陳雨凡

（南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

0 引 言

杭州市臨安地區(qū)是國內(nèi)山核桃的主產(chǎn)區(qū)之一，也是有據(jù)可查的原產(chǎn)地，至今有500年以上的栽培史，素有“中國山核桃之都”的美譽。該地區(qū)所產(chǎn)的山核桃具備粒大殼薄、果仁飽滿的特點，輔之以傳統(tǒng)加工手法和現(xiàn)代食品工藝，其山核桃相關(guān)產(chǎn)品以香脆可口的特點而聲名在外。隨著電子商務(wù)等流通領(lǐng)域的發(fā)展，我國農(nóng)產(chǎn)品的銷售渠道日漸豐富，在農(nóng)產(chǎn)品銷量增加的同時，食品安全問題不容忽視。山核桃銷售領(lǐng)域出現(xiàn)了農(nóng)藥殘留過高、摻雜陳籽空籽、濫用各類香精和添加劑等問題，甚至出現(xiàn)了以次充好、冒名濫用的現(xiàn)象。以上問題的出現(xiàn)，一方面是不少企業(yè)缺乏誠信，無道德底線，只追求利潤，忽視質(zhì)量；另一方面，由于市場監(jiān)督漏洞大，檢測機制和抽查手段落后，很難對山核桃進行有效的管理和甄別。

從產(chǎn)地到工廠，從加工到銷售，山核桃等農(nóng)產(chǎn)品要經(jīng)過多個流通環(huán)節(jié)，其中每個環(huán)節(jié)都存在導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品被污染、生產(chǎn)信息被篡改的可能性。當前，利用區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)、云計算等信息手段快速、高效管理食品安全信息，實現(xiàn)食品安全溯源，尤其是農(nóng)產(chǎn)品安全溯源，已經(jīng)成為趨勢。

1 溯源系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀及存在的問題

在我國早期的農(nóng)產(chǎn)品溯源技術(shù)研究中，較為重視信息采集技術(shù)的創(chuàng)新與突破，關(guān)注如何充分采集溯源數(shù)據(jù)以及覆蓋完整的產(chǎn)品供應(yīng)鏈。因此，我國目前的農(nóng)產(chǎn)品溯源技術(shù)結(jié)合產(chǎn)品自身的供應(yīng)鏈特征，及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、二維碼技術(shù)，并運用隨機自助采樣、移動設(shè)備拍照、高精度激光掃描、射頻識別（RFID）等數(shù)據(jù)采集手段，構(gòu)建了層次多樣、功能豐富的農(nóng)產(chǎn)品溯源模型，實現(xiàn)了全供應(yīng)鏈溯源。相比之下，相關(guān)數(shù)據(jù)安全存儲領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展明顯滯后，溯源數(shù)據(jù)普遍采用中心化數(shù)據(jù)庫進行存儲，數(shù)據(jù)面臨完全暴露的風險，任何可以接觸到數(shù)據(jù)的人員都可以隨意對溯源數(shù)據(jù)進行操作，嚴重影響了溯源結(jié)果的可信度。

楊信廷等人提出以質(zhì)量安全追溯為核心，以供應(yīng)鏈、信息技術(shù)為坐標架構(gòu)，涵蓋產(chǎn)品鏈、服務(wù)鏈、技術(shù)鏈的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯模型，繼而構(gòu)建了一體化農(nóng)產(chǎn)品及食品全供應(yīng)鏈追溯系統(tǒng)，但依然無法保障溯源中心數(shù)據(jù)庫的安全，使得前期數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析工作的價值大減，相關(guān)溯源結(jié)論真實性大打折扣。董玉德等人運用HACCP（危害分析和關(guān)鍵控制點）體系，通過系統(tǒng)功能模塊化思路設(shè)計了面向服務(wù)的多層分布式農(nóng)產(chǎn)品追溯模型，用以溯源農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈安全，并優(yōu)化數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，但其本質(zhì)上依然是傳統(tǒng)的中心化結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)安全風險很大，影響溯源結(jié)果的可信度。鄭開濤提出基于時空編碼技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全多邊追溯平臺，整合不同的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)并建立統(tǒng)一的大數(shù)據(jù)認證中心和多方授權(quán)認證機制，保障溯源數(shù)據(jù)的交流，以此改善我國追溯系統(tǒng)分散不集中的現(xiàn)狀。但遺憾的是，在此體系之下依然存在存儲介質(zhì)損壞或數(shù)據(jù)被篡改的風險，這會破壞溯源平臺的公信力，降低追溯系統(tǒng)間的互信程度。不難看出，現(xiàn)有的溯源系統(tǒng)普遍存在以下問題。

（1）信息存儲技術(shù)落后，溯源數(shù)據(jù)真?zhèn)坞y辨。溯源系統(tǒng)當前廣泛使用單一數(shù)據(jù)庫進行中心化數(shù)據(jù)存儲，優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，維護成本較低；但在數(shù)據(jù)安全層面存在巨大隱患，數(shù)據(jù)庫可能被篡改，即使采用數(shù)據(jù)庫備份等手段，依然無法保障數(shù)據(jù)的真實、可靠，很難通過數(shù)據(jù)鑒別判斷溯源數(shù)據(jù)的真?zhèn)巍?/p>

（2）信息記錄多源，追溯效率低下。現(xiàn)有溯源系統(tǒng)中，農(nóng)產(chǎn)品在各節(jié)點源頭均有相應(yīng)記錄（如在農(nóng)場、物流公司時，都會有產(chǎn)品記錄信息），這些信息記錄需要分別進行錄入、對賬，整體效率低下；如果出現(xiàn)信息不對稱等情況，就需要進行大規(guī)模追溯數(shù)據(jù)校對，進一步降低效率。

（3）源條碼可復(fù)制，數(shù)據(jù)安全性低。溯源系統(tǒng)廣泛采用源條碼技術(shù)，通過二維碼、條形碼等實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品一物一碼的對應(yīng)關(guān)系，而條碼具有可復(fù)制性，且復(fù)制成本低、難度小，導(dǎo)致整體數(shù)據(jù)安全性不高，致使農(nóng)產(chǎn)品溯源體系失效。

2 山核桃柔性溯源系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 基于區(qū)塊鏈的山核桃產(chǎn)品的柔性追溯和可信溯源技術(shù)實現(xiàn)

柔性追溯（溯源）一般指對產(chǎn)品特定供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)提供多種實現(xiàn)模式。以農(nóng)產(chǎn)品銷售為例，不同農(nóng)產(chǎn)品的銷售方式和銷售渠道各不相同，因此相應(yīng)的銷售數(shù)據(jù)具有不同的特征和屬性，不應(yīng)以相同的方式進行處理，而是應(yīng)該在溯源系統(tǒng)中針對具體需求創(chuàng)建多個“實例”或“范例”，對應(yīng)不同的產(chǎn)品與場景。基于農(nóng)產(chǎn)品自身特點，其溯源模型的柔性較差，需要以分布式建模替代集中式建模，形成去中心化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，將農(nóng)產(chǎn)品供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的溯源通過策略封裝至具備事務(wù)處理邏輯和數(shù)據(jù)存儲功能的獨立模塊內(nèi)，并利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)模塊間的信息互通和數(shù)據(jù)通信。

在此柔性溯源模型中，供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的銜接通過各模塊間的相互調(diào)用方式實現(xiàn)，形成去中心化的非固定順序。該模型的優(yōu)點在于應(yīng)用“柔性溯源”理念，為相同供應(yīng)鏈提供了多樣化的溯源實現(xiàn)模式，初步解決了農(nóng)產(chǎn)品溯源困難、可信度低等關(guān)鍵問題。在本項目研究中，柔性溯源模型也存在一定的局限性，主要體現(xiàn)在“柔性”覆蓋范圍不足，難以對復(fù)雜多變的山核桃生產(chǎn)過程進行全面建模，且供應(yīng)鏈本身的復(fù)雜度也在不斷提升，各環(huán)節(jié)間的銜接順序也會隨著生產(chǎn)需求的變化而靈活變動，因此當前的山核桃柔性溯源模型還需要進一步優(yōu)化、升級。

區(qū)塊鏈技術(shù)具備分布式存儲特征和不可篡改的特性，將區(qū)塊鏈技術(shù)深度融入模型之中，與已有的山核桃柔性溯源模型相結(jié)合，進行系統(tǒng)柔韌性升級并進行區(qū)塊鏈存儲結(jié)構(gòu)改造，增加一系列更為合理、更加高效的配套模塊，實現(xiàn)關(guān)鍵溯源數(shù)據(jù)的安全存儲，在提升系統(tǒng)柔韌性的基礎(chǔ)上保證溯源數(shù)據(jù)的可信度，初步實現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的山核桃柔性溯源模型。柔性和非柔性追溯模型的追溯過程如圖1所示。

圖1 柔性和非柔性追溯模型的追溯過程

2.2 山核桃溯源系統(tǒng)的總體架構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)采用分布式記賬系統(tǒng)，依靠數(shù)據(jù)加密算法生成相關(guān)聯(lián)的鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，形成了去中心化、具備共識機制的安全數(shù)據(jù)庫，其內(nèi)部數(shù)據(jù)是公開透明、不可篡改可的。本溯源系統(tǒng)每個基礎(chǔ)模塊中都運用了區(qū)塊鏈技術(shù)，用以存儲關(guān)鍵的溯源數(shù)據(jù)。通過增加一系列高效的配套模塊最終實現(xiàn)預(yù)期功能，兼顧系統(tǒng)柔韌性與數(shù)據(jù)可靠性。圖2所示為山核桃柔性溯源全過程。

圖2 山核桃的柔性溯源過程

山核桃溯源系統(tǒng)分為信息采集、信息傳輸以及信息發(fā)布三部分。圖3所示為山核桃溯源系統(tǒng)。RFID數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)遍布產(chǎn)品流通的所有節(jié)點，以此實現(xiàn)對各節(jié)點的數(shù)據(jù)采集、存儲以及網(wǎng)絡(luò)連接，進而建立一個山核桃產(chǎn)品流通追溯數(shù)據(jù)庫。當用戶、監(jiān)管部門以及消費者發(fā)現(xiàn)山核桃產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時，可以通過該數(shù)據(jù)庫里的相關(guān)信息對山核桃產(chǎn)品進行溯源，并找到問題的根源?；诤Ａ繑?shù)據(jù)的山核桃溯源系統(tǒng)的具體技術(shù)特點如下所示：

（1）數(shù)據(jù)采集。在山核桃產(chǎn)品流通的各個節(jié)點都安裝RFID讀寫設(shè)備，生產(chǎn)加工商為信息的源頭，此節(jié)點的RFID標簽將錄入產(chǎn)品的EPC碼，以此可以得知山核桃產(chǎn)品的出庫地點、時間等信息；農(nóng)產(chǎn)品分銷商記錄產(chǎn)品入庫、出庫、退貨等信息；在零售節(jié)點，零售商將記錄相應(yīng)信息。各節(jié)點的信息是否完整、準確將決定山核桃產(chǎn)品溯源的快速、可靠與否。

（2）RFID數(shù)據(jù)處理技術(shù)。RFID的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由于讀寫器數(shù)量眾多、易產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)、EPC標準限制等原因，導(dǎo)致相應(yīng)得到的原始數(shù)據(jù)往往繁雜冗余且夾雜很多錯誤，這促使我們研究如何從中低成本、高效地提取有用信息。

（3）海量信息處理。山核桃產(chǎn)品由于具有數(shù)量眾多、流通范圍大、分布范圍廣等特點，使得相應(yīng)信息數(shù)量十分龐大，因此選用云計算。通過云計算平臺技術(shù)所構(gòu)建的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)（此處也可特指山核桃產(chǎn)品）可以及時接收加工商、分銷商、零售商、消費者等各節(jié)點數(shù)據(jù)，并實時進行高效處理。

山核桃溯源流程如圖3所示。

圖3 山核桃溯源流程

2.2.1 設(shè)計思路

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在山核桃產(chǎn)品銷售各個節(jié)點動態(tài)采集數(shù)據(jù)并整合，通過云計算平臺構(gòu)建數(shù)據(jù)云存儲庫、山核桃產(chǎn)品供應(yīng)鏈信息數(shù)據(jù)庫、谷歌地圖動態(tài)地理信息數(shù)據(jù)庫以及PB級山核桃產(chǎn)品溯源查詢信息中心。

2.2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于海量數(shù)據(jù)的山核桃溯源系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)設(shè)計，系統(tǒng)云平臺層采用大數(shù)據(jù)計算服務(wù)平臺技術(shù)，實現(xiàn)并行計算與秒速查詢。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫層采用分布式關(guān)系，實現(xiàn)非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫存儲。系統(tǒng)應(yīng)用層包含分布式數(shù)據(jù)采集，具備查詢、防偽、投訴等功能，可通過多終端對各類信息數(shù)據(jù)進行實時動態(tài)采集，并按需求分別發(fā)送給不同用戶。用戶層包括監(jiān)管部門、企業(yè)和消費者，監(jiān)管部門可通過舉報頻次熱度開展信息追蹤、獲取輿論監(jiān)控信息等。企業(yè)可以對山核桃產(chǎn)品進行追蹤管理。消費者則可以獲取溯源信息并對假冒偽劣產(chǎn)品進行舉報投訴?；诤Ａ繑?shù)據(jù)的山核桃溯源軟件系統(tǒng)框圖如圖4所示。

圖4 基于海量數(shù)據(jù)的山核桃溯源軟件系統(tǒng)框圖

2.2.3 數(shù)據(jù)庫建設(shè)

數(shù)據(jù)庫主要由以下幾類數(shù)據(jù)庫組成：

（1）山核桃產(chǎn)品專題數(shù)據(jù)庫：該庫主要存儲溯源信息、企業(yè)信息、監(jiān)測信息等。

（2）地理環(huán)境專題數(shù)據(jù)庫：該庫包括產(chǎn)地地形、降水、氣溫等信息數(shù)據(jù)庫。

（3）空間區(qū)位專題數(shù)據(jù)庫：該庫包括空間地理數(shù)據(jù)庫、谷歌地圖數(shù)據(jù)庫、投訴輿情空間數(shù)據(jù)庫等。

（4）用戶反饋數(shù)據(jù)庫：該庫包括反饋農(nóng)產(chǎn)品信息、反饋時間、反饋位置、反饋內(nèi)容等信息。

2.2.4 開發(fā)技術(shù)

山核桃產(chǎn)品溯源系統(tǒng)主要基于Max Compute大數(shù)據(jù)計算服務(wù)平臺，前端利用Echarts.js、CSS3、Ajax、HTML5、ArcGIS API for JavaScript等技術(shù)，采用Vue.js前端開發(fā)框架進行前端開發(fā)，Webpack作為項目打包工具。后端利用Node.js開發(fā)，使用阿里云x86 Linux服務(wù)器。

2.2.5 功能模塊設(shè)計

山核桃產(chǎn)品溯源查詢系統(tǒng)可分為3個功能模塊，即投訴舉報模塊、防偽驗證查詢模塊和溯源信息查詢模塊，如圖5所示。

圖5 山核桃產(chǎn)品溯源查詢系統(tǒng)

（1）投訴舉報模塊。消費者可對問題產(chǎn)品進行舉報投訴。系統(tǒng)將查詢者的地理信息存儲至動態(tài)地理信息數(shù)據(jù)庫中，并通過相關(guān)技術(shù)平臺（如網(wǎng)絡(luò)地圖平臺）向查詢者可視化展示被查詢商品的舉報信息，方便其甄選。

（2）防偽查詢模塊。用戶獲取防偽編碼后，可通過掃描二維碼的形式進入溯源界面，輸入相應(yīng)的防偽碼，查詢山核桃產(chǎn)品的真?zhèn)?。每個防偽碼只能被查詢驗證一次，如果該碼存在被他人二次查詢的情況，則極有可能存在假冒偽劣產(chǎn)品；同樣，如果輸入的防偽碼不存在，也有很大可能存在以上情況。

（3）溯源信息查詢模塊。溯源信息查詢模塊包含5個子模塊：①追溯信息模塊包括生產(chǎn)企業(yè)、采摘、加工、檢驗、裝載運輸?shù)攘魍ㄟ^程信息；②證書信息模塊包括官方證書等信息；③檢測檢疫模塊包含產(chǎn)品取樣、分裝信息、開箱信息、標簽信息等；④企業(yè)信息模塊包括企業(yè)名稱、食品生產(chǎn)許可證等信息；⑤產(chǎn)品信息模塊主要包括產(chǎn)地、名稱、編號、地址、加工廠、保質(zhì)期等信息，用戶可利用手機、Pad等終端掃描二維碼進行查詢，系統(tǒng)會將相應(yīng)的各項溯源信息在終端顯示。

3 系統(tǒng)應(yīng)用與相關(guān)平臺的搭建

設(shè)計搭建一套山核桃產(chǎn)業(yè)綜合性管理平臺作為其相關(guān)應(yīng)用的總?cè)肟?、相關(guān)“數(shù)字產(chǎn)業(yè)”的公共門戶。建設(shè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)云平臺，可以提供如信息檢索、安全控制、狀態(tài)監(jiān)控服務(wù)、地理要素可視化展現(xiàn)等統(tǒng)一的集成功能和基礎(chǔ)技術(shù)框架。山核桃數(shù)字產(chǎn)業(yè)云服務(wù)平臺架構(gòu)如圖6所示。

圖6 山核桃數(shù)字產(chǎn)業(yè)云服務(wù)平臺架構(gòu)

構(gòu)建山核桃產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)資源庫，包括山核桃市場數(shù)據(jù)庫、山核桃資源環(huán)境數(shù)據(jù)庫、山核桃投入品數(shù)據(jù)庫等，可實現(xiàn)與山核桃產(chǎn)業(yè)管理部門乃至其他產(chǎn)業(yè)的數(shù)據(jù)互通，為今后接入更高層次的農(nóng)業(yè)農(nóng)村大數(shù)據(jù)平臺做準備。山核桃產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)、加工、銷售乃至品牌化全程都將由山核桃云平臺實現(xiàn)數(shù)字化管理與服務(wù)。

從業(yè)主體管理體系：對于所有山核桃相關(guān)產(chǎn)業(yè)的從業(yè)人員進行信息管理，并制定一套完善的人才培養(yǎng)方案；通過物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集與專家系統(tǒng)分析，實現(xiàn)對山核桃種植基地的天氣、土壤、病蟲等多方面信息的實時數(shù)據(jù)監(jiān)控；為相關(guān)從業(yè)人員及時提供科學診斷信息和預(yù)警，規(guī)避重大損失風險；對山核桃生產(chǎn)過程予以在線指導(dǎo)，并為后續(xù)銷售提供最優(yōu)渠道。

后期將建立一套完善的信用體系，包含山核桃供應(yīng)方、山核桃產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備提供商以及各類山核桃產(chǎn)品銷售商，為農(nóng)業(yè)金融服務(wù)、農(nóng)業(yè)化設(shè)備供給以及銷售的最優(yōu)策略等方面提供保障。

投入產(chǎn)品管理體系：對山核桃產(chǎn)品及相關(guān)經(jīng)營實行信息化管理方式，例如通過物聯(lián)網(wǎng)渠道監(jiān)測樹種生長態(tài)勢，通過大數(shù)據(jù)時刻掌握農(nóng)資市場情況等。通過建立基于GIS的數(shù)字生產(chǎn)服務(wù)系統(tǒng)，滿足管理全程智能化、數(shù)字化的需求。利用山核桃品質(zhì)追溯與監(jiān)管系統(tǒng)對山核桃產(chǎn)品提供質(zhì)量追溯、管理控制以及供應(yīng)鏈管理、備案審批等服務(wù)。

4 結(jié) 語

區(qū)塊鏈技術(shù)具備去中心化、共識機制、公開透明、不可篡改等特性，使其在農(nóng)產(chǎn)品溯源中有著廣泛的應(yīng)用前景。本研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了臨安山核桃柔性溯源系統(tǒng)，對柔性溯源系統(tǒng)模型、系統(tǒng)架構(gòu)以及各功能模塊進行了構(gòu)建與分析，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的分布式存儲，解決了傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)因中心化導(dǎo)致的數(shù)據(jù)被篡改，安全性低，溯源效率低下，信息不透明等問題。同時構(gòu)建了查詢系統(tǒng)模塊，保障了消費者對山核桃產(chǎn)品相關(guān)環(huán)節(jié)的知情權(quán)、舉報權(quán)、投訴權(quán)等合法權(quán)益。在此基礎(chǔ)上，基于阿里云Max Compute大數(shù)據(jù)計算服務(wù)平臺實現(xiàn)山核桃柔性溯源系統(tǒng)，并搭建了一套山核桃產(chǎn)業(yè)綜合管理平臺作為其系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)用的總?cè)肟?。該系統(tǒng)相比傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)有著安全性高、效率高等絕對優(yōu)勢，為臨安山核桃溯源提供了可靠的平臺。

區(qū)塊鏈起源于比特幣，目前已被廣泛應(yīng)用到社會的各個領(lǐng)域，但僅僅發(fā)展了十余年的時間，因此技術(shù)尚未成熟，存在一些重大隱患，例如數(shù)據(jù)的高度公開容易導(dǎo)致隱私泄露；數(shù)據(jù)的不斷增加，應(yīng)用規(guī)模的不斷擴大，區(qū)塊容量瓶頸問題會越來越突出等，這些也是后續(xù)研究需要著重解決的問題。