基于区块链的生鲜食品移动追溯平台框架重构

赵 磊，毕新华，赵安妮

（吉林大学管理学院，吉林 长春 130025）

食品可追溯体系是一种以风险管理为基础的安全保障体系，核心问题是要解决食品生产消费日益分离与消除信息不对称之间的矛盾[1]。在政府财政支持下，我国食品可追溯体系建设经历了分段管理、全产业链管理两个阶段，相关制度和体系建设初见成效[2]。然而应用于松散而时间敏感的生鲜食品供应链时，政府主导的追溯体系固有矛盾逐步暴露：公信力问题，缺乏完整可靠的食品质量安全信息链，个别企业的短视认知偏差[3]使已建成的追溯体系公信力大打折扣；监管困境，食品企业违规被发现概率低，监管滞后，仅靠政府的严格规制难以产生规制的预期效果[4]；扩展性问题，追溯体系组网标准不统一，处于移动状态的追溯单元跟踪操作复杂，导致追溯信息传递效率低[5]。在产业转型升级、反补贴贸易摩擦加剧[6]的新形势下，传统追溯体系既要实现追溯信息互联互通，又要破解追溯成本支付难题。区块链和5G网络为解决上述矛盾和难题提供了一个新的契机。区块链是数字加密货币体系比特币的底层核心技术，应用区块链可打造不可篡改的信息链[7-9]。5G网络是面向下一代的移动通信技术，支持海量的传感器接入，可提供标准的动态化组网基础[10-11]。

区块链和5G网络在食品安全追溯方面的应用研究刚起步。在实践方面，2016年9月，沃尔玛、清华大学和IBM公司联合展开运用区块链进行食品追溯的科研项目，在美国以芒果为试点，在国内以猪肉为试点[12]。2017年12月，中国首个安全食品区块链溯源联盟成立，其旨在通过区块链技术进一步加强食品追踪、可追溯性和安全性的合作[13]。实践结果表明技术上具有可行性，但大范围应用仍受到追溯信息质量、主体参与意愿和技术开发成本等束缚[14]。在理论方面，Pearson[15]、孙志国[16]等认为食品安全溯源体系引入区块链能够解决食品安全领域的信任难题，但提升信息质量还依赖于物联网和传感器的进一步应用。Alfian[17]、Tian Feng[18-19]、Lin Qijun[20]等提出整合射频识别技术、无线传感器网络和区块链技术可以实时生成食品追溯电子履历。Thakur[21]、肖新清[22]等提出冷链物流品质感知的物联网数据采集与建模方法。Mao Dianhui等[23-24]提出基于区块链的交易信誉评估方法，以规避多主体带来的食品安全风险。丁庆洋[25]、刘敖迪[26]等认为区块链视角下追溯防伪体系的用信息保护问题依然严峻。李明佳等[27]从顶层架构出发将区块链植入食品溯源体系，在区块链去中心化程度、共识机制等方面进行改进以克服公有链的缺点。汪传雷[28]、杨慧琴[29]等提出一种区块链架构将供应联盟、金融机构及政府监管机构连接在一起，但仍面临主体多、开发成本大等难题。综上发现，学者们较多从技术视角进行了前瞻性剖析，对改良现有的追溯体系进行了有益探索，然而未能从根本上化解传统追溯体系的固有矛盾和成本支付难题。

为此，在考察吉林省动物源性生鲜食品追溯项目的基础上，本文从信息生态视角分析追溯平台的多主体用需求，进行功能设计和信息链流程再造，并结合区块链原理给出一种理论框架模型。以多主体用需求为导向地追溯信息生态重构，有利于从根本上解决传统追溯体系的固有矛盾和成本支付难题，对我国追溯服务产业市场化转型和财政补贴政策有序退出具有一定的指导意义。本文将基于区块链的生鲜食品移动追溯平台定义为：以生鲜食品供应链内外部参与主体追溯信息需求为驱动，通过移动网络实时获取追溯数据，利用区块链存储、调用、挖掘和共享追溯信息资源，向平台用提供基础服务和增值服务的跨组织追溯信息系统。

1 功能设计

生鲜食品追溯体系参与主体众多，需求具有差异化，追溯平台功能需求识别既要保证完整性又要降低复杂性。按业务关系可划分为供应链内部主体和外部主体，内部主体包括生鲜电商、冷链物流企业、零售商、批发商、加工企业和农等，外部主体包括消费者、政府、行业协会、消费者协会、认证机构、金融保险机构、平台运营商和网络服务商等。参与主体的拓展，导致传统的追溯体系功能完整性降低，设计复杂性提高。根据信息生态理论，共享多关键点型信息生态链包括5 类信息人角色（即对应表1中罗马数字）[30]，共生关系下任一信息生态位的功能需求都不能偏废[31]。为了保证信息生态位的完整性，首先按信息人角色将上述参与主体划分为：I信息生产者、II信息传递者、III信息转化者、IV信息消费者、V信息组织者。为了降低设计的复杂性，再按信息生态位集中识别信息流通过程中的能力和功能需求：追溯信息生产者的信息生态位最低，占有较多的原始信息资源，信息控制能力强但增值能力弱，功能需求偏重责任界定、隐保护、风险补偿和大数据服务；追溯信息传递者的信息生态位较低，负责建立传递渠道和防止信息污染，具备信息质量保障能力，功能需求偏重动态接入、用管理和流量计费；追溯信息转化者的信息生态位居中，是数据整理、存储和加工的关键角色，具备信息分解和增值能力，功能需求偏重风险补偿、大数据服务和流量计费，同时要支持其他信息人的功能需求；追溯信息消费者的信息生态位较高，占有较多的个性化信息资源，信息应用能力强但鉴别能力弱，对追溯平台的功能需求偏好追溯查询、外部监管、风险补偿和大数据服务；追溯信息组织者的信息生态位最高，负责制定追溯标准，具备信息导向和信息质量评价能力，功能需求偏重责任界定、外部监管和用管理。最后按信息在流通过程中是否增值，将追溯平台的功能划分为基础服务和增值服务（表1），其中动态接入、用管理和隐保护是基础服务中的必备功能，大数据服务是增值服务中的必备功能。基础服务：向用提供从生产源头到消费终端的食品安全追溯信息，保障信息链的完整可靠。相比传统的追溯平台，生鲜食品移动追溯平台需向消费者提供层次化的食品安全信息即时查询服务。加工企业和农是食品安全输入性质量风险责任主体，零售商、批发商、生鲜电商、冷链物流企业是食品安全过程性质量风险责任主体，明确的责任划分可以创造责任激励。消费者对生鲜食品的信任品质量风险缺乏判断能力，需要政府、行业协会或消费者协会制定相关标准或委托第三方检测认证以保障消费者的利益，监管机构需要即时掌握风险产品的源头、流向和存量信息，及时向社会预或采取应对措施，故追溯平台需具备实时外部监管功能。生鲜食品供应链是松散、开放式的，用节点实时动态接入追溯平台有利于消除追溯数据造假空间。追溯平台还需具备上述5 类用的身份管理功能和隐保护功能，以支持监管机构对用行为进行管理，促进追溯信息共享。

表 1 生鲜食品移动追溯平台功能Table 1 Functional design of mobile traceability information system for fresh foods

2 追溯信息链流程再造

为了应对新功能需求带来的挑战，系统在业务流程上需要突破组织边界对内部追溯信息共享的限制，防止追溯信息链在商品交易环节出现断裂。在分段管理阶段，由于缺乏全局观念和共享意识，企业各自建设相互封闭的追溯系统，在商品交易环节电子记录与手工记录并存，形成了信息共享壁垒；在全产业链管理阶段，通过网络和数据平台集合各个企业的追溯数据，受追溯精度和深度限制，企业在转换信息形式时，信息的时效性、有效性和完整性难以保证，追溯信息在商品交易环节批量转换时不连续，导致滋生数据造假行为。本文将交易双方各自记录的收发环节，合并为一个共享的可追溯单元，提出了一种新的追溯信息链流程架构。动物源性生鲜食品从养殖到消费所涉及的追溯链流程更长、更复杂[33]，故以猪肉为例阐述这种新流程架构（图1）。

追溯环节：为了确定责任边界，将追溯链从产品诞生到消费的流通过程划分为生产、加工、流通、消费四大环节，对应的责任主体分别是农，加工企业，批发商、零售商、电商平台和冷链物流企业，消费者。

可追溯单元：按追溯事项发生的时间顺序连接追溯环节中的各个操作工序，进行数据采集，该操作工序即为可追溯单元。当某一追溯单元的猪肉产品出现分割时，输出的子产品包含有父产品的追溯数据，即由一条追溯链分叉为多条链。当某一追溯单元的猪肉产品出现合并时，输出的父产品包含所有子产品的追溯数据，即由多条链合并为一条链。当可追溯单元的猪肉产品出现交叉分割与合并时，形成了追溯链的网络式结构，进入消费环节的任一猪肉产品都可以在追溯网络中找到唯一一条从育种到售后的跨组织追溯链与之对应。猪肉产品的跨组织追溯链包括育种、生长育肥、检疫和出栏等16 个基本的可追溯单元，其中农的生猪出栏与加工企业的收购、加工企业成品肉出厂与批发商的集中收购、批发商的配送与零售商的进货、零售商的分割肉出售与消费者订购是同一交易信息，分别合并为一个共享的可追溯单元。其追溯数据采集建立在最小交易单位基础上，追溯精度和深度的提升引起的追溯成本由平台的风险补偿功能来弥补，数据采集密度的提升由平台的动态接入功能来完成。追溯数据随实物同步流动，前一工序的输出即是下一工序的输入，且对交易双方是透明的，任何一方篡改数据会被对方发现，保障了追溯信息的连续性，从而突破组织边界对内部追溯信息共享的限制。

图 1 生鲜食品追溯信息链流程Fig. 1 Processes of traceability information chain for fresh foods

追溯信息链：追溯信息链是与可追溯单元平行的按时间顺序记录追溯事项并对追溯数据进行加工的流程。按追溯数据的加工顺序划分为加密验证、数据写入和数据调用3 个子模块，从而形成一个完整的、实时的、可共享的追溯信息链。加密验证：可追溯单元的写入节点将追溯数据用钥加密后，发送给其他节点验证，验证通过后才可以将追溯数据同步到产品区块链上。数据写入：自产品诞生的可追溯单元起，每头猪仔的身份信息由育种农提出申请，经认证机构核实后，生成与猪仔一一对应的产品身份字段，与育种农的公钥一起写入该产品的创世区块。再将产品身份字段和创世区块摘要写入每头猪仔的标签，如可加密的近场通信（near field communication，NFC）标签，从而建立起每头猪仔与产品区块链的一一对应关系。育种农使用带读写功能的智能移动终端在NFC标签上追加写入饲料、病害、检疫、运输等信息，数据同步终端自动采集当前的时间和位置坐标，通过5G网络与对应的产品区块链通信以上传新增内容。当猪仔交易给养殖农时，育种农须将养殖农的公钥写入猪仔标签，用育种农的钥签名确认，然后同步到产品区块链上，代表着产品权属和数据写入权转移。每当产品移交到下一追溯单元时，产品标签也同步做产品权属和数据写入权限转移，再由下一追溯单元在产品标签上写入该单元的追溯数据，并自动同步到产品区块链的下一区块，直到该产品消费者的公钥写入产品消费区块，从而保证每一头生猪从育种到售后都有完整的追溯信息。即便产品被消费掉，其对应的追溯数据将被永久保留在该产品区块链上，具有不可抵赖性，从而降低了责任主体提供虚假追溯数据的风险。数据调用：智能合约根据创世区块所列的摘要信息，以及后续区块所写入的产品特点、生产环境、加工工艺和运输方式，以及消费者个性化需求等因素，自动按照国家或行业标准选取相应的追溯要素和对应的追溯指标，与责任主体写入的追溯数据进行对比分析，做出预与响应。根据用管理授权和隐保护设置，智能合约可调取用身份信息和对应的追溯数据，以支持追溯查询、责任界定、外部监管等基础服务，通过跨链接口与智能合约互动，进一步挖掘追溯信息用于各项增值服务。

3 整体框架设计

3.1 设计目标

1）将单个产品作为自身追溯数据的最底层载体，并实时上传追溯数据生成该产品的电子履历。产品见证了从生产源头到消费终端过程完整性，实时上传数据能够规避造假空间。

2）将组织内部可追溯单元数据采集点变成数据写入点，供应链责任主体只需写入追溯数据而不必保留记录。既节省组织内部追溯系统的建设与维护成本，又能解决追溯平台的可扩展性问题，任意节点的故障或变更不影响追溯平台的整体运行。

4）通过智能合约实现追溯数据的复杂调用与追溯信息的实时共享，进一步挖掘追溯信息价值，满足追溯平台的功能需求。

3.2 框架模型与实现

图 2 基于区块链的移动追溯平台框架模型Fig. 2 Framework of mobile traceability information system for fresh foods

图 3 追溯数据存储单元结构Fig. 3 Data storage structure of traceability information system

合约层的实现：合约层提供智能合约与产品绑定服务，负责将智能合约部署在交易链上。该层包括初始化服务、部署服务、调用服务、查询服务和托管服务5 个模块。为了方便用调用追溯智能合约，避免安全漏洞，使合约具有法律效力，初始化服务模块提供由监管认证节点验证通过的合约代码模板，存储在认证中心层的服务器上，供全节点层查询和引用。部署服务模块根据全节点的合约写入请求，查询对应的合约代码模板，生成合约，反馈给请求节点，合约经共识后写入该产品的交易区块。调用服务模块是当产品交易状态更新时，写入交易区块前自动执行打包在一起的智能合约，并将执行的结果保存到产品账块中。查询服务模块是根据全节点的请求或跨链接口的查询请求，将智能合约的当前执行状态反馈给请求节点。托管服务是全节点将智能合约大量的计算任务委托给监管节点服务器，全节点只需验证合约执行结果即可，以加快智能合约部署和执行速度。

接口层的实现：接口层是外部应用与追溯平台的数据交换层，包括用授权接口和追溯信息共享接口。用可通过电脑客端或手机APP访问云服务器端代理，云服务器端代理再与追溯平台核心区块链进行交互，输入数据或返回查询结果。

4 结 语

为了化解传统追溯体系的固有矛盾和成本支付难题，本文从信息生态角度分析了生鲜食品移动追溯平台的基础服务和增值服务功能，进行追溯信息链流程再造，并结合区块链原理给出了一种理论框架模型。1）在功能设计上提出了追溯参与主体的风险补偿方，对组织共享内部追溯信息起到正向激励作用。2）在流程设计上将交易双方的收发环节合并为一个共享的可追溯单元，突破了企业组织边界的限制。3）在实现方上，使用产品标签作为最底层的追溯数据载体，通过备份标签实时生成产品电子履历，构建出完整的产品账链和交易链；将组织内部可追溯单元数据采集点变成数据写入点，采用移动自组网模式支持轻节点的动态实时接入，节省了组织内部追溯信息系统的建设与维护成本；通过智能合约实现追溯数据的复杂调用与追溯信息的实时共享，采用产品权属和追溯数据写入权限同步转移的方式界定追溯责任；借助跨链接口与智能合约互动，进一步挖掘追溯信息价值，向平台用提供增值服务。新平台在政府前期投入的基础上，着重发挥风险补偿功能，通过建设追溯公共品牌和挖掘追溯数据资源价值获取额外收益，弥补参与主体后期追溯成本投入。政府监管机构向信息组织者角色转变后，补贴政策可逐步退出，增值服务功能可避免追溯平台被参与主体弃用。持续的追溯成本投入能够在追溯平台运营商之间对用数据资源的争夺中抢占先机，进一步提升增值服务能力和平台运营商的盈利能力，从而吸引社会资本投资和拓展国内市场，最终实现追溯产业的市场化转型。总之，通过重构追溯信息生态体系，本研究为解决传统追溯体系所面临的公信力、监管困境和扩展性问题，化解追溯成本支付难题提供了新思路，对我国追溯服务产业市场化转型和财政补贴政策有序退出具有一定的指导意义。在具体实施过程中，尽管已积累大量的原始追溯数据，但向多主体提供追溯大数据服务，还需界定追溯数据产权关系和开发个性化推荐算法，这也是我们后续努力的方向。