基于區塊鏈技術的食品溯源在元宇宙中的應用構想與設計

卞立平，呂瀅，羅智彬，肖蓉

（1.江蘇省農業科學院，江蘇南京，210000；2.南京知麥信息科技有限公司，江蘇南京，210000）

0 引言

當前，元宇宙（Metaverse）是指：將VR/AR 技術、互聯網、游戲、社交網絡融合在一起，衍生出的下一代互聯網形態。在日本內閣辦（Cabinet office of Japan）官網的第5 次STI（science，technology and innovation）基本計劃中第一次提到了“5.0 社會”的概念［1］。而在第6 次STI 基本計劃中，“5.0 社會”被定義為：“通過一個高度融合虛擬空間和物理空間的系統，讓所有人都能享受到舒適且充滿活力的高質量生活，構建一個以人為本、適應經濟發展并有效解決社會問題的新型社會?！痹摱x包含了和元宇宙概念較為一致的部分，即高度虛擬化的沉浸式互聯網形態?？梢妼τ谏鐣螒B的變化，信息技術和數字多媒體技術領域已率先做出了較為一致的預言。當未來社會的生產力從體力逐漸轉變為智力，并伴隨著人工智能的不斷發展，機器的生產力將越來越強大，人類社會有可能迎來“夢寐以求”的元宇宙。人類可以將更多精力投入到與物理世界同步映射的虛擬世界中，而以區塊鏈技術為核心的分布式和去中心化的資源分配方式，將會為這個虛擬世界中的虛擬公民、虛擬組織提供一個公平、可信的自治管理機制，并使虛擬世界里的教育、工作和生活更有意義。元宇宙中的“衣食住行”，依然會是虛擬公民逃離不開的生活要素和興趣社群重要領域。其中，對人類最重要的生存元素——食品，將和虛擬銷售業態碰撞出新的火花。當下的現實社會中，新零售形態的發展，已經逐漸從線上銷售過渡到虛擬銷售，將為元宇宙消費市場提供更多服務體驗的可能性［2］。

為了整體把握國內當前元宇宙相關研究概況，本文以中國知網（CNKI）的總數據庫為中文文獻來源，并以Web of Science 核心合集數據庫為外文文獻來源，進行文獻計量分析。2023 年2 月27 日，在CNKI 數據庫中，以“SU=元宇宙or SU=虛擬世界”為檢索式，選定檢索范圍為“學術期刊”，共檢索到中文文獻6 583 篇。在Web of Science 核心合集數據庫中，檢索式設置為“TI=Metaverse or TI=Virtual World and DT=Article”，共得到839 條相關外文文獻。其中最早一篇發表于1990 年，由此可見，國外對于“元宇宙”的研究早于國內。在CNKI 數據庫中，以“SU=元宇宙*農業or SU=虛擬世界*農業”為檢索式，選定檢索范圍為“學術期刊”，共檢索到中文文獻17 篇。在Web of Science 核心合集數據庫中未檢索到“元宇宙+農業”相關文獻。

如陳楓等［3］提出，可以在虛擬農場中模擬不同生長環境下農作物的生長過程，從而獲得大量農作物生長數據，輔以XR 技術，足不出戶實時查看農田情況，遠程進行農事操作；將元宇宙技術應用到農產品溯源中，消費者可更直觀地獲取農產品產地、生長過程及流通的場景，以提升溯源可信度。鐘業喜等［4］認為，可將元宇宙與農業旅游相結合，實現“云上體驗”鄉村田園風光，認養等新型活動模式，延長農業產業鏈。盧勇等［5］提出，使用NFT 技術，將農業文化遺產轉化為數字藏品，在元宇宙中展出給受眾帶來沉浸式的參觀體驗。何誠穎等［6］指出，可以在元宇宙中搭建實景農業電商平臺，使消費者獲得全新的消費體驗。在TIAN 等［7］的研究中，提出了基于區塊鏈技術和IoT 技術的供應鏈溯源系統，可實現對農產品“從農場到餐桌”的溯源和監管；在徐瑞曜等［8］的研究中，詳細列出了現階段可用于接入農業元宇宙的豐富技術類型，既可實現全面獲取食品從生產到銷售的全流程溯源數據，也可實現沉浸式的食品觀看體驗。

由此可見，國內外對于元宇宙技術在農業方面的研究較少，且檢索到的文獻的主要以元宇宙相關基礎技術（區塊鏈、物聯網、數字孿生、人工智能等）在農業領域的應用場景構想為主要研究方向。國內目前對于農業元宇宙的研究仍處于起步階段，尤其在農業產業應用方面，還主要集中在理論階段，較少有實際的應用研究和技術開發。為了建設真實可用的元宇宙食品溯源應用方案，實現消費者可沉浸式體驗獲取食品產地、種植生長過程、加工及流通場景的目的，本文通過對元宇宙虛擬食品的意義和食品溯源的應用場景進行分析，得出元宇宙食品溯源需要采集的環節數據、采集設備和輸出數據形態以及交互方式；綜合技術綜述分析和區塊鏈軟件開發行業專家討論法選型，提出應用系統的架構設計和面向對象的程序功能設計方案，包括：對元宇宙應用系統架構感知層、數據層、基礎層、工具層、應用層的分別定義和架構機制的分析設計，對元宇宙應用系統架構搭建的方案設計，基于不同對象的系統功能分析設計與開發方案，基于面向對象類定義的智能合約設計與實現。

1 元宇宙虛擬食品意義和食品溯源應用場景

1.1 元宇宙中的虛擬食品的意義

在元宇宙中，盡管食品是虛擬的數據對象，但卻可以成為真實個體的個性標簽。例如素食主義者、有機主義者和米其林餐廳愛好者，都可以在元宇宙中分別建立起社群圈、主題活動和收藏特展，在虛擬世界延續倡導健康飲食和優質飲食的理念和實踐方式，找到對相同話題感興趣的用戶群體，擴大社群影響力，也可以在元宇宙中通過消費實際熱量糖分都超標的“垃圾食品”來展示自己的生活態度和美食審美［9］。

1.2 元宇宙中食品溯源的應用場景

在現實社會中，人們對食品價值的衡量主要來自于形狀、品牌、產地等方面［10］。因此對于元宇宙中的虛擬食品來說，需要一種可靠、精準、可信的方法來呈現上述指標。自1987 年NF EN ISO 8402 對可追溯性定義以來，食品溯源技術在全世界范圍內已有30 余年的歷史，隨著現代信息技術的發展，基于區塊鏈的食品溯源技術，更是當前的熱門研究領域?；趨^塊鏈的食品追溯技術并結合跨鏈技術，能夠把食品追溯數據無縫銜接至元宇宙的虛擬世界中，為每一個食品建立完整的身份信息，并可與虛擬生活體驗進行結合，創造更多的應用場景和價值［11-12］。

例如對元宇宙中“有機食譜攻略”或“米其林餐廳體驗記錄”場景進行設計：元宇宙用戶可付費瀏覽這些獨一無二的鏈上檔案數據；或結合數字孿生和VR 技術進行一次米其林餐廳的沉浸式虛擬體驗；還可以根據溯源記錄的食材源頭信息，一鍵下單采購直送到家，確保食材的原汁原味；甚至可以參與餐廳或農場發起的虛擬種植項目，沉浸式體驗食材的生長加工過程，實現遠程施肥、澆水等農事活動，為元宇宙的生活添加更多樂趣。而通過智能硬件終端采集溯源數據（如物聯網設備終端、AI 圖形識別智能攝像頭等），食品的可溯源性和信息完整性能夠得到極高的保障，能夠實現精準追溯到每一盤高級料理的源頭食材、物流運輸、保鮮貯存、加工過程、烹飪方式等各個環節，甚至烹飪餐廳的衛生資質和米其林星級評定都可以被永久記錄在一份追溯檔案中，由區塊鏈進行分布式記賬存證，確保溯源數據的真實性與可信度。

2 元宇宙食品溯源應用系統設計與實現

2.1 系統架構

元宇宙應用系統從底層構架開始可大致分為5層，從下至上依次為：感知層、數據層、基礎層、工具層、應用層。每層具體對應的核心能力和技術棧如圖1 所示。

圖1 元宇宙食品溯源應用系統架構Figure 1 Architecture diagram of the Metaverse food traceability application system

感知層作為元宇宙入口，在AR/VR/MR 等智能硬件設備和智能硬件接口的支持下，以視聽觸嗅等感官方式采集現實世界的原始體驗數據。這些設備提供了以沉浸式交互為核心的用戶體驗，使用戶仿佛置身于全新的虛擬環境中。

數據層承擔著元宇宙的核心功能，包括確權、傳輸、存儲和計算。采用分布式云存儲技術來管理和處理數據。業務數據庫基于MySQL，鏈上數據庫采用MongoDB，而Redis 作為緩存數據庫被應用于提升數據讀取和計算效率。

基礎層是元宇宙區塊鏈能力的核心所在，由共識、網絡、激勵、合約、跨鏈協議和對外接口構成。在此層采用FiscoBcos 作為基礎區塊鏈框架，并通過智能合約實現與以太坊的互操作。

工具層為應用層提供交互素材和技術支持，其中包括虛擬藝術、虛擬資產和模型制作等服務和中間件工具。虛擬藝術能夠在虛擬環境中實現藝術創作和呈現。虛擬資產涵蓋數字貨幣、虛擬房產、虛擬商品等多種形式，用戶可以通過交易和投資參與元宇宙經濟。模型制作提供創造虛擬場景、角色和物體等的工具，以促進用戶在元宇宙中進行內容創作和設計。

應用層是元宇宙實現具體功能和服務的最高層，包括元宇宙食品溯源應用系統的數據輸出和多角色用戶功能交互。該應用層包含管理后臺、商家企業端和消費者用戶端等主要應用端，以滿足食品溯源的需求。管理后臺實現對元宇宙食品溯源的監控和管理功能，商家企業端能夠追蹤食品的生產和流通過程，與消費者用戶端進行互動，提供可信賴的食品信息和購買途徑。通過數據輸出和多角色用戶功能交互，元宇宙食品溯源應用系統能夠滿足用戶需求，為用戶提供可靠的食品溯源服務。

2.2 系統功能

2.2.1 系統功能設計

在元宇宙中，完整的食品溯源應用系統應包括管理后臺、商家企業端、消費者用戶端3 套應用終端，整體架構如圖2 所示。

圖2 元宇宙食品溯源系統應用業務框架Figure 2 Application service framework of the Metaverse food traceability system

其中管理后臺用于整個系統的運維和監控，由系統運維人員和監管人員操作。登錄授權管理、用戶管理和權限管理模塊，用于實時同步控制商家企業端和消費者用戶端的注冊登錄、用戶中心等相關的功能模塊。溯源信息監管模塊，會對上鏈數據進行實時監測與異常報警，實現食品品質安全的風險預警。運行監控模塊為運維人員提供系統各個終端和模塊的實時性能指標數據。區塊鏈管理模塊作為系統的核心組件，包括了區塊鏈性能監控、智能合約管理、元宇宙及其他第三方接口管理等重要功能。

商家企業端用于供應鏈全環節的信息采集與上鏈，由食材種植生產方、經銷物流方、終端加工方等相關主體人員操作，結合物聯網等其他技術，能夠有效確保全程溯源信息的可靠性和完整性，并對符合要求的產品及主體進行區塊鏈認證，為其創建元宇宙中的NFT（non-fungible token，NFT）。

消費者用戶端用于追溯信息的查詢與更多虛擬互動功能的體驗。用戶可以上傳菜品消費經歷或查詢完整的食品追溯信息，也可以認領虛擬種植項目，或進行NFT 的流通和交易，還可以基于追溯信息利用數字孿生和VR 技術來體驗更加生動和真實的食品生產流程。

2.2.2 功能開發技術方案

基于對完整的食品溯源應用系統所包括的管理后臺、商家企業端、消費者用戶端的所有功能需求，首先設計程序原型，之后軟件后端開發、Unity3D 開發和前端開發部分的工作分別進行。

項目整體采用松耦合微服務架構，服務之間通過gRPC 或RESTful API 進行交互。微服務可通過.Net Core、Java、PHP、NodeJS 等進行開發，前端交互UI 通過Vue、AngularJS、UniApp 等進行。區塊鏈Solidity 智能合約使用Remix、Chain IDE 等進行編寫，視覺建模和互動引擎基于Unity3D 開發，具體開發技術方案與流程如下。

1）后端服務開發：①設計和搭建鏈下業務數據庫；②根據數據業務邏輯開發中間件與功能服務模塊；③配置Tomcat 和IIS；④部署應用服務器ServiceServer；⑤提供API 接口服務。

2）Unity 3D 開發：①設計建模三維/平面素材；②基于Unity 物理引擎開發3D 交互與動畫效果。

3）前端應用開發：①基于界面UI 設計開發前端應用；②在前端應用中集成Unity 3D 交互組件和調用方法；③部署Web/App 應用。

4）區塊鏈底層服務開發：①基于FiscoBcos 的二次開發與API 封裝；②Solidity 智能合約開發。

5）在完成上述開發流程后，由前后端共同完成基于區塊鏈底層服務接口的調用，以及微服務API 和前端應用的聯調。聯調后由軟件測試工程師完成軟件測試和問題修復后的回歸測試，再實施應用程序的試運行和發布上線。

整體功能開發技術流程圖如圖3 所示。

圖3 元宇宙食品溯源系統功能開發技術流程圖Figure 3 The technical flow chart of function development of the Metaverse food traceability system

2.3 智能合約

元宇宙中，為區塊鏈食品溯源起到關鍵確權、溯源記錄存證、校驗預警等功能的核心是智能合約技術［13］。智能合約（smart contract）可以認為是基于區塊鏈的數字資產控制程序，狹義來說智能合約是業務邏輯和算法的程序代碼，廣義來說智能合約是一種計算機協議，一旦部署即可自我執行和自我驗證［14］。

2.3.1 合約設計與判斷原理

智能合約在元宇宙食品溯源過程中主要可以起到兩方面的作用：一是規范數據上鏈格式；二是對上鏈信息進行自動判斷。其智能合約的核心要素分別是數據結構和函數設計。

1）規范數據上鏈格式，即對溯源數據的結構進行定義。結構定義包含兩個方面：分別為農產品溯源信息結構定義和驗證標準結構定義（圖4）。

圖4 溯源信息和校驗標準的UML 類圖Figure 4 The UML class diagram of traceability information and verification standard

2）函數設計涉及對需要判斷的字段對象進行情況梳理拆分，分流輸出結果。以判斷上傳的溯源信息與校驗標準是否一致的函數設計為例，函數執行流程如圖5 所示。

圖5 溯源信息判斷機制流程圖Figure 5 Mechanical flow chat of traceability information judgment

通過該智能合約，我們能夠實現：（1）如果系統中沒有與溯源信息結構體相一致的校驗標準，則返回“不存在參照標準”；（2）如果單一溯源信息的結構與校驗標準完全一致，則返回“符合標準”；（3）如果單一溯源信息的結構與校驗標準不一致的字段值大于等于1項，則返回“不符合標準，警報”。

2.3.2 智能合約部署流程

溯源系統中的智能合約部署與調用方法如圖6所示。

圖6 溯源相關智能合約部署業務流程Figure 6 Key work processes of underlying consortium blockchain

首先根據農產品生產過程管控模型、品質預警模型、產品追溯業務需求等內容，編寫智能合約程序。再將編譯后生成的智能合約文件二進制碼和字節碼發送到區塊鏈交易的輸入數據中，編輯以0x0 開頭的接收地址，并將其打包到交易塊中。根據0x0 的地址頭，區塊鏈可以確定該交易區塊的類型為“智能合約部署”，當驗證通過后自動執行區塊上鏈部署，返回該智能合約的鏈上有效地址。區塊鏈會將智能合約部署交易同步至所有節點，確保所有節點均可讀取及調用該智能合約。當農產品溯源信息上鏈時，每個節點都會自動調用智能合約，對上鏈數據進行實時運算，最后返回計算結果并執行回調方法，實現確權、存證、查詢、預警等功能。

3 系統實現效果

本系統3 個用戶終端具備如表1 所示的主要功能點。系統開發完成后的部分示例界面如圖7—圖9所示。

表1 系統主要功能介紹Tabel 1 Introduction to the main functions of the system

圖7 基于區塊鏈的元宇宙農產品溯源系統界面Figure 7 The Metaverse agricultural product traceability system interface based on blockchain

其中，圖7 表示用戶在元宇宙系統中查看農產品溯源信息的系統界面，可完整展示由智能合約生成的詳細溯源信息，包括生產商信息、產地信息、生長管理過程信息、批次信息、檢測報告等內容。圖8 為用戶點擊具體農產品后，可以拖拽體驗基于Unity3D 打造的精細農產品數字模型，提高感官體驗。

圖8 基于Unity3D 的元宇宙農產品Figure 8 Metaverse agricultural products based on Unity3D

圖9 為元宇宙中各個農產品的NFT 交易平臺，以及用戶個人擁有的NFT 數字錢包，通過交易平臺能夠進一步提高元宇宙中數字農產品的流通價值，賦予高端優質農產品更多的社交和收藏屬性。

圖9 基于區塊鏈的元宇宙農產品NFT 應用AppFigure 9 The NFT application for Metaverse agricultural products based on blockchain

4 結論與展望

4.1 實現真實可溯、體驗可感的元宇宙食品溯源

該系統通過建立基于元宇宙技術棧的系統架構，并設計和開發食品溯源應用系統功能模塊，結合智能合約規范數據上鏈格式并對上鏈信息進行自動判斷，實現真實可溯、體驗可感的元宇宙食品溯源。該系統設計和實現方案，在我國農業產業與區塊鏈、元宇宙技術的跨界結合上具有領先的前沿探索性和示范作用，具有較高的場景化可應用性，填補國內外學術界對元宇宙技術和農業產業結合的研究空白。

4.2 系統設計應關注用戶體驗與數據安全

針對元宇宙的食品溯源應用程序設計，一方面應該更關注用戶的體驗和數據安全與可信，充分利用區塊鏈的特性和智能合約技術，確保數據可信，規范上鏈信息結構，提高品質安全的評價水平；另一方面，應該繼續探索元宇宙中應用程序的性能優化和兼容性，嘗試突破區塊鏈底層架構對于業務吞吐量上行的限制，結合更好的虛擬體驗多媒體技術，把應用軟件的功能體驗度和元宇宙的虛擬生活體驗度協調一致，才能促進食品溯源技術在虛擬世界中的良好運作與成長迭代。

4.3 虛擬食品的數字資產化

作為元宇宙中的數字資產，如何為虛擬食品賦予更多的價值，使其在元宇宙中獲得更多人的認可變得尤為重要。真實世界中的食品也可以通過數字孿生技術，在元宇宙中利用區塊鏈創建一個獨一無二的數據對象（NFT），使其成為具有唯一身份的數字資產，并可在元宇宙中進行流通或消耗。因此，元宇宙中的虛擬食品并不是無價值的數據，而是與數字卡通頭像、數字音樂、虛擬游戲道具等一樣，成為了一種可流通的數字資產。

4.4 展望未來

踏入元宇宙的探索才剛剛開始，虛擬世界里的衣食住行、休閑娛樂項目隨著前沿技術的發展逐漸豐滿完整。面對未來嶄新的去中心化的虛擬環境，必然催生出更多的新事物和新概念，但是對食品溯源的需求，卻不會隨著社會形態的變化而消減，元宇宙中的食品溯源，借助區塊鏈、VR 等新技術的加持，既銜接了現實與虛擬，又增加了更加豐富有趣的沉浸式體驗，為虛擬數字食品賦予了更高的價值和意義。