基于区块链技术的生鲜农产品溯源研究

郑 艺，徐耀群,2，邱泽国

(1.哈尔滨商业大学 计算机与信息工程学院，哈尔滨 150028；2. 哈尔滨商业大学 系统工程研究所，哈尔滨 150028)

随着经济的不断发展，人们生活水平也得到了极大的提升，与此同时对食品的需求也逐渐从“吃得饱”过渡为“吃的好”.然而，近几年食品安全问题频发却严重威胁了消费者人身健康安全，因此消费者对于食品质量安全提出了更高的要求.由于目前市场上食品主要是农产品，所以加强农产品质量投入对于改善食品质量安全现状具有极大意义[1].

2020年初，随着新型冠状病毒的爆发和蔓延，农产品的生产和调运更是国家抗疫的重点之一，我国发布的《关于疫情防控期间进一步加强食品安全监管工作的通知》中，突出了加强食品安全监管的七个要点.其中，库存和采购食品的查验，商超散装食品的管理，餐饮服务从业人员健康管理，对于防疫是重中之重[2].如何做到保价格、保质量、保供应，人们又如何自查自纠，快速对食品原料进货进行检查，保证农产品的食品安全是我们亟需解决的问题.而消费者对于生鲜农产品的来源一般通过农产品的品牌、产地、进口出口文件、生产时间等来判断.因此，有必要建立以科技驱动的生鲜农产品溯源体系，并结合当下热点的区块链技术将对生鲜农产品质量安全溯源和监管起到极大提升作用.现在广泛使用的生鲜农产品质量安全追溯技术在数据共享和互操作性方面，绝大多数可跟踪性系统是集中式，非对称的，缺乏快速、可靠的方式来检索产品来源信息，所以缺少透明度和消费者的信任度.而随着技术领域的不断创新发展，通信技术(ICT)、射频识别(RFID)技术、物联网(IoT)、区块链技术等也为引领数字可追溯系统发展提供新方向.在这种情况下，诸如区块链之类的分布式账本技术提供了许多现有问题的解决方案，但同时也带来了新的挑战.将区块链唯一数字标识符分配给生鲜农产品，实现生长条件、批号和有效期等信息在供应链上可追溯.不可篡改的食品和交易登记簿可以潜在的避免欺骗行为，同时能够有助于确定食源性疾病的来源[3].

1 文献综述

1.1 生鲜农产品质量安全溯源体系的发展历程

尽管世界各国都在不同时间采取了不同的措施来建立一个安全的监管农产品质量的溯源系统，但是各国对于食品安全的态度也都是一样重视的，而且也在不断制定和更改相关法律法规来追究对不过关农产品的来源.薛钦源等[4]认为信任缺失是导致农产品质量安全问题的主要原因，因此在考虑农产品质量安全因素和信用状况的基础上构建了农产品质量安全信用评价指标体系，并通过具体案例验证指标体系的有效性.刘立波等[5]利用调查数据研究了封闭供应链中企业质量安全控制意愿的问题，研究结果显示当消费者对农产品安全需求越大，封闭供应链企业对农产品质量安全控制的意愿就越强烈.徐耀群等[6-7]针对生鲜农产品的生产安全问题，分析了生产商和政府间的博弈关系同时构建并求解了演化博弈模型，结果表明政府的对不安全生产商的处罚力度越大越有利于其生产安全的生鲜农产品.宋英卓等[8]则将目光集中于农产品质量安全监管过程的复杂性和难度，并根据监管过程的特点设计了一套多要素融合的精准监管系统以期提高农产品质量安全监管效率.此外，在农产品质量安全溯源的研究方面：刘敏[9]深入分析了信息链技术在农产品供应链中的重要应用，并探讨了当前农产品质量安全溯源中的问题，在此基础上引出其在农产品质量安全溯源系统中的优势，为信息链技术在农产品追溯体系的应用提供了借鉴意义.杨雅萍等[10]分析了“互联网+”背景下农产品质量安全标准和追溯体系推进中存在的问题，为农产品质量安全溯源标准化提出了发展路径和建议.国外针对供应链中每个环节的农产品安全溯源系统的建立已逐步完善[11].在目前的溯源系统中，大多只是采用政府分阶段对产业链进行管控的制度，由于传统监管无法做到面面俱到，这样的制度总是会有疏漏或者信息的作假等问题.因此农产品的溯源需要一种更安全可行的技术手段来辅助完成才能使其效率更高信息更安全.现有农产品质量追溯系统的一般模式见图1.

图1 生鲜农产品质量追溯系统的一般模式Figure 1 General model of quality traceability system for fresh agricultural products

1.2 区块链技术在农产品质量安全溯源中的应用

Aung等[12]提出了食品供应链质量安全溯源体系的概念模型，并在以往食品可追溯大多只考虑零售过程的基础上将食品供应链可追溯延伸至消费者.Ping等[13]通过对以往关于物联网关键技术在农产品质量溯源系统中的应用的文献进行梳理和总结，认为农产品质量溯源系统可以方便消费者掌握农产品的信息并进行风险管理和过程可追溯.在2017年，沃尔玛与IBM公司合作在一些超市中成立了基于区块链技术的食品安全联盟，以此来研发食品安全和基于区块链技术的溯源问题，从而解决食品的安全，并提升食品来源的透明性[14].此后，汪普庆等[15]在深刻剖析食品质量安全问题产生原因的基础上，结合区块链技术的特点探讨其在食品安全管理中的应用前景，认为区块链技术需与物联网、RFID以及二维码技术等深度融合才能更好地在食品安全管理中发挥作用.李萍[16]认为区块链技术应用于生鲜农产品流通中能够实现流通全程可追溯、节约成本和提高效率，并确保生鲜农产品流通的安全可靠性.

通过对以上有关区块链技术在农产品质量安全溯源中应用的文献梳理和总结，发现为了能够时刻掌握生鲜农产品从生产、运输到销售的整个过程的全部信息，以及监管整条生鲜农供应链的安全，对不合格环节进行处罚，就必须设计一套完整的基于区块链的生鲜农产品质量安全溯源方法.这套溯源方法就是对生鲜农产品种植、收割、储存、物流和销售的全过程进行追踪监控并且可以具体到每个环节的负责人信息，透明化管理生鲜农产品供应链中的各个环节.基本流程图如图2所示.

图2 生鲜农产品溯源流程Figure 2 Fresh agricultural products tracking process

综上所述，为了使消费者能够放心购买生鲜农产品，保护供应链中各企业的利益，有必要使用区块链来建立生鲜农产品的溯源机制，对生鲜农产品供应链的每个环节进行监管追溯，同时保证信息的安全性和可靠性.

2 基本假设与模型建立

假设1：区块链技术下生鲜农产品生产商、市场监管部门两个主题参与生鲜农产品质量安全溯源决策行为.

假设2：生产商选择生产质量安全的生鲜农产品和生产质量不安全的生鲜农产品的策略.

假设3: 生产商生产质量安全生鲜农产品时可获得收益a，生产不安全生鲜农产品时可获得收益b；但监管部门进行质量安全溯源时，一定会发现生产不安全的生鲜农产品生产商，并处以罚金f.

假设4: 监管部门对生产商生产生鲜农产品的监管环节，只有溯源和不溯源两种策略.

假设5: 监管部门进行质量安全溯源的投入成本为d，若监管部门不溯源，生产商生产不安全生鲜产品事件会引发对监管部门舆论的负面影响，假设监管部门溯源成本和由于舆论负面影响损失的效益值相等，即也为d.监管部门在生产商生产质量安全生鲜农产品的情况下，不溯源时的收益为0.

按照以上假设，市场监管部门与生鲜农产品生产商质量安全溯源的支付矩阵如表1所示.

表1 监管部门和生产商在生鲜农产品溯源中的博弈矩阵Table 1 Payoffs matrix between regulators and producers in fresh agricultural products traceability

3 生产商与监管部门的演化博弈分析

3.1 演化博弈平衡点求解

从博弈矩阵中可以看出，当b-f≥a时，有一个纯策略纳什均衡，即(不安全，溯源).此时，生鲜农产品生产商生产质量安全的产品收益小于生产质量不安全产品时的收益，因此生产商会选择生产质量安全的生鲜农产品.而监管部门此时将选择溯源策略.

设生产商以概率μ生产质量安全生鲜农产品，监管部门以概率η进行质量安全溯源，0≤μ≤1,0≤η≤1.

此时，生鲜农产品生产商生产质量安全的产品的期望收益

W1=ηa+(1-η)a=a

(1)

生鲜农产品生产商生产质量不安全的产品的期望收益

W2=η(b-f)+(1-η)b=b-ηf

(2)

根据Malthusian方程整理可以得到生产商的复制动态方程

μ(1-μ)(a-b+ηf)

(3)

同理，可得到监管部门的复制动态方程

η(1-η)(f-μf-μd)

(4)

故可以得到一个2维动力系统(L)，即：

(5)

3.2 稳定性分析

根据雅可比矩阵(记为J)可以分析导出上述平衡点的局部稳定性.

其中

a11=(1-2μ)(a-b+ηf)

a12=μ(1-μ)f

a21=-η(1-η)(f+d)

a22=(1-2η)(f-μf-μd)

所以在这种情况下的混合策略的纳什均衡是：

表2 情况1的平衡点的局部稳定性Table 2 Local stability of the equilibrium point of case 1

情况2：当b-f

表3 情况2的平衡点的局部稳定性Table 3 Local stability of the equilibrium point of case 2

生产商的策略选择受到生产安全与不安全产品的收益a,b以及政府对生产不安全生鲜产品的罚金f影响.而对于监管部门来说溯源成本d会抑制溯源行为的产生，换言之，监管部门对生鲜农产品质量安全溯源成本越高越不利于监管部门采取溯源措施，此时生产商会产生搭便车行为而倾向于生产质量不安全的生鲜产品.罚金对f监管部门是促进作用，监管部门对生产商生产质量不安全的生鲜产品处罚越重，则生产商生产不安全产品的成本就越高，因此则会有生产安全生鲜产品的内生动力.并且就生产商而言，a-b的大小对生产商的影响是积极的，也就是生产商生产质量安全的产品的收益比生产质量不安全的产品的收益越大，生产商就更倾向于生产安全的生鲜产品.而罚金f对生产商生产不安全的产品起到抑制作用，监管部门对生产不安全产品的生产商处罚越重，生产不安全的产品利润空间缩小，生产商会更加主动采取措施生产质量更高的生鲜产品从而避免处罚.

4 结 语

生产商是否生产质量安全的生鲜农产品和监管部门对生产商生产质量不安全生鲜农产品的惩罚力相互制约.在监管部门和生产商的主体博弈过程中，当生产商从生产质量不安全生鲜产品的收益大于生产安全生鲜产品以及监管部门的罚金之和时，即使监管部门此时对生鲜农产品进行质量安全溯源，生产商仍然有铤而走险生产不符合国家标准的生产鲜品的动力，因此监管部门没有起到正向监督的作用.若监管部门加大处罚力度，使罚金的金额比生产商生产不安全生鲜产品和安全生鲜产品之差大，这时生产商才会主动生产安全的生鲜产品.

从以上演化博弈模型可以得出，若生产商生产的产品不安全，此时监管部门处罚力度越大，则会促使生产商提高生产安全的生鲜产品的概率.当惩罚力度足够大时，生产商则会完全生产安全的生鲜农产品.

为提高生鲜产品质量安全，监管部门应该加强生产商、物流商和消费者之间的信息共享，保证他们间能够及时沟通交流.由于生鲜农产品生产商与生鲜农产品质量安全监管部门的演化博弈是一个动态系统，因此它会根据时间的变化，并随着资源限制和自身条件不断演化.并且演化过程存在路径依赖现象，这是由于决策过程中博弈主体间信息的不对称，造成产生一方所面临的对方可能改变行为而损害到本方利益的风险，以及一方能够利用多于另一方的信息使自己受益而对方受损的行为产生，所以博弈主体方更倾向于根据上一次博弈收益值作为当前的参考.这时监管部门可以起到供应链中信息交流的中介作用，通过发布和传递信息促进供应链中各成员信息交流.并且，监管部门通过发放奖励的形式鼓励加工企业和生产者自觉主动提高生产质量，同时依照现有的国际上通用标准制定符合我国实际情况的政策保障政府全方位对市场监管.同时根据生产商的规模、产出能力制定奖励方案，则能够提高奖励的有效性.从在消费者的角度出发，消费者辨别生鲜产品质量的能力越高，对生鲜产品的安全性和生鲜度越挑剔，则会使生产商越倾向于生产安全的生鲜农产品.若质量安全的生鲜农产品能够被消费者识别和喜爱，生产商生产质量安全的生鲜产品的收益会比生产质量不安全的生鲜产品的收益多，而此时监管部门即使不对其进行质量安全溯源，生产商为了保障自身收益也将倾向生产质量安全的生鲜产品.

如上所述，尽管仍然存在一些弊端，但推广区块链是一项非常有价值的技术，可以帮助监管部门跟踪，监控和审核食品供应链，并帮助制造商真实记录交易.该技术不仅可以使消费者，生产商和监管部门受益，而且可以提高生鲜农产品供应链的加工和流通效率. 区块链还可以帮助实现强大的网络安全措施.区块链可以提高信任度和安全性.同时，为了实现区块链的全部潜力，需要投入更多的资源来解决各种供应链成员参与和丰富现有区块链生态系统等问题.