基于區塊鏈的生鮮食品移動追溯平臺框架重構

趙 磊，畢新華，趙安妮

（吉林大學管理學院，吉林 長春 130025）

食品可追溯體系是一種以風險管理為基礎的安全保障體系，核心問題是要解決食品生產消費日益分離與消除信息不對稱之間的矛盾[1]。在政府財政支持下，我國食品可追溯體系建設經歷了分段管理、全產業鏈管理兩個階段，相關制度和體系建設初見成效[2]。然而應用于松散而時間敏感的生鮮食品供應鏈時，政府主導的追溯體系固有矛盾逐步暴露：公信力問題，缺乏完整可靠的食品質量安全信息鏈，個別企業的短視認知偏差[3]使已建成的追溯體系公信力大打折扣；監管困境，食品企業違規被發現概率低，監管滯后，僅靠政府的嚴格規制難以產生規制的預期效果[4]；擴展性問題，追溯體系組網標準不統一，處于移動狀態的追溯單元跟蹤操作復雜，導致追溯信息傳遞效率低[5]。在產業轉型升級、反補貼貿易摩擦加劇[6]的新形勢下，傳統追溯體系既要實現追溯信息互聯互通，又要破解追溯成本支付難題。區塊鏈和5G網絡為解決上述矛盾和難題提供了一個新的契機。區塊鏈是數字加密貨幣體系比特幣的底層核心技術，應用區塊鏈可打造不可篡改的信息鏈[7-9]。5G網絡是面向下一代的移動通信技術，支持海量的傳感器接入，可提供標準的動態化組網基礎[10-11]。

區塊鏈和5G網絡在食品安全追溯方面的應用研究剛起步。在實踐方面，2016年9月，沃爾瑪、清華大學和IBM公司聯合展開運用區塊鏈進行食品追溯的科研項目，在美國以芒果為試點，在國內以豬肉為試點[12]。2017年12月，中國首個安全食品區塊鏈溯源聯盟成立，其旨在通過區塊鏈技術進一步加強食品追蹤、可追溯性和安全性的合作[13]。實踐結果表明技術上具有可行性，但大范圍應用仍受到追溯信息質量、主體參與意愿和技術開發成本等束縛[14]。在理論方面，Pearson[15]、孫志國[16]等認為食品安全溯源體系引入區塊鏈能夠解決食品安全領域的信任難題，但提升信息質量還依賴于物聯網和傳感器的進一步應用。Alfian[17]、Tian Feng[18-19]、Lin Qijun[20]等提出整合射頻識別技術、無線傳感器網絡和區塊鏈技術可以實時生成食品追溯電子履歷。Thakur[21]、肖新清[22]等提出冷鏈物流品質感知的物聯網數據采集與建模方法。Mao Dianhui等[23-24]提出基于區塊鏈的交易信譽評估方法，以規避多主體帶來的食品安全風險。丁慶洋[25]、劉敖迪[26]等認為區塊鏈視角下追溯防偽體系的用信息保護問題依然嚴峻。李明佳等[27]從頂層架構出發將區塊鏈植入食品溯源體系，在區塊鏈去中心化程度、共識機制等方面進行改進以克服公有鏈的缺點。汪傳雷[28]、楊慧琴[29]等提出一種區塊鏈架構將供應聯盟、金融機構及政府監管機構連接在一起，但仍面臨主體多、開發成本大等難題。綜上發現，學者們較多從技術視角進行了前瞻性剖析，對改良現有的追溯體系進行了有益探索，然而未能從根本上化解傳統追溯體系的固有矛盾和成本支付難題。

為此，在考察吉林省動物源性生鮮食品追溯項目的基礎上，本文從信息生態視角分析追溯平臺的多主體用需求，進行功能設計和信息鏈流程再造，并結合區塊鏈原理給出一種理論框架模型。以多主體用需求為導向地追溯信息生態重構，有利于從根本上解決傳統追溯體系的固有矛盾和成本支付難題，對我國追溯服務產業市場化轉型和財政補貼政策有序退出具有一定的指導意義。本文將基于區塊鏈的生鮮食品移動追溯平臺定義為：以生鮮食品供應鏈內外部參與主體追溯信息需求為驅動，通過移動網絡實時獲取追溯數據，利用區塊鏈存儲、調用、挖掘和共享追溯信息資源，向平臺用提供基礎服務和增值服務的跨組織追溯信息系統。

1 功能設計

生鮮食品追溯體系參與主體眾多，需求具有差異化，追溯平臺功能需求識別既要保證完整性又要降低復雜性。按業務關系可劃分為供應鏈內部主體和外部主體，內部主體包括生鮮電商、冷鏈物流企業、零售商、批發商、加工企業和農等，外部主體包括消費者、政府、行業協會、消費者協會、認證機構、金融保險機構、平臺運營商和網絡服務商等。參與主體的拓展，導致傳統的追溯體系功能完整性降低，設計復雜性提高。根據信息生態理論，共享多關鍵點型信息生態鏈包括5 類信息人角色（即對應表1中羅馬數字）[30]，共生關系下任一信息生態位的功能需求都不能偏廢[31]。為了保證信息生態位的完整性，首先按信息人角色將上述參與主體劃分為：I信息生產者、II信息傳遞者、III信息轉化者、IV信息消費者、V信息組織者。為了降低設計的復雜性，再按信息生態位集中識別信息流通過程中的能力和功能需求：追溯信息生產者的信息生態位最低，占有較多的原始信息資源，信息控制能力強但增值能力弱，功能需求偏重責任界定、隱保護、風險補償和大數據服務；追溯信息傳遞者的信息生態位較低，負責建立傳遞渠道和防止信息污染，具備信息質量保障能力，功能需求偏重動態接入、用管理和流量計費；追溯信息轉化者的信息生態位居中，是數據整理、存儲和加工的關鍵角色，具備信息分解和增值能力，功能需求偏重風險補償、大數據服務和流量計費，同時要支持其他信息人的功能需求；追溯信息消費者的信息生態位較高，占有較多的個性化信息資源，信息應用能力強但鑒別能力弱，對追溯平臺的功能需求偏好追溯查詢、外部監管、風險補償和大數據服務；追溯信息組織者的信息生態位最高，負責制定追溯標準，具備信息導向和信息質量評價能力，功能需求偏重責任界定、外部監管和用管理。最后按信息在流通過程中是否增值，將追溯平臺的功能劃分為基礎服務和增值服務（表1），其中動態接入、用管理和隱保護是基礎服務中的必備功能，大數據服務是增值服務中的必備功能。基礎服務：向用提供從生產源頭到消費終端的食品安全追溯信息，保障信息鏈的完整可靠。相比傳統的追溯平臺，生鮮食品移動追溯平臺需向消費者提供層次化的食品安全信息即時查詢服務。加工企業和農是食品安全輸入性質量風險責任主體，零售商、批發商、生鮮電商、冷鏈物流企業是食品安全過程性質量風險責任主體，明確的責任劃分可以創造責任激勵。消費者對生鮮食品的信任品質量風險缺乏判斷能力，需要政府、行業協會或消費者協會制定相關標準或委托第三方檢測認證以保障消費者的利益，監管機構需要即時掌握風險產品的源頭、流向和存量信息，及時向社會預或采取應對措施，故追溯平臺需具備實時外部監管功能。生鮮食品供應鏈是松散、開放式的，用節點實時動態接入追溯平臺有利于消除追溯數據造假空間。追溯平臺還需具備上述5 類用的身份管理功能和隱保護功能，以支持監管機構對用行為進行管理，促進追溯信息共享。

表 1 生鮮食品移動追溯平臺功能Table 1 Functional design of mobile traceability information system for fresh foods

2 追溯信息鏈流程再造

為了應對新功能需求帶來的挑戰，系統在業務流程上需要突破組織邊界對內部追溯信息共享的限制，防止追溯信息鏈在商品交易環節出現斷裂。在分段管理階段，由于缺乏全局觀念和共享意識，企業各自建設相互封閉的追溯系統，在商品交易環節電子記錄與手工記錄并存，形成了信息共享壁壘；在全產業鏈管理階段，通過網絡和數據平臺集合各個企業的追溯數據，受追溯精度和深度限制，企業在轉換信息形式時，信息的時效性、有效性和完整性難以保證，追溯信息在商品交易環節批量轉換時不連續，導致滋生數據造假行為。本文將交易雙方各自記錄的收發環節，合并為一個共享的可追溯單元，提出了一種新的追溯信息鏈流程架構。動物源性生鮮食品從養殖到消費所涉及的追溯鏈流程更長、更復雜[33]，故以豬肉為例闡述這種新流程架構（圖1）。

追溯環節：為了確定責任邊界，將追溯鏈從產品誕生到消費的流通過程劃分為生產、加工、流通、消費四大環節，對應的責任主體分別是農，加工企業，批發商、零售商、電商平臺和冷鏈物流企業，消費者。

可追溯單元：按追溯事項發生的時間順序連接追溯環節中的各個操作工序，進行數據采集，該操作工序即為可追溯單元。當某一追溯單元的豬肉產品出現分割時，輸出的子產品包含有父產品的追溯數據，即由一條追溯鏈分叉為多條鏈。當某一追溯單元的豬肉產品出現合并時，輸出的父產品包含所有子產品的追溯數據，即由多條鏈合并為一條鏈。當可追溯單元的豬肉產品出現交叉分割與合并時，形成了追溯鏈的網絡式結構，進入消費環節的任一豬肉產品都可以在追溯網絡中找到唯一一條從育種到售后的跨組織追溯鏈與之對應。豬肉產品的跨組織追溯鏈包括育種、生長育肥、檢疫和出欄等16 個基本的可追溯單元，其中農的生豬出欄與加工企業的收購、加工企業成品肉出廠與批發商的集中收購、批發商的配送與零售商的進貨、零售商的分割肉出售與消費者訂購是同一交易信息，分別合并為一個共享的可追溯單元。其追溯數據采集建立在最小交易單位基礎上，追溯精度和深度的提升引起的追溯成本由平臺的風險補償功能來彌補，數據采集密度的提升由平臺的動態接入功能來完成。追溯數據隨實物同步流動，前一工序的輸出即是下一工序的輸入，且對交易雙方是透明的，任何一方篡改數據會被對方發現，保障了追溯信息的連續性，從而突破組織邊界對內部追溯信息共享的限制。

圖 1 生鮮食品追溯信息鏈流程Fig. 1 Processes of traceability information chain for fresh foods

追溯信息鏈：追溯信息鏈是與可追溯單元平行的按時間順序記錄追溯事項并對追溯數據進行加工的流程。按追溯數據的加工順序劃分為加密驗證、數據寫入和數據調用3 個子模塊，從而形成一個完整的、實時的、可共享的追溯信息鏈。加密驗證：可追溯單元的寫入節點將追溯數據用鑰加密后，發送給其他節點驗證，驗證通過后才可以將追溯數據同步到產品區塊鏈上。數據寫入：自產品誕生的可追溯單元起，每頭豬仔的身份信息由育種農提出申請，經認證機構核實后，生成與豬仔一一對應的產品身份字段，與育種農的公鑰一起寫入該產品的創世區塊。再將產品身份字段和創世區塊摘要寫入每頭豬仔的標簽，如可加密的近場通信（near field communication，NFC）標簽，從而建立起每頭豬仔與產品區塊鏈的一一對應關系。育種農使用帶讀寫功能的智能移動終端在NFC標簽上追加寫入飼料、病害、檢疫、運輸等信息，數據同步終端自動采集當前的時間和位置坐標，通過5G網絡與對應的產品區塊鏈通信以上傳新增內容。當豬仔交易給養殖農時，育種農須將養殖農的公鑰寫入豬仔標簽，用育種農的鑰簽名確認，然后同步到產品區塊鏈上，代表著產品權屬和數據寫入權轉移。每當產品移交到下一追溯單元時，產品標簽也同步做產品權屬和數據寫入權限轉移，再由下一追溯單元在產品標簽上寫入該單元的追溯數據，并自動同步到產品區塊鏈的下一區塊，直到該產品消費者的公鑰寫入產品消費區塊，從而保證每一頭生豬從育種到售后都有完整的追溯信息。即便產品被消費掉，其對應的追溯數據將被永久保留在該產品區塊鏈上，具有不可抵賴性，從而降低了責任主體提供虛假追溯數據的風險。數據調用：智能合約根據創世區塊所列的摘要信息，以及后續區塊所寫入的產品特點、生產環境、加工工藝和運輸方式，以及消費者個性化需求等因素，自動按照國家或行業標準選取相應的追溯要素和對應的追溯指標，與責任主體寫入的追溯數據進行對比分析，做出預與響應。根據用管理授權和隱保護設置，智能合約可調取用身份信息和對應的追溯數據，以支持追溯查詢、責任界定、外部監管等基礎服務，通過跨鏈接口與智能合約互動，進一步挖掘追溯信息用于各項增值服務。

3 整體框架設計

3.1 設計目標

1）將單個產品作為自身追溯數據的最底層載體，并實時上傳追溯數據生成該產品的電子履歷。產品見證了從生產源頭到消費終端過程完整性，實時上傳數據能夠規避造假空間。

2）將組織內部可追溯單元數據采集點變成數據寫入點，供應鏈責任主體只需寫入追溯數據而不必保留記錄。既節省組織內部追溯系統的建設與維護成本，又能解決追溯平臺的可擴展性問題，任意節點的故障或變更不影響追溯平臺的整體運行。

4）通過智能合約實現追溯數據的復雜調用與追溯信息的實時共享，進一步挖掘追溯信息價值，滿足追溯平臺的功能需求。

3.2 框架模型與實現

圖 2 基于區塊鏈的移動追溯平臺框架模型Fig. 2 Framework of mobile traceability information system for fresh foods

圖 3 追溯數據存儲單元結構Fig. 3 Data storage structure of traceability information system

合約層的實現：合約層提供智能合約與產品綁定服務，負責將智能合約部署在交易鏈上。該層包括初始化服務、部署服務、調用服務、查詢服務和托管服務5 個模塊。為了方便用調用追溯智能合約，避免安全漏洞，使合約具有法律效力，初始化服務模塊提供由監管認證節點驗證通過的合約代碼模板，存儲在認證中心層的服務器上，供全節點層查詢和引用。部署服務模塊根據全節點的合約寫入請求，查詢對應的合約代碼模板，生成合約，反饋給請求節點，合約經共識后寫入該產品的交易區塊。調用服務模塊是當產品交易狀態更新時，寫入交易區塊前自動執行打包在一起的智能合約，并將執行的結果保存到產品賬塊中。查詢服務模塊是根據全節點的請求或跨鏈接口的查詢請求，將智能合約的當前執行狀態反饋給請求節點。托管服務是全節點將智能合約大量的計算任務委托給監管節點服務器，全節點只需驗證合約執行結果即可，以加快智能合約部署和執行速度。

接口層的實現：接口層是外部應用與追溯平臺的數據交換層，包括用授權接口和追溯信息共享接口。用可通過電腦客端或手機APP訪問云服務器端代理，云服務器端代理再與追溯平臺核心區塊鏈進行交互，輸入數據或返回查詢結果。

4 結 語

為了化解傳統追溯體系的固有矛盾和成本支付難題，本文從信息生態角度分析了生鮮食品移動追溯平臺的基礎服務和增值服務功能，進行追溯信息鏈流程再造，并結合區塊鏈原理給出了一種理論框架模型。1）在功能設計上提出了追溯參與主體的風險補償方，對組織共享內部追溯信息起到正向激勵作用。2）在流程設計上將交易雙方的收發環節合并為一個共享的可追溯單元，突破了企業組織邊界的限制。3）在實現方上，使用產品標簽作為最底層的追溯數據載體，通過備份標簽實時生成產品電子履歷，構建出完整的產品賬鏈和交易鏈；將組織內部可追溯單元數據采集點變成數據寫入點，采用移動自組網模式支持輕節點的動態實時接入，節省了組織內部追溯信息系統的建設與維護成本；通過智能合約實現追溯數據的復雜調用與追溯信息的實時共享，采用產品權屬和追溯數據寫入權限同步轉移的方式界定追溯責任；借助跨鏈接口與智能合約互動，進一步挖掘追溯信息價值，向平臺用提供增值服務。新平臺在政府前期投入的基礎上，著重發揮風險補償功能，通過建設追溯公共品牌和挖掘追溯數據資源價值獲取額外收益，彌補參與主體后期追溯成本投入。政府監管機構向信息組織者角色轉變后，補貼政策可逐步退出，增值服務功能可避免追溯平臺被參與主體棄用。持續的追溯成本投入能夠在追溯平臺運營商之間對用數據資源的爭奪中搶占先機，進一步提升增值服務能力和平臺運營商的盈利能力，從而吸引社會資本投資和拓展國內市場，最終實現追溯產業的市場化轉型。總之，通過重構追溯信息生態體系，本研究為解決傳統追溯體系所面臨的公信力、監管困境和擴展性問題，化解追溯成本支付難題提供了新思路，對我國追溯服務產業市場化轉型和財政補貼政策有序退出具有一定的指導意義。在具體實施過程中，盡管已積累大量的原始追溯數據，但向多主體提供追溯大數據服務，還需界定追溯數據產權關系和開發個性化推薦算法，這也是我們后續努力的方向。