基于區塊鏈和大數據的臨安山核桃質量的柔性溯源系統研究

陳雨凡

（南京航空航天大學，江蘇 南京 211106）

0 引 言

杭州市臨安地區是國內山核桃的主產區之一，也是有據可查的原產地，至今有500年以上的栽培史，素有“中國山核桃之都”的美譽。該地區所產的山核桃具備粒大殼薄、果仁飽滿的特點，輔之以傳統加工手法和現代食品工藝，其山核桃相關產品以香脆可口的特點而聲名在外。隨著電子商務等流通領域的發展，我國農產品的銷售渠道日漸豐富，在農產品銷量增加的同時，食品安全問題不容忽視。山核桃銷售領域出現了農藥殘留過高、摻雜陳籽空籽、濫用各類香精和添加劑等問題，甚至出現了以次充好、冒名濫用的現象。以上問題的出現，一方面是不少企業缺乏誠信，無道德底線，只追求利潤，忽視質量；另一方面，由于市場監督漏洞大，檢測機制和抽查手段落后，很難對山核桃進行有效的管理和甄別。

從產地到工廠，從加工到銷售，山核桃等農產品要經過多個流通環節，其中每個環節都存在導致農產品被污染、生產信息被篡改的可能性。當前，利用區塊鏈、大數據、云計算等信息手段快速、高效管理食品安全信息，實現食品安全溯源，尤其是農產品安全溯源，已經成為趨勢。

1 溯源系統的技術現狀及存在的問題

在我國早期的農產品溯源技術研究中，較為重視信息采集技術的創新與突破，關注如何充分采集溯源數據以及覆蓋完整的產品供應鏈。因此，我國目前的農產品溯源技術結合產品自身的供應鏈特征，及物聯網技術、二維碼技術，并運用隨機自助采樣、移動設備拍照、高精度激光掃描、射頻識別（RFID）等數據采集手段，構建了層次多樣、功能豐富的農產品溯源模型，實現了全供應鏈溯源。相比之下，相關數據安全存儲領域的技術發展明顯滯后，溯源數據普遍采用中心化數據庫進行存儲，數據面臨完全暴露的風險，任何可以接觸到數據的人員都可以隨意對溯源數據進行操作，嚴重影響了溯源結果的可信度。

楊信廷等人提出以質量安全追溯為核心，以供應鏈、信息技術為坐標架構，涵蓋產品鏈、服務鏈、技術鏈的農產品質量安全追溯模型，繼而構建了一體化農產品及食品全供應鏈追溯系統，但依然無法保障溯源中心數據庫的安全，使得前期數據采集、數據分析工作的價值大減，相關溯源結論真實性大打折扣。董玉德等人運用HACCP（危害分析和關鍵控制點）體系，通過系統功能模塊化思路設計了面向服務的多層分布式農產品追溯模型，用以溯源農產品供應鏈安全，并優化數據庫架構，但其本質上依然是傳統的中心化結構，數據安全風險很大，影響溯源結果的可信度。鄭開濤提出基于時空編碼技術的農產品質量安全多邊追溯平臺，整合不同的農產品溯源系統并建立統一的大數據認證中心和多方授權認證機制，保障溯源數據的交流，以此改善我國追溯系統分散不集中的現狀。但遺憾的是，在此體系之下依然存在存儲介質損壞或數據被篡改的風險，這會破壞溯源平臺的公信力，降低追溯系統間的互信程度。不難看出，現有的溯源系統普遍存在以下問題。

（1）信息存儲技術落后，溯源數據真偽難辨。溯源系統當前廣泛使用單一數據庫進行中心化數據存儲，優點是結構簡單，維護成本較低；但在數據安全層面存在巨大隱患，數據庫可能被篡改，即使采用數據庫備份等手段，依然無法保障數據的真實、可靠，很難通過數據鑒別判斷溯源數據的真偽。

（2）信息記錄多源，追溯效率低下?，F有溯源系統中，農產品在各節點源頭均有相應記錄（如在農場、物流公司時，都會有產品記錄信息），這些信息記錄需要分別進行錄入、對賬，整體效率低下；如果出現信息不對稱等情況，就需要進行大規模追溯數據校對，進一步降低效率。

（3）源條碼可復制，數據安全性低。溯源系統廣泛采用源條碼技術，通過二維碼、條形碼等實現農產品一物一碼的對應關系，而條碼具有可復制性，且復制成本低、難度小，導致整體數據安全性不高，致使農產品溯源體系失效。

2 山核桃柔性溯源系統的設計與實現

2.1 基于區塊鏈的山核桃產品的柔性追溯和可信溯源技術實現

柔性追溯（溯源）一般指對產品特定供應鏈環節提供多種實現模式。以農產品銷售為例，不同農產品的銷售方式和銷售渠道各不相同，因此相應的銷售數據具有不同的特征和屬性，不應以相同的方式進行處理，而是應該在溯源系統中針對具體需求創建多個“實例”或“范例”，對應不同的產品與場景?；谵r產品自身特點，其溯源模型的柔性較差，需要以分布式建模替代集中式建模，形成去中心化的數據結構，將農產品供應鏈環節的溯源通過策略封裝至具備事務處理邏輯和數據存儲功能的獨立模塊內，并利用互聯網技術實現模塊間的信息互通和數據通信。

在此柔性溯源模型中，供應鏈環節的銜接通過各模塊間的相互調用方式實現，形成去中心化的非固定順序。該模型的優點在于應用“柔性溯源”理念，為相同供應鏈提供了多樣化的溯源實現模式，初步解決了農產品溯源困難、可信度低等關鍵問題。在本項目研究中，柔性溯源模型也存在一定的局限性，主要體現在“柔性”覆蓋范圍不足，難以對復雜多變的山核桃生產過程進行全面建模，且供應鏈本身的復雜度也在不斷提升，各環節間的銜接順序也會隨著生產需求的變化而靈活變動，因此當前的山核桃柔性溯源模型還需要進一步優化、升級。

區塊鏈技術具備分布式存儲特征和不可篡改的特性，將區塊鏈技術深度融入模型之中，與已有的山核桃柔性溯源模型相結合，進行系統柔韌性升級并進行區塊鏈存儲結構改造，增加一系列更為合理、更加高效的配套模塊，實現關鍵溯源數據的安全存儲，在提升系統柔韌性的基礎上保證溯源數據的可信度，初步實現基于區塊鏈的山核桃柔性溯源模型。柔性和非柔性追溯模型的追溯過程如圖1所示。

圖1 柔性和非柔性追溯模型的追溯過程

2.2 山核桃溯源系統的總體架構

區塊鏈技術采用分布式記賬系統，依靠數據加密算法生成相關聯的鏈式數據結構，形成了去中心化、具備共識機制的安全數據庫，其內部數據是公開透明、不可篡改可的。本溯源系統每個基礎模塊中都運用了區塊鏈技術，用以存儲關鍵的溯源數據。通過增加一系列高效的配套模塊最終實現預期功能，兼顧系統柔韌性與數據可靠性。圖2所示為山核桃柔性溯源全過程。

圖2 山核桃的柔性溯源過程

山核桃溯源系統分為信息采集、信息傳輸以及信息發布三部分。圖3所示為山核桃溯源系統。RFID數據采集系統遍布產品流通的所有節點，以此實現對各節點的數據采集、存儲以及網絡連接，進而建立一個山核桃產品流通追溯數據庫。當用戶、監管部門以及消費者發現山核桃產品出現質量問題時，可以通過該數據庫里的相關信息對山核桃產品進行溯源，并找到問題的根源?；诤Ａ繑祿纳胶颂宜菰聪到y的具體技術特點如下所示：

（1）數據采集。在山核桃產品流通的各個節點都安裝RFID讀寫設備，生產加工商為信息的源頭，此節點的RFID標簽將錄入產品的EPC碼，以此可以得知山核桃產品的出庫地點、時間等信息；農產品分銷商記錄產品入庫、出庫、退貨等信息；在零售節點，零售商將記錄相應信息。各節點的信息是否完整、準確將決定山核桃產品溯源的快速、可靠與否。

（2）RFID數據處理技術。RFID的數據采集系統由于讀寫器數量眾多、易產生冗余數據、EPC標準限制等原因，導致相應得到的原始數據往往繁雜冗余且夾雜很多錯誤，這促使我們研究如何從中低成本、高效地提取有用信息。

（3）海量信息處理。山核桃產品由于具有數量眾多、流通范圍大、分布范圍廣等特點，使得相應信息數量十分龐大，因此選用云計算。通過云計算平臺技術所構建的農產品溯源系統（此處也可特指山核桃產品）可以及時接收加工商、分銷商、零售商、消費者等各節點數據，并實時進行高效處理。

山核桃溯源流程如圖3所示。

圖3 山核桃溯源流程

2.2.1 設計思路

利用物聯網技術在山核桃產品銷售各個節點動態采集數據并整合，通過云計算平臺構建數據云存儲庫、山核桃產品供應鏈信息數據庫、谷歌地圖動態地理信息數據庫以及PB級山核桃產品溯源查詢信息中心。

2.2.2 系統架構

基于海量數據的山核桃溯源系統采用B/S架構設計，系統云平臺層采用大數據計算服務平臺技術，實現并行計算與秒速查詢。系統數據庫層采用分布式關系，實現非關系型數據庫存儲。系統應用層包含分布式數據采集，具備查詢、防偽、投訴等功能，可通過多終端對各類信息數據進行實時動態采集，并按需求分別發送給不同用戶。用戶層包括監管部門、企業和消費者，監管部門可通過舉報頻次熱度開展信息追蹤、獲取輿論監控信息等。企業可以對山核桃產品進行追蹤管理。消費者則可以獲取溯源信息并對假冒偽劣產品進行舉報投訴。基于海量數據的山核桃溯源軟件系統框圖如圖4所示。

圖4 基于海量數據的山核桃溯源軟件系統框圖

2.2.3 數據庫建設

數據庫主要由以下幾類數據庫組成：

（1）山核桃產品專題數據庫：該庫主要存儲溯源信息、企業信息、監測信息等。

（2）地理環境專題數據庫：該庫包括產地地形、降水、氣溫等信息數據庫。

（3）空間區位專題數據庫：該庫包括空間地理數據庫、谷歌地圖數據庫、投訴輿情空間數據庫等。

（4）用戶反饋數據庫：該庫包括反饋農產品信息、反饋時間、反饋位置、反饋內容等信息。

2.2.4 開發技術

山核桃產品溯源系統主要基于Max Compute大數據計算服務平臺，前端利用Echarts.js、CSS3、Ajax、HTML5、ArcGIS API for JavaScript等技術，采用Vue.js前端開發框架進行前端開發，Webpack作為項目打包工具。后端利用Node.js開發，使用阿里云x86 Linux服務器。

2.2.5 功能模塊設計

山核桃產品溯源查詢系統可分為3個功能模塊，即投訴舉報模塊、防偽驗證查詢模塊和溯源信息查詢模塊，如圖5所示。

圖5 山核桃產品溯源查詢系統

（1）投訴舉報模塊。消費者可對問題產品進行舉報投訴。系統將查詢者的地理信息存儲至動態地理信息數據庫中，并通過相關技術平臺（如網絡地圖平臺）向查詢者可視化展示被查詢商品的舉報信息，方便其甄選。

（2）防偽查詢模塊。用戶獲取防偽編碼后，可通過掃描二維碼的形式進入溯源界面，輸入相應的防偽碼，查詢山核桃產品的真偽。每個防偽碼只能被查詢驗證一次，如果該碼存在被他人二次查詢的情況，則極有可能存在假冒偽劣產品；同樣，如果輸入的防偽碼不存在，也有很大可能存在以上情況。

（3）溯源信息查詢模塊。溯源信息查詢模塊包含5個子模塊：①追溯信息模塊包括生產企業、采摘、加工、檢驗、裝載運輸等流通過程信息；②證書信息模塊包括官方證書等信息；③檢測檢疫模塊包含產品取樣、分裝信息、開箱信息、標簽信息等；④企業信息模塊包括企業名稱、食品生產許可證等信息；⑤產品信息模塊主要包括產地、名稱、編號、地址、加工廠、保質期等信息，用戶可利用手機、Pad等終端掃描二維碼進行查詢，系統會將相應的各項溯源信息在終端顯示。

3 系統應用與相關平臺的搭建

設計搭建一套山核桃產業綜合性管理平臺作為其相關應用的總入口、相關“數字產業”的公共門戶。建設相關產業云平臺，可以提供如信息檢索、安全控制、狀態監控服務、地理要素可視化展現等統一的集成功能和基礎技術框架。山核桃數字產業云服務平臺架構如圖6所示。

圖6 山核桃數字產業云服務平臺架構

構建山核桃產業的數據資源庫，包括山核桃市場數據庫、山核桃資源環境數據庫、山核桃投入品數據庫等，可實現與山核桃產業管理部門乃至其他產業的數據互通，為今后接入更高層次的農業農村大數據平臺做準備。山核桃產業的生產、加工、銷售乃至品牌化全程都將由山核桃云平臺實現數字化管理與服務。

從業主體管理體系：對于所有山核桃相關產業的從業人員進行信息管理，并制定一套完善的人才培養方案；通過物聯網數據采集與專家系統分析，實現對山核桃種植基地的天氣、土壤、病蟲等多方面信息的實時數據監控；為相關從業人員及時提供科學診斷信息和預警，規避重大損失風險；對山核桃生產過程予以在線指導，并為后續銷售提供最優渠道。

后期將建立一套完善的信用體系，包含山核桃供應方、山核桃產品生產設備提供商以及各類山核桃產品銷售商，為農業金融服務、農業化設備供給以及銷售的最優策略等方面提供保障。

投入產品管理體系：對山核桃產品及相關經營實行信息化管理方式，例如通過物聯網渠道監測樹種生長態勢，通過大數據時刻掌握農資市場情況等。通過建立基于GIS的數字生產服務系統，滿足管理全程智能化、數字化的需求。利用山核桃品質追溯與監管系統對山核桃產品提供質量追溯、管理控制以及供應鏈管理、備案審批等服務。

4 結 語

區塊鏈技術具備去中心化、共識機制、公開透明、不可篡改等特性，使其在農產品溯源中有著廣泛的應用前景。本研究基于區塊鏈技術設計了臨安山核桃柔性溯源系統，對柔性溯源系統模型、系統架構以及各功能模塊進行了構建與分析，實現了數據的分布式存儲，解決了傳統溯源系統因中心化導致的數據被篡改，安全性低，溯源效率低下，信息不透明等問題。同時構建了查詢系統模塊，保障了消費者對山核桃產品相關環節的知情權、舉報權、投訴權等合法權益。在此基礎上，基于阿里云Max Compute大數據計算服務平臺實現山核桃柔性溯源系統，并搭建了一套山核桃產業綜合管理平臺作為其系統相關應用的總入口。該系統相比傳統溯源系統有著安全性高、效率高等絕對優勢，為臨安山核桃溯源提供了可靠的平臺。

區塊鏈起源于比特幣，目前已被廣泛應用到社會的各個領域，但僅僅發展了十余年的時間，因此技術尚未成熟，存在一些重大隱患，例如數據的高度公開容易導致隱私泄露；數據的不斷增加，應用規模的不斷擴大，區塊容量瓶頸問題會越來越突出等，這些也是后續研究需要著重解決的問題。