基于區(qū)塊鏈技術在蜂產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的研究與應用

龔勛 趙海紅 沈晶 曹錳 王璐 馬慶巖 魏文華│文

遼寧葫蘆島市軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，125060

我國是養(yǎng)蜂大國，蜂蜜、蜂王漿、蜂膠等蜂產(chǎn)品產(chǎn)量均居世界首位。蜂蜜產(chǎn)品作為天然的營養(yǎng)保健品，越來越受到市民的青睞。生活水平的提高使得人們對蜂蜜質(zhì)量有了更高的要求，更關注蜜源、加工過程等內(nèi)在質(zhì)量，尤其是蜂產(chǎn)品“藥食同源”的特性，其質(zhì)量的高低直接影響療效和產(chǎn)品口碑。本研究將區(qū)塊鏈技術的去中心化、自帶信任、數(shù)據(jù)公開透明、全程可追溯的特點應用于蜂產(chǎn)品質(zhì)量的溯源，從而為終端消費者提供蜂產(chǎn)品全周期的信息溯源系統(tǒng)。

一、區(qū)塊鏈技術的應用及特征

1.區(qū)塊鏈技術及應用

區(qū)塊鏈技術的研發(fā)與應用主要起源于比特幣。在比特幣形成過程中，作為存儲單元的區(qū)塊記錄了相應時間內(nèi)各節(jié)點、各區(qū)塊鏈的交流信息[1]。區(qū)塊鏈由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，其中，區(qū)塊頭由版本、父區(qū)塊哈希值、數(shù)據(jù)、Merkle根、時間戳、目標難度、#Nonce值等部分組成；區(qū)塊體包括所有參與交易的輸入、輸出和長度等交易信息。伴隨著區(qū)塊信息交流的深入和擴大，各區(qū)塊通過隨機散列實現(xiàn)連接，后一區(qū)塊包括前一區(qū)塊的哈希值，一個區(qū)塊與另一區(qū)塊相繼接續(xù)，最終形成的結(jié)果是區(qū)塊鏈[2,3]。

區(qū)塊鏈技術是密碼學、計算機科學、經(jīng)濟學等多個學科發(fā)展到一定階段后的產(chǎn)物。區(qū)塊鏈系統(tǒng)本身能產(chǎn)生信用，來自于程序（算法）的不可更改性質(zhì)。因為區(qū)塊鏈記錄信息的產(chǎn)生需要全網(wǎng)絡節(jié)點確認，而一旦生成將永久記錄，無法篡改[4]。區(qū)塊鏈是一種由多方共同維護，以塊鏈結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)，使用密碼學保證傳輸和訪問安全，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)一致存儲，無法篡改，無法抵賴的技術體系[5]。這種特性為產(chǎn)品的追根溯源提供了技術應用基礎。

2.區(qū)塊鏈技術的特征

區(qū)塊鏈可以看作是一種分布式賬本技術，其分布式的存儲結(jié)構(gòu)可以確保信息的真實性與完整性，區(qū)塊之間通過共識機制聯(lián)系在一起，再結(jié)合密碼學原理可以有效地防止信息在收集、流轉(zhuǎn)過程中被惡意篡改。區(qū)塊鏈是基于非對稱加密算法、P2P網(wǎng)絡技術、時間戳技術的共享數(shù)據(jù)庫，具有去中心化、共識機制、開放透明、匿名性四個特征。

二、蜂產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)功能模塊的設計

圖1 蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的功能模塊

三、蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的總體架構(gòu)

蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構(gòu)分為應用層、管理層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)存儲層、物理層五層。

應用層：消費者通過手機APP可以實時查看蜂蜜的原產(chǎn)地，蜂產(chǎn)品加工狀態(tài)、物流（快遞單號）以及銷售等全過程，每一個環(huán)節(jié)都會有一個區(qū)塊記錄著相同的賬本，并且這個賬本只允許追加而無法修改。每個區(qū)塊之間都是通過滿足共識機制的節(jié)點維護著整個網(wǎng)絡不需要人為的介入，加上每個區(qū)塊信息都包含有唯一的時間戳更加保證了信息的安全性。蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)區(qū)塊上的信息內(nèi)容是通過hash加密保存在默克爾樹上，在極大地保證了數(shù)據(jù)真實性，防止了數(shù)據(jù)的泄露[6]。

管理層：后臺或者第三方監(jiān)管需要監(jiān)管者加入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)并且拿到相應的公鑰才能查詢。由于區(qū)塊鏈技術的特性，監(jiān)管者無權也無法篡改信息內(nèi)容，可以快速幫助監(jiān)管者在蜂產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時進行溯源追責，同時防止各個環(huán)節(jié)（尤其是生產(chǎn)和流通環(huán)節(jié)）出現(xiàn)徇私舞弊的情況。

網(wǎng)絡層：包含腳本代碼、數(shù)字化合約、共識算法等機制共同制定控制管理層的規(guī)則，利用腳本代碼使每個區(qū)塊連接起來并且使其可追溯。共識算法是一種去中心化機制，提高了蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的信任度[7]。數(shù)字化合約則是通過代碼控制輸出日志記錄，對于后面的溯源和監(jiān)管起著至關重要的作用。

數(shù)據(jù)存儲層：主要依托IT技術，提供網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸服務，實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點之間的信息交互，每一個節(jié)點既能接受信息，又能發(fā)布信息，節(jié)點之間通過一個共同的區(qū)塊鏈來保持通信。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中，每一個節(jié)點都可以創(chuàng)造出新的區(qū)塊。

四、蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的實現(xiàn)與應用

本研究依托江蘇常州生產(chǎn)的數(shù)字化蜂箱，以葫蘆島市數(shù)字化蜂業(yè)示范基地建設情況為例，增加溫度、濕度、重量感應、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确淙汗芾硐嚓P數(shù)據(jù)模塊[8]。通過采集蜂箱信息，蜜源、溫度、濕度、產(chǎn)量、病蟲害防治等信息通過上鏈系統(tǒng)，區(qū)塊鏈會將蜂蜜品種、生產(chǎn)日期等信息自動生成一個溯源碼，經(jīng)加密并上傳到區(qū)塊鏈中，系統(tǒng)會生成信息記錄，并附上時間戳。

成熟蜜采集和蜂產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)中，將蜂蜜的加工工藝、生產(chǎn)時間、操作流程等信息通過上鏈存儲到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，蜂蜜的信息記錄會隨著供應鏈不斷更新。

物流環(huán)節(jié)中，物流企業(yè)會將倉庫信息、包裝信息、運輸單號、時間等信息更新到供應鏈上。

銷售環(huán)節(jié)中，蜂產(chǎn)品的來源、價格、銷售單位、倉儲環(huán)境等信息寫入之前的更新的信息記錄，完整的蜂蜜供應鏈信息記錄自動生成。消費者購買蜂蜜的時候，只要用手機掃描外包裝上的二維碼，就能獲取蜂蜜從生產(chǎn)、加工到銷售的每一步情況，并且能保證每一步自己所查詢到的信息都是真實有效的。

基于區(qū)塊鏈的蜂產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)集成蜜蜂養(yǎng)殖、蜂蜜加工、物流運輸、銷售等環(huán)節(jié)，采用分布式共享總賬，將區(qū)塊鏈上的各個節(jié)點組成網(wǎng)絡，實現(xiàn)鏈條上信息的溯源追蹤。

五、小結(jié)

圖2 蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的總體架構(gòu)

綠色、健康、天然、口感佳逐漸成為市民挑選高品質(zhì)蜂蜜的基本要求。影響這些標準的根本就在于從生產(chǎn)、加工再到銷售這一系列的供應鏈的操作是否安全。蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)有較好的擴展性和可移植性，區(qū)塊鏈技術的去中心化、不可篡改、分布式存儲的特點，解決蜂蜜供應鏈中可追溯的中間環(huán)節(jié)，實現(xiàn)蜜蜂從養(yǎng)殖到消費者的全過程精準可追溯，相當程度上遏制了假冒偽劣蜂蜜的流通，為消費者提供蜂蜜生產(chǎn)全程數(shù)據(jù)而設立的數(shù)字化動態(tài)追蹤、監(jiān)控系統(tǒng)，同時也提高勞動效率，降低管理成本。

區(qū)塊鏈技術能夠為商品溯源提供新的解決方案，但仍然面臨很多問題。比如：掃描二維碼，溯源到的是這個標簽，而并非商品本身。如果在中間環(huán)節(jié)中商品被掉包，依然是可能混進假貨的。區(qū)塊鏈技術的應用能為制造、銷售偽劣產(chǎn)品增加了難度與成本，并不能因為加入?yún)^(qū)塊鏈就徹底消除[9,10]。區(qū)塊鏈本身的交易速度遠遠落后于現(xiàn)在支付寶、京東的處理速度。這些問題的存在，使得區(qū)塊鏈溯源的發(fā)展任重而道遠。