區(qū)塊鏈及RFID技術(shù)在智慧物流溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用

許家銘，王 強(qiáng)

（黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150050）

0 引言

區(qū)塊鏈作為比特幣的關(guān)鍵技術(shù)，是一種按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順次相連的方式組合而成的一種不斷增長(zhǎng)的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，同時(shí)應(yīng)用密碼學(xué)原理加密以保證其防篡改性及真實(shí)性的分布式賬本。區(qū)塊鏈由各個(gè)區(qū)塊組成，區(qū)塊是記錄交易的數(shù)據(jù)單元，每個(gè)區(qū)塊都會(huì)被卡上時(shí)間戳，按照時(shí)間次序順次鏈接形成一條數(shù)據(jù)鏈條即區(qū)塊鏈[1]。從本質(zhì)上來講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)去中心化的賬本數(shù)據(jù)庫[2]。

歐洲率先將應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)改進(jìn)了集裝箱運(yùn)輸，通過將集裝箱貨物的相關(guān)信息錄入數(shù)據(jù)庫，基于數(shù)據(jù)庫的信息利用區(qū)塊鏈技術(shù)來智能生成路線和日程等相關(guān)方案。這些經(jīng)過區(qū)塊鏈智能化的集裝箱還會(huì)通過數(shù)據(jù)分析、實(shí)時(shí)優(yōu)化，以規(guī)劃出更優(yōu)的路線日程安排，極大地提高了效率[3]。相比于傳統(tǒng)方式，收貨客戶不僅可以實(shí)時(shí)追蹤到貨物全程的物流信息，同時(shí)收貨方自身也可以對(duì)貨物運(yùn)輸安排做出優(yōu)化調(diào)整。

我國(guó)智慧物流及其溯源系統(tǒng)目前還在發(fā)展初期階段，自動(dòng)化和智能化水平有著較大發(fā)展空間，未來我國(guó)智慧物流將對(duì)追溯機(jī)制和物流效率有著更高的要求，應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)顯得十分必要。2019 年，蘇寧集團(tuán)正式宣布使用區(qū)塊鏈溯源技術(shù)來為海購(gòu)物品提供更賦真實(shí)性的保障，通過為其進(jìn)口的跨境商品貼上全程可追溯的電子標(biāo)簽來保證整個(gè)物流的全鏈路追溯并于同年11 月覆蓋率達(dá)到了50%，最大程度上豐富了用戶體驗(yàn)。未來會(huì)有越來越多的物流企業(yè)將應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)用來提高工作效率、增加企業(yè)收益。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)特點(diǎn)

區(qū)塊鏈技術(shù)革命性地解決了“拜占庭將軍問題”[1]，其所具備的防篡改機(jī)制、基于密碼學(xué)原理的加密機(jī)制、可溯源機(jī)制，集體維護(hù)等安全特性，顛覆了傳統(tǒng)的信任機(jī)制，形成了革命性的價(jià)值互聯(lián)。區(qū)塊鏈技術(shù)的核心區(qū)別于傳統(tǒng)的信任機(jī)制，應(yīng)用了密碼學(xué)相關(guān)原理的同時(shí)避免了第三方參與，最終使交易雙方達(dá)成一致。

1.1 防篡改機(jī)制

從算法層面來說，在區(qū)塊鏈中進(jìn)行的每一次交易都會(huì)被記在一個(gè)公共賬本上，每個(gè)參與節(jié)點(diǎn)都在整條鏈上都具有均等權(quán)利[4]，每一個(gè)違規(guī)操作記錄或者風(fēng)險(xiǎn)交易記錄都會(huì)與相應(yīng)的時(shí)間戳同時(shí)被收錄。同時(shí)，其去中心化的特點(diǎn)使得中心人員修改數(shù)據(jù)的可能性幾乎為零，偽造賬本變得極為困難。從現(xiàn)實(shí)經(jīng)濟(jì)層面來講，以目前市場(chǎng)上主流礦機(jī)為例，想要偽造出一個(gè)賬本必須至少要占有全網(wǎng)50%的算力才有可能實(shí)現(xiàn)，根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)經(jīng)過計(jì)算后：至少需要投入40 億元左右的資產(chǎn)才有可能偽造出一個(gè)賬本，收支嚴(yán)重失衡。

1.2 可溯源機(jī)制

基于區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的防篡改機(jī)制，各個(gè)卡上時(shí)間戳的區(qū)塊依次鏈接，用戶可以直接通過其中的某一次的交易信息追蹤到最初交易，防篡改機(jī)制從一定程度上輔助了區(qū)塊鏈可溯源機(jī)制的實(shí)現(xiàn)。

1.3 加密機(jī)制

區(qū)塊鏈的加密機(jī)制是基于中本聰(Satoshi Nakamoto)發(fā)明的非對(duì)稱性加密技術(shù)，即在加密的時(shí)候使用不同的密鑰，網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)人擁有一把公鑰和一把私鑰，公鑰和私鑰之間成對(duì)存在，相互驗(yàn)證，可以理解為地址是公鑰，支付密碼是私鑰。私鑰經(jīng)過不可逆運(yùn)算生成公鑰，公鑰同樣通過不可逆運(yùn)算生成地址，最大程度對(duì)交易數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行加密保護(hù)。

1.4 公平激勵(lì)機(jī)制

在其公開鏈擁有自治特征的前提下，所有參與者的資源保證了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行和維護(hù)。參與者通過進(jìn)行哈希運(yùn)算進(jìn)行算力比賽，每個(gè)參與者都有相應(yīng)的獎(jiǎng)勵(lì)，算力值大小與獲得獎(jiǎng)勵(lì)的多少成正比例[5]。這種機(jī)制為所有參與者創(chuàng)造了一個(gè)相對(duì)公平的競(jìng)爭(zhēng)平臺(tái)，用獎(jiǎng)勵(lì)來激勵(lì)算力較高者，在保證自治的前提下也促進(jìn)了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)良性循環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。

1.5 共識(shí)機(jī)制與智能合約

共識(shí)機(jī)制用于解決分布式系統(tǒng)的一致性問題，其核心為在共識(shí)算法的保障下，在有限的時(shí)間內(nèi)，使得指定操作在分布式網(wǎng)絡(luò)中是一致的、被承認(rèn)的、不可篡改的[6]。1996年，科學(xué)家Nick Szabo提出“以數(shù)字形式定義的一組承諾，包括各方履行的協(xié)議。”智能合約旨在以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行合同的談判或履行的計(jì)算機(jī)協(xié)議[6]。智能合約提供了脫離第三方背書機(jī)構(gòu)的情況下進(jìn)行可信追溯、安全的合約交易的技術(shù)支持。

2 智慧物流與溯源系統(tǒng)

智慧物流（Intelligent Logistics System）依托物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、人工智能（AI）等先進(jìn)技術(shù)，對(duì)互聯(lián)共享機(jī)制與信息數(shù)據(jù)處理方式進(jìn)行優(yōu)化，提高物流系統(tǒng)的自動(dòng)化水平和分析決策精準(zhǔn)性，追求各個(gè)環(huán)節(jié)達(dá)到最優(yōu)協(xié)調(diào)[7]。但同時(shí)也存在著各個(gè)環(huán)節(jié)均從各自的利益角度思考與決策，很難達(dá)到整體最優(yōu)化的問題。本質(zhì)上是傳統(tǒng)的中心化模式存在著較大的局限性。

溯源系統(tǒng)通過信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)管理整條供應(yīng)鏈上生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、加工、包裝、運(yùn)輸以及銷售等全過程的相關(guān)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)安全有效追蹤產(chǎn)品信息[8]。目前，溯源技術(shù)共有三種，分別是RFID 技術(shù)、二維碼技術(shù)和條碼技術(shù)。其中RFID 技術(shù)在智慧物流中應(yīng)用較為廣泛，具有較多優(yōu)勢(shì)。如RFID 讀寫器可以自動(dòng)工作、其電子標(biāo)簽均需進(jìn)行加密處理，安全性能好、可全天候使用、生產(chǎn)成本低和可重復(fù)使用等優(yōu)勢(shì)。

3 區(qū)塊鏈與RFID 技術(shù)在智慧物流溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用

在物流運(yùn)輸中，尤其是多式聯(lián)運(yùn)模式中，產(chǎn)品在運(yùn)輸過程中需要經(jīng)過多個(gè)承運(yùn)商進(jìn)行二次包裝與中轉(zhuǎn)，產(chǎn)品的物流信息與相關(guān)數(shù)據(jù)在這個(gè)過程的某些環(huán)節(jié)中極易遺失[9]。此時(shí)，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)便可解決這一問題。利用區(qū)塊鏈的集體維護(hù)自治和防篡改機(jī)制，在很大程度上可以保護(hù)產(chǎn)品物流信息和相關(guān)數(shù)據(jù)的完整性。應(yīng)用RFID 技術(shù)可以為每個(gè)運(yùn)輸貨車設(shè)立全程追蹤機(jī)制，在每個(gè)運(yùn)輸貨車上安裝電子標(biāo)簽，利用RFID讀寫器進(jìn)行讀取識(shí)別并與整個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)同步進(jìn)行公開形成一個(gè)新的互聯(lián)。本文以精品雜糧為例，通過構(gòu)建智慧物流溯源框架，將溯源系統(tǒng)框架主要分為上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步探討區(qū)塊鏈與RFID 技術(shù)在智慧物流溯源系統(tǒng)中的應(yīng)用。

（1）上層結(jié)構(gòu)。上層結(jié)構(gòu)基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建，由應(yīng)用層、合約層、和網(wǎng)絡(luò)層構(gòu)成實(shí)現(xiàn)，其結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

圖1 上層結(jié)構(gòu)框架

應(yīng)用層：主要通過計(jì)算機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為用戶提供方便使用的客戶端（client），客戶可通過應(yīng)用層進(jìn)行相關(guān)信息查詢與溯源；同時(shí)也方便國(guó)家相關(guān)部門進(jìn)行監(jiān)督檢查。

合約層：應(yīng)用區(qū)塊鏈的智能合約機(jī)制，將食品安全管理相關(guān)法律、監(jiān)管條例輸入系統(tǒng)。智能合約機(jī)制具有自動(dòng)執(zhí)行的特點(diǎn)，達(dá)成共識(shí)后系統(tǒng)便會(huì)生成相應(yīng)代碼且不可進(jìn)行修改，一旦某些違規(guī)與風(fēng)險(xiǎn)操作被系統(tǒng)識(shí)別，合約便會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，改變了原始信任機(jī)制下判斷的滯后性和復(fù)雜性。

網(wǎng)絡(luò)層：在這一層中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的PoW（Proof of Work）工作量證明機(jī)制，目前主要采用通過運(yùn)算尋找隨機(jī)數(shù)的算法。基于全網(wǎng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)權(quán)利均等[4]的前提下，各參與節(jié)點(diǎn)通過運(yùn)行哈希運(yùn)算進(jìn)行公平算力競(jìng)爭(zhēng)，優(yōu)勝者獲得本次記賬權(quán)，公布本輪數(shù)據(jù)，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)集體驗(yàn)證數(shù)據(jù)通過后數(shù)據(jù)被錄入存儲(chǔ)層。該機(jī)制體現(xiàn)出區(qū)塊鏈去中心化的特征，使智慧物流各個(gè)主體擺脫了中心的操控，擁有了相等的權(quán)利和義務(wù)，可以更加方便快捷地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，進(jìn)而使數(shù)據(jù)庫的更新效率提高，在共識(shí)機(jī)制的基礎(chǔ)上形成了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的體系，保障了智慧物流網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)行效率。

存儲(chǔ)層：存儲(chǔ)交易相關(guān)數(shù)據(jù)，利用區(qū)塊鏈防篡改機(jī)制，將各區(qū)塊依次進(jìn)過加密封裝，卡上時(shí)間戳后進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，一旦數(shù)據(jù)被存儲(chǔ)層錄入后便不可進(jìn)行修改。

（2）下層結(jié)構(gòu)。下層結(jié)構(gòu)主要由存儲(chǔ)層和物聯(lián)網(wǎng)層組成，其結(jié)構(gòu)框架如圖2所示。

圖2 下層結(jié)構(gòu)框架

物聯(lián)網(wǎng)層主要應(yīng)用RFID 技術(shù)與大數(shù)據(jù)技術(shù)實(shí)現(xiàn)物物聯(lián)合[10]。應(yīng)用RFID技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)本層結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建。

當(dāng)采購(gòu)方在田間進(jìn)行收購(gòu)時(shí)，通過大數(shù)據(jù)分析優(yōu)選出信譽(yù)優(yōu)良的生產(chǎn)方與質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的原糧品種。當(dāng)原糧離開產(chǎn)地前，利用RFID技術(shù)給運(yùn)輸貨車貼上獨(dú)一無二的電子標(biāo)識(shí)，并錄入采購(gòu)日期、產(chǎn)地、輔料供應(yīng)商相關(guān)工商信息等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，使田間（原糧生產(chǎn)方、輔料供應(yīng)商）成為可追溯源頭并加強(qiáng)防偽能力。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化管理，減少人為失誤帶來的經(jīng)濟(jì)損失。貨車在全程運(yùn)輸過程中，RFID 讀寫器會(huì)在相關(guān)運(yùn)輸節(jié)點(diǎn)對(duì)該貨車的錄入電子信息進(jìn)行讀取識(shí)別，并將讀寫數(shù)據(jù)上傳到存儲(chǔ)層中，借助區(qū)塊鏈技術(shù)特性防篡改。

在生產(chǎn)包裝環(huán)節(jié)，每單位精品雜糧都會(huì)帶著原始數(shù)據(jù)進(jìn)入生產(chǎn)包裝車間，生產(chǎn)廠家在原始數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上為每單位產(chǎn)品貼上RFID電子標(biāo)簽，并錄入生產(chǎn)日期、生產(chǎn)批次、包裝時(shí)間、質(zhì)檢員等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，在方便區(qū)分產(chǎn)品種類的同時(shí)使得追溯鏈條得以延長(zhǎng)。同時(shí)，RFID技術(shù)所具備的經(jīng)濟(jì)成本較低、可全天候使用、數(shù)據(jù)加密處理等優(yōu)勢(shì)使得這一追溯環(huán)節(jié)更易實(shí)現(xiàn)。

在物流倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)，利用RFID技術(shù)對(duì)雜糧產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，RFID讀寫器實(shí)時(shí)將相關(guān)倉儲(chǔ)數(shù)據(jù)（庫存量、庫存周期等）上傳至存儲(chǔ)層，借助大數(shù)據(jù)分析和區(qū)塊鏈技術(shù)做出倉儲(chǔ)與運(yùn)輸最優(yōu)規(guī)劃。

在分銷零售環(huán)節(jié)，隨著物流活動(dòng)的進(jìn)行每單位產(chǎn)品在以上基礎(chǔ)數(shù)據(jù)上又被錄入更多倉儲(chǔ)運(yùn)輸分揀等物流相關(guān)數(shù)據(jù)，在最終流向消費(fèi)者餐桌時(shí)，雜糧產(chǎn)品的整個(gè)“成長(zhǎng)線”變得更易追溯，消費(fèi)者可通過上層結(jié)構(gòu)提供的客戶端數(shù)據(jù)接口進(jìn)行真?zhèn)闻c全鏈條式溯源信息查詢，形成如圖3所示的精品雜糧溯源系統(tǒng)。

圖3 精品雜糧溯源系統(tǒng)

4 結(jié)語

通過上層結(jié)構(gòu)與下層結(jié)構(gòu)的有效結(jié)合，構(gòu)建精品雜糧溯源系統(tǒng)。借助區(qū)塊鏈技術(shù)和RFID 技術(shù)為整個(gè)系統(tǒng)提供強(qiáng)力的技術(shù)支持，實(shí)現(xiàn)原糧到精品雜糧中各個(gè)環(huán)節(jié)自動(dòng)化管理，優(yōu)化了原有的物聯(lián)網(wǎng)框架，極大提升了數(shù)據(jù)庫更新效率，保障更加高效精準(zhǔn)地進(jìn)行數(shù)據(jù)共享，整體上提升了溯源系統(tǒng)的智能化與自動(dòng)化水平。區(qū)塊鏈的去中心化思想顛覆了傳統(tǒng)信任模式，描繪了以數(shù)據(jù)與算法為核心的全新模式，為智慧物流的優(yōu)化改進(jìn)提供了新思路。相信通過區(qū)塊鏈和其他先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合會(huì)加速智慧物流行業(yè)全智能化與全自動(dòng)化的發(fā)展進(jìn)程，最終推動(dòng)整個(gè)物流產(chǎn)業(yè)全方位改進(jìn)升級(jí)。