新冠肺炎疫情下中國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流可信追溯研究

李佳利 楊涵 錢建平

（中國農(nóng)業(yè)科學院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)遙感重點實驗室，北京 100081）

1 引言

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流是以冷凍工藝學為基礎，以生產(chǎn)流通為銜接，為保證產(chǎn)品品質(zhì)和質(zhì)量安全，減少因腐敗變質(zhì)引起的損耗同時防止污染，而使產(chǎn)品從產(chǎn)地采收(或屠宰、捕撈)后，在加工、貯藏、運輸、零售等環(huán)節(jié)銷售乃至消費前的各環(huán)節(jié)始終處于規(guī)定的低溫環(huán)境下的特殊供應鏈系統(tǒng)[1,2]。從冷鏈的服務對象來看，主要是指肉、禽、水產(chǎn)、蔬菜、水果、蛋等易腐生鮮農(nóng)產(chǎn)品[3]；從冷鏈的溫度適用范圍來看，從低到高依次包含-50℃及以下的超低溫、冷凍、冰溫、冷藏和10℃～25℃的其他溫控物流[4]；從冷鏈的運作來看，冷鏈物流的實現(xiàn)離不開溫控裝置，例如冷凍庫、冷藏車等；從冷鏈的全程性來看，冷鏈物流覆蓋農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、倉儲、物流、銷售全部環(huán)節(jié)。

近年來，隨著中國經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，人民物質(zhì)生活水平的不斷提高，尤其是生鮮電商的快速發(fā)展，人們消費觀念逐步發(fā)生變化，對農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量安全和新鮮程度提出了越來越高的要求，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流越來越受到重視。自新冠肺炎疫情爆發(fā)以來，中國接連查出冷鏈從業(yè)者感染新冠病毒，冷鏈食品外包裝也被檢出新冠病毒，引發(fā)了社會各界對冷鏈食品追溯的高度關注，也對冷鏈物流提出更高的要求，冷鏈物流發(fā)展面臨新的機遇和挑戰(zhàn)。

追溯系統(tǒng)作為保障農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流運輸中質(zhì)量安全的重要手段，近年來一直是眾多學者研究的熱點。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)框架主要依靠數(shù)據(jù)庫技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)、條碼技術(shù)、自動識別技術(shù)等實現(xiàn)，主要由數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)據(jù)應用等5 個基礎部分組成[5]。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)，為解決傳統(tǒng)追溯體系所面臨的公信力缺失、監(jiān)管困境、擴展性及追溯成本支付等難題提供了新思路[6]。李航等人基于區(qū)塊鏈技術(shù)，從參與方設置、體系框架設計和運作過程優(yōu)化3 個維度構(gòu)建食品冷鏈物流追溯體系[7]。Yang Xinting 等人設計了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品供應鏈產(chǎn)品信息存儲和查詢追溯系統(tǒng)，解決傳統(tǒng)的追溯系統(tǒng)存在管理集中、信息不透明、不可信的數(shù)據(jù)，容易產(chǎn)生信息孤島等問題[8]。

本文在充分梳理中國新冠肺炎疫情下農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流現(xiàn)狀以及面臨的挑戰(zhàn)的基礎上，深入結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品追溯中的優(yōu)勢以及農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流本身的特點，構(gòu)建一個從產(chǎn)區(qū)到銷區(qū)、從田頭到餐桌的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)，覆蓋農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流全流程，以保證農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全全程可追溯，同時增強農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的追溯可信度。

2 中國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 冷鏈物流發(fā)展環(huán)境逐步改善

為規(guī)范食品冷鏈物流市場，提供一個良好的冷鏈物流發(fā)展環(huán)境，推動企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，2020 年中國圍繞行業(yè)規(guī)劃、發(fā)展指導、疫情防控、財政支持等多個維度發(fā)布關于冷鏈物流重點政策近百條。2020年11月中華人民共和國國家衛(wèi)生健康委發(fā)布《關于進一步做好冷鏈食品追溯管理工作的通知》，提出要建立和完善由國家級平臺、省級平臺和企業(yè)級平臺組成的冷鏈食品追溯管理系統(tǒng)。2021年3月，國家衛(wèi)生健康委員會、國家市場監(jiān)督管理總局發(fā)布中國首個食品冷鏈物流強制標準《食品安全國家標準食品冷鏈物流衛(wèi)生規(guī)范》（GB31605-2020），其中對食品冷鏈物流的范圍、基本要求、運輸工具、運輸、交接過程、配送溫度、儲存條件、追溯及召回等各方面進行了嚴格且明確的規(guī)定和要求。2021 年12 月31 日，中華人民共和國國務院辦公廳印發(fā)《“十四五”冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》通知，《規(guī)劃》提出到2025 年建成全國冷鏈食品追溯管理平臺，實現(xiàn)多層次、多系統(tǒng)、跨區(qū)域冷鏈物流追溯閉環(huán)，并且指出要推動并加快區(qū)塊鏈等技術(shù)在冷鏈物流領域的應用，提高追溯信息的真實性、及時性和可信度。

2.2 冷鏈物流基礎設施逐步完善

隨著中國冷鏈政策的不斷出臺以及冷鏈物流發(fā)展環(huán)境逐步改善，各級政府逐漸完善冷凍庫、冷藏車、恒溫庫、溫控理貨平臺、制冷設備以及冷藏車輛等冷鏈物流基礎設施[9]。根據(jù)中國物流采購聯(lián)合會冷鏈物流專業(yè)委員會及國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心在2021 年發(fā)布的《中國冷鏈物流發(fā)展報告》，2015-2020 年，中國冷庫每年增長率都在10%以上，2020 年中國冷庫總量達到7080 萬噸，同比增長為16.98%，其中冷凍庫占比70%，儲藏型冷庫最多。冷藏車市場保有量為28.67 萬輛，較上年增長7.2 萬輛，同比增長33.54%。未來，隨著冷鏈基礎設施的不斷完善和市場環(huán)境的改善，中國冷鏈物流的市場需求將進一步增長。

2.3 冷鏈物流市場規(guī)模快速增長

近年來，冷鏈需求旺盛，市場規(guī)模持續(xù)擴大，2020年中國食品冷鏈物流需求總量為2.65 億噸，比2019年增長3191萬噸，同比增長13.69%，根據(jù)中國物流采購聯(lián)合會冷鏈物流專業(yè)委員會及國家農(nóng)產(chǎn)品現(xiàn)代物流工程技術(shù)研究中心在2021 年發(fā)布的《中國冷鏈物流發(fā)展報告》，2020 年，中國冷鏈物流市場規(guī)模超過3800 億元，是“十二五”期末的2.4 倍，比2019 年增長440.8 億元，同比增長13.0%，仍保持增長態(tài)勢，如圖1所示。此外，受到新冠肺炎疫情影響，生鮮電商獲得爆發(fā)式增長，2020 年上半年生鮮電商交易額達到1821.2 億元，同比增長137.6%。未來，隨著生鮮電商的迅猛發(fā)展，中國食品冷鏈市場規(guī)模將不斷擴大。

圖1 2015-2020中國冷鏈物流市場規(guī)模Fig.1 Market scale of Chinas'cold chain logistics from 2015 to 2020

2.4 冷鏈物流追溯平臺建設逐步完善

在國家政策引導下，各省市著手加快建設進口冷鏈追溯平臺。2020 年11 月1 日北京市冷鏈食品追溯平臺正式上線運行，拉開各省市進口冷鏈追溯平臺上線的序幕。截至2020 年底，中國已建成并上線運行全國進口冷鏈食品追溯管理平臺，目前全國31 個省份已全部建成省級進口冷鏈食品追溯管理平臺，接入全國平臺試運行并實現(xiàn)與國家級進口冷鏈食品追溯管理的9個省（市）（包括北京、天津、上海、重慶等）[7]，冷鏈食品首站進口量占全國90%以上，基本實現(xiàn)從海關入關到生產(chǎn)加工、批發(fā)零售、餐飲服務的全鏈條信息化追溯，其余10%主要通過紙質(zhì)臺賬、進貨憑證等方式來記錄追溯信息。

3 疫情下現(xiàn)有農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯面臨挑戰(zhàn)

冷鏈物流市場雖然起步較晚但發(fā)展迅速、市場潛力巨大，“新冠肺炎”疫情極大地推動了生鮮電商發(fā)展與崛起，也讓冷鏈物流行業(yè)迎來了新的發(fā)展機遇，加上信息技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯體系也逐步大規(guī)模建設和運營，基本實現(xiàn)了從理論設計到應用落地，但是在實際應用過程中農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流各個環(huán)節(jié)仍暴露出一些問題，主要包括以下幾點。

3.1 追溯信息的真實性、安全性、完整性有待提高

面對頻發(fā)的冷鏈凍品中檢出新冠病毒事件，傳統(tǒng)采用中心式數(shù)據(jù)存儲方式的冷鏈物流追溯系統(tǒng)信息的安全性和可靠性很難得到保障。同時冷鏈上下游整合不充分，存在嚴重的信息不對稱，冷鏈物流各環(huán)節(jié)的參與主體并不能平等無差別地獲取農(nóng)產(chǎn)品信息。如何在冷鏈發(fā)生安全問題時，實現(xiàn)快速追溯、全程追溯，亟需提高追溯信息的真實性、安全性、完整性。

3.2 “碎片化”追溯系統(tǒng)有待整合

新冠肺炎疫情加速了全國冷鏈物流追溯系統(tǒng)的建設步伐，目前各行各業(yè)都在建設追溯系統(tǒng)平臺，這也帶來了系統(tǒng)兼容性問題?，F(xiàn)有的追溯平臺受地域和技術(shù)限制，系統(tǒng)軟件不兼容，跨區(qū)域平臺對接困難，造成各追溯系統(tǒng)平臺間不能互聯(lián)互通、各追溯主體間的追溯信息不能很好的實現(xiàn)資源共享和交換，容易形成“信息孤島”。

3.3 科學、合理、完善的標準體系亟需形成

標準體系是落實冷鏈食品可追溯的支撐和保障[10]。目前中國已經(jīng)出臺了300 多項涉及冷鏈物流的國家標準和行業(yè)標準，受新冠肺炎疫情的影響，線上生鮮購物需求激增，給行業(yè)標準帶來巨大的挑戰(zhàn)。盡管中國出臺首個冷鏈物流強制標準，與疫情防控管理實現(xiàn)銜接。但是已發(fā)布的標準中推薦性標準居多，強制性標準較少，并且標準不統(tǒng)一，存在差異，銜接性差。因此亟需縮減推薦性標準，統(tǒng)一全國標準，逐步構(gòu)建科學、合理、完善的冷鏈物流標準體系。

3.4 相關主體責任有待明確

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯建立的目的是農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)問題時可以快速響應，及時召回，查清問題。但是農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯涉及主體眾多，現(xiàn)有追溯體系下尤其在新冠疫情流行期，冷鏈農(nóng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時，很難快速鎖定、準確界定責任主體，在進口冷鏈農(nóng)產(chǎn)品尤為體現(xiàn)。此外，建設農(nóng)產(chǎn)品追溯系統(tǒng)需要進行多方面投入，農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)主體中有許多是農(nóng)戶或者小型企業(yè)，需額外承擔確認成本，參與追溯意愿低。因而只有在真正發(fā)生農(nóng)產(chǎn)品食品安全問題時，才能引起重視，開始嚴查，無法從根本上起到預防作用。

4 區(qū)塊鏈技術(shù)及其在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯中應用優(yōu)勢

4.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)，簡稱BT（Blockchain technology），也被稱之為分布式賬本技術(shù)，是一種互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)[11]。狹義來講，區(qū)塊鏈是一種按照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本[12]，如圖2所示。

圖2 區(qū)塊結(jié)構(gòu)Fig.2 The structure of blocks

從理論層面來看，區(qū)塊鏈是分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等多種技術(shù)的綜合運用，涉及數(shù)學、密碼學、互聯(lián)網(wǎng)和計算機編程等多方科學技術(shù)。根據(jù)這些技術(shù)的功能，區(qū)塊鏈系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)自下而上分為六層，分別為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層[13]。

4.2 應用優(yōu)勢

正是由于區(qū)塊鏈具有去中心化、開放性、防篡改性、匿名性以及可追溯性五大特性，目前在追溯中的優(yōu)勢已得到證明[14-16]。區(qū)塊鏈具有記錄各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，實現(xiàn)不可篡改，讓信息透明共享等特性，能夠有效解決供應鏈上下游數(shù)據(jù)在傳遞過程中的信任問題，從而構(gòu)建與追溯需求吻合的可信交易環(huán)境[17]，滿足冷鏈物流追溯中的要求。

4.2.1 提高冷鏈追溯的完整性、全程性

區(qū)塊鏈中的所有交易數(shù)據(jù)都存儲在帶有時間戳的鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)里，為數(shù)據(jù)增加時間維度，使得數(shù)據(jù)具有極強的可追溯性和可驗證性，能夠證明農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)發(fā)生或者上傳于哪個時間點。同時區(qū)塊鏈中任意兩個區(qū)塊間都通過密碼學方式相關聯(lián)，而且區(qū)塊鏈是一個公開透明的系統(tǒng)，因此可以追溯到區(qū)塊鏈中的任何數(shù)據(jù)。

4.2.2 保障追溯信息的安全性

區(qū)塊鏈中提供了多種共識機制，因此一旦經(jīng)全網(wǎng)驗證通過的數(shù)據(jù)信息被寫入?yún)^(qū)塊鏈，就會被永久的存儲起來；通過單個節(jié)點是無法篡改區(qū)塊中存儲的數(shù)據(jù)信息，除非黑客能夠控制整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)超過50%的節(jié)點，因此能夠有效保證安全。此外，區(qū)塊鏈運用哈希運算、非對稱加密以及零知識證明算法等密碼學手段，對交易數(shù)據(jù)進行加密處理，保證數(shù)據(jù)的不可篡改性，實現(xiàn)交易信息的安全可靠和隱私保護。在實現(xiàn)數(shù)據(jù)完全開放的前提下，保護交易主體的隱私信息。

4.2.3 提高追溯信息的公信力和可信度

區(qū)別于其他數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈沒有中心化的節(jié)點，使用分布式的核算與存儲方式，任意節(jié)點的權(quán)利和義務都是相等的，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)信息由所有節(jié)點共同維護，不再依賴于中心權(quán)威節(jié)點，不需要統(tǒng)一的軟硬件要求，可以有效解決農(nóng)產(chǎn)品交易中的信息不對稱問題，使整個交易更加透明化、自主化。區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)能夠在多利益主體參與的場景下將由政府主導轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c主體共同維護，以低成本的方式構(gòu)建信任基礎，在更大范圍內(nèi)接受監(jiān)督和檢驗。

4.2.4 明確責任主體，降低追溯成本

區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)信息除了交易各方的私有信息被加密外，其余信息是在全網(wǎng)節(jié)點公開透明的，全網(wǎng)節(jié)點都可以通過公開的接口查詢區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)記錄，隨時對區(qū)塊鏈上的信息進行審查、追溯，具有很高的透明度。因此在區(qū)塊鏈中進行的交易無需建立在信任的基礎上，以低成本解決農(nóng)產(chǎn)品追溯中的信任問題。當發(fā)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量問題后可以無需考慮數(shù)據(jù)真?zhèn)?，直接通過溯源系統(tǒng)快速明確責任主體，降低追溯成本，提高追溯效率。

5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)構(gòu)建

5.1 需求分析

本系統(tǒng)涉及到的主體有生產(chǎn)商、加工商、倉儲商、物流商、銷售商、消費者以及政府。系統(tǒng)采用B/S 架構(gòu)，即瀏覽器/服務器客戶端，進行農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)的設計。農(nóng)產(chǎn)品冷鏈追溯系統(tǒng)應具有高度的安全性、一致性、穩(wěn)定性，滿足在監(jiān)管部門間、相關企業(yè)之間的信息共享、互相監(jiān)督。

政府：政府主要包括冷鏈物流過程中監(jiān)管、質(zhì)檢等主管部門。系統(tǒng)為政府監(jiān)管機構(gòu)提供最高的權(quán)限，擁有對企業(yè)法人、商品檢測等信息的審核，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流過程中全部數(shù)據(jù)的監(jiān)控，以便他們能夠在食品安全事件發(fā)生后盡快明確責任主體，及時召回問題產(chǎn)品。

企業(yè)：企業(yè)的主要需求是采集和上傳農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，同時必須確保本企業(yè)用戶只能查看本企業(yè)相關數(shù)據(jù)信息，不能查看其它企業(yè)信息，為企業(yè)提供保密服務，以防止敏感信息的泄露。

消費者：對消費者來說，最主要的是通過系統(tǒng)可以查詢購買農(nóng)產(chǎn)品的相關追溯信息。系統(tǒng)需要確保消費者查詢到的數(shù)據(jù)是沒有篡改的非敏感數(shù)據(jù)。同時考慮到消費者便利，消費者進行查詢追溯時，可無需注冊登錄直接進行掃碼查詢。

5.2 系統(tǒng)架構(gòu)設計

農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3 所示，主要劃分為感知層、數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層、核心層、應用層以及用戶層六個層次。

圖3 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture diagram of agricultural products cold chain logistics traceability system

感知層主要是采集農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流環(huán)節(jié)中的農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和追溯數(shù)據(jù)。一種是農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯基本數(shù)據(jù)，包括農(nóng)產(chǎn)品名稱、生產(chǎn)日期、產(chǎn)地以及冷鏈物流各環(huán)節(jié)的企業(yè)主體等。另一種是通過配備專業(yè)的RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別技術(shù)）、GPS（Global Positioning System，全球定位系統(tǒng)）定位技術(shù)、溫濕度傳感器、攝像機等對農(nóng)產(chǎn)品進行溫濕度、位置等多維數(shù)據(jù)的實時采集。

數(shù)據(jù)層可以存儲冷鏈物流全流程環(huán)節(jié)的信息。為了方便管理和維護，解決區(qū)塊鏈龐大的數(shù)據(jù)問題以及安全問題，數(shù)據(jù)層分為IPFS（InterPlanetary File System，星際文件系統(tǒng)）和Hyperledger Fabric數(shù)據(jù)庫。星際文件系統(tǒng)用來存放物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)，Hyperledger Fabric數(shù)據(jù)庫用來存儲數(shù)據(jù)的哈希值。

網(wǎng)絡層主要目的是實現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中節(jié)點之間的信息交流和傳遞。網(wǎng)絡層包括P2P（點對點）組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制，因此區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個P2P 網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡層的P2P 傳播到其它節(jié)點上，節(jié)點再驗證交易的有效性，從而存儲交易信息。每一個節(jié)點既可以生產(chǎn)數(shù)據(jù)，也可以接受數(shù)據(jù)，節(jié)點之間通過維護一個共同的區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)來保持通信。

核心層主要包括智能合約和共識機制。當追溯系統(tǒng)中的某個階段的操作完成時，系統(tǒng)中的智能合約會自動比對結(jié)果，如果滿足合約中設置的條件，就會自動啟動并執(zhí)行合約進入到下一流程，如果與合約不符合，則拒絕執(zhí)行。共識機制是各節(jié)點采用實用拜占庭容錯算法（practical byzantine fault tolerance，PBFT)驗證區(qū)塊信息，達成追溯主體之間追溯數(shù)據(jù)的一致性，增強參與主體和追溯主體對系統(tǒng)的信任度。

應用層是農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)功能實現(xiàn)的入口，負責冷鏈物流供應鏈包括農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)商、加工商、倉儲商、物流商、銷售商、消費者以及政府有關部門等所有參與成員的交互。參與人員可以在系統(tǒng)中進行注冊登錄、數(shù)據(jù)上鏈、數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)分析以及風險預警等操作。

用戶層主要面向現(xiàn)實中使用系統(tǒng)的政府相關部門、冷鏈物流相關企業(yè)以及消費者等組織或者個體。系統(tǒng)管理員為不同的用戶提供不同的功能界面和操作權(quán)限，不同的用戶可根據(jù)功能角色需求與系統(tǒng)進行相應的交互。

5.3 “IPFS+區(qū)塊鏈”的數(shù)據(jù)存儲機制設計

由于農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流涉及環(huán)節(jié)較多，數(shù)據(jù)量十分龐大且復雜，如果把各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)全部存儲在區(qū)塊鏈上會出現(xiàn)成本高、負擔大、效率低等問題。同時隨著節(jié)點數(shù)目的增加，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)鏈呈指數(shù)形式的累積，運行和查詢效率逐漸降低，甚至出現(xiàn)癱瘓狀態(tài)。因此，本文在結(jié)合農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流現(xiàn)有業(yè)務情景和區(qū)塊鏈上數(shù)據(jù)存儲存在的不足，對現(xiàn)有區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲進行改進，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈和IPFS 的雙模存儲機制。首先利用IPFS 的不可逆原理，存儲物聯(lián)網(wǎng)采集的數(shù)據(jù)，初步保障數(shù)據(jù)安全，其次再將轉(zhuǎn)化后的數(shù)據(jù)哈希值存入?yún)^(qū)塊鏈中，其存儲機制如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)存儲機制Fig.4 Data storage mechanism

在存取數(shù)據(jù)中，可以分為鏈下存儲和鏈上存儲兩個階段。在鏈下存儲階段，由組織節(jié)點發(fā)起事務，提交農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、倉儲、物流以及銷售數(shù)據(jù)給存儲節(jié)點，然后存儲節(jié)點驗證組織節(jié)點的身份，如果正確，上傳數(shù)據(jù)至IPFS，生成對應數(shù)據(jù)信息的哈希值，最后返回信息的哈希值給組織節(jié)點。

鏈上存儲階段，組織節(jié)點在得到哈希值后，向提交節(jié)點發(fā)送驗證身份請求，如果正確，提交哈希值到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點中。提交節(jié)點根據(jù)哈希值創(chuàng)建交易生成本地區(qū)塊，通過P2P 網(wǎng)絡向全網(wǎng)的所有節(jié)點進行廣播。最后其他提交節(jié)點收到廣播后，驗證交易的合法性，如果驗證成功，在全網(wǎng)達成共識，那么區(qū)塊將會存儲到區(qū)塊鏈上。

5.4 系統(tǒng)流程分析

圖5 展示了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)中各參與主體上傳數(shù)據(jù)和農(nóng)產(chǎn)品追溯的系統(tǒng)流程。本文將對農(nóng)產(chǎn)品數(shù)據(jù)從采集到區(qū)塊鏈達成共識上鏈，追溯主體通過系統(tǒng)進行查詢追溯以及政府監(jiān)管的過程進行說明。

圖5 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)流程圖Fig.5 Flow chart of agricultural products cold chain logistics traceability system

首先農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流環(huán)節(jié)的各參與主體注冊登錄系統(tǒng)平臺，進行企業(yè)信息主體備案。然后將通過人工方式和物聯(lián)網(wǎng)設備獲取的生產(chǎn)、加工、倉儲、物流、以及銷售信息數(shù)據(jù)加密存儲在IPFS 數(shù)據(jù)庫中，由IPFS 返回數(shù)據(jù)哈希值并上傳存儲至區(qū)塊鏈上。最后消費者可以通過掃碼等方式查詢該農(nóng)產(chǎn)品的追溯信息，系統(tǒng)根據(jù)查詢接口提交溯源請求，返回溯源結(jié)果。此外，為了保證系統(tǒng)中上傳信息的真實性，所有參與企業(yè)和的行為都在政府相關部門監(jiān)督管理下，因此當區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)被惡意篡改時，數(shù)據(jù)對應的哈希值也會隨之改變，政府監(jiān)管部門可以通過對比數(shù)據(jù)的哈希值找到被篡改的數(shù)據(jù)，并且將監(jiān)管信息定期上傳至區(qū)塊鏈。

5.5 系統(tǒng)功能模塊設計

根據(jù)上面對追溯系統(tǒng)的需要、架構(gòu)以及流程分析，追溯系統(tǒng)的設計主要目的是為了實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流各個環(huán)節(jié)信息的追溯功能，農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)能夠覆蓋冷鏈物流的生產(chǎn)、加工、倉儲、物流、銷售、追溯以及監(jiān)管所有環(huán)節(jié)以及各個對象，實現(xiàn)物流自動化跟蹤。按照各環(huán)節(jié)的各自需求設計滿足要求的業(yè)務功能模塊，面向政府、企業(yè)以及消費者三個主體分別進行不同端口的功能模塊設計。不同端口的業(yè)務功能模塊設計如圖6所示。

圖6 農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)功能模塊圖Fig.6 Module diagram of agricultural products cold chain logistics traceability system

政府端：政府端主要是政府監(jiān)管部門對農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流流通過程中涉及到的企業(yè)進行監(jiān)督管理，貫穿在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流的全流程中。監(jiān)管部門對相關企業(yè)進行資格認證，并將其終端作為節(jié)點加入聯(lián)盟鏈中，同時上傳監(jiān)管信息；并根據(jù)農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工、倉儲、物流，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品從“農(nóng)田到餐桌”的正向追蹤和反向溯源。各環(huán)節(jié)節(jié)點若因失誤造成錄入信息有誤，可填寫信息變更申請并提交監(jiān)管部門，監(jiān)管部門提供信息變更服務。此外，當收到消費者投訴信息時，政府可以通過對比數(shù)據(jù)哈希值追蹤查驗出現(xiàn)問題的供應鏈環(huán)節(jié)和主體，且對具有危害身體健康的食品，監(jiān)管部門擁有食品召回功能。

企業(yè)端：企業(yè)端涉及的企業(yè)主要有生產(chǎn)商、加工商、倉儲商、物流商、銷售商等等。企業(yè)注冊時需要上傳企業(yè)名、營業(yè)執(zhí)照和企業(yè)地址等重要信息，政府在收到企業(yè)上傳的注冊信息之后會對該企業(yè)進行調(diào)查，確認該企業(yè)符合相關規(guī)定之后企業(yè)才能加入?yún)^(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)。在獲得相應的權(quán)限后，各個企業(yè)可以將通過智能設備進行采集和管理的產(chǎn)品質(zhì)量信息、環(huán)境溫濕度等信息、農(nóng)產(chǎn)品流通中的信息進行錄入以及交易信息備案。同時，當企業(yè)發(fā)現(xiàn)上傳信息有錯誤的時候，企業(yè)可以向政府有關部門申請并提交信息變更。

消費者端：消費者端口主要是消費者在購買農(nóng)產(chǎn)品時，可以通過掃描產(chǎn)品包裝上的二維碼或者在指定的網(wǎng)址輸入該產(chǎn)品的溯源碼來查詢農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流中全環(huán)節(jié)的信息，比如產(chǎn)品的名稱、生產(chǎn)日期、產(chǎn)地、規(guī)格型號、等級、成份含量、產(chǎn)品合格證等自身屬性信息以及生產(chǎn)商、加工商、倉儲商、物流商、銷售商的名稱、地址、聯(lián)系方式等企業(yè)信息。此外，當消費者購買到存在質(zhì)量安全問題的農(nóng)產(chǎn)品時，還可以通過這個模塊向政府有關部門進行投訴舉報，根據(jù)消費者的投訴信息，有關部門可以通過追溯系統(tǒng)快速追蹤到有問題的農(nóng)產(chǎn)品，查明原因并對其進行問責處理，必要時及時進行召回，最大程度上減少問題農(nóng)產(chǎn)品的市場流入，保障消費者的食品安全。

6 結(jié)論

區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、開放性、防篡改性、匿名性以及可追溯性等特性為解決傳統(tǒng)農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)存在的問題提供了一個新的可行的方法和思路。本文系統(tǒng)的梳理了中國農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流發(fā)展現(xiàn)狀以及疫情下現(xiàn)有農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯面臨的挑戰(zhàn)，充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯中的優(yōu)勢，分別從系統(tǒng)需求分析、系統(tǒng)架構(gòu)設計、存儲機制、系統(tǒng)流程、以及功能模塊設計五個方面構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流追溯系統(tǒng)。該系統(tǒng)減少了農(nóng)產(chǎn)品冷鏈物流過程中的信息不對稱問題，提高追溯信息的安全性和真實性、明確責任主體，源頭遏制假貨，提高消費者的安全感，營造一個可信的追溯環(huán)境，實現(xiàn)政府、企業(yè)以及消費者多方共贏。