基于區塊鏈技術的垃圾逆向供應鏈信息平臺構建

孫冬石，郭 笛 （大連東軟信息學院，遼寧 大連116023）

0 引 言

目前，國內的垃圾分類運動開展得如火如荼，通過垃圾分類管理，從源頭上保證對垃圾產生的污染進行限制，改善居民生活環境質量。垃圾分類的另一個作用是減少垃圾處置量，為垃圾的處理和再利用提供便利條件。但在實踐中，垃圾分類后的后續工作還有較大的提升空間，現有的垃圾處理方式以焚燒和掩埋為主，大量可再利用資源被浪費。

針對該問題，比較理想的解決方案是構建垃圾分類驅動的廢棄品逆向供應鏈（以下簡稱垃圾逆向供應鏈），源頭減量、資源化利用、無害化處理并舉，實現前端分類、中間轉運和終端處理環節的聯動才可以在根源上形成垃圾處理的良性循環[1]。

構建垃圾逆向供應鏈的構建步驟如圖1 所示。由于垃圾逆向供應鏈的公益屬性，所以設計有效的激勵機制，使供應鏈的運作由垃圾分類驅動，又能被市場需求拉動，是供應鏈構建的重點和難點。另外，垃圾分類的多樣性使加工處理階段的業務流程可能非常復雜，需要供應鏈成員之間的高效協同，并積極進行綠色技術創新和應用[2]。

圖1 垃圾逆向供應鏈構建流程

但目前，垃圾逆向供應鏈的成員之間存在著“信息孤島”現象。首先，沒有有效的信息交流途徑，受垃圾處理加工的復雜性影響，垃圾逆向供應鏈層次復雜，終端的市場需求如不能有效的傳遞，供應鏈上會出現嚴重的“牛鞭效應”。其次，逆向過程可追溯性差。隨著在垃圾逆向供應鏈上各個層級之間的流轉，垃圾的形態功能改變可能很大，如果對供應鏈中間各層垃圾處理商和粗精加工商的生產標準和加工流程不了解，末端的生產企業無法信任從逆向供應鏈中獲得的生產原材料，消費者也可能對產品的質量擔憂。可追溯性差會導致信任缺乏，使生產企業失去參與垃圾逆向供應鏈運營的動力[3]。最后，垃圾逆向供應鏈中每個環節都有自己的管理信息系統，但卻缺乏統一的數據交換標準，在產品交接上將出現阻礙，深層次的技術共享、聯合研發合作上更是困難重重。

實踐經驗證明，搭建一個供應鏈信息平臺是有效的解決方式[4]，但垃圾逆向供應鏈的復雜性，使平臺需要耗費巨大的成本，而垃圾處理的公益性又使供應鏈各環節都缺乏投資意愿，完全由政府主導又無法保證市場機制的有效運作，這也是阻礙垃圾逆向供應鏈發展的瓶頸因素之一。本文利用區塊鏈技術，探討構建新型供應鏈信息平臺的可行性和方法，為垃圾逆向供應鏈協調提供解決方案。

1 文獻研究

區塊鏈技術在近幾年得到了迅猛的發展[5]，我國在2019年發布了《區塊鏈信息服務管理規定》，并將區塊鏈列入戰略性前沿技術超前布局，要求加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。區塊鏈作為共享數據庫，存儲于其中的數據或信息，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征。基于這些特征，區塊鏈技術奠定了堅實的信任基礎，創造了可靠的合作機制，具有廣闊的運用前景。

區塊鏈在供應鏈領域已經有很多的研究成果。企業層面，沃爾瑪、中興云鏈、京東、中糧我買網應用區塊鏈在供應鏈產品溯源方面進行了實踐，并取得了很好的效果。在學術研究層面，Kshetri[6]通過11 個案例探究區塊鏈如何在不同階段實現供應鏈管理的關鍵目標，如成本、質量、可靠性、風險降低和可持續性；Hackius 和Petersen 在線調查物流專家，據此介紹區塊鏈在物流和供應鏈管理中的應用示范、阻力、推動因素和前景等；Kinra 等以農產品供應鏈為例，研究何種類型的供應鏈更能從區塊鏈中受益；Abeyratne 和Monfared[7]利用區塊鏈技術構建了制造業供應鏈管理的概念模型，保障了信息的透明性和可溯源性，降低了供應鏈管理成本和運營風險，并基于紙盒供應鏈管理場景闡述區塊鏈各節點權限和作用。

朱建明、付永貴[8]證明了區塊鏈與供應鏈的結合可以借助信息系統集成實現，通過數字供應鏈、供應鏈多中心協同認證和智能合約等促進多方的商務合作；曾小青等[9]認為將區塊鏈技術和無線射頻RFID 技術、物聯網技術等新技術融合使用，能夠實現農產品冷鏈、醫藥冷鏈的實時監控和安全溯源；汪傳雷等[10]構建了以區塊鏈為基礎的供應鏈物流信息生態圈，認為區塊鏈的去中心化特征可以使供應鏈中每個節點平等地進行信息的交換和儲存工作，共識機制可以有效消除獲取供應鏈信息的機會成本，基于區塊鏈的智能合約記錄并監督供應鏈的業務實施，并能夠有效追溯產品運輸的各類問題。

綜上，區塊鏈可以有效解決供應鏈運營中的問題，能夠創建一個開放標準，成本低且易于采用，可以減少供應鏈結構復雜性，推動供應鏈重組與模式創新。與此同時，也應該看到區塊鏈的應用會導致供應鏈上核心企業控制捆綁、供應鏈隔離和隱私安全等問題，且目前區塊鏈在供應鏈上的應用也主要集中于農業及食品行業、醫藥行業和國際貿易領域上，在電子廢舊商品的回收物流中有少量涉及，在全品類垃圾逆向供應鏈中還存在理論空白。但學者們的理論研究成果已經證明了區塊鏈的優勢對解決垃圾逆向供應鏈的痛點具有高度耦合性。如何揚長避短，在區塊鏈視角下進行垃圾分類驅動的逆向供應鏈的構建與協調，是本文的研究目標。

2 基于區塊鏈的垃圾逆向供應鏈信息平臺構建

2.1 平臺主體接入

要實現平臺信息共享、數據可追溯、有效激勵等功能，平臺需要以下四類主體的接入。且由于平臺接入的企業和機構數量龐大，為保證數據處理的高效，需要對各主體上鏈的信息進行篩選。

（1） 供應鏈運營主體

該主體包括垃圾逆向供應鏈的各級機構和企業。按照廢棄品的處理流程梳理，包括：垃圾分類機構、駁運企業、廢棄品處理機構（主要進行焚燒與掩埋等業務）、廢棄品加工企業（包含預處理、粗加工、精加工等企業）、資源再利用企業（利用廢棄品加工后的產品作為原材料的企業，其產品與市場對接）。

第一，垃圾分類機構。垃圾分類機構是垃圾逆向供應鏈的前端起點，其上鏈的信息關系到信息平臺全域的有效性。其必須上鏈的信息包括：各類型垃圾的數量和狀態信息、處理情況信息、暫存地信息、與駁運企業的交接信息。

第二，駁運企業。目前垃圾逆向供應鏈中的一個主要問題是，垃圾的精細化和駁運的粗糙之間的矛盾。所以駁運企業要上鏈的信息包括：與垃圾分類機構交接信息、與垃圾處理和加工企業交接信息、車輛信息、運輸狀態、駁運起止時間。

第三，廢棄品處理機構。處理機構是廢棄品的處理流程終點之一，直接關系到生態保護效果。上鏈的信息既要有助于政府進行環保監督，又要與其他主體對接，使綠色技術可以提升廢棄品轉化率，應包括：與駁運交接信息、處理數量、處理方法、殘余物處理、污染物排放信息。

第四，廢棄品加工企業。各級加工企業是廢棄品循環轉化的直接機構，關系到廢棄品轉入再利用渠道的比例。上鏈信息涉及到最終產品的質量，是垃圾供應鏈參與市場機制的基礎，應包括：與駁運企業交接信息、業務流程上下游企業的交接信息、產品的數量質量信息、銷售信息、庫存管理信息、生產加工記錄、產品質量檢測證明、待研發技術信息。

第五，資源再利用企業。產品直接進入市場，與消費者直接接觸，經營情況是供應鏈良性發展的基礎。上鏈信息應對產品的質量進行保障，同時公開利潤，便于供應鏈契約的設計，應包括：與加工企業交接信息、生產信息、出入庫記錄、質量證明、銷售信息、產品存儲要求、消費者評價、政府征信記錄。

（2） 政府部門

政府部門的主要作用有兩點：一是進行質量監管，由于垃圾逆向供應鏈終端產品的原材料來源是廢棄品，供應鏈上的企業以次充好或產品不完全達標的門檻極低，政府部門必須參與監管；二是垃圾供應鏈前端的垃圾處理業務公益屬性比例大，要保證供應鏈各環節協同，有蓬勃的生命力，政府部分必須參與激勵機制的設計。上鏈信息要體現上述兩方面的內容，應包括：監管審批流程結果信息、激勵政策發布、投訴渠道、相關公報、獎懲通告。

（3） 科研機構

科研機構的作用是對垃圾逆向供應鏈上的關鍵技術進行研發，與企業構建產學研一體化合作聯盟，其上鏈信息主要保證研發合作信息共享，應包括：合作企業信息、合作協議信息、技術研發進度信息、技術應用反饋。

（4） 中介機構

中介機構對垃圾逆向供應鏈的作用是提供第三方質量檢測和信用評估機構，其上鏈信息應包括：檢測報告、信用評價信息、企業經營情況、消費者評價。

2.2 區塊鏈類型選擇

信息平臺上需要根據各主體的連接關系和供應鏈特點選擇不同的區塊鏈[12]。區塊鏈的類型分為：封閉私有鏈、半公開私有鏈和公開鏈。其中，封閉私有鏈準入門檻最高，且必須有核心機構進行主導，節點的權限不平等，區塊鏈上的識別、記賬、信息共享等嚴格控制，通常是實體連接的主體內部或之間進行使用。而公開鏈是去中心化的區塊鏈，任何人都可以加入節點，需要一定的激勵機制才可保證運營，且信息交互速度較低。半公開私有鏈的特征介于封閉私有鏈和公開鏈之間。三種類型的區塊鏈各有使用環境，根據垃圾逆向供應鏈的特點和主體的責任界定，本文構建的信息平臺采用三種區塊鏈聯合使用的模式。

封閉私有鏈需要作為信息平臺的基礎數據來源。垃圾逆向供應鏈上的企業內部的基礎數據識別、記賬涉及到企業的機密和隱私。信息平臺的主要功能是信息溯源、質量監督和技術共享，對于企業運營層面的信息不需要其他主體共享，所以，企業內部的區塊鏈采用封閉私有鏈，便于內部控制。

企業與科研機構的技術合作、企業與中介機構的質量檢測和信用評估需要企業提供篩選后的特定信息，需要企業與外部主體進行交互，并保證信息的不可篡改和可溯源性，且由于交互的頻率需要一定的信息傳輸速度，適合應用半公開私有鏈。

政府與其他主體之間的關系主要是監管和激勵，其交互的頻率是最低的，是間斷性、隨機性的交互，其應用的信息范圍和信息量也是最小的，但涉及的主體數量確是最多的，所以，這部分應用公開鏈是最適合的。

圖2 顯示了各主體之間選擇不同類型區塊鏈的示意圖。

圖2 不同主體選擇區塊鏈類型示意圖

2.3 平臺概念模型設計

由于信息平臺的參與者眾多，廢棄品在供應鏈中的流轉過程可能非常復雜，所以，不僅要利用區塊鏈技術保證信息的可溯源、不可篡改，還要保證上鏈信息的客觀性、準確性。物聯網技術與垃圾逆向供應鏈的特性匹配性強，可以利用傳感器、監視器等物聯設備在廢棄品流轉的重要節點進行信息的采集和與信息平臺的接入，保證信息的及時、可靠。

利用物聯網和區塊鏈技術進行信息溯源的理論模型如下所示：

其中，MIT代表產品溯源信息，FP為產品溯源信息影響函數，EN為供應鏈上各級企業，G為政府部門，QU為質量檢測部門，IOT為物聯網技術記錄的數據，BC為區塊鏈算法，O為其他人工溯源路徑。利用該理論模型，構建垃圾逆向供應鏈信息平臺概念模型如圖3 所示。

3 信息平臺技術架構設計

本部分應用區塊鏈的體系構架和關鍵技術，結合垃圾逆向供應鏈信息平臺的功能需求進行平臺技術架構設計。區塊鏈的體系構架從上至下共7 層[13]。

應用層是各主體之間按照信息邏輯連接進行信息自由交流的區域。信息平臺通過該層實現物流、商流、資金流的信息記錄，由于具體內容在平臺主體接入部分已經描述，在此不再贅述。

合約層的核心是智能合約，通過嵌入的合約腳本和算法機制等實現。智能合約發生在不同主體之間，由腳本代碼寫入，具有智能觸發的功能，防止環境干擾。智能合約大大提高主體間合作的效率，且規則公開，在半公開私有鏈中大量使用具體到本文研究的垃圾逆向供應鏈信息平臺中，各主體之間應根據業務內涵構建的合適智能合約。供應鏈運營主體之間應構建智能采購合約、運輸控制合約、倉儲管理合約、延遲交貨合約、智能退款和賠償合約等提升業務流程的規范性和銜接流暢度；企業與科研機構之間應構建聯合研發合約、智能投資合約、收益分享合約等保證雙方的收益、減少企業投資風險、保護研發成果；企業與中介機構之間應構建信息保密合約、智能檢測合約等保證質量認證等業務的順利開展；主體與政府之間構建智能處罰合約、智能監督合約等保證政府監管和數據追溯的進行。智能合約的構建需根據平臺業務的開展進行動態的調整。

激勵層為資源的激勵手段，以保證實現網絡的去中心化，同時保證各節點可以有效地獲取所需的信息。主要需要設計資源的發布機制和調節機制，保證信息查詢、數據驗證和交互功能的實現。本文構建的信息平臺中在激勵層的構建無特殊要求，參考現有區塊鏈技術的成果即可。

共識層中的共識算法保證區塊鏈的抗風險能力和去中心化的功能。不同的算法機制有不同的適用范圍，已經有十幾種主流的共識機制，如比特幣應用的工作量證明（PoW）、點點幣的股份證明（PoS）、央行數字票據交易平臺應用的實用拜占庭容錯PBFT 等。根據本文構建的信息平臺功能要求，在現有的共識算法中建議使用消逝時間量證明（PoET）。當然在投資和研發能力充足的條件下可以自主研發與信息平臺完全匹配的共識算法，研發的方向主要針對體現時間戳的可靠性和主體之間的關聯互驗。

網絡層、數據層和數據基礎設施層無特別的構建要求。基于區塊鏈技術的垃圾逆向供應鏈信息平臺技術架構如圖4 所示。

圖3 垃圾逆向供應鏈信息平臺概念模型

圖4 信息平臺技術架構

4 結 論

本文對垃圾逆向供應鏈構建中的“信息孤島”現象，引入區塊鏈技術構建供應鏈信息平臺，可以增加供應鏈端到端的數據透明度，降低交易成本，對垃圾在供應鏈中運轉的信息不可追溯問題和由于信息不對稱導致的供應鏈上下游之間的信任問題及其他可能的導致供應鏈協調失靈的情況進行預警測評并提出解決方案。使垃圾分類、垃圾回收、垃圾處理、垃圾加工和垃圾再利用等環節更高效協同，提高垃圾逆向供應鏈一體化運營效率。