区块链技术在冷链食品溯源中应用的研究

姚 超,唐 松

(河北华烨冀科信息技术有限责任公司，河北 石家庄 050081)

0 引言

随着人们食品消费特别是生鲜食品需求的不断增加，冷链物流行业得到了快速发展。国际冷链市场从2015年到2020年保持年均13.9%的增长，2020年达到2719亿美元，我国在2017年冷链市场规模已达到290.4亿美元，预计2020年将达到586.6亿美元[1]。冷链食品是对温度变化敏感的产品,通过温度的管理确保食品的质量和安全，这是一个低温分配系统，需要经过复杂的多级分配，难以管理和跟踪质量。特别是，传统批发市场的占比达到了53%,通常从生产者到零售商至少通过5个流通系统才能交付给最终消费者。因此，为了确保在流通的各个环节中冷链食品的质量安全，相关的信息追溯技术必不可少。在此前，国家疾病预防控制中心对青岛新冠肺炎疫情溯源调查过程中，从冷链食品外包装阳性样本中分离到活病毒。可以说溯源贯穿于冷链食品供应、生产加工、储存、运输、销售等环节，而运用区块链技术的留痕特性能有效解决冷链食品流通信息孤岛问题，进一步保证食品安全，改善民生，促进经济增长。

1 冷链食品溯源现状

冷链食品供应链辽阔，遍布全球，由于牵涉范围广，溯源是一个比较复杂的过程，贯穿于冷链食品供应、生产加工、储存、运输、销售等环节，每个环节都需要很严格的把控[2]。如冷链食品已成为新冠病毒疫情传入中国的一个重要途径，目前，生鲜食品安全问题频繁发生，对于其相关信息追溯也相当困难。

1.1 信息的真实性无法确保

食物的三个重要来源是农作物，牲畜和海鲜。 人们常常会为了高产，使用剧毒农药和过量肥料，食品带有持久性化学残留污染物。追求增加牛奶和肉类的产量，使用生长激素和违禁药物，严重影响人类健康并增加人类罹患各种癌症的风险。不法商人篡改食品有效期、更改说明书、打印错误的添加成分、以及不适当的存储温度，这些都是增加加工和运输过程中食品安全和公共健康风险的重要来源。

1.2 各个环节无法实现信息共享

在冷链食品安全方面进行供应链管理时，供应链的可见性是一个重要问题。冷链食品供应链比其他供应链更为复杂。确保从源头到目的地的冷链食品供应链中存有相关数据是一项巨大的挑战。这些数据对于预防食源性疾病风险、食品完整性问题以及各种食品检验检疫证书至关重要。Aung和Chang[3]描述了食品供应链中有关食品安全和质量改善的可追溯性的重要性。

而且有证据表明，消费者现在更加担心他们购买的产品是否在具有可接受规格的适当环境设施中生产。我们还发现，在新冠病毒大流行期间，超市对认证冷冻食品和肉类的需求很高。生产者与食品认证者，批发商，零售商和消费者共享基本信息的需求日益增加。非政府组织和政府监管部门也要求从源头到零售的整个供应链都具有更高的透明度，可见性和可追溯性[4]。

2 冷链食品溯源应用区块链技术的可行性

回顾区块链技术的各种应用领域，例如以比特币为起点，数字版权的认证和管理，智能合约的自动结算交易以及身份认证等。因其通过分布式数据存储、共识机制、加密算法、点对点传输等技术的集成，可有效解决传统交易模式中数据在系统内流转过程中的造假行为。区块链技术在食品流通管理中应用案例如，沃尔玛及其技术合作伙伴IBM 设计的基于Hyperledger Fabric的食品追溯系统，旨在确保消费者对食品安全的信心，采用了分布式食品供应生态系统，将区块链技术应用在物流和供应链管理中[5]。使用区块链技术来追踪食品的流通，给食品在何时何地生产、流通加上时间戳记，并且可以识别伪造品，从而提高了食品的安全性。这表明，区块链技术可用于冷链食品溯源管理，以便供应渠道复杂时实现冷链食品安全的购买，并为后续流通过程中检测出的问题能够及时跟踪和解决。

区块链在P2P(Peer to Peer)网络上发生的交易信息分布在网络所有成员的节点上，是一种去中心化的分布式数据库技术，节点数据可以在区块链网络上进行共享，甚至可以在分布式环境中进行实时共享，通过共识算法维护一致的数据。因此，区块链也称为分布式账本，由许多块组成，其中包含许多交易的信息。 区块链网络的参与者(节点)可以在没有中继或第三方的情况下进行直接交易，并且由于该区块经过验证，因此仅添加网络中节点共识后的区块，从而确保了可靠性。生成新交易时，会将其组织为块单位，由于块是按时间排列的，因此，由于需要重新生成所有随后的块，因此很难操纵前一个块的内容。 区块链系统由多种技术组成，包括对等网络、共识算法、数字签名和哈希以及智能合约。

基于上述两点分析，区块链在冷链食品追溯中的应用是可行的。区块链可分为三种类型：公有链、联盟链、私有链。目前常用的区块链技术框架包括比特币、以太坊、Fabric和Fisco等。Fabric和Fisco属于联盟链，结构的特点适合于企业和组织间信息流转，其服务可以限制未经授权的参加者进入[6]。另外，存在交易处理期间用于验证交易的节点，从而可以尽早排除不确定的交易，且Fisco是标准的国产底链，支持国密算法，出于安全角度考虑更具有优势。基于上述优点，本文旨在设计一种基于Fisco架构的冷链食品溯源系统。

3 基于区块链技术的冷链食品溯源系统构建

3.1 系统架构设计

本文提出了一种基于联盟链的区块链系统，只有冷链食品参与者才可以有写权限。系统分为三个模块:监管端、企业端和公众查询端。其中监管端包含省局、市局和区县局等单位的监管账号的分配，实现冷库相关企业的管理与冷链食品的全链条追溯监管；企业端包含冷链食品经营企业(含生产、流通、餐饮企业)，主要实现企业信息和冷链食品流通信息的录入；对于公众端用户可通过手机端直接扫码查询商品的溯源信息，对于该系统只有读相关追溯信息权限。图1显示了系统架构的设计图，整个系统架构设计可以分为三个层次：应用层、扩展层、协议件。

图1 系统架构设计图

3.2 系统应用层

应用层主要面向平台用户，主要包括冷链食品经营者和货品备案平台、冷链食品企业入网平台、监管端审核与查看平台、冷链食品出入库管理平台、供应商和客户管理平台、冷链食品追溯与预警平台。

3.2.1 冷链食品经营者和货品备案平台

实现冷链食品备案的快捷办理与网上办理。经营者可以通过电脑端和手机APP实现冷链食品的快捷办理与网上办理。

3.2.2 冷链食品企业入网平台

企业用户通过自行注册的方式进行入网，对应监管部门审核后，企业可进入系统进行后续信息录入工作。冷链食品平台支持连锁型企业，减少企业基础信息的录入工作量。

入网企业类型分为：法人企业、个体工商户、个人。经营类型：冷库使用、冷库租赁。企业注册信息包含企业类型、经营类型、企业类别、企业名称、企业统一社会信用代码、所在地区、详细地址、GIS定位信息(经纬度，使用手机端可基于LBS获取定位信息)、联系人、联系电话、营业执照、许可证信息等。

为减少无效数据对平台资源的占用，同时提高企业的体验感，将使用手机号与手机验证相结合的方式实现企业入网注册、密码找回、短信通知等。企业可在登录后查询入网审核情况，若申请被驳回，则可继续修改企业信息重新提交，减少重新录入的工作量。

3.2.3 监管端审核与查看平台

监管用户通过入网审核功能对准入网企业提交的企业信息进行审核，操作包含审核通过或驳回。审核通过后企业可使用注册时的手机号进行登录，继续后续操作，审核驳回后企业可针对问题信息项进行修改完善，重新提交。实现监管用户对管辖行政区域范围内的入网企业进行管理，查看企业相关信息，包含企业基础信息、资质证照信息、所有仓库等。可根据企业名称、企业类型、企业类别等进行检索，以及某一时间段内的冷链食品出入库记录。

3.2.4 冷链食品出入库管理平台

企业通过冷链食品的录入工作，同时又区分为首站站点收货与非首站站点收货，若为非首站站点收货，录入或扫描冷链食品追溯码，系统将自动填充当前批次产品信息，当前企业无该商品时可自动为当前企业创建该商品。若收发货企业均为入网企业时，发货信息将自动转为收货企业的收货信息，收货企业直接做收货操作。

若为首站站点收货，若已有冷链食品追溯码则需录入或扫码冷链食品追溯码。若无追溯码，则收货时需为冷链食品添加批次信息或收货后进行赋码操作。

3.2.5 供应商和客户管理平台

实现供应商与客户的共同管理，包含供应商/客户名称、统一社会信用代码、联系人、联系方式、所在地区等。

为方便企业进行录入，系统优先查找入网企业，若无入网则继续对接河北省法人库，实现供应商/客户信息的自动填充。以此保证企业的唯一性，为准确建立追溯链条奠定基础。

3.2.6 冷链食品追溯与预警平台

在传统追溯链条的基础上，在区块链技术平台的支持下，实现冷链食品在时间、空间上的关联，包含冷链食品、冷链食品批次、冷库站点、相关企业、运输车辆等，通过此种关联关系建立立体化追溯网。

在传统追溯链条的基础上建立立体化追溯网，实现一地疫情全省预警，根据疫情相关联的冷链食品及其批次、冷库站点、企业、运输车辆等，预警与其在时间、空间相关联的其他冷链食品、运输车辆、冷库站点、相关企业等。

通过此种方式将疫情可能性的扩散范围预警至其他对应相关的监管部门，不限于自上而下或自下而上的方式，以最快的速度将疫情阻击于最小范围。

3.3 扩展层

图2 智能合约接口

智能合约是区块链节点上的一个重要的功能，可以保证交易的执行，是指根据事先定义的条件，在区块链上产生并且编译的软件代码，并由所有节点持有。根据合约自动执行的特点，基于Fisco的区块链架构，用户部署在区块链上的合约，是在以太坊虚拟机中执行的，因此，无需第三方干预具备安全性和可靠性的优势，冷链食品追溯的各个环节不再需要依赖中央网络节点进行数据信息传输，完成需要共识的操作，且具有可扩展性。以太坊虚拟机，是智能合约代码的执行器，智能合约被编译成二进制文件后，被部署到区块链上。

冷链食品企业录入的采购记录、销售记录、检验检疫报告均通过调用智能合约的Instance接口(节点调用EVM的接口)和Callback接口(EVM回调节点的接口)，来触发智能合约的执行操作，区块链网络中节点共识后，会将记录追加存入区块链中，后续不可再更改。如图2所示。

3.4 协议层

图3显示了区块链分布式帐本结构，其中各节点所有交易都在冷链食品网络中记录和共享。网络上发生的交易信息分布在网络所有成员的节点上，契约者之间的交易结果存储在区块中。利用数字签名技术、非对称加密原理实现网络信息的安全可靠，可以确保冷链食品信息的真实有效。

图3 区块链共识流程图

4 结束语

在本文中，展示了区块链技术与冷链食品溯源的结合，通过区块链共识特性的实时跟踪功能和基于智能合约的特征，来提高冷链食品供应链的可视性，并简化参与者之间的工作。它用于应用冷链食品的可追溯性，使监管部门和消费者能够确定生产地点、加工和中转流通过程。从监管的角度来看，由于可以立即跟踪食物的详细信息，因此便于进行质量安全控制。在流通环节，通过确定制造商、分销商、包装商和最终用户之间的所有权变化来确保冷链食品流通安全。通过使用区块链技术的实时信息记录且不可篡改的优势，新系统可以确保冷链食品信息管理的透明性。区块链技术可以有效地用于实现冷链物流各个环节信息共享和不可篡改的追溯领域。

区块链是一项新兴技术，在食品冷链领域的应用仍然在探索发展中，这项研究将应用于尚未被区块链技术覆盖的冷链食品溯源领域，为进一步扩大区块链技术的应用方向和冷链食品安全研究范围做出了贡献。