基于區(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯技術(shù)

劉 申，董婷婷，陳召安，王仁海，彭 遠(yuǎn)，張虎成，張富林，張東暉

（1.航天信息股份有限公司，北京 100195；2.北大荒糧食集團(tuán)有限公司營口分公司，遼寧 營口 115007；3.湖北省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植保土肥研究所，武漢 430064）

近年來，中國始終維持95%以上的糧食自給自足率，中國糧食流轉(zhuǎn)主要是在國內(nèi)進(jìn)行的。由于糧食的生產(chǎn)繼續(xù)向主產(chǎn)區(qū)集中，進(jìn)一步擴(kuò)大了主銷區(qū)和主產(chǎn)區(qū)的產(chǎn)需缺口，致使“北糧南運”的運輸格局更加凸顯［1，2］。鑒于中國國情，糧食種類及產(chǎn)量供需不平衡、產(chǎn)銷地分布不均勻，使跨區(qū)域糧食運輸成為中國糧食流通的一大特點［3］。

發(fā)達(dá)國家集裝箱散糧運輸發(fā)展勢頭越來越明顯，隨著國際貿(mào)易交流的不斷加強，國內(nèi)集裝箱運輸技術(shù)與能力也獲得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。目前，集裝箱運輸與包糧運輸和散糧運輸形成三者互補的、合理的糧食物流系統(tǒng)［4］。與包糧和散糧運輸相比，集裝箱運輸?shù)墓逃袃?yōu)勢有利于推動集裝箱業(yè)務(wù)的進(jìn)一步發(fā)展，有利于企業(yè)提高服務(wù)質(zhì)量，降低物流成本，更好地適應(yīng)終端客戶多元化需求［5］。

2015年，《國務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)重要產(chǎn)品追溯體系建設(shè)的意見》鼓勵在食用農(nóng)產(chǎn)品、食品、藥品、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料等7個領(lǐng)域發(fā)展追溯服務(wù)產(chǎn)業(yè)，支持社會力量和資本投入追溯體系建設(shè)，培育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)新領(lǐng)域。2017年，由國家糧食局主導(dǎo)在全國范圍推廣“中國好糧油”行動，是深入推進(jìn)糧食行業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革的重要舉措，讓所有人吃得好、吃得香、吃得安全，也是農(nóng)業(yè)供給側(cè)結(jié)構(gòu)性改革持續(xù)發(fā)力的主攻方向和最終目標(biāo)。此時，開展糧油產(chǎn)品質(zhì)量追溯工作的需求極為迫切，也將對食品行業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生巨大的影響。

傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)中產(chǎn)業(yè)鏈非常長，從種植到銷售包括幾十個環(huán)節(jié)、數(shù)對交易方。這樣的場景中，每對交易方之間的交易都是利益本位的，相互之間并不信任，因此整個市場是割裂的、無序的。如何通過技術(shù)手段來提升農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的健康有序的發(fā)展，進(jìn)而保障將食品安全供給消費者，是一個亟待解決的問題。國內(nèi)糧食行業(yè)各級管理部門，已經(jīng)開始了基于云平臺和大數(shù)據(jù)的行業(yè)可追溯的嘗試，但是由于云計算技術(shù)在糧食行業(yè)應(yīng)用共性等問題尚未解決，制約了信息技術(shù)對行業(yè)的支撐作用。

針對于“北糧南運”集裝箱散糧質(zhì)量追溯，目前中國在信息技術(shù)研發(fā)方面取得了一定進(jìn)展，如糧食質(zhì)量追溯［6-8］、集裝箱運輸追溯［9］，部分技術(shù)已經(jīng)得到初步應(yīng)用。但是這些技術(shù)未開展集成應(yīng)用，沒有針對集裝箱散糧的質(zhì)量追溯，各大環(huán)節(jié)缺乏數(shù)據(jù)互聯(lián)互通，無法實現(xiàn)集裝箱散糧的質(zhì)量追溯。本研究集成航天信息股份有限公司在糧食信息化研發(fā)應(yīng)用的經(jīng)驗，提出基于區(qū)塊鏈的“北糧南運”集裝箱散糧質(zhì)量追溯技術(shù)，研發(fā)集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺，為中國保障糧食安全提供技術(shù)支撐。

1 集裝箱散糧質(zhì)量追溯業(yè)務(wù)流程

集裝箱散糧運輸也稱為糧食集裝箱單元化運輸，是將散糧直接裝入集裝箱實現(xiàn)糧食位置轉(zhuǎn)移的一種特殊散糧運輸。集裝箱散糧運輸最早由加拿大曼尼托巴大學(xué)運輸學(xué)院院長巴利·普倫蒂斯于20世紀(jì)70年代提出，并經(jīng)過多年的理論創(chuàng)新和業(yè)務(wù)實踐，已在部分發(fā)達(dá)國家得到較為成熟的應(yīng)用［5］。

集裝箱散糧業(yè)務(wù)由商流和物流兩大部分組成，其中商流環(huán)節(jié)決定了物流環(huán)節(jié)的產(chǎn)生，物流環(huán)節(jié)也支持了商流環(huán)節(jié)的交易，同時全流程追溯編碼支持了集裝箱散糧質(zhì)量追溯過程?！氨奔Z南運”集裝箱散糧商流和物流流程如圖1所示，集裝箱散糧質(zhì)量追溯業(yè)務(wù)主要發(fā)生在物流流程中。糧食物流流程被分為3個環(huán)節(jié)：集裝箱散糧儲備環(huán)節(jié)、集裝箱散糧封箱環(huán)節(jié)和集裝箱散糧物流環(huán)節(jié)。

集裝箱散糧儲備環(huán)節(jié)：主要涉及貿(mào)易公司委托購銷公司向種植大戶、糧食經(jīng)紀(jì)人，收購并儲備客戶約定的作物品種、等級、數(shù)量的糧食過程。

集裝箱散糧封箱環(huán)節(jié)：主要涉及貿(mào)易公司經(jīng)檢驗，購銷公司已經(jīng)完成了客戶約定的作物品種、等級、數(shù)量的糧食，通過集裝箱散糧裝卸設(shè)備，完成集裝箱散糧裝箱，并應(yīng)用專用封條封箱的過程。

圖1“北糧南運”集裝箱散糧商流和物流流程

集裝箱散糧物流環(huán)節(jié)：主要涉及集裝箱散糧封箱后，通過物流公司經(jīng)購銷公司、產(chǎn)地港口、干線船舶、中間港口、支線船舶、銷地港口，最終到達(dá)客戶的物流過程。

2 集裝箱散糧質(zhì)量追溯編碼規(guī)則

為更好地全流程追溯糧食的質(zhì)量情況，需要為糧食確定身份標(biāo)識［6］?；趲齑孀R別代碼，結(jié)合集裝箱散糧流通過程的各項編碼規(guī)則，以集裝箱為單元對糧食流通過程各環(huán)節(jié)進(jìn)行編碼。集裝箱散糧質(zhì)量追溯可分為3個階段：集裝箱散糧儲備狀態(tài)、集裝箱散糧封箱狀態(tài)和集裝箱散糧物流狀態(tài)。

集裝箱散糧質(zhì)量追溯各階段均由根代碼和當(dāng)前碼組成，追溯集裝箱散糧質(zhì)量根代碼的屬性是不變的。根代碼主要指集裝箱散糧的儲備信息，主要包括根貨位信息、根碼標(biāo)志。其中根貨位信息包括社會信用代碼（18位）+貨位編碼（11位）+貨位入庫時間（12位）+貨位出庫時間（12位），根碼標(biāo)志為1位。

集裝箱散糧儲備狀態(tài)的當(dāng)前碼包括當(dāng)前貨位信息、屬性信息。其中當(dāng)前貨位信息包括社會信用代碼（18位）+業(yè)務(wù)號（16位）+貨位編碼（11位）+貨位入庫時間（12位）+貨位出庫時間（12位）+儲備狀態(tài)（1位），屬性信息包括糧食性質(zhì)（2位）+數(shù)量（9位）+品種代碼（2位）+產(chǎn)地代碼（6位）+生產(chǎn)年份（4位）+質(zhì)量代碼（1位）。

集裝箱散糧封箱狀態(tài)的當(dāng)前碼包括當(dāng)前集裝箱信息、箱內(nèi)糧食基本信息識別碼。其中當(dāng)前集裝箱信息包括社會信用代碼（18位）+集裝箱箱號（11位）+鉛封號（9位）+集裝箱封箱時間（12位），箱內(nèi)糧食基本信息識別碼包括糧食性質(zhì)（2位）+數(shù)量（4位）+品種代碼（2位）+產(chǎn)地代碼（6位）+生產(chǎn)年份（4位）+質(zhì)量代碼（1位）。

集裝箱散糧物流狀態(tài)編碼由產(chǎn)地物流編碼、產(chǎn)地港口編碼、干線貨船編碼、中轉(zhuǎn)港口編碼、支線貨船編碼、銷地港口編碼和銷地物流編碼等7個部分編碼組成。每個部分編碼均由當(dāng)前集裝箱信息、箱內(nèi)糧食基本信息識別碼組成。其中當(dāng)前集裝箱信息主要包括社會信用代碼、集裝箱散糧各部分物流代碼、集裝箱箱號、鉛封號、流入時間（12位）、流出時間（12位），箱內(nèi)糧食基本信息識別碼方案與集裝箱散糧封箱狀態(tài)的箱內(nèi)糧食基本信息識別碼相同。

集裝箱散糧產(chǎn)地物流代碼（7位，物流貨車車牌號7位），產(chǎn)地港口代碼（11位，省份地市代碼4位+區(qū)位2位+間位2位+行位2位+層高1位），干線貨船代碼（15位，干線船舶海上移動通信業(yè)務(wù)標(biāo)識9位+行號2位+列號2位+層號2位），中轉(zhuǎn)港口代碼（11位，省份地市代碼4位+區(qū)位2位+間位2位+行位2位+層高1位），支線貨船代碼（15位，干線船舶海上移動通信業(yè)務(wù)標(biāo)識9位+行號2位+列號2位+層號2位），銷地港口代碼（11位，省份地市代碼4位+區(qū)位2位+間位2位+行位2位+層高1位），銷地物流代碼（7位，物流貨車車牌號7位）。

3 集裝箱散糧追溯平臺中區(qū)塊鏈模塊設(shè)計

追溯是指對農(nóng)產(chǎn)品等商品的生產(chǎn)、加工、運輸、流通、零售等環(huán)節(jié)追蹤記錄，通過產(chǎn)業(yè)鏈上下游的各方廣泛參與來實現(xiàn)［10］。區(qū)塊鏈?zhǔn)怯行^(qū)塊的列表，每個區(qū)塊均指向前序區(qū)塊，直到創(chuàng)世區(qū)塊。區(qū)塊鏈形成了由分布式總賬（Distributed）、共識信任（Trustless）、非對稱加密（Asymmetric Cryptography）、智能合約（Smart Contract）和時間戳（Time Stamp）為主要特征的應(yīng)用技術(shù)范式［11］，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集體維護(hù)、公開透明等特點。區(qū)塊鏈可以讓人們在沒有中央權(quán)威機(jī)構(gòu)的情況下，對糧食產(chǎn)業(yè)鏈上下游各方互相協(xié)作彼此建立起信心，是用數(shù)學(xué)方法解決信任問題的產(chǎn)物［11］。

3.1 質(zhì)量追溯平臺工作量核算

基于區(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺綜合商流和物流，將涉糧企業(yè)、物流企業(yè)、監(jiān)管部門、質(zhì)檢中心等各個分類節(jié)點信息事務(wù)分類量化。各個節(jié)點事務(wù)操作包括事務(wù)發(fā)布、事務(wù)被瀏覽、事務(wù)被評論和事務(wù)被贊，同時各項事務(wù)操作量化賦值。

商流事務(wù)各類事務(wù)涉及內(nèi)容為：銷售合同（客戶-貿(mào)易公司）、采購合同（貿(mào)易公司-購銷公司）、收購合同（購銷公司-種植戶或經(jīng)紀(jì)人）和運輸合同（貿(mào)易公司-船運公司）。

物流事務(wù)各類事務(wù)涉及內(nèi)容為：散糧收購（購銷公司-種植戶或經(jīng)紀(jì)人）、散糧倉儲（購銷公司）、散糧封箱（始發(fā)港物流公司）、集裝箱倉儲（始發(fā)港）、集裝箱干線航道運輸（船務(wù)公司）、集裝箱倉儲（中轉(zhuǎn)港）、集裝箱支線航道運輸（船務(wù)公司）、集裝箱倉儲（目的港）、集裝箱運輸（目的港物流公司）和集裝箱開箱（客戶）。

3.2 事務(wù)信息的發(fā)布、驗證與存儲

各個節(jié)點單元中基于區(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺，將各類事務(wù)的編碼與數(shù)據(jù)通過哈希函數(shù)，壓縮成事務(wù)摘要。根據(jù)節(jié)點分配用戶的私鑰與事務(wù)摘要進(jìn)行簽名運算，得到事務(wù)簽名，并將事務(wù)簽名保存在存儲節(jié)點。平臺將事務(wù)簽名、公鑰廣播給所有周邊驗證節(jié)點。周邊節(jié)點通過讀取區(qū)塊鏈層同步區(qū)塊鏈的狀態(tài)，驗證節(jié)點在本地數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈副本中檢索用戶簽名對應(yīng)的數(shù)據(jù)位置信息，將驗證結(jié)果返回用戶。最先驗證通過的節(jié)點將事務(wù)信息存儲，同時根據(jù)智能合約中的條款，將發(fā)送信息的工作量匹配相應(yīng)的獎勵一同與驗證事務(wù)信息記錄。完畢后，該節(jié)點將信息廣播給所有周邊驗證節(jié)點，以此完成集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺中事務(wù)信息的發(fā)布、驗證及存儲（圖2）。

圖2 平臺事務(wù)信息的發(fā)布、驗證及存儲

3.3 區(qū)塊工作量核算與發(fā)布

當(dāng)前節(jié)點集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺接收各個節(jié)點發(fā)布的事務(wù)信息，驗證這些事務(wù)信息是否經(jīng)過了私鑰的簽名。根據(jù)智能合約中的條款，增加一筆商流事務(wù)或物流事務(wù)信息給節(jié)點記賬者的地址計入獎勵。將驗證過的事務(wù)和新事務(wù)整理成一個數(shù)據(jù)包。將事務(wù)數(shù)據(jù)、上一個區(qū)塊摘要、時間戳進(jìn)行哈希時，根據(jù)一定時間內(nèi)的工作量排序，篩選時段內(nèi)集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺最大工作量節(jié)點，記錄該時段區(qū)塊，從而達(dá)成共識。將區(qū)塊廣播出去，收到廣播的記賬者驗證新區(qū)塊后復(fù)制加入到自己的區(qū)塊上，完成基于區(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺新區(qū)塊發(fā)布（圖3）。

圖3 平臺區(qū)塊結(jié)構(gòu)

4 基于區(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯

基于區(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺提供了可信的全流程過程監(jiān)控方案（圖4）。獲取待追溯集裝箱散糧信息，包括當(dāng)前集裝箱散糧編碼以及各項信息。應(yīng)用待追溯集裝箱散糧編碼中的根代碼，用于查詢該節(jié)點平臺中該散糧集裝箱物流過程的商流事務(wù)信息和物流事務(wù)信息，采集涉及節(jié)點信息。通過質(zhì)量追溯平臺，查詢并獲取所有涉及節(jié)點的集裝箱散糧事務(wù)公鑰及事務(wù)數(shù)據(jù)，包括集裝箱運輸歷史物流環(huán)節(jié)、集裝箱糧食封箱檢驗環(huán)節(jié)和集裝箱糧食儲備環(huán)節(jié)。通過區(qū)塊鏈線上事務(wù)數(shù)據(jù)、公鑰，驗證各節(jié)點集裝箱散糧事務(wù)數(shù)據(jù)。在驗證結(jié)果通過后，追溯散糧集裝箱在各節(jié)點的集裝箱事務(wù)數(shù)據(jù)，分析環(huán)境數(shù)據(jù)、質(zhì)量數(shù)據(jù)以及數(shù)量數(shù)據(jù)變化，理清集裝箱糧食物流問題原因。

圖4 集裝箱散糧質(zhì)量全流程追溯

5 結(jié)論

通過基于區(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯技術(shù)研究，實現(xiàn)集裝箱散糧的生產(chǎn)可記錄、信息可查詢、流向可跟蹤、質(zhì)量可追溯，使得責(zé)任更加明晰，營造良性循環(huán)的行業(yè)氛圍?；趨^(qū)塊鏈的集裝箱散糧質(zhì)量追溯平臺，基于庫存識別代碼及流式數(shù)據(jù)采集、處理技術(shù)，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的事務(wù)工作量核算、事務(wù)信息的發(fā)布驗證以及存儲，最終完成追溯平臺區(qū)塊的核算和發(fā)布，建立散糧集裝箱的質(zhì)量追溯體系，涉及的信息全面且可以按照散糧集裝箱具體業(yè)務(wù)要求質(zhì)量進(jìn)行設(shè)定，解決導(dǎo)致糧食質(zhì)量問題的原因難以定位和追蹤的問題。該平臺集裝箱散糧質(zhì)量追溯技術(shù)應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)真實反映了糧食的來龍去脈，為完成每筆集裝箱散糧的質(zhì)量追溯提供了具體的方法。