基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)眾包式農(nóng)貿(mào)產(chǎn)品物流平臺(tái)

吳 沖趙夢(mèng)娜花向紅戚瀚文

1武漢大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，湖北 武漢，430079

2武漢融云科技有限責(zé)任公司，湖北 武漢，430079

3武漢大學(xué)災(zāi)害監(jiān)測(cè)與防治研究中心，湖北 武漢，430079

電子商務(wù)行業(yè)快速發(fā)展，促使物流快遞行業(yè)的需求量迎來爆發(fā)式的增長。但增長背后，也有諸多問題亟待解決：如物流流通不透明、信息溯源難、事故責(zé)任不清、企業(yè)間數(shù)據(jù)不共享等。并且還存在著環(huán)節(jié)多、時(shí)間跨度長、空間跨度大，導(dǎo)致監(jiān)管困難、假冒偽劣等問題均難以根除。而食品安全的關(guān)鍵在于采購?fù)该骰勺匪莸氖称穪碓葱畔?，以保障公眾?duì)自己所食用食品的知情權(quán)。要建設(shè)食品溯源信息體系，目前最大的問題是物流環(huán)節(jié)信息采集的脫環(huán)，因此需要建立一個(gè)透明可信的農(nóng)貿(mào)產(chǎn)品物流平臺(tái)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，其特點(diǎn)是去中心化、數(shù)據(jù)防篡改和可溯源，讓每個(gè)人均可參與數(shù)據(jù)庫記錄。歐洲鹿特丹港等機(jī)構(gòu)搭建了世界首個(gè)針對(duì)物流領(lǐng)域的區(qū)塊鏈物流研究聯(lián)盟［1］探索區(qū)塊鏈技術(shù)的物流領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用。Hackius等［2］的研究驗(yàn)證了區(qū)塊鏈技術(shù)在物流行業(yè)中具有深遠(yuǎn)的促進(jìn)意義。Tian［3］構(gòu)建了基于RFID（radio frequency identification）技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)的可溯源的農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)可信信息的可追溯性，從而有效地保證食品安全。寧卓等［4］提出了一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的物流業(yè)信息平臺(tái)系LIP-Chain（logistics information platform chain），解決了物流快遞行業(yè)中多方共同參與物流業(yè)務(wù)的協(xié)調(diào)問題。何黎明［5］、汪傳雷等［6］等認(rèn)為區(qū)塊鏈可以改變供應(yīng)鏈體系中的物流、信息流、資金流的共享以及交互方式，改變產(chǎn)品從生產(chǎn)、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)剿瓦_(dá)消費(fèi)者的整條供應(yīng)鏈，從而使整個(gè)供應(yīng)鏈條變得更加透明、開放、有效以及大規(guī)模協(xié)同合作。本文將眾包的思想融入到物流領(lǐng)域中來，讓物流不再是某個(gè)公司或組織的專屬，而是具有運(yùn)力提供能力的社會(huì)組織乃至個(gè)體均可參與的社會(huì)經(jīng)濟(jì)團(tuán)體性活動(dòng)，從底層構(gòu)建共享物流平臺(tái)的交易和存儲(chǔ)方式，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)不可篡改特性，構(gòu)建分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心，建設(shè)一個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的眾包式農(nóng)貿(mào)產(chǎn)品物流平臺(tái)。

1 平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

平臺(tái)架構(gòu)的設(shè)計(jì)以車輛資源管理為核心，注重車輛資產(chǎn)數(shù)據(jù)化和車輛運(yùn)行動(dòng)態(tài)化兩個(gè)方向發(fā)展的規(guī)律，設(shè)計(jì)原則包括親密性［7］、對(duì)齊［8］、對(duì)比、重復(fù)、簡化交互［9］、引用過度、即時(shí)反應(yīng)等。平臺(tái)總架構(gòu)包括：客戶端、展示層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)層、底層、數(shù)據(jù)庫和運(yùn)行環(huán)境7層，如圖1所示。

圖1 眾包式農(nóng)貿(mào)產(chǎn)品物流平臺(tái)架構(gòu)Fig.1 Logistics Platform Architecture of Crowd Sourcing Agricultural Products

客戶端即前端是人機(jī)交互的載體，是運(yùn)力需求者（有發(fā)送貨物需求的人或團(tuán)體）和提供者（具有運(yùn)力提供能力的組織或個(gè)體）使用系統(tǒng)功能的入口和參與眾包式物流體系的渠道。監(jiān)控調(diào)度后臺(tái)是系統(tǒng)維護(hù)者使用的監(jiān)控終端。

展示層是連接前端和后端的中間層，包含界面渲染和數(shù)據(jù)交互兩個(gè)環(huán)節(jié)，數(shù)據(jù)交互采用Socket實(shí)時(shí)通信，界面渲染方面該平臺(tái)最終不提供Web端客戶端，而采用移動(dòng)應(yīng)用的方式設(shè)計(jì)，故不提供相應(yīng)的渲染模塊。

業(yè)務(wù)層控制整個(gè)系統(tǒng)的邏輯組織和交互，對(duì)外負(fù)責(zé)處理來自客戶端（用戶）的請(qǐng)求，對(duì)內(nèi)負(fù)責(zé)組織協(xié)調(diào)各業(yè)務(wù)層單元功能模塊，以高效完成敏捷地響應(yīng)客戶請(qǐng)求。

數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)源源不斷從客戶端（用戶）上傳到后臺(tái)，系統(tǒng)將實(shí)時(shí)響應(yīng)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，其中響應(yīng)請(qǐng)求的環(huán)節(jié)中，數(shù)據(jù)層會(huì)將大量的數(shù)據(jù)，或經(jīng)過處理加工后將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫。本平臺(tái)使用MongoDB作為平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，選擇Redis搭建數(shù)據(jù)緩存服務(wù)實(shí)時(shí)保存用戶登錄狀態(tài)、車輛狀態(tài)和訂單狀態(tài)，采用InfluxDB作為時(shí)序數(shù)據(jù)庫，保存一系列的訂單位置數(shù)據(jù)，采用LevelDB作為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫，保存執(zhí)行區(qū)塊的讀寫操作。

底層包括身份驗(yàn)證機(jī)制（基于數(shù)字簽名技術(shù)［10］）、數(shù)據(jù)區(qū)塊（包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體，每次寫入數(shù)據(jù)，就是創(chuàng)建一個(gè)區(qū)塊）、分布式時(shí)間戳服務(wù)［11］（利用時(shí)間戳實(shí)現(xiàn)在時(shí)間上有序的鏈條，將一個(gè)個(gè)區(qū)塊按時(shí)序組成鏈），HASH算法（構(gòu)成“內(nèi)容-索引”的對(duì)應(yīng)關(guān)系）和基于帶擾動(dòng)學(xué)習(xí)的同態(tài)加密技術(shù)［12］（加密后的數(shù)據(jù)只有用戶自身可以進(jìn)行解密）。

1.2 平臺(tái)功能設(shè)計(jì)

本平臺(tái)核心功能模塊包括：車輛模塊、用戶模塊、訂單模塊、實(shí)時(shí)GPS模塊、實(shí)時(shí)GIS模塊和數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈化模塊，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)Fig.2 Functional Structure of the System

車輛模塊是本項(xiàng)目系統(tǒng)對(duì)運(yùn)力管理的模塊，設(shè)計(jì)按運(yùn)力提供者分類來進(jìn)行抽象管理；用戶模塊是本項(xiàng)目系統(tǒng)對(duì)用戶管理的模塊，以用戶為核心；訂單模塊是運(yùn)力需求（用戶）和運(yùn)力提供（車輛）的結(jié)合，維護(hù)著整個(gè)訂單全生命周期；實(shí)時(shí)GPS模塊，主要運(yùn)行在數(shù)據(jù)緩存中心，圍繞運(yùn)力提供者（運(yùn)力提供）實(shí)時(shí)的地理位置數(shù)據(jù)；實(shí)時(shí)GIS模塊，在用戶下單尋找匹配運(yùn)力資源時(shí)展示需求流和運(yùn)力流的地理信息可視化；數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈化是指本平臺(tái)中，需進(jìn)行保密和不可篡改的數(shù)據(jù)，主要圍繞在訂單的狀態(tài)變化數(shù)據(jù)。如訂單創(chuàng)建時(shí)的信息結(jié)構(gòu)將作為第一個(gè)區(qū)塊，成為初始區(qū)塊鏈，訂單運(yùn)力匹配時(shí)，將匹配信息作為第二個(gè)區(qū)塊連接到上一個(gè)區(qū)塊上去，以此類推，每當(dāng)訂單發(fā)生狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)將寫入訂單區(qū)塊鏈中。利用區(qū)塊鏈的不可篡改特性來保證數(shù)據(jù)的安全，保證訂單溯源數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠。

1.3 數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)

選用MongoDB作為平臺(tái)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)常規(guī)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)包括用戶、車輛、訂單、位置、收貨地址等數(shù)據(jù)信息等。

用戶信息：包括索引字段，所屬靜態(tài)信息字段，地理信息字段。車輛信息：包括索引字段，車輛靜態(tài)數(shù)據(jù)字段，車輛所屬信息字段。訂單信息：包括訂單基礎(chǔ)字段，收貨人信息字段，發(fā)貨人信息字段，快遞信息字段，貨物信息字段，車輛信息字段及通用字段。位置信息：訂單實(shí)時(shí)狀態(tài)模型，是記錄訂單發(fā)貨環(huán)節(jié)的時(shí)空數(shù)據(jù)，采用時(shí)序數(shù)據(jù)庫保存，保存后返回的記錄索引，將作為區(qū)塊寫入到訂單鏈中，以實(shí)現(xiàn)全程可追蹤可溯源。收貨地址信息：收貨地址模型是用戶常用且進(jìn)行收藏操作的收貨人信息。

2 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 JavaScript技術(shù)

本平臺(tái)后端開發(fā)使用了JavaScript語言，其具備快速響應(yīng)，易于升級(jí)的能力，開發(fā)工作的完成借助于Node.JS平臺(tái)。Node.JS是讓JavaScript運(yùn)行在服務(wù)端的開發(fā)平臺(tái)，采用事件驅(qū)動(dòng)和非堵塞I/O模型，是輕量和高效的web平臺(tái)，非常適合構(gòu)建數(shù)據(jù)密集型分布式實(shí)時(shí)應(yīng)用［13］，為JavaScript提供了操作文件、創(chuàng)建HTTP服務(wù)、TCP/UDP服務(wù)等接口，可以完成其他后臺(tái)語言（Python、PHP等）能完成的工作。

2.2 微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)

微服務(wù)架構(gòu)技術(shù)是大型異構(gòu)系統(tǒng)的發(fā)展的關(guān)鍵架構(gòu)［14］，設(shè)計(jì)思路是將整個(gè)應(yīng)用分解成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的服務(wù)單元，各單元之間通過REST API通信，服務(wù)器端不能直接訪問，而是通過API Gateway來傳遞請(qǐng)求，API Gateway負(fù)責(zé)服務(wù)路由、負(fù)載均衡、緩存、訪問控制和鑒權(quán)等工作。在本文中選用了騰訊開源的微服務(wù)框架Tars.js作為微服務(wù)架構(gòu)的構(gòu)建工具，完成后臺(tái)系統(tǒng)（即平臺(tái)服務(wù)器端）的構(gòu)建，將整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)拆分為各個(gè)獨(dú)立專一的服務(wù)，讓各服務(wù)獨(dú)立運(yùn)行。

2.3 LBS技術(shù)

LBS技術(shù)也就是基于位置的服務(wù)技術(shù)，通過電信移動(dòng)運(yùn)營商的無線電通訊網(wǎng)絡(luò)或外部定位方式（GPS/北斗）獲取客戶端用戶的位置信息［15］。本項(xiàng)目是眾包式物流平臺(tái)的設(shè)計(jì)，對(duì)于用戶而已就是基于位置的物流服務(wù)，因此本質(zhì)上屬于LBS技術(shù)應(yīng)用的范疇，平臺(tái)中的一些功能的實(shí)現(xiàn)包括附近車輛（運(yùn)力）展示、運(yùn)力匹配、地理信息可視化等模塊都用到了LBS技術(shù)。

2.4 區(qū)塊鏈技術(shù)

使用IBM推出的企業(yè)級(jí)區(qū)塊鏈開源架構(gòu)方案Hyperledger Fabric做為區(qū)塊鏈底層基礎(chǔ)框架。Fabric已經(jīng)定義了鏈、Peer、通道、共識(shí)服務(wù)等概念，已經(jīng)具備區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)功能，本文主要將這些功能應(yīng)用在區(qū)塊數(shù)據(jù)存儲(chǔ)流程上。

1）生成創(chuàng)建訂單信息：平臺(tái)為每個(gè)訂單創(chuàng)建信息生成一對(duì)公鑰和私鑰地址，使用事先初始化的主公鑰地址向注冊(cè)的公鑰地址發(fā)起信息，生成區(qū)塊寫入?yún)^(qū)塊鏈中，完成物流訂單信息的創(chuàng)建登記。

2）上傳狀態(tài)變化信息到區(qū)塊上：訂單狀態(tài)信息主要分為訂單環(huán)節(jié)變化的信息和時(shí)空變化的信息，這兩種信息分別存入分布式數(shù)據(jù)庫，返回的索引ID寫入到指定訂單區(qū)塊鏈中，確保返回到索引ID只寫入?yún)^(qū)塊鏈，使區(qū)塊鏈層作為業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)層的中間安全性轉(zhuǎn)化樞紐。

3）物流信息溯源：用戶根據(jù)訂單ID和私鑰上傳到業(yè)務(wù)層，業(yè)務(wù)層首先將私鑰傳向區(qū)塊層進(jìn)行合法性檢測(cè)，再傳入訂單ID到區(qū)塊層同私鑰一起組成結(jié)構(gòu)體，區(qū)塊層將結(jié)構(gòu)體解密成對(duì)應(yīng)真實(shí)數(shù)據(jù)的索引ID，同時(shí)區(qū)塊層從數(shù)據(jù)層將索引得到的數(shù)據(jù)填充到結(jié)構(gòu)體并覆蓋索引ID，最后將其返回給業(yè)務(wù)層和用戶。利用區(qū)塊層屏蔽隨機(jī)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)索引ID來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全性。

3 平臺(tái)實(shí)現(xiàn)與效果評(píng)價(jià)

本平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)使用NodeJS技術(shù)［16］，利用Visual Studio Code開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)工作，使用Photoshop作圖工具來繪制圖標(biāo)、切圖和配色等，采用Sketch軟件完成UI（user interface）排版、原型設(shè)計(jì)等工作，使用Postman測(cè)試和調(diào)試后臺(tái)系統(tǒng)服務(wù)，系統(tǒng)客戶端均采用微信小程序技術(shù)棧，因此使用微信的開發(fā)語言和開發(fā)工具。

3.1 服務(wù)器端的實(shí)現(xiàn)

服務(wù)器端即后臺(tái)系統(tǒng)，用來為用戶（客戶端A）和司機(jī)（客戶端B）提供整體的分配、調(diào)度和存儲(chǔ)信息的服務(wù)，如圖3所示，其架構(gòu)采用微服務(wù)架構(gòu)設(shè)計(jì)，將整個(gè)系統(tǒng)服務(wù)拆分為各個(gè)獨(dú)立專一的服務(wù)，讓各服務(wù)獨(dú)立運(yùn)行，包括訂單服務(wù)、車輛服務(wù)、用戶服務(wù)、地圖服務(wù)和系統(tǒng)服務(wù)。接口路由是連接客戶端的第一層，負(fù)責(zé)響應(yīng)客端的所有請(qǐng)求，負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)請(qǐng)求到各項(xiàng)服務(wù)和數(shù)據(jù)緩存工作。請(qǐng)求從客戶端到接口層，接口層根據(jù)需求將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到緩存中心，包括用戶登錄態(tài)信息和車輛實(shí)時(shí)位置等數(shù)據(jù)。

圖3 服務(wù)器端Fig.3 Server Side

1）訂單服務(wù)。圍繞訂單創(chuàng)建、查詢、更新和刪除等操作進(jìn)行訂單全生命周期管理，制定統(tǒng)一操作接口，同一服務(wù)只做唯一接口，以方便管理和維護(hù)。

2）車輛服務(wù)。圍繞車輛信息的注冊(cè)創(chuàng)建、查詢、更新和刪除等操作進(jìn)行車輛服務(wù)管理，包括司機(jī)用戶注冊(cè)，信息真實(shí)性驗(yàn)證等。

3）用戶服務(wù)。圍繞用戶賬號(hào)的創(chuàng)建、查詢、更新和刪除等操作進(jìn)行用戶信息管理，包括用戶登錄，真實(shí)性驗(yàn)證。

4）地圖服務(wù)。地圖服務(wù)分為空間計(jì)算模塊（如附近3 km緩沖帶計(jì)算和最小距離計(jì)算等）、高德地圖web地理編碼服務(wù)（如位置解析，位置自動(dòng)填充）、騰訊地圖（如地圖可視化，導(dǎo)航路徑計(jì)算等）。

5）系統(tǒng)服務(wù)。系統(tǒng)服務(wù)包括其他零碎不常用的服務(wù)，如驗(yàn)證短信、用戶登錄態(tài)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)清洗等工具集。

3.2 客戶端的實(shí)現(xiàn)

客戶端用戶版面向普通用戶，即運(yùn)力需求者的客戶端，專注于運(yùn)力提供服務(wù)，采用單一化用戶設(shè)計(jì)，能更加精準(zhǔn)挖掘和解決用戶需求。具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)如圖4所示。

圖4 客戶端用戶版Fig.4 Client User Version

司機(jī)版客戶端專注于運(yùn)力收集服務(wù)，以收集運(yùn)力資源為核心的設(shè)計(jì)理念，解決司機(jī)用戶運(yùn)力資源變現(xiàn)的用戶需求。具體設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)如圖5所示。

圖5 客戶端司機(jī)版Fig.5 Client Driver Version

用戶版首頁是用戶長時(shí)間停留和主要服務(wù)的入口，其中包含能直觀生動(dòng)體現(xiàn)給用戶的附近實(shí)時(shí)車輛展示和預(yù)約用車服務(wù)的核心系統(tǒng)服務(wù)，實(shí)時(shí)運(yùn)力是用戶能夠看到自己周圍3 km內(nèi)所有可用車輛資源的實(shí)時(shí)位置。

用戶版?zhèn)€人中心是用戶的個(gè)人數(shù)據(jù)和其他次要服務(wù)的入口，其目的是減輕首頁服務(wù)承載的服務(wù)量。其頁面包括：手動(dòng)登錄的入口、我的訂單、地址管理、收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)置。

司機(jī)版首頁包括：運(yùn)力需求掃描圖，為司機(jī)搜索其附近運(yùn)力需求；物流導(dǎo)航，根據(jù)匹配物流訂單，自動(dòng)生成導(dǎo)航路線；獲客設(shè)置，是給予司機(jī)設(shè)置篩選客戶的設(shè)置，給予供需雙方雙向選擇的權(quán)利。

司機(jī)版?zhèn)€人中心是司機(jī)的個(gè)人數(shù)據(jù)和其他次要服務(wù)的入口。

3.3 平臺(tái)效果分析

該眾包式物流平臺(tái)完成后能夠?qū)崿F(xiàn)用戶通過微信小程序（客戶端用戶版）下單，司機(jī)通過微信小程序（客戶端司機(jī)版）接單，并根據(jù)自動(dòng)生成的最佳配送路徑進(jìn)行配送，同時(shí)客戶可以實(shí)時(shí)查看下單產(chǎn)品的所在位置和狀態(tài)直到產(chǎn)品送到自己手中。由于該物流平臺(tái)使用了區(qū)塊鏈技術(shù)，在保證客戶能實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品動(dòng)態(tài)的同時(shí)也能夠保證產(chǎn)品的安全和客戶數(shù)據(jù)的安全，以及產(chǎn)品的相關(guān)數(shù)據(jù)的可溯源。另外，運(yùn)輸車輛模塊可以根據(jù)產(chǎn)品的數(shù)量和運(yùn)輸距離合理性選擇相應(yīng)的運(yùn)輸方式。具體平臺(tái)展示如圖6、圖7所示。

圖6 首頁Fig.6 Home Page

圖7 獲取的地圖界面Fig.7 Gets the Map Interface

4 結(jié)束語

本文旨在解決農(nóng)貿(mào)產(chǎn)品物流方面關(guān)于食品安全、食材溯源、缺乏透明性和運(yùn)力不足及運(yùn)力成本過高等問題，引入眾包理念，充分整合社會(huì)運(yùn)力資源，鼓勵(lì)社會(huì)多方參與物流體系，建立了泛化物流的共享物流平臺(tái)。完成了最小的完整性眾包式物流平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也嘗試基于區(qū)塊鏈技術(shù)來進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，在測(cè)試環(huán)境下部署，能夠?qū)崿F(xiàn)正常的業(yè)務(wù)流程。同時(shí)，由于技術(shù)難度過大，該平臺(tái)仍存在很多不足，主要是暫時(shí)無法利用和釋放出區(qū)塊鏈技術(shù)的價(jià)值，仍停留在借助開源的區(qū)塊鏈框架進(jìn)行測(cè)試階段。