基于區(qū)塊鏈技術(shù)在蜂產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

龔勛 趙海紅 沈晶 曹錳 王璐 馬慶巖 魏文華│文

遼寧葫蘆島市軍民融合和新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展中心，125060

我國(guó)是養(yǎng)蜂大國(guó)，蜂蜜、蜂王漿、蜂膠等蜂產(chǎn)品產(chǎn)量均居世界首位。蜂蜜產(chǎn)品作為天然的營(yíng)養(yǎng)保健品，越來越受到市民的青睞。生活水平的提高使得人們對(duì)蜂蜜質(zhì)量有了更高的要求，更關(guān)注蜜源、加工過程等內(nèi)在質(zhì)量，尤其是蜂產(chǎn)品“藥食同源”的特性，其質(zhì)量的高低直接影響療效和產(chǎn)品口碑。本研究將區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、自帶信任、數(shù)據(jù)公開透明、全程可追溯的特點(diǎn)應(yīng)用于蜂產(chǎn)品質(zhì)量的溯源，從而為終端消費(fèi)者提供蜂產(chǎn)品全周期的信息溯源系統(tǒng)。

一、區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用及特征

1.區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用

區(qū)塊鏈技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用主要起源于比特幣。在比特幣形成過程中，作為存儲(chǔ)單元的區(qū)塊記錄了相應(yīng)時(shí)間內(nèi)各節(jié)點(diǎn)、各區(qū)塊鏈的交流信息[1]。區(qū)塊鏈由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，其中，區(qū)塊頭由版本、父區(qū)塊哈希值、數(shù)據(jù)、Merkle根、時(shí)間戳、目標(biāo)難度、#Nonce值等部分組成；區(qū)塊體包括所有參與交易的輸入、輸出和長(zhǎng)度等交易信息。伴隨著區(qū)塊信息交流的深入和擴(kuò)大，各區(qū)塊通過隨機(jī)散列實(shí)現(xiàn)連接，后一區(qū)塊包括前一區(qū)塊的哈希值，一個(gè)區(qū)塊與另一區(qū)塊相繼接續(xù)，最終形成的結(jié)果是區(qū)塊鏈[2,3]。

區(qū)塊鏈技術(shù)是密碼學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等多個(gè)學(xué)科發(fā)展到一定階段后的產(chǎn)物。區(qū)塊鏈系統(tǒng)本身能產(chǎn)生信用，來自于程序（算法）的不可更改性質(zhì)。因?yàn)閰^(qū)塊鏈記錄信息的產(chǎn)生需要全網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確認(rèn)，而一旦生成將永久記錄，無法篡改[4]。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N由多方共同維護(hù)，以塊鏈結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，使用密碼學(xué)保證傳輸和訪問安全，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)一致存儲(chǔ)，無法篡改，無法抵賴的技術(shù)體系[5]。這種特性為產(chǎn)品的追根溯源提供了技術(shù)應(yīng)用基礎(chǔ)。

2.區(qū)塊鏈技術(shù)的特征

區(qū)塊鏈可以看作是一種分布式賬本技術(shù)，其分布式的存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)可以確保信息的真實(shí)性與完整性，區(qū)塊之間通過共識(shí)機(jī)制聯(lián)系在一起，再結(jié)合密碼學(xué)原理可以有效地防止信息在收集、流轉(zhuǎn)過程中被惡意篡改。區(qū)塊鏈?zhǔn)腔诜菍?duì)稱加密算法、P2P網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、時(shí)間戳技術(shù)的共享數(shù)據(jù)庫(kù)，具有去中心化、共識(shí)機(jī)制、開放透明、匿名性四個(gè)特征。

二、蜂產(chǎn)品質(zhì)量追溯系統(tǒng)功能模塊的設(shè)計(jì)

圖1 蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的功能模塊

三、蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的總體架構(gòu)

蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構(gòu)分為應(yīng)用層、管理層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層、物理層五層。

應(yīng)用層：消費(fèi)者通過手機(jī)APP可以實(shí)時(shí)查看蜂蜜的原產(chǎn)地，蜂產(chǎn)品加工狀態(tài)、物流（快遞單號(hào)）以及銷售等全過程，每一個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)有一個(gè)區(qū)塊記錄著相同的賬本，并且這個(gè)賬本只允許追加而無法修改。每個(gè)區(qū)塊之間都是通過滿足共識(shí)機(jī)制的節(jié)點(diǎn)維護(hù)著整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不需要人為的介入，加上每個(gè)區(qū)塊信息都包含有唯一的時(shí)間戳更加保證了信息的安全性。蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)區(qū)塊上的信息內(nèi)容是通過hash加密保存在默克爾樹上，在極大地保證了數(shù)據(jù)真實(shí)性，防止了數(shù)據(jù)的泄露[6]。

管理層：后臺(tái)或者第三方監(jiān)管需要監(jiān)管者加入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)并且拿到相應(yīng)的公鑰才能查詢。由于區(qū)塊鏈技術(shù)的特性，監(jiān)管者無權(quán)也無法篡改信息內(nèi)容，可以快速幫助監(jiān)管者在蜂產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問題時(shí)進(jìn)行溯源追責(zé)，同時(shí)防止各個(gè)環(huán)節(jié)（尤其是生產(chǎn)和流通環(huán)節(jié)）出現(xiàn)徇私舞弊的情況。

網(wǎng)絡(luò)層：包含腳本代碼、數(shù)字化合約、共識(shí)算法等機(jī)制共同制定控制管理層的規(guī)則，利用腳本代碼使每個(gè)區(qū)塊連接起來并且使其可追溯。共識(shí)算法是一種去中心化機(jī)制，提高了蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的信任度[7]。數(shù)字化合約則是通過代碼控制輸出日志記錄，對(duì)于后面的溯源和監(jiān)管起著至關(guān)重要的作用。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層：主要依托IT技術(shù)，提供網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間的信息交互，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既能接受信息，又能發(fā)布信息，節(jié)點(diǎn)之間通過一個(gè)共同的區(qū)塊鏈來保持通信。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以創(chuàng)造出新的區(qū)塊。

四、蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用

本研究依托江蘇常州生產(chǎn)的數(shù)字化蜂箱，以葫蘆島市數(shù)字化蜂業(yè)示范基地建設(shè)情況為例，增加溫度、濕度、重量感應(yīng)、數(shù)據(jù)傳輸?shù)确淙汗芾硐嚓P(guān)數(shù)據(jù)模塊[8]。通過采集蜂箱信息，蜜源、溫度、濕度、產(chǎn)量、病蟲害防治等信息通過上鏈系統(tǒng)，區(qū)塊鏈會(huì)將蜂蜜品種、生產(chǎn)日期等信息自動(dòng)生成一個(gè)溯源碼，經(jīng)加密并上傳到區(qū)塊鏈中，系統(tǒng)會(huì)生成信息記錄，并附上時(shí)間戳。

成熟蜜采集和蜂產(chǎn)品加工環(huán)節(jié)中，將蜂蜜的加工工藝、生產(chǎn)時(shí)間、操作流程等信息通過上鏈存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，蜂蜜的信息記錄會(huì)隨著供應(yīng)鏈不斷更新。

物流環(huán)節(jié)中，物流企業(yè)會(huì)將倉(cāng)庫(kù)信息、包裝信息、運(yùn)輸單號(hào)、時(shí)間等信息更新到供應(yīng)鏈上。

銷售環(huán)節(jié)中，蜂產(chǎn)品的來源、價(jià)格、銷售單位、倉(cāng)儲(chǔ)環(huán)境等信息寫入之前的更新的信息記錄，完整的蜂蜜供應(yīng)鏈信息記錄自動(dòng)生成。消費(fèi)者購(gòu)買蜂蜜的時(shí)候，只要用手機(jī)掃描外包裝上的二維碼，就能獲取蜂蜜從生產(chǎn)、加工到銷售的每一步情況，并且能保證每一步自己所查詢到的信息都是真實(shí)有效的。

基于區(qū)塊鏈的蜂產(chǎn)品質(zhì)量溯源系統(tǒng)集成蜜蜂養(yǎng)殖、蜂蜜加工、物流運(yùn)輸、銷售等環(huán)節(jié)，采用分布式共享總賬，將區(qū)塊鏈上的各個(gè)節(jié)點(diǎn)組成網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)鏈條上信息的溯源追蹤。

五、小結(jié)

圖2 蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)的總體架構(gòu)

綠色、健康、天然、口感佳逐漸成為市民挑選高品質(zhì)蜂蜜的基本要求。影響這些標(biāo)準(zhǔn)的根本就在于從生產(chǎn)、加工再到銷售這一系列的供應(yīng)鏈的操作是否安全。蜂產(chǎn)品溯源系統(tǒng)有較好的擴(kuò)展性和可移植性，區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、不可篡改、分布式存儲(chǔ)的特點(diǎn)，解決蜂蜜供應(yīng)鏈中可追溯的中間環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)蜜蜂從養(yǎng)殖到消費(fèi)者的全過程精準(zhǔn)可追溯，相當(dāng)程度上遏制了假冒偽劣蜂蜜的流通，為消費(fèi)者提供蜂蜜生產(chǎn)全程數(shù)據(jù)而設(shè)立的數(shù)字化動(dòng)態(tài)追蹤、監(jiān)控系統(tǒng)，同時(shí)也提高勞動(dòng)效率，降低管理成本。

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠?yàn)樯唐匪菰刺峁┬碌慕鉀Q方案，但仍然面臨很多問題。比如：掃描二維碼，溯源到的是這個(gè)標(biāo)簽，而并非商品本身。如果在中間環(huán)節(jié)中商品被掉包，依然是可能混進(jìn)假貨的。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用能為制造、銷售偽劣產(chǎn)品增加了難度與成本，并不能因?yàn)榧尤雲(yún)^(qū)塊鏈就徹底消除[9,10]。區(qū)塊鏈本身的交易速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于現(xiàn)在支付寶、京東的處理速度。這些問題的存在，使得區(qū)塊鏈溯源的發(fā)展任重而道遠(yuǎn)。