基于區塊鏈的生鮮農產品冷鏈可追溯性研究

阿布都熱合曼·卡的爾，陳 茜，申炳豪

（新疆財經大學 信息管理學院，新疆 烏魯木齊830012）

嚴格監控生鮮農產品的生產和對生鮮農產品冷鏈進行有效的物流管理，是確保食品安全的關鍵。近幾年，食品安全事故在各國頻頻發生，比如英國馬肉冒充牛肉、美國花生醬感染沙門氏菌等，食品安全和食品污染風險問題再次在全球范圍內引起廣泛的社會關注。人們對食品安全和污染風險的擔憂日益加劇，對整個供應加強可追溯性追蹤成為必要。生鮮農產品冷鏈產品的可追溯性要求冷鏈參與者之間進行高效和可信的信息交換。生鮮農產品冷鏈的信息具有非線性和動態性特征，生鮮農產品的收獲、加工、運輸和銷售需要經過多個中間商，因此很難對冷鏈信息進行及時、準確的收集和跟蹤。由于信息造假和產品污染對公眾健康的嚴重危害，對生鮮農產品冷鏈的追溯性管理已經顯得十分迫切。目前農業供應鏈可追溯性的實踐在很大程度上受到數據碎片化和集中控制的影響，也易受數據修改和管理的影響。在發生污染的情況下，確定污染源并迅速將產品從供應鏈中隔離需要多個食品供應鏈之間的密切協調，往往需要良好的可追溯性，但實踐證明各環節間的信息交換是困難和耗時的。［1］過去，我國關于食品安全的研究大多是從政策監管方面進行分析，或是未考慮時間因素的靜態分析。［2］食品供應鏈因其規模大、流通速度快、結構復雜等特性，供應鏈運行過程中信息孤島普遍存在，信息時效性、透明度和可靠性難以保證。區塊鏈全新的計算方式和分布式結構吸引了金融、醫療、公共事業和政府部門等眾多行業的興趣，然而，在生鮮農產品冷鏈物流領域中應用區塊鏈技術的研究十分不足。

生鮮農產品冷鏈物流要求通過制冷技術、工藝和專業設備在運輸過程中保持其最佳的溫度環境，確保產品完整性和質量安全，同時抑制細菌、減緩生物反應、降低產品損耗，保持農產品良好的狀態以滿足客戶的要求，生鮮農產品冷鏈是高度專業化的物流方式。［3］農產品冷鏈雖然與普通供應鏈存在一定的相似性，但是生鮮農產品物流過程中質量退化具有累積性和不可逆性，其產品質量很大程度受物流過程中的溫度和濕度條件影響，物流過程要求遵循“3T”（溫度、濕度、時間）原則，嚴格控制物流的時間、溫度和濕度。［4］因而，研究區塊鏈技術在生鮮產品冷鏈物流中的應用對于保障食品安全有很大意義。

本文的總體目標是演示采用區塊鏈的聯盟鏈和智能契約如何有效地監管和跟蹤生鮮農產品冷鏈中的業務交易和工作流，并且通過分布式技術使整個過程達到去中心化，以實現冷鏈的可視化和追溯性。本文的主要貢獻在于：第一，提出了一個基于區塊鏈聯盟鏈和智能和約的解決方案和框架，用于實現生鮮農產品冷鏈的可視化和可追溯性。第二，討論并突出了區塊鏈解決方案在總體設計和體系結構中的關鍵方面，包括主要參與者、監管機構和關鍵利益相關者之間的信息交互及序列圖。

一、區塊鏈在食品供應鏈中已有相關應用研究

區塊鏈作為分布式新興技術吸引了金融、醫療、公共事業和政府部門等眾多行業的興趣，雖然有關區塊鏈在銀行、金融和保險行業的應用文獻一直在穩步增加，然而，區塊鏈技術應用于食品領域的研究依然十分不足。George 等人提出了基于區塊鏈的可追溯性解決方案，開發了一個用于跟蹤從農場到餐桌的可追溯系統。［5］顏波等引入物聯網自主識別系統，基于RFID 和NFC 設備實現食品供應鏈的透明度和生產信息的實時監控，并通過云數據庫實現食品信息的有效儲存。［6］Mercier 等介紹了食品冷鏈的時間、溫度等關鍵控制因素的管理方案。［7］劉敖迪等人從信息技術角度探討了如何將區塊鏈技術應用于信息安全領域，強調了區塊鏈安全性、完整性和信任相關的關鍵方面。［8］Lin 等人回顧了區塊鏈用于農業信息通信技術系統的概念，提出了一個使用區塊鏈技術的農業信息通信技術系統模型，并對中國食品安全可追溯系統建設現狀進行了分析，為政府制定相關政策提供了建議。［9］

相關文獻顯示，區塊鏈技術能夠為確保農產品的可追溯性和質量安全提供實用的解決方案。過去，大量文獻關于食品安全的研究大多是從政策監管方面進行分析，或是未考慮時間因素的靜態分析，雖然討論了區塊鏈在農業供應鏈中的概念性應用，但缺乏關于生鮮農產品冷鏈溯源方面的具體實施框架或方法。本文提出了一種支持監管部門、企業和消費者實時監控和追溯的生鮮農產品冷鏈追溯框架，提供高效、可信、安全和分散的跟蹤解決方案，來彌補現有區塊鏈生鮮農產品冷鏈方面的研究空白。首先，以水果，蔬菜、水產、肉類和乳制品等生鮮農產品作為目標，通過數據采集設備對農產品冷鏈環節（冷鏈加工、冷鏈倉儲、冷鏈運輸、冷鏈銷售）的信息數據進行采集和性能分析；其次，通過區塊鏈的聯盟鏈系統完成信息自動采集和存儲，實施產品全程跟蹤檢測和低溫安全預警，確保冷鏈中農產品質量安全。區塊鏈的分布式信息存儲側重透明度，任何人不能篡改，數據安全可靠，可以對已售問題生鮮農產品能夠進行后續質量追溯，為產品召回提供便利，可視化的業務流程和業務溯源能夠明確冷鏈上企業的責任，以保證消費者的權益，可以更好地解決現存的食品安全問題。

二、可追溯性方案設計

本節將描述提出的解決方案，該解決方案利用區塊鏈的聯盟鏈和智能合約來監管、追蹤和執行生鮮農產品冷鏈中的交易，為生鮮農產品冷鏈管理提供完整、可靠和安全的交易記錄。

（一）聯盟鏈概述

聯盟鏈需要注冊以獲得權限，鏈上的規則由成員共同制定、執行和維護。開放程度可以根據具體的應用場景來選擇，成員通過網關節點接入，相關重要信息可以得到保護。相較于公有鏈這種方式交易速度更快，安全和隱私保護要求更高；相較于私有鏈則進入條件更低，節點地位平等，算力更高，數據不可篡改。聯盟鏈技術架構從上到下分為三層，應用層在區塊鏈環境下基于API（應用程序編程接口）和智能合約技術的功能模塊，用于應用程序開發和業務處理；控制層通過非對稱機密技術和數據審計加強安全性和數據可靠性；核心層通過區塊鏈底層網絡構建分布式共識和權限管理機制。本研究分析了生鮮農產品的生產和流通特點，采用聯盟鏈建立包括參與主體、監管機構和區塊鏈技術方的區塊鏈驅動的食品冷鏈安全溯源機制。這三方具體所指分述如下：

參與主體，即生鮮農產品冷鏈溯源的主要參與者，包括原材料供應商、生產商、批發商、物流商、零售商、消費者和回收商等。

監管機構，即在區塊鏈中接入并具有開放信息問詢權的一方，對生鮮農產品冷鏈的運營進行全程動態監管，能夠解決監管對象信息獲取難、監管效率低、信息質量差、監管成本高等現存問題。出現食品安全事件時監管機構能夠即時收集證據，追溯責任方，提高監管部門的威懾能力能防止此類事件再次發生。

區塊鏈技術方，即受雇維護平臺。區塊鏈技術方不是傳統的核心企業，雖然提供技術支持，但沒有密鑰仍然不能進行信息訪問，不存在信息泄露風險。

（二）一般系統概述

智能合同有潛力將生鮮農產品和食品安全轉化為一個集成的智能系統，確保交付給終端客戶的產品質量。我們提出的框架和解決方案將重點關注在聯盟鏈平臺上自動執行的智能合約的使用上。智能合約代碼的執行構成了區塊鏈網絡的挖掘節點執行，執行結果由所有挖掘節點共同商定。挖掘節點可以是分布在全球的所有用于收集、驗證和執行事務的計算機。區塊鏈可以被視為具有接近100%正常運行時間的全球計算機器，數據庫和分類賬的內容被復制到數千臺計算機上，即使網絡中99%的計算機脫機，記錄仍保持可訪問狀態，網絡可以自行重建。在區塊鏈中，智能契約將以函數調用的形式接收事務，并持續監視、跟蹤，一旦運行途中出現違規操作或發生安全問題，智能合約將按聯盟鏈事先商討寫入的合約代碼發出預警、自動調節，最終有助于將條件恢復到最佳狀態。圖1 說明了生鮮農產品冷鏈追溯性管理解決方案的系統架構的總體概況。

圖1 使用聯盟鏈和智能合約實現生鮮農產品冷鏈可追溯性的流程概述

如圖1 所示，整個流程主要參與主體包括冷庫、物流商、種苗公司、農戶、產地批發市場、加工商、銷地批發市場、零售商、消費者以及執行智能契約的區塊鏈聯盟鏈。冷鏈所有參與者和相關節點與星際文件系統（Inter Planetary File System，以下簡稱IPFS）相鏈接構成一個分布式文件系統，IPFS 是一個旨在創建持久且分布式存儲和共享文件的網絡傳輸協議，它是一種內容可尋址的對等超媒體分發協議，其中文件的內容由多個對等點或節點存儲，它以高度的完整性和彈性存儲文件內容。［10］此外，在區塊鏈中，每個參與者都必須有一個聯盟鏈賬戶，該賬戶由唯一標識參與者的地址和用于加密的公鑰和私鑰組成。通過對每個事務中的數據進行數字簽名和驗證，并將冷鏈上每個事務與特定的賬戶關聯起來。

（三）方案設計

生鮮農產品冷鏈的參與主體都與區塊鏈的聯盟鏈和智能契約相交互，同時向IPFS 上傳生鮮農產品的3T（溫度、濕度、時間）信息與交易細節。共有10 個參與實體，其作用分述如下：

種苗公司按標準生產農作物和養殖動物種苗，然后將種苗銷售給農戶。

農戶從種苗公司購買種苗，進行農作物種植、畜牧或水產養殖，定期監測和記錄生長細節上傳到IPFS系統，交易信息以散列形式記錄到智能合約中。

冷庫則起著至關重要的作用。冷鏈各環節均需配置相應的保鮮庫、氣調庫、冷藏庫等適合該產品的冷庫對生鮮農產品或最終產品進行冷鏈倉儲。儲存生鮮農產品時要考慮的重點是適應該產品的溫度、濕度和儲存時間等。儲存過程中應以先進先出為原則，盡量減少產品儲存時間，保證生鮮農產品良好的新鮮度。同時，在最終產品進入市場之前，為了保持產品新鮮度要對產品進行低溫儲存，然后再根據訂單需求進行配送。

產地批發市場負責從當地農民處購買生鮮農產品，對等級和質量進行篩選、分級，銷售給食品加工商。

加工商從產地批發市場購買生鮮農產品，按需求將生鮮農產品加工至不需要進一步的處理或加工的最終產品。

物流商也扮演重要角色。在冷鏈物流環節中，必須遵循“3T”原則嚴格控制物流的時間、溫度和濕度，采用專用冷藏冷凍設備對不同種類的生鮮農產品進行持續冷藏，防止生鮮農產品在運輸途中腐爛變質，通過公路冷藏車和冷藏保溫車等冷鏈運輸設備進行冷鏈運輸。同時，物流商必須在運輸過程中保證冷鏈不出現“斷鏈”現象。

銷地批發市場參與的活動是從加工商處購買最終產品按需銷售給當地零售商。

零售商從銷地批發市場處購買最終產品，出售給消費者。

消費者是從零售商處少量購買最終產品的一方。

監管機構所發揮的作用是：為確保生鮮農產品符合國家標準，實時核查產品數據，及時糾正安全隱患做到事前控制，出現安全問題時快速完成產品召回。

如圖1 所示，生鮮農產品冷鏈的所有參與者將該節點的元數據都上傳至IPFS 系統，IPFS 的散列存儲在智能合約中，同時所有交易信均通過聯盟鏈和智能合約完成，并且監管機構和相關利益方可以對產品進行全程監控和追溯。種苗公司銷售種苗，農戶從種子公司購買種子并進行耕種。產地批發市場從當地農戶處購買生鮮農產品，檢查溫度、濕度、時間等相關因素，經過篩選和分級后將生鮮農產品銷售給加工商。加工商分從產地批發市場處購買生鮮農產品加工成最終產品銷售給銷地批發市場，銷地批發市場購買大量最終產品銷售給當地零售商，零售商從經銷商或批發商那里購買少量產品，然后直接賣給消費者。

在聯盟鏈和IPFS 中，所有圖像、數據和記錄都由參與者通過聯盟鏈賬戶上傳，每個事物都經過數字簽名，信息上傳者將對不準確信息或欺詐信息負責。聯盟鏈自動編程通過參與成員商議便攜的智能合約對欺詐行為進行懲罰。各獨立的節點連接起來，形成透明、安全、可靠的信息收集、存儲、傳遞、查詢和共享環境。發生安全問題時，區塊鏈的智能合約技術按聯盟鏈商討寫入的合約代碼發出預警，自動調節。相關企業和監管部門可以實時核查產品數據，及時糾正安全隱患做到事前控制，即使出現問題也能快速完成產品召回。區塊鏈通過為每個點生成單個記錄不僅能夠快速明確安全事故的責任主體，其防篡改特性也為政府監管提供了技術手段，切斷了發生食品安全事故時企業逃避責任和相互推諉的可能，保障了消費者權益。

三、可追溯性實現

基于區塊鏈的聯盟鏈和智能合約的生鮮農產品冷鏈可追溯性方案中，每個生鮮農產品冷鏈參與實體都有一個聯盟鏈注冊賬戶，并通過調用內部函數參與智能合約執行交易。

（一）交互流程

1. 種苗公司、農戶、智能合約和產地批發市場交互流程

圖2 描述了農民創建智能合約的交易時序。根據農戶和種苗公司之間的離線協議，農戶從種苗公司購買種苗，然后創建智能合約購買種苗事務，并將其提供給交易參與者雙方（即農戶和種苗公司）。如圖2所示，生長情況通過上傳生長信息的函數進行記錄。農戶每更新一次生長信息，智能契約就存儲一個IPFS散列，并向冷鏈的聯盟鏈所有參與節點廣播。收獲時，農民和產地批發市場通過離線協議來交易生產的生鮮農產品。產地批發市場將生鮮農產品存儲到冷庫中，并上傳儲存溫度、濕度、儲存的時間、數量、重量等詳細信息。圖2 完整地顯示了從農戶購買種苗到銷售生鮮農產品給產地批發市場的交易序列。

圖2 種苗公司、農戶、智能合約和產地批發市場的交互序列圖

2. 產地批發市場、智能合約、加工商和銷地批發市場的交互流程

圖3 描述了加工商生產最終產品并銷售給銷地批發市場的交易序列。加工商購買產地批發市場存儲在冷庫中的生鮮農產品，并創建智能合約及執行函數（購買生鮮農產品），該函數包含加工商聯盟鏈賬戶、產地批發市場聯盟鏈賬戶、產品屬性細節和購買日期等。向產地批發市場購買農產品的事件觸發銷售生鮮農產品的函數。然后，銷地批發市場向加工商發送購買需求，從加工商處購買最終產品并存儲在冷庫中。觸發事件函數（從加工商處購買最終產品），該函數的參數包括加工商的聯盟鏈賬戶、銷地批發市場的聯盟鏈賬戶、最終產品的屬性細節和銷售日期等。所有交易事務實時向網絡中的冷鏈聯盟鏈所有成員廣播，事務參數包括買賣雙方的聯盟鏈賬戶、交易的產品屬性細節和銷售日期等。

圖3 產地批發市場、智能合約、加工商和銷地批發市場的交互序列圖

3. 銷地批發市場、智能合約、零售商和消費者的交互流程

圖4 顯示了零售商從產地批發市場購買最終產品并銷售給消費者的交易序列。零售商向分銷商請求一定數量的最終產品，銷地批發市場與之進行交易。零售商執行函數向銷地批發市場購買最終產品，并激活事件從銷地批發市場購買產品。分銷商通過執行函數銷售最終產品給零售商。

圖4 銷地批發市場、智能合約、零售商和消費者的交互序列圖

（二）可追溯框架

可追溯解決方案通過區塊鏈完成生鮮農產品生產、加工、運輸、銷售的所有流程數據可視化追溯，從種苗開始將生鮮農產品的所有必要信息作為原始信息輸入，區塊鏈直接連接RFID、GPS、條形碼、傳感器等，RFID 技術記錄生產過程細節，運輸環節通過GIS、GPRS 技術和5G 通信技術對冷藏車進行監控，這些傳感器可以在運輸過程中持續中繼并發送產品和運輸狀態的通知。區塊鏈的分式信息高效整合了生鮮農產品供應鏈的商流、物流、資金流和信息流，提高了供應鏈整體的運行效率，一旦發生安全問題，區塊鏈的智能合約技術將按聯盟鏈事先商討寫入的合約代碼發出預警。將各獨立的冷鏈節點連接起來，可實現參與成員之間透明、安全、可靠的信息收集、存儲、傳遞、查詢。

區塊鏈技術驅動的分布式冷鏈安全溯源系統架構如圖5 所示，生鮮農產品冷鏈上的所有事務實時在聯盟鏈網絡中向所有參與節點廣播共享,實現信息的透明和高效傳播，利益相關者可根據需要通過區塊鏈對事務信息進行實時查詢，將原來幾天才能完成的從消費者到農戶的全程冷鏈追溯縮短到幾分鐘。

區塊鏈驅動的生鮮農產品冷鏈監控追溯系統中，所有參與者都擁有完整副本，元數據由冷鏈參與者發送到區塊中，但只有經過所有者許可才能被其他人訪問。元數據上傳到區塊鏈上，被打包成區塊進行加密同時蓋上一個時間戳，區塊按順序連接形成區塊鏈，時間戳證明了特定時刻一定存在特定數據。僅在鏈上所有參與者都同意時才能更改或添加區塊，所以從技術上講，只要數據規模夠大，區塊鏈上可以完全避免惡意欺騙或操縱數據。現實中，冷鏈參與者在冷鏈倉儲和物流環節為了節約成本為了可能會隱瞞交易記錄或者冷鏈數據。為了克服這種類型的欺詐，可以通過智能合同對區塊鏈進行編程識別欺詐行為，使其具有附加功能以使發貨或整個供應鏈流程失效，并采取一些行動對欺詐的利益相關者進行懲罰，或采取替代和糾正措施。這將構成新的糾正數據和操作，這些數據和操作區塊鏈會自動記錄數據，并通過聯盟鏈賬戶確認數據的來源，即使出現欺詐行為，所有參與者和政府監管機構可以追溯到問題節點，確保生鮮農產品冷鏈的可跟蹤性和可審核性。值得注意的是，在我們的解決方案中區塊鏈只提供溯源技術，不制定政策，不會取代任何行業和監管標準程序。區塊鏈驅動的生鮮農產品冷鏈監控追溯系統連接供應鏈參與者和監管機構，鏈上任意兩個節點通過點對點進行信息傳輸，省去了監督和審計環節，既能節省交易成本，提高效率，也能保證數據安全。

圖5 基于區塊鏈的冷鏈溯源體系框架

四、結論

目前，冷鏈物流行業落后的技術和管理系統不僅使食品行業損失慘重，還對食品安全構成威脅。冷鏈物流系統類型復雜,硬件和軟件設備落后，信息系統分散等問題極易引發食品安全問題。隨著互聯網技術的快速發展，許多新興技術被應用于可追溯系統。然而，到目前為止，幾乎所有的研究系統都使用集中的信息系統，可能會導致信任問題，如欺詐、腐敗、篡改。本文提出的解決方案和通用框架，利用區塊鏈的聯盟鏈和智能合約來監控、追溯和執行交易事務，提高了冷鏈運作效率和信息透明度，極大地降低了集中式信息系統的風險，不僅能夠降低生鮮食品供應鏈的生產、環境和社會成本，還能增強代理商信任和客戶滿意度。本文的可追溯性解決方案能夠保障信息安全，提高監管的效率，解決冷鏈的可追溯性問題，實現全鏈追溯管理，從而確保生鮮農產品的安全和品質，增強居民農產品消費信心。到目前為止，區塊鏈技術仍然面臨著與可伸縮性、治理、身份注冊、隱私等相關的關鍵挑戰，未來的研究計劃著眼于解決其中一些關鍵挑戰，并制定相關解決方案。