區(qū)塊鏈技術(shù)在食品供應(yīng)鏈中的應(yīng)用與研究

摘要：食品安全一直備受政府和百姓的重點(diǎn)關(guān)注。近年來(lái)，各地食品安全問(wèn)題頻發(fā)，傳統(tǒng)的食品原材料供應(yīng)、生產(chǎn)管理、銷售等環(huán)節(jié)均存在隱患，嚴(yán)重威脅著民眾的身體健康。提出了利用區(qū)塊鏈技術(shù)來(lái)解決上述各環(huán)節(jié)的問(wèn)題。食品供應(yīng)鏈利用區(qū)塊鏈的分布式特性，以塊的形式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用去中心化、不可篡改、分布式共識(shí)、可溯源等特性來(lái)解決傳統(tǒng)食品供應(yīng)鏈上的管理、食品安全、可溯源等相關(guān)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;去中心化;可溯源性;食品供應(yīng)鏈隨著全國(guó)大市場(chǎng)的形成，食品行業(yè)中原材料供應(yīng)商、生產(chǎn)商、銷售商等參與產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)量越來(lái)越龐大，管理上存在的問(wèn)題也越來(lái)越多，如信息孤島、鏈數(shù)據(jù)沒(méi)有共享機(jī)制、責(zé)任問(wèn)題無(wú)法追根溯源等，導(dǎo)致食品安全事件頻發(fā)，食品污染和安全隱患越來(lái)突出。黨的十九大報(bào)告提出，實(shí)施食品安全戰(zhàn)略，用“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃建立食品安全體系，保障民眾食品安全［1］。

1傳統(tǒng)食品供應(yīng)鏈的困境

傳統(tǒng)食品供應(yīng)鏈?zhǔn)侵赣稍牧瞎?yīng)、生產(chǎn)加工、倉(cāng)儲(chǔ)與配送、零售形成的鏈，以下簡(jiǎn)稱供應(yīng)鏈。這種供應(yīng)鏈存在如下問(wèn)題：

供應(yīng)鏈中的各環(huán)節(jié)均存在安全隱患，鏈中數(shù)據(jù)比較孤立，各自獨(dú)立經(jīng)營(yíng)管理，缺乏統(tǒng)一的資源調(diào)配，未實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)共享，這種信息孤島在整個(gè)供應(yīng)鏈中沒(méi)有形成共享機(jī)制，數(shù)據(jù)容易被篡改，從而在信用管理方面存在漏洞，在安全性和可靠性方面也無(wú)法得到保障。加上國(guó)內(nèi)監(jiān)管的缺失，食品安全事件發(fā)生后，無(wú)法追根溯源，難以準(zhǔn)確追責(zé)，致使各參與實(shí)體更愿意通過(guò)提供虛假劣質(zhì)食品及其相關(guān)數(shù)據(jù)來(lái)降低成本，賺取額外的巨額利潤(rùn)。

2區(qū)塊鏈基本工作原理

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于比特幣的概念，它是一種鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，鏈的每個(gè)區(qū)塊通過(guò)哈希值鏈接到上一區(qū)塊的后面，這樣前后順序相連，從而形成鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。其中哈希值包含在每個(gè)區(qū)塊頭中，該值是對(duì)前區(qū)塊的塊頭進(jìn)行哈希函數(shù)計(jì)算而得到。這樣讓每個(gè)區(qū)塊環(huán)環(huán)相扣，區(qū)塊頭除了包含哈希值，還有區(qū)塊號(hào)、時(shí)間戳。隨機(jī)數(shù)和Merkle樹(shù)等，其中Merkle樹(shù)的根節(jié)點(diǎn)能夠快速校驗(yàn)區(qū)塊中交易的每一筆數(shù)據(jù)，可以用來(lái)判斷這些數(shù)據(jù)是否被破壞或被篡改。

3區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1不可篡改性、可溯源性保障

區(qū)塊鏈可以在互不信任的分布式系統(tǒng)中進(jìn)行交易并驗(yàn)證數(shù)據(jù)的有效性和完整性，不需要第三方的干預(yù)。這種交易和數(shù)據(jù)驗(yàn)證是分散的，節(jié)省了大量的網(wǎng)絡(luò)成本，帶有歷史時(shí)間戳。每個(gè)交易一旦上傳到鏈系統(tǒng)中是不可篡改的，且在加密機(jī)制（如非對(duì)稱加密算法、數(shù)字簽名和哈希函數(shù)）的保障下可以確保區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)塊的完整性。因此，這種交易的不可否認(rèn)性正適合于食品供應(yīng)鏈。在供應(yīng)鏈中，將食品信息（如原材料產(chǎn)地、日期、生產(chǎn)廠商以及運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)等）對(duì)應(yīng)生成二維碼，這些二維碼附上交易時(shí)的時(shí)間戳，以確保后續(xù)交易的不可否認(rèn)性，也為溯源提供保障。后續(xù)環(huán)節(jié)可以通過(guò)供應(yīng)鏈中的二維碼獲取該食品的真實(shí)數(shù)據(jù)，從而能夠保障食品從生產(chǎn)、加工、再到消費(fèi)者的全流程精準(zhǔn)化管理［23］。

3.2智能合約技術(shù)

智能合約就是在區(qū)塊中嵌入合約條款，在滿足條件時(shí)將自動(dòng)生效。交易各方都可以通過(guò)區(qū)塊鏈訪問(wèn)合約，如有違反可通過(guò)凍結(jié)相應(yīng)的交易賬號(hào)鎖定智能合約雙方的數(shù)字資產(chǎn)形式對(duì)違約一方進(jìn)行懲罰。在供應(yīng)鏈中，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)（如運(yùn)輸、倉(cāng)儲(chǔ)或銷售）需要編寫對(duì)應(yīng)的合約，制定服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)智能合約接口和部署與更新等操作，有了這種合約可以優(yōu)化信用機(jī)制。

3.3去中心化

供應(yīng)鏈的每次交易都可以在不同的任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)上完成，這些節(jié)點(diǎn)又具有相同的權(quán)限和義務(wù)，即區(qū)塊鏈的去中心化。能利用區(qū)塊鏈的分布式共識(shí)算法對(duì)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)達(dá)成一致，無(wú)須第三方權(quán)威機(jī)構(gòu)認(rèn)證，確保供應(yīng)鏈的可用性和可靠性。通過(guò)傳感器、RFID和攝像頭獲取的食品信息進(jìn)入食品供應(yīng)鏈也有了保障，無(wú)須擔(dān)心因中央節(jié)點(diǎn)故障而導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失或更改［4］。

3.4數(shù)據(jù)透明與共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈技術(shù)的安全性主要由共識(shí)機(jī)制［5］來(lái)保障，在P2P的通信模式下，節(jié)點(diǎn)既可作為服務(wù)器，又可承擔(dān)區(qū)塊數(shù)據(jù)的傳輸、驗(yàn)證、存儲(chǔ)等工作。這種特性可以保障食品供應(yīng)鏈中多數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的透明性、合法性和準(zhǔn)確性，保障供應(yīng)鏈中每筆交易的安全性。

4食品供應(yīng)鏈的業(yè)務(wù)應(yīng)用模塊設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈技術(shù)下食品供應(yīng)鏈系統(tǒng)，其功能邏輯如圖1所示。

在應(yīng)用接口層中，主要有物聯(lián)網(wǎng)終端識(shí)別設(shè)備和用戶管理：用戶可以是個(gè)人或組織，參與交易的用戶首先需注冊(cè)，并進(jìn)行身份驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后才可進(jìn)入供應(yīng)鏈中各交易環(huán)節(jié)，其身份和責(zé)任范圍在全鏈系統(tǒng)中均可查詢，而物聯(lián)網(wǎng)終端識(shí)別設(shè)備（如傳感器、攝像頭、定位儀、RFID等）主要用于獲取和更新供應(yīng)鏈原始數(shù)據(jù)。

4.1原材料供應(yīng)

用戶通過(guò)傳感器、無(wú)線射頻（RFID）、攝像頭和定位儀等物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備，將食品原材料供應(yīng)的信息數(shù)據(jù)（如品名、檢測(cè)數(shù)據(jù)、產(chǎn)地信息、定位信息等）形成具有唯一性的二維碼或條形碼。這些二維碼和條形碼上傳供應(yīng)鏈時(shí)進(jìn)行數(shù)字簽名并進(jìn)行驗(yàn)證，一經(jīng)達(dá)成共識(shí)，將廣播全鏈系統(tǒng)，為供應(yīng)鏈的下游節(jié)點(diǎn)提供服務(wù)。

4.2生產(chǎn)環(huán)節(jié)

生產(chǎn)所需的原材料及其信息數(shù)據(jù)由上一環(huán)節(jié)提供，可通過(guò)區(qū)塊鏈下載接口獲得，再根據(jù)食品衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)、生產(chǎn)任務(wù)書、生產(chǎn)過(guò)程制度等進(jìn)行生產(chǎn)環(huán)節(jié)，將生成包括合格證、生產(chǎn)負(fù)責(zé)人、食品的有效期、檢測(cè)數(shù)據(jù)等相關(guān)的新信息數(shù)據(jù)。在共識(shí)機(jī)制下對(duì)每批次的這種數(shù)據(jù)信息進(jìn)行更新，并簽名驗(yàn)證。經(jīng)驗(yàn)證后更新加入到上述二維碼中，并廣播全鏈系統(tǒng)，為供應(yīng)鏈的下一環(huán)節(jié)提供信息來(lái)源和保障，同時(shí)進(jìn)行績(jī)效管理。

4.3運(yùn)輸與倉(cāng)儲(chǔ)

運(yùn)輸途中，首先在區(qū)塊鏈下載服務(wù)接口上獲得食品生產(chǎn)環(huán)節(jié)的信息。若生產(chǎn)環(huán)節(jié)食品數(shù)據(jù)不符合共識(shí)機(jī)制中的合約，則可以拒絕運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)，若無(wú)誤，再進(jìn)行運(yùn)輸，并將相關(guān)信息（如運(yùn)輸負(fù)責(zé)人，入庫(kù)出庫(kù)時(shí)間，運(yùn)輸起終點(diǎn)，流經(jīng)中轉(zhuǎn)站，運(yùn)輸時(shí)長(zhǎng)，運(yùn)輸轉(zhuǎn)接點(diǎn)）加入原區(qū)塊中，為后續(xù)倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)節(jié)提供數(shù)據(jù)依據(jù)。

4.4食品銷售環(huán)節(jié)

食品的銷售是食品流通到消費(fèi)者的最終環(huán)節(jié)。零售商和消費(fèi)者均可根據(jù)區(qū)塊鏈上食品從原材料供應(yīng)、生產(chǎn)、運(yùn)輸與倉(cāng)儲(chǔ)每一個(gè)環(huán)節(jié)的詳細(xì)信息是否正常來(lái)進(jìn)行銷售和消費(fèi)?？梢圆樵兪称吩牧系臋z測(cè)數(shù)據(jù)是否合格，生產(chǎn)過(guò)程是否達(dá)到衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，運(yùn)輸和倉(cāng)儲(chǔ)是否超期，每一個(gè)環(huán)節(jié)均可追溯和查詢到負(fù)責(zé)人。

其中檢測(cè)數(shù)據(jù)（如重金屬、農(nóng)藥、甲醛、各類食品添加劑等眾多有毒有害物質(zhì)）是否超標(biāo)，設(shè)置上限值并寫入共識(shí)機(jī)制，根據(jù)檢測(cè)數(shù)據(jù)，建立食品安全風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)預(yù)警和預(yù)防，檢測(cè)數(shù)據(jù)若低于上限，則顯示正常，若高出，則顯示警報(bào)信息。

在上述各環(huán)節(jié)中，攝像頭獲取的視頻數(shù)據(jù)，定位儀的定位信息等占存儲(chǔ)空間較大，倘若全部加入?yún)^(qū)塊中，將增加供應(yīng)鏈的存儲(chǔ)負(fù)擔(dān)，可以考慮鏈下存儲(chǔ)，以提升交易效率和吞吐率。

5結(jié)語(yǔ)

類似于P2P的區(qū)塊鏈技術(shù)，已在農(nóng)業(yè)供應(yīng)鏈、汽車工業(yè)、醫(yī)療醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域均有實(shí)際的落地應(yīng)用并迅速發(fā)展。闡述的區(qū)塊鏈技術(shù)下的食品供應(yīng)鏈的應(yīng)用解決了傳統(tǒng)食品供應(yīng)鏈的管理、安全性和食品信任度等問(wèn)題。但隨著加入實(shí)體的增多，供應(yīng)鏈信息量大量增長(zhǎng)時(shí)，將給供應(yīng)鏈的存儲(chǔ)和吞吐率帶來(lái)巨大的壓力，比如：某些終端節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力弱的輕型設(shè)備存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)非常有限，過(guò)多的攝像頭視頻和定位等大容量數(shù)據(jù)的加入。交易的效率將會(huì)大大降低，供應(yīng)鏈將難于擴(kuò)展。又如：食品原材料生產(chǎn)和加工的衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)難于執(zhí)行到位，仍需從行業(yè)的實(shí)際情況出發(fā)，在實(shí)踐中不斷探索，尋找新思路和新方法，為完善食品安全提供有益的借鑒和指導(dǎo)。

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