基于区块链的集装箱散粮质量追溯技术

刘 申，董婷婷，陈召安，王仁海，彭 远，张虎成，张富林，张东晖

（1.航天信息股份有限公司，北京 100195；2.北大荒粮食集团有限公司营口分公司，辽宁 营口 115007；3.湖北省农业科学院植保土肥研究所，武汉 430064）

近年来，中国始终维持95%以上的粮食自给自足率，中国粮食流转主要是在国内进行的。由于粮食的生产继续向主产区集中，进一步扩大了主销区和主产区的产需缺口，致使“北粮南运”的运输格局更加凸显［1，2］。鉴于中国国情，粮食种类及产量供需不平衡、产销地分布不均匀，使跨区域粮食运输成为中国粮食流通的一大特点［3］。

发达国家集装箱散粮运输发展势头越来越明显，随着国际贸易交流的不断加强，国内集装箱运输技术与能力也获得了突飞猛进的发展。目前，集装箱运输与包粮运输和散粮运输形成三者互补的、合理的粮食物流系统［4］。与包粮和散粮运输相比，集装箱运输的固有优势有利于推动集装箱业务的进一步发展，有利于企业提高服务质量，降低物流成本，更好地适应终端客户多元化需求［5］。

2015年，《国务院办公厅关于加快推进重要产品追溯体系建设的意见》鼓励在食用农产品、食品、药品、农业生产资料等7个领域发展追溯服务产业，支持社会力量和资本投入追溯体系建设，培育创新创业新领域。2017年，由国家粮食局主导在全国范围推广“中国好粮油”行动，是深入推进粮食行业供给侧结构性改革的重要举措，让所有人吃得好、吃得香、吃得安全，也是农业供给侧结构性改革持续发力的主攻方向和最终目标。此时，开展粮油产品质量追溯工作的需求极为迫切，也将对食品行业的发展产生巨大的影响。

传统农业中产业链非常长，从种植到销售包括几十个环节、数对交易方。这样的场景中，每对交易方之间的交易都是利益本位的，相互之间并不信任，因此整个市场是割裂的、无序的。如何通过技术手段来提升农业产业链的健康有序的发展，进而保障将食品安全供给消费者，是一个亟待解决的问题。国内粮食行业各级管理部门，已经开始了基于云平台和大数据的行业可追溯的尝试，但是由于云计算技术在粮食行业应用共性等问题尚未解决，制约了信息技术对行业的支撑作用。

针对于“北粮南运”集装箱散粮质量追溯，目前中国在信息技术研发方面取得了一定进展，如粮食质量追溯［6-8］、集装箱运输追溯［9］，部分技术已经得到初步应用。但是这些技术未开展集成应用，没有针对集装箱散粮的质量追溯，各大环节缺乏数据互联互通，无法实现集装箱散粮的质量追溯。本研究集成航天信息股份有限公司在粮食信息化研发应用的经验，提出基于区块链的“北粮南运”集装箱散粮质量追溯技术，研发集装箱散粮质量追溯平台，为中国保障粮食安全提供技术支撑。

1 集装箱散粮质量追溯业务流程

集装箱散粮运输也称为粮食集装箱单元化运输，是将散粮直接装入集装箱实现粮食位置转移的一种特殊散粮运输。集装箱散粮运输最早由加拿大曼尼托巴大学运输学院院长巴利·普伦蒂斯于20世纪70年代提出，并经过多年的理论创新和业务实践，已在部分发达国家得到较为成熟的应用［5］。

集装箱散粮业务由商流和物流两大部分组成，其中商流环节决定了物流环节的产生，物流环节也支持了商流环节的交易，同时全流程追溯编码支持了集装箱散粮质量追溯过程。“北粮南运”集装箱散粮商流和物流流程如图1所示，集装箱散粮质量追溯业务主要发生在物流流程中。粮食物流流程被分为3个环节：集装箱散粮储备环节、集装箱散粮封箱环节和集装箱散粮物流环节。

集装箱散粮储备环节：主要涉及贸易公司委托购销公司向种植大户、粮食经纪人，收购并储备客户约定的作物品种、等级、数量的粮食过程。

集装箱散粮封箱环节：主要涉及贸易公司经检验，购销公司已经完成了客户约定的作物品种、等级、数量的粮食，通过集装箱散粮装卸设备，完成集装箱散粮装箱，并应用专用封条封箱的过程。

图1“北粮南运”集装箱散粮商流和物流流程

集装箱散粮物流环节：主要涉及集装箱散粮封箱后，通过物流公司经购销公司、产地港口、干线船舶、中间港口、支线船舶、销地港口，最终到达客户的物流过程。

2 集装箱散粮质量追溯编码规则

为更好地全流程追溯粮食的质量情况，需要为粮食确定身份标识［6］。基于库存识别代码，结合集装箱散粮流通过程的各项编码规则，以集装箱为单元对粮食流通过程各环节进行编码。集装箱散粮质量追溯可分为3个阶段：集装箱散粮储备状态、集装箱散粮封箱状态和集装箱散粮物流状态。

集装箱散粮质量追溯各阶段均由根代码和当前码组成，追溯集装箱散粮质量根代码的属性是不变的。根代码主要指集装箱散粮的储备信息，主要包括根货位信息、根码标志。其中根货位信息包括社会信用代码（18位）+货位编码（11位）+货位入库时间（12位）+货位出库时间（12位），根码标志为1位。

集装箱散粮储备状态的当前码包括当前货位信息、属性信息。其中当前货位信息包括社会信用代码（18位）+业务号（16位）+货位编码（11位）+货位入库时间（12位）+货位出库时间（12位）+储备状态（1位），属性信息包括粮食性质（2位）+数量（9位）+品种代码（2位）+产地代码（6位）+生产年份（4位）+质量代码（1位）。

集装箱散粮封箱状态的当前码包括当前集装箱信息、箱内粮食基本信息识别码。其中当前集装箱信息包括社会信用代码（18位）+集装箱箱号（11位）+铅封号（9位）+集装箱封箱时间（12位），箱内粮食基本信息识别码包括粮食性质（2位）+数量（4位）+品种代码（2位）+产地代码（6位）+生产年份（4位）+质量代码（1位）。

集装箱散粮物流状态编码由产地物流编码、产地港口编码、干线货船编码、中转港口编码、支线货船编码、销地港口编码和销地物流编码等7个部分编码组成。每个部分编码均由当前集装箱信息、箱内粮食基本信息识别码组成。其中当前集装箱信息主要包括社会信用代码、集装箱散粮各部分物流代码、集装箱箱号、铅封号、流入时间（12位）、流出时间（12位），箱内粮食基本信息识别码方案与集装箱散粮封箱状态的箱内粮食基本信息识别码相同。

集装箱散粮产地物流代码（7位，物流货车车牌号7位），产地港口代码（11位，省份地市代码4位+区位2位+间位2位+行位2位+层高1位），干线货船代码（15位，干线船舶海上移动通信业务标识9位+行号2位+列号2位+层号2位），中转港口代码（11位，省份地市代码4位+区位2位+间位2位+行位2位+层高1位），支线货船代码（15位，干线船舶海上移动通信业务标识9位+行号2位+列号2位+层号2位），销地港口代码（11位，省份地市代码4位+区位2位+间位2位+行位2位+层高1位），销地物流代码（7位，物流货车车牌号7位）。

3 集装箱散粮追溯平台中区块链模块设计

追溯是指对农产品等商品的生产、加工、运输、流通、零售等环节追踪记录，通过产业链上下游的各方广泛参与来实现［10］。区块链是有效区块的列表，每个区块均指向前序区块，直到创世区块。区块链形成了由分布式总账（Distributed）、共识信任（Trustless）、非对称加密（Asymmetric Cryptography）、智能合约（Smart Contract）和时间戳（Time Stamp）为主要特征的应用技术范式［11］，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集体维护、公开透明等特点。区块链可以让人们在没有中央权威机构的情况下，对粮食产业链上下游各方互相协作彼此建立起信心，是用数学方法解决信任问题的产物［11］。

3.1 质量追溯平台工作量核算

基于区块链的集装箱散粮质量追溯平台综合商流和物流，将涉粮企业、物流企业、监管部门、质检中心等各个分类节点信息事务分类量化。各个节点事务操作包括事务发布、事务被浏览、事务被评论和事务被赞，同时各项事务操作量化赋值。

商流事务各类事务涉及内容为：销售合同（客户-贸易公司）、采购合同（贸易公司-购销公司）、收购合同（购销公司-种植户或经纪人）和运输合同（贸易公司-船运公司）。

物流事务各类事务涉及内容为：散粮收购（购销公司-种植户或经纪人）、散粮仓储（购销公司）、散粮封箱（始发港物流公司）、集装箱仓储（始发港）、集装箱干线航道运输（船务公司）、集装箱仓储（中转港）、集装箱支线航道运输（船务公司）、集装箱仓储（目的港）、集装箱运输（目的港物流公司）和集装箱开箱（客户）。

3.2 事务信息的发布、验证与存储

各个节点单元中基于区块链的集装箱散粮质量追溯平台，将各类事务的编码与数据通过哈希函数，压缩成事务摘要。根据节点分配用户的私钥与事务摘要进行签名运算，得到事务签名，并将事务签名保存在存储节点。平台将事务签名、公钥广播给所有周边验证节点。周边节点通过读取区块链层同步区块链的状态，验证节点在本地数据区块链副本中检索用户签名对应的数据位置信息，将验证结果返回用户。最先验证通过的节点将事务信息存储，同时根据智能合约中的条款，将发送信息的工作量匹配相应的奖励一同与验证事务信息记录。完毕后，该节点将信息广播给所有周边验证节点，以此完成集装箱散粮质量追溯平台中事务信息的发布、验证及存储（图2）。

图2 平台事务信息的发布、验证及存储

3.3 区块工作量核算与发布

当前节点集装箱散粮质量追溯平台接收各个节点发布的事务信息，验证这些事务信息是否经过了私钥的签名。根据智能合约中的条款，增加一笔商流事务或物流事务信息给节点记账者的地址计入奖励。将验证过的事务和新事务整理成一个数据包。将事务数据、上一个区块摘要、时间戳进行哈希时，根据一定时间内的工作量排序，筛选时段内集装箱散粮质量追溯平台最大工作量节点，记录该时段区块，从而达成共识。将区块广播出去，收到广播的记账者验证新区块后复制加入到自己的区块上，完成基于区块链的集装箱散粮质量追溯平台新区块发布（图3）。

图3 平台区块结构

4 基于区块链的集装箱散粮质量追溯

基于区块链的集装箱散粮质量追溯平台提供了可信的全流程过程监控方案（图4）。获取待追溯集装箱散粮信息，包括当前集装箱散粮编码以及各项信息。应用待追溯集装箱散粮编码中的根代码，用于查询该节点平台中该散粮集装箱物流过程的商流事务信息和物流事务信息，采集涉及节点信息。通过质量追溯平台，查询并获取所有涉及节点的集装箱散粮事务公钥及事务数据，包括集装箱运输历史物流环节、集装箱粮食封箱检验环节和集装箱粮食储备环节。通过区块链线上事务数据、公钥，验证各节点集装箱散粮事务数据。在验证结果通过后，追溯散粮集装箱在各节点的集装箱事务数据，分析环境数据、质量数据以及数量数据变化，理清集装箱粮食物流问题原因。

图4 集装箱散粮质量全流程追溯

5 结论

通过基于区块链的集装箱散粮质量追溯技术研究，实现集装箱散粮的生产可记录、信息可查询、流向可跟踪、质量可追溯，使得责任更加明晰，营造良性循环的行业氛围。基于区块链的集装箱散粮质量追溯平台，基于库存识别代码及流式数据采集、处理技术，结合区块链技术的事务工作量核算、事务信息的发布验证以及存储，最终完成追溯平台区块的核算和发布，建立散粮集装箱的质量追溯体系，涉及的信息全面且可以按照散粮集装箱具体业务要求质量进行设定，解决导致粮食质量问题的原因难以定位和追踪的问题。该平台集装箱散粮质量追溯技术应用区块链技术真实反映了粮食的来龙去脉，为完成每笔集装箱散粮的质量追溯提供了具体的方法。