基于卫星定位的时空区块链技术在农产品溯源和原产地数字认证中的应用

罗恒雪，景贵飞

（北京航空航天大学云南创新研究院，云南 昆明 650500）

0 引 言

我国积极发展高附加值特色农业，打造区域特色农业品牌，推动特色农业高质量、高端化发展，地理标志农产品、生态原产地保护产品等代表特定区域产品品质、承载区域特色生态与文化价值的高附加值产品成为打造区域农业特色品牌、助力乡村振兴的重要抓手。“原产地”是承载区域特色农产品核心价值的关键属性，原产地认证不论在品牌打造过程中还是在国际贸易的“原产地规则”中都具有关键作用。卫星定位技术可实现产品生产、流通各环节时间空间变化的记录与呈现，区块链技术能够实现溯源数据一致存储、无法篡改，基于卫星定位技术形成时空信息+区块链的双重数据认证，可为农产品原产地数字认证提供具有普适性的解决方案。

1 农产品原产地溯源技术应用现状

面向农产品的原产地溯源已经有多种技术支撑，例如基于GPS 和二维码技术的溯源[1]、基于区块链的食品供应链溯源[2]、基于近红外光谱技术的产地溯源[3]等，但现有技术都难以同时满足原产地可信数据来源以及流转过程数据全程留痕不可篡改的需求。如利用二维码技术为溯源信息查询提供简便途径，运用GPS 技术为溯源添加定位信息，提高溯源信息的准确性，但尚未形成产品流通链全流程信息的回溯和不可篡改的保障。区块链的作用在于构建可信的网络系统，解决价值交换与转移中存在的欺诈和寻租现象[4]，存储于其中的数据或信息具有不可伪造、全程留痕、可追溯、公开透明等特征，但其痛点是难以保证上链前数据来源的真实性，即便使用了区块链技术，但若无法保障数据源的可信，上传到区块链的数据即使无法篡改也不能保证建立可信、可靠的全产业链数字化体系。为解决区块链上链数据的可信性问题，目前已有采用传感器、物联网的技术方案。利用物联网数据作为可信的数据源，形成种植、养殖过程的可信数据来源，并建立可追溯体系，但这种方案适用于一些标准化、现代化种植农场或养殖工厂，普适性较差，难以契合广泛存在的农业生产现实。近红外光谱技术的产地溯源方法目前多应用于普洱茶等产品的溯源过程中，该方法的应用依赖于通过开展数量庞大的、不同产地的产品溯源试验，不断验证和优化所建模型的稳健性、适用性和预测能力，该方法重点解决了产品原产地识别的问题，但不能实现产品从生产者到消费的全程流转追溯信息记录与呈现，对于绝大多数农产品而言适用性不足。

2 基于卫星定位的时空区块链技术在原产地数字认证中的优势

卫星定位产生的时空数据可以将各类数据串联起来，并贴上时空标签，在保障数据精准程度的同时，可实现物品时空流转变化轨迹的清晰记录与呈现。因此，基于卫星定位形成区块链+时空信息的双重数据认证，确保了线上线下数据真实有效且不可篡改，可综合应用空间信息和时空区块链技术解决农业生产过程中的精准生产管理和溯源认证问题。

时空区块链为区块链节点设置时空围栏，其为具有区块链的数据结构和事务处理模式，有以下三个典型特征的区块链：

（1）区块链上的数据区块均具有时空认证标签，时空认证标签是利用区块链节点所在位置的时间数据和空间数据生成的具有唯一性的一组数据；

（2）区块链节点的有效性、合法性与其所处的空间范围和时间范围相关；

（3）由主节点、子节点和星节点至少三类节点参与构建的一种具备多重架构的区块链，子节点与星节点是具备获取卫星导航定位和卫星授时数据功能的设备[5]。

时空区块链技术的应用保障了只有在指定位置、指定时间内生成的数据是正确有效的才可以上传到区块链系统，保证向区块链传输的数据来源可靠[6]。

3 时空区块链原产地溯源和数字认证系统构建及实现路径

3.1 原产地溯源和数字认证管理平台的设计

管理平台产品生产、流通、监管等维度，依据平台管理主体、产品生产主体、产品生产流通经手人等角色在溯源链条中的职责分配，设计各主体的交互操作系统，实现溯源系统的管理和应用。

平台操作账号设置。基于卫星定位的时空区块链原产地溯源和数字认证系统按照功能实现的需求，设置协会管理员账号和产品生产主体账号。协会管理员账号适用于承担产业监管职能的政府部门或行业协会等，在系统操作中实现的功能为生产主体账号注册审核、溯源产品电子围栏设置与核定、溯源编码额度设定以及审核生产主体提出的编码申请；生产主体账号适用于溯源产品的生产企业或个人，一个生产主体管理员账号下根据各生产或流通环节的信息录入及信息关联需求可有多个具有相应权限的用户账号，生产主体账号在系统操作中实现的功能：产品各生产及流通环节信息录入及关联、溯源码申请、溯源码打印并贴于溯源产品外包装。

平台主要功能模块设置。登录注册模块用于实现协会管理账号、生产主体账号的身份信息录入及确认；产品管理模块实现生产主体对溯源品牌及产品信息的录入与添加，实现协会管理账号对系统内可溯源产品的监测管理；编码管理模块实现生产主体溯源码申请及协会管理账号对溯源码申请的审核及生成。溯源管理平台设计流程如图1 所示。

3.2 产品溯源数据获取与添加

农产品生产过程数据获取的目的是将生产过程的数据通过多种方式收集、汇总到数据中心，为农产品原产地数字认证提供溯源数据支撑。普遍采用的方法是利用物联网传感器、遥感、视频、图像和人工数据采集等途径获取农产品种植和加工过程数据。为保障溯源产品的原产地属性，需使用具有接收卫星信号功能的终端设备进行产品溯源编码申请及数据上传，如智能手机、连接卫星定位模块的电脑等，将获取的坐标与在管理平台设置的电子围栏匹配后生成编码，确保只能在指定区域生成正确的时空编码。

溯源系统为数据获取提供智能手机及电脑应用的基础软件工具，支持溯源数据的采集上传，以及产品生产流转过程中通过“扫码收货”“扫码发货”实现的码码关联。码码关联的目的是在产品的种植、加工、运输、仓储等环节更替过程中，衔接上一环节的信息，并且添加本环节带时空坐标的信息，从而形成完整的产品溯源信息链。

溯源数据获取流程如图2 所示。

图2 溯源数据获取流程

3.3 时空区块链技术的应用

时空编码指的是将数据按照时间和空间维度进行“唯一性”编码，通过将时间、空间信息写入编码，能准确表达信息主体在时间和空间维度的确定性，将编码技术提升到能全面表达信息主体“全维度”特征的层次，在保证数据完整性的基础上，通过编码实现数据特征的最大化呈现[7]。时空编码技术在产品溯源中的应用实现了数据的时间和空间不可篡改，赋有时空坐标的数据保障了溯源信息来源的真实性。

区块链技术的使用使得数据不可篡改，存储于其中的数据或信息形成线性的、以时间为序的“事件链”，具有不可伪造、全程留痕、可以追溯、公开透明、集体维护等特征。基于这些特征，区块链技术奠定了坚实的“信任“基础，为消费者、生产商、经销商、认证机构、监管部门等各参与方明晰权责，从而形成可靠的“合作”机制。所有溯源数据实现了与位置和时间信息的关联，赋予时空标签，建立与区块链系统的数据交换接口，形成区块链+时空信息的双重数据认证，确保了全追溯数据的真实有效且不可篡改。所应用的区块链应支持随时随地动态时空编码，支持时空编码与区块链的交互认证，支持联盟链与全球公链的交叉验证。产品信息上链流程如图3 所示。

图3 产品信息上链

3.4 溯源信息的呈现及区块链存证

二维码在二维空间水平方向和垂直方向上都存储信息，具有信息容量大、安全性强、保密性高、识别率高、编码范围广等特点[8]。时空区块链溯源以二维码作为呈现溯源信息的载体，通过扫描溯源管理平台生成的电子溯源码或打印贴于产品包装的溯源码，向消费者呈现产品生态背景、检验检测报告等档案、各环节生产日志、流转时空变化及地图轨迹等。

区块链存证对产品的原产地信息、仓储与流转过程的原产地信息进行数字化存证，用以表明其原产地或其生产、仓储和物流流转过程的位置和时间是真实、可靠、可追溯的。生成凭证要求进行产品原产地认证信息数字存证的产品需具备时空编码，产品的时空编码和属性信息须形成数据区块并实时同步于区块链系统。利用卫星定位时间和位置为原产地产品生成全球唯一的时空编码并加密，写入区块链永久保存且不可篡改，溯源和数字认证平台生成的产品区块链存证证书具有唯一的证书编号，可包含产品的名称、生产商、原产地信息、时空编码、数字存证的区块地址、流转过程时空节点信息等，成为产品原产地证明的支持凭证[9]。

3.5 基于卫星定位的时空区块链技术应用效果

课题组利用该技术在昆明石林县对地理标志产品“西街口人参果”进行了测试，该地区以生产具有特色的人参果而扬名省内外，近年来出现非产区人参果冒用产区商标的现象，本产区的产品得不到具有技术支撑的可信溯源认证，对产区的品牌发展及产业健康发展造成负面影响。

课题组在石林县西街口镇宜奈村的人参果生产基地部署了时空区块链原产地溯源和数字认证系统，通过实际应用显示，溯源系统可实现产品的原产地可信溯源数据采集及上传、产品生产流通各环节时空信息及操作数据跟踪、“一物一码”溯源码生成及管理、溯源信息区块链存证等，且可通过系统软件的“扫码收货”“扫码发货”功能实现“码码关联”，将溯源数据的采集及长传过程嵌入到产品生产流通的交接过程中，不用额外增加繁琐的操作手续，具有较高的应用普适性[10]。

系统生成的最终贴于产品外包装的溯源码，是消费者溯源查验和原产地数字认证凭证查询的入口。通过智能手机等设备扫描溯源码进入后可查询所购产品的生产档案、检测认证等展示信息，产品种植、加工、运输时空信息变化及操作记录，地图展示的流通轨迹。该产品特有的唯一溯源码、时空区块链凭证等，可支撑品牌展示、产品全链条溯源、原产地数字认证凭证查询，如图4 ～图7 所示。

图4 溯源信息展示

图5 产品流通轨迹及时空信息链

图6 测试产品时空区块链信息

图7 测试产品溯源查验模拟结果

4 结 语

原产地是决定产品品质和产品特征的关键因素，农产品供应链涉及的点多、线长、面广，且需要各主体间交互，导致溯源面临数据真实性难保证、数据难共享、易篡改等问题。实现产品溯源首先要确保产品来自真正的原产地，基于卫星定位的时空区块链技术的农产品溯源系统在原产地才能生成对应编码，以保障产品来源。在确定产品原产地来源真实后，按时间顺序记录产品的位置信息以及该产品流转过程的包装、交接等人员信息，保障其流转过程可追溯、可控。在建立了按时间和位置记录的产品流转链基础上，关联产品的介绍信息、认证信息、评价信息、图片和视频等。时空区块链技术的应用为实现产品从原产地（田间地头）到商品的动态全追溯提供了思路，然而该技术在农产品溯源和原产地数字认证领域的应用尚处于探索阶段，需要在进一步开展技术熟化及相关行业标准的研究与制定的基础上，才能有效发挥支撑产业发展的作用。