基于区块链的食品安全溯源信息系统设计

文安兴 闻懿帆 唐宇笛 刘升

摘  要：为了增强食品安全管理效果，实现食品安全溯源。采用区块链技术设计一套食品安全溯源Web信息系统。设计出的系统主要有三大功能模块：一是公众模块，公众可以通过使用手机移动端，扫描食品包装上的二维码，查看食品溯源的信息;二是食品商模块：食品商登录系统，实现生产报备、食品信息管理、供应商管理等操作;最后是管理员模块，实现对系统信息的管理。该系统可以有效地实现食品安全信息溯源。

关键词：区块链;食品安全;去中心化;信息系统

中图分类号：TS201.6;TP311.13       文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）07-0152-04

A Food Safety Traceability System Based on Blockchain

WEN Anxing，WEN Yifan，TANG Yudi，LIU Sheng

（Shanghai University of Engineering Science，Shanghai  201620，China）

Abstract：In order to enhance the effect of food safety management and realize food safety traceability. A set of food safety traceability Web information system is designed with blockchain technology. The designed system has three main functional modules：first，the public module. The public can scan the two-dimensional code on the food packaging by using the mobile phone，and view the information of food traceability. Second，the module of food supplier：the food supplier log in system to realize the operation of production report，food information management，supplier management，etc. Finally，the administrator module realizes the management of the system. This system can effectively realize the traceability of food safety information.

Keywords：blockchain;food safety;decentralization;information systems

0  引  言

党中央高度重视食品安全问题，2015年新修订的《中华人民共和国食品安全法》明确规定：食品生产经营者应当建立食品安全追溯体系，保证食品可追溯。积极运用最新信息技术提供解决方案。中共中央政治局就区块链技术发展现状和趋势进行第十八次集体学习，习近平总书记在主持学习时强调，要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，明确主攻方向，加大投入力度，着力攻克一批关键核心技术，加快推动区块链技术和产业创新发展。

作为提供食品溯源信息的平台，社会公众最关心的是信息的真实性。区块链技术具有去中心化、可信度高、无法篡改等特点。可实现食品供产销过程全程监控，让来源可追溯，去向可查询，责任可追责。

许多专家学者已经就区块链+溯源系统做出了大量研究，给出了一些解决方案。张诚、刘守臣等基于Petri网理论，围绕区块链技术在物流溯源领域应用的实际情况，分析了冷链溯源系统的整体业务流程;Imtiaz Hussain等通过研究农产品价格论述溯源系统的搭建方式。朱桂菊、游达明等针对食品供应链溯源投入的最优动态决策与协调问题，构建微分博弈模型，考察并比較分散式决策和集中式决策两种情形下供应链的动态均衡策略与长期最优利润。

运用区块链技术建立食品安全溯源系统，必须站在企业、政府、消费者三方的角度综合考虑，在保障各个利益相关方合理权益的前提之下，重点解决食品市场中生产企业、加工企业、销售企业和消费者之间的信息不对称问题。

1  传统食品安全溯源系统的不足

1.1  技术劣势

传统的食品溯源系统采用的是中心化数据库存储数据，这种存储方式在数据安全性和真实性等方面很大程度由数据的拥有者决定。在理想状态下可以认为可通过政府的信用来保管这些数据真实有效不被修改。但是只要数据仍具备被修改的可能性，这种风险也就无法避免。当利益相关方所能得到的利益达到一定程度时，会铤而走险进行数据伪造、修改，这种动机无法被真正剪除。

1.2  逆向选择与道德风险

从博弈角度上看：逆向选择在传统的食品安全溯源系统中问题突出，造成劣币驱逐良币。将食品生产信息上传到数据库时，如果企业在生产活动中不尽如人意，企业有两种选择：

（1）上传真实的信息，但是可能对企业产品的销售造成负面影响。

（2）伪造生产信息，可能触犯造假的风险。

消费者作为这些信息的需求者，若是没有办法很好地区分信息的真伪，且惩罚并不强烈时，信息的供给方就会倾向于提供虚假数据，隐藏自己生产活动的实际情况。久而久之，上传真实数据的企业发现自身的经营成本增加，也转而上传虚假数据。最终整个信息平台上充斥了虚假的数据。此时一旦出现食品安全事故，政府出手整治，可能为时已晚，食品溯源平台在社会公众中的信誉降低，久而久之溯源系统中产生的数据越来越少，用户也越来越少。

传统的食品溯源系统在技术上和博弈结果上看都不尽如人意。

2  区块链食品安全溯源系统的优势

针对传统食品安全溯源系统技术上的劣势，运用去中心化的区块链系统可以从根本上解决;针对利益相关方博弈时可能出现的逆向选择和道德风险问题，则可以起到巨大的改善作用。

2.1  解决技术问题

当食品的生产、检验、物流等信息都存储在一个去中心化的区块链网络中，数据一旦生成记录，就无法被人为改变。一旦有某一方擅自修改了区块链网络中的数据，首先会造成本地区块链节点的Hash校验无法通过，即使绕过了这一层校验强行进行WebSocket广播，收到该区块链的其他节点也不会选择同步。

2.2  改善逆向选择问题

假设区块链食品安全溯源系统由政府主导，当建立起一条可靠的食品安全溯源区块链。政府的工作是进行监管，且存在监管成本。

食品溯源供应商上传信息到溯源系统后，可溯源认证标签，可以提升自己的品牌形象并且增加消费者的需求。同时，零售商为了激励生产商溯源努力投入的积极性，愿意为生产商承担部分或全部溯源投入成本。供应商和零售商是信息直接或间接的生产者，为信息生产付出成本，同时通过溯源系统获得品牌效应。

消费者是信息的需求者，消费者获取信息不存在任何成本，消费者的决策直接决定零售商和供应商的收益。

上述假设不论是传统系统或是区块链系统都可以同时满足，而区块链系统增加了信息无法修改的假设，对公众绝对公开透明。

对于政府，信息的不可修改性剪除了政府的监管寻租动机。

对于零售商和生产商（以下合称企业）面临公共关系危机时失去了修改数据的解决方案，增加了企业的危机成本。这种公开行为类似上市公司公开自己的财务报告，虽然有公司会选择财务造假，但是在一个有效的市场下，公众可以选择“用脚投票”，出售公司的股票，迫使公司的所有者改变自己的行为。

对于公众消费者，食品溯源信息作为一种公开的信息，可以以极低的成本被全社会所共知，加强监督，一定程度上缓解了逆向选择问题。

3  系统模型

基于以上假设，给出系统模型的总体框架。区块链在计算机网络下存放在成千上万台计算机内部的信息具有不可修改性，是食品安全溯源系统所依赖的数据源，食品安全溯源系统是笼罩在区块链上的一层面纱，帮助社会各界人士根据自身的需要更好地利用区块链上的信息，仅是社会查看区块链上信息的一双眼睛。系统模型框架如图1所示。

后文将对食品安全溯源系统的三大子系统做详细介绍。

4  系统设计与实现

4.1  系统功能

该系统分为公众模块、食品商模块和管理员模块，分别对应着不同的客户端与系统操作。其中公众模块是不需要权限即可进入的。

公众模块以WebApp的形式实现，用户可以通过微信、浏览器、手机相机等各种方式的“扫一扫”功能扫描系统产生的二维码（位于食品包装上）进入本模块。本模块会从服务器以及任意区块链节点上获取该食品相关的信息，包括生产、检验、物流、生产商许可证。基于高德地图提供的API，将食品的流通过程标注在地图上使整个流程更直观。同时提供了上述信息所在的区块信息，用户可以根据区块的Hash值，在“查询区块”页面查询到该区块的信息（包括前一区块Hash值、区块高度、区块内容等）;在“查询节点”页面可以查询网络中共同维护信息的所有节点，以实现信息的透明与可信。

食品商模块以普通Web网页的形式实现，同时支持移动端和PC端，兼容IE9以上的浏览器。食品商接入系统后可以对自己公司的产品、生产、工厂、公司等信息进行管理，其中，食品产品与工厂的信息添加修改都需要管理员的审核通过，生产信息一经报备便上传至任意区块链节点。同时，食品商可以在本模块的教程中学到如何配置区块链节点至自己的服务器以加入网络。

管理员模块的呈现形式与食品商模块类似。管理员有权限审批所有食品商的产品以及其工厂信息并监控食品商、食品产品、生产信息。管理员亦有权限将已经启动的区块链节点加入网络。

4.2  關键功能与算法设计

4.2.1  区块链底层的实现

（1）区块链的数据结构与检验。节点收到区块时会先检验其是否有效，节点收到区块链时则会遍历一遍运算，验证其Hash值是否正确，若运算中断则说明数据有篡改嫌疑，向网络中节点发送对所有区块的请求。

在本项目中，区块链哈希值的运算使用SHA256算法。安全散列算法（Secure Hash Algorithm，缩写为SHA）是一个密码散列函数家族，是FIPS所认证的安全散列算法。能计算出一个数字消息所对应到的、长度固定的字符串（又称消息摘要）的算法。且若输入的消息不同，它们对应到相同摘要的概率小到可以忽略。

（2）区块链的数据持久化。项目使用LevelDB作为区块链节点的数据库，其在亿级别数据读写上有很好的效率并且基于单文件，即一个节点一个数据库文件，满足了节点需要经常迁移、传输的需求。

（3）分布式节点之间的通信。项目中，一个节点占用两个端口，一个为HTTP端口，一个为P2P端口，节点间P2P通信基于WebSocket协议实现。节点间通信分为三类：请求最后区块;请求所有区块;发送区块或区块链。

（4）区块链的共识机制。项目区块链底层的共识机制使用PoW（Proof of Work）工作量证明机制，每个节点通过与或运算，计算得到一个满足条件的随机数，计算成功则获得本次记账的权利。每个节点设置有一个difficulty变量来调控记账的难度，保证一段时间只有一个节点拥有合法的记录权。在共识策略上选择蕴含运算量最大的链，即最长的链为有效区块链。项目中Hash值的规则为：Hash值前difficulty位必须是0。

4.2.2  MySQL数据库的优化

MySQL数据库表优化，基本满足三范式，任何非主属性不依赖于其他非主属性，降低了数据冗余，提高查询效率。但有些表内也会增加经常出现的关联字段，这样虽然多占了一些硬盘空间，但提高了查询速率，这是用空间换时间。

4.3  系统界面设计

简约风格，运用了Angular框架，使得界面干净简约。运用大量的交互效果提高用户体验，界面美观、简约大方，在元素设计上强调抽象、极简、符号化，去除了冗余的装饰效果，突显出了实用性的特点，保证用户信息读取的高效性。同时完美兼容了PC端、手机端等不同屏幕分辨率的设备。总体而言，基于数据库的食品溯源系统的网页结构为标准的H5响应式布局结构。

公众模块扫码溯源界面如图2所示。

食品商模块仪表盘界面如图3所示。

公众模块物流地图界面如图4所示。

4.4  系统测试

本系统在上海工程技术大学信息管理与信息系统实验室完成了功能测试和集成测试，均使用黑盒测试的技术。

功能测试主要测试公众、食品商、管理员能否正常使用，如表1所示;集成测试主要测试整个系统业务和数據是否能正确组合起来使用，如表2所示。

5  结  论

项目基于食品安全问题，本着维护国家经济发展以及社会稳定的目标，着手开发信息系统。计算机、互联网的兴起，改变了人们的生活方式。通过对食品安全的信任问题的分析，发现传统的中心化食品安全管理模式存在食品关键安全信息可被篡改的问题，这样的问题无疑将导致公众的信任危机，影响到社会的和谐稳定。因此，开发的食品安全溯源系统决定使用解决矛盾的关键——基于区块链的去中心化管理模式。

项目从构想到实施，理论到实际操作，中间的过程看似简单却又有些曲折。首先需要从宏观上把握，从整体上构思，然后再从局部入手细致地进行业务逻辑的分析。在编写程序的过程中不断地进行讨论和完善。不断地遇到未知的挑战，这时候就需要耐心地从不同的角度去进行问题的分析，从而尽可能地得出完美的解决方案。

综上所述，基于区块链的食品安全溯源系统会通过不断的版本迭代和系统维护，提高系统的运行效率与稳定性，更好地服务用户，更好地保障食品安全的公信度。

参考文献：

[1] Adam Freeman.HTML5权威指南 [M].谢延晟，牛化成，刘美英，译.北京：人民邮电出版社，2014.

[2] 张诚，刘守臣.区块链中电商冷链溯源系统Petri网建模与分析 [J].企业经济，2020，39（1）：48-55.

[3] 朱桂菊，游达明，黄福华，等.参考价格效应下食品供应链溯源投入的微分博弈分析 [J].系统工程，2020，38（1）：55-65.

[4] SYED A W，GUO B L，ZHANG X W，et al. Recent development in the application of analytical techniques for the traceability and authenticity of food of plant origin [J]. Microchemical Journal，2020，152：104295.

作者简介：文安兴（1998—），男，汉族，上海人，本科在读，学士学位，研究方向：信息系统;通讯作者：刘升（1966-），男，汉族，湖北大冶人，教授，硕士生导师，博士，主要研究方向：智能计算、群智能系统、进化算法。