基于区块链的宁乡花猪肉冷链物流溯源系统研究

摘 要：文章针对宁乡花猪肉冷链物流溯源系统在供应链环节出现的产品质量参差不齐、存在有害健康的添加剂和“假冷链”运输等情况，以及单链溯源系统存储负荷重、并行能力弱等缺点，在分析宁乡花猪肉冷链物流流程的基础上，结合供应链中的养殖、加工、检测、运输、交易等环节，设计了隐私链、共享链、监管链与溯源链等多链共存的主体链，搭建了涵盖数据感知层、数据预处理层、网络传输层、区块链存储层、智能合约层、应用服务层、监管审计层与交互展示层的8层框架结构，实现了对宁乡花猪肉从养殖到销售全过程的追溯与监管，能够确保产品信息的全过程透明化，提高消费者对所购买产品质量安全的信任度，促进市场的良性发展。

关键词：区块链；宁乡花猪肉；冷链物流；溯源

中图分类号：F326.6；TP311.13 文献标志码：A DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.22.037

Abstract： In view of the uneven product quality， harmful additives and "fake cold chain" transportation issues in the supply chain links of the Ningxiang pork cold chain logistics traceability system， as well as the shortcomings of the single chain traceability system， such as heavy storage load and weak parallel ability， on the basis of the analysis of the cold chain logistics process of Ningxiang pork， and combined with the five links in the supply chain， such as breeding， processing， testing， transportation and trading， this article designs the main chain with multiple chains such as privacy chain， sharing chain， supervision chain and traceability chain， builds the eight-layer framework structure of data perception layer， data preprocessing layer， network transmission layer， blockchain storage layer， intelligent contract layer， application service layer， regulatory audit layer and interactive display layer， and realizes the traceability and supervision of Ningxiang pork from breeding to sales， in order to ensure the transparency of the whole process of product information， improve the consumers' trust in the quality and safety of the products they buy， and promote the benign development of the market.

Key words： blockchain; Ningxiang pork; cold chain logistics; traceability

收稿日期：2024-04-23

基金项目：2022年度湖南省自然科学基金“基于区块链技术的生鲜农产品质量溯源系统开发与研究”（2022JJ60068）的阶段性成果

作者简介：袁 鑫（1982—），女，湖南长沙人，湖南商务职业技术学院，高级电子商务师、国家信息项目管理师、教授，硕士，研究方向：职业教育、电子商务、移动商务、区块链。

引文格式：袁鑫．基于区块链的宁乡花猪肉冷链物流溯源系统研究[J]．物流科技，2024，47（22）：146-149，159.

0 引 言

地理标志即农产品的产地标志，由“地域名+产品名”组成，是中国农业农村部认可的国家级区域公用品牌，受专门保护。湖南省作为我国的农业大省，素有“鱼米之乡”“九州粮仓”的美誉，盛产各种特色农产品。截至2023年3月，湖南省共有地理标志316个，地理标志的地域范围覆盖14个市州111个县市区[1]。其中获评“地理标志保护产品”的湖南农产品特产有126种[2]。来自湖南省长沙市的“宁乡花猪”，于2010年3月25日被中华人民共和国农业部批准实施农产品地理标志登记保护。在2022年中国品牌的价值评估中，“宁乡花猪”品牌价值高达52.4亿元，标志着这一特色产业又迈上了新的发展阶段。近年来，虽然监管与惩罚机制已得到进一步完善，也加大了管理力度，但市场上的猪肉品质仍参差不齐，农贸市场鲜猪肉经营户涉嫌销售未经检疫的鲜猪肉的违法案例已屡见不鲜，饲养过程中大量添加瘦肉精等有害人体健康的物质，物流运输中存在“假冷链”等情况，给生猪产业带来了一系列挑战与问题，这些问题的存在使消费者无法信任产品的品质与安全，对“宁乡花猪”的品牌价值造成了不小的影响。

课题组在知网上以“宁乡花猪”为主题进行检索，共获取68条文献记录，其中包括8篇硕士论文，分别对肉质特性、保鲜技术、生态养殖、品牌建设等进行了分析与研究。湖南农业大学的刘浩波在2010年指出要对“宁乡花猪”养殖户和企业进行全过程质量管理，对每一个环节实施严格的质量控制，使用各种手段，加强防伪，进行品牌维护[3]；中南林业科技大学卢亚洲2022年认为长沙市花猪产业的信息化对花猪产业的发展具有显著的正向影响，但在发展过程中存在信息化建设体制不健全、基础设施建设不够完善、专业人才队伍建设严重滞后、从业人员信息化操作能力较弱等问题[4]。课题组发现对宁乡花猪冷链物流溯源系统问题的研究匮乏，试图通过区块链技术实现信息公开透明与溯源技术升级，开发并实施冷链物流溯源系统，有效提升消费者对品牌市场的信任度，促进“宁乡花猪”品牌的长远发展，为湖南“湘字号”品牌强农战略的实施提供助力。

1 冷链物流与区块链技术理论

1.1 猪肉产品供应链特性与冷链物流过程

冷链物流（Cold Chain Logistics）是指在应用冷冻工艺学与制冷技术的基础上，对蔬菜、水果、肉、禽、蛋等需要冷藏冷冻来保鲜的食品，在生产、流通、销售和消费等供应链环节进行低温控制与管理，从而最大限度保障食品的新鲜度，减少因为保存时间过长造成产品变质等损耗，为消费者带来极佳的食物体验。

猪肉产品供应链存在运营成本高、部门协调多、时间要求急等基本特性。运营成本高体现为猪肉从生产、养殖、加工到销售等全过程都离不开各种专用设备与环境的使用与搭建，为确保猪肉的质量安全，生猪在生长与养殖过程中需要应用物联网、传感器、检疫设备等智能系统，猪肉从生产到销售都离不开各种冷藏保温设备，系统开发与设备配置等需要极高的人才、物力与财力投入。部门协调多体现在随着物联网、人工智能与大数据技术的发展与智慧养殖方案的推进，猪肉产品供应链涉及的部门和人员越来越多了，从而产生了更为复杂的协调沟通工作。比如猪肉的流通环节包括种猪的运送、生猪屠宰场的运送与各销售点的运输。其中生猪运输属于活体运输，需要注意气温变化及路程长短，车程过长会使猪出现应激反应或掉膘的情况；猪肉运输与配送主要指从屠宰场把加工后的猪肉经各级流通环节，运输到销售点，为保证猪肉的品质，需要各部门人员积极配合，建立完善的温度检测管理制度与信息交接制度，方便上下游供应链及时获取准确信息。时间要求急体现为猪肉产品的高品质具有极强的时限性，上游哪一个环节出现了差错，都会影响下游供应链环节的产品质量，负责猪肉物流的企业与人员需严格控制运输时间，遵守冷链物流的操作规则，建立安全、高效的冷链物流系统，缩短交易流程，提高物流时效。

猪肉产业供应链主要包括养殖生产、屠宰加工、配送运输、销售四个流程[5]，每个环节都有各自的操作规范与制度。冷链物流把猪肉加工、包装、运输、销售这四个环节串联在一起，形成了一条完整的猪肉冷链物流体系，如图1所示。

猪肉加工后运输前，要在-28℃的冷冻环境下贮藏，将冷藏运输车储存部分的温度控制在-10℃以下。然后在运输中途与转移交货的过程中，使猪肉持续保持冰冻状态，直至到达消费者手中。整个过程要对存储环境、运输车驾驶员、运输车编号、运输车仓温度、出入库时间等做好数据交接与及时记录。在图1所示的猪肉冷链物流结构中，猪肉养殖成熟后，主要经过三种冷链物流运输方式。第一，生猪被物流运送到屠宰场进行加工处理，直接配送运输至超市与农贸市场等，最后被消费者买走；第二，猪肉送至食品加工企业，制作成肉干、肉脯等食品，配送运输至超市与农贸市场等[6]，最后到达消费者手中；第三，猪肉经过中间商、供应商等环节，不经过配送中心，输送至超市与农贸市场，最终到达消费者手中[6]。无论是哪一种，猪肉的冷链物流结构都不算太复杂，降低了后续溯源系统设计与开发的难度[6]。

1.2 区块链技术

区块链技术包含分布式账本和智能合约这两个关键特性。分布式账本的特点就是每个节点都处于透明状YwWptpc/xT5rOI7v1PERDg==态，且可以被正向追踪与反向溯源；智能合约的特点是公开透明与不可篡改。相比于传统的中心化数据库，利用区块链存储信息，可有效降低数据丢失率，且数据不易被篡改，每个节点都会存储一份信息，其他节点不能对该节点的数据进行增加、删除或修改。区块链技术能够被广泛应用到溯源系统中，也归结于其信息传输快与拓展性强的能力，能够与各行各业的需求灵活结合，构建不同的应用场景。

区块链的基本存储单位是区块，各区块一般由区块头与区块体构成，为防止资源浪费和DOS攻击，其大小一般控制在1M以内。区块头中是该区块的元数据，比如区块的版本号、时间戳、上一个区块的哈希值等，其中Merkle树根节点是最重要的内容，可以保护区块中的交易数据免受篡改或删除。每个区块都包括上一个区块的哈希值，若有一个信息出现变化，此后的每个区块的哈希值都会出现相应的变化，所以在区块链中私自修改某一个环节的数据几乎是不可能的。区块体包含该区块中的交易信息，主要有交易信息与数字签名，数字签字一般需要交易付款人用私钥对交易进行签名。基本结构如图2所示。

区块链一般分为公共链、私有链与联盟链[7]。不同类型区块链的适用范围也不同，公共链适用于访问量不大、数据处理速度要求不高的系统，用户可以随时读取系统信息；私有链适用于企业内部进行数据存储、访问与管理，一般只有拥有权限的企业内部工作人员才能访问，不具有开放性；目前溯源系统主要使用联盟链来构建，具有权限的上下游企业可以进行系统管理，具有区块链去中心化的特点。

1.3 区块链技术解决猪肉冷链物流溯源问题的优势

传统的猪肉溯源系统存在数据真实性缺乏监管、企业协同难以实现、隐私数据安全性低等一系列问题，且只能运用于生猪企业内部，无法形成上下游企业协同实施的环境。此类系统一般采用中心化管理策略，企业内部可以轻易修改各类数据，企业之间的终端用户彼此隔离，无法获取全面、可靠且能公开透明的产品信息，导致发生食品安全事故时，无法第一时间追溯到导致问题的环节，尽快找到解决方案。而区块链技术应用的去中心化、数据不可篡改、公开透明等特点，刚好弥补了传统生猪溯源系统存在的不足。

2 基于区块链的宁乡花猪冷链物流溯源方案设计

2.1 溯源体系模型设计

2.1.1 平台选择

联盟链典型的代表有Linux基金会支持的超级账本（Hyperledger）项目、R3区块链联盟开发的Corda，以及趣链科技推出的Hyperchain平台等。其中，Hyperledger Fabric是一个具备创建多通道能力的区块链框架，能为不同溯源主体设置不同权限提供便利，且能利用跨链技术实现各条主条链之间的数据共享，有效解决网络速率、隐私保护、权限共享、可信溯源等功能需求[7]。本文所研究的宁乡花猪肉冷链物流溯源系统就采用Hyperledger Fabric作为区块链开发平台。

2.1.2 设计思路

猪肉全产业链包括生猪的出生、生长、饲养、屠宰、批发、分割、物流、零售等多个关键环节，涉及的生产单位有猪场、物流公司、屠宰场、批发商、门店、超市等。宁乡花猪肉冷链物流溯源主要包括六个交易主体，分别为养殖方、屠宰加工方、物流公司、销售单位、消费者以及监管机构，每个交易主体都是区块链网络的不同节点。通过分析关键环节的不同生产单位，拆解猪肉冷链物流结构，可以将流程分为养殖、加工、检测、运输、交易这5个环节，养殖发生于养猪过程，加工发生于屠宰与处理过程，检测发生于独立主体上传数据、不同主体间的数据对接和冷链物流过程，运输环节全程属于冷链物流，交易则发生于养殖方与加工方、加工方与配送方、配送方与商超等交易主体之间。在基于区块链的宁乡花猪肉冷链物流溯源系统中，考虑到传统单链溯源系统存在存储负荷重、并行能力弱等缺点[7]，结合“宁乡花猪肉”供应链业务流程，设计多链并存结构。如图3所示。

第一步：养殖场数据采集。该环节可以确保从生猪出生到成长过程中的所有数据都得到完整、准确的记录，并能够实时上传到系统。这些数据包括唯一标识符、饲养记录、健康状况、生长曲线、环境数据等。每头猪出生时都会被分配一个唯一的标识符，例如电子标签或耳标。该标识符将伴随这头猪的一生，用于在区块链上标识并追踪其所有相关信息。饲养员会定期记录每头猪的饲养情况，包括饲料种类、投喂量、投喂时间等。这些数据可以通过手持设备或自动化系统实时上传至养殖链。猪的健康状况是关注的重点，因此会对其进行定期体检，并记录其体温、体重、疫苗接种情况等信息。若猪出现疾病或异常情况，会立即记录并采取相应的治疗措施。为了解猪的生长情况，需要定期测量猪的体重、体长等数据，并绘制生长曲线，这些数据有助于饲养员判断猪的生长速度和健康状况。养殖场内会安装传感器来监测环境数据，如温度、湿度、氨气浓度等。这些数据能够反映猪的生活环境是否适宜，并实时上传到系统以供分析。养殖场采集的所有数据都会通过智能合约上传到系统。智能合约能够确保数据的真实性和不可篡改性，因为一旦数据被上传至区块链[8]，就无法被修改或删除了。

第二步：屠宰加工处理。这个环节主要记录屠宰、处理、分割等加工过程的信息，包括屠宰时间、加工人员、处理工艺等。屠宰场和加工厂作为节点，可将加工过程中的关键数据上传到系统。

第三步：猪肉质量检测。这个环节采集的数据主要分为疫病检疫、药物残留、瘦肉精等添加剂与环境污染物等四类检测数据，其中疫病检疫检验数据是对生猪进行疫病检疫，记录检疫结果、检疫时间、检疫人员等信息，确保进入加工环节的生猪无疫病问题；药物残留检测数据是对猪肉进行药物残留检测，并记录检测结果、检测时间、检测方法等信息，确保猪肉中无超标药物残留；瘦肉精等添加剂检测数据是对猪肉进行瘦肉精等添加剂的检测，确保猪肉的质量和安全符合相关标准；环境污染物检测数据是对加工环境进行污染物检测，如重金属、微生物等，确保加工环境符合卫生标准。

第四步：冷链物流运输。这个环节记录了猪肉从养殖场到加工厂、再到销售点的冷链物流运输信息，包括运输时间、温度记录、车辆信息等。物流公司或运输车辆作为节点，会实时上传运输过程中的数据。为确保运输过程安全且卫生，物流公司还会定期对运输车辆进行清洗和消毒，并对运输人员进行培训和监督。这些措施旨在减少潜在污染源，确保猪肉在运输过程中的质量和安全。

第五步：猪肉上市交易。这个环节记录了各交易主体之间的交易信息，如价格、数量、交易时间等。系统将各交易主体（养殖方、加工方、物流公司、销售单位等）连接在一起，形成一个完整的交易网络。通过智能合约，可以自动执行交易并确保交易的公平性和安全性。

2.2 基于区块链的溯源平台系统设计

在区块链六层架构的基础上，结合宁乡花猪冷链物流过程，将基于区块链的宁乡花猪冷链物流溯源系统设计为八层，根据功能差异将其分为数据感知层、数据预处理层、网络传输层、区块链存储层、智能合约层、应用服务层、监管审计层与交互展示层。

数据感知层：负责实时感知并采集宁乡花猪冷链物流各环节的数据，包括温度、湿度、位置等关键信息，可以利用物联网设备、传感器和RFID等技术手段，实现数据的自动化采集和传输。主要通过物联网（IoT）技术实现，包括传感器、RFID标签等，实时采集冷链物流过程中的各种数据，如温度、湿度等。利用边缘计算或云计算技术，对采集到的数据进行初步处理和分析。

数据预处理层：对采集到的原始数据进行清洗、格式化和初步验证，确保数据的准确性和一致性。使用大数据分析和机器学习算法，对原始数据进行清洗、整合和格式化。通过对数据进行挖掘和分析，提取冷链物流过程中的关键信息和模式。

网络传输层：负责在区块链网络各节点间进行数据传输，确保数据的实时性和可靠性。采用点对点（P2P）的网络结构，确保数据在节点间的安全传输。利用加密技术（如AES、RSA等）保护数据的机密性和完整性。通过共识机制（如工作量证明、权益证明等）确保数据的一致性和不可篡改性。

区块链存储层：用区块链技术的分布式账本特性，将经过预处理的数据以区块的形式加以存储。每个区块都包含了宁乡花猪冷链物流的详细信息，如运输时间、温度记录、车辆信息等，并能通过哈希值和链式结构确保数据的完整性和可追溯性。

智能合约层：封装业务逻辑和规则，实现数据的自动化处理、分析以及溯源查询等功能。使用Solidity等智能合约编程语言编写规则和条件。智能合约在区块链上自动执行，无需第三方干预。通过事件触发机制，可以实现对冷链物流过程的自动化管理和监控。

应用服务层：根据用户需求，提供多样化的应用服务，如溯源查询、数据分析、预警系统等。通过开发Web端或移动应用等方式，为用户提供友好的交互界面和操作体验，方便用户查询宁乡花猪的溯源信息、了解产品的生长和运输过程等。

监管与审计层：负责系统的监管与审计，确保系统的合规性和安全性。建立监管机制，对系统运行情况进行实时监控和审计；同时，与政府部门和监管机构合作，确保系统符合相关法律法规的要求。设计专门的监管接口，供政府部门实时查看冷链物流数据。利用区块链的透明性和不可篡改性，为审计机构提供可靠的审计依据。通过数据分析工具，对冷链物流过程进行合规性评估和风险评估。

交互展示层：通过图表、动画等形式，直观展示宁乡花猪的冷链物流过程和相关信息。提供个性化设置和定制化服务，满足不同用户的需求，提升用户的使用体验和满意度。

通过这样的八层结构设计，可以使基于区块链的宁乡花猪冷链物流溯源系统更加完善、高效和安全。其每层都有明确的职责和功能，可以实现数据的采集、处理、存储、查询、分析和监管等全流程管理，为食品安全和冷链物流领域的发展提供有力支持。

3 结 论

本研究成功设计并实施了基于区块链的宁乡花猪肉冷链物流溯源系统，该系统有效整合了数据感知、预处理、网络传输、区块链存储、智能合约、应用服务、监管与审计以及交互展示等八层架构，实现了对宁乡花猪肉冷链物流全过程的透明化管理和监控。通过采用区块链技术的分布式账本、加密技术和共识机制，确保了冷链物流数据的完整性、安全性和不可篡改性[9]，数据在传输和存储过程中得到了有效保护，提高了数据的可信度和可靠性。基于区块链的溯源系统实现了对宁乡花猪肉从养殖到销售的全过程溯源，消费者可以通过系统查询产品的详细信息，包括运输记录、温度曲线、质量检测报告等，不仅可以提升消费者对产品的信任度，也为政府监管部门提供了有效的监管手段。通过智能合约的自动执行和事件触发机制，实现了对冷链物流过程的自动化管理和监控。系统能够实时检测冷链物流环境，并在出现异常情况时及时发出警报，提高冷链物流管理的智能化水平。

综上所述，基于区块链的宁乡花猪肉冷链物流溯源系统研究不仅提高了冷链物流管理的效率和可靠性，也为消费者提供了更加透明可信的产品信息。未来，该系统有望得到进一步推广和应用，为农产品冷链物流溯源领域的发展做出更大的贡献。

参考文献：

[1] 湖南省人民政府．湖南大力推进质量强省战略 316个地理标志带动产业产值逾千亿元[EB/OL]. （2023-05-06）[2024-02-23]. https：//www.hunan.gov.cn/hnszf/hnyw/zwdt/202305/t20230506_29330154.html.

[2] 湖南省人民政府．湖南新增10个农产品地理标志 总数达到126个[EB/OL]. （2021-06-16）[2024-02-23]. https：//hunan. gov.cn/hnszf/hnyw/sy/hnyw1/202106/t20210616_19518961.html.

[3] 刘浩波，辛丽萍．农产品区域品牌形成的障碍因素分析及对策探讨——以宁乡土花猪品牌建设为例[J]．经济研究导刊， 2010（13）：105-106.

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