基于區(qū)塊鏈的生鮮食品移動追溯平臺框架重構(gòu)

趙 磊，畢新華，趙安妮

（吉林大學管理學院，吉林 長春 130025）

食品可追溯體系是一種以風險管理為基礎(chǔ)的安全保障體系，核心問題是要解決食品生產(chǎn)消費日益分離與消除信息不對稱之間的矛盾[1]。在政府財政支持下，我國食品可追溯體系建設(shè)經(jīng)歷了分段管理、全產(chǎn)業(yè)鏈管理兩個階段，相關(guān)制度和體系建設(shè)初見成效[2]。然而應用于松散而時間敏感的生鮮食品供應鏈時，政府主導的追溯體系固有矛盾逐步暴露：公信力問題，缺乏完整可靠的食品質(zhì)量安全信息鏈，個別企業(yè)的短視認知偏差[3]使已建成的追溯體系公信力大打折扣；監(jiān)管困境，食品企業(yè)違規(guī)被發(fā)現(xiàn)概率低，監(jiān)管滯后，僅靠政府的嚴格規(guī)制難以產(chǎn)生規(guī)制的預期效果[4]；擴展性問題，追溯體系組網(wǎng)標準不統(tǒng)一，處于移動狀態(tài)的追溯單元跟蹤操作復雜，導致追溯信息傳遞效率低[5]。在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、反補貼貿(mào)易摩擦加劇[6]的新形勢下，傳統(tǒng)追溯體系既要實現(xiàn)追溯信息互聯(lián)互通，又要破解追溯成本支付難題。區(qū)塊鏈和5G網(wǎng)絡(luò)為解決上述矛盾和難題提供了一個新的契機。區(qū)塊鏈是數(shù)字加密貨幣體系比特幣的底層核心技術(shù)，應用區(qū)塊鏈可打造不可篡改的信息鏈[7-9]。5G網(wǎng)絡(luò)是面向下一代的移動通信技術(shù)，支持海量的傳感器接入，可提供標準的動態(tài)化組網(wǎng)基礎(chǔ)[10-11]。

區(qū)塊鏈和5G網(wǎng)絡(luò)在食品安全追溯方面的應用研究剛起步。在實踐方面，2016年9月，沃爾瑪、清華大學和IBM公司聯(lián)合展開運用區(qū)塊鏈進行食品追溯的科研項目，在美國以芒果為試點，在國內(nèi)以豬肉為試點[12]。2017年12月，中國首個安全食品區(qū)塊鏈溯源聯(lián)盟成立，其旨在通過區(qū)塊鏈技術(shù)進一步加強食品追蹤、可追溯性和安全性的合作[13]。實踐結(jié)果表明技術(shù)上具有可行性，但大范圍應用仍受到追溯信息質(zhì)量、主體參與意愿和技術(shù)開發(fā)成本等束縛[14]。在理論方面，Pearson[15]、孫志國[16]等認為食品安全溯源體系引入?yún)^(qū)塊鏈能夠解決食品安全領(lǐng)域的信任難題，但提升信息質(zhì)量還依賴于物聯(lián)網(wǎng)和傳感器的進一步應用。Alfian[17]、Tian Feng[18-19]、Lin Qijun[20]等提出整合射頻識別技術(shù)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和區(qū)塊鏈技術(shù)可以實時生成食品追溯電子履歷。Thakur[21]、肖新清[22]等提出冷鏈物流品質(zhì)感知的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與建模方法。Mao Dianhui等[23-24]提出基于區(qū)塊鏈的交易信譽評估方法，以規(guī)避多主體帶來的食品安全風險。丁慶洋[25]、劉敖迪[26]等認為區(qū)塊鏈視角下追溯防偽體系的用信息保護問題依然嚴峻。李明佳等[27]從頂層架構(gòu)出發(fā)將區(qū)塊鏈植入食品溯源體系，在區(qū)塊鏈去中心化程度、共識機制等方面進行改進以克服公有鏈的缺點。汪傳雷[28]、楊慧琴[29]等提出一種區(qū)塊鏈架構(gòu)將供應聯(lián)盟、金融機構(gòu)及政府監(jiān)管機構(gòu)連接在一起，但仍面臨主體多、開發(fā)成本大等難題。綜上發(fā)現(xiàn)，學者們較多從技術(shù)視角進行了前瞻性剖析，對改良現(xiàn)有的追溯體系進行了有益探索，然而未能從根本上化解傳統(tǒng)追溯體系的固有矛盾和成本支付難題。

為此，在考察吉林省動物源性生鮮食品追溯項目的基礎(chǔ)上，本文從信息生態(tài)視角分析追溯平臺的多主體用需求，進行功能設(shè)計和信息鏈流程再造，并結(jié)合區(qū)塊鏈原理給出一種理論框架模型。以多主體用需求為導向地追溯信息生態(tài)重構(gòu)，有利于從根本上解決傳統(tǒng)追溯體系的固有矛盾和成本支付難題，對我國追溯服務(wù)產(chǎn)業(yè)市場化轉(zhuǎn)型和財政補貼政策有序退出具有一定的指導意義。本文將基于區(qū)塊鏈的生鮮食品移動追溯平臺定義為：以生鮮食品供應鏈內(nèi)外部參與主體追溯信息需求為驅(qū)動，通過移動網(wǎng)絡(luò)實時獲取追溯數(shù)據(jù)，利用區(qū)塊鏈存儲、調(diào)用、挖掘和共享追溯信息資源，向平臺用提供基礎(chǔ)服務(wù)和增值服務(wù)的跨組織追溯信息系統(tǒng)。

1 功能設(shè)計

生鮮食品追溯體系參與主體眾多，需求具有差異化，追溯平臺功能需求識別既要保證完整性又要降低復雜性。按業(yè)務(wù)關(guān)系可劃分為供應鏈內(nèi)部主體和外部主體，內(nèi)部主體包括生鮮電商、冷鏈物流企業(yè)、零售商、批發(fā)商、加工企業(yè)和農(nóng)等，外部主體包括消費者、政府、行業(yè)協(xié)會、消費者協(xié)會、認證機構(gòu)、金融保險機構(gòu)、平臺運營商和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商等。參與主體的拓展，導致傳統(tǒng)的追溯體系功能完整性降低，設(shè)計復雜性提高。根據(jù)信息生態(tài)理論，共享多關(guān)鍵點型信息生態(tài)鏈包括5 類信息人角色（即對應表1中羅馬數(shù)字）[30]，共生關(guān)系下任一信息生態(tài)位的功能需求都不能偏廢[31]。為了保證信息生態(tài)位的完整性，首先按信息人角色將上述參與主體劃分為：I信息生產(chǎn)者、II信息傳遞者、III信息轉(zhuǎn)化者、IV信息消費者、V信息組織者。為了降低設(shè)計的復雜性，再按信息生態(tài)位集中識別信息流通過程中的能力和功能需求：追溯信息生產(chǎn)者的信息生態(tài)位最低，占有較多的原始信息資源，信息控制能力強但增值能力弱，功能需求偏重責任界定、隱保護、風險補償和大數(shù)據(jù)服務(wù)；追溯信息傳遞者的信息生態(tài)位較低，負責建立傳遞渠道和防止信息污染，具備信息質(zhì)量保障能力，功能需求偏重動態(tài)接入、用管理和流量計費；追溯信息轉(zhuǎn)化者的信息生態(tài)位居中，是數(shù)據(jù)整理、存儲和加工的關(guān)鍵角色，具備信息分解和增值能力，功能需求偏重風險補償、大數(shù)據(jù)服務(wù)和流量計費，同時要支持其他信息人的功能需求；追溯信息消費者的信息生態(tài)位較高，占有較多的個性化信息資源，信息應用能力強但鑒別能力弱，對追溯平臺的功能需求偏好追溯查詢、外部監(jiān)管、風險補償和大數(shù)據(jù)服務(wù)；追溯信息組織者的信息生態(tài)位最高，負責制定追溯標準，具備信息導向和信息質(zhì)量評價能力，功能需求偏重責任界定、外部監(jiān)管和用管理。最后按信息在流通過程中是否增值，將追溯平臺的功能劃分為基礎(chǔ)服務(wù)和增值服務(wù)（表1），其中動態(tài)接入、用管理和隱保護是基礎(chǔ)服務(wù)中的必備功能，大數(shù)據(jù)服務(wù)是增值服務(wù)中的必備功能?；A(chǔ)服務(wù)：向用提供從生產(chǎn)源頭到消費終端的食品安全追溯信息，保障信息鏈的完整可靠。相比傳統(tǒng)的追溯平臺，生鮮食品移動追溯平臺需向消費者提供層次化的食品安全信息即時查詢服務(wù)。加工企業(yè)和農(nóng)是食品安全輸入性質(zhì)量風險責任主體，零售商、批發(fā)商、生鮮電商、冷鏈物流企業(yè)是食品安全過程性質(zhì)量風險責任主體，明確的責任劃分可以創(chuàng)造責任激勵。消費者對生鮮食品的信任品質(zhì)量風險缺乏判斷能力，需要政府、行業(yè)協(xié)會或消費者協(xié)會制定相關(guān)標準或委托第三方檢測認證以保障消費者的利益，監(jiān)管機構(gòu)需要即時掌握風險產(chǎn)品的源頭、流向和存量信息，及時向社會預或采取應對措施，故追溯平臺需具備實時外部監(jiān)管功能。生鮮食品供應鏈是松散、開放式的，用節(jié)點實時動態(tài)接入追溯平臺有利于消除追溯數(shù)據(jù)造假空間。追溯平臺還需具備上述5 類用的身份管理功能和隱保護功能，以支持監(jiān)管機構(gòu)對用行為進行管理，促進追溯信息共享。

表 1 生鮮食品移動追溯平臺功能Table 1 Functional design of mobile traceability information system for fresh foods

2 追溯信息鏈流程再造

為了應對新功能需求帶來的挑戰(zhàn)，系統(tǒng)在業(yè)務(wù)流程上需要突破組織邊界對內(nèi)部追溯信息共享的限制，防止追溯信息鏈在商品交易環(huán)節(jié)出現(xiàn)斷裂。在分段管理階段，由于缺乏全局觀念和共享意識，企業(yè)各自建設(shè)相互封閉的追溯系統(tǒng)，在商品交易環(huán)節(jié)電子記錄與手工記錄并存，形成了信息共享壁壘；在全產(chǎn)業(yè)鏈管理階段，通過網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)平臺集合各個企業(yè)的追溯數(shù)據(jù)，受追溯精度和深度限制，企業(yè)在轉(zhuǎn)換信息形式時，信息的時效性、有效性和完整性難以保證，追溯信息在商品交易環(huán)節(jié)批量轉(zhuǎn)換時不連續(xù)，導致滋生數(shù)據(jù)造假行為。本文將交易雙方各自記錄的收發(fā)環(huán)節(jié)，合并為一個共享的可追溯單元，提出了一種新的追溯信息鏈流程架構(gòu)。動物源性生鮮食品從養(yǎng)殖到消費所涉及的追溯鏈流程更長、更復雜[33]，故以豬肉為例闡述這種新流程架構(gòu)（圖1）。

追溯環(huán)節(jié)：為了確定責任邊界，將追溯鏈從產(chǎn)品誕生到消費的流通過程劃分為生產(chǎn)、加工、流通、消費四大環(huán)節(jié)，對應的責任主體分別是農(nóng)，加工企業(yè)，批發(fā)商、零售商、電商平臺和冷鏈物流企業(yè)，消費者。

可追溯單元：按追溯事項發(fā)生的時間順序連接追溯環(huán)節(jié)中的各個操作工序，進行數(shù)據(jù)采集，該操作工序即為可追溯單元。當某一追溯單元的豬肉產(chǎn)品出現(xiàn)分割時，輸出的子產(chǎn)品包含有父產(chǎn)品的追溯數(shù)據(jù)，即由一條追溯鏈分叉為多條鏈。當某一追溯單元的豬肉產(chǎn)品出現(xiàn)合并時，輸出的父產(chǎn)品包含所有子產(chǎn)品的追溯數(shù)據(jù)，即由多條鏈合并為一條鏈。當可追溯單元的豬肉產(chǎn)品出現(xiàn)交叉分割與合并時，形成了追溯鏈的網(wǎng)絡(luò)式結(jié)構(gòu)，進入消費環(huán)節(jié)的任一豬肉產(chǎn)品都可以在追溯網(wǎng)絡(luò)中找到唯一一條從育種到售后的跨組織追溯鏈與之對應。豬肉產(chǎn)品的跨組織追溯鏈包括育種、生長育肥、檢疫和出欄等16 個基本的可追溯單元，其中農(nóng)的生豬出欄與加工企業(yè)的收購、加工企業(yè)成品肉出廠與批發(fā)商的集中收購、批發(fā)商的配送與零售商的進貨、零售商的分割肉出售與消費者訂購是同一交易信息，分別合并為一個共享的可追溯單元。其追溯數(shù)據(jù)采集建立在最小交易單位基礎(chǔ)上，追溯精度和深度的提升引起的追溯成本由平臺的風險補償功能來彌補，數(shù)據(jù)采集密度的提升由平臺的動態(tài)接入功能來完成。追溯數(shù)據(jù)隨實物同步流動，前一工序的輸出即是下一工序的輸入，且對交易雙方是透明的，任何一方篡改數(shù)據(jù)會被對方發(fā)現(xiàn)，保障了追溯信息的連續(xù)性，從而突破組織邊界對內(nèi)部追溯信息共享的限制。

圖 1 生鮮食品追溯信息鏈流程Fig. 1 Processes of traceability information chain for fresh foods

追溯信息鏈：追溯信息鏈是與可追溯單元平行的按時間順序記錄追溯事項并對追溯數(shù)據(jù)進行加工的流程。按追溯數(shù)據(jù)的加工順序劃分為加密驗證、數(shù)據(jù)寫入和數(shù)據(jù)調(diào)用3 個子模塊，從而形成一個完整的、實時的、可共享的追溯信息鏈。加密驗證：可追溯單元的寫入節(jié)點將追溯數(shù)據(jù)用鑰加密后，發(fā)送給其他節(jié)點驗證，驗證通過后才可以將追溯數(shù)據(jù)同步到產(chǎn)品區(qū)塊鏈上。數(shù)據(jù)寫入：自產(chǎn)品誕生的可追溯單元起，每頭豬仔的身份信息由育種農(nóng)提出申請，經(jīng)認證機構(gòu)核實后，生成與豬仔一一對應的產(chǎn)品身份字段，與育種農(nóng)的公鑰一起寫入該產(chǎn)品的創(chuàng)世區(qū)塊。再將產(chǎn)品身份字段和創(chuàng)世區(qū)塊摘要寫入每頭豬仔的標簽，如可加密的近場通信（near field communication，NFC）標簽，從而建立起每頭豬仔與產(chǎn)品區(qū)塊鏈的一一對應關(guān)系。育種農(nóng)使用帶讀寫功能的智能移動終端在NFC標簽上追加寫入飼料、病害、檢疫、運輸?shù)刃畔?，?shù)據(jù)同步終端自動采集當前的時間和位置坐標，通過5G網(wǎng)絡(luò)與對應的產(chǎn)品區(qū)塊鏈通信以上傳新增內(nèi)容。當豬仔交易給養(yǎng)殖農(nóng)時，育種農(nóng)須將養(yǎng)殖農(nóng)的公鑰寫入豬仔標簽，用育種農(nóng)的鑰簽名確認，然后同步到產(chǎn)品區(qū)塊鏈上，代表著產(chǎn)品權(quán)屬和數(shù)據(jù)寫入權(quán)轉(zhuǎn)移。每當產(chǎn)品移交到下一追溯單元時，產(chǎn)品標簽也同步做產(chǎn)品權(quán)屬和數(shù)據(jù)寫入權(quán)限轉(zhuǎn)移，再由下一追溯單元在產(chǎn)品標簽上寫入該單元的追溯數(shù)據(jù)，并自動同步到產(chǎn)品區(qū)塊鏈的下一區(qū)塊，直到該產(chǎn)品消費者的公鑰寫入產(chǎn)品消費區(qū)塊，從而保證每一頭生豬從育種到售后都有完整的追溯信息。即便產(chǎn)品被消費掉，其對應的追溯數(shù)據(jù)將被永久保留在該產(chǎn)品區(qū)塊鏈上，具有不可抵賴性，從而降低了責任主體提供虛假追溯數(shù)據(jù)的風險。數(shù)據(jù)調(diào)用：智能合約根據(jù)創(chuàng)世區(qū)塊所列的摘要信息，以及后續(xù)區(qū)塊所寫入的產(chǎn)品特點、生產(chǎn)環(huán)境、加工工藝和運輸方式，以及消費者個性化需求等因素，自動按照國家或行業(yè)標準選取相應的追溯要素和對應的追溯指標，與責任主體寫入的追溯數(shù)據(jù)進行對比分析，做出預與響應。根據(jù)用管理授權(quán)和隱保護設(shè)置，智能合約可調(diào)取用身份信息和對應的追溯數(shù)據(jù)，以支持追溯查詢、責任界定、外部監(jiān)管等基礎(chǔ)服務(wù)，通過跨鏈接口與智能合約互動，進一步挖掘追溯信息用于各項增值服務(wù)。

3 整體框架設(shè)計

3.1 設(shè)計目標

1）將單個產(chǎn)品作為自身追溯數(shù)據(jù)的最底層載體，并實時上傳追溯數(shù)據(jù)生成該產(chǎn)品的電子履歷。產(chǎn)品見證了從生產(chǎn)源頭到消費終端過程完整性，實時上傳數(shù)據(jù)能夠規(guī)避造假空間。

2）將組織內(nèi)部可追溯單元數(shù)據(jù)采集點變成數(shù)據(jù)寫入點，供應鏈責任主體只需寫入追溯數(shù)據(jù)而不必保留記錄。既節(jié)省組織內(nèi)部追溯系統(tǒng)的建設(shè)與維護成本，又能解決追溯平臺的可擴展性問題，任意節(jié)點的故障或變更不影響追溯平臺的整體運行。

4）通過智能合約實現(xiàn)追溯數(shù)據(jù)的復雜調(diào)用與追溯信息的實時共享，進一步挖掘追溯信息價值，滿足追溯平臺的功能需求。

3.2 框架模型與實現(xiàn)

圖 2 基于區(qū)塊鏈的移動追溯平臺框架模型Fig. 2 Framework of mobile traceability information system for fresh foods

圖 3 追溯數(shù)據(jù)存儲單元結(jié)構(gòu)Fig. 3 Data storage structure of traceability information system

合約層的實現(xiàn)：合約層提供智能合約與產(chǎn)品綁定服務(wù)，負責將智能合約部署在交易鏈上。該層包括初始化服務(wù)、部署服務(wù)、調(diào)用服務(wù)、查詢服務(wù)和托管服務(wù)5 個模塊。為了方便用調(diào)用追溯智能合約，避免安全漏洞，使合約具有法律效力，初始化服務(wù)模塊提供由監(jiān)管認證節(jié)點驗證通過的合約代碼模板，存儲在認證中心層的服務(wù)器上，供全節(jié)點層查詢和引用。部署服務(wù)模塊根據(jù)全節(jié)點的合約寫入請求，查詢對應的合約代碼模板，生成合約，反饋給請求節(jié)點，合約經(jīng)共識后寫入該產(chǎn)品的交易區(qū)塊。調(diào)用服務(wù)模塊是當產(chǎn)品交易狀態(tài)更新時，寫入交易區(qū)塊前自動執(zhí)行打包在一起的智能合約，并將執(zhí)行的結(jié)果保存到產(chǎn)品賬塊中。查詢服務(wù)模塊是根據(jù)全節(jié)點的請求或跨鏈接口的查詢請求，將智能合約的當前執(zhí)行狀態(tài)反饋給請求節(jié)點。托管服務(wù)是全節(jié)點將智能合約大量的計算任務(wù)委托給監(jiān)管節(jié)點服務(wù)器，全節(jié)點只需驗證合約執(zhí)行結(jié)果即可，以加快智能合約部署和執(zhí)行速度。

接口層的實現(xiàn)：接口層是外部應用與追溯平臺的數(shù)據(jù)交換層，包括用授權(quán)接口和追溯信息共享接口。用可通過電腦客端或手機APP訪問云服務(wù)器端代理，云服務(wù)器端代理再與追溯平臺核心區(qū)塊鏈進行交互，輸入數(shù)據(jù)或返回查詢結(jié)果。

4 結(jié) 語

為了化解傳統(tǒng)追溯體系的固有矛盾和成本支付難題，本文從信息生態(tài)角度分析了生鮮食品移動追溯平臺的基礎(chǔ)服務(wù)和增值服務(wù)功能，進行追溯信息鏈流程再造，并結(jié)合區(qū)塊鏈原理給出了一種理論框架模型。1）在功能設(shè)計上提出了追溯參與主體的風險補償方，對組織共享內(nèi)部追溯信息起到正向激勵作用。2）在流程設(shè)計上將交易雙方的收發(fā)環(huán)節(jié)合并為一個共享的可追溯單元，突破了企業(yè)組織邊界的限制。3）在實現(xiàn)方上，使用產(chǎn)品標簽作為最底層的追溯數(shù)據(jù)載體，通過備份標簽實時生成產(chǎn)品電子履歷，構(gòu)建出完整的產(chǎn)品賬鏈和交易鏈；將組織內(nèi)部可追溯單元數(shù)據(jù)采集點變成數(shù)據(jù)寫入點，采用移動自組網(wǎng)模式支持輕節(jié)點的動態(tài)實時接入，節(jié)省了組織內(nèi)部追溯信息系統(tǒng)的建設(shè)與維護成本；通過智能合約實現(xiàn)追溯數(shù)據(jù)的復雜調(diào)用與追溯信息的實時共享，采用產(chǎn)品權(quán)屬和追溯數(shù)據(jù)寫入權(quán)限同步轉(zhuǎn)移的方式界定追溯責任；借助跨鏈接口與智能合約互動，進一步挖掘追溯信息價值，向平臺用提供增值服務(wù)。新平臺在政府前期投入的基礎(chǔ)上，著重發(fā)揮風險補償功能，通過建設(shè)追溯公共品牌和挖掘追溯數(shù)據(jù)資源價值獲取額外收益，彌補參與主體后期追溯成本投入。政府監(jiān)管機構(gòu)向信息組織者角色轉(zhuǎn)變后，補貼政策可逐步退出，增值服務(wù)功能可避免追溯平臺被參與主體棄用。持續(xù)的追溯成本投入能夠在追溯平臺運營商之間對用數(shù)據(jù)資源的爭奪中搶占先機，進一步提升增值服務(wù)能力和平臺運營商的盈利能力，從而吸引社會資本投資和拓展國內(nèi)市場，最終實現(xiàn)追溯產(chǎn)業(yè)的市場化轉(zhuǎn)型。總之，通過重構(gòu)追溯信息生態(tài)體系，本研究為解決傳統(tǒng)追溯體系所面臨的公信力、監(jiān)管困境和擴展性問題，化解追溯成本支付難題提供了新思路，對我國追溯服務(wù)產(chǎn)業(yè)市場化轉(zhuǎn)型和財政補貼政策有序退出具有一定的指導意義。在具體實施過程中，盡管已積累大量的原始追溯數(shù)據(jù)，但向多主體提供追溯大數(shù)據(jù)服務(wù)，還需界定追溯數(shù)據(jù)產(chǎn)權(quán)關(guān)系和開發(fā)個性化推薦算法，這也是我們后續(xù)努力的方向。