食品供應鏈基于區塊鏈的溯源體系研究評述與展望

丁錦城 吳清烈

(東南大學經濟管理學院，江蘇 南京 210096)

近年來，全球食品安全問題頻發，可追溯性已被視為保障食品質量和安全的重要工具，但現有的食品供應鏈溯源體系無法保證溯源結果的可靠性。此外，在現今的食品供應鏈網絡中，實現追溯的過程既耗時又復雜。

區塊鏈技術的橫空出世為食品供應鏈溯源體系的升級完善提供了全新的發展思路。區塊鏈于2008年首次出現在中本聰(Satoshi Nakamoto)發表的《比特幣：一種點對點的電子現金系統》[1]中。區塊鏈架構和設計的固有屬性使其具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點。

現如今，食品供應鏈的溯源體系已成為區塊鏈技術的重要應用方向，區塊鏈技術的應用能夠提高溯源體系的追溯效率和保證溯源結果的真實性。

1 相關研究論文分布與關鍵詞知識圖譜

于2020年10月20日在Web of Science網站中選擇數據庫Web of Science核心合集，點擊基本檢索，以“blockchain”和“traceability”為主題進行搜索，經過篩選和去重，共篩選出387篇相關文獻，按時間分布如圖1所示。

從圖1可以看出，從2016年開始，逐漸有學者對區塊鏈技術在食品供應鏈溯源體系中的應用進行研究；從2018年開始，相關研究論文呈爆發式增長；2019年達到168篇，增長勢頭延續至今。2020年，截至10月20日已有143篇相關論文相繼發表。

如圖2所示，中國在基于區塊鏈的食品供應鏈溯源體系的研究中處于領先地位，累計發表133篇相關論文。歐美發達國家緊隨其后，美國累計發表63篇，意大利發表28篇，西班牙發表27篇，英國發表24篇。值得關注的是，亞洲國家對區塊鏈的關注度也不低，其中印度累計發表25篇，韓國發表17篇。

圖1 發文量分布圖

運用CiteSpace繪制了這些論文的關鍵詞共現知識圖譜，如圖3所示。除了一開始搜索的兩個主題詞“blockchain”和“traceability”以及區塊鏈的自身特點和原理相關之外，“Internet of Things”和“safety”兩個關鍵詞引人注目，很顯然區塊鏈與物聯網技術之間的聯動已經成為了完善食品供應鏈溯源體系的重要手段。同時，食品的安全問題也一直是驅動溯源體系不斷發展的源動力。

2 基于區塊鏈的食品供應鏈溯源體系研究現狀

2.1 溯源方案研究

現如今已經有很多學者提出了基于區塊鏈的實現食品供應鏈溯源的解決方案。Bettin-Diaz等[2]提出了一種將區塊鏈技術集成到食品行業供應鏈中的方法，能夠實現供應鏈全過程的可追溯性。客戶能夠獲取產品來源的相關信息，從而作出明智的購買決定。Salah等[3]提出了一種利用以太坊區塊鏈和智能合約有效地進行商業交易，并在整個農業供應鏈中進行大豆追溯的方案。該方案無需中間機構，能夠提供交易記錄，提高了追溯效率，保護了信息安全。Wu等[4]將區塊鏈技術引入了供應鏈數據管理中，討論了在可拓展性、吞吐量、訪問控制和數據檢索方面的4個關鍵技術挑戰，并進行了一個基于區塊鏈的食品可追溯系統的案例研究。dos Santos等[5]通過研究配方食品的可追溯性需求，并著重于成分認證，提出了全鏈可追溯的解決方案，同時能夠保證不披露來自配方食品的商業敏感數據。Bumblauskas等[6]研究了一個在雞蛋分配中部署區塊鏈的案例。該案例進一步推動了如何利用區塊鏈技術以更準確、透明地在供應鏈中轉移貨物的研究。Feng等[7]回顧了區塊鏈技術的特性和功能，確定了基于區塊鏈技術的解決食品可追溯性問題的方案，并通過設計系統框架和繪制分析流程圖幫助研究人員在未來實際開發基于區塊鏈技術的食品溯源系統。趙磊等[8]從信息生態視角分析用戶需求，提出追溯參與主體的風險補償方案，作為追溯平臺商業化運行的核心能力，進行信息鏈流程再造。

圖2 論文作者所屬國家(地區)分布圖

圖3 關鍵詞共現知識圖譜

針對區塊鏈應用到食品供應鏈的溯源方案研究主要集中在3個方面。首先是供應鏈全過程的可追溯性研究，保障消費者對全過程的知情權，從而作出購買決定。其次是如何保證區塊鏈在溯源體系中應用的透明性和準確性。最后是如何克服數據處理和體系容量的技術問題，實現高效的追溯效率和安全的信息整合。這些解決方案能夠有效解決傳統食品供應鏈中存在的痛點，在實現可追溯性的同時保證了供應鏈中的信息安全與追溯效率，為未來的實際應用提供了思路。

2.2 基于區塊鏈的食品供應鏈溯源模型設計

Malik等[9]提出了一個基于區塊鏈的框架來追溯供應鏈中產品的來源。該框架由包括政府、監管機構在內的關鍵食品供應鏈實體進行管理，可以實現供應鏈中產品的溯源。Johng等[10]構建了一個利用區塊鏈技術來增強業務流程重組過程中可信賴性的框架，該框架是解決業務流程重組過程中利益相關者之間的信任問題的一種有效方式。Bechtsis等[11]在Hyperledger Fabric框架下通過一個演示應用程序來研究兩階段的集裝箱食品供應鏈。研究結果表明，一方面，區塊鏈技術已經進入成熟階段；另一方面，在食品供應鏈中應用區塊鏈技術可以驗證關鍵參數，增強食品的可追溯性，具有顯著的價值。Casino等[12]開發了一種基于區塊鏈技術和智能合約的食品供應鏈可追溯性的分布式功能模型。George等[13]提出了使用區塊鏈和食品質量數據索引的餐廳食品質量可追溯性原型。該原型從食品供應鏈的各個利益相關者處獲取數據，將數據進行分析整合后應用食品質量指數(FQI)算法生成FQI值。根據特定參數，FQI值有助于確定食物是否適合食用。該原型除了加強食品的可追溯性外，還有助于為人類食用的食品進行質量分級。Zhang等[14]提出了一種基于區塊鏈技術的糧食供應鏈系統架構，并設計了一種結合鏈式存儲的多模式存儲機制。與傳統系統相比，該系統具有數據安全可靠、信息互聯互通、危險品信息實時共享、全程跟蹤可靠等特點。王晶等[15]構建了一個基于聯盟鏈的食品安全信用系統模型，該模型由食品生產商、加工商、分銷商、經營者、消費者、政府、媒體、銀行和征信機構共同來維護日常追溯數據、交易數據、征信數據等信用信息數據。朱建明等[16]在分析了區塊鏈的特點、局限性以及其鏈式結構散列原理的基礎上，提出了基于區塊鏈的B2B+B2C供應鏈各交易主體交易結構簡圖及動態多中心協同認證模型。

這些框架模型由供應鏈中的所有參與者共同組成，除了能夠加強食品供應鏈的可追溯性外，還能夠解決業務流程重組過程中參與者之間的信任問題，并且能夠保證食品的質量，有助于為某些特定食品進行質量分級。還有部分學者[17]針對特定的食品設計了特定的模型。如針對糧食供應鏈設計了結合鏈式存儲的多模式存儲機制，這些設計結合了一類產品的特點，為同類產品的溯源模型構建打下了基礎。這些設想對于未來溯源系統中的功能模型設計都具有重要意義和參考價值。

2.3 基于區塊鏈的食品供應鏈溯源系統設計

很多學者已經設計了基于區塊鏈技術的食品供應鏈溯源系統。Suzuki等[18]開發了基于區塊鏈的食品供應鏈管理系統。該系統能夠實現對于產品歷史記錄的追溯，無需管理即可實現高度可靠的數據管理。Arsyad等[19]提出了一個基于區塊鏈的可可生產供應鏈追溯系統。該系統將通常的區塊鏈概念擴展為雙因素區塊鏈，兩個區塊鏈之間通過數字水印相連，一條鏈負責儲存具體數據，另一條鏈負責儲存嵌入的數字水印。該算法所使用的水印算法保證了每個階段的信息都是經過認證的，并且能檢測到任何數據發生變化或被篡改的情況。

Wang等[20]設計了一個基于區塊鏈技術的產品可追溯性系統，該系統通過使用智能合約將所有產品轉移的歷史永久記錄在分布式賬本中，并形成可以追溯到產品來源的鏈條。此外，該系統通過一種事件響應機制來驗證交易雙方的身份，從而可以確保交易的有效性。所有事件均以日志形式永久存儲，作為處理糾紛和跟蹤責任實體的基礎。Baralla等[21]設計了一個基于區塊鏈技術的溯源平臺，以確保食品數據的儲藏起源。擬議的系統通過區塊鏈的分布式和不可篡改特性，確保了供應鏈的透明性，以期通過促進智能食品旅游業來推動當地發展。Borrero[22]提出了一種基于區塊鏈技術的農業食品供應鏈可追溯系統，以解決對農產品供應鏈的信任危機。區塊鏈技術在農產品可追溯性中的應用不僅擴展了區塊鏈技術的應用范圍，而且有助于鏈中參與者之間建立信任，探索了區塊鏈應用于農產品供應鏈的可能性。Chan等[23]構建了一個基于區塊鏈技術的透明可追溯的馬來西亞農業食品供應鏈管理系統。Prashar等[24]提出了一種基于區塊鏈的農業供應鏈可追溯系統，該系統引入了包括5個主要參與者的私有區塊鏈。系統完全依賴于使用智能合約來監視和管理所有參與者之間的供應鏈網絡中的通信和交易。系統涵蓋了農業供應鏈中項目的數據收集和信息管理過程，提供了對農業食品質量和安全的監控、可視化和問責機制，并且可以擴展到所有食品部門。金凱[25]搭建了包括數據接入層、數據核心層、應用表示層的三層溯源系統架構，通過數據接入層的App掃描二維碼獲取食品信息，通過傳感器獲取環境信息；在數據核心層采用區塊鏈和數據庫存儲溯源數據，基于智能合約完成存儲和查詢操作功能；在應用表示層以DApp的形式進行人機交互操作，實現食品信息的可信溯源查詢。

許多國家都非常重視食品供應鏈的溯源問題，也正在投入大量資源研究基于區塊鏈的供應鏈溯源方案。目前對于食品供應鏈溯源系統的關注點聚焦于信息的存儲時效、供應鏈的透明性、智能合約的應用等方面。擬議的溯源系統除了能夠實現對于產品歷史記錄的追溯外，還能夠提高供應鏈參與者之間的信任，并實現了對于食品質量和安全的監控。如今，區塊鏈技術在PC端和移動端的追溯系統中都有所應用，未來研究可以著眼于建立多平臺適用下的供應鏈追溯系統。

根據以上對各位學者的研究的分析可以看出，國內外學者對于食品供應鏈的溯源方案、溯源模型以及溯源系統的研究都取得了很大的進展，也都提出了自己的想法，筆者從關鍵詞、目前業界關注的技術重點以及未來發展需要關注的難點3個角度對各位學者的研究進行了歸納總結，見表1。

2.4 食品供應鏈溯源中區塊鏈與物聯網的結合

在物聯網的中心化網絡里，許多信息的加密方式較為簡單，在傳輸過程中易被破解，從而導致個人隱私產生泄漏。而區塊鏈運用的非對稱加密技術，能夠防止信息丟失和篡改，安全性更強。區塊鏈技術能夠實現信息的安全存儲和防篡改防攻擊，讓物聯網網絡更加安全可靠。因而，很多學者將區塊鏈與物聯網技術結合起來，應用于食品供應鏈的溯源系統中。

Tian[26]提出了一個基于物聯網和區塊鏈的實時食品追蹤食品供應鏈溯源系統，并將其應用于一個示例場景，演示了該系統如何在危害分析與關鍵控制點(hazard analysis and critical control points，HACCP)的食品供應鏈中發揮作用。該文通過引入BigchainDB的新概念填補了分散式信息系統的空白，避免了使用集中式系統的風險，為供應鏈中的所有成員提供開放、透明、中立、安全、可靠的信息平臺。Kim等[27]開發了一個“從農場到餐桌”的全流程食品供應鏈可追溯性應用程序，該應用程序集成了以太坊平臺和可交換GS1 (Globe standard 1)條碼的物聯網設備。該應用程序創建了供應鏈中所有利益相關者訪問的分布式賬本。Tsang等[28]提出了一種基于區塊鏈和物聯網技術的食品可追溯性系統，該系統將區塊鏈、物聯網技術和模糊邏輯的新部署整合到易腐食品的可追溯保質期管理系統中。系統中的區塊鏈的數據流根據可追蹤資源單元的級別與物聯網技術的部署保持一致，根據可靠、準確的數據進行貨架期調整，利用模糊邏輯進行質量衰減評價，建立起安全可靠的食品供應鏈平臺。Arena等[29]設計了一個基于區塊鏈的應用程序BRUSCHETTA，用于特級初榨橄欖油供應鏈的可追溯性和認證。BRUSCHETTA通過跟蹤其整個供應鏈來實施該產品的認證，能使最終客戶訪問產品的防篡改歷史記錄，包括耕種、收獲、生產、包裝、保存和運輸過程。BRUSCHETTA利用物聯網技術來連接用于特級初榨橄欖油質量控制的傳感器，并使其在區塊鏈上運行。Lin等[30]開發了一個基于區塊鏈技術和EPCIS的食品安全追溯系統。該系統通過鏈上和鏈下數據的協同管理減少了單節點存儲的數據量，能夠有效緩解當前物聯網與區塊鏈技術下的數據爆炸問題。

表1 關于溯源方案、模型、系統的研究重點梳理

Mondal等[31]提出了一種受區塊鏈啟發的物聯網架構，該架構使用基于對象證明的身份驗證協議，以及類似于數字貨幣的工作量證明協議，并通過在物理層集成基于射頻識別技術(radio frequency identification，RFID)的傳感器以及在網絡層集成區塊鏈來實現完整的體系結構。RFID提供了產品和傳感器數據的唯一標識。架構通過一個RFID耦合傳感器進行實時傳感器數據的采集，能夠實現實時質量監控。劉宗妹[32]構建了“區塊鏈+RFID”兩位一體的協同共享模式，采用聯盟鏈構建食品溯源系統，打通食品流通渠道，快速定位食品安全事件責任方。

曾小青等[33]建立了物聯網加區塊鏈的食品安全追溯系統架構，設計了食品追溯流程，并采用聯盟鏈模式和超級賬本區塊鏈開發平臺，實現了一個食品安全追溯原型系統。肖新清[34]構建了冷鏈物流的壓縮感知數據采集方法、溫度品質耦合建模方法以及可追溯建模方法，并以QR溯源條碼為載體，有效集成并展示了冷鏈物流品質感知過程的關鍵質量安全信息，形成了冷鏈物流品質感知的物聯網溯源模式。

物聯網可以通過各種信息傳感器、射頻識別技術、全球定位系統等各種裝置與技術，實時采集任何需要監控、連接、互動的物體或過程，實現物與物、物與人的泛在連接，實現對物品和過程的智能化感知、識別和管理。在物聯網領域的這些技術中，射頻識別技術相較于其他識別技術，在準確率、感應距離、信息量等方面具有非常明顯的優勢。其透明、全面、準確的特性非常契合食品溯源體系的需求，結合區塊鏈的非對稱加密技術，可以有效克服物聯網信息儲存的不安全性。

整體來說，區塊鏈與物聯網技術的結合是目前發展的主流，兩項技術的結合有效推動了食品供應鏈溯源體系的發展與完善。除此之外，物聯網技術與區塊鏈的結合能夠實現可靠的數據采集，保證了信息源的可信度。解決了信息在初始采集階段的痛點。

3 基于區塊鏈的食品供應鏈溯源體系展望

3.1 主要優勢

3.1.1 信息安全 由于共識機制，信息存儲在基于區塊鏈的溯源系統中更加可靠，這增強了交易數據的完整性和安全性。溯源系統能夠更加準確、便捷、安全地幫助政府跟蹤、監督和審核食品供應鏈，幫助制造商記錄真實交易、保護信息安全，幫助消費者追蹤食品源頭。

3.1.2 提高效率 區塊鏈自身具有的不可篡改性能夠有效提高食品供應鏈的加工和流通效率。當其連接到物聯網設備時，能夠提高系統交易效率。此外，區塊鏈的引入能夠減少大量中介機構，使得公共資源能夠獲得更加有效的利用。

3.1.3 減少浪費和降低經濟損失 使用基于區塊鏈的可追溯性系統可以獲得可追溯性鏈中每個階段的可靠數據，有助于更準確地確定食品的貨架壽命，從而減少食物浪費，降低經濟損失。

3.2 面臨挑戰

3.2.1 原始信息的可信度 在依靠RFID標簽或條形碼等傳感器來掃描、傳遞食物跟蹤數據時，數據收集傳感器已連接到區塊鏈網絡。此時雖然區塊鏈技術能夠使得數據保持不變，但其本身也沒有驗證機制來證明原始數據是否正確。如果有人篡改傳感器，則會導致數據失真。

3.2.2 區塊鏈技術的成本無法預測 區塊鏈作為一項新興技術，在實施時總成本無法預測。當前高度成熟的供應鏈系統已經運作了很長時間，成本的憑空增加會增加供應鏈中的參與者的負擔。消費者是否愿意支付增加的成本也值得商榷。

3.2.3 數據公開的問題 基于區塊鏈的溯源系統應該公開什么樣的數據也值得考慮。尤其是在公有鏈中，所有數據默認公開透明，如果盲目將供應鏈中所有的有關信息上鏈，很可能會造成信息泄露。譬如，如果制造商將他們的配方作為商業機密，他們將不得不決定是否披露這些配方，如今在這方面沒有明確的政策說明。

3.2.4 政府要求和相關法律法規 截至目前，尚無關于食品供應鏈中采用區塊鏈的公認標準，也沒有相關的政府要求以及法律法規的制定，區塊鏈技術在食品供應鏈中的發展前景仍然是不明朗的。在這種情況下，區塊鏈的服務提供商應當團結協作，致力于推動相關政策和規則的制定以及少數試點項目的順利實施。

3.3 突破方向

雖然基于區塊鏈的食品供應鏈溯源體系發展勢頭良好，但如今絕大多數研究都仍然在理論設計階段，區塊鏈技術在食品供應鏈溯源體系中的應用仍然有很長的一段路要走。未來可以從以下幾個方向突破。

(1) 推動食品供應鏈溯源體系中區塊鏈與各項新技術的融合。區塊鏈與物聯網的結合能夠實現可靠的數據采集，物聯網設備能夠實時記錄關鍵信息，保證了信息源的可信度，解決了信息在初始采集階段的痛點。再利用區塊鏈的不可篡改性進行儲存，形成食品供應鏈所需的信任閉環。區塊鏈與人工智能的結合能夠為食品供應鏈溯源體系進一步提供安全保障。人工智能能夠實現漏洞挖掘和修復的自動化，并利用全系列的設備支持和多樣化的應用場景，保障了區塊鏈技術的安全部署。區塊鏈技術與大數據技術融合，能夠遏制數據過度集中的現象，提高食品供應鏈上企業的透明度，消滅信息孤島。

(2) 利用區塊鏈技術重塑食品供應鏈監管機構。區塊鏈可以促使相關機構以供應鏈中的企業作為節點來建立一套新的監管體系，能讓監管機構更為系統全面地對食品安全加以監控。可以預見，未來各國政府將出臺區塊鏈在食品供應鏈中應用的相關法律法規，推動監管部門的建設升級，保障食品安全，提高國民幸福度。

(3) 基于區塊鏈建立國際食品安全溯源體系。食品安全是全世界共同面臨的嚴峻問題，安全問題的出現不單單只在國家內部發生，也可能出現在國家與國家之間。區塊鏈的出現不僅僅能夠在技術層面幫助解決食品供應鏈溯源問題，同時也是一個推動建立全新的國家之間食品進出口溯源體系的契機。各國之間應該聯合制定與食品相關的追溯以及召回體系，以便快速鑒別、調查和控制食品安全事件，為保障世界人民的人身安全努力。