基于5G-IoT和區(qū)塊鏈的乳制品供應(yīng)鏈安全監(jiān)測研究

鄭瓊?cè)A

（浙江紡織服裝職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江寧波 315211）

乳制品營養(yǎng)豐富的同時鮮活易腐，易產(chǎn)生質(zhì)量問題，乳制品供應(yīng)鏈包括養(yǎng)殖、鮮奶供應(yīng)、生產(chǎn)、加工、配送、物流、分銷、零售等多個環(huán)節(jié)，涉及的成員眾多、信息來源廣泛復(fù)雜，質(zhì)量安全風(fēng)險因素較多。在供應(yīng)和產(chǎn)出環(huán)節(jié)，奶牛品種、養(yǎng)殖環(huán)境、養(yǎng)殖方式、飼養(yǎng)規(guī)范、擠奶設(shè)備和消毒規(guī)范等對原奶的質(zhì)量具有極大影響。在生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，機器設(shè)備性能、人員操作規(guī)范、生產(chǎn)管理等影響著乳制品成品質(zhì)量；在倉儲和配送環(huán)節(jié)，倉儲配送的溫度、濕度、運輸設(shè)備的性能、存儲條件和運輸時長等也會對乳品質(zhì)量安全產(chǎn)生很大的影響；在分銷和銷售環(huán)節(jié)，銷售環(huán)境、人員素質(zhì)、消費者的消費習(xí)慣則對乳制品供應(yīng)鏈末端的質(zhì)量產(chǎn)生影響。乳制品供應(yīng)鏈各個環(huán)節(jié)的信息追溯和安全監(jiān)控都對乳品的質(zhì)量安全至關(guān)重要。因此，供應(yīng)鏈的全部節(jié)點都需要信息實時共享、實時追溯、實時監(jiān)管。

1 乳品供應(yīng)鏈安全監(jiān)測的背景及意義

1.1 生活水平的提高促進了乳制品消費量創(chuàng)新高

隨著生活水平的提高，消費者對健康綠色的商品日漸推崇。乳制品具有豐富的營養(yǎng)，近年來消費量得到極大的增長。行業(yè)數(shù)據(jù)顯示，2021年全國乳制品產(chǎn)量為3 031.7萬t，同比增長9.4%，預(yù)計2022年我國乳制品企業(yè)數(shù)量將達(dá)599家。為推動我國牛奶行業(yè)的快速平穩(wěn)發(fā)展，完善我國牛奶產(chǎn)業(yè)鏈，國家加強了對牛奶質(zhì)量的監(jiān)督管理。近年來，我國乳制品人均消費量有了很大的提升，但與世界平均水平還有一些差距，隨著乳制品消費意識的崛起，乳制品市場發(fā)展空間大，預(yù)計2022年將進一步增長至7 107億元。

1.2 消費升級環(huán)境下，消費者更關(guān)注乳制品的質(zhì)量安全

近年來，人均GDP不斷提高和消費升級的環(huán)境下，消費者越來越關(guān)注乳制品的品牌和質(zhì)量安全。但2008年以來出現(xiàn)的乳制品安全事件，導(dǎo)致消費者對國內(nèi)乳制品的購買信心受到影響，政府監(jiān)管部門、行業(yè)相關(guān)部門、乳制品企業(yè)也加大了對乳制品質(zhì)量安全的監(jiān)督和控制。

1.3 增強乳制品消費信心的需要

基于乳制品的巨大需求和多次出現(xiàn)的乳品質(zhì)量安全問題的矛盾，消費者對國產(chǎn)乳制品缺乏信心，進口乳制品受到國內(nèi)消費者的追捧。國內(nèi)乳制品生產(chǎn)商面臨著市場巨大和消費者消費信心不足的矛盾，成為乳制品質(zhì)量安全的乳品企業(yè)急需解決的首要和關(guān)鍵問題。對乳制品供應(yīng)鏈進行溯源和全程安全監(jiān)測，將供應(yīng)鏈的每一個節(jié)點的信息特別是影響質(zhì)量安全的關(guān)鍵信息進行追溯和信息公開、共享，可使供應(yīng)鏈的參與者和消費者查詢和監(jiān)督原奶供應(yīng)、生產(chǎn)加工、物流配送、分銷銷售以及消費過程中的詳細(xì)信息，強化消費者對國內(nèi)乳制品消費的信心。

2 乳制品供應(yīng)鏈中影響質(zhì)量安全的因素

乳制品供應(yīng)鏈圍繞核心生產(chǎn)企業(yè)的上下游進行，從產(chǎn)出源頭到消費終端，包括了奶牛養(yǎng)殖、原奶供應(yīng)、乳制品生產(chǎn)加工、包裝儲存、銷售和消費等環(huán)節(jié)，是一個涉及面廣、影響因素眾多的鏈條[1]。乳品供應(yīng)鏈中影響質(zhì)量安全的因素見圖1。由于影響乳制品質(zhì)量安全的因素廣泛，供應(yīng)鏈參與節(jié)點多且乳品具有易腐的特點，要實現(xiàn)對乳制品的安全監(jiān)測，需實時監(jiān)測從奶牛養(yǎng)殖到消費終端的全過程信息[2]。在供應(yīng)鏈過程中實時監(jiān)管，如發(fā)生乳品質(zhì)量安全事件，即可通過信息溯源及時準(zhǔn)確找到相應(yīng)環(huán)節(jié)，采取及時有效的方法處理問題，明確責(zé)任主體，采取召回等處理方式控制事態(tài)擴展。因此，對乳制品供應(yīng)鏈的溯源和質(zhì)量安全的監(jiān)測是目前管理乳制品質(zhì)量安全問題的有效方法之一。

圖1 乳品供應(yīng)鏈中影響質(zhì)量安全的因素

在原料乳供應(yīng)環(huán)節(jié)，影響乳品質(zhì)量和安全的因素包括奶牛品種、飼養(yǎng)條件、擠乳環(huán)節(jié)的設(shè)備和衛(wèi)生條件、原料儲存輸送以及人為操作的風(fēng)險。在乳制品加工環(huán)節(jié)，影響乳品質(zhì)量和安全的因素包括加工工藝、消毒清洗規(guī)范、生產(chǎn)設(shè)備、加工環(huán)境條件和生產(chǎn)加工監(jiān)測的技術(shù)等。在運輸存儲環(huán)節(jié)，運奶車的管理、運輸時長、存儲時長、溫度、濕度以及殘次品處理的程序和制度都會影響乳品質(zhì)量。在銷售環(huán)節(jié)，乳品的保質(zhì)期、銷售環(huán)境衛(wèi)生、銷售人員的操作規(guī)范等會影響乳品質(zhì)量安全。在消費環(huán)節(jié)，消費者的飲奶習(xí)慣、乳品是否在保質(zhì)期內(nèi)、消費者的消費安全意識、乳品儲存方法等影響著乳品供應(yīng)鏈最后一個環(huán)節(jié)的質(zhì)量安全[3]。

3 5G技術(shù)賦能基于IoT的乳制品供應(yīng)鏈

目前，乳品供應(yīng)鏈多通過物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）來實現(xiàn)乳品的信息追溯、位置跟蹤和監(jiān)督流通過程。在一定程度上可以實現(xiàn)對乳品的追溯和安全監(jiān)督，但I(xiàn)oT技術(shù)存在一些技術(shù)上的劣勢，如數(shù)據(jù)存儲容量不足、數(shù)據(jù)傳輸效率低、中心化系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性低和多主體信息共享難實現(xiàn)等問題[4]。

5G賦能物聯(lián)網(wǎng)能有效解決物聯(lián)網(wǎng)在供應(yīng)鏈追溯和監(jiān)管上的不足，5G技術(shù)是通信領(lǐng)域的一場革命，也是供應(yīng)鏈改革的重要機遇。5G具備數(shù)據(jù)傳輸速率高、系統(tǒng)容量大、數(shù)據(jù)延遲少和容納大規(guī)模設(shè)備接入的特點，為乳品供應(yīng)鏈大量傳感數(shù)據(jù)的實時傳輸提供了技術(shù)支持。因此，將5G技術(shù)應(yīng)用于IoT系統(tǒng)，能實現(xiàn)信息的高效實時傳輸，容納供應(yīng)鏈各節(jié)點實時接入和大量數(shù)據(jù)和信息的傳輸、存儲。

4 區(qū)塊鏈賦能乳制品供應(yīng)鏈安全監(jiān)測的原理

區(qū)塊鏈技術(shù)的奠基者是一位化名為“中本聰”的學(xué)者，2008年，他發(fā)表的論文《比特幣：一種點對點電子現(xiàn)金系統(tǒng)》闡述了區(qū)塊鏈的核心技術(shù)，論文中詳細(xì)描述了如何創(chuàng)建一套去中心化的電子交易體系，且這種體系不需要創(chuàng)建在交易雙方相互信任的基礎(chǔ)上。

乳制品供應(yīng)鏈的追溯和監(jiān)管要求供應(yīng)鏈各成員間信息公開，各節(jié)點的關(guān)鍵信息可追溯，信息上傳后就不能更改。區(qū)塊鏈的核心技術(shù)是分布式賬本、智能合約、加密和時間戳等，這些技術(shù)使區(qū)塊鏈具有去中心化、可追溯、防篡改等特點，這與乳制品供應(yīng)鏈的需求基本契合[5]。區(qū)塊鏈應(yīng)用于乳制品供應(yīng)鏈，可實現(xiàn)供應(yīng)鏈各節(jié)點信息的實時自動更新，供應(yīng)鏈成員的信息完全公開透明，在溯源和安全監(jiān)測方面的效率較高，降低了管理成本，幫助建立一個安全性高、信任度高、信息共享和對稱、信息防泄露的供應(yīng)鏈體系。

4.1 區(qū)塊鏈去中心化的技術(shù)加強原料乳供應(yīng)環(huán)節(jié)質(zhì)量監(jiān)測

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、防篡改、去信任、可追溯、公開透明和安全性高等特點，整合了密碼學(xué)、計算機科學(xué)等學(xué)科的相關(guān)技術(shù)，有利于成員間形成安全、透明、共享的信任體系。乳制品供應(yīng)鏈各節(jié)點不能修改任何已上傳的信息，從而保障了乳制品信息溯源的真實性，為安全監(jiān)測乳制品供應(yīng)鏈提供了保障[6]。

去中心化的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)體系可實時監(jiān)測生鮮乳供應(yīng)環(huán)節(jié)的信息，如奶牛品種、飼料藥物殘留情況、動物防疫信息、飼養(yǎng)區(qū)環(huán)境衛(wèi)生狀況和擠乳消毒情況等信息，有助于建立牢固的質(zhì)量安全追溯網(wǎng)絡(luò)和安全監(jiān)測機制，從源頭上對乳制品的質(zhì)量安全進行監(jiān)管。大大提升了乳制品供應(yīng)鏈各節(jié)點信息的公開度和透明度，使得安全監(jiān)管效率得到極大的提升。因為信息的實時共享和可追溯，供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)為提高企業(yè)的競爭力和可持續(xù)性發(fā)展，必然會對管理規(guī)范進行完善，促進了乳品產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)化升級。

4.2 區(qū)塊鏈的公私鑰技術(shù)有利于加強對乳制品生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)的質(zhì)量安全監(jiān)控

區(qū)塊鏈的公私鑰技術(shù)有利于乳制品加工企業(yè)實時監(jiān)測生鮮奶供應(yīng)的質(zhì)量信息，實現(xiàn)信息的公開透明，從源頭上保證原奶質(zhì)量安全。乳制品生產(chǎn)企業(yè)和鮮奶供應(yīng)商獨立擁有專用私鑰和私鑰密碼，區(qū)塊鏈共識機制中的工作量證明機制對修改數(shù)據(jù)信息具有嚴(yán)格的要求，即通過共享的公鑰如需修改信息，需要計算全網(wǎng)51%節(jié)點的私鑰，因此篡改信息很難實現(xiàn)。對于乳制品生產(chǎn)企業(yè)來說，公鑰用于查詢與生鮮乳質(zhì)量相關(guān)的供應(yīng)信息，私鑰用于將生產(chǎn)加工過程中的設(shè)備型號、操作流程、操作人員和操作規(guī)范等信息以文字、圖片、視頻等方式上傳至區(qū)塊鏈。公鑰和私鑰的應(yīng)用，能實時監(jiān)督奶源的質(zhì)量，督促生產(chǎn)加工企業(yè)加強生產(chǎn)加工管理規(guī)范，加強對生產(chǎn)設(shè)備的衛(wèi)生、消毒殺菌工作，加強人員管理和工作環(huán)境管理，通過生產(chǎn)加工企業(yè)各環(huán)節(jié)的控制，保障乳制品質(zhì)量安全。

4.3 區(qū)塊鏈的數(shù)字簽名技術(shù)能有效確保乳制品運輸儲存環(huán)節(jié)的銜接

在乳品運輸環(huán)節(jié)，數(shù)字簽名技術(shù)能有效確保運輸與儲存環(huán)節(jié)的銜接。物流運輸中的車輛根據(jù)區(qū)塊鏈的要求需要做數(shù)字簽名并儲存到公有鏈上，包括車輛的各種信息如車輛型號、車牌號碼、車內(nèi)溫度濕度和運輸?shù)漠a(chǎn)品信息等。在儲存到公有鏈的同時，以私有鏈的形式將數(shù)字簽名信息發(fā)送到對應(yīng)的下一個環(huán)節(jié)即倉儲企業(yè)。倉儲企業(yè)收到數(shù)字簽名后，可以迅速回應(yīng)，將空余的倉位信息形成代碼發(fā)回至物流運輸企業(yè)。通過數(shù)字簽名技術(shù)建立的物流信息共享平臺，能有效實現(xiàn)供應(yīng)鏈各節(jié)點之間的信息共享、網(wǎng)絡(luò)互信、迅速響應(yīng)，運輸商和倉儲商可有效匹配貨源、車源、倉位，倉儲商、分銷商、零售商可以實現(xiàn)實時送貨，減少分銷商和零售商的庫存空間、降低庫存成本。

5 基于5G-IoT和區(qū)塊鏈的乳品供應(yīng)鏈安全監(jiān)測模型

業(yè)務(wù)層各節(jié)點的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息，如養(yǎng)殖商、生產(chǎn)商、運輸商、配送商、分銷商、零售商和消費者的信息通過超高傳輸速率、超低延遲的5G網(wǎng)絡(luò)，分別傳輸給物聯(lián)網(wǎng)層的各對應(yīng)的供應(yīng)鏈成員，這個層次通過5G、IoT、射頻技術(shù)（Radio Frequency Identification，RFID）、云計算和大數(shù)據(jù)等的技術(shù)支持，詳細(xì)記錄和分析各供應(yīng)鏈成員的信息。聯(lián)盟鏈層主要提供防篡改、可共享、可追溯的供應(yīng)鏈各節(jié)點信息。對擁有公鑰和私鑰的乳制品供應(yīng)鏈各參與主體來說，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)信息是公開透明的，安全監(jiān)管部門也可以對這些數(shù)據(jù)進行溯源和監(jiān)管。同時，數(shù)字簽名技術(shù)能有效保障企業(yè)的信息不泄露，保護供應(yīng)鏈參與企業(yè)的利益。5G-IoT和區(qū)塊鏈的乳品安全監(jiān)測模型見圖2。

圖2 5G-IoT和區(qū)塊鏈的乳品安全監(jiān)測模型

消費者在進行乳品消費時，利用手機或電腦客戶端，憑借溯源碼或電子標(biāo)簽等訪問查詢?nèi)槠返酿B(yǎng)殖環(huán)境、質(zhì)檢信息、包裝材料、添加劑成分和運輸過程等信息，如果發(fā)現(xiàn)信息異常，可向質(zhì)量監(jiān)管部門投訴。乳品安全監(jiān)管部門在區(qū)塊鏈中擁有最高訪問權(quán)限，可通過私鑰接入乳制品溯源區(qū)塊鏈，在日常監(jiān)測中，可以抽檢相關(guān)信息，也可以自動監(jiān)控各節(jié)點與質(zhì)量安全相關(guān)的關(guān)鍵信息。如發(fā)生乳制品質(zhì)量安全問題，可迅速溯源問題發(fā)生的環(huán)節(jié)，遏制事態(tài)發(fā)展，并迅速對相關(guān)企業(yè)進行查辦和問責(zé)、處理。

6 基于5G-IoT和區(qū)塊鏈的乳制品供應(yīng)鏈質(zhì)量安全監(jiān)測的優(yōu)勢

基于5G-IoT和區(qū)塊鏈技術(shù)的乳制品安全監(jiān)測可以有效解決傳統(tǒng)乳制品供應(yīng)鏈溯源和安全監(jiān)測中的問題。5G網(wǎng)絡(luò)高速率、低延遲、接入廣的特點有助于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時與精準(zhǔn)傳輸。IoT系統(tǒng)中的智能傳感器有利于迅速、實時、準(zhǔn)確地采集供應(yīng)鏈各節(jié)點的信息。以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)建立的安全監(jiān)測平臺為信息的不可篡改和可控性提供了保障。

6.1 有利于實時收集供應(yīng)鏈各節(jié)點信息

供應(yīng)鏈的安全監(jiān)測始于養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，奶牛的養(yǎng)殖情況、防疫措施等信息通過電子標(biāo)簽或溯源碼等技術(shù)進行電子存檔，供應(yīng)鏈的其他參與者也會將涉及質(zhì)量安全的其他關(guān)鍵信息打包存儲到云端，作為溯源和監(jiān)測的原始依據(jù)。為了防止篡改，各節(jié)點的關(guān)鍵信息會被提取并上傳至區(qū)塊鏈，加蓋時間戳。通過5G、IoT、全球定位系統(tǒng)（Global Positioning System，GPS）等技術(shù)，各環(huán)節(jié)的狀態(tài)信息將以文字、圖像的形式上鏈，對應(yīng)相應(yīng)的溯源碼、電子標(biāo)簽、耳標(biāo)等身份標(biāo)識，這樣就能實現(xiàn)動態(tài)跟蹤供應(yīng)鏈各節(jié)點，發(fā)生質(zhì)量問題時能迅速找到問題節(jié)點，并精準(zhǔn)召回及處理。

6.2 有助于實時監(jiān)控供應(yīng)鏈各節(jié)點的操作規(guī)范

乳制品供應(yīng)鏈安全監(jiān)測平臺可實時監(jiān)控供應(yīng)鏈的質(zhì)量和安全信息，并及時處理。在對乳制品生產(chǎn)流程即鮮奶來源、原奶質(zhì)量、生產(chǎn)和加工信息的追溯中，通過實時監(jiān)控運輸和儲存信息，達(dá)到對乳制品供應(yīng)鏈實時監(jiān)控的目的，并上傳至區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈中的記錄信息將作為對供應(yīng)鏈產(chǎn)品和運行過程進行質(zhì)量安全監(jiān)控的依據(jù)。

6.3 有利于規(guī)避供應(yīng)鏈中的安全風(fēng)險

如發(fā)現(xiàn)乳制品供應(yīng)鏈某個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，如飼料農(nóng)藥殘留異常、運輸車輛溫度過高等，系統(tǒng)啟動預(yù)警程序自動發(fā)出警報，并根據(jù)設(shè)定的程序?qū)Ξ惓栴}采取恰當(dāng)?shù)木o急措施。實時全面監(jiān)控供應(yīng)鏈各節(jié)點的生產(chǎn)和運營數(shù)據(jù)，從鮮奶產(chǎn)出到乳品生產(chǎn)加工環(huán)節(jié)，從運輸、儲存、配送到分銷、銷售環(huán)節(jié)。當(dāng)存在質(zhì)量安全的風(fēng)險預(yù)警時，通過區(qū)塊鏈就可以追溯查找相關(guān)的信息并及時處理。在消費環(huán)節(jié)，消費者能夠通過手機或電腦終端查詢?nèi)橹破饭?yīng)鏈的相關(guān)質(zhì)量和安全信息，這些信息在區(qū)塊鏈中以文字、圖像、視頻等方式呈現(xiàn)，便于消費者快速查詢和了解，增強消費者的消費信心，避免消費過程中出現(xiàn)的乳品質(zhì)量安全風(fēng)險。

7 結(jié)語

將5G-IoT應(yīng)用于乳制品供應(yīng)鏈中，可實時監(jiān)督追蹤乳品從源頭的飼養(yǎng)到消費終端全過程的信息，并進行動態(tài)的監(jiān)測，通過算法實現(xiàn)風(fēng)險預(yù)警和應(yīng)急處理。也可以打通供應(yīng)鏈各節(jié)點的信息壁壘，實現(xiàn)快速高效的數(shù)據(jù)分析和流程對接。區(qū)塊鏈技術(shù)通過智能合約、安全與鏈碼服務(wù)等核心技術(shù)，使供應(yīng)鏈全鏈路實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)互信、信息共享和防篡改。基于5G-IoT和區(qū)塊鏈的乳制品溯源和安全監(jiān)測平臺，可實現(xiàn)對乳品供應(yīng)鏈全節(jié)點的追溯和安全監(jiān)管，方便質(zhì)量供應(yīng)鏈各節(jié)點參與主體、乳品質(zhì)量監(jiān)督部門、消費者對乳制品流程中不合規(guī)的信息進行監(jiān)測，對乳制品質(zhì)量安全起到保障作用。