基于区块链技术对物流追溯的研究

李世杰 庞 慧，2 刘志新 李雅楠

(1.河北建筑工程学院，河北 张家口 075300；2.张家口市大数据技术创新中心，河北 张家口 075000)

0 引 言

比特币是21世纪初由中本聪提出的一种点对点的数字支付系统，2009年正式启动该系统.而区块链概念最早起源于比特币，在近些年的发展中，出现了许多基于区块链的应用场景，比特币作为区块链技术初始应用场景，无疑是最成功的.在比特币中区块链主要存储交易信息，将交易信息、交易数据以区块的方式组合到一起形成链，其本质上是一种分布式存储与记录结构，但不同于传统的信息集中式存储，区块链技术是去中心化存储.其交易方式是通过记录时间来实现的，其中区块链中每个节点主要包含块头和主体两部分，主体对交易信息进行储存记录，块与块之间的链接由块头链接完成[1].由于区块链交易具备过程可信和去中心化两个特点，其在数字货币、数字政务、供应链金融、工业互联网等多个领域都可延伸应用.在进入新时代后，网购成为了日常行为，但物流业的运送模式还是停留在以中心化信息处理为基础的服务上，所造成的包裹丢失，损坏等问题层出不穷.至于包裹是在哪个运送节点上出现上的问题，则相互推诿，互不承认，以至于广大消费者无法很好的维权.以区块链技术构建物流信息数据库，在现代密码学技术的支持下，可确保交易信息安全，以此解决多数商业信任的问题.

1 物流业现状及发展

1.1 物流业现状

进入互联网时代后，中国物流业发展迅速，2014年中国首次在快递业务量上超过美国，成为世界快递业第一大国，成交业务量达到140亿件.2020年9月10日，物流业务量统计为500亿件，到2020年12月底结束，物流业务量达到800亿件，从9月到12月这四个月期间.每个月的物流量增长为百亿级，直至突破800亿物流台阶，创造了中国物流界的新纪录.

1.2 物流业主要问题

中国正处于物流大国向物流强国转变的阶段，但物流业绩效并不理想.主要存在以下几点问题：

(1)散布在社会中的各物流公司规模不一，规模经济经验不足，不能充分利用资源.

(2)物流产业链具有显著的中心化特征，涉及到的链条非常多，各物品信息收集不及时、不完整以及数据处理机制不畅是物流业需要突破的重要瓶颈.

(3)物流数据大多存储在物流公司数据库中，造成物流信息不透明.以农副产品为例，在采用第三方物流运输时，由于运力不透明，难以实现运输资源的共享和设备利用率的最大化.

2 区块链技术

2.1 区块链技术概述

2.1.1 “去中心化”

“去中心化”的概念是相对“中心化”提出，“中心化”系统是指以单一组织为核心构建信任关系，如图1所示.例如，网购场景下用户必须通过第三方信息系统完成身份验证、交易、货物流动、信息追踪等；“去中心化”是指在不依靠第三方的单一组织所构建的信任背景，其中参与交易的每个组织重要性基本相同[2]，如图2所示.

图1 中心化 图2 去中心化

2.1.2 共识机制

区块链系统为了保证传输信息、价值转移的一致性和正确性，创建了一套专门的共识机制，这套机制能在区块链“去中心化”组织中稳定高效运行.基于共识机制，可保证货物运送时信息保持一致.

图3 “非对称加密”的双向加密性

2.1.3 非对称加密

区块链技术中的“非对称加密”指在公钥和私钥的保护下，结合区块链技术中时间戳保护交易信息的安全性和用户信息的隐私性[3].“非对称”加密具有加密的双相性，即公钥和私钥都可用来加密，另一个可解密.“非对称加密”虽然具有两个秘钥，但相互无法推出.基于此特征，“非对称”加密的安全性更好，结构如图3所示.“非对称加密”在物流过程中可以有效的避免个人交易诚信体系的缺失、不正当交易等.

2.2 区块链结构

区块链由多个区块首尾相连组成，区块之间以记录前一区块Hash的方式建立连接.每个区块包含区块头和区块体两部分，其中区块头包含前一区块的Hash和Merkle根哈希值、随机值、时间戳等.具体交易信息以及Merkle树存放在区块体中，区块链结构如图4所示.

图4 区块链结构

Merkle树为一棵哈希二叉树，自低向上生成.假设有n笔交易数据，先对这n笔交易数据分别求取Hash值，这些Hash值按顺序排放在Merkle树底部，首先对前两个Hash相加求Hash，接着对第三、第四相加求Hash，以次类推.根据二叉树的特点，当有n个交易数据经过哈希加密再插入Merkle树之后，最多经过2*计算就能检查交易是否在该树中.

例:以A、B、C、D四个原始交易建立Merkle树，结构如图5所示.

图5 构建Merkle树

3 区块链技术在物流业中应用

3.1 物流信息防伪溯源模型设计

根据区块链去中心化结构特征，设计如图6所示的货物物流信息防伪区块，具体思路体现如下.

(1)每件物流产品从生产时便赋予唯一的Hash值，每件产品的Hash值分别生成对应的第一标识别印制在产品上.

(2)物流公司根据产品的唯一Hash值第二次计算Hash值，生成对应的第二标识码印制在物流外包装.

(3)产品Hash值与外包装Hash值相加再求Hash值，称为货物Hash，写入区块链Merkle树.

(4)当货物发生中转，从上个节点到下个节点，将物流信息转为Hash值更新到区块链Merkle树中，称为物流Hash.

(5)物流Hash和货物Hash相加计算Merkle根Hash，存入区块链.

图6 区块防伪溯源设计

通过上述设计，物流与货物通过Merkle树实现管理，Merkle树存入区块链[4].外包装与产品捆绑，如果其中一个发生异常变化，会导致整个区块中的货物Hash值发生变化，从而说明货物在运送时状态异常.每次货物中转时都有唯一的物流信息，唯一物流信息对应唯一Hash.需要查询时可通过物流信息计算Hash，从而判断货物真伪及运送情况.通过以上方法，可达到产品溯源防伪目的.

3.2 基于物流信息防伪溯源模型的物流管理架构设计

基于区块链技术所建立的物流信息管理系统，能成为安全可信的稳定物流供应链，将合作关系全部上链，链上各关系之间互相扶持，相互监督.区块链技术对货物资源和信息资源汇总起到极大的促进作用，提升企业物流资源整合、资源最大化利用，将现有物流规模再提高一个等级[5].

总体设计如图7所示：

图7 货物物流信息防伪溯源架构

系统总体设计为四层，包括供货层、数据分析层、区块链层、客户层.

供货层主要是发货方确定物流起始地和目的地，提供货物的基本信息.数据分析层根据物流起始地的和目的地对现有数据进行分析，确定所选物流公司和最佳物流线路.区块链层接收来自供货方提供的货物基本信息、所选物流公司、最佳线路以及存储物流在运输过程的中转信息等.客户层可以随时查看区块链节点中物流信息，关注物流信息动态变化.

3.2.1 数据挖掘层，确定货物起始地和目的地，分析数据库中现存的物流数据信息，选取最佳物流公司及最佳线路.

物流公司选择方案:

(1)根据已有用户返回的物流服务评价，统计各物流公司的总体得分.评价指标如表1(可根据实际情况对评价指标进行修改)：

表1 物流评分表

(2)选择得分前三的物流公司，存入区块链系统中，由用户最终决定哪家物流公司承担本次货运.

最佳线路选择方案:

(1)由于最佳线路选择方面实际情况较复杂，为方便阐述理论，在本文中选择较为简单的最短路径模型，其中V1,V2,V3,V4代表地点，如图8所示.

图8 物流中转点

(2)选择Floyd最短路径求解算法；建立初始矩阵，初始矩阵如图9所示.

图9 初始矩阵

最终迭代矩阵如图10所示.

图10 迭代矩阵

如:要求物流始发地为V1,目的地为V3.根据最终迭代矩阵选择路线为V1—V2—V3.同步路线信息至区块链节点中，同时允许用户查看.

3.2.2 区块链层，将区块链技术应用到物流产业链，构建可信任的完全去中心化分布式账本，利用区块链节点之间的共识机制使货物提供者、物流中转站、用户都能参与记账，并能够及时查看物流信息且能对信息进行更新.该溯源方案中所涉及的数据由区块链系统和数据库共同存储，打包信息数据录入数据库.物流数据再通过sha256算法生成对应的信息摘要发送到区块链上[6].系统结构如图11所示.

图11 区块链层构想

3.2.3 客户层，客户在收到产品后，如果对产品质量以及物流存疑，可向供货方提出审核要求，供货方和用户通过查Merkle树中货物Hash可判别货物是否在源头出现异常.如Merkle树货物Hash一致，可通过物流数据再次计算Sha256与各区块数据摘要比对，直接定位Sha256不一致的节点，确定物流异常.

4 结 语

基于物流信息防伪溯源模型的物流管理架构将物流过程与区块链技术有效结合，构建不可更改、互相信任的合格信息系统及防伪设计，使整个物流过程实现各环节自动化管理，更新了现存物流信息系统.很大程度上提升了数据的更新效率，加强数据共享，整体提升了系统的自动化和智能化水平.为智慧物流的改革提供了新的思路，在广大用户和商家的参与下，将最终推动整个物流产业全方位升级，加快智慧物流行业全智能化与全自动化的快速融合.