基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)的糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯模型

張 新 彭祥貞 李 悅 王小藝 趙峙堯 許繼平*

（1.北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048；2.北京工商大學(xué)北京市食品安全大數(shù)據(jù)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048；3.北京工商大學(xué)中國(guó)輕工業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

1 引言

糧油食品包括原糧、成品糧和食用油等，是國(guó)民生活的必需品[1]。保障糧油食品供應(yīng)的安全，對(duì)國(guó)民生命健康、社會(huì)和諧發(fā)展具有重要意義。糧油食品供應(yīng)鏈包含生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售等多個(gè)參與環(huán)節(jié)[2]，供應(yīng)鏈循環(huán)周期較長(zhǎng)，且每個(gè)環(huán)節(jié)中威脅糧油食品安全的因素較多。糧油食品供應(yīng)鏈目前存在生產(chǎn)環(huán)節(jié)農(nóng)藥化肥過量、加工環(huán)節(jié)添加劑不明、儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)信息缺失以及銷售環(huán)節(jié)假冒偽劣等諸多問題[3]，對(duì)公眾健康構(gòu)成嚴(yán)重威脅。因此，亟待建立安全有效的糧油食品全供應(yīng)鏈可信追溯平臺(tái)，以提高全供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的參與透明度和可靠性，同時(shí)，能夠有效保障消費(fèi)者權(quán)益以及提升監(jiān)管的高效性。

傳統(tǒng)的糧油食品溯源系統(tǒng)多為中心化的模式，由部分核心企業(yè)集中采集管理供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到中心化的服務(wù)器，但中心化的管理模式安全性較低，易受篡改攻擊等缺陷。盡管部分企業(yè)采用二維碼、RFID（Radio Frequency Identification）等標(biāo)識(shí)技術(shù)進(jìn)行供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的追蹤，但其并不能保障數(shù)據(jù)的透明度與可靠性[4]。因此，傳統(tǒng)溯源模式并未消除消費(fèi)者對(duì)糧油食品安全可靠方面的疑慮。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本技術(shù)，它通過加密、共識(shí)等機(jī)制保證上鏈的數(shù)據(jù)不可篡改和偽造[5]。近年來，區(qū)塊鏈的應(yīng)用從以比特幣為代表的加密數(shù)字貨幣逐漸滲透到金融、醫(yī)療、政務(wù)、司法、公益、商品防偽和食品安全等各個(gè)領(lǐng)域[6]。區(qū)塊鏈的去中心化架構(gòu)以及數(shù)據(jù)不可篡改和偽造的技術(shù)特性[7]為解決糧油食品全供應(yīng)鏈可信追溯提供了一種行之有效的解決方案[8]。

本文基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)，設(shè)計(jì)了一套糧油食品全供應(yīng)鏈的可信追溯模型，提供從生產(chǎn)環(huán)節(jié)到最終消費(fèi)者手中整個(gè)過程的信息，并保證數(shù)據(jù)安全可靠。在發(fā)生食品安全事故時(shí)，食品溯源系統(tǒng)可以快速準(zhǔn)確高效地定位問題發(fā)生的環(huán)節(jié)，并找到問題的根源、追蹤問題產(chǎn)品去向，明確責(zé)任企業(yè)并追究責(zé)任，降低食品安全事故造成的不良影響，對(duì)解決食品安全問題具有十分重要的意義。

2 相關(guān)工作

2.1 可信區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯煞植际綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)傳輸、加密算法、共識(shí)機(jī)制等計(jì)算機(jī)技術(shù)支持的分布式賬本技術(shù)，本質(zhì)上是分布式數(shù)據(jù)庫[9]。由于近年來區(qū)塊鏈的安全性能不斷提升，區(qū)塊鏈已被廣大研究學(xué)者稱為可信區(qū)塊鏈。可信區(qū)塊鏈中的每個(gè)數(shù)據(jù)塊包括一個(gè)區(qū)塊頭和一個(gè)區(qū)塊體。區(qū)塊頭由當(dāng)前區(qū)塊塊版本、當(dāng)前哈希值、前一個(gè)區(qū)塊塊哈希值、時(shí)間戳和一個(gè)隨機(jī)數(shù)組成[10]。區(qū)塊體由數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)組成，其中包含區(qū)塊經(jīng)過驗(yàn)證的、區(qū)塊創(chuàng)建過程中生成的所有交易記錄。這種由加密算法加密的鏈狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)確?？尚艆^(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改，從而保證整個(gè)供應(yīng)鏈中所有環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)安全。同時(shí)，通過共識(shí)機(jī)制，可信區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都參與了數(shù)據(jù)認(rèn)證過程[11]?？尚艆^(qū)塊鏈保證了鏈上數(shù)據(jù)的一致性和真實(shí)性，解決了傳統(tǒng)集中式系統(tǒng)存在的“信息孤島”、數(shù)據(jù)不透明等問題[12]。部署在可信區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的智能合約在達(dá)到一定的觸發(fā)條件時(shí)，可以自動(dòng)執(zhí)行由所有節(jié)點(diǎn)聯(lián)合驗(yàn)證的預(yù)設(shè)程序碼。由于執(zhí)行過程和結(jié)果對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都是公開透明的，可信區(qū)塊鏈可以有效地解決所有節(jié)點(diǎn)之間的信任問題[13]。因此，它可以幫助增加整個(gè)供應(yīng)鏈的生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售和最終消費(fèi)各參與環(huán)節(jié)之間的信任，并且確保整個(gè)糧油食品供應(yīng)鏈可追溯數(shù)據(jù)的安全性和可靠性。

近年來，由于區(qū)塊鏈2.0時(shí)代的到來，涌現(xiàn)出眾多學(xué)者利用區(qū)塊鏈與糧食供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)相結(jié)合，進(jìn)而設(shè)計(jì)出安全、可靠、高效的溯源方案。Salah[14]等人提出了一種基于以太坊智能合約技術(shù)以及星際文件系統(tǒng)的大豆供應(yīng)鏈溯源解決方案，有效提升了大豆供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)的信息透明度及可追溯性。Tao[15]等人提出了一種基于區(qū)塊鏈智能合約的綜合評(píng)價(jià)模型，自動(dòng)地對(duì)食品產(chǎn)業(yè)鏈進(jìn)行食品質(zhì)量檢測(cè)及預(yù)警，提高了食品產(chǎn)業(yè)鏈的安全性與可信度。毛典輝[16]等人提出了一種基于區(qū)塊鏈智能合約的信用評(píng)估系統(tǒng)，提升了對(duì)食品供應(yīng)鏈監(jiān)管的有效性。Lin[17]等人提出了一種基于區(qū)塊鏈和EPC 信息服務(wù)的食品安全追溯原型系統(tǒng)，并通過以太坊智能合約避免了信息交互過程中可能發(fā)生的數(shù)據(jù)篡改及敏感信息泄露等問題。

2.2 可信標(biāo)識(shí)

標(biāo)識(shí)技術(shù)作為一種直接有效的承載信息的重要手段，對(duì)于糧油食品全供應(yīng)鏈中信息追蹤與溯源的重要性不言而喻[18]。近年來，如何有效利用標(biāo)識(shí)技術(shù)跟蹤和追溯糧油食品全供應(yīng)鏈中生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售等各個(gè)參與環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，并確保溯源系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)、安全和可靠性成為溯源行業(yè)的一大研究熱點(diǎn)。目前在溯源行業(yè)廣泛采用的標(biāo)識(shí)技術(shù)包括條碼、RFID、NFC（Near Field Communication）、EPC（Electronic Product Code）以及其他基于物聯(lián)網(wǎng)的電子標(biāo)識(shí)技術(shù)[19]。其中，條碼技術(shù)包含一維條碼和二維碼。一維條碼受限于其存儲(chǔ)容量較低多用于結(jié)合傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫進(jìn)行簡(jiǎn)單的產(chǎn)品編號(hào)，不適用于數(shù)據(jù)信息繁多、冗雜的應(yīng)用場(chǎng)景。二維碼因其信息密度較高、容量大、容錯(cuò)能力強(qiáng)、成本較低、使用方便靈活的特點(diǎn)，能夠更好的適用于基于區(qū)塊鏈的糧油食品全供應(yīng)鏈溯源的場(chǎng)景[20]。無線射頻識(shí)別（RFID）技術(shù)作為一種非接觸式的射頻識(shí)別技術(shù)[21]，通過讀寫器對(duì)附著在產(chǎn)品上的RFID 電子標(biāo)簽進(jìn)行讀寫操作[22]，也正得到越來越多食品供應(yīng)鏈溯源領(lǐng)域研究者的關(guān)注，但因RFID標(biāo)簽的成本以及安全性等問題，其在未來大規(guī)模商用之前仍面臨著挑戰(zhàn)[23][24]。

基于條碼[25]、RFID[26]等技術(shù)的食品供應(yīng)鏈溯源系統(tǒng)研究由來已久[27][28]，錢建平[29]等人設(shè)計(jì)開發(fā)了一種基于二維碼和RFID 技術(shù)的小麥面粉可追溯系統(tǒng)，該系統(tǒng)的應(yīng)用保證了小麥面粉的質(zhì)量與安全，同時(shí)有效降低了召回成本。Caro[30]等人提出了Agri-BlockIoT，一種基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源解決方案，并且支持?jǐn)U展物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備，保證了數(shù)據(jù)的透明、容錯(cuò)以及不可篡改等。TSANG[31]等人提出了一種基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食品溯源系統(tǒng)（BIFTS）,對(duì)食品的全生命周期質(zhì)量追溯管理提供了支持。Saikat[32]等人設(shè)計(jì)了一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的食品供應(yīng)鏈實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控架構(gòu)，供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)通過掃描RFID 標(biāo)簽更新區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)，提高了各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的透明度，保障了食品質(zhì)量以及發(fā)生食品質(zhì)量安全事故時(shí)的高效召回。

本文基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)進(jìn)行糧油食品全供應(yīng)鏈的信息追溯。利用區(qū)塊鏈去中心化、透明度高、數(shù)據(jù)不可篡改和偽造等特性結(jié)合條碼等標(biāo)識(shí)技術(shù)，對(duì)糧油食品全供應(yīng)鏈生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售等各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤和追溯，能夠有效提高糧油食品全供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)信息的透明度與可靠性。對(duì)于形成安全、可信、高效的糧油食品供應(yīng)體系具有重要意義。

3 糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯模型

在對(duì)可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)調(diào)研與最新研究成果分析的基礎(chǔ)上，本節(jié)首先對(duì)糧油食品全供應(yīng)鏈進(jìn)行信息解析，在此基礎(chǔ)上，利用可信區(qū)塊鏈與可信標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)了糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯模型框架。

3.1 糧油食品供應(yīng)鏈分析

糧油食品供應(yīng)鏈循環(huán)周期較長(zhǎng)且參與方較多，且每個(gè)環(huán)節(jié)幾乎都嵌套有其他的環(huán)節(jié)，例如在生產(chǎn)環(huán)節(jié)中包含倉儲(chǔ)、運(yùn)輸過程甚至是簡(jiǎn)單的粗加工過程，加工、銷售等環(huán)節(jié)也離不開基礎(chǔ)的運(yùn)輸、倉儲(chǔ)等環(huán)節(jié)，其復(fù)雜性和風(fēng)險(xiǎn)因素不可控等性質(zhì)決定了傳統(tǒng)的溯源方案效率較低且可信度較差[33]。本節(jié)基于對(duì)糧油食品全供應(yīng)鏈各參與環(huán)節(jié)的剖析，抽象出了糧油食品全供應(yīng)鏈參與環(huán)節(jié)中最為典型的五個(gè)環(huán)節(jié)，即生產(chǎn)環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)、倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)和銷售環(huán)節(jié)。由這五個(gè)典型環(huán)節(jié)組成的糧油食品全供應(yīng)鏈抽象模型對(duì)于不同的糧油食品供應(yīng)鏈具有較高的適配性和靈活性，可根據(jù)不同的糧油食品供應(yīng)鏈實(shí)際情況進(jìn)行擴(kuò)展適配。本文提出的糧油食品全供應(yīng)鏈典型環(huán)節(jié)如圖1所示，后續(xù)的研究工作也將基于此典型環(huán)節(jié)展開。

圖1 糧油食品全供應(yīng)鏈典型環(huán)節(jié)Fig.1 Typical links in the whole supply chain of grain and oil food

糧油食品全供應(yīng)鏈典型環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息主要為供應(yīng)鏈上各個(gè)環(huán)節(jié)通過物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備及人工所采集的數(shù)據(jù)信息。供應(yīng)鏈中每個(gè)參與環(huán)節(jié)采集的信息經(jīng)過驗(yàn)證之后進(jìn)入基于可信區(qū)塊鏈構(gòu)建的追溯系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)某一批次產(chǎn)品的整個(gè)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)信息進(jìn)行高效地跟蹤和追溯。

3.2 模型總體框架

基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)的糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯模型框架由采集端、客戶端以及存儲(chǔ)模塊組成。采集端包含生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸以及銷售五個(gè)供應(yīng)鏈典型環(huán)節(jié)以及相應(yīng)的采集設(shè)備；客戶端包含五個(gè)典型環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的企業(yè)用戶、監(jiān)管部門和消費(fèi)者,三者可通過溯源系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驗(yàn)證與查詢，除此之外，每個(gè)客戶端內(nèi)部嵌有標(biāo)識(shí)生成模塊；存儲(chǔ)模塊由區(qū)塊鏈以及云端數(shù)據(jù)庫組成。模型各個(gè)部分由定制化的智能合約直接相互調(diào)用實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。本模型基于區(qū)塊鏈原理，結(jié)合智能合約技術(shù)和標(biāo)識(shí)解析技術(shù)，設(shè)計(jì)了糧油食品可信追溯模型，模型框架示意圖如圖2所示。

圖2 模型框架示意圖Fig.2 Schematic diagram of the model frame

4 模型機(jī)制設(shè)計(jì)

在糧油食品可信追溯模型框架基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)符合該模型的基于可信區(qū)塊鏈的可信標(biāo)識(shí)機(jī)制、多模存儲(chǔ)機(jī)制、可信追溯機(jī)制3 種運(yùn)行機(jī)制。3 種機(jī)制能有效契合糧油食品供應(yīng)鏈形成可信追溯，從而提高糧油食品的質(zhì)量安全。可信標(biāo)識(shí)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了糧油信息的高效、可信追溯；多模存儲(chǔ)機(jī)制解決了糧油食品冗雜的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，分擔(dān)了區(qū)塊鏈鏈上數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)壓力；可信追溯機(jī)制實(shí)現(xiàn)了糧油食品全供應(yīng)鏈信息在各環(huán)節(jié)之間的可信流轉(zhuǎn)，保證了溯源信息從采集到銷售的可信性。并且定制化設(shè)計(jì)智能合約，實(shí)現(xiàn)了可信標(biāo)識(shí)機(jī)制、多模存儲(chǔ)機(jī)制以及可信追溯機(jī)制的內(nèi)部運(yùn)行邏輯封裝，確保模型運(yùn)行的流暢性。

4.1 可信標(biāo)識(shí)機(jī)制

基于“可信區(qū)塊鏈+可信標(biāo)識(shí)”所設(shè)計(jì)的可信標(biāo)識(shí)機(jī)制用于在整個(gè)供應(yīng)鏈中跟蹤數(shù)據(jù)信息。該機(jī)制包含了客戶端系統(tǒng)內(nèi)嵌的標(biāo)識(shí)生成模塊具體的樣式、生成標(biāo)識(shí)的具體流程、標(biāo)識(shí)的設(shè)計(jì)等。

可信標(biāo)識(shí)機(jī)制首先在糧油食品供應(yīng)鏈的各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證和調(diào)整，并通過智能合約記錄在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，通過相關(guān)設(shè)備收集數(shù)據(jù)后自動(dòng)執(zhí)行。在供應(yīng)鏈的生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，糧食作物生產(chǎn)信息首先由相關(guān)人員通過客戶端錄入系統(tǒng)，然后通過智能合約進(jìn)行驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)入可信區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，并且通過智能合約反饋驗(yàn)證供應(yīng)鏈中的相關(guān)身份信息。

該機(jī)制在加工過程中打印相應(yīng)的標(biāo)識(shí)碼，用于后續(xù)產(chǎn)品的識(shí)別。所生成的標(biāo)識(shí)碼通過嵌入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)中的智能合約進(jìn)行驗(yàn)證，使用區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)可以使身份機(jī)制變得可信。在加工環(huán)節(jié)中，由于應(yīng)用標(biāo)識(shí)碼查詢?cè)摥h(huán)節(jié)數(shù)據(jù)會(huì)降低實(shí)際工作的時(shí)效性，故采用當(dāng)下較為便捷的二維碼技術(shù)將標(biāo)識(shí)碼中信息與加工環(huán)節(jié)信息存入二維碼，以便于工作人員通過掃碼槍查詢信息。同時(shí)將相關(guān)產(chǎn)品信息添加到系統(tǒng)中，經(jīng)過智能合約的驗(yàn)證和標(biāo)準(zhǔn)化后進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)包含標(biāo)識(shí)碼的二維碼信息識(shí)別的可信度。在產(chǎn)品生產(chǎn)加工的最后階段，由于產(chǎn)品在供應(yīng)鏈中循環(huán)，產(chǎn)品的二維碼被印在產(chǎn)品的外包裝上，作為后續(xù)識(shí)別和驗(yàn)證的依據(jù)。產(chǎn)品識(shí)別機(jī)制在倉儲(chǔ)、運(yùn)輸、銷售環(huán)節(jié)的操作原理和流程相似，只是沒有新的實(shí)體二維碼生成，只有其區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的內(nèi)容更新，故在此不在闡述。圖3 顯示了基于可信區(qū)塊鏈的可信標(biāo)識(shí)機(jī)制的組成及其工作原理。標(biāo)識(shí)碼技術(shù)通過結(jié)合區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)實(shí)現(xiàn)了糧油食品在供應(yīng)鏈中信息流轉(zhuǎn)的透明、安全和可信。

圖3 基于區(qū)塊鏈的可信標(biāo)識(shí)機(jī)制Fig.3 Trusted identity mechanism based on blockchain

在打印識(shí)別碼過程中，通過嵌入式標(biāo)識(shí)碼生成模塊根據(jù)所上傳的信息生成相應(yīng)的標(biāo)識(shí)碼，具體編碼如圖4 所示，其中包含了首部與后綴兩部分，首部包括了種類代碼、公司代碼、行業(yè)代碼、國(guó)家代碼；后綴包括了信息代碼、流程代碼、環(huán)節(jié)代碼。

圖4 編碼示意圖Fig.4 Coding Diagram

4.2 多模存儲(chǔ)機(jī)制

由于糧油食品全供應(yīng)鏈?zhǔn)鞘称饭?yīng)鏈中最繁多、冗雜的，加之其供應(yīng)鏈涉及環(huán)節(jié)較多，從生產(chǎn)到銷售需要采集、記錄、上傳的全部數(shù)據(jù)量十分龐大且復(fù)雜，如果全供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上會(huì)出現(xiàn)成本高、負(fù)擔(dān)大、效率低等問題。因此本機(jī)制設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈和云數(shù)據(jù)庫的多模存儲(chǔ)機(jī)制，即將龐大的產(chǎn)品在供應(yīng)鏈中流轉(zhuǎn)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)存入云數(shù)據(jù)庫，再將云數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)中產(chǎn)品標(biāo)簽信息等標(biāo)簽數(shù)據(jù)一同進(jìn)行哈希運(yùn)算得到的哈希值存入?yún)^(qū)塊鏈中，從而保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)運(yùn)行的成本與效率。圖5 展示的是基于區(qū)塊鏈和云存儲(chǔ)的糧油食品全供應(yīng)鏈多模存儲(chǔ)機(jī)制。

圖5 基于區(qū)塊鏈和云數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)多模存儲(chǔ)機(jī)制Fig.5 Data dual-mechanism storage model based on blockchain and cloud database

糧油食品全供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)上傳到區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)要遵循智能合約的約束，只有滿足智能合約條件要求的數(shù)據(jù)才能上傳成功。同時(shí)，智能合約會(huì)對(duì)供應(yīng)鏈不同節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行格式的統(tǒng)一，然后通過數(shù)字簽名技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證并上傳存儲(chǔ)至云數(shù)據(jù)庫。全供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上傳至云數(shù)據(jù)庫的具體過程為：對(duì)產(chǎn)品的大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希運(yùn)算來獲得數(shù)據(jù)摘要，系統(tǒng)通過非對(duì)稱加密技術(shù)來生成公鑰和私鑰，數(shù)據(jù)摘要由私鑰加密如公式1 所示，其中skp為私鑰，D為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，Ds為數(shù)據(jù)摘要。加密后的數(shù)據(jù)摘要作為簽名值與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)一起上傳到云數(shù)據(jù)庫后，云數(shù)據(jù)庫將使用公鑰對(duì)接收到的加密數(shù)據(jù)摘要(簽名值)進(jìn)行解密，如公式2 所示，其中pkp為公鑰，RDS為云數(shù)據(jù)庫。解密完成后的數(shù)據(jù)摘要與對(duì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)用同樣哈希運(yùn)算方法獲得的數(shù)據(jù)摘要進(jìn)行對(duì)比，若對(duì)比結(jié)果一致則證明數(shù)據(jù)真實(shí)可靠未經(jīng)篡改，大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)順利存入云數(shù)據(jù)庫中；若結(jié)果不一致說明數(shù)據(jù)經(jīng)過了篡改則不能通過驗(yàn)證，無法存入數(shù)據(jù)庫。通過數(shù)字簽名技術(shù)，各個(gè)企業(yè)節(jié)點(diǎn)存入云數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)均有效可信，因此云數(shù)據(jù)庫中大量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實(shí)性得到保證。同時(shí)，由于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中僅存儲(chǔ)由云數(shù)據(jù)庫中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)與產(chǎn)品標(biāo)簽數(shù)據(jù)經(jīng)哈希運(yùn)算后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)摘要，因此，保證了糧油食品全供應(yīng)鏈信息溯源系統(tǒng)的效率和性能。

在多模存儲(chǔ)機(jī)制的基礎(chǔ)上，本研究設(shè)計(jì)了SDSC（Storage Data smart contract）和VDSC（Verify Data smart contract）兩種智能合約來封裝多模存儲(chǔ)機(jī)制的邏輯規(guī)則，SDSC如算法1所示，VDSC如算法2所示。其中H(i)為用戶唯一身份哈希，Data為采集到的初始數(shù)據(jù)，D為標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)據(jù)，Ds為數(shù)據(jù)摘要，RDS 為云數(shù)據(jù)庫，R為交互記錄。

數(shù)據(jù)多模存儲(chǔ)機(jī)制通過可信區(qū)塊鏈、數(shù)字加密技術(shù)、智能合約等技術(shù)將供應(yīng)鏈上企業(yè)各個(gè)環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)安全、可靠的存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫中，從而保證了云數(shù)據(jù)庫中大量數(shù)據(jù)的真實(shí)性。同時(shí)，由于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)只將基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和產(chǎn)品標(biāo)簽數(shù)據(jù)散列生成的數(shù)據(jù)摘要存儲(chǔ)在云數(shù)據(jù)庫中，從而保證了高效的供應(yīng)鏈績(jī)效。

4.3 可信追溯機(jī)制

基于糧油食品全供應(yīng)鏈典型環(huán)節(jié)，在可信標(biāo)識(shí)機(jī)制和多模存儲(chǔ)機(jī)制的基礎(chǔ)上，本文所設(shè)計(jì)的糧油食品全供應(yīng)鏈信息可信追溯機(jī)制如圖6所示，通過可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)結(jié)合實(shí)現(xiàn)的糧油食品全供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)信息采集、存儲(chǔ)、傳輸?shù)目尚拧?/p>

圖6 糧油食品全供應(yīng)鏈可信溯源機(jī)制Fig.6 Credible traceability mechanism of the whole supply chain of grain and oil food

糧油食品供應(yīng)鏈每個(gè)環(huán)節(jié)產(chǎn)品標(biāo)簽信息與云數(shù)據(jù)庫中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)經(jīng)過哈希運(yùn)算得到哈希值，并由獨(dú)自維護(hù)的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)摘要發(fā)送到區(qū)塊鏈上，隨后廣播至全網(wǎng)，全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)通過共識(shí)過程驗(yàn)證后存入最新的數(shù)據(jù)區(qū)塊，由此產(chǎn)生糧油食品全供應(yīng)鏈可信追溯區(qū)塊鏈。終端消費(fèi)者或者監(jiān)管機(jī)構(gòu)通過客戶端掃描商品二維碼或在追溯系統(tǒng)輸入待查詢批次的產(chǎn)品代碼進(jìn)行糧油食品全供應(yīng)鏈信息的追溯，產(chǎn)品代碼直接定位到包含本產(chǎn)品信息的特定區(qū)塊頭，調(diào)出本產(chǎn)品所有流通環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品追溯。通過對(duì)二維碼設(shè)置不同權(quán)限，可實(shí)現(xiàn)消費(fèi)者、監(jiān)管者等不同追溯場(chǎng)景的應(yīng)用，監(jiān)管者通過客戶端掃描商品二維碼可實(shí)現(xiàn)對(duì)商品全供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)所有信息的追溯，極大提升了對(duì)糧油食品監(jiān)管的有效性，同時(shí)在發(fā)生糧油食品安全事故時(shí)也能高效追蹤，準(zhǔn)確定位問題環(huán)節(jié)。消費(fèi)者的權(quán)限則僅限于一般商品信息及流轉(zhuǎn)信息，對(duì)于生產(chǎn)加工過程中的企業(yè)敏感信息則不會(huì)展示給普通消費(fèi)者，從而在一定程度上實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)節(jié)參與者的保護(hù)。

與此同時(shí)，本機(jī)制設(shè)計(jì)了標(biāo)識(shí)解析智能合約LRSC（Logo resolution smart contract）來實(shí)現(xiàn)可信追溯機(jī)制的邏輯封裝，如算法3 所示，其中code 為標(biāo)識(shí)碼，Dc為標(biāo)識(shí)碼中信息，Dd為本環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)。標(biāo)識(shí)增添信息如公式3 所示,其中，Ds為數(shù)據(jù)摘要。標(biāo)識(shí)信息增添完成后，合約將現(xiàn)在的Ds作為新的數(shù)據(jù)摘要，進(jìn)而生成新的標(biāo)識(shí)隨商品流轉(zhuǎn)至下一環(huán)節(jié)。

本節(jié)設(shè)計(jì)的上述糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯機(jī)制，通過運(yùn)用可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)實(shí)現(xiàn)了糧油食品全供應(yīng)鏈信息的可信追溯，同時(shí)，區(qū)塊鏈與云數(shù)據(jù)庫相結(jié)合的存儲(chǔ)模式改善了追溯過程的效率和成本，二維碼標(biāo)識(shí)不同權(quán)限的設(shè)計(jì)保護(hù)了糧油食品全供應(yīng)各環(huán)節(jié)的參與者，提高了追溯系統(tǒng)可接受程度的同時(shí)也有效保證了糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯的透明度、可信度以及監(jiān)管的高效性。

5 結(jié)果與分析

在糧油食品全供應(yīng)鏈可信追溯模型和3 種機(jī)制基礎(chǔ)上，本節(jié)對(duì)糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯模型進(jìn)行了運(yùn)行流程分析，并基于Hyperledger Fabric 建立了糧油食品可信追溯系統(tǒng)，通過實(shí)例對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行了實(shí)用性驗(yàn)證。

5.1 模型運(yùn)行流程分析

基于糧油食品全供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)可信追溯模型，當(dāng)用戶或監(jiān)管部門通過溯源系統(tǒng)發(fā)起溯源請(qǐng)求時(shí)，貫穿于追溯系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)流可分為數(shù)據(jù)上傳與信息追溯兩個(gè)過程。數(shù)據(jù)上傳過程主要包含糧油食品全供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)上傳過程及區(qū)塊鏈系統(tǒng)中數(shù)據(jù)的運(yùn)行流程溯源，信息追溯過程主要為用戶通過終端掃描溯源標(biāo)識(shí)碼發(fā)起溯源請(qǐng)求。系統(tǒng)模型運(yùn)行流程示意圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)模型運(yùn)行流程示意圖Fig.7 Schematic diagram of the operation process of the system model

系統(tǒng)中數(shù)據(jù)具體流程描述如下：

（1）在糧油食品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，生產(chǎn)者通過客戶端將糧食谷物等的種植、收獲及批次等相關(guān)數(shù)據(jù)信息經(jīng)過哈希運(yùn)算以及加密后上傳至可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)，產(chǎn)品收獲后，可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)根據(jù)產(chǎn)品批次信息生成溯源標(biāo)識(shí)碼；

（2）在糧油食品的加工環(huán)節(jié)，加工企業(yè)首先通過掃描來自生產(chǎn)環(huán)節(jié)基礎(chǔ)產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)碼獲取產(chǎn)品批次信息，并通過可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后加工企業(yè)將產(chǎn)品的干燥、去殼等處理以及相應(yīng)的加工處理環(huán)節(jié)的信息經(jīng)過哈希運(yùn)算加密后上傳至可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)；

（3）在糧油食品的倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)，倉儲(chǔ)企業(yè)首先通過掃描上游加工產(chǎn)品的溯源標(biāo)識(shí)碼獲取產(chǎn)品的批次、加工環(huán)節(jié)等信息，并通過溯源可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證通過后倉儲(chǔ)企業(yè)將產(chǎn)品相應(yīng)的倉儲(chǔ)信息，如倉庫、出入庫時(shí)間等經(jīng)過哈希運(yùn)算并加密后上傳至可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)；

（4）在糧油食品的運(yùn)輸環(huán)節(jié)，運(yùn)輸企業(yè)通過掃描產(chǎn)品的溯源標(biāo)識(shí)碼獲取產(chǎn)品批次、倉儲(chǔ)等信息并通過可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，通過驗(yàn)證后將產(chǎn)品的運(yùn)輸車輛、人員、路線等運(yùn)輸信息經(jīng)哈希運(yùn)算并加密后上傳至可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)；

（5）在糧油食品的銷售環(huán)節(jié)，銷售企業(yè)通過掃描產(chǎn)品的溯源標(biāo)識(shí)碼獲取產(chǎn)品批次及運(yùn)輸信息并與可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，通過驗(yàn)證后將產(chǎn)品的相應(yīng)銷售信息，如銷售時(shí)間、地點(diǎn)、人員等經(jīng)哈希運(yùn)算加密后上傳至可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)；

（6）最終消費(fèi)者或監(jiān)管部門等用戶通過追溯系統(tǒng)客戶端掃描產(chǎn)品的溯源標(biāo)識(shí)碼，追溯系統(tǒng)通過識(shí)別溯源標(biāo)識(shí)碼中的產(chǎn)品批次信息，定位到溯源系統(tǒng)中相應(yīng)批次的產(chǎn)品，從而發(fā)起溯源請(qǐng)求，可信區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)可將糧油食品的全供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的信息反饋給消費(fèi)者或監(jiān)管部門。

5.2 系統(tǒng)化實(shí)現(xiàn)

本文基于糧油食品供應(yīng)鏈信息追溯模型建立了糧油食品可信追溯系統(tǒng)原型系統(tǒng)。該原型系統(tǒng)使用的Linux 版本為16.0.0，Ubuntu 版本為20.04.1。在此基礎(chǔ)上，使用Hyperledger Fabric 2.1 開源框架進(jìn)行搭建，其中docker版本為20.10.7，Go語言版本為1.17.2。系統(tǒng)采用Kafka共識(shí)機(jī)制，對(duì)于5大經(jīng)典環(huán)節(jié)以及監(jiān)管機(jī)構(gòu)本文設(shè)置了5 個(gè)組織、10 個(gè)節(jié)點(diǎn)以及3個(gè)排序節(jié)點(diǎn)進(jìn)行原型系統(tǒng)搭建，系統(tǒng)界面圖如圖8所示。

圖8(a)展示的為系統(tǒng)的登錄界面，用戶選擇相應(yīng)的類別登錄系統(tǒng)從而獲取權(quán)限；圖8(b)展示的為系統(tǒng)的主界面，主界面由兩部門組成，上方為商家廣告輪播圖，下方為近期系統(tǒng)的登錄次數(shù)展示以及近期受到攻擊的稻米批次數(shù)量；圖8(c)展示的為企業(yè)上傳相關(guān)數(shù)據(jù)界面，其中包含糧油種類、批次、環(huán)節(jié)、企業(yè)名稱、時(shí)間、數(shù)據(jù)摘要等信息；當(dāng)掃描某個(gè)環(huán)節(jié)的二維碼時(shí)，顯示產(chǎn)品對(duì)應(yīng)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的可追溯性信息（圖8(d)）。可靠的可追溯性系統(tǒng)根據(jù)二維碼的產(chǎn)品編號(hào)定位有關(guān)產(chǎn)品批次、時(shí)間和其他供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的特定信息。監(jiān)管機(jī)構(gòu)和管理員等高級(jí)人員可以通過產(chǎn)品二維碼追蹤產(chǎn)品在整個(gè)供應(yīng)鏈中的流通情況。普通用戶（如消費(fèi)者）只能查詢產(chǎn)品的基本非敏感信息。

圖8 原型系統(tǒng)界面示意圖Fig.8 Schematic diagram of the prototype system interface

5.3 系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)糧油食品全供應(yīng)鏈的信息溯源，保證供應(yīng)鏈全流程信息的透明，需要對(duì)糧油食品全供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)信息的采集、傳輸以及存儲(chǔ)可能面臨的安全因素進(jìn)行分析。

采集安全方面，由于糧油食品全供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)較多，各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)較多且復(fù)雜，此外各環(huán)節(jié)參與人員素質(zhì)參差不齊，因此糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯模型中的信息采集不可避免的面臨較大的安全風(fēng)險(xiǎn)。如在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，農(nóng)戶或生產(chǎn)企業(yè)可能由于信息化水平較低，對(duì)糧油作物等的信息采集不夠及時(shí)準(zhǔn)確；加工環(huán)節(jié)中加工企業(yè)的實(shí)際加工工序、添加劑等信息也無法保證其真實(shí)性；糧油食品全供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中信息采集過程的復(fù)雜性決定了任何溯源模型均無法保證采集數(shù)據(jù)的絕對(duì)安全。

傳輸安全方面，糧油食品全供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)傳輸時(shí)通過智能合約判斷數(shù)據(jù)是否符合要求，只有在當(dāng)前企業(yè)或農(nóng)戶等參與者采集上傳的數(shù)據(jù)符合區(qū)塊鏈系統(tǒng)中智能合約的預(yù)置條件時(shí)數(shù)據(jù)才能上傳并繼續(xù)進(jìn)行驗(yàn)證。不符合區(qū)塊鏈系統(tǒng)中智能合約預(yù)置條件的數(shù)據(jù)則通過重新處理并上傳驗(yàn)證。因此，對(duì)于糧油食品全供應(yīng)鏈中各環(huán)節(jié)的信息傳輸，智能合約的應(yīng)用能夠有效保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

存儲(chǔ)安全方面，由于糧油食品全供應(yīng)鏈可信追溯模型基于區(qū)塊鏈架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)中的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)屬于相關(guān)企業(yè)或個(gè)人掌握，因此各節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)具有一定安全性風(fēng)險(xiǎn)。但任一環(huán)節(jié)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的人為修改均無法通過可信區(qū)塊鏈系統(tǒng)的共識(shí)驗(yàn)證，供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)中任何數(shù)據(jù)篡改行為都會(huì)被檢測(cè)到，因此其分布式存儲(chǔ)架構(gòu)保證了糧油食品全供應(yīng)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)具有較高的存儲(chǔ)安全性。

為進(jìn)一步確保本研究的安全性能，本研究針對(duì)設(shè)計(jì)的糧油食品供應(yīng)鏈可信追溯系統(tǒng)進(jìn)行了安全性測(cè)試，本文以稻米為測(cè)試對(duì)象，針對(duì)東北地區(qū)某時(shí)間段的稻米進(jìn)行溯源查詢，當(dāng)掃描某個(gè)環(huán)節(jié)的QR 碼時(shí)（圖9（a）），顯示產(chǎn)品對(duì)應(yīng)供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的可追溯性信息（圖9（b））。

圖9 溯源信息查詢圖Fig.9 Traceability information query diagram

該時(shí)間段內(nèi)涉及稻米批次共1568 次，溯源信息準(zhǔn)確率為100%，該結(jié)果表明本系統(tǒng)能有效做到可信溯源。除此之外，本研究對(duì)某稻米加工企業(yè)進(jìn)行標(biāo)識(shí)碼信息驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)圖如圖10 所示。選取測(cè)試時(shí)間為2021 年第一季度，受全球新冠影響，該加工企業(yè)的產(chǎn)量逐漸恢復(fù)。從圖中可以看出，在第一個(gè)月測(cè)試數(shù)量為45,000 批左右，第2 個(gè)月46,200 批左右，第三個(gè)月47,500 批左右，其篡改數(shù)量近乎為0，結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠依據(jù)環(huán)節(jié)的遞進(jìn)對(duì)標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行實(shí)時(shí)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)標(biāo)識(shí)碼的安全傳遞，從而保證糧油食品的可信溯源。

圖10 標(biāo)識(shí)碼驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)圖Fig.10 Identification code verification statistics

6 結(jié)論與未來展望

本文基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)設(shè)計(jì)了糧油食品全供應(yīng)鏈可信溯源模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧油食品生產(chǎn)、加工、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸及銷售等全供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)信息進(jìn)行追溯，能夠?yàn)橄M(fèi)者或監(jiān)管部門便捷的提供產(chǎn)品全供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的具體信息，并通過區(qū)塊鏈、智能合約的應(yīng)用，在一定程度上保證溯源信息的安全可靠。溯源模型能夠規(guī)范糧油食品相應(yīng)企業(yè)生產(chǎn)過程及保證產(chǎn)品質(zhì)量，對(duì)解決糧油食品安全問題具有重要意義。

但是，本文所提出的溯源模型并不等于防偽，由于糧油食品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)前數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性無法保證，此外溯源追蹤的本質(zhì)并非商品，僅為作為商品標(biāo)識(shí)的二維碼，雖然二維碼中包含了產(chǎn)品的唯一標(biāo)識(shí)碼，但仍無法保證流轉(zhuǎn)過程中的商品品質(zhì)真實(shí)性問題，因此這也成為制約區(qū)塊鏈溯源體系落地的一大痛點(diǎn)，源頭上通過權(quán)威的中心化機(jī)構(gòu)認(rèn)證可減小虛假信息被認(rèn)證并上鏈流轉(zhuǎn)的危害。

后續(xù)的研究將重點(diǎn)圍繞上鏈前源頭數(shù)據(jù)采集真實(shí)性保障方面，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，減少或避免人為的干預(yù)，同時(shí)，配合監(jiān)督與懲罰機(jī)制，以提升數(shù)據(jù)采集的真實(shí)性與安全性。此外，嘗試建立可兼容不同企業(yè)追溯子系統(tǒng)的溯源模型，同時(shí)提高供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)溯源的模塊化水平，以提升糧油食品全供應(yīng)鏈信息追溯模型的開放性與靈活性。