區塊鏈在供應鏈管理中的應用綜述

田 陽，陳智罡，宋新霞，李天明

1.浙江萬里學院 信息與智能工程學院，浙江 寧波 315100

2.浙江萬里學院 基礎學院，浙江 寧波 315100

供應鏈是指通過一定組織計劃，把產品、服務、資金等相關要素從一端流向最終用戶的三個或三個以上實體組成的網鏈結構[1]。作為一種線性經濟模型，它可以直接或間接的滿足供應雙方的需求[2]，其中涉及原材料提供商、產品生產商、組裝商、批發商、零售商、運輸公司等多個參與實體[3]。隨著全球一體化進程的推進，企業越來越傾向在全球的范圍內尋求合作對象，全球化迫使各企業力求以更加靈活的方式協調物料的流動[4]。供應鏈管理由此應運而生，其目的是使公司內部和公司之間的運營和戰略制定實現完美的同步[1]。但是在管理的過程中還存在一些問題，如：由于涉及商家眾多，供應鏈信息的不透明性會影響數據的傳遞和可追溯性；系統的集中化會影響產品認證[5]及數據的可信性等。這些問題的出現為供應鏈的高效管理帶來了極大的挑戰。為此，實現信息的透明化，以使相關參與主體可以隨時訪問供應鏈狀態數據；保證數據的防篡改性，以提高數據的可信性等問題逐漸成了供應鏈研究新的突破點。

當前有關企業通過條形碼、RFID等技術[6]提高數據的收集效率，但是由于相關企業之間沒有統一的數據平臺，致使信息共享、數據可信性等問題一直是供應鏈績效提升的極大阻礙。也有學者提出用情感分析替代數據的方式解決透明度這一問題[7]，雖然該方式有助于減少有效決策的行為障礙，但對于供應鏈管理執行階段的精確預測卻表現得差強人意，所以也無法根本上解決問題。

提高數據的透明度和真實性、解決相關參與方之間的信任問題，將對供應鏈績效的提升起到極大的推動作用。區塊鏈作為新興的科學技術，是一種完全去中心化的安全系統，通過去除中心化節點，有效避免了傳統核心機構操縱、篡改數據的可能性[8]。作為數據庫可追蹤網絡中產生的所有交易，并以所有節點共同記錄副本的形式進行數據存儲[9]。通過共識合約使得所有陌生節點之間產生信任基礎，通過默克爾樹技術提供不可篡改的可信數據[10]。近年來，隨著物聯網、移動技術等發展，區塊鏈和食品加工業[11-13]、農業[14-15]、醫療保健[16]、能源[17-18]、機場[19]、工業[20]等領域的結合逐漸由理論轉為實際。

本文研究了不同行業供應鏈的現有區塊鏈解決方案，通過分析每個行業的目標及所面臨的挑戰，進而確定如何通過區塊鏈的解決方案以應對這些挑戰解決行業痛點。本文第1章對供應鏈相關特性進行了論述，詳細介紹了供應鏈和供應鏈管理所面臨的挑戰以及傳統的解決辦法。第2 章介紹了應對供應鏈挑戰的區塊鏈框架的相關特性。第3 章系統闡述不同行業中應對供應鏈挑戰的區塊鏈技術解決框架。第4 章論述區塊鏈技術在供應鏈管理的應用中面臨的機遇和挑戰。最后，對全文進行總結。

1 供應鏈

1.1 供應鏈管理

供應鏈管理是指在實現一定供應鏈效益的前提下，通過對供應商、制造商、倉庫、配送中心和渠道商等實體進行有效組織而使整個供應鏈系統成本達到最小的管理方法。隨著現代化工業的發展，逐漸把資金流、物流、信息流等要素納入供應鏈的管理范疇。其目標是通過對各環節、要素的合理規劃，使供應鏈各階段可以無縫鏈接，實現整體的管理信息化、信息可視化、成本最小化、利益最大化的等目標。

1.2 供應鏈管理面臨的挑戰

供應鏈的有效管理在促進經濟、工業等快速發展的同時，也面臨諸多挑戰。如圖1 所示，供應鏈涉及企業眾多，信息流通不暢和信任化等問題的存在，使得核心企業和上、下游企業之間一直存在利益博弈關系，進而供應鏈成本和效率優化的問題一直無法突破瓶頸。如何優化當前存在的問題，提升供應鏈效率，是目前研究的重點。本節針對目前存在的問題進行詳細梳理，以明確當前的挑戰。

圖1 供應鏈示意圖Fig.1 Supply chain diagram

（1）溯源：近年來因安全意識的普遍提高，消費者對貨品信息真實性和完整性逐漸引起重視。以印度農產品為例，每年因質量問題導致糧食損失高達40%[14]，而且從當前來看，消費者大多只能了解其一級供應商的部分產品參數，對二級或更高級供應商的產品參數了解更少，以至對源頭至終端的全鏈信息產生了迫切的需求。但是由于全鏈參與企業眾多，且地理位置是分散，把眾多企業信息納入統一數據管理系統，使信息得以匯集仍然具有不小的挑戰。另外在供應鏈管理的過程中，核心企業的主導作用顯著，如何在信息匯集的過程中保證其真實性是產品溯源實現的又一大挑戰。

（2）數據透明化：供應鏈涉及主體眾多，相關企業之間信息傳遞渠道不暢，供應鏈信息孤島所產生的消極影響不斷被放大。例如，供需雙方掌握的信息不平衡，對供應鏈各階段信息了解匱乏，會影響相關企業績效的評估，對識別或減輕潛在風險的幾率提出很大的挑戰；產品參數模糊不清會使顧客對產品質量產生懷疑；各生產階段信息模糊，會加大執法人員的執法難度，影響對企業的監督。對于消費者而言，數據的透明化可以讓他們更全面地了解產品，對購買決策提供支持。另外，數據的透明化會使每個階段所花費的時間、產量等信息更加直觀，利于管理者針對性的對系統進行優化。從成本上來講，由于供應鏈各階段產生的成本會影響產品的最終成本，透明度使得成本計算更加精確，并可暴露供應鏈上的非常規操作，數據透明化導向眾望所歸。

（3）相關信息的隱私性：企業生產過程中會涉及多種信息類別，有些信息可以公開，以消除參與主體之間的信息孤島現象。但有些敏感或專有信息，如財務信息、生產工藝、生產成本、用戶的真實身份、交易信息等，涉及商家商業機密，僅能讓部分利益相關者訪問，所以如何對各類信息和人群進行區分，既保證信息的公開性和可見性，又可保護相關信息的機密性，這是一個很大的挑戰。

（4）質量控制：質量控制是指保證產品的實際狀態和相關部門規定的產品系數標準相符。供應鏈涉及多個階段，途徑多，產品質量很容易發生損壞，所以制定行業標準，保證產品質量是供應鏈管理努力的重點。

2 區塊鏈框架

2008年，以比特幣為代表的區塊鏈1.0[21]版本問世，以解決虛擬貨幣支付、流通[22]等方面的安全問題，但是該版本僅停留在技術實驗階段，具體商業應用還未開始。隨著研究的深化，以以太坊為代表的區塊鏈2.0[21]版本問世，該版本在數字貨幣的基礎上融入智能合約技術，使得開發者寫入區塊鏈的程序可以通過智能合約代替人工操作，信息的處理變得更加安全、公平和透明。但是僅停留在金融這一單一領域顯然無法滿足用戶廣闊的需求。于是，區塊鏈進入3.0[21]時代，具體表現為該技術可以與物聯網[23]等設備結合以服務其他相關行業，如：建筑業、食品業、教育業等，以解決行業數據共享等問題。作為基于密碼學的分布式賬本，自問世以來就以去中心化、去信任化[24]、點對點系統、不可篡改性等特性被人們所關注。共識機制的選擇對解決拜占庭將軍問題[25]提供了新思路，使得彼此陌生的節點可通過該網絡安全的進行交易。以分散式方式運行并存儲的智能合約腳本保證協議在權威機構缺失的情況下正常運行[22]，為區塊鏈技術去中心化的實現提供了助力。但是在諸多優點的同時，數據吞吐量的缺陷[26]以及特殊信息加密[27-28]的需求逐漸成為該技術落地各行各業的最大阻礙。為了解決這些問題，該技術逐漸演化為多個分支：公鏈、私鏈和聯盟鏈。本章針對當前區塊鏈的相關特性逐類進行論述，并對目前主流區塊鏈架構相關性能進行匯總。

2.1 區塊鏈的分類

最初區塊鏈以PoW機制抵抗Sybil攻擊保證系統安全性而著稱。但成本巨大且以犧牲數據處理速率為前提的公有鏈[29]，在數據量繁重的當前顯然不利于其實際可用性[30]。因此，對網絡節點進行身份驗證以對抗女巫攻擊的方式逐漸得到各界認可。經過不斷改進，逐漸衍生出私有鏈[31]和聯盟鏈[32]。

公有鏈允許所有用戶參與網絡訪問、讀寫過程，并以所有節點共同存儲數據的方式，保證系統安全性。但是去中心化是以犧牲事務吞吐量為代價實現的，以致該鏈數據上傳速度、智能合約調取速度都受到明顯影響。共識過程方面多采用工作量證明（Proof of Work，PoW）、權益證明（Proof of Stake，PoS）等機制，由于算力支持必然涉及資源消耗，所以對礦工激勵以促使其完成記賬操作成為必然。代表應用包括比特幣（Bitcoin）與以太坊（Ethereum）等。

與公鏈不同的是，私有鏈應用場景多為組織內部，其網絡讀寫權限和共識過程參與受到很大限制。為了實現數據隱私性，每個參與節點都需經過嚴格審核。身份可見性和系統私有化，使該網絡無需特別考慮惡意節點的存在，因此可選用拜占庭容錯（Byzantine Fault-Toleran，BFT）機制檢測節點惡意行為或避免節點宕機所造成的損失。私有鏈應用場景的特殊性使礦工有充足動力完成數據記錄工作，而無需額外獎勵。相較公有鏈而言，快速的數據吞吐量更能保證組織實際需要。代表應用為多鏈（Multichain）等。

聯盟鏈應用場景為若干組織組成的聯盟體。用戶范圍介于公鏈和私鏈之間，是僅允許授權節點讀寫的半開放式網絡。與私有網絡類似的，是數據機密性仍是該鏈需要考慮的因素之一，因此對系統節點進行身份審核同樣成為必然。聯盟網絡內部設置普通節點和挖礦節點，前者負責產生數據并進行定向查詢工作，后者負責對網絡數據進行驗證、上鏈等工作。數據隱私性、安全性、監管等因素的加入，使該網絡更傾向于運用實用拜占庭容錯（Practical BFT，PBFT）、股份授權證明（DPoS）等機制。激勵機制方面可根據該系統的具體業務進行添加或去除。相較公有鏈，該網絡的數據吞吐量更符合實際運營需要。目前代表性應用平臺包括超級賬本（Hyperledger Fabric）、螞蟻開放聯盟鏈等。詳細對比如表1所示。

表1 區塊鏈類型Table 1 Type of blockchain

2.2 共識算法

在傳統集中式系統無需復雜協議即可在成員之間達成共識，通常采用Paxos[33]、Raft[34]等一致性算法以應對數據交換問題。但在分散式系統中需保證所有網絡成員都可參與決定，且該協議必須具備相當容錯能力。1982年，萊斯利·蘭伯特正式提出該觀點，并將其命名為“拜占庭將軍問題”[35]，此后學者相繼提出工作量證明（PoW）[36]、實用拜占庭容錯（PBFT）[37]、權益證明（PoS）、權益委托證明（DPoS）[38]等算法以應對此問題，至此分布式網絡共識問題的研究進入全新階段。表2 對以上四種主流協議做了詳細的對比。

表2 共識協議性能對比Table 2 Comparison of consensus protocol performance

2.3 隱私性

在比特幣中，系統以匹配密鑰對的方式實現用戶信息的匿名性[39]。隨著產業的發展，僅對身份信息匿名的現狀顯然不能滿足用戶的需求。為此，學者針對不同行業問題提出相應方案。文獻[40]提出名為“MedSBA”的醫療數據解決方案，通過通用數據保護規則對病人醫療數據進行細粒度訪問控制，同時使用私有鏈提高即時訪問的撤銷權以保護數據隱私性。文獻[41]提出基于區塊鏈的電子病歷可搜索加密方案，通過構建病例索引實現所有者對數據訪問權限的控制。文獻[42]利用傳統聯接算法對數據進行一次加密，利用基于神經網絡混沌序列的對稱加密算法和基于神經網絡混沌吸引子的非對稱加密算法對數據進行二次加密，以保證電商數據的原始性和機密性。表3 對現有主流區塊鏈加密技術做了分析和對比。

表3 主流區塊鏈加密技術對比Table 3 Comparison of mainstream blockchain encryption technologies

2.4 智能合約

智能合約是合約的數字化，其將協議和用戶界面結合起來，以實現規范網絡關系的目的[44]。早期技術環境的局限性使智能合約發展緩慢。2008年，隨著區塊鏈的出現，人們發現該技術和智能合約的相關特性完美契合，如區塊鏈的透明性可以使參與方直觀了解系統定義的規則，且一旦滿足條件，合約就會自動觸發，全程無需第三方管理員參與。同時該技術為區塊鏈去中心化等特性提供保證，至此智能合約的應用迎來廣闊的前景。

2.5 區塊鏈框架

本節就參與主體監督和管理、陌生節點去信任化、交易隱私、拜占庭容錯、訪問權限、數據吞吐量和系統擴展性等方面，分別選取代表性框架進行詳細介紹以進行全面了解。

比特幣：該系統是公有鏈在加密貨幣領域的運用，在公有鏈框架下任何用戶都可以加入網絡并參與交易。信息的公開性使參與用戶擁有查驗網絡交易的權限，為了實現必要的隱私性，系統為每一用戶匹配秘鑰以保護其身份信息。該應用采用最長鏈原則以應對傳統拜占庭將軍問題，從而達成共識。但惡意節點仍會利用生成最長鏈的方式更改已經確定的數據，為此，比特幣采用merkle樹等技術，使得更改某一數據必須更改該塊之后的所有區塊信息，而工作量證明機制的運用以及區塊生成時間的限定，使得用戶只有超過全網算力的50%才可能實現預期目的。算力上的難度保證了系統信息的安全性，但該機制也存在一定局限性，如：礦工的算力競爭必然造成大量電力等資源的浪費。另外去中心化程度的提高也犧牲了一定的數據處理速率。

Gemini-Chain：該鏈[45]的目的在于解決數字貨幣系統參與主體及其相關交易的監督和管理問題。為了實現此目標，Gemini鏈采取公鏈和聯盟鏈結合的框架結構模式。由銀行等監管機構和其他機構商定控制比例組成聯盟鏈，通過追蹤公有鏈的交易來源并確定用戶身份以實現數字貨幣的監管；通過創新相關協議對交易數據進行加密，以實現隱私保護的要求。同時為了滿足共識的需求，開發者在實用拜占庭容錯機制的基礎上引入信用評級機制，并據此調整聯盟鏈節點的相關權限，以保證系統的高效性、安全性。該機制使得系統中增加新節點、消除惡意節點的靈活性得到了很大提高，而協議通信的復雜度和所需網絡的帶寬卻顯著降低。

TrustChain：該鏈[46]用于解決陌生節點間信任的問題。通過以一種建立交易有效性和完整性的方式替代工作量證明機制，提高系統吞吐量、抗Sybil、伸縮性等方面的性能。而后文獻[47]把該技術引入供應鏈領域，以解決供應鏈領域信任和數據真實性的問題。其通過為每位參與者和供應鏈商品設定信任評分，同時利用多個數據源評估數據的真實性，以衡量從產品到特定供應鏈實體之間不同層次的信任度，以及實體在特定產品供應鏈中的作用，實驗證明該框架的構建使得系統吞吐量和延遲等方面的問題得以改善。

Hawk：該系統[48]用于解決交易信息隱私等方面問題。其優勢在于支持使用零知識證明等加密源語編寫智能合約協議，同時內嵌的編譯器可以將相關指令轉譯為對應的代碼，以致沒有密碼學基礎的用戶也可以編寫協議。另外，在多個合約同時運行的情況下，系統為每個合約指定相應管理器，規則的設定使得管理器即使了解交易內容，也不能隨意影響協議的執行，惡意行為發生后還可能面臨經濟賠償，以此保證系統運行的正常化。同樣解決隱私性的框架還包括Provchain[49]和Zcash[50]，后者通過使用更輕版本的工作量證明機制改善吞吐量和延遲等問題，但伸縮性差和不支持協議編寫自由化等問題是影響其實際操作的因素。

Tendermint：該系統[51]致力于解決拜占庭容錯問題。由于差異化定位，用戶可以根據不同目的開發公有鏈和聯盟鏈應用。該系統的共識算法為一種基于拜占庭容錯的權益證明算法（PoS），該算法使用驗證者角色替代傳統比特幣系統中礦工角色，憑借候選者擁有的權益量輪流獲取記賬權。由于替代了工作量證明機制，其數據吞吐量實現了極大提高。該系統另一優勢為其滿足拜占庭容錯要求，在全網至少3f+1 個節點組成的系統中，即使有f個節點出現拜占庭錯誤，也可以保證系統的正常運行。

MedRec：該系統[52]用于解決電子病歷數據訪問和權限管理等方面的問題。其利用模塊化設計與現有的本地數據存儲解決方案集成在一起，以促進數據的互操作性。利用內嵌的認證、加密和問責機制，保護用戶的隱私不被泄露。同時，該系統可對單個記錄的不同數據進行單獨授權以滿足細粒度的保密需求。為了保證記賬環節的正常實施，該系統以訪問匿名數據為條件，激勵醫療人員參與工作量證明的計算。

QuarkChain：該鏈[53]是基于分片技術的框架，旨在解決公有鏈數據處理速率不足的缺陷，其吞吐量可達每秒十萬級鏈以上，為區塊鏈技術向相關領域的延伸提供了技術上的可行性。該方案是由分片層和根鏈層構成的雙鏈結構，前者負責記賬，后者用于確認其交易。該結構可在保證各層正常運行的前提下，通過動態增加分片數量，使系統吞吐量實現線性提升。安全性方面，該系統基于博弈論引入了礦工激勵機制和全網算力分配機制，使得超過半數的算力被分配到根鏈上，以避免雙花問題并可防止惡意節點的攻擊。另外，該系統支持多個普通節點以功能匯集的方式替換少數超級節點，為去中心化的實現提供了保障。

RapidChain：該鏈[54]是第一個基于分片的公有鏈協議，其意義在于為區塊鏈網絡的擴展性提供了良好的解決方案。在安全性方面，開發者創新出有限的布谷鳥原則以抵抗分片攻擊。同時該鏈可抵抗多達全網1/3節點的惡意攻擊，并可在完全去信任化的基礎上實現交易處理通信、計算和存儲的完全分片。共識方面，該鏈采用一種優化的委員會共識算法，使得該鏈的數據吞吐量可達7 380 TPS，預期確認延遲時間優化為8.7 s。用于更大區塊鏈數據處理的八卦協議和重新配置機制可保證網絡的魯棒性。

Carbon Footprint Chain：該方案[55]致力于以私有集群的輕量級和可擴展區塊鏈在保護數據隱私的基礎上記錄食品供應鏈物品運輸過程中的碳足跡。開發者擬議將物聯網設備集成在卡車上，收集碳足跡、里程、產品等相關信息。該系統有三類節點：領導節點、普通節點和候選節點。領導節點負責將塊打包并以廣播的形式傳遞給其他節點；普通節點負責驗證接收的塊；候選節點負責發起選舉通知。每個節點都包含隨機計時器，計時器即將結束的節點會向候選節點廣播狀態更改通知，請求批準成為領導者。由于基于集群的領導節點不斷變化，且惡意節點只能破壞單個集群，而不能破壞整個區塊鏈系統，所以該機制在保證區塊鏈準確記錄運輸碳足跡的同時可確保了系統的安全性。實驗表明該框架在區塊創建時間、領導選舉時間、吞吐量以及平均交易時間等方面均達到了高性能。

3 區塊鏈和供應鏈管理

供應鏈是指參與不同生產過程及相關活動的上下游企業組成的網狀結構。供應鏈的多階段性以及產品的多樣化使其成為難以管理的高度互聯網絡。在供應鏈管理的過程中不但要解決信息共享、存儲等問題，還要應對不同行業特殊性帶來的挑戰。近年來隨著區塊鏈技術的繁榮，管理者似乎找到應對相關問題的策略和方案。本節就不同行業相關特性論述的基礎上，為應對各供應鏈問題的區塊鏈框架和解決方案進行總結，以對當前研究有全面的了解。

3.1 農業供應鏈

在全球范圍內，農業是解決就業的主要渠道之一，據2018 年世界銀行統計，該產業鏈吸收全球約30%的勞動力，而且其產品關乎社會民生，農業對社會的發展和穩定至關重要。在全球一體化進程快速布局的當前，人們發現該行業還存在諸多問題。如：僅中國就超過230 000家農業企業，但大都屬于中小企業，資源分散[59]且由于該行業從未實現完全數字化轉型，資源調度得不到很好處理。缺乏信息化還使天氣、病蟲害[56]所導致的質量問題得不到科學控制。還會引起交易結算緩慢、信息追溯效率低、標準認證執行差[58]等問題。同時技術缺乏導致中介機構普遍存在[57]的問題，也是行業成本居高不下的主要原因。在這種困境下，相關企業一直尋求技術進步以解決上述問題，但數量眾多的中小企業卻因為資金缺乏，運營成本得不到明顯改善。如何利用現有技術改善當前困境是世界各國普遍關注的問題。

區塊鏈技術的出現，引起人們的廣泛興趣。文獻[59]對農業“散、小、亂、弱”等現狀以及農業資源整合和供需調配模式進行分析，提出一種基于“用戶信息鏈”和“交易鏈”的雙鏈結構農業供應鏈系統，通過交易信息上傳公鏈、個人信息上傳私鏈的方式保護用戶的隱私。通過對資源供需匹配的設計以及信譽評級和資金懲罰措施的引入，保證交易準確無誤的進行。同時針對農業供應鏈數據量大且對數據處理速度要求高的特點，摒棄吞吐量較低的PoW 機制，選擇在POS 的基礎上提出一種更簡潔、更適合考慮權重的農業區塊鏈共識算法。實驗表明該模型在成本上以及數據吞吐量等方面實現了一定的優化。此外該調度模型只與交易雙方各自能力以及交易規則有關，可以擺脫信息不對稱和地理位置的局限性，從而更多小體量或偏遠地區的農業商戶可以進入市場公平參與交易。但是雖然該雙鏈模型通過分類存儲信息以及共識機制創新一定程度上緩解了系統吞吐量和數據存儲的壓力，但是由于交易信息鏈屬于公有鏈，隨著交易雙方的不斷加入，吞吐量、數據存儲以及系統效率的不足會成為該模式最大的障礙。另外作為供應鏈解決方案，對源頭和產品流動過程缺乏信息記錄，也是該模型的缺陷。詳情如圖2所示。

圖2 雙鏈流程圖Fig.2 Double chain flow chart

文獻[15]以大豆為例，認為當前農業供應鏈環境復雜，參與主體眾多，對產地、作物生長、質量標準執行和監測等信息難以驗證。為此提出通過以太坊平臺搭建應用，并引入標準標識符以有效執行業務交易并跟蹤和追溯大豆信息。為了提高系統的數據處理效率，把相關圖片和生產信息存儲在星際文件系統（IPFS）中，而只把相應數據Hash上傳區塊鏈。同時上傳者需要對信息真實性負責，一旦數據有誤，編寫的智能合約能以流程作廢的方式及時挽救損失，并對上傳者進行處罰。此外通過引入攝像頭、傳感器、GPS、lOT 集裝箱等物聯網設備實時記錄、傳輸數據減少數據偽造的可能性。但是由于方案沒有考慮實施成本，以致物聯網設備的引用可能存在些許難度。此外信息隱私性和可伸縮性也是該系統亟需改善的方向。詳情如圖3所示。

圖3 大豆區塊鏈框架圖Fig.3 Framework of soybean blockchain

文獻[60]認為傳統農業物流數據記錄模式已不能滿足當前市場需求，提議建立新型農業供應鏈可追溯系統。開發者通過分析和細化供應鏈數據類別并研究射頻識別（RFID）和區塊鏈技術的利用和開發情況，通過分析其優缺點構建了基于RFID和區塊鏈技術的溯源系統，該系統可以通過收集、分享和傳遞供應鏈真實數據保證食品的安全。但是對于系統搭建成本、隱私性、吞吐量和數據存儲問題缺乏考慮是本系統需要改進的方向。詳情如圖4所示。

圖4 新型農業供應鏈可追溯系統Fig.4 Traceability system of new agricultural supply chain

3.2 食品供應鏈

食品加工業被認為是農業的延伸。隨著全球化的加劇以及外包模式的普及，供應商等參與主體的數量增多，供應鏈變得更加復雜[61-62]。全球化的趨勢也加劇了食源性疾病的爆發。如：2011年德國的大腸桿菌疫情以及2013年英國毒馬肉事件[63]。不僅如此，全球化的發展使供應鏈生產者和消費者之間的地理距離越來越遠，再加上信息不完善的現狀，產品質量控制和必要性的食物召回[64]變得更加困難。至此，供應鏈管理的全程監管引起參與各方的重視，被認為是解決食品安全等公共衛生問題的關鍵手段[64]。典型代表如奶粉供應鏈和紅酒供應鏈領域。但是傳統供應鏈管理系統還存在一些挑戰。比如一些領域還存在紙質化辦公[65]的現象，不僅影響工作效率還經常會為操作的失誤埋單；食品供應鏈各企業大多獨立開發系統[65]，整個供應鏈缺乏統一的信用管理[66]、資源調配、信息共享機制，不利于行業的整體優化。此外，過去集中化管理系統中還存在信息篡改的風險，監管的缺失使商家更愿意通過提供虛假數據賺取額外的利潤，以致三鹿毒奶粉等事件此消彼長[67]。而單點故障發生的可能[68]，也給系統埋下了很大隱患。

隨著區塊鏈技術的出現，科研工作者致力于尋求新方案以解決傳統問題。文獻[67]建立了危害分析與關鍵控制點（Hazard Analysis Critical Control Point，HACCP）、區塊鏈以及物聯網等技術結合的食品供應鏈實時追溯系統。此系統把供應鏈流程劃分為生產、加工、倉儲、配送、零售以及監管等環節，并通過逐個匹配方案的方式，對供應鏈全程進行監控。通過記錄產品數據，以優化產品倉儲管理系統，通過調整產品出庫順序，一定程度避免產品腐敗變質。同時該系統通過對運輸信息的上傳，可助力優化運輸線路。此外開發者還通過引入Bigchain DB以填補規模分散系統的空白。該系統極大降低了傳統信息系統被攻擊的風險，而且對信息透明性以及系統整體效率的提升提供了良好的方案。但是該方案在充分利用RFID 物聯網設備的同時，并沒有考慮該方案的實際運作成本。同時隱私性和系統擴展性、吞吐量等問題也是該方案未來的研究方向。詳細如圖5所示。

圖5 基于HACCP、物聯網和區塊鏈的追溯系統Fig.5 Traceability system based on HACCP，Internet of Things and blockchain technology

除了追溯系統外，文獻[66]致力于通過建立區塊鏈信用評估系統加強對食品供應鏈監督管理的有效性。該系統針對傳統評價體系中只注重銷售者對商家單方面的評估現象，引入LSTM技術對信用評價文本進行分析，最終形成雙向信用評價標準，以在食品供應鏈中“多方利益相關者”之間的誠信交易和“信息不對稱”問題上發揮監管作用。具體流程為：交易雙方首先通過應用程序接口進行交易，然后通過調用智能合約對交易對象進行主觀評價（該交易和評價結果上傳區塊鏈），最后通過經過訓練的LSTM模型對上述評價進行分析和處理，并將結果反饋給監管機構，以便采取相應措施。該系統通過設置交易金額權重，把商家的信用評分與有效交易金額的權重乘積作為該商戶的最終信用值。通過規則的設置使得交易額越高，評價就會越客觀。此外系統通過CA 認證為不同參與節點設定不同訪問控制權限，可一定程度上保護用戶隱私。為了方便訪問，開發者將原型實現為一個Web應用程序，使得用戶通過普通瀏覽器就可以訪問系統。實驗表明，該方法比傳統支持向量機（SVM）和Navie-Bayes（NB）等機器學習方法具有更好性能。但是，對區塊鏈系統吞吐量、擴展性等指標缺乏討論是文章的一個缺陷。詳情如圖6所示。

圖6 基于區塊鏈的信用評估系統Fig.6 Credit evaluation system based on blockchain

3.3 醫療供應鏈

有效的供應鏈管理是當前所有行業面臨的挑戰，但是在醫療保健領域中，這種挑戰可能更加緊迫。因為該領域直接影響患者的安全和健康。藥品作為醫療衛生領域的重要一環被世界各國所關注[69]。2017年，世界衛生組織在全球患者安全部級峰會上把用藥安全列為一項全球性問題，致力于通過5年努力把原來藥物事故率降低50%。因為據估計，市場上流通的藥品中有接近10%是不合格的[70]，這一現象在經濟發展緩慢的國家更為常見，藥物計量不合格或其中的有害成分可能對患者產生致命影響。所以藥品供應鏈的全程監管在全球幾乎達成共識。除此之外醫療設備供應鏈的安全性也是社會普遍關注的領域。該供應鏈產生的信息不僅包括生產數據還應該包括設備的使用數據。例如，心臟功能缺失的患者可能依靠心臟起搏器等設備記錄日常健康數據[71]，以便醫生對癥治療。但是該技術在提供便利性的同時，也可能面臨黑客惡意訪問、篡改數據等風險，如何保證數據系統安全以及數據不可變對該領域至關重要。目前各國逐漸在該領域實現了數字化轉型。但是還存在一些挑戰。如無法避免數據被非法訪問和篡改，而且權威機構主導的系統又面臨單點故障的風險。

區塊鏈技術的出現，促療領域相關問題的新型方案。文獻[72]討論了藥品供應鏈存在的缺陷，并描述了假藥流入市場可能的途徑。針對當前藥物造假、濫用等現象，提議對現有藥品供應鏈進行改造，將跟蹤技術引入供應鏈系統，并貫穿于供應鏈流程始末。通過基于RFID等物聯網和區塊鏈技術的結合維護交易信息的完整性和不變性。但是文章對于RFID 系統面臨的財務、技術以及數據隱私方面討論較少，是該方案未來研究的方向。

文獻[73]提出開發名為LifeCrypter 的區塊鏈框架，以保證藥品供應鏈的完整性、可追溯性和透明性。該方案為每種藥品附加識別標簽，同時支持所有虛擬和現實所有權在區塊鏈網絡進行驗證和流通，使流經供應鏈的所有信息能被完整記錄在分布式賬本中。通過為每一患者提供操作簡易的應用程序，使用戶可以清晰看到各藥物的溯源信息，以此杜絕假藥的分銷。另外在分析了早期藥物研發階段存在的問題后，認為該框架可以提高藥物研發過程的有效性和數據透明性，這對緩解監管部門、投資商等參與主體與研發者之間的信息不對稱起到很好助力作用。但是對于系統擴展性、醫療數據隱私性、數據吞吐量等特性缺乏討論是文章的不足之處。

文獻[74]在RFID 系統中實現了一個基于區塊鏈技術的ABAC（Attribute-Based Access Control，基于屬性的訪問控制）模型。用以對醫療設備的訪問和使用情況進行管理。在實際運用時，當被RFID 標簽標記的醫療器械進入使用環境時，標簽識別器會向DApp 發送請求。在接到請求后DApp 通過智能合約向區塊鏈網絡發送查詢以了解產品類型、序列號等相關屬性。然后根據該屬性執行ABAC安全策略，最終確定是否允許或拒絕標記訪問。目前開發者將AC 策略由智能合約移至DApp 中，以避免系統延遲以及規則公開化。但從系統安全性出發，未來將考慮在私有鏈智能合約中實現該策略。另外該系統對網絡監控、計算機延遲、帶寬消耗等方面進行了測試，且表現了良好的性能。詳情如圖7所示。

圖7 基于區塊鏈技術的ABAC模型Fig.7 ABAC model based on blockchain technology

3.4 工業供應鏈

工業是指涉及原料生產、產品制造的產業或工程，在全球經濟中起著重要支撐作用。以汽車制造業為例，社會化分工的出現，使得一個零部件可能涉及多家供貨商。市場競爭的加劇促使核心企業聯合眾多供應商、分銷商、零售商等主體組成利益網絡以提升產業效率并降低生產成本。進行社會化分工進而組建供應鏈的方式雖然一定程度上提高了行業產能，但是由于市場競爭和信任化等問題的存在，相較于分工之前企業掌握的信息類別逐漸減少。使其不能很好的預測供需問題甚至對產品相關指標信息產生懷疑，這些問題的存在不利于行業競爭的正常化。另外電子行業中，核心企業往往采用代加工的方式降低運營成本，信息的不透明性[75]，使得產品爆炸等安全事故頻發。同時，電子設備的增多也促進了該領域逆向物流的發展，手機等設備返修或翻新過程中數據管理和隱私保護[76]是該領域發展面臨的挑戰之一。

針對這些問題，專家學者致力于尋求相關技術以改變當前現狀。區塊鏈技術的出現，使相關主體看到了希望。文獻[77]針對航空工業供應鏈場景描述了區塊鏈技術對航空供應鏈各階段的上鏈細節，以及優化航空配件庫存、監控性能以及使用情況的必要性。認為該技術有助于實現飛機部件供應的透明化，以降低黑市配件的供應；有助于分析航空零件的供需關系、可用來源，以對采購提供指導性建議，同時通過對各零件參數指標上鏈，可對飛機零件壽命和故障進行預判，以減少飛機的安全事故。但是該方案只描述了供應鏈和區塊鏈技術結合的相關細節，具體實踐過程中相關建議描述較少。

文獻[78]選擇Hyperledger Fabric 作為汽車工業區塊鏈框架，以Composer 特定的訪問控制語言編寫訪問控制規則（Access Control Lists，ACL），以對不同信息的訪問權限進行設定。該框架還使用了Hyperledger Composer 工具，通過添加抽象層以簡化應用程序。并以添加消息隊列遙測傳輸協議的方式方便物聯網技術的發送和接收數據，使得發送方可以在不了解接收方的情況下傳遞數據。具體操作方面，開發者為各汽車部件安裝RFID標簽，同時以在每個控制器嵌入了RFID閱讀器和相關傳感器的方式進行數據的讀取和記錄，并通過將Hyperledger結構網絡、composer、REST-API以及RED 服務器等集成在Google 云服務器上，以使物聯網設備可以在任何互聯網連接正常的地方使用。同時該框架為每個產品設定唯一識別標識并以記錄公司名稱、位置等信息的方式確定產品來源，通過記錄庫存、裝配、運輸、銷售等信息保證供應鏈信息透明性。此外該模型還支持使用外部數據庫，數據記錄在外部數據庫，而只把Hash 值和產品ID 存儲在區塊鏈系統中，以緩解數據量過大造成數據擁堵的現象。該系統還開發了Web 服務器，允許用戶通過前端接口訪問區塊鏈網絡。但是系統的可伸縮性、成本等特性的探討較為缺乏，是系統研究的方向。詳情如圖8所示。

圖8 汽車工業區塊鏈框架Fig.8 Framework of automobile industry blockchain

文獻[76]以手機設備為例，針對逆向物流數據隱私、管理等問題，提出基于以太坊平臺的分布式無信任電子設備RL 活動框架，并通過智能合同等技術開發了自主有效的后端數據共享架構，以跟蹤逆向物流過程。針對區塊鏈技術吞吐量低的缺陷，方案采用了一種鏈外存儲方法如IPFS來實現整個逆向物流活動重要記錄的存儲和檢索，而只把記錄的散列存儲在區塊鏈上。針對數據隱私的問題，開發者通過智能合約實施訪問控制的限制。但是該架構是私有區塊鏈，必然是以犧牲去中心化為代價實現的，另外擴展性可能會成為該方案的瓶頸。

3.5 其他相關產業

對于區塊鏈來說，金融方面是不得忽略的領域。該技術自誕生以來就一直影響著金融產業的發展。金融機構由于文件冗余、收費延遲等現象，為惡意分子提供了可乘之機，據估計每年遭受經濟犯罪行為的金融機構高達45%，使得其監管成本不斷攀升[79]。此外由于Dodd-Frank 等法案的要求，銀行等金融機構在數據傳遞、透明性等方面面臨更大挑戰[80]。而區塊鏈技術成為簡化流程并保證數據傳遞的突破口。2017年2月，韓國金融投資協會聯合26 家證券公司和5 家區塊鏈公司搭建聯盟鏈，試圖利用區塊鏈技術進行身份認證、信息共享、清算和結算等操作。在實際運營中，用戶信息只要一次注冊即可在所有金融機構實現信息同步，極大提高了便利性。同時對系統安全性和監管等方面的成效也得到顯著改善[81]。

另一個被關注的是多媒體領域。由于當前該領域缺乏可信機制以方便檢索內容使用、篡改等方面的信息，導致藝術品數字化備份、新聞內容經常被用于各種目的使用，甚至被篡改以進行虛假宣傳，對創作者積極性形成極大侵害。針對這些問題，文獻[82]提出了一種基于水印的多媒體區塊鏈框架。該水印由操作歷史哈希以及可檢索的原始媒體內容的圖像哈希組成，前者記錄作品的更改歷史，使得作品一旦被去除水印，操作歷史就會自動寫入區塊鏈，而內容簽名的存在使相關方可以及時定位被篡改的內容區域。以此保證創作者的相關版權。同時該方案嵌入認知機制，以保護用戶隱私。但是隨著作品數據的加劇，吞吐量和數據存儲帶來的挑戰會逐漸變大，此特性也是該方案需要改進之處，另外成本因素也需考慮。詳情如圖9所示。

圖9 基于水印的多媒體區塊鏈框架Fig.9 Framework of multimedia blockchain based on watermark

供應鏈行業及挑戰如表4所示。

表4 供應鏈行業及挑戰Table 4 Supply chain industries and challenges

4 區塊鏈和供應鏈管理結合的機遇與挑戰

（1）吞吐量：不可篡改保證了數據透明、產品追溯等特性存在的價值，是區塊鏈技術能被供應鏈成員采納的關鍵吸引之一。然而該特性可能以犧牲吞吐量為代價，隨著物聯網設備的引入，數據量必然迎來空前的增加，如果在每個塊中設置大量事務，則Merkle樹哈希計算也會降低整體處理速度[85]。如何提升系統吞吐量等性能，是區塊鏈技術面臨的挑戰之一。目前一些方案試圖通過星際文件系統改善存儲方式，減少數據上傳量以提高數據處理速度，但隨著數據量的加劇，該方案不能一勞永逸。

（2）成本：區塊鏈的引解決提供了新思路，但是為了保證系統的正常運行必然涉及多項資金用途。如：系統的開發、維護、保證算力等硬件設備的投入，電力等資源的消耗等。除此之外，為了保證數據的收集，可能需要數量巨大的RFID 等物聯網設備以及與之配套的RFID標簽，設備的成本是當前該技術實施的阻礙之一。當然這一挑戰也為整合和優化多方繁重數據提供了機會。

（3）安全性：當前區塊鏈和供應鏈結合的安全性研究更多集中在確保區塊鏈技術的容錯性方面，但是供應鏈各階段數據的獲取主要依靠物聯網設備，而該設備由于算力、存儲有限，易受到惡意攻擊[86]。如何確保數據的安全輸入是該領域亟需解決的關鍵問題。另外，用戶常常通過保存私鑰以維持賬戶的安全性，而當前系統缺乏更改秘鑰機制，在秘鑰丟失的情況下如何保證信息安全也是當前需要研究的問題之一。

（4）隱私性：區塊鏈系統利用識別秘鑰對的方式進行交易，雖然用戶無法通過讀取賬本信息直接識別實際身份，但是匿名性并不代表不可追蹤，仍然可能通過多個固定交易模式推斷用戶實際身份，在當今競爭激烈的市場下，隱私性的及時解決尤為重要。目前，一些方案采用注冊認證的方式緩解該現狀，但是該方案的作用具有局限性，且是以犧牲去中心化為代價實現的。

（5）可伸縮性：相關參與者需要保留獨立賬本的方式以保證系統的不可篡改性，隨著市場交易規模的不斷擴大，必然會產生數據冗余、數據庫過載等情況。所以創新當前思維，解決區塊鏈可伸縮性的問題尤為關鍵。bitcoin-ng中分解分類賬等方式可能是當前該問題的突破口。

5 結論

區塊鏈作為記錄、保存數據的公共記賬本在防篡改、去信任化等方面顯示出極大的優越性。同時可有效緩解不同行業信息不對稱以及公平公正的問題。本文介紹了供應鏈及其管理的相關特性、運作特點以及農業、食品、醫藥、工業、電子等多個行業供應鏈中面臨的挑戰。通過引入區塊鏈技術，針對不同行業以及供應鏈的痛點，為各相關問題梳理了對應的區塊鏈解決方案，并對各方案的優缺點進行了簡述。目前吞吐量、擴展性、隱私性等方面的問題仍然是該技術推廣的一大障礙。同時成本問題決定了物聯網技術能否融合到各方案內，這對于各方案數據的精準收集至關重要。基于此，本文分析了區塊鏈技術在供應鏈管理中的機遇和挑戰，并討論了未來的研究方向。