基于區塊鏈的糧油食品全供應鏈可信追溯模型

董云峰，張 新*，許繼平，王小藝，孔建磊，孫鵬程

（北京工商大學人工智能學院，食品安全大數據技術北京市重點實驗室，北京 100048）

近年來，食品安全事故、安全問題屢見不鮮，“蘇丹紅鴨蛋”、“三聚氰胺奶粉”、“地溝油”、“鎘大米”等事件令人觸目驚心，消費者的身體健康安全受到嚴重威脅，公眾對食品質量安全的要求不斷提高[1-2]。糧油食品包括成品糧、原糧油脂及相關加工產品等，是人類賴以生存的必需品，保障糧油食品供應的安全，對國民生命健康、社會和諧發展具有非常重大的意義。目前糧油食品供應環節存在的安全問題很多，如農藥殘留超標、工業污染造成的食源性疾病問題，生產加工環節操作違規、違法使用食品添加劑，儲運安全問題，產品假冒偽劣等。因此有必要提高食品供應鏈的透明度，并進行可信、準確有效的食品安全追溯[3-6]。

目前建立的食品追溯系統的控制方式過于集中化[7-8]，供應鏈上的核心企業具有相關信息的管理、控制權利，數據安全性低，供應鏈各環節企業之間流通的數據是否經過篡改更難以驗證;因此無法保證傳遞的信息真實有效，最終形成了一座座信息孤島，數據完整性無法辨別，消費者對系統提供信息的真實性、可靠性存疑，追溯效果不理想。

為針對性地解決目前食品溯源系統面臨的問題，通過結合區塊鏈技術，建立具有去中心化、數據安全不可篡改、信息可靠的食品安全溯源體系，可進一步提高食品的可追溯性和供應鏈的安全性，并提高食品供應鏈的透明度[9-10]。Manevich等根據區塊鏈平臺Hyperledger Fabric的服務，認為應用區塊鏈技術的分布式應用程序潛力巨大，各方在互不信任的情況下不借助中央可信任的權威機構依然能夠安全協作，因此可應用到食品安全追溯領域[11];賈建華提出在食品安全追溯方面，區塊鏈是解決食品透明度和控制問題的最好方案，可改善系統并降低欺詐風險[12];Ahmed等提出應用區塊鏈技術為食品分配獨特的數字標識符，消費者通過追溯可以獲取食物的生態足跡，因此可以防止欺詐并可識別食源性疾病的來源[13];Tian Feng分析了利用射頻識別和區塊鏈技術構建農業食品供應鏈追溯系統，實現了整個農業食品供應鏈的可信追溯，可有效保障食品安全[14];陶啟等構建了基于區塊鏈技術的大米全產業鏈質量安全的風險評估與安全溯源技術，實現了大米質量安全的高效管控[15]。關于溯源系統，目前具體實現的案例很少或者實現的系統尚不完整，還需要進一步完善。一般食品供應鏈追溯體系包括：食品加工企業發展的供應鏈、物流公司發展的供應鏈、零售商發展供應鏈、批發或代理公司發展的供應鏈等，普遍存在的情況是追溯環節較短，只對食品供應鏈的一個或者某幾個環節進行追溯，而糧油食品的供應鏈十分復雜，其風險因素多、循環周期長、涉及面廣，每個環節的分節點眾多，甚至不同環節交替重復流通，因此導致內、外源危害物產生過程復雜多變、主動針對性防控難度大。面對如此龐大的環節與數據量，傳統食品追溯系統的資源消耗大、速度慢、效率低，沃爾瑪公司曾對一家商店的芒果進行追溯測試，用了6 d 18 h 26 min才追溯到芒果原產農場，而引入區塊鏈技術后，僅在2.2 s內就完成了追溯并獲取了所有的相關信息。因此建立基于區塊鏈的糧油食品全供應鏈的可信追溯模型，不僅可高效解決糧油食品供應的安全問題，其覆蓋范圍大的特點亦可作為通用模型解決其他食品供應鏈安全問題。區塊鏈技術面向糧油食品全供應鏈并且把基于區塊鏈的智能合約應用在糧油食品安全可信追溯模型構建中沒有先例[16-19]，需要進一步研究。

本研究應用區塊鏈技術，設計了一套糧油食品全供應鏈的可信追溯模型，提供從生產環節最終到消費者手中整個過程的信息，并保證數據安全可靠。在發生食品安全事故時，食品溯源系統可以快速準確高效地定位問題發生的環節，并找到問題的根源、追蹤問題產品去向，明確責任企業并追究責任，降低食品安全事故造成的不良影響，對解決食品安全問題具有十分重要的意義[20-22]。

1 區塊鏈與食品供應鏈

1.1 區塊鏈基本概述

區塊鏈可以理解為一種分布式數據庫，將存儲數據的區塊按照誕生時間以鏈條的形式不斷連接而成，數據的記錄與存儲都為分布式，所有節點均擁有并管理鏈上全部數據，沒有中心機構具有絕對控制權利，其涉及的對等網絡（peer to peer，P2P）、密碼學算法和共識算法等決定了區塊鏈技術具有去中心化、數據不可篡改、信息透明、可追溯等特性。

區塊鏈中的每個數據區塊都由區塊頭和區塊體組成[23]，區塊頭包含當前區塊版本、父級區塊的哈希值、Merkle根、時間戳以及隨機數等信息，區塊體中存放所有數據及交易信息。新生成的區塊將存儲上一區塊的哈希值并以此為區塊的標識，通過該方式形成一條從最新區塊追溯到初始區塊的數據鏈條;區塊體通過散列函數中的哈希算法對數據進行運算，最終得到一個根哈希值成為區塊頭的Merkle根，由于哈希算法的特性，兩個完全相同的Merkle根包含的數據也完全相同，若某一基礎數據發生改變，則Merkle根亦隨之改變，據此可逐級定位到發生變化的數據[24]，保證了供應鏈系統中各主體的每條數據都可以追溯，便于追責和監管。

區塊鏈技術由共識算法來確保數據的一致性，單一節點的數據篡改行為會受到全網所有節點監控和排斥，因此保證了信息流通和交易各方數據的公開透明，打破了傳統系統存在的信息孤島問題，實現供應鏈的流通、交易、信息傳遞的數據記錄，能夠保證數據的可靠性、準確性和透明性。

1.2 食品供應鏈區塊鏈體系架構

在食品供應鏈領域，區塊鏈的架構可分為：數據層、網絡層、共識層、合約層和應用層（圖1）。

圖 1 食品供應鏈區塊鏈體系架構Fig. 1 Food supply chain blockchain architecture

數據層包括不同企業上傳經過共識機制驗證的食品相關數據，存于分布式數據庫的數據區塊，數據區塊按時間順序銜接組成了區塊鏈系統。通過特定的哈希算法和Merkle樹數據結構，將一段時間內接收到的食品流通數據、交易數據等存入帶有時間戳和根哈希值的數據區塊;網絡層封裝了區塊鏈系統的組網方式（P2P網絡）和數據驗證機制等要素;共識層建立共識機制，包含工作量證明（proof of work，PoW）、權益證明機制（proof of stake，PoS）、拜占庭容錯（Byzantine fault tolerance，BFT）、實用拜占庭容錯（practical BFT，PBFT）等共識算法[25]，食品領域的聯盟區塊鏈系統，應用更加契合的委托權益證明（delegated proof of stake，DPoS）和PBFT等來實現各節點針對食品數據的有效性達成共識[26-27];合約層封裝了建立的食品供應鏈上各節點執行的合約腳本代碼，基于區塊鏈的智能合約的執行在達到預期觸發條件時自動執行;應用層包括食品供應鏈各企業客戶端以及用戶和監管部門進行追溯查詢的客戶端。

1.3 智能合約

由于涉及到的糧油食品數據多源異構且十分復雜，存儲和管理工作困難，因此需要對所有環節采集上傳的數據進行處理。

智能合約由尼克薩博最早提出，是通過傳統承諾合約應用數字形式來定義的，封裝了預定義的預置狀態、轉換規則、觸發條件以及應對操作等，但其需要可信的執行環境，因此無法應用到實際產業[28]。區塊鏈技術的出現使智能合約的執行獲得了可信的環境，經合約各方簽署后以程序代碼的形式部署在區塊鏈上，經對等計算機網絡傳播和節點共同驗證后存入各個節點的分布式賬本中，而不需要中心信用機構來保證其有效性。食品溯源區塊鏈系統可以實時監控整個智能合約的狀態[29]，在滿足寫入的特定觸發條件后自動執行合約，因此能夠擴大信任、弱化風險以及實現數據管理等，合約代碼、執行過程以及執行結果對鏈上各節點均公開透明，并通過所有節點的共識驗證，其結果不可篡改，提升了系統的可信度。

2 基于區塊鏈的糧油食品全供應鏈可信追溯模型

2.1 糧油食品全供應鏈環節

糧油食品全供應鏈由生產環節、加工環節、倉儲環節、物流環節和銷售環節組成。每個環節采集的信息通過驗證之后存入系統，從而建立真實可靠的完整數據庫，可以實現對同一批次產品的整個供應流程進行完備的監管和追溯，供應鏈環節如圖2所示。

圖 2 糧油食品全供應鏈環節Fig. 2 Grains and oils supply chain

生產環節指對糧油食品進行收獲，記錄其相關信息（種植時間、收獲時間、產品批次等），加工環節包括對收獲產品的干燥處理、去殼、加工等工作并記錄信息（產品編號、處理工序等），倉儲環節記錄其倉儲庫（庫房編號、入出庫時間等）信息，物流環節包括收獲產品以及加工后成品的物流運輸（運輸車輛、運輸人員等），銷售環節指對加工完成的成品進行銷售（銷售地點、銷售員等），從而完成從糧油食品收獲到成品銷售的整個供應環節的監管與追溯。

2.2 糧油食品全供應鏈可信追溯模型

糧油食品生產及流通過程錯綜復雜，生產環節亦包括干燥等初加工工藝、倉儲、運輸等工序，而物流環節中，省、市、縣級的不同企業也需要貨倉來貯存產品，因此嵌套相應的倉儲環節。針對如此的繁多的供應鏈環節，結合區塊鏈技術與目前其他食品相關領域中企業對應區塊鏈網絡節點的研究，設計糧油食品全供應鏈領域的監管與追溯過程，與供應鏈環節相對應的企業節點，建立覆蓋農田到餐桌所有環節的糧油食品全供應鏈可信追溯模型，如圖3所示。

由于糧油食品全供應鏈是食品供應鏈中最復雜的，基于其環節較多，從生產到銷售需要采集、記錄、上傳的數據量龐大且復雜，存在區塊鏈上會造成系統成本高、負擔大、效率低的問題，因此本模型設計“鏈上+云數據庫”的數據存儲模式，將龐大的產品基礎數據存入云數據庫，再將每個環節的全部數據經哈希運算得到的哈希值存入區塊鏈中，從而保證區塊鏈系統運行的成本與效率。

糧油食品全供應鏈大量的多源異構數據十分繁瑣，因此本模型引入智能合約，各個節點上傳系統的糧油食品數據要遵循智能合約的規范，只有滿足智能合約條件要求的數據才能上傳成功。由于不同企業上傳的信息數據格式不盡相同，因此不同節點的數據通過智能合約來進行判斷，再通過數字簽名技術對數據進行驗證并上傳存儲至數據庫。具體過程為：對產品數據進行哈希運算獲得數據摘要，系統通過非對稱密碼學來生成公鑰和私鑰，由私鑰對數據進行加密，加密后的簽名數據上傳到數據庫后，數據庫會通過公鑰對收到的加密簽名數據進行解密，解密完成后與用同樣哈希運算方法獲得的數據摘要進行對比，若對比結果一致則證明數據真實可靠未經篡改，若結果不一致則數據未通過驗證，無法存入數據庫。通過數字簽名技術，各個企業節點存入云數據庫的數據均有效可信，因此云數據庫中大量基礎數據的真實性得到保證。

圖 4 區塊數據結構示意圖Fig. 4 Schematic of block data structure

每個環節的產品簡要信息與數據庫中基礎數據的哈希值共同運算得到根哈希值，經獨自維護的區塊鏈節點將摘要發送到區塊鏈上，隨后廣播至全網，全網所有節點通過共識過程驗證之后存入最新的數據區塊，并鏈接到上一級數據區塊從而完成將數據存入區塊鏈的過程，如圖4所示。其中區塊頭封裝父級區塊哈希值、當前區塊版本號、時間戳、目標哈希值等，區塊體包含通過驗證的某一環節的簡要信息數據（日期、產品批次等）和數據庫哈希值。追溯過程為：消費者用戶或者監管機構通過系統輸入待查詢批次的產品代碼進行追溯，產品代碼直接定位到包含本產品信息的特定區塊頭，調出本產品所有流通環節數據進行產品追溯。

針對大量的多源異構糧油食品數據，通過智能合約來對數據進行處理，將不同格式、不同類型、不同長度的數據進行判斷之后方可上傳，做進一步的共識驗證，智能合約的執行過程如圖5所示。

圖 5 智能合約執行過程示意圖Fig. 5 Schematic diagram of the smart contract execution process

供應鏈中各環節的企業根據實際要求制定協議條款內容，根據協議條款來設置智能合約對數據處理的預置觸發條件，數據上傳時，判斷數據是否符合上傳的要求，若當前節點采集上傳的數據符合系統的預置條件，則數據可以進行上傳并繼續進行下一步的完整性驗證。若數據不符合預置條件，則通過預置代碼對數據處理后再進行判斷，之后方可進行下一步的數據完整性驗證。對于糧油食品的全供應鏈，各個環節的之間的交易、信息傳遞等均依照制定好的智能合約進行，本系統中智能合約模型架構如圖6所示。

圖 6 糧油食品中的智能合約模型Fig. 6 Smart contract model for grains and oils

合約各方指定合約內容，編寫并生成代碼，編譯后發布到區塊鏈網絡節點上，各個節點對合約內容的有效性進行驗證，所有節點通過共識驗證后進行全網播報完成部署，部署后的合約存于區塊鏈，每次達到觸發條件時會自動調用并運行。某個節點的數據驗證通過調用智能合約接口來執行，數據上傳時即達到觸發條件合約開始執行，執行完畢后各個節點驗證結果是否正確，驗證通過后，系統會將執行的結果播報至全網各個節點，并將此結果存入到各節點的區塊鏈中。

3 基于可信追溯模型的原型系統設計

3.1 糧油食品全供應鏈可信追溯原型系統架構

以糧油食品全供應鏈可信追溯模型為核心，搭建糧油食品全供應鏈可信追溯原型系統架構，其中包括糧油食品全供應鏈環節的數據采集終端、分布式節點構成的P2P網絡、云數據庫和溯源系統客戶端組成，具體如圖7所示。

圖 7 糧油食品供應鏈可信追溯原型系統示意圖Fig. 7 Schematic diagram of the credible traceability prototype system for grains and oils supply chain

糧油食品全供應鏈上的生產企業、加工企業、倉儲企業、物流企業、銷售企業通過數據采集終端采集數據并通過客戶端進行數據上傳，每個企業節點均包含區塊鏈的全部內容，共同對數據進行共識管理與維護。智能合約腳本代碼已部署到區塊鏈，數據上傳過程中達到合約觸發條件時會自動執行，在完成數據完整性驗證后存入云數據庫，同時云數據庫中基礎數據的哈希值與糧油食品簡要信息經過全網所有節點簽名驗證，最終達成共識之后存入區塊鏈。P2P網絡的方式實現了各節點間的點對點傳輸，數據驗證機制可使得區塊鏈系統中生產、加工、倉儲、物流、銷售環節每一個對應節點都能參與區塊數據的校驗和存儲過程，當區塊數據通過所有節點驗證后，才能記入區塊鏈，用戶和監管部門通過溯源系統客戶端對數據進行查詢與追溯。

區塊鏈技術平臺分為：公有鏈、聯盟鏈、私有鏈[30]。公有鏈以比特幣為代表，可理解為公共區塊鏈，鏈上行為完全公開，不設訪問權限并且每個節點可自由的加入與退出，是完全去中心化的區塊鏈，但共識時間與資源消耗較大;私有鏈由一個實體（企業或組織等）建立，在實體內部進行訪問交易，且數據讀取權限可以選擇性開放，它為了安全和效率已經演化成為一種“中心化”的技術;聯盟鏈只允許預設的節點（聯盟成員）參與記賬及共識，加入的節點需要身份驗證和權限授予，實質上是在確保安全和效率的基礎上進行的“部分去中心化”;在聯盟鏈中，可訪問到賬本的合法用戶僅是被授權的指定節點，權限以及規則可由成員鏈內部進行制定，并且由聯盟參與成員共同維護，便于數據對接和傳遞，可增強系統可擴展性與執行效率，在食品供應鏈的應用上聯盟鏈是最佳選擇。

表1為目前兩大區塊鏈平臺的對比分析[31]。以太坊首先實現了區塊鏈和智能合約的完整契合，與以太坊相比，Hyperledger區塊鏈是一種更受歡迎的許可區塊鏈平臺，其中的P2P節點形成了一個聯盟，且便于部署和二次開發，且擴展性強，支持多種共識算法，它提供了強大的靈活性，可以比較自由地應用商業邏輯。智能合約可直接在所有節點部署，因此選擇Hyperledger進行開發。

表 1 區塊鏈平臺的對比分析Table 1 Comparative analysis of blockchain platforms

目前Fabric提供的共識算法有3 種，分別是solo、kafka和PBFT。其中solo是用于開發測試的單點共識;kafka是一種支持多通道分區的集群時序服務，可以容忍部分節點失效，但不能容忍惡意節點，即無法識別和處理篡改或者無效的惡意數據;PBFT是目前主流共識算法，BFT主要解決了缺少可信的中央節點和可信任的通道情況下，分布在網絡中的各個節點如何達成共識的問題，PBFT是BFT的改進，主要改進了BFT效率不高的問題，故系統的共識機制選擇PBFT。

3.2 案例分析測試

通過對河北某面粉廠進行實地調研考察，獲取各個生產環節的數據，對本糧油食品全供應鏈可信追溯模型的可行性進行分析驗證。該面粉廠涉及從小麥到面粉銷售的完整供應鏈環節，包含小麥收獲、干燥加工處理、儲存，面粉加工、包裝、倉儲，產品運輸以及銷售等。由于該面粉廠流通環節審查力度低、把關不嚴，且企業內部操作違規、利益驅使導致的管理不到位，最終導致面粉產品出現質量問題;另外從生產到銷售的數據過于龐大，難以進行數據查詢且存在質量問題的某一批次產品無法定位到具體環節，無法精確責任主體，造成的后果嚴重卻難以解決。結合本糧油食品全供應鏈可信追溯模型，搭建糧油食品全供應鏈可信追溯的原型系統（圖8），為上述問題提供解決方案。

圖 8 糧油食品全供應鏈可信追溯平臺Fig. 8 Credible traceability platform for the whole supply chain of grains and oils

本系統由前端網頁、服務器和區塊鏈網絡組成。前端網頁采用前端語言（HTML、CSS、JavaScript）并輔以Bootstrap+AngularJS框架開發，服務器部分由WebService技術實現，區塊鏈網絡基于Hyperledger Fabric開源框架開發。在信息錄入環節，對產品相關測試數據進行上傳，數據合法時，經過驗證后寫入數據庫。小麥收獲之后，區塊鏈系統根據本測試批次產品數據制定出唯一的追溯碼（產品ID），追溯碼跟隨本批次產品的生產加工要求流通到下一環節，加工、倉儲、物流和銷售環節均掃描上一環節的追溯碼，并將信息上傳到區塊鏈系統。在加工環節對追溯進行人為修改，追溯碼由區塊頭中的哈希值得到，因此在倉儲環節掃描追溯碼時無法與數據庫中的哈希值對應，在區塊鏈系統中不能通過共識驗證，數據無法存入數據庫。所以供應鏈環節中任何數據篡改行為都會被檢測到，保證數據的真實有效。最終在檢測時，通過追溯系統客戶端輸入追溯碼進行查詢獲得產品的全部數據，如圖9、10所示，由于倉儲環節處理不當，導致產品質量不達標，通過數據對比，可以精準定位到出現問題的倉儲環節。

圖 9 追溯碼查詢界面Fig. 9 Query interface of tracing codes

圖 10 溯源結果Fig. 10 Results of origin tracing

若面粉的檢驗出現疏漏且問題產品未被監管部門抽檢到，問題產品被銷售至消費者手中，通過追溯對比產品ID是否一致，若消費者手中的產品ID經過篡改，在追溯結果頁面可迅速定位至對應的問題發生環節，召回問題產品來減小事故后果并對責任者進行處罰，加強對問題發生環節的監管，保證面粉產品的質量安全。因此，通過本糧油食品全供應鏈可信追溯模型實現產品溯源是可行的，能覆蓋面粉廠產品流通的所有環節，保障糧油食品質量以及消費者權益和身體健康。

4 結 論

本研究應用區塊鏈技術，設計研究的糧油食品全供應鏈可信追溯模型，實現了糧油食品從生產到銷售完整流通環節的監管與產品溯源，使得糧油食品供應鏈上所有環節的數據更加透明可靠，打破了不同環節企業之間的信息孤島，并且可以精確定位到問題發生環節，可解決目前食品安全面臨的信任問題，改善當前社會公眾對食品安全的信任度與政府監督抽查合格率存在落差這一窘境，進一步加強了食品可追溯性和安全性，提升中國糧油食品供應鏈的透明度，本模型亦可作為通用模型應用在其他食品領域的追溯，對保障食品質量安全對保障國民飲食健康具有一定的意義。