基于区块链技术的供应链溯源模式创新

刘 亮 张玉菡

(天津工业大学经济与管理学院，天津 300387)

1 文献综述

改善供应链的功能和运营已成为企业运营和战略的核心。为了支持供应链正常运作，企业需要准确获取及时的库存信息、材料和产品的在途移动等信息。信息和通信技术的迅速发展，使企业能够访问、获取、分析这些数据，然后做出更及时的决策，预测客户需求和进一步运作。因此，可追溯性成为供应链管理的核心问题之一。区块链技术作为一种重塑供应链业务模式的新兴技术，大多聚焦于互联网金融、金融科技等金融领域[1-2]，但与运营和供应链管理相关的区块链应用仍处于起步阶段，对于区块链在运营可追溯性方面的研究并不深入。

目前学术界对供应链的可追溯性还没有一致的定义，大多数可追溯性标准(如欧盟，2002年；ISO，2007年、2018年)侧重于描述在整个供应链中遵循产品从原产地到最终工艺步骤的关键特性的能力[3]。可追溯性活动与物流活动直接相关，一方面根据信息流动的方向，可分为前向溯源与后向溯源。另一方面，溯源能力意味着识别产品的来源以及产品所包含的对象之间的关系。可追溯性又分为链可追溯性和内部可追溯性，链可追溯性是指“在整个或部分生产链中，从原料采集到生产、物流中转、仓储、分销和销售，跟踪一个产品批次及其历史”，而内部可追溯性是指“在生产链的某个步骤中进行追踪的性能”。

可追溯性信息一般从物联网设备中跟踪、协调和收集。虽然信息可以实时收集，但信息共享依赖于集中的平台控制，而且无法防止数据篡改。区块链技术可以建立信息透明和安全的信任机制，在可追溯性管理过程中实现价值信息的交换[4]。目前应用区块链技术改善食品供应链的可追溯性研究，包括了问责制、预防欺诈、信息溯源、安全认证、信息保护等方面。

2 传统供应链溯源模式现状分析

供应链是一个多方参与的过程，供应链上每时每刻都存在着双向信息流动。溯源涉及整个供应链，包括从原料供应、生产、配送到销售的每一个环节。从20世纪80年代开始，供应链经过几十年的发展，日渐成熟，但供应链上的一些根本问题仍然无法避免，如“信息孤岛”、交易欺诈等[5]。

2.1 供应链环节信息共享困难

传统的物联网(Internet of Things，IoT)追溯系统可以利用射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)、无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)、近场通信(Near Field Communication，NFC)技术，对供应链上各个阶段的具体信息进行监控和存储，为产品质量的监测和可追溯性提供了有价值的信息[6]。然而，它基于集中式服务器-客户端模式，供应链上的参与者和消费者必须依赖于单个信息点来存储、传输和共享信息，因此在获取完整交易信息和追踪来源上存在困难。另外信息共享不畅，导致供求信息的误差在传递过程中不断放大，这种“牛鞭效应”难以消除，就不可避免地增加供应链成本，降低供应链效率。

2.2 监管缺乏执行力，数据可信度低

一件产品从研发到生产，再到销售，任何一个环节都有产品造假，甚至数据信息造假的可能，所涉及的供应链上的制造商、供应商、销售商等众多人群也可能在利益驱动下铤而走险。供应链溯源模式的初衷就是为了降低防范这种风险，但在实际执行时，监督作用往往难以落实。如生产者本身就是生产信息的录入者，而消费者又无法参与到产品生产环节，溯源系统自身技术上缺乏有效的监督机制，不能从根本上解决谁来监督的问题。

一般溯源系统都提供了消费者查询功能，但只能查询到产品生产者的相关信息，而对消费者真正关心的产品生产过程、原料来源等信息则很少提供。同时，由于溯源系统的数据录入以人工操作为主，失误率较高，错误和无效数据会降低数据的可信度。而一些不良企业非法更改采集数据、人为设定参数，修改数据库日志和记录，回收盗用标签信息，更使人们对溯源信息产生了不信任，溯源数据的公信力不足，已经危及整个供应链溯源体系的根基。

2.3 溯源缺乏统一标准

尽管在供应链的各环节都有相应的溯源系统来保障追溯的可行性，但每个环节都自成体系，为了各自的利益而进行保密，信息共享较为困难。例如上游生产企业建立了自己的生产信息管理系统，涉及生产过程的全流程，这些信息不可能与下游的物流销售企业完全共享。同理，其他企业也不可能将自己的信息与供应链上的其余企业共享，企业本身无法清晰界定哪些信息是属于溯源系统所必须提供的，哪些是需要保密内部独享的。

信息交流共享在操作上存在困难，如供应链上游生产企业的生产管理系统采用的是关系型数据库存储信息，而下游企业的销售信息却使用Excel文件系统存储信息，双方共享信息还必须通过第三方工具来实现互联互通，处理异构数据就是一项耗时巨大的工作，当出现产品质量安全问题时，也会增加追溯的时间。因此，难以统一的信息标准使得溯源体系在信息共享方面存在操作上的困难。

3 供应链溯源系统中的区块链技术

3.1 区块链技术概述

从狭义上来说，区块链是一种分布式账本，在给定的时间段内将交易列表记录在分类账上，形成“区块”。当每个事务发生时，它被放入一个块中，这些块通过哈希函数“连接”在一起，形成链状结构，记录并共享区块链网络内发生的所有交易。从广义的角度来看，区块链是一种使用区块-链式数据结构存储数据、基于分布式共识机制生成数据、基于密码学确保数据传输和访问安全、利用智能合约来编码和操作数据的一种新的分布式基础架构与计算范式。

区块结构分为两个部分：区块头和区块体。其中，区块头部主要包含前一个区块哈希值、Merkel根、时间戳和一次性随机数，区块头用于链接之前区块并且通过时间戳机制保证已有数据的完整性；区块体则包含了经过验证的、区块创建过程中产生的所有交易信息[7-8]。

3.2 区块链技术的适用性分析

3.2.1 分布式存储

区块链技术使用分布式存储记录交易信息，将信息存储在不同区块连接成的网络中，从而实现去中心化式的数据存储与共享同步[9]。传统的数据存储方式都是由数据中心统一管理，但这种中心化的信息管理方式存在着信息难共享、易篡改的风险，而这些风险在区块链技术的支持下能够很好解决。交易发生后，各节点产生的信息存入区块并附加时间戳，通过哈希函数将区块连接起来从而形成共享账本，区块链中的参与者均可通过共享账本查询跟踪信息。

3.2.2 共识机制

共识机制是交易网络各方之间用于验证交易、分散网络验证的协议。它确保所有网络节点共享相同的数据，并防止恶意参与者操纵数据，维护区块链网络的完整性和安全性。目前常用的共识算法有工作量证明(Proof of Work，PoW)、权益证明(Proof of Stake，PoS)等。

传统的供应链溯源模式是中心化结构，所有的数据信息均需要上传到中心数据库统一储存管理，但这种模式存在的弊端是中心数据管理人员能够对数据进行修改而不受其他成员的约束。针对此问题，区块链技术引入共识机制。在共识机制的约束下，区块链网络内任意成员想要修改数据信息，需要获得整个网络中超过51%记账节点的许可。区块链网络的数据安全由所有数据参与者共同监管，数据管理从中心化转变为分布式，有效防止信息篡改。

3.2.3 联盟链

根据应用场景和设计体系的不同，区块链分为三种类型：公有链、私有链和联盟链，三者在各方面的特性对比见表1。一般来说，联盟链适合于行业机构间的交易、结算等应用场景。联盟链对交易的确认时间、每秒交易数以及对安全和性能的要求也比公有链高。

表1 不同类型区块链之间的比较

联盟链是一种需要注册许可的区块链，成员加入需要提交申请并通过身份验证，方可获得权限[10]。联盟链提供成员身份认证、管理、授权、监督、审查等安全维护功能。按联盟的规则授予成员读写权限、参与记账权限等，整个网络由成员机构共同维护，网络接入一般通过成员机构的网关节点接入，共识过程由预先选好的节点控制。

3.2.4 智能合约

区块链具有可编程性，在满足特定条件后自动触发节点之间的动作，这种特性使得智能合约得以实现。智能合约是执行合约条款的电脑化交易协议，使用编程代码语言编写交易协议及信任关系等，并将其存储在区块链上[11]。当满足交易条件时，智能合约自动执行，从而实现高度自动化并简化供应链流程。区块链技术允许在整个供应链上级联采购订单、发票、变更单、收据、发货通知、其他贸易相关文档和库存数据。智能合约签订的交易无需第三方监管，并且这些交易可追踪、不可修改。

4 基于区块链技术的供应链溯源模式创新

4.1 设计思路

供应链中的溯源系统有三个基本特征：所有成分和产品的单位/批次标识；移动和转换的时间和地点信息；连接这些数据信息的系统。

基于区块链的供应链溯源系统设计思路是，利用区块链条记录每一个环节的溯源信息，利用区块链时间戳记录时间顺序，从而实现供应链上产品从研发，原料采购到生产加工，从物流配送到终端销售的全流程记录；同时，基于区块链的去中心化特征和数据的不可篡改的特征，对产品整个生命周期的信息进行区块分布式存储。参与产品生命周期流程的企业就是区块链上的节点，供应链上每个节点成员可以使用自己的私钥来进行信息查询与反馈。

4.2 总体架构

基于区块链的不可篡改性提出新的溯源模型架构，为产品防伪与数据溯源提供新的解决思路，提升交易信息在整个追踪过程中的透明度和安全性。该架构由业务层、物联网层、区块链层和应用层组成(见图1)。

图1 溯源模式总体架构图

业务层涵盖了整个供应链从源头到消费的各种商业活动。供应链中的每个节点企业都可以对产品溯源信息进行控制和管理。供应链溯源系统需要数字账本技术的支持，数字账本技术能够实时集成和管理整个溯源供应链中的每个流程和交易。

物联网层主要是进行数据追溯，在这一层中，可追溯信息包括质量信息、加工数据、资产、各级物流和交易信息。数据通过连接的设备(如身份芯片、RFID、WSN、条形码技术)记录，各种传感器自动连续地收集和传输有关产品的信息。区块链去中心化的特点使得数据采集造假难以实现。假如供应链上某个中间商想改变产品的产地，由于在供应链上无法篡改信息，于是想在数据采集时造假，但供应源头的数据采集也不是某个特定的人单独完成的，所有供应链上的企业都有监督权，因此源头造假在基于区块链技术的溯源系统中是无法实现的。

区块链层旨在促进供应链上信息透明度，提高产品可追溯性的安全性。有了质量数据，智能合约可以在区块链中实现实时质量监控；通过物流数据，智能合约能够自动规划物流；该溯源系统还能够为零售商和消费者提供不可清除的交易清单，说明产品如何通过供应链网络，从源头最后到消费者手中。整个溯源系统数据采用区块链技术进行区块化存储，区块中有时间戳实现全流程数据追溯，并按照共享机制将信息对全体用户透明化呈现。

应用层是溯源链中的参与者与信息平台之间交互层。参与者可以通过应用层查看物流、信息流、资金流全过程记录。应用层主要为消费者和销售商等成员提供溯源信息查询功能，消费者不仅能够查询到供应链上各生产企业信息，还能查询生产环境监控数据，当然也包括产品研发、生产加工到销售各个环节产品信息的变化情况。

4.3 业务流程

从上述溯源系统的架构可以看出，区块链技术对溯源系统的支撑是贯穿全流程的，在业务上实施全程监控，每一个节点都有不可篡改的标签。

溯源系统在溯源机制上采用双向追溯机制，可实现前向和后向信息追溯。在基于区块链技术的溯源机制应用方面，首先，消费者可以查询整个业务流程中的产品与物流信息；其次，在区块链上的企业实现信息共享与溯源，各节点企业都可以查询到原料提供商信息、生产企业规范化信息等，还可以对物流实时追踪；最后，质量检查部门可以通过该溯源机制监管产品质量，市场监督管理局也可通过该机制监管市场价格。该机制有效打击了企业产品造假、数据虚报等弊端，能够有效维护市场稳定。

从系统的业务流程来看，物联网层数据采集采用双向溯源机制，保证了数据的全面性，推动了溯源系统各项业务的规范化管理；区块链层将产品质量、物流运输和交易数据三方面的信息进行区块化储存。去中心化的分布式存储方式，既解决了传统溯源系统中的数据可信度问题，也保障数据的安全性。同时，区块链存储的数据库没有更新、删除操作，从技术层面保证溯源系统信息的真实性。

5 推广基于区块链的供应链溯源模式的策略

5.1 加快立法进程，实现行业标准统一及监管

随着区块链技术的应用越来越广泛，各国越来越重视区块链监管，以避免欺诈和其他损害消费者及市场利益的违法行为。监管的不确定性将带来许多后果，首先，无论区块链技术多么完善，都无法保证线下数据的真实性，数据源出现问题，相关数据将永久记录在区块链上。其次，缺乏监管会导致一些小团体密码所有者的操纵。就溯源模式中的参与者行为而言，如何界定数据采集、上传等行为的性质都需要一个统一的标准。由于目前尚未建立起通用的评价标准，区块链技术的效率和安全性无法得到准确评价。技术标准的制定需要跟上当前区块链技术的发展趋势，不断更新和完善。

现有的区块链政策更强调促进区块链的快速发展，而忽视了保障措施。各级政府颁布的区块链政策和相关法规大多缺乏细致的调研，这将导致区块链发展决策的偏差。区块链企业需要建立标准化的安全等级评估标准，加快完善监管体系。工业和信息化部及其分支机构负责尽快制定有效的监管解决方案，保障区块链实际应用过程中用户的安全和隐私，包括技术安全、信息服务安全、应用落地安全。监管部门可以从市场监管、信息管理、服务提供、加密资产管理四个方面着手消除区块链技术的负面影响，以规范区块链产业市场，消除安全隐患。

5.2 融合新技术，完善区块链应用

区块链技术具有去中心化分布式存储方式、数据不可篡改等特征，这为供应链溯源系统的运行提供了可靠的技术支撑。但算力的保障和数据源造假等问题还要需要去不断优化和解决。

现阶段，区块链技术的隐私保护方案虽然能有效解决隐私安全问题，但在一定程度上降低了节点的计算处理能力。另一方面，区块链算法的实施存在诸多漏洞，不利于区块链技术的长期稳定发展。区块链的优化还需要智能算法、边缘计算技术，大数据应用等技术的支持。通过区块链、物联网和人工智能的融合，可以在全行业实现显著的效益。支持物联网的区块链应用程序可以提供端到端解决方案，智能合约可以管理可信的安全交易和支付，而物联网技术可以实时跟踪资产。

5.3 区块链人才培养

2018年区块链技术大热，随之而来的是对区块链人才的高需求。区块链作为一种支撑技术，其相关应用涉及大数据、IT技术、金融、密码学等学科知识，因此推动区块链应用落地，需要技术人员拥有多方面的背景知识，人才紧缺是制约区块链发展的短板。之前IT行业浪潮使得计算机行业备受关注，市场上不缺编程人才，但是真正具有区块链思想的人才不可多得。从高校教育来说，目前有少部分高校开设了区块链课程，都是以本科阶段的通识课程为主，并未深入到区块链开发的相关技术；从社会层面上来说，一些企业也注意到区块链的发展动向，开始投资区块链研究。但是目前还没有较为权威的区块链培训机构，质量参差不齐，很难展开系统性的区块链应用培训。由此可见，我国目前尚未形成完备的、系统的区块链人才培养体系，政府应大力推动校企联合，从区块链应用需求出发，进行专业性人才培养；另外大力扶持高校区块链实验室进行区块链应用研究，开设专业课程培养相关人才。此外，区块链技术延伸到社会应用中更需要专业监管人才。助力区块链技术落地应用，需要尽快建立完备的区块链人才培养体系。