基于区块链技术构建湖北竹山绿松石溯源体系研究

夏 欢, 杨明星，2

(1.中国地质大学珠宝学院，湖北 武汉 430074； 2.中国地质大学珠宝检测中心，湖北 武汉 430074)

1 湖北竹山绿松石现状

湖北省十堰市竹山县是全球最大的绿松石出产地，绿松石的开采有着悠久的历史。近几年来，湖北竹山绿松石工艺品约占国外市场份额的60%～70%，国内市场份额的80%[1]。绿松石产业在竹山县的经济产值占比较大，2019年竹山县生产总值100多亿元人民币，绿松石产业占全县经济总量约20%，竹山绿松石产业的发展对于竹山县的发展起着至关重要的作用[2]。竹山县坚持绿松石“第一产业”战略定位，在资源开发利用、精深加工等方面取得显著成效，初步形成集绿松石开采、加工、营销为一体的产业发展格局，聚集数千家小微企业和数万从业大军，被湖北省政府列入重点发展的产业集群之一[3]。根据竹山县绿松石产业办数据统计，竹山县绿松石的加工经营户达5 000余家，从业人员3万余人，实现年均销售收入20亿元，同时还带动了十堰及周边地区数万人从事绿松石加工、销售等产业，为竹山县取得脱贫攻坚胜利做出巨大贡献。

2008年1月，竹山县向国家质量监督检验检疫总局(现国家市场监督管理总局)申报“竹山绿松石”为国家地理标志保护产品。2010年2月24日，国家质量监督检验检疫总局(现国家市场监督管理总局)在2010年第17号文件中正式批准了对竹山绿松石实施了地理标志产品保护。公告中确定了湖北省竹山县城关镇、溢水镇、宝丰镇、麻家渡镇、潘口乡、竹坪乡、秦古镇、得胜镇、大庙乡、双台乡、楼台乡、文峰乡、田家坝镇13个乡镇现辖行政区域为国家质检总局规定的竹山绿松石地理标志产品的保护范围。虽然竹山绿松石成功申请地理标志产品品牌，但是由于缺乏配套的溯源管理体系，难以对竹山绿松石矿源进行统一的管理，导致地理标志品牌迟迟未能产生效益。现有的竹山绿松石流通系统中，各节点内部的系统拥有大量信息，而横向的互联互通却比较薄弱，导致产业上下游难以相互联动；绿松石从矿区到消费者的流通过程中，开采、加工、物流、销售环节的自动化程度低，信息采集效率低。因此，笔者认为，一套完善的溯源体系可将整个竹山绿松石产业链串联起来，支撑地理标志产品品牌的投入使用。

目前，许多学者通过数据模型分析以及实证的研究，表明地理标志产品成功地投入使用，能够显著地提高当地农户的经济收入[4-6]，促进相关产业的健康发展，在提升产品品牌形象[7-8]和带动区域经济发展[9-10]方面起着重要作用。获得地理标志产品保护的矿产品相对较少，其中包括竹山绿松石、辽宁岫岩玉、东海水晶、抚顺琥珀、陕西蓝田玉、福建寿山石、贵州罗甸玉、合浦南珠等。但这些矿产品地理标志产品目前都没有具体的地理标志使用办法，仅部分产品有地方推荐标准，实际应用推广有着较大的困难，并未产生直接的经济效益。根据国家商标网从2010年2月对81个种植类地理标志农产品调查样本看，2009年地理标志农产品的从业人员达到当地总人口的24.16%，地理标志农产品的价格比注册前平均增长87.69%，最高增长达500%；种植地理标志农产品的农民平均收入占其总收入的38.78%，比注册前平均增长75.39%，最高增长达5倍。

区块链在供应链管理、产品溯源等方面具有明显的优势，主要实现方式是通过对产品的生产、加工、仓储、配送、销售各个环节数据进行采集、传输、共享，实现对整个产品供应链可信信息的可追溯性，有效保障产品的质量安全及公开透明。目前区块链溯源技术在农产品[11]、水产品[12]、中药[13]等领域应用较广，在奢侈品[14]、珠宝领域也在不断尝试。上海鼎钻信息科技有限公司，开发了区块链钻石溯源平台，该系统利用区块链技术整合钻石产业链的各个参与方，组建钻石溯源联盟，将区块链技术应用到从开采、切割、鉴定、报关到交易的整个生产、流通过程，他们已经宣布将140万颗钻石数据放在了区块链上[15]。

区块链具有去中心化、数据可溯源及不可篡改等特性，构建基于区块链技术的竹山绿松石地理标志产品溯源体系，打破传统溯源系统的中心式数据存储模式，实现竹山绿松石从矿区、流通到销售整条供应链上的去中心化信息记录，增强了全产业链数据信息的安全性和透明性。

2 区块链介绍

2.1 区块链概念

区块链是一种由多方共同维护，使用密码学保证传输和访问安全，能够实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的记账技术，也称为分布式账本技术[16]。区块链凭借其去中心化、数据不可篡改、数据可溯源等特性，可建立独有的信任机制，是未来发展数字经济、构建新型信任体系不可或缺的技术之一，已经成为国家战略层面重点发展的前沿技术。其特点如下：(1)去中心。区块链是由多个节点组成的网络，整个网络中没有任何的中心机构，避免了传统溯源系统对中心机构的依赖性，节点之间的数据传输主要通过数字签名进行技术验证。(2)数据安全及不可篡改。数据区块的时间戳具备数据溯源功能，某个节点对数据的修改不会对于整个系统来说是无效的，有效保障原始数据不被伪造；(3)自信任。区块链系统采用一套非对称密码学算法对交易进行数字签名，借助工作量证明战俘等共识机制构建节点间的价值信任，使系统中各参与节点能自动安全交换数据而无需干预[17]。

2.2 区块链珠宝溯源现状

区块链技术在珠宝溯源方面的应用， 2017年IBM公司宣布推出“TrustChain”项目，将追踪整个供应链中的钻石和贵金属从开采到成品珠宝首饰全过程，旨在提升整个珠宝行业供应链的透明度，首次提出将区块链技术应用于珠宝行业；2017年，瑞士古柏林实验室通过在祖母绿中植入直径约为0.000 1 mm的硅化物“DNA”片段，将宝石从矿区到市场的每一步记录在“DNA”中，运用技术手段对宝石跟踪溯源，并与Everledger合作制造出首个宝石原产地证明区块链[18]；美国宝石学院(GIA)也在依靠“金伯利进程”对钻石进行产地追溯。当毛坯钻石离开原产国时，必须提交金伯利进程证书(KP)，包括矿业公司发票，注明发票号码、批号、重量、数量和原产国等信息。只有未经加工，附带上述文件(金伯利证书和矿业公司的发票)且密封包裹提交的钻石，才可接受GIA钻石原产地服务。如果包裹在没有GIA代表在场的情况下被打开，则判断该包裹内的钻石来自不同地区的风险太高，GIA将拒绝提供钻石原产地服务。国内，周大福推出T Mark系列钻石，应用纳米刻字专利技术，在钻石上印下极小的独立编码和“T”字印记，通过区块链技术向消费者提供安全的GIA电子鉴定证书，可追查钻石从开采到成品的全过程，实现产业链的透明化，该计划由区块链公司Everledger开发，并由IBM 区块链平台担保[19]。

3 基于区块链的竹山绿松石溯源体系方案设计

3.1 溯源体系构建

竹山绿松石的开采主要由四家矿业公司负责，分别是宝源矿业、秦岭矿业、巴山矿业、竹玉矿业，有的矿业公司是自行开采、加工并对外销售绿松石成品，另外一种是只有开采业务，将开采的矿石分销给加工厂或者其他零散的买家，这部分绿松石矿石去向复杂，难以管理。根据竹山绿松石特有的开采加工销售模式，结合区块链技术以及行政手段，建立一套可靠实用的溯源体系，让竹山绿松石从矿区到市场的每个环节都有据可查，确保市场上流通的“竹山绿松石”地理标志产品来自于竹山矿区，并保证整个溯源体系中主体责任可追溯、矿石去向可追踪可回溯、风险易管控、溯源信息可共享。通过建立溯源体系，可以很好地将市面上的竹山绿松石与其他产地的绿松石区分开，提高竹山绿松石供应链透明度，规范绿松石市场，提高竹山绿松石在市场上的竞争力，充分发掘竹山绿松石地理标志产品的潜在经济价值，进一步带动竹山县绿松石产业可持续发展，不断取得脱贫攻坚战的胜利。

图1 湖北竹山绿松石供应链Fig.1 Supply chain of turquoise from Zhushan, Hubei Province

笔者根据竹山绿松石供应链特点，其溯源管理体系主要节点为：矿区、公盘交易中心、加工厂、质检机构、零售商。行政手段介入，由政府机构颁布相关法律法规以及地理标志使用管理办法条例等，将相关利益主体纳入到溯源体系中，明确规定各参与方的操作流程，通过强化对各个节点的掌控，每个节点负责将相关溯源信息上链，实现对整个产业链的溯源。

(1)构建矿区管理体系。当矿区开采竹山绿松石原石时，需对其开采矿洞位置、开采量以及开采时间等信息进行记录，当竹山绿松石运输至矿区仓库时，需由矿区派专人负责，记录仓管员、每日入库与出库信息(出入库量、交接人等信息)。当原石被交易至下一个环节时，需质检机构派出的专业人员在场，采用防损坏包装进行封箱存储及运输，并在包装外部记录其详细的开采信息。

(2)详尽记录公盘交易信息。由于目前竹山绿松石公盘交易过程中未建立准入机制，散户众多，管理混乱，且目前公盘交易的毛料数量有限，所交易矿石流入市场后难以系统管理，竹山绿松石矿石在后续流通过程中被替换的风险较高，溯源体系建设初期暂时未将公盘交易绿松石纳入溯源体系化中，仅对体系内的绿松石进行追溯。但是，笔者通过与竹山绿松石产业办工作人员了解，目前已经开始着手建立相关准入机制，限制散户入场拍卖，这样将有利于公盘交易的绿松石后续追踪。因此，公盘交易信息也需详细记录，为后期对公盘交易的溯源管理奠定基础。

(3)建立严格的加工厂准入机制及管理制度。加工厂在整个供应链中属于矿石被替换风险最高的部分，需要对加入溯源体系的加工厂进行严格把控。选取加工厂的规模、管理规范程度等指标，对加工厂进行审核，批准符合要求的加工厂加入到溯源管理体系中。当竹山绿松石送至加工厂时，需由质检机构的专业人员在场监督开箱过程，质检机构工作人员需对该批次竹山绿松石的信息进行核实，检查所记录信息是否与实际接收绿松石信息相符，确认无误后，加工厂将加入溯源体系的竹山绿松石单独存放管理，并由加工厂派专人负责记录、管理加入溯源体系竹山绿松石的加工流程，详细记录其后续加工信息，包括加工日期，雕刻师，雕刻题材，加工前后竹山绿松石重量及音视频资料等。

(4)质检机构技术复检机制以及专业人才培养。经过上述过程后，竹山绿松石将送至质检机构出具产地证书，质检机构作为溯源体系以及通往消费者的最后一道门，在整个溯源体系中扮演着至关重要的角色。质检机构需要对送检竹山绿松石的上游信息进行核实，审核其溯源数据是否出现篡改、实物与信息是否匹配等情况。若发现送检竹山绿松石存在溯源问题时，可通过技术手段进行复核。当质检机构发现溯源体系出现问题时，也需及时向相关部门反映情况。同时，质检机构培训专业人员，负责对装有竹山绿松石箱子的流通进行监管，包括对包装内外部信息进行记录及核验，并在封箱以及拆箱过程中进行现场监督，防止溯源体系外的竹山绿松石混入其中。

(5)竹山绿松石在各节点之间流通。绿松石属于多孔隙的矿物集合体，理论上存在运用物理“DNA”片段进行标记的可能性，但该技术门槛较高，目前实现难度较大；绿松石在加工过程中需要大量切除表皮以及围岩，若在其毛料表面进行标识，后期加工时极有可能将标记剥离；若在成品表面进行标记则可能影响产品的后续销售。因此，笔者认为，绿松石的溯源体系构建初期采用物理包装进行封样，在溯源体系建设过程中，可不断开发多样的标识技术，提高线上与线下的强关联性，减少绿松石在流通过程中被替换的风险。溯源体系建设初期采用防损坏包装进行封装，并由专业人员对其内部竹山绿松石信息进行详细记录，以条形码或者RFID技术对箱子进行标识，将信息记录并追踪。当上下游节点交接矿石时，需由质检机构的专业人员在场进行监督拆箱，检查包装是否损坏，并核实其实际交易矿石数量、重量等信息是否与记录一致；若交易双方擅自进行拆箱，则判定存在被替换的风险，拒绝该批次竹山绿松石纳入溯源体系。

(6)建立监管体系。由于竹山绿松石供应链复杂，涉及范围广，要保障整个溯源体系顺利运行，需要由政府部门牵头，与质检机构合作成立监管部门，建设溯源体系监管机制，负责对溯源体系各参与方进行日常的监管以及对溯源系统进行日常维护。溯源体系应用过程中，通过例行检查、随机抽查及消费者举报等形式，对溯源体系的各参与方进行监管，对操作不合规的参与方进行相关处罚。

不同节点的溯源上链指标：矿区主要负责记录绿松石矿石相关开采信息，包括开采矿洞编号、开采日期、开采重量、仓管员、入库以及出库记录等；加工厂负责上传绿松石矿石的加工信息，包括每天出货量与进货量、加工矿石重量、加工日期、雕刻师信息、雕刻题材以及雕刻前后绿松石原石与成品照片、音视频等；质检机构负责对送检绿松石溯源信息的查验与技术手段上的复核，确认无误后制作配套的“竹山绿松石”地理标志证书，证书内容包括：产品编号、产品相关宝石学性质描述、照片、毛坯料来源(矿业公司名称)、出矿点、绿松石加工企业名称、雕刻师等，并将整体数据进行整理上链；零售商在销售带有地理标志产品证书的竹山绿松石时，需要对其后续销售信息进行记录，包括购买人、销售日期等。不同节点通过独自维护的区块链节点将所需上链的信息发送到区块链上，经过平等的共识过程把信息写入区块中。

图2 技术路线图Fig.2 Technology roadmap

3.2 溯源系统架构设计

根据不同的应用场景以及用户需求，区块链可以分为公有链、私有链以及联盟链。公有链的去中心化程度是最高的，不受第三方机构控制，所有人都可参与。私有链的写入权限由某个组织或者机构全权控制，数据读取权限受组织规定，要么对外开放、要么具有一定程度的访问限制。联盟链则是介于公有链以及私有链之间的区块链，可实现“部分去中心化”，允许授权的节点加入网络，可以根据权限查看信息，各参与者组成利益相关联盟，共同维护区块链运行[20]。笔者认为，竹山绿松石的供应链模式采用区块链中的联盟链比较适合。联盟链在高可用、高性能、可编程、隐私保护方面更有优势。联盟链让节点数更加精简，能够使得系统的运行效率更高、成本更低，在单位时间内能够确认的交易数量更多，更容易追溯系统中落地。所以联盟链更符合由政府相关部门监管行业的体制模式[21]。

目前腾讯、阿里、百度以及迅雷等互联网公司均可提供区块链溯源服务。其中，蚂蚁集团旗下的蚂蚁区块链溯源服务为大规模商用的溯源服务平台，利用区块链和物联网技术，解决了溯源信息的真实性问题，同时提供多标识(如二维码、RFID、NFC芯片)的全生命周期管理。该平台目前拥有全球超过30亿的上链商品量，覆盖超过100个国家和14万的各品类商品。其区块链溯源服务覆盖各个领域，包括食品药品、农产品、酒、茶、工艺品、陶瓷、钻石、美妆等，可提供全方位的区块链溯源服务。因此，竹山绿松石溯源体系的区块链溯源系统可委托第三方机构进行搭建，并由其进行区块链溯源过程中的日常维护等工作。

图3 基于区块链的湖北竹山绿松石溯源体系的层次模型Fig.3 Hierarchical model of traceability system of turquoise from Zhushan, Hubei Province, based on blockchain

区块链的经典层次结构主要包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层等。本文构建的竹山绿松石溯源体系的层次模型主要基于区块链的经典层次结构，同时结合竹山绿松石行业的特点进行了优化。竹山绿松石溯源体系采用由应用层、合约层、共识层、网络层、数据层和作业层组成的流程架构。按照由下向上的顺序进行逐层解释：(1)作业层指在竹山绿松石矿区、加工厂以及质检机构等主要环节中，工作人员将相关溯源数据采集上链，是整个溯源系统的基础；(2)数据层是区块链技术底层技术的集合。数据信息按照“区块头+区块体”数据块格式进行封装，对数据记录进行加密并加入时间戳写入区块链中，实现数据的不可篡改；(3)网络层，可以结合竹山绿松溯源系统的实际应用需求，设计特定的传播协议和数据验证机制，每一个节点都可收发信息，通过共同维护的区块链保持联络。每一个节点生成的新区块以广播方式通知其他节点，共同对这个区块进行验证；(4)共识层是区块链技术的核心，规定记账者选择方式，影响整个系统的安全性和可靠性。本文方案中引入矿区、加工厂、质检机构和零售商等产业链参与方作为成员节点加入区块链，由竹山县质量技术监督局和质检站共同参与构成区块链管理者；(5)合约层在区块链中嵌入参与方事先沟通并取得共识的合约，拟定相关内容和触发机制等规则，设定触发条件，当参与方操作违规时能自动执行。本方案可将《竹山绿松石地理标志产品使用管理办法》以及《竹山绿松石地理标志产品溯源体系使用管理办法》相关的条约以智能合约形式嵌入区块链，实现竹山绿松石监管的标准化管理，使业务逻辑与区块链系统运行的结合；(6)应用层提供系统用户接口，将溯源数据展示给用户。该层集竹山绿松石开采、加工、交易和监管等应用场景，矿区、加工厂、质检机构、零售商、监管机构和消费者可通过APP、小程序以及门户网站进行溯源信息查询和追溯等服务。总之，构建竹山绿松石溯源系统是为了提高竹山绿松石供应链透明度，强化对竹山绿松石矿石的管控，推进地理标志品牌的推广，同时不断满足消费者对宝石溯源的需求。

4 结语

本研究基于区块链技术的去中心化、信息的不可篡改和自信任等特性，提出建立以区块链技术为支撑的竹山绿松石溯源体系，设计了溯源体系的主要架构和区别于传统区块链结构的层次模型，为实现竹山绿松石从矿区、加工厂通往销售整条供应链上的信息记录以及溯源提供参考，不断推进珠宝行业溯源与区块链技术的融合，从而保障珠宝品质，提升消费者的信任度以及保护消费者的权益，推动我国珠宝产业不断向前发展与国际接轨。随着区块链技术与珠宝产业的发展，区块链技术应用于珠宝溯源将更加成熟，珠宝行业也将迎来更多新的机遇。

竹山绿松石矿源集中，矿业公司容易管理，竹山县建立了矿区智能AI监控系统，集中监控矿石区域活动；政府部门以及产业办全力支持溯源体系的建设，给予政策上的各类支持。目前竹山县已搭建了全球绿松石区块链数字生态平台，时刻掌握全球绿松石市场行情，初步建立了竹山绿松石区块链溯源系统，可选取部分企业进行试点，以上基础为构建“竹山绿松石”地理标志产品溯源体系提供了技术与政策上的支持，具有实施可行性。该溯源体系需要进一步实践和验证，在实践中不断优化，寻求解决源头造假以及内部人员参与造假问题的方法。希望通过此溯源体系提高竹山绿松石市场竞争力，不断促进竹山绿松石产业的发展与壮大。