劉宗妹，張國業(yè)

(廣東司法警官職業(yè)學(xué)院信息管理系，廣東 廣州510520)

0 引言

“毒奶粉”“毒生姜”和“毒大米”等一系列食品安全事件暴露質(zhì)量信息有效披露的難度，亟需利用新興技術(shù)手段，構(gòu)建高效的食品安全追溯平臺(tái)。2015年，國務(wù)院辦公廳明確要求構(gòu)建重要產(chǎn)品的追溯體系，其中包括食品行業(yè)。民以食為天，本文旨在研究基于區(qū)塊鏈的去中心化、RFID可溯源性和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)采集性的食品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)種植、加工、倉儲(chǔ)、物流和銷售全過程關(guān)鍵數(shù)據(jù)上鏈，解決傳統(tǒng)中心化存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)難溯源、市場把握不準(zhǔn)、信任缺失和追責(zé)困難的問題[1]。通過信息技術(shù)助力食品溯源，既實(shí)現(xiàn)了食品溯源管理，又防止了數(shù)據(jù)被惡意篡改，還實(shí)現(xiàn)了源頭數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和智能判斷，在商家、企業(yè)和消費(fèi)者間架起了信任的橋梁，提升了食品溯源的可信度和穩(wěn)定性，激發(fā)了民眾進(jìn)行食品溯源的興趣[2]。

1 食品供應(yīng)鏈溯源現(xiàn)狀

食品供應(yīng)鏈涉及從原材料生產(chǎn)到端上餐桌的全過程，空間跨度大，時(shí)間跨度長，很難實(shí)現(xiàn)有效監(jiān)管，造成食品安全問題頻發(fā)，如瘋牛病、毒奶粉和地溝油等食品安全事件，破壞了民眾的信任，影響了人們生活的幸福感。經(jīng)深入市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)，食品信息中心化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)難追溯、配送效率低，根源在于不能保證溯源信息的準(zhǔn)確性，缺少一種民眾認(rèn)可的信任共識(shí)。食品問題是民生之本，通過梳理發(fā)現(xiàn)食品供應(yīng)鏈主要存在以下5方面問題。①農(nóng)作物種植方面，工業(yè)“三廢”污染自然資源，農(nóng)藥和化肥使用量過大，無法保障原材料的綠色安全。②食品生產(chǎn)過程中，添加劑和防腐劑使用不當(dāng)，生產(chǎn)衛(wèi)生條件不達(dá)標(biāo)，食品生產(chǎn)過程未能有效監(jiān)管，商標(biāo)數(shù)據(jù)“貨不對板”，甚至有一些小作坊在未取得衛(wèi)生許可證的情況下自行生產(chǎn)[3]。③食品營銷過程中，缺乏科學(xué)的食品檢測人員和檢測設(shè)備，有毒有害物質(zhì)超標(biāo)，隨意更改保質(zhì)期，造成安全隱患。④物流環(huán)節(jié)，食品倉庫分布不足，物流體系不健全，存在二次污染的危險(xiǎn)。⑤溯源環(huán)節(jié)，現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)將食品流通整個(gè)過程從文件夾帶到硬盤或云平臺(tái)，但底層結(jié)構(gòu)是相同的?？傊谥行幕鎯?chǔ)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)的溯源平臺(tái)，存在被黑客攻擊的風(fēng)險(xiǎn)；防偽標(biāo)簽無法捆綁產(chǎn)品，存在被篡改或者復(fù)制的風(fēng)險(xiǎn)；沒有統(tǒng)一的系統(tǒng)來管理眾多身份，存在追溯體系構(gòu)建難度大的問題[2]。

目前，已有相關(guān)文獻(xiàn)研究溯源問題。陳騰[4]從應(yīng)用層面描述了區(qū)塊鏈在防偽溯源中的應(yīng)用。劉耀宗等[5]從數(shù)據(jù)模型方面進(jìn)行了溯源應(yīng)用研究。陶啟等[6]從管理平臺(tái)方面對新應(yīng)用進(jìn)行了研究。劉宗妹[7]從溯源效率和數(shù)據(jù)安全方面探索將區(qū)塊鏈技術(shù)和RFID有效結(jié)合，提升食品溯源成效，但未解決一直困擾食品安全的源頭數(shù)據(jù)安全性無法保障的問題。本文探索基于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備構(gòu)筑智能全景監(jiān)控，對原材料種植階段、飼養(yǎng)階段、生產(chǎn)階段、倉儲(chǔ)階段和物流階段采用無死角全景監(jiān)控，從源頭保證數(shù)據(jù)的安全性。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)與食品供應(yīng)鏈溯源契合度

區(qū)塊鏈?zhǔn)菐в袝r(shí)間戳的數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)的可信記錄，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的集群管理[3]。區(qū)塊使用加密算法保護(hù)并形成鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全。分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)每個(gè)人都可看到信息，實(shí)現(xiàn)信息的透明性[8]。分布式賬本設(shè)計(jì)，節(jié)點(diǎn)地位平等，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均掌握副本，即使個(gè)別節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，也不能影響系統(tǒng)運(yùn)行。區(qū)塊鏈交易過程中，隨著節(jié)點(diǎn)的增多，區(qū)塊鏈的安全性越來越強(qiáng)[9]。信息傳遞的自動(dòng)化完成，縮短了交易處理時(shí)間。RFID射頻識(shí)別技術(shù)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別和數(shù)據(jù)獲取，實(shí)現(xiàn)商品流通過程中的快速定位[10]。

食品供應(yīng)鏈的參與主體有農(nóng)戶、生產(chǎn)企業(yè)、倉管企業(yè)、物流企業(yè)、經(jīng)銷商和消費(fèi)者，涉及食品生產(chǎn)、加工、存儲(chǔ)、流通和銷售全過程，企業(yè)與農(nóng)戶之間基于供與求的關(guān)系編織成一張網(wǎng)，具有區(qū)塊鏈的天然屬性，具體表現(xiàn)在如下3方面。①數(shù)據(jù)的高效溯源。食品供應(yīng)鏈的溯源管理實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)獲取各環(huán)節(jié)狀態(tài)，平衡生產(chǎn)和分配效率，出現(xiàn)食品安全事件時(shí)可快速定位源頭。②數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)。區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存完整副本，利用哈希算法實(shí)現(xiàn)加密，若隨意篡改數(shù)據(jù)，則哈希散列函數(shù)也會(huì)變化，從而驗(yàn)證出錯(cuò)，剔除這個(gè)黑節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)信息的安全性[11]。③數(shù)據(jù)的有效共享。為避免不同平臺(tái)相互交互過程中產(chǎn)生大量無用數(shù)據(jù)，供應(yīng)鏈設(shè)計(jì)統(tǒng)一區(qū)塊鏈平臺(tái)，遵循共同的智能合約，構(gòu)造食品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)[1]。

目前，已有一部分區(qū)塊鏈在食品行業(yè)中應(yīng)用。IBM Food Trust是基于DLT(分布式賬本技術(shù))提出的區(qū)塊鏈工具，用戶通過查詢標(biāo)識(shí)符快速查找項(xiàng)目。家樂福Auvergne雞在法國被提出，實(shí)現(xiàn)農(nóng)場到商店的全過程記錄。京東落地“跑步雞”“飛翔鴿”等項(xiàng)目，將家禽養(yǎng)殖數(shù)據(jù)記錄到區(qū)塊鏈中，構(gòu)建養(yǎng)殖管理系統(tǒng)[4]?，F(xiàn)有成果解決了食品溯源中數(shù)據(jù)的永久記錄和共享，但企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益不高。

3 食品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)框架對比分析

區(qū)塊鏈分為私有鏈、聯(lián)盟鏈和公有鏈。私有鏈歸一個(gè)主體所有；公有鏈中所有人都可隨時(shí)參與；聯(lián)盟鏈中多個(gè)主體達(dá)成協(xié)議，具有準(zhǔn)入機(jī)制和身份管理。聯(lián)盟鏈的友好監(jiān)管，使其在民生、政務(wù)等市場化程度低、多方協(xié)作欠佳的領(lǐng)域發(fā)揮較大優(yōu)勢，符合復(fù)雜的食品供應(yīng)鏈的發(fā)展方向[12]。區(qū)塊鏈的基礎(chǔ)層協(xié)議語言干枯，使用門檻高，開發(fā)框架的選擇尤為重要[13]。目前，主流框架有以太坊和Fabric。以太坊是擁有智能合約的區(qū)塊鏈開源平臺(tái)，智能合約是區(qū)塊鏈中的代碼，實(shí)現(xiàn)了可信任性和可共享性，所有交易都是基于合約操作執(zhí)行，以太坊實(shí)現(xiàn)了圖靈完備機(jī)，緊耦合性導(dǎo)致擴(kuò)展性差，共識(shí)機(jī)制采用PoW，消耗大量GAS，隨區(qū)塊高度的增加產(chǎn)生區(qū)塊的時(shí)間也越來越長。Fabric是Linux基金會(huì)發(fā)起的開源框架，共識(shí)機(jī)制采用No-op或PBFT，松耦合設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)組件模塊化，Chaincode代碼在Docker運(yùn)行，相對來說較靈活，但構(gòu)筑生態(tài)需付出較大功夫[14]。FISCO BCOS是國內(nèi)企業(yè)主導(dǎo)研發(fā)的聯(lián)盟鏈開源社區(qū)，經(jīng)過多個(gè)版本的迭代，其在易用性和性能方面提升較快。FISCO BCOS具有動(dòng)態(tài)群組管理，支持動(dòng)態(tài)創(chuàng)建、重啟、暫停和回收功能；具有分布式存儲(chǔ)功能，支持計(jì)算和存儲(chǔ)分離；支持并行交易處理模型，實(shí)現(xiàn)交易并行計(jì)算；支持一鍵部署，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的快速安全部署；具有網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)功能，實(shí)現(xiàn)從日志精細(xì)化的獲取到Gas消耗和流量消耗；修復(fù)ecRecover接口在國密模式下接口不可用問題，sha256返回值在國密和非國密模式下不一致問題；支持同態(tài)加密和群環(huán)簽名，實(shí)現(xiàn)了可以擴(kuò)展的共識(shí)算法RPBFT?；谝陨蠈Ρ确治觯狙芯窟x擇在FISCO BCOS下進(jìn)行基于聯(lián)盟鏈的食品溯源問題研究。

3.2 相關(guān)多源數(shù)據(jù)

如付永貴[15]所述，首先，利用一定的采集技術(shù)獲取多源數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)信息獲取的及時(shí)性和完備性；其次，利用信息技術(shù)分析摒棄冗余信息、錯(cuò)誤信息等；最后，通過在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中認(rèn)證和存儲(chǔ)多源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)監(jiān)管供應(yīng)鏈的各種行為。食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)獲取及分析過程如圖1所示。

圖1 食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)獲取及分析過程Fig.1 Data acquisition and analysis process of food supply chain

3.3 溯源體系架構(gòu)

基于聯(lián)盟鏈方式構(gòu)建食品溯源平臺(tái)，保障關(guān)鍵信息上鏈后區(qū)塊鏈中的主體均可追蹤并且信息不易被篡改，形成正向的數(shù)據(jù)信息傳遞和反向的數(shù)據(jù)信息溯源，將RFID、區(qū)塊鏈、智能監(jiān)控有機(jī)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息透明傳輸[16]。首先，通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，對食品供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行自動(dòng)化采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，確保源頭數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確完整。其次，要有實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息上傳的基本網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)食品摘要信息上鏈，種植(飼養(yǎng))信息、生產(chǎn)信息、流通信息、倉儲(chǔ)信息和銷售信息存于數(shù)據(jù)庫，基于智能合約實(shí)現(xiàn)自動(dòng)查詢操作。最后，消費(fèi)者可以利用移動(dòng)端掃描RFID標(biāo)簽或客戶端輸入產(chǎn)品編號(hào)來查詢各個(gè)環(huán)節(jié)的詳細(xì)信息，實(shí)現(xiàn)食品流通從下游環(huán)節(jié)向上游環(huán)節(jié)溯源。監(jiān)管人員有查詢記錄對應(yīng)的密鑰，按照密鑰查詢區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)的權(quán)限[17]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 System architecture

3.4 溯源總體架構(gòu)

食品供應(yīng)鏈概括起來包括生產(chǎn)加工過程和流通過程。食品供應(yīng)信息中往往缺乏對原材料供應(yīng)信息的收集，從而錯(cuò)失了從源頭上來抓安全的警覺性，本研究中將由種子開始信息上鏈，包括種子編號(hào)、種植時(shí)間、施肥次數(shù)和除蟲打藥等信息。加工環(huán)節(jié)的工廠環(huán)境、添加劑使用和殺菌防腐等信息有效存儲(chǔ)。RFID(射頻識(shí)別技術(shù))通過標(biāo)簽和掃描槍執(zhí)行商品流通過程中的掃描操作，通過掃描槍將信息掃描到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)，為商品的定位提供技術(shù)支撐[15]。首先，利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠存儲(chǔ)并有效共享；其次，利用RFID實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效溯源；最后，利用監(jiān)管機(jī)制實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)召回，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)者、物流者和消費(fèi)者各個(gè)環(huán)節(jié)的有效監(jiān)管，互聯(lián)互通[18]。食品供應(yīng)鏈溯源流程如圖3所示。

圖3 基本框架Fig.3 Basic framework

4 溯源系統(tǒng)性能分析

4.1 食品數(shù)據(jù)不可篡改性技術(shù)實(shí)現(xiàn)

傳統(tǒng)的基于第三方實(shí)現(xiàn)的交易流程降低了交易效率，加大了交易成本，而借助于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了信用的轉(zhuǎn)移，食品流通各個(gè)過程中的數(shù)據(jù)字段都以字符串的形式存于區(qū)塊鏈中，實(shí)現(xiàn)突發(fā)狀況時(shí)有源可溯，且高效進(jìn)行[19]。汪家偉等[16]詳細(xì)描述了區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)可信獲取的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。以生產(chǎn)過程為例，當(dāng)工廠寫入生產(chǎn)信息時(shí)，系統(tǒng)根據(jù)植入的規(guī)則判斷輸入信息的合規(guī)性，若為無效信息則無法寫入。生產(chǎn)信息同時(shí)傳入普通數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)利用加密算法將其轉(zhuǎn)化成16位字符串?dāng)?shù)據(jù)摘要信息上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，通過加密技術(shù)，可準(zhǔn)確判斷數(shù)據(jù)是否篡改，成功寫入?yún)^(qū)塊后生成唯一的哈希值存入數(shù)據(jù)庫。種植和飼養(yǎng)過程、倉儲(chǔ)過程、物流過程和銷售過程也進(jìn)行同樣的操作，這些節(jié)點(diǎn)在區(qū)塊鏈中遵循共同的共識(shí)機(jī)制，相互監(jiān)督并且相互制約，所有信息將同步保存至所有節(jié)點(diǎn)，保證上鏈無法篡改。系統(tǒng)支持多種形式的溯源查詢，用戶可在計(jì)算機(jī)或者手機(jī)通過銷售編號(hào)或者RFID標(biāo)簽查詢溯源信息，在此有個(gè)對比的過程，如原始數(shù)據(jù)與商家提供的數(shù)據(jù)不同，則表示數(shù)據(jù)已經(jīng)被非法篡改了，從而實(shí)現(xiàn)了全過程重要數(shù)據(jù)的查詢，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)安全性判定Fig.4 Data security judgment

4.2 源頭數(shù)據(jù)保障技術(shù)

充分利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過傳感器、智能設(shè)備、RFID和GPS定位裝置等構(gòu)筑數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，感知農(nóng)作物種植或家禽飼養(yǎng)過程中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，從源頭上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化采集原始數(shù)據(jù)，上傳到區(qū)塊鏈系統(tǒng)后，自動(dòng)生成溯源碼，并與數(shù)字簽名、時(shí)間戳共同封裝于區(qū)塊鏈[20]。源頭數(shù)據(jù)保障技術(shù)如圖5所示。

圖5 源頭數(shù)據(jù)保障技術(shù)Fig.5 Source data assurance technology

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

FISCO BCOS作為區(qū)塊鏈平臺(tái)，在Vmware虛擬機(jī)、Ubuntu16.04操作系統(tǒng)下進(jìn)行仿真試驗(yàn)。使用B/S框架，Web前端實(shí)現(xiàn)錄入信息和查詢信息。使用Bootstrap2.3.1作為進(jìn)行前端開發(fā)的框架，利用基于CSS、HTML和JavaScript的集成性，對數(shù)據(jù)輸入界面和溯源界面展示不同效果。溯源請求可以通過前端控制器Spring轉(zhuǎn)發(fā)至后端控制器。后端采用持久層框架Spring框架、日志管理工具Log4j、視圖框架Spring MVC等，使用Java語言開發(fā)框架，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)，普通數(shù)據(jù)庫采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫MySQL管理[20]。構(gòu)造圖形化界面的查詢系統(tǒng)，操作簡單方便。

利用區(qū)塊鏈的智能合約實(shí)現(xiàn)食品供應(yīng)鏈系統(tǒng)減少人為介入，各企業(yè)按照代碼協(xié)議自動(dòng)觸發(fā)執(zhí)行，按照合約規(guī)定上傳數(shù)據(jù)，明確監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，通過共識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)被授權(quán)節(jié)點(diǎn)才有訪問權(quán)[21]。使用Solidity合約形式，WeBASE提供的ide WEBASE-front來進(jìn)行運(yùn)行，然后在remix的ide中輸入代碼進(jìn)行編譯，成功后進(jìn)行部署。

4.4 性能對比分析

基于區(qū)塊鏈的防偽溯源與傳統(tǒng)溯源的性能對比分析如表1所示。

表1 性能對比分析

5 結(jié)束語

隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，輿論監(jiān)督作用日益彰顯，而互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)推動(dòng)食品溯源還需長足發(fā)展。通過構(gòu)建責(zé)任可追究、去向可追溯的食品供應(yīng)鏈溯源體系，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)加工、物流、銷售信息檔案的構(gòu)建[22]。利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)不可篡改性，利用RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效溯源[8]。構(gòu)建協(xié)同處理平臺(tái)，有效解決食品溯源中數(shù)據(jù)信任問題和追責(zé)困難問題，實(shí)現(xiàn)客戶端和移動(dòng)端與底層供應(yīng)鏈系統(tǒng)的友好交互，進(jìn)一步提升溯源管理成效。由于基于區(qū)塊鏈應(yīng)用開發(fā)還處于初期，許多中小企業(yè)無法承擔(dān)，未來發(fā)展重點(diǎn)是拓廣應(yīng)用，通過將區(qū)塊鏈技術(shù)與食品安全監(jiān)管體系的創(chuàng)新融合，建立基于區(qū)塊鏈的信任機(jī)制，激發(fā)民眾進(jìn)行食品溯源的興趣，促使大家積極監(jiān)督食品安全，提升品牌認(rèn)可度，以量換價(jià)，實(shí)現(xiàn)利潤最大化。