區(qū)塊鏈技術(shù)在冷鏈?zhǔn)称匪菰粗袘?yīng)用的研究

姚 超,唐 松

(河北華燁冀科信息技術(shù)有限責(zé)任公司，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著人們食品消費特別是生鮮食品需求的不斷增加，冷鏈物流行業(yè)得到了快速發(fā)展。國際冷鏈?zhǔn)袌鰪?015年到2020年保持年均13.9%的增長，2020年達(dá)到2719億美元，我國在2017年冷鏈?zhǔn)袌鲆?guī)模已達(dá)到290.4億美元，預(yù)計2020年將達(dá)到586.6億美元[1]。冷鏈?zhǔn)称肥菍囟茸兓舾械漠a(chǎn)品,通過溫度的管理確保食品的質(zhì)量和安全，這是一個低溫分配系統(tǒng)，需要經(jīng)過復(fù)雜的多級分配，難以管理和跟蹤質(zhì)量。特別是，傳統(tǒng)批發(fā)市場的占比達(dá)到了53%,通常從生產(chǎn)者到零售商至少通過5個流通系統(tǒng)才能交付給最終消費者。因此，為了確保在流通的各個環(huán)節(jié)中冷鏈?zhǔn)称返馁|(zhì)量安全，相關(guān)的信息追溯技術(shù)必不可少。在此前，國家疾病預(yù)防控制中心對青島新冠肺炎疫情溯源調(diào)查過程中，從冷鏈?zhǔn)称吠獍b陽性樣本中分離到活病毒。可以說溯源貫穿于冷鏈?zhǔn)称饭?yīng)、生產(chǎn)加工、儲存、運輸、銷售等環(huán)節(jié)，而運用區(qū)塊鏈技術(shù)的留痕特性能有效解決冷鏈?zhǔn)称妨魍ㄐ畔⒐聧u問題，進(jìn)一步保證食品安全，改善民生，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)增長。

1 冷鏈?zhǔn)称匪菰船F(xiàn)狀

冷鏈?zhǔn)称饭?yīng)鏈遼闊，遍布全球，由于牽涉范圍廣，溯源是一個比較復(fù)雜的過程，貫穿于冷鏈?zhǔn)称饭?yīng)、生產(chǎn)加工、儲存、運輸、銷售等環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都需要很嚴(yán)格的把控[2]。如冷鏈?zhǔn)称芬殉蔀樾鹿诓《疽咔閭魅胫袊囊粋€重要途徑，目前，生鮮食品安全問題頻繁發(fā)生，對于其相關(guān)信息追溯也相當(dāng)困難。

1.1 信息的真實性無法確保

食物的三個重要來源是農(nóng)作物，牲畜和海鮮。 人們常常會為了高產(chǎn)，使用劇毒農(nóng)藥和過量肥料，食品帶有持久性化學(xué)殘留污染物。追求增加牛奶和肉類的產(chǎn)量，使用生長激素和違禁藥物，嚴(yán)重影響人類健康并增加人類罹患各種癌癥的風(fēng)險。不法商人篡改食品有效期、更改說明書、打印錯誤的添加成分、以及不適當(dāng)?shù)拇鎯囟?，這些都是增加加工和運輸過程中食品安全和公共健康風(fēng)險的重要來源。

1.2 各個環(huán)節(jié)無法實現(xiàn)信息共享

在冷鏈?zhǔn)称钒踩矫孢M(jìn)行供應(yīng)鏈管理時，供應(yīng)鏈的可見性是一個重要問題。冷鏈?zhǔn)称饭?yīng)鏈比其他供應(yīng)鏈更為復(fù)雜。確保從源頭到目的地的冷鏈?zhǔn)称饭?yīng)鏈中存有相關(guān)數(shù)據(jù)是一項巨大的挑戰(zhàn)。這些數(shù)據(jù)對于預(yù)防食源性疾病風(fēng)險、食品完整性問題以及各種食品檢驗檢疫證書至關(guān)重要。Aung和Chang[3]描述了食品供應(yīng)鏈中有關(guān)食品安全和質(zhì)量改善的可追溯性的重要性。

而且有證據(jù)表明，消費者現(xiàn)在更加擔(dān)心他們購買的產(chǎn)品是否在具有可接受規(guī)格的適當(dāng)環(huán)境設(shè)施中生產(chǎn)。我們還發(fā)現(xiàn)，在新冠病毒大流行期間，超市對認(rèn)證冷凍食品和肉類的需求很高。生產(chǎn)者與食品認(rèn)證者，批發(fā)商，零售商和消費者共享基本信息的需求日益增加。非政府組織和政府監(jiān)管部門也要求從源頭到零售的整個供應(yīng)鏈都具有更高的透明度，可見性和可追溯性[4]。

2 冷鏈?zhǔn)称匪菰磻?yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的可行性

回顧區(qū)塊鏈技術(shù)的各種應(yīng)用領(lǐng)域，例如以比特幣為起點，數(shù)字版權(quán)的認(rèn)證和管理，智能合約的自動結(jié)算交易以及身份認(rèn)證等。因其通過分布式數(shù)據(jù)存儲、共識機(jī)制、加密算法、點對點傳輸?shù)燃夹g(shù)的集成，可有效解決傳統(tǒng)交易模式中數(shù)據(jù)在系統(tǒng)內(nèi)流轉(zhuǎn)過程中的造假行為。區(qū)塊鏈技術(shù)在食品流通管理中應(yīng)用案例如，沃爾瑪及其技術(shù)合作伙伴IBM 設(shè)計的基于Hyperledger Fabric的食品追溯系統(tǒng)，旨在確保消費者對食品安全的信心，采用了分布式食品供應(yīng)生態(tài)系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在物流和供應(yīng)鏈管理中[5]。使用區(qū)塊鏈技術(shù)來追蹤食品的流通，給食品在何時何地生產(chǎn)、流通加上時間戳記，并且可以識別偽造品，從而提高了食品的安全性。這表明，區(qū)塊鏈技術(shù)可用于冷鏈?zhǔn)称匪菰垂芾?，以便供?yīng)渠道復(fù)雜時實現(xiàn)冷鏈?zhǔn)称钒踩馁徺I，并為后續(xù)流通過程中檢測出的問題能夠及時跟蹤和解決。

區(qū)塊鏈在P2P(Peer to Peer)網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生的交易信息分布在網(wǎng)絡(luò)所有成員的節(jié)點上，是一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，節(jié)點數(shù)據(jù)可以在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行共享，甚至可以在分布式環(huán)境中進(jìn)行實時共享，通過共識算法維護(hù)一致的數(shù)據(jù)。因此，區(qū)塊鏈也稱為分布式賬本，由許多塊組成，其中包含許多交易的信息。 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的參與者(節(jié)點)可以在沒有中繼或第三方的情況下進(jìn)行直接交易，并且由于該區(qū)塊經(jīng)過驗證，因此僅添加網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點共識后的區(qū)塊，從而確保了可靠性。生成新交易時，會將其組織為塊單位，由于塊是按時間排列的，因此，由于需要重新生成所有隨后的塊，因此很難操縱前一個塊的內(nèi)容。 區(qū)塊鏈系統(tǒng)由多種技術(shù)組成，包括對等網(wǎng)絡(luò)、共識算法、數(shù)字簽名和哈希以及智能合約。

基于上述兩點分析，區(qū)塊鏈在冷鏈?zhǔn)称纷匪葜械膽?yīng)用是可行的。區(qū)塊鏈可分為三種類型：公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈。目前常用的區(qū)塊鏈技術(shù)框架包括比特幣、以太坊、Fabric和Fisco等。Fabric和Fisco屬于聯(lián)盟鏈，結(jié)構(gòu)的特點適合于企業(yè)和組織間信息流轉(zhuǎn)，其服務(wù)可以限制未經(jīng)授權(quán)的參加者進(jìn)入[6]。另外，存在交易處理期間用于驗證交易的節(jié)點，從而可以盡早排除不確定的交易，且Fisco是標(biāo)準(zhǔn)的國產(chǎn)底鏈，支持國密算法，出于安全角度考慮更具有優(yōu)勢。基于上述優(yōu)點，本文旨在設(shè)計一種基于Fisco架構(gòu)的冷鏈?zhǔn)称匪菰聪到y(tǒng)。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的冷鏈?zhǔn)称匪菰聪到y(tǒng)構(gòu)建

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本文提出了一種基于聯(lián)盟鏈的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，只有冷鏈?zhǔn)称穮⑴c者才可以有寫權(quán)限。系統(tǒng)分為三個模塊:監(jiān)管端、企業(yè)端和公眾查詢端。其中監(jiān)管端包含省局、市局和區(qū)縣局等單位的監(jiān)管賬號的分配，實現(xiàn)冷庫相關(guān)企業(yè)的管理與冷鏈?zhǔn)称返娜湕l追溯監(jiān)管；企業(yè)端包含冷鏈?zhǔn)称方?jīng)營企業(yè)(含生產(chǎn)、流通、餐飲企業(yè))，主要實現(xiàn)企業(yè)信息和冷鏈?zhǔn)称妨魍ㄐ畔⒌匿浫?；對于公眾端用戶可通過手機(jī)端直接掃碼查詢商品的溯源信息，對于該系統(tǒng)只有讀相關(guān)追溯信息權(quán)限。圖1顯示了系統(tǒng)架構(gòu)的設(shè)計圖，整個系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計可以分為三個層次：應(yīng)用層、擴(kuò)展層、協(xié)議件。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計圖

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用層

應(yīng)用層主要面向平臺用戶，主要包括冷鏈?zhǔn)称方?jīng)營者和貨品備案平臺、冷鏈?zhǔn)称菲髽I(yè)入網(wǎng)平臺、監(jiān)管端審核與查看平臺、冷鏈?zhǔn)称烦鋈霂旃芾砥脚_、供應(yīng)商和客戶管理平臺、冷鏈?zhǔn)称纷匪菖c預(yù)警平臺。

3.2.1 冷鏈?zhǔn)称方?jīng)營者和貨品備案平臺

實現(xiàn)冷鏈?zhǔn)称穫浒傅目旖蒉k理與網(wǎng)上辦理。經(jīng)營者可以通過電腦端和手機(jī)APP實現(xiàn)冷鏈?zhǔn)称返目旖蒉k理與網(wǎng)上辦理。

3.2.2 冷鏈?zhǔn)称菲髽I(yè)入網(wǎng)平臺

企業(yè)用戶通過自行注冊的方式進(jìn)行入網(wǎng)，對應(yīng)監(jiān)管部門審核后，企業(yè)可進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行后續(xù)信息錄入工作。冷鏈?zhǔn)称菲脚_支持連鎖型企業(yè)，減少企業(yè)基礎(chǔ)信息的錄入工作量。

入網(wǎng)企業(yè)類型分為：法人企業(yè)、個體工商戶、個人。經(jīng)營類型：冷庫使用、冷庫租賃。企業(yè)注冊信息包含企業(yè)類型、經(jīng)營類型、企業(yè)類別、企業(yè)名稱、企業(yè)統(tǒng)一社會信用代碼、所在地區(qū)、詳細(xì)地址、GIS定位信息(經(jīng)緯度，使用手機(jī)端可基于LBS獲取定位信息)、聯(lián)系人、聯(lián)系電話、營業(yè)執(zhí)照、許可證信息等。

為減少無效數(shù)據(jù)對平臺資源的占用，同時提高企業(yè)的體驗感，將使用手機(jī)號與手機(jī)驗證相結(jié)合的方式實現(xiàn)企業(yè)入網(wǎng)注冊、密碼找回、短信通知等。企業(yè)可在登錄后查詢?nèi)刖W(wǎng)審核情況，若申請被駁回，則可繼續(xù)修改企業(yè)信息重新提交，減少重新錄入的工作量。

3.2.3 監(jiān)管端審核與查看平臺

監(jiān)管用戶通過入網(wǎng)審核功能對準(zhǔn)入網(wǎng)企業(yè)提交的企業(yè)信息進(jìn)行審核，操作包含審核通過或駁回。審核通過后企業(yè)可使用注冊時的手機(jī)號進(jìn)行登錄，繼續(xù)后續(xù)操作，審核駁回后企業(yè)可針對問題信息項進(jìn)行修改完善，重新提交。實現(xiàn)監(jiān)管用戶對管轄行政區(qū)域范圍內(nèi)的入網(wǎng)企業(yè)進(jìn)行管理，查看企業(yè)相關(guān)信息，包含企業(yè)基礎(chǔ)信息、資質(zhì)證照信息、所有倉庫等?？筛鶕?jù)企業(yè)名稱、企業(yè)類型、企業(yè)類別等進(jìn)行檢索，以及某一時間段內(nèi)的冷鏈?zhǔn)称烦鋈霂煊涗洝?/p>

3.2.4 冷鏈?zhǔn)称烦鋈霂旃芾砥脚_

企業(yè)通過冷鏈?zhǔn)称返匿浫牍ぷ鳎瑫r又區(qū)分為首站站點收貨與非首站站點收貨，若為非首站站點收貨，錄入或掃描冷鏈?zhǔn)称纷匪荽a，系統(tǒng)將自動填充當(dāng)前批次產(chǎn)品信息，當(dāng)前企業(yè)無該商品時可自動為當(dāng)前企業(yè)創(chuàng)建該商品。若收發(fā)貨企業(yè)均為入網(wǎng)企業(yè)時，發(fā)貨信息將自動轉(zhuǎn)為收貨企業(yè)的收貨信息，收貨企業(yè)直接做收貨操作。

若為首站站點收貨，若已有冷鏈?zhǔn)称纷匪荽a則需錄入或掃碼冷鏈?zhǔn)称纷匪荽a。若無追溯碼，則收貨時需為冷鏈?zhǔn)称诽砑优涡畔⒒蚴肇浐筮M(jìn)行賦碼操作。

3.2.5 供應(yīng)商和客戶管理平臺

實現(xiàn)供應(yīng)商與客戶的共同管理，包含供應(yīng)商/客戶名稱、統(tǒng)一社會信用代碼、聯(lián)系人、聯(lián)系方式、所在地區(qū)等。

為方便企業(yè)進(jìn)行錄入，系統(tǒng)優(yōu)先查找入網(wǎng)企業(yè)，若無入網(wǎng)則繼續(xù)對接河北省法人庫，實現(xiàn)供應(yīng)商/客戶信息的自動填充。以此保證企業(yè)的唯一性，為準(zhǔn)確建立追溯鏈條奠定基礎(chǔ)。

3.2.6 冷鏈?zhǔn)称纷匪菖c預(yù)警平臺

在傳統(tǒng)追溯鏈條的基礎(chǔ)上，在區(qū)塊鏈技術(shù)平臺的支持下，實現(xiàn)冷鏈?zhǔn)称吩跁r間、空間上的關(guān)聯(lián)，包含冷鏈?zhǔn)称?、冷鏈?zhǔn)称放?、冷庫站點、相關(guān)企業(yè)、運輸車輛等，通過此種關(guān)聯(lián)關(guān)系建立立體化追溯網(wǎng)。

在傳統(tǒng)追溯鏈條的基礎(chǔ)上建立立體化追溯網(wǎng)，實現(xiàn)一地疫情全省預(yù)警，根據(jù)疫情相關(guān)聯(lián)的冷鏈?zhǔn)称芳捌渑?、冷庫站點、企業(yè)、運輸車輛等，預(yù)警與其在時間、空間相關(guān)聯(lián)的其他冷鏈?zhǔn)称?、運輸車輛、冷庫站點、相關(guān)企業(yè)等。

通過此種方式將疫情可能性的擴(kuò)散范圍預(yù)警至其他對應(yīng)相關(guān)的監(jiān)管部門，不限于自上而下或自下而上的方式，以最快的速度將疫情阻擊于最小范圍。

3.3 擴(kuò)展層

圖2 智能合約接口

智能合約是區(qū)塊鏈節(jié)點上的一個重要的功能，可以保證交易的執(zhí)行，是指根據(jù)事先定義的條件，在區(qū)塊鏈上產(chǎn)生并且編譯的軟件代碼，并由所有節(jié)點持有。根據(jù)合約自動執(zhí)行的特點，基于Fisco的區(qū)塊鏈架構(gòu)，用戶部署在區(qū)塊鏈上的合約，是在以太坊虛擬機(jī)中執(zhí)行的，因此，無需第三方干預(yù)具備安全性和可靠性的優(yōu)勢，冷鏈?zhǔn)称纷匪莸母鱾€環(huán)節(jié)不再需要依賴中央網(wǎng)絡(luò)節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳輸，完成需要共識的操作，且具有可擴(kuò)展性。以太坊虛擬機(jī)，是智能合約代碼的執(zhí)行器，智能合約被編譯成二進(jìn)制文件后，被部署到區(qū)塊鏈上。

冷鏈?zhǔn)称菲髽I(yè)錄入的采購記錄、銷售記錄、檢驗檢疫報告均通過調(diào)用智能合約的Instance接口(節(jié)點調(diào)用EVM的接口)和Callback接口(EVM回調(diào)節(jié)點的接口)，來觸發(fā)智能合約的執(zhí)行操作，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點共識后，會將記錄追加存入?yún)^(qū)塊鏈中，后續(xù)不可再更改。如圖2所示。

3.4 協(xié)議層

圖3顯示了區(qū)塊鏈分布式帳本結(jié)構(gòu)，其中各節(jié)點所有交易都在冷鏈?zhǔn)称肪W(wǎng)絡(luò)中記錄和共享。網(wǎng)絡(luò)上發(fā)生的交易信息分布在網(wǎng)絡(luò)所有成員的節(jié)點上，契約者之間的交易結(jié)果存儲在區(qū)塊中。利用數(shù)字簽名技術(shù)、非對稱加密原理實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信息的安全可靠，可以確保冷鏈?zhǔn)称沸畔⒌恼鎸嵱行А?/p>

圖3 區(qū)塊鏈共識流程圖

4 結(jié)束語

在本文中，展示了區(qū)塊鏈技術(shù)與冷鏈?zhǔn)称匪菰吹慕Y(jié)合，通過區(qū)塊鏈共識特性的實時跟蹤功能和基于智能合約的特征，來提高冷鏈?zhǔn)称饭?yīng)鏈的可視性，并簡化參與者之間的工作。它用于應(yīng)用冷鏈?zhǔn)称返目勺匪菪?，使監(jiān)管部門和消費者能夠確定生產(chǎn)地點、加工和中轉(zhuǎn)流通過程。從監(jiān)管的角度來看，由于可以立即跟蹤食物的詳細(xì)信息，因此便于進(jìn)行質(zhì)量安全控制。在流通環(huán)節(jié)，通過確定制造商、分銷商、包裝商和最終用戶之間的所有權(quán)變化來確保冷鏈?zhǔn)称妨魍ò踩?。通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)的實時信息記錄且不可篡改的優(yōu)勢，新系統(tǒng)可以確保冷鏈?zhǔn)称沸畔⒐芾淼耐该餍?。區(qū)塊鏈技術(shù)可以有效地用于實現(xiàn)冷鏈物流各個環(huán)節(jié)信息共享和不可篡改的追溯領(lǐng)域。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且豁椥屡d技術(shù)，在食品冷鏈領(lǐng)域的應(yīng)用仍然在探索發(fā)展中，這項研究將應(yīng)用于尚未被區(qū)塊鏈技術(shù)覆蓋的冷鏈?zhǔn)称匪菰搭I(lǐng)域，為進(jìn)一步擴(kuò)大區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用方向和冷鏈?zhǔn)称钒踩芯糠秶龀隽素暙I(xiàn)。