮流和緩解區塊鏈需長期擴容的問題。

需要指出的是，本研究僅僅是從理論層面對基于雙鏈區塊鏈的農產品供應鏈信息協同系統建設進行探討，缺乏基于實際案例數據的實證分析，擬在今后的研究中不斷完善。

參 考 文 獻

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