基于區(qū)塊鏈的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈可追溯性研究

阿布都熱合曼·卡的爾，陳 茜，申炳豪

（新疆財(cái)經(jīng)大學(xué) 信息管理學(xué)院，新疆 烏魯木齊830012）

嚴(yán)格監(jiān)控生鮮農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和對生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈進(jìn)行有效的物流管理，是確保食品安全的關(guān)鍵。近幾年，食品安全事故在各國頻頻發(fā)生，比如英國馬肉冒充牛肉、美國花生醬感染沙門氏菌等，食品安全和食品污染風(fēng)險問題再次在全球范圍內(nèi)引起廣泛的社會關(guān)注。人們對食品安全和污染風(fēng)險的擔(dān)憂日益加劇，對整個供應(yīng)加強(qiáng)可追溯性追蹤成為必要。生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈產(chǎn)品的可追溯性要求冷鏈參與者之間進(jìn)行高效和可信的信息交換。生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈的信息具有非線性和動態(tài)性特征，生鮮農(nóng)產(chǎn)品的收獲、加工、運(yùn)輸和銷售需要經(jīng)過多個中間商，因此很難對冷鏈信息進(jìn)行及時、準(zhǔn)確的收集和跟蹤。由于信息造假和產(chǎn)品污染對公眾健康的嚴(yán)重危害，對生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈的追溯性管理已經(jīng)顯得十分迫切。目前農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈可追溯性的實(shí)踐在很大程度上受到數(shù)據(jù)碎片化和集中控制的影響，也易受數(shù)據(jù)修改和管理的影響。在發(fā)生污染的情況下，確定污染源并迅速將產(chǎn)品從供應(yīng)鏈中隔離需要多個食品供應(yīng)鏈之間的密切協(xié)調(diào)，往往需要良好的可追溯性，但實(shí)踐證明各環(huán)節(jié)間的信息交換是困難和耗時的。［1］過去，我國關(guān)于食品安全的研究大多是從政策監(jiān)管方面進(jìn)行分析，或是未考慮時間因素的靜態(tài)分析。［2］食品供應(yīng)鏈因其規(guī)模大、流通速度快、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特性，供應(yīng)鏈運(yùn)行過程中信息孤島普遍存在，信息時效性、透明度和可靠性難以保證。區(qū)塊鏈全新的計(jì)算方式和分布式結(jié)構(gòu)吸引了金融、醫(yī)療、公共事業(yè)和政府部門等眾多行業(yè)的興趣，然而，在生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流領(lǐng)域中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的研究十分不足。

生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流要求通過制冷技術(shù)、工藝和專業(yè)設(shè)備在運(yùn)輸過程中保持其最佳的溫度環(huán)境，確保產(chǎn)品完整性和質(zhì)量安全，同時抑制細(xì)菌、減緩生物反應(yīng)、降低產(chǎn)品損耗，保持農(nóng)產(chǎn)品良好的狀態(tài)以滿足客戶的要求，生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈?zhǔn)歉叨葘I(yè)化的物流方式。［3］農(nóng)產(chǎn)品冷鏈雖然與普通供應(yīng)鏈存在一定的相似性，但是生鮮農(nóng)產(chǎn)品物流過程中質(zhì)量退化具有累積性和不可逆性，其產(chǎn)品質(zhì)量很大程度受物流過程中的溫度和濕度條件影響，物流過程要求遵循“3T”（溫度、濕度、時間）原則，嚴(yán)格控制物流的時間、溫度和濕度。［4］因而，研究區(qū)塊鏈技術(shù)在生鮮產(chǎn)品冷鏈物流中的應(yīng)用對于保障食品安全有很大意義。

本文的總體目標(biāo)是演示采用區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈和智能契約如何有效地監(jiān)管和跟蹤生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈中的業(yè)務(wù)交易和工作流，并且通過分布式技術(shù)使整個過程達(dá)到去中心化，以實(shí)現(xiàn)冷鏈的可視化和追溯性。本文的主要貢獻(xiàn)在于：第一，提出了一個基于區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈和智能和約的解決方案和框架，用于實(shí)現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈的可視化和可追溯性。第二，討論并突出了區(qū)塊鏈解決方案在總體設(shè)計(jì)和體系結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵方面，包括主要參與者、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和關(guān)鍵利益相關(guān)者之間的信息交互及序列圖。

一、區(qū)塊鏈在食品供應(yīng)鏈中已有相關(guān)應(yīng)用研究

區(qū)塊鏈作為分布式新興技術(shù)吸引了金融、醫(yī)療、公共事業(yè)和政府部門等眾多行業(yè)的興趣，雖然有關(guān)區(qū)塊鏈在銀行、金融和保險行業(yè)的應(yīng)用文獻(xiàn)一直在穩(wěn)步增加，然而，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于食品領(lǐng)域的研究依然十分不足。George 等人提出了基于區(qū)塊鏈的可追溯性解決方案，開發(fā)了一個用于跟蹤從農(nóng)場到餐桌的可追溯系統(tǒng)。［5］顏波等引入物聯(lián)網(wǎng)自主識別系統(tǒng)，基于RFID 和NFC 設(shè)備實(shí)現(xiàn)食品供應(yīng)鏈的透明度和生產(chǎn)信息的實(shí)時監(jiān)控，并通過云數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)食品信息的有效儲存。［6］Mercier 等介紹了食品冷鏈的時間、溫度等關(guān)鍵控制因素的管理方案。［7］劉敖迪等人從信息技術(shù)角度探討了如何將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于信息安全領(lǐng)域，強(qiáng)調(diào)了區(qū)塊鏈安全性、完整性和信任相關(guān)的關(guān)鍵方面。［8］Lin 等人回顧了區(qū)塊鏈用于農(nóng)業(yè)信息通信技術(shù)系統(tǒng)的概念，提出了一個使用區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)業(yè)信息通信技術(shù)系統(tǒng)模型，并對中國食品安全可追溯系統(tǒng)建設(shè)現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，為政府制定相關(guān)政策提供了建議。［9］

相關(guān)文獻(xiàn)顯示，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠?yàn)榇_保農(nóng)產(chǎn)品的可追溯性和質(zhì)量安全提供實(shí)用的解決方案。過去，大量文獻(xiàn)關(guān)于食品安全的研究大多是從政策監(jiān)管方面進(jìn)行分析，或是未考慮時間因素的靜態(tài)分析，雖然討論了區(qū)塊鏈在農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈中的概念性應(yīng)用，但缺乏關(guān)于生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈溯源方面的具體實(shí)施框架或方法。本文提出了一種支持監(jiān)管部門、企業(yè)和消費(fèi)者實(shí)時監(jiān)控和追溯的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈追溯框架，提供高效、可信、安全和分散的跟蹤解決方案，來彌補(bǔ)現(xiàn)有區(qū)塊鏈生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈方面的研究空白。首先，以水果，蔬菜、水產(chǎn)、肉類和乳制品等生鮮農(nóng)產(chǎn)品作為目標(biāo)，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備對農(nóng)產(chǎn)品冷鏈環(huán)節(jié)（冷鏈加工、冷鏈倉儲、冷鏈運(yùn)輸、冷鏈銷售）的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和性能分析；其次，通過區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈系統(tǒng)完成信息自動采集和存儲，實(shí)施產(chǎn)品全程跟蹤檢測和低溫安全預(yù)警，確保冷鏈中農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全。區(qū)塊鏈的分布式信息存儲側(cè)重透明度，任何人不能篡改，數(shù)據(jù)安全可靠，可以對已售問題生鮮農(nóng)產(chǎn)品能夠進(jìn)行后續(xù)質(zhì)量追溯，為產(chǎn)品召回提供便利，可視化的業(yè)務(wù)流程和業(yè)務(wù)溯源能夠明確冷鏈上企業(yè)的責(zé)任，以保證消費(fèi)者的權(quán)益，可以更好地解決現(xiàn)存的食品安全問題。

二、可追溯性方案設(shè)計(jì)

本節(jié)將描述提出的解決方案，該解決方案利用區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈和智能合約來監(jiān)管、追蹤和執(zhí)行生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈中的交易，為生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈管理提供完整、可靠和安全的交易記錄。

（一）聯(lián)盟鏈概述

聯(lián)盟鏈需要注冊以獲得權(quán)限，鏈上的規(guī)則由成員共同制定、執(zhí)行和維護(hù)。開放程度可以根據(jù)具體的應(yīng)用場景來選擇，成員通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入，相關(guān)重要信息可以得到保護(hù)。相較于公有鏈這種方式交易速度更快，安全和隱私保護(hù)要求更高；相較于私有鏈則進(jìn)入條件更低，節(jié)點(diǎn)地位平等，算力更高，數(shù)據(jù)不可篡改。聯(lián)盟鏈技術(shù)架構(gòu)從上到下分為三層，應(yīng)用層在區(qū)塊鏈環(huán)境下基于API（應(yīng)用程序編程接口）和智能合約技術(shù)的功能模塊，用于應(yīng)用程序開發(fā)和業(yè)務(wù)處理；控制層通過非對稱機(jī)密技術(shù)和數(shù)據(jù)審計(jì)加強(qiáng)安全性和數(shù)據(jù)可靠性；核心層通過區(qū)塊鏈底層網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建分布式共識和權(quán)限管理機(jī)制。本研究分析了生鮮農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)和流通特點(diǎn)，采用聯(lián)盟鏈建立包括參與主體、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和區(qū)塊鏈技術(shù)方的區(qū)塊鏈驅(qū)動的食品冷鏈安全溯源機(jī)制。這三方具體所指分述如下：

參與主體，即生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈溯源的主要參與者，包括原材料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、批發(fā)商、物流商、零售商、消費(fèi)者和回收商等。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)，即在區(qū)塊鏈中接入并具有開放信息問詢權(quán)的一方，對生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈的運(yùn)營進(jìn)行全程動態(tài)監(jiān)管，能夠解決監(jiān)管對象信息獲取難、監(jiān)管效率低、信息質(zhì)量差、監(jiān)管成本高等現(xiàn)存問題。出現(xiàn)食品安全事件時監(jiān)管機(jī)構(gòu)能夠即時收集證據(jù)，追溯責(zé)任方，提高監(jiān)管部門的威懾能力能防止此類事件再次發(fā)生。

區(qū)塊鏈技術(shù)方，即受雇維護(hù)平臺。區(qū)塊鏈技術(shù)方不是傳統(tǒng)的核心企業(yè)，雖然提供技術(shù)支持，但沒有密鑰仍然不能進(jìn)行信息訪問，不存在信息泄露風(fēng)險。

（二）一般系統(tǒng)概述

智能合同有潛力將生鮮農(nóng)產(chǎn)品和食品安全轉(zhuǎn)化為一個集成的智能系統(tǒng)，確保交付給終端客戶的產(chǎn)品質(zhì)量。我們提出的框架和解決方案將重點(diǎn)關(guān)注在聯(lián)盟鏈平臺上自動執(zhí)行的智能合約的使用上。智能合約代碼的執(zhí)行構(gòu)成了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的挖掘節(jié)點(diǎn)執(zhí)行，執(zhí)行結(jié)果由所有挖掘節(jié)點(diǎn)共同商定。挖掘節(jié)點(diǎn)可以是分布在全球的所有用于收集、驗(yàn)證和執(zhí)行事務(wù)的計(jì)算機(jī)。區(qū)塊鏈可以被視為具有接近100%正常運(yùn)行時間的全球計(jì)算機(jī)器，數(shù)據(jù)庫和分類賬的內(nèi)容被復(fù)制到數(shù)千臺計(jì)算機(jī)上，即使網(wǎng)絡(luò)中99%的計(jì)算機(jī)脫機(jī)，記錄仍保持可訪問狀態(tài)，網(wǎng)絡(luò)可以自行重建。在區(qū)塊鏈中，智能契約將以函數(shù)調(diào)用的形式接收事務(wù)，并持續(xù)監(jiān)視、跟蹤，一旦運(yùn)行途中出現(xiàn)違規(guī)操作或發(fā)生安全問題，智能合約將按聯(lián)盟鏈?zhǔn)孪壬逃憣懭氲暮霞s代碼發(fā)出預(yù)警、自動調(diào)節(jié)，最終有助于將條件恢復(fù)到最佳狀態(tài)。圖1 說明了生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈追溯性管理解決方案的系統(tǒng)架構(gòu)的總體概況。

圖1 使用聯(lián)盟鏈和智能合約實(shí)現(xiàn)生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈可追溯性的流程概述

如圖1 所示，整個流程主要參與主體包括冷庫、物流商、種苗公司、農(nóng)戶、產(chǎn)地批發(fā)市場、加工商、銷地批發(fā)市場、零售商、消費(fèi)者以及執(zhí)行智能契約的區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈。冷鏈所有參與者和相關(guān)節(jié)點(diǎn)與星際文件系統(tǒng)（Inter Planetary File System，以下簡稱IPFS）相鏈接構(gòu)成一個分布式文件系統(tǒng)，IPFS 是一個旨在創(chuàng)建持久且分布式存儲和共享文件的網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，它是一種內(nèi)容可尋址的對等超媒體分發(fā)協(xié)議，其中文件的內(nèi)容由多個對等點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)存儲，它以高度的完整性和彈性存儲文件內(nèi)容。［10］此外，在區(qū)塊鏈中，每個參與者都必須有一個聯(lián)盟鏈賬戶，該賬戶由唯一標(biāo)識參與者的地址和用于加密的公鑰和私鑰組成。通過對每個事務(wù)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字簽名和驗(yàn)證，并將冷鏈上每個事務(wù)與特定的賬戶關(guān)聯(lián)起來。

（三）方案設(shè)計(jì)

生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈的參與主體都與區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈和智能契約相交互，同時向IPFS 上傳生鮮農(nóng)產(chǎn)品的3T（溫度、濕度、時間）信息與交易細(xì)節(jié)。共有10 個參與實(shí)體，其作用分述如下：

種苗公司按標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)農(nóng)作物和養(yǎng)殖動物種苗，然后將種苗銷售給農(nóng)戶。

農(nóng)戶從種苗公司購買種苗，進(jìn)行農(nóng)作物種植、畜牧或水產(chǎn)養(yǎng)殖，定期監(jiān)測和記錄生長細(xì)節(jié)上傳到IPFS系統(tǒng)，交易信息以散列形式記錄到智能合約中。

冷庫則起著至關(guān)重要的作用。冷鏈各環(huán)節(jié)均需配置相應(yīng)的保鮮庫、氣調(diào)庫、冷藏庫等適合該產(chǎn)品的冷庫對生鮮農(nóng)產(chǎn)品或最終產(chǎn)品進(jìn)行冷鏈倉儲。儲存生鮮農(nóng)產(chǎn)品時要考慮的重點(diǎn)是適應(yīng)該產(chǎn)品的溫度、濕度和儲存時間等。儲存過程中應(yīng)以先進(jìn)先出為原則，盡量減少產(chǎn)品儲存時間，保證生鮮農(nóng)產(chǎn)品良好的新鮮度。同時，在最終產(chǎn)品進(jìn)入市場之前，為了保持產(chǎn)品新鮮度要對產(chǎn)品進(jìn)行低溫儲存，然后再根據(jù)訂單需求進(jìn)行配送。

產(chǎn)地批發(fā)市場負(fù)責(zé)從當(dāng)?shù)剞r(nóng)民處購買生鮮農(nóng)產(chǎn)品，對等級和質(zhì)量進(jìn)行篩選、分級，銷售給食品加工商。

加工商從產(chǎn)地批發(fā)市場購買生鮮農(nóng)產(chǎn)品，按需求將生鮮農(nóng)產(chǎn)品加工至不需要進(jìn)一步的處理或加工的最終產(chǎn)品。

物流商也扮演重要角色。在冷鏈物流環(huán)節(jié)中，必須遵循“3T”原則嚴(yán)格控制物流的時間、溫度和濕度，采用專用冷藏冷凍設(shè)備對不同種類的生鮮農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行持續(xù)冷藏，防止生鮮農(nóng)產(chǎn)品在運(yùn)輸途中腐爛變質(zhì)，通過公路冷藏車和冷藏保溫車等冷鏈運(yùn)輸設(shè)備進(jìn)行冷鏈運(yùn)輸。同時，物流商必須在運(yùn)輸過程中保證冷鏈不出現(xiàn)“斷鏈”現(xiàn)象。

銷地批發(fā)市場參與的活動是從加工商處購買最終產(chǎn)品按需銷售給當(dāng)?shù)亓闶凵獭?/p>

零售商從銷地批發(fā)市場處購買最終產(chǎn)品，出售給消費(fèi)者。

消費(fèi)者是從零售商處少量購買最終產(chǎn)品的一方。

監(jiān)管機(jī)構(gòu)所發(fā)揮的作用是：為確保生鮮農(nóng)產(chǎn)品符合國家標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時核查產(chǎn)品數(shù)據(jù)，及時糾正安全隱患做到事前控制，出現(xiàn)安全問題時快速完成產(chǎn)品召回。

如圖1 所示，生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈的所有參與者將該節(jié)點(diǎn)的元數(shù)據(jù)都上傳至IPFS 系統(tǒng)，IPFS 的散列存儲在智能合約中，同時所有交易信均通過聯(lián)盟鏈和智能合約完成，并且監(jiān)管機(jī)構(gòu)和相關(guān)利益方可以對產(chǎn)品進(jìn)行全程監(jiān)控和追溯。種苗公司銷售種苗，農(nóng)戶從種子公司購買種子并進(jìn)行耕種。產(chǎn)地批發(fā)市場從當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶處購買生鮮農(nóng)產(chǎn)品，檢查溫度、濕度、時間等相關(guān)因素，經(jīng)過篩選和分級后將生鮮農(nóng)產(chǎn)品銷售給加工商。加工商分從產(chǎn)地批發(fā)市場處購買生鮮農(nóng)產(chǎn)品加工成最終產(chǎn)品銷售給銷地批發(fā)市場，銷地批發(fā)市場購買大量最終產(chǎn)品銷售給當(dāng)?shù)亓闶凵?，零售商從?jīng)銷商或批發(fā)商那里購買少量產(chǎn)品，然后直接賣給消費(fèi)者。

在聯(lián)盟鏈和IPFS 中，所有圖像、數(shù)據(jù)和記錄都由參與者通過聯(lián)盟鏈賬戶上傳，每個事物都經(jīng)過數(shù)字簽名，信息上傳者將對不準(zhǔn)確信息或欺詐信息負(fù)責(zé)。聯(lián)盟鏈自動編程通過參與成員商議便攜的智能合約對欺詐行為進(jìn)行懲罰。各獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)連接起來，形成透明、安全、可靠的信息收集、存儲、傳遞、查詢和共享環(huán)境。發(fā)生安全問題時，區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)按聯(lián)盟鏈商討寫入的合約代碼發(fā)出預(yù)警，自動調(diào)節(jié)。相關(guān)企業(yè)和監(jiān)管部門可以實(shí)時核查產(chǎn)品數(shù)據(jù)，及時糾正安全隱患做到事前控制，即使出現(xiàn)問題也能快速完成產(chǎn)品召回。區(qū)塊鏈通過為每個點(diǎn)生成單個記錄不僅能夠快速明確安全事故的責(zé)任主體，其防篡改特性也為政府監(jiān)管提供了技術(shù)手段，切斷了發(fā)生食品安全事故時企業(yè)逃避責(zé)任和相互推諉的可能，保障了消費(fèi)者權(quán)益。

三、可追溯性實(shí)現(xiàn)

基于區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈和智能合約的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈可追溯性方案中，每個生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈參與實(shí)體都有一個聯(lián)盟鏈注冊賬戶，并通過調(diào)用內(nèi)部函數(shù)參與智能合約執(zhí)行交易。

（一）交互流程

1. 種苗公司、農(nóng)戶、智能合約和產(chǎn)地批發(fā)市場交互流程

圖2 描述了農(nóng)民創(chuàng)建智能合約的交易時序。根據(jù)農(nóng)戶和種苗公司之間的離線協(xié)議，農(nóng)戶從種苗公司購買種苗，然后創(chuàng)建智能合約購買種苗事務(wù)，并將其提供給交易參與者雙方（即農(nóng)戶和種苗公司）。如圖2所示，生長情況通過上傳生長信息的函數(shù)進(jìn)行記錄。農(nóng)戶每更新一次生長信息，智能契約就存儲一個IPFS散列，并向冷鏈的聯(lián)盟鏈所有參與節(jié)點(diǎn)廣播。收獲時，農(nóng)民和產(chǎn)地批發(fā)市場通過離線協(xié)議來交易生產(chǎn)的生鮮農(nóng)產(chǎn)品。產(chǎn)地批發(fā)市場將生鮮農(nóng)產(chǎn)品存儲到冷庫中，并上傳儲存溫度、濕度、儲存的時間、數(shù)量、重量等詳細(xì)信息。圖2 完整地顯示了從農(nóng)戶購買種苗到銷售生鮮農(nóng)產(chǎn)品給產(chǎn)地批發(fā)市場的交易序列。

圖2 種苗公司、農(nóng)戶、智能合約和產(chǎn)地批發(fā)市場的交互序列圖

2. 產(chǎn)地批發(fā)市場、智能合約、加工商和銷地批發(fā)市場的交互流程

圖3 描述了加工商生產(chǎn)最終產(chǎn)品并銷售給銷地批發(fā)市場的交易序列。加工商購買產(chǎn)地批發(fā)市場存儲在冷庫中的生鮮農(nóng)產(chǎn)品，并創(chuàng)建智能合約及執(zhí)行函數(shù)（購買生鮮農(nóng)產(chǎn)品），該函數(shù)包含加工商聯(lián)盟鏈賬戶、產(chǎn)地批發(fā)市場聯(lián)盟鏈賬戶、產(chǎn)品屬性細(xì)節(jié)和購買日期等。向產(chǎn)地批發(fā)市場購買農(nóng)產(chǎn)品的事件觸發(fā)銷售生鮮農(nóng)產(chǎn)品的函數(shù)。然后，銷地批發(fā)市場向加工商發(fā)送購買需求，從加工商處購買最終產(chǎn)品并存儲在冷庫中。觸發(fā)事件函數(shù)（從加工商處購買最終產(chǎn)品），該函數(shù)的參數(shù)包括加工商的聯(lián)盟鏈賬戶、銷地批發(fā)市場的聯(lián)盟鏈賬戶、最終產(chǎn)品的屬性細(xì)節(jié)和銷售日期等。所有交易事務(wù)實(shí)時向網(wǎng)絡(luò)中的冷鏈聯(lián)盟鏈所有成員廣播，事務(wù)參數(shù)包括買賣雙方的聯(lián)盟鏈賬戶、交易的產(chǎn)品屬性細(xì)節(jié)和銷售日期等。

圖3 產(chǎn)地批發(fā)市場、智能合約、加工商和銷地批發(fā)市場的交互序列圖

3. 銷地批發(fā)市場、智能合約、零售商和消費(fèi)者的交互流程

圖4 顯示了零售商從產(chǎn)地批發(fā)市場購買最終產(chǎn)品并銷售給消費(fèi)者的交易序列。零售商向分銷商請求一定數(shù)量的最終產(chǎn)品，銷地批發(fā)市場與之進(jìn)行交易。零售商執(zhí)行函數(shù)向銷地批發(fā)市場購買最終產(chǎn)品，并激活事件從銷地批發(fā)市場購買產(chǎn)品。分銷商通過執(zhí)行函數(shù)銷售最終產(chǎn)品給零售商。

圖4 銷地批發(fā)市場、智能合約、零售商和消費(fèi)者的交互序列圖

（二）可追溯框架

可追溯解決方案通過區(qū)塊鏈完成生鮮農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸、銷售的所有流程數(shù)據(jù)可視化追溯，從種苗開始將生鮮農(nóng)產(chǎn)品的所有必要信息作為原始信息輸入，區(qū)塊鏈直接連接RFID、GPS、條形碼、傳感器等，RFID 技術(shù)記錄生產(chǎn)過程細(xì)節(jié)，運(yùn)輸環(huán)節(jié)通過GIS、GPRS 技術(shù)和5G 通信技術(shù)對冷藏車進(jìn)行監(jiān)控，這些傳感器可以在運(yùn)輸過程中持續(xù)中繼并發(fā)送產(chǎn)品和運(yùn)輸狀態(tài)的通知。區(qū)塊鏈的分式信息高效整合了生鮮農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈的商流、物流、資金流和信息流，提高了供應(yīng)鏈整體的運(yùn)行效率，一旦發(fā)生安全問題，區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)將按聯(lián)盟鏈?zhǔn)孪壬逃憣懭氲暮霞s代碼發(fā)出預(yù)警。將各獨(dú)立的冷鏈節(jié)點(diǎn)連接起來，可實(shí)現(xiàn)參與成員之間透明、安全、可靠的信息收集、存儲、傳遞、查詢。

區(qū)塊鏈技術(shù)驅(qū)動的分布式冷鏈安全溯源系統(tǒng)架構(gòu)如圖5 所示，生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈上的所有事務(wù)實(shí)時在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)中向所有參與節(jié)點(diǎn)廣播共享,實(shí)現(xiàn)信息的透明和高效傳播，利益相關(guān)者可根據(jù)需要通過區(qū)塊鏈對事務(wù)信息進(jìn)行實(shí)時查詢，將原來幾天才能完成的從消費(fèi)者到農(nóng)戶的全程冷鏈追溯縮短到幾分鐘。

區(qū)塊鏈驅(qū)動的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追溯系統(tǒng)中，所有參與者都擁有完整副本，元數(shù)據(jù)由冷鏈參與者發(fā)送到區(qū)塊中，但只有經(jīng)過所有者許可才能被其他人訪問。元數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈上，被打包成區(qū)塊進(jìn)行加密同時蓋上一個時間戳，區(qū)塊按順序連接形成區(qū)塊鏈，時間戳證明了特定時刻一定存在特定數(shù)據(jù)。僅在鏈上所有參與者都同意時才能更改或添加區(qū)塊，所以從技術(shù)上講，只要數(shù)據(jù)規(guī)模夠大，區(qū)塊鏈上可以完全避免惡意欺騙或操縱數(shù)據(jù)?，F(xiàn)實(shí)中，冷鏈參與者在冷鏈倉儲和物流環(huán)節(jié)為了節(jié)約成本為了可能會隱瞞交易記錄或者冷鏈數(shù)據(jù)。為了克服這種類型的欺詐，可以通過智能合同對區(qū)塊鏈進(jìn)行編程識別欺詐行為，使其具有附加功能以使發(fā)貨或整個供應(yīng)鏈流程失效，并采取一些行動對欺詐的利益相關(guān)者進(jìn)行懲罰，或采取替代和糾正措施。這將構(gòu)成新的糾正數(shù)據(jù)和操作，這些數(shù)據(jù)和操作區(qū)塊鏈會自動記錄數(shù)據(jù)，并通過聯(lián)盟鏈賬戶確認(rèn)數(shù)據(jù)的來源，即使出現(xiàn)欺詐行為，所有參與者和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)可以追溯到問題節(jié)點(diǎn)，確保生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈的可跟蹤性和可審核性。值得注意的是，在我們的解決方案中區(qū)塊鏈只提供溯源技術(shù)，不制定政策，不會取代任何行業(yè)和監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)程序。區(qū)塊鏈驅(qū)動的生鮮農(nóng)產(chǎn)品冷鏈監(jiān)控追溯系統(tǒng)連接供應(yīng)鏈參與者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)，鏈上任意兩個節(jié)點(diǎn)通過點(diǎn)對點(diǎn)進(jìn)行信息傳輸，省去了監(jiān)督和審計(jì)環(huán)節(jié)，既能節(jié)省交易成本，提高效率，也能保證數(shù)據(jù)安全。

圖5 基于區(qū)塊鏈的冷鏈溯源體系框架

四、結(jié)論

目前，冷鏈物流行業(yè)落后的技術(shù)和管理系統(tǒng)不僅使食品行業(yè)損失慘重，還對食品安全構(gòu)成威脅。冷鏈物流系統(tǒng)類型復(fù)雜,硬件和軟件設(shè)備落后，信息系統(tǒng)分散等問題極易引發(fā)食品安全問題。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，許多新興技術(shù)被應(yīng)用于可追溯系統(tǒng)。然而，到目前為止，幾乎所有的研究系統(tǒng)都使用集中的信息系統(tǒng)，可能會導(dǎo)致信任問題，如欺詐、腐敗、篡改。本文提出的解決方案和通用框架，利用區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈和智能合約來監(jiān)控、追溯和執(zhí)行交易事務(wù)，提高了冷鏈運(yùn)作效率和信息透明度，極大地降低了集中式信息系統(tǒng)的風(fēng)險，不僅能夠降低生鮮食品供應(yīng)鏈的生產(chǎn)、環(huán)境和社會成本，還能增強(qiáng)代理商信任和客戶滿意度。本文的可追溯性解決方案能夠保障信息安全，提高監(jiān)管的效率，解決冷鏈的可追溯性問題，實(shí)現(xiàn)全鏈追溯管理，從而確保生鮮農(nóng)產(chǎn)品的安全和品質(zhì)，增強(qiáng)居民農(nóng)產(chǎn)品消費(fèi)信心。到目前為止，區(qū)塊鏈技術(shù)仍然面臨著與可伸縮性、治理、身份注冊、隱私等相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，未來的研究計(jì)劃著眼于解決其中一些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并制定相關(guān)解決方案。