基于區塊鏈的冷鏈溯源信息系統設計

董文韜 劉升 蔡鳴銘 汪寧 陶最

摘? 要：隨著經濟發展，消費者對生鮮的需求日益提高，而生鮮產品所必經的冷鏈物流有著低溫、復雜等特點，消費者難以了解產品生產信息，無從保障自身權益。針對問題，利用區塊鏈的防篡改特性，設計了冷鏈溯源信息系統。按照占有的區塊鏈節點數量進行排名，以驅動生產廠商記錄節點。此外，系統主要實現了生產廠商生產報備過程和公眾查詢產品信息功能。該系統可以更好地加強冷鏈產品管理，有效地實現冷鏈產品溯源。

關鍵詞：區塊鏈;冷鏈溯源;食品安全;信息系統

中圖分類號：TP311.13? ? ? ?文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2021）02-0142-07

Abstract：With the development of economy，consumersdemand for fresh food is increasing day by day，and the cold chain logistics that fresh products must go through has the characteristics of low temperature and complexity，so it is difficult for consumers to understand the production information of products and protect their own rights and interests. To solve the problem，the cold chain traceability information system is designed by using the tamper proof characteristics of blockchain. Ranking，which is according to the number of occupied blockchain nodes，is made to drive the manufacturer record nodes. In addition，the system mainly realizes the production reporting process of manufacturers and product information query function of the public. This system can better strengthen the management of cold chain products and effectively realize the traceability of cold chain products.

Keywords：blockchain;cold chain traceability;food safety;information system

0? 引? 言

“民以食為天，食以安為先”，習近平總書記曾指出食品安全關系我國13億多人的身體健康和生命安全。近年來，食品安全問題已經得到了充分的重視。相較于21世紀初，針對食品安全問題，我國從政策、法律、輿論等不同方面有了豐富的保障。

但自2020年秋季以來，新聞報道的冷鏈物流食品或包裝上檢測新冠病毒呈現陽性頻頻闖入公眾視野，不由得也讓消費者們為冷鏈食品安全問題存有一定程度的擔心。2020年10月16日，國務院應對新型冠狀病毒感染肺炎疫情聯防聯控機制綜合組發布了《冷鏈食品生產經營過程新冠病毒防控消毒技術指南》。新聞報道和上述指南表明因病毒而起的冷鏈安全問題已經產生了不小的影響，危害到了人民群眾的生命財產安全，給常態化的疫情防控工作帶來了新的不確定性因素以及風險挑戰。相比于前階段由于利益因素而導致的食品安全問題，現階段的問題更傾向于非利益化，更注重安全性。在這一前提下，如何更好地規范并有效地開展“源頭防疫”，就顯得更為重要。

就冷鏈食品來說，對產品信息更為了解的“源頭”則是生產廠家和企業，所以想要多環節地、全面地開展防疫，更為關鍵的是發揮生產廠家和企業的主觀能動性。而應用區塊鏈技術正可以很好地解決此問題。自中本聰[1]發布區塊鏈白皮書以來，區塊鏈不斷發生變革迭代?？傮w來說，區塊鏈有以下五個特性：去中心化;開放性;防篡改性;匿名性;可追溯性。本系統基于區塊鏈技術，搭建“區塊鏈+冷鏈物流”模式，設計信息系統，跨越生產廠商與公眾之間的信息鴻溝[2]，提升產品的安全性與信息的可靠性。

1? 冷鏈溯源研究綜述

1.1? 國內研究現狀

目前，國內針對冷鏈物流的相關研究集中于作為復雜鏈式系統的冷鏈物流，對在運輸過程中面臨的風險具體定性定量分析，例如在損耗成本、單位利潤以及庫存管理方面。李亞楠[3]在對農產品在冷鏈物流中的運作風險研究中，使用解釋結構模型法（Interpretative Structural Modeling Method，ISM）搜尋農產品冷鏈物流的風險因素，并提出相應的解決策略。楊揚等[4]以云南省生鮮蔬菜國際冷鏈流程作為研究對象，識別主要風險因素并結合風險系統的內部結構及反饋機制，構建國際冷鏈物流運作風險模型。涂淑麗[5]對乳制品企業冷鏈物流的外包模式的風險防范進行研究。

但在冷鏈溯源方面，相關研究文獻數量相比于物流風險研究較少。譚慧芳[6]在《高新技術在冷鏈物流中的應用分析》中闡述區塊鏈在冷鏈物流溯源中起到的關鍵作用。賈嘉等[7]在《基于區塊鏈的冷鏈物流技術支持》中提出MySQL、Oracle仍是大部分企業選擇使用的常規數據庫，提出了和企業數據對接的問題。劉軍等[8]在《基于區塊鏈的冷鏈物流邊緣計算驗證演示系統》中說明區塊鏈的防篡改特性能夠在系統中得到良好發揮。柳祺祺等[9]在《基于區塊鏈技術的農產品質量溯源系統構建》中，結合區塊鏈技術優勢構建了基于區塊鏈技術的農產品質量溯源系統。禹忠等[10]，在《基于區塊鏈的醫藥防偽溯源系統研究》中，開發了具有溯源性、完整性、隱私性、分散化存儲的系統。冷鏈和溯源兩個研究方面都有一定的研究成果，但在“冷鏈+溯源”系統設計方面有一定程度的空缺。

1.2? 國外研究現狀

國外的冷鏈研究起步較早，多為大規模的冷鏈技術應用，在已趨于完善的冷鏈物流系統的基礎上，開展探索創新模式的研究，以及根據現行情況下存在的技術問題進行分析，提出可行的解決辦法。Li等[11]介紹了冷鏈物流中新鮮食品包裝的類型和操作原理，概述了可追溯性技術、數據采集技術，以及定位技術的機制、特性、應用和發展，分析了技術進步、標準建設和應用系統方面存在的問題，并指出解決問題的途徑。Zong等[12]設計了基于Bee Zig無線傳感器網絡和GPS定位的遠程監控系統，實現在冷鏈運輸過程中對于車輛的遠程監控。Abad等[13]設計了一個集成在線可追溯性數據相冷鏈監控的自動化系統，使用商業讀寫器在智能標簽上讀寫數據，在食物鏈的任何時間實時監控冷鏈狀態。Vivaldi等[14]提出了新一代的RFID技術，通過在RFID標簽中混合銅離子溶液，實現對冷鏈溫度的精準把控。Kim等人[15]針對冷鏈物流，提出了基于服務水平協議（Service Level Agreement）的智能合約方法，并設計了方法中關鍵指標，可以為區塊鏈中的所有參與者提供支持決策的信息。

2? 三文魚冷鏈溯源分析

2.1? 三文魚冷鏈溯源流程分析

本系統以三文魚為對象，將生產銷售流程簡化分解成三部分。三文魚生產流程的起始環是供應商，包括產品養殖、捕撈和采收;中間環是生產商，包括產品精加工等環節;終環是商超，直接服務于消費者。在產銷鏈中，只有產品成功過渡到消費者手中時，才標志著生產流程的完成。

在整個生產流程中，冷鏈運輸是承擔各環節相互聯系的紐帶，銜接了上、中、下游，串起了整個流程。實際的冷鏈流程是十分復雜的，涵蓋許多細節問題。相比于復雜的實際情況，簡化后的生產流程也能夠表現出生產過程的基本步驟和環節。因此，本文所探討的是簡化的三文魚冷鏈物流流程，并針對該流程增設檢疫環節。生產流程圖如圖1所示。

2.2? 三文魚冷鏈溯源機制設計

由于生產流程、產品工藝的復雜性，對各環節都開展監管會導致高昂的成本，而且也會出現監督不到位的情況。所以本系統設計為管理員統一負責生產廠家上報產品批次的最終檢疫，并將檢查到的信息，按一定格式形成規范，及時記錄入區塊鏈中，實時保證數據的可靠性。在本系統中，新節點數據為包含有產品主要信息和檢疫信息在內的一列字符串，此字符串的設計詳見4.2.3小節。

在系統中，公眾作為使用者，在購買商品前可以掃描二維碼，了解產品信息以及各檢疫階段是否合格。管理員掌控最后的終端檢疫，并隨時可以核對區塊鏈中的節點信息是否和自己留存的信息一致。而記賬的工作則由各節點承擔。由于區塊鏈的防篡改性，各階段的檢疫工作可以有效追溯，系統可以起到良好監督作用。

3? 區塊鏈技術應用

3.1? 數據層

存儲進區塊鏈的數據難以被篡改，當數據存儲進區塊鏈節點中，區塊鏈會通過驗算節點中的Hash值，以此來檢驗區塊鏈中的數據是否有篡改。系統中，區塊鏈哈希值運算采用SHA256算法。當傳入任意字符串時，該算法都會產生一個256位的哈希值，作為信息的摘要。

本項目采用LevelDB數據庫作為存儲區塊鏈節點的主要工具，LevelDB是Google開發的一款高效K/V（Key/Value）數據庫，可以滿足本系統中區塊鏈節點的讀寫需求。

3.2? 網絡層

在本系統的實現過程中，每一個區塊鏈節點都占用了兩個端口，HTTP通信端口占用了3001端口，P2P通信端口占用了6001端口。區塊鏈數據基于WebSocket協議通過P2P端口進行傳輸。

3.3? 共識層

本系統區塊鏈的底層共識機制使用PoW（Proof of Work）工作量證明機制。節點進行與或運算，計算得到一個滿足條件的隨機數，計算成功則獲得本次記賬權。系統設置difficulty變量來控制記賬的難度，合理分配節點記錄權。在共識策略上選擇蘊含運算量最大的鏈，即最長的鏈為有效區塊鏈，系統中通過bolckchain類內的resolve_conflicts函數實現共識策略。設置Hash值的規則為：Hash值的前difficulty位必須是0。

3.4? 激勵層

激勵層主要作用是激勵生產廠商參與節點信息記錄以及節點維護。

在本系統中，按照生產廠家所記錄的節點數量排序，按照排序結果給予生產廠家認證標志，使其產品在消費者眼中認可度更高。由此可達到激勵生產廠家記錄區塊鏈節點的目的。而由于管理員每次產生的批次檢疫信息有時間間隔，可以保證每次只需要計算出一個節點的頭部哈希值，不會產生有生產廠商為了排名而刻意挖礦的情況。

3.5? 合約層

本系統的合約層為“蘊含算量最大”的最長鏈原則。通過一致性算法，將本地節點中的鏈替換成網絡中最長的鏈來解決沖突。

3.6? 應用層

在本系統中，應用層主要實現存證功能，將信息記錄到區塊鏈上，不存在資產轉移。三文魚冷鏈溯源系統針對不同的用戶，管理員、生產廠商、公眾，展示不同的信息，做到多中心化應用。

3.7? 區塊鏈模型圖

綜上所述，系統各層的區塊鏈模型圖如圖2所示。

4? 系統設計及實現

4.1? 模塊及功能設計

基于區塊鏈的冷鏈食品溯源系統含有三個主模塊，即生產廠家模塊、公眾模塊及管理員模塊。下文對各個模塊展開介紹。

4.1.1? 生產廠家模塊

對生產廠家而言，由于區塊鏈的防篡改性，生產廠家如果想要篡改區塊鏈中數據，一定會被發現，對自身企業形象會有不可逆的影響。在這樣的情況下，廠家會去選擇保障產品本身的安全性和質量。另外，增設區塊鏈溯源機制，一定程度上也可以提升廠商產品的市場競爭力。

在本系統中，生產廠家可以通過本模塊進行新產品審核、產品批次上報、批次檢疫情況查詢、工廠管理、生產商排名查詢功能：

（1）新產品審核：對應實際中產品注冊流程，生產廠家將產品信息及生產工藝、專利等上報有關部門并獲批的過程。在本系統中，將其簡化為將數項產品基本信息上報給管理員。

（2）產品批次上報：對應生產廠家生產出產品后經合格認證并上市的審批流程。本系統中，將其簡化為將產品批次的基本信息和各環節檢疫信息上報給管理員。

（3）批次檢疫情況查詢：即生產廠家可以查詢某一批次產品是否經過管理員檢疫，合格后可流入市場。

（4）工廠管理：生產廠家可以在系統中注冊自己在不同地區工廠。

（5）生產商排名查詢功能：即按本地區塊鏈的數量查詢生產商的排名情況，較高的排名可獲得管理員的認證標志，顯示于公眾模塊。

4.1.2? 公眾模塊

對公眾而言，“區塊鏈+冷鏈”系統基于區塊鏈節點中的不可被篡改的真實數據，面向公眾開放產品全流程的信息，并且可以追蹤冷鏈生產和物流的各個環節，可以通過技術手段保證公眾了解實情。通過“區塊鏈+冷鏈”溯源機制，公眾也可以更為了解產品、了解企業。

在本系統中，公眾可以通過掃描產品二維碼，進入公眾模塊，查看該產品信息以及生產廠家的排名情況：

（1）查看產品信息功能：即掃碼后，系統向公眾展示產品信息，該信息存儲于區塊鏈中，難以篡改。

（2）查看生產廠商排名功能：與產品展示類似，展示出的是生產廠家的排名及認證標志。

4.1.3? 管理員模塊

區塊鏈技術的高速發展發展已經持續了一段時間，應用了區塊鏈溯源的企業由于增加了成本但沒有收益，熱情也逐步降低，究其原因是社會沒有形成可溯源產品的剛需。根據博弈理論，企業生產高投入低回報的可溯源產品的效能為負。所以管理方應該營造重視產品溯源的社會輿論，將可溯源產品對消費者、對企業的效能提高。當大部分消費者有了溯源意識，企業就會認為帶有溯源的產品可以創造更多利潤，便自然而然地會將溯源作為硬性標準加入產品的屬性中。與此同時，也保障了消費者的權益。

在本系統中，管理員擁有最高管理權，可執行的操作為：

（1）審批產品：通過生產廠家上報的產品。

（2）批次產品檢疫認證：對上報的產品批次進行檢疫，合格后存儲信息于新的區塊鏈節點中。

（3）管理生產廠家：即增刪系統內的生產廠家或工廠，對廠家排名情況動態調整等。

（4）管理區塊鏈：管理員有權隨時對區塊鏈進行核查，系統會定期提醒管理員遍歷區塊鏈中的各個節點，以防信息存偽。

4.2? 數據庫設計

4.2.1? 概念設計

本系統數據庫概念設計如圖3所示，設計符合第三范式。

4.2.2? 邏輯結構設計

生產廠商表（廠商編號，名稱，密碼，地址，聯系方式，審核狀態，管理員編號）;

工廠表（工廠編號，名稱，地址，聯系方式，審核狀態，廠商編號）;

產品條目表（產品編號，名稱，規格，保質期，審核狀態，廠商編號）;

生產批次表（工廠編號，產品編號，數量，生產日期，檢疫信息，批次二維碼，審批狀態）;

管理員表（管理員編號，姓名，權限等級，密碼）。

4.2.3? 數據庫表字段

管理員表記錄了擁有管理操作權限的不同層級的管理員信息，可以通過編號加密碼的方式登錄系統。如表1所示，該數據表包含了必要的信息。

生產廠商表記錄使用本系統的廠商信息，廠商同樣通過編號加密碼的方式登錄系統。如表2所示，表中包含了廠商的主要信息。

工廠表記錄廠商注冊的工廠信息，方便更精準的溯源。如表3所示，表中包含了工廠的信息。

產品條目表記錄廠商注冊的產品信息，設計此表更為貼合產品生產的實際流程。如表4所示，表中包含了產品的主要信息。

產品批次表記錄廠商生產的批次信息，此表記錄的是實際的生產信息，應用中按此表的字段創建新的區塊鏈節點。如表5所示，表中記錄了每批次的生產信息。

4.2.4? 多數據庫設計

為實現與企業關系型數據庫對接，本系統設計了多數據庫存儲機制。其中，溯源系統的數據庫使用MySQL，方便與企業對接并形成結構化數據，方便存儲到區塊鏈節點中。區塊鏈存儲審核通過的數據條目，由溯源系統數據庫中的數據按照一定規則生成。溯源二維碼則是根據產品數據條目生成，存儲于溯源系統數據庫中。設計圖如圖4所示。

區塊鏈中數據條目規則是產品ID加上檢測時間戳和各階段檢疫狀態碼，之間用#號隔開，例如“902298237611#1617004579.9284132#1#1”代表批次號為902298237611的食品，在時間戳為1617004579.9284132時存入節點，存在一次預檢疫合格，最終檢疫合格。如此設計可以很好地和企業數據庫完成對接，通過正則式可以篩選出所需要的信息，而不局限于字符長度。

4.3? 系統界面

4.3.1? Angular運行服務

在項目目錄下，用命令行ng serve--open開啟Angular前端服務，代碼運行截圖如圖5所示。

4.3.2? 生產廠商界面

生產廠商有基本的對產品及工廠的增刪查改功能。也可以向管理員申請Access_token加入區塊鏈網絡，獲得記錄節點以及參與排名的權限。界面截圖如圖6所示。

4.3.3? 公眾界面

公眾可以通過掃碼進入溯源系統，可以訪問某一個區塊和查看生產商排名情況。查看區塊信息如圖7所示。

4.3.4? 管理員界面

管理員的生產商及產品管理界面實現了對各類信息的增刪查改功能。針對區塊鏈的管理，有如圖8所示的功能。

4.4? 系統測試

4.4.1? 功能測試

系統完成后，針對網頁的登錄、數據傳輸等項進行測試，得到測試結果如表6所示。

4.4.2? 集成測試

在功能測試的基礎上，模擬用戶使用過程，對系統進行測試，得到測試結果如表7所示。

5? 結? 論

就傳統冷鏈的物流機制來說，并非其與產品溯源毫無干系。但在后疫情時代，如何做到“快、準、穩”地查明食品感染環節，追蹤食品流向，就需要增設多重檢疫環節并實時同步到該產品的云端信息庫中。如果管理方沒有能力將檢疫覆蓋所有批次的產品，就無法保障產品的檢疫安全，而通過區塊鏈設計可以解決這一問題，前提是可溯源產品在社會范圍內得到認可以及民眾溯源觀念的形成。

如今我們身處后疫情時代，來自非人為因素的威脅不可小覷。如何應對并解決一系列非傳統危機，是全人類的挑戰。而風險的成功規避，要依靠科學技術進步。從冷鏈和區塊鏈的結合可以看出，新技術正在逐步地影響各個方面，人民群眾對美好生活的愿景也因科技逐步變為現實。該系統本著為公眾消費者呈現一個更加透明的產品全貌，為社會完善更為嚴格縝密的市場產品監督體系，為如何做好后疫情時代的冷鏈溯源，提供思路和樣例。

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作者簡介：董文韜（1999—），男，漢族，河南平頂山人，本科在讀，研究方向：信息系統;通訊作者：劉升（1966—），男，漢族，湖北大冶人，教授，碩士生導師，博士，主要研究方向：智能計算、群智能系統、進化算法。