區(qū)塊鏈及RFID技術(shù)在智慧物流溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用

許家銘，王 強

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

0 引言

區(qū)塊鏈作為比特幣的關(guān)鍵技術(shù)，是一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順次相連的方式組合而成的一種不斷增長的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時應(yīng)用密碼學(xué)原理加密以保證其防篡改性及真實性的分布式賬本。區(qū)塊鏈由各個區(qū)塊組成，區(qū)塊是記錄交易的數(shù)據(jù)單元，每個區(qū)塊都會被卡上時間戳，按照時間次序順次鏈接形成一條數(shù)據(jù)鏈條即區(qū)塊鏈[1]。從本質(zhì)上來講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€去中心化的賬本數(shù)據(jù)庫[2]。

歐洲率先將應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)改進了集裝箱運輸，通過將集裝箱貨物的相關(guān)信息錄入數(shù)據(jù)庫，基于數(shù)據(jù)庫的信息利用區(qū)塊鏈技術(shù)來智能生成路線和日程等相關(guān)方案。這些經(jīng)過區(qū)塊鏈智能化的集裝箱還會通過數(shù)據(jù)分析、實時優(yōu)化，以規(guī)劃出更優(yōu)的路線日程安排，極大地提高了效率[3]。相比于傳統(tǒng)方式，收貨客戶不僅可以實時追蹤到貨物全程的物流信息，同時收貨方自身也可以對貨物運輸安排做出優(yōu)化調(diào)整。

我國智慧物流及其溯源系統(tǒng)目前還在發(fā)展初期階段，自動化和智能化水平有著較大發(fā)展空間，未來我國智慧物流將對追溯機制和物流效率有著更高的要求，應(yīng)用先進技術(shù)對其進行改進顯得十分必要。2019 年，蘇寧集團正式宣布使用區(qū)塊鏈溯源技術(shù)來為海購物品提供更賦真實性的保障，通過為其進口的跨境商品貼上全程可追溯的電子標(biāo)簽來保證整個物流的全鏈路追溯并于同年11 月覆蓋率達(dá)到了50%，最大程度上豐富了用戶體驗。未來會有越來越多的物流企業(yè)將應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)用來提高工作效率、增加企業(yè)收益。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)特點

區(qū)塊鏈技術(shù)革命性地解決了“拜占庭將軍問題”[1]，其所具備的防篡改機制、基于密碼學(xué)原理的加密機制、可溯源機制，集體維護等安全特性，顛覆了傳統(tǒng)的信任機制，形成了革命性的價值互聯(lián)。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心區(qū)別于傳統(tǒng)的信任機制，應(yīng)用了密碼學(xué)相關(guān)原理的同時避免了第三方參與，最終使交易雙方達(dá)成一致。

1.1 防篡改機制

從算法層面來說，在區(qū)塊鏈中進行的每一次交易都會被記在一個公共賬本上，每個參與節(jié)點都在整條鏈上都具有均等權(quán)利[4]，每一個違規(guī)操作記錄或者風(fēng)險交易記錄都會與相應(yīng)的時間戳同時被收錄。同時，其去中心化的特點使得中心人員修改數(shù)據(jù)的可能性幾乎為零，偽造賬本變得極為困難。從現(xiàn)實經(jīng)濟層面來講，以目前市場上主流礦機為例，想要偽造出一個賬本必須至少要占有全網(wǎng)50%的算力才有可能實現(xiàn)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過計算后：至少需要投入40 億元左右的資產(chǎn)才有可能偽造出一個賬本，收支嚴(yán)重失衡。

1.2 可溯源機制

基于區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的防篡改機制，各個卡上時間戳的區(qū)塊依次鏈接，用戶可以直接通過其中的某一次的交易信息追蹤到最初交易，防篡改機制從一定程度上輔助了區(qū)塊鏈可溯源機制的實現(xiàn)。

1.3 加密機制

區(qū)塊鏈的加密機制是基于中本聰(Satoshi Nakamoto)發(fā)明的非對稱性加密技術(shù)，即在加密的時候使用不同的密鑰，網(wǎng)絡(luò)中每個人擁有一把公鑰和一把私鑰，公鑰和私鑰之間成對存在，相互驗證，可以理解為地址是公鑰，支付密碼是私鑰。私鑰經(jīng)過不可逆運算生成公鑰，公鑰同樣通過不可逆運算生成地址，最大程度對交易數(shù)據(jù)和信息進行加密保護。

1.4 公平激勵機制

在其公開鏈擁有自治特征的前提下，所有參與者的資源保證了整個網(wǎng)絡(luò)的運行和維護。參與者通過進行哈希運算進行算力比賽，每個參與者都有相應(yīng)的獎勵，算力值大小與獲得獎勵的多少成正比例[5]。這種機制為所有參與者創(chuàng)造了一個相對公平的競爭平臺，用獎勵來激勵算力較高者，在保證自治的前提下也促進了整個網(wǎng)絡(luò)良性循環(huán)運轉(zhuǎn)。

1.5 共識機制與智能合約

共識機制用于解決分布式系統(tǒng)的一致性問題，其核心為在共識算法的保障下，在有限的時間內(nèi)，使得指定操作在分布式網(wǎng)絡(luò)中是一致的、被承認(rèn)的、不可篡改的[6]。1996年，科學(xué)家Nick Szabo提出“以數(shù)字形式定義的一組承諾，包括各方履行的協(xié)議。”智能合約旨在以信息化方式傳播、驗證或執(zhí)行合同的談判或履行的計算機協(xié)議[6]。智能合約提供了脫離第三方背書機構(gòu)的情況下進行可信追溯、安全的合約交易的技術(shù)支持。

2 智慧物流與溯源系統(tǒng)

智慧物流（Intelligent Logistics System）依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能（AI）等先進技術(shù)，對互聯(lián)共享機制與信息數(shù)據(jù)處理方式進行優(yōu)化，提高物流系統(tǒng)的自動化水平和分析決策精準(zhǔn)性，追求各個環(huán)節(jié)達(dá)到最優(yōu)協(xié)調(diào)[7]。但同時也存在著各個環(huán)節(jié)均從各自的利益角度思考與決策，很難達(dá)到整體最優(yōu)化的問題。本質(zhì)上是傳統(tǒng)的中心化模式存在著較大的局限性。

溯源系統(tǒng)通過信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理整條供應(yīng)鏈上生產(chǎn)、倉儲、加工、包裝、運輸以及銷售等全過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，實現(xiàn)安全有效追蹤產(chǎn)品信息[8]。目前，溯源技術(shù)共有三種，分別是RFID 技術(shù)、二維碼技術(shù)和條碼技術(shù)。其中RFID 技術(shù)在智慧物流中應(yīng)用較為廣泛，具有較多優(yōu)勢。如RFID 讀寫器可以自動工作、其電子標(biāo)簽均需進行加密處理，安全性能好、可全天候使用、生產(chǎn)成本低和可重復(fù)使用等優(yōu)勢。

3 區(qū)塊鏈與RFID 技術(shù)在智慧物流溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用

在物流運輸中，尤其是多式聯(lián)運模式中，產(chǎn)品在運輸過程中需要經(jīng)過多個承運商進行二次包裝與中轉(zhuǎn)，產(chǎn)品的物流信息與相關(guān)數(shù)據(jù)在這個過程的某些環(huán)節(jié)中極易遺失[9]。此時，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)便可解決這一問題。利用區(qū)塊鏈的集體維護自治和防篡改機制，在很大程度上可以保護產(chǎn)品物流信息和相關(guān)數(shù)據(jù)的完整性。應(yīng)用RFID 技術(shù)可以為每個運輸貨車設(shè)立全程追蹤機制，在每個運輸貨車上安裝電子標(biāo)簽，利用RFID讀寫器進行讀取識別并與整個網(wǎng)絡(luò)實時同步進行公開形成一個新的互聯(lián)。本文以精品雜糧為例，通過構(gòu)建智慧物流溯源框架，將溯源系統(tǒng)框架主要分為上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)，進一步探討區(qū)塊鏈與RFID 技術(shù)在智慧物流溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用。

（1）上層結(jié)構(gòu)。上層結(jié)構(gòu)基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建，由應(yīng)用層、合約層、和網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成實現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 上層結(jié)構(gòu)框架

應(yīng)用層：主要通過計算機技術(shù)實現(xiàn)，為用戶提供方便使用的客戶端（client），客戶可通過應(yīng)用層進行相關(guān)信息查詢與溯源；同時也方便國家相關(guān)部門進行監(jiān)督檢查。

合約層：應(yīng)用區(qū)塊鏈的智能合約機制，將食品安全管理相關(guān)法律、監(jiān)管條例輸入系統(tǒng)。智能合約機制具有自動執(zhí)行的特點，達(dá)成共識后系統(tǒng)便會生成相應(yīng)代碼且不可進行修改，一旦某些違規(guī)與風(fēng)險操作被系統(tǒng)識別，合約便會自動執(zhí)行，改變了原始信任機制下判斷的滯后性和復(fù)雜性。

網(wǎng)絡(luò)層：在這一層中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的PoW（Proof of Work）工作量證明機制，目前主要采用通過運算尋找隨機數(shù)的算法。基于全網(wǎng)各個節(jié)點權(quán)利均等[4]的前提下，各參與節(jié)點通過運行哈希運算進行公平算力競爭，優(yōu)勝者獲得本次記賬權(quán)，公布本輪數(shù)據(jù)，全網(wǎng)節(jié)點集體驗證數(shù)據(jù)通過后數(shù)據(jù)被錄入存儲層。該機制體現(xiàn)出區(qū)塊鏈去中心化的特征，使智慧物流各個主體擺脫了中心的操控，擁有了相等的權(quán)利和義務(wù)，可以更加方便快捷地進行數(shù)據(jù)共享，進而使數(shù)據(jù)庫的更新效率提高，在共識機制的基礎(chǔ)上形成了點對點的體系，保障了智慧物流網(wǎng)絡(luò)整體運行效率。

存儲層：存儲交易相關(guān)數(shù)據(jù)，利用區(qū)塊鏈防篡改機制，將各區(qū)塊依次進過加密封裝，卡上時間戳后進行數(shù)據(jù)錄入，一旦數(shù)據(jù)被存儲層錄入后便不可進行修改。

（2）下層結(jié)構(gòu)。下層結(jié)構(gòu)主要由存儲層和物聯(lián)網(wǎng)層組成，其結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 下層結(jié)構(gòu)框架

物聯(lián)網(wǎng)層主要應(yīng)用RFID 技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)實現(xiàn)物物聯(lián)合[10]。應(yīng)用RFID技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對本層結(jié)構(gòu)進行搭建。

當(dāng)采購方在田間進行收購時，通過大數(shù)據(jù)分析優(yōu)選出信譽優(yōu)良的生產(chǎn)方與質(zhì)優(yōu)價廉的原糧品種。當(dāng)原糧離開產(chǎn)地前，利用RFID技術(shù)給運輸貨車貼上獨一無二的電子標(biāo)識，并錄入采購日期、產(chǎn)地、輔料供應(yīng)商相關(guān)工商信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，使田間（原糧生產(chǎn)方、輔料供應(yīng)商）成為可追溯源頭并加強防偽能力。實現(xiàn)自動化管理，減少人為失誤帶來的經(jīng)濟損失。貨車在全程運輸過程中，RFID 讀寫器會在相關(guān)運輸節(jié)點對該貨車的錄入電子信息進行讀取識別，并將讀寫數(shù)據(jù)上傳到存儲層中，借助區(qū)塊鏈技術(shù)特性防篡改。

在生產(chǎn)包裝環(huán)節(jié)，每單位精品雜糧都會帶著原始數(shù)據(jù)進入生產(chǎn)包裝車間，生產(chǎn)廠家在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上為每單位產(chǎn)品貼上RFID電子標(biāo)簽，并錄入生產(chǎn)日期、生產(chǎn)批次、包裝時間、質(zhì)檢員等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在方便區(qū)分產(chǎn)品種類的同時使得追溯鏈條得以延長。同時，RFID技術(shù)所具備的經(jīng)濟成本較低、可全天候使用、數(shù)據(jù)加密處理等優(yōu)勢使得這一追溯環(huán)節(jié)更易實現(xiàn)。

在物流倉儲環(huán)節(jié)，利用RFID技術(shù)對雜糧產(chǎn)品進行實時監(jiān)管，RFID讀寫器實時將相關(guān)倉儲數(shù)據(jù)（庫存量、庫存周期等）上傳至存儲層，借助大數(shù)據(jù)分析和區(qū)塊鏈技術(shù)做出倉儲與運輸最優(yōu)規(guī)劃。

在分銷零售環(huán)節(jié)，隨著物流活動的進行每單位產(chǎn)品在以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上又被錄入更多倉儲運輸分揀等物流相關(guān)數(shù)據(jù)，在最終流向消費者餐桌時，雜糧產(chǎn)品的整個“成長線”變得更易追溯，消費者可通過上層結(jié)構(gòu)提供的客戶端數(shù)據(jù)接口進行真?zhèn)闻c全鏈條式溯源信息查詢，形成如圖3所示的精品雜糧溯源系統(tǒng)。

圖3 精品雜糧溯源系統(tǒng)

4 結(jié)語

通過上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合，構(gòu)建精品雜糧溯源系統(tǒng)。借助區(qū)塊鏈技術(shù)和RFID 技術(shù)為整個系統(tǒng)提供強力的技術(shù)支持，實現(xiàn)原糧到精品雜糧中各個環(huán)節(jié)自動化管理，優(yōu)化了原有的物聯(lián)網(wǎng)框架，極大提升了數(shù)據(jù)庫更新效率，保障更加高效精準(zhǔn)地進行數(shù)據(jù)共享，整體上提升了溯源系統(tǒng)的智能化與自動化水平。區(qū)塊鏈的去中心化思想顛覆了傳統(tǒng)信任模式，描繪了以數(shù)據(jù)與算法為核心的全新模式，為智慧物流的優(yōu)化改進提供了新思路。相信通過區(qū)塊鏈和其他先進技術(shù)的結(jié)合會加速智慧物流行業(yè)全智能化與全自動化的發(fā)展進程，最終推動整個物流產(chǎn)業(yè)全方位改進升級。