基于5G-IoT和區塊鏈的乳制品供應鏈安全監測研究

鄭瓊華

（浙江紡織服裝職業技術學院，浙江寧波 315211）

乳制品營養豐富的同時鮮活易腐，易產生質量問題，乳制品供應鏈包括養殖、鮮奶供應、生產、加工、配送、物流、分銷、零售等多個環節，涉及的成員眾多、信息來源廣泛復雜，質量安全風險因素較多。在供應和產出環節，奶牛品種、養殖環境、養殖方式、飼養規范、擠奶設備和消毒規范等對原奶的質量具有極大影響。在生產加工環節，機器設備性能、人員操作規范、生產管理等影響著乳制品成品質量；在倉儲和配送環節，倉儲配送的溫度、濕度、運輸設備的性能、存儲條件和運輸時長等也會對乳品質量安全產生很大的影響；在分銷和銷售環節，銷售環境、人員素質、消費者的消費習慣則對乳制品供應鏈末端的質量產生影響。乳制品供應鏈各個環節的信息追溯和安全監控都對乳品的質量安全至關重要。因此，供應鏈的全部節點都需要信息實時共享、實時追溯、實時監管。

1 乳品供應鏈安全監測的背景及意義

1.1 生活水平的提高促進了乳制品消費量創新高

隨著生活水平的提高，消費者對健康綠色的商品日漸推崇。乳制品具有豐富的營養，近年來消費量得到極大的增長。行業數據顯示，2021年全國乳制品產量為3 031.7萬t，同比增長9.4%，預計2022年我國乳制品企業數量將達599家。為推動我國牛奶行業的快速平穩發展，完善我國牛奶產業鏈，國家加強了對牛奶質量的監督管理。近年來，我國乳制品人均消費量有了很大的提升，但與世界平均水平還有一些差距，隨著乳制品消費意識的崛起，乳制品市場發展空間大，預計2022年將進一步增長至7 107億元。

1.2 消費升級環境下，消費者更關注乳制品的質量安全

近年來，人均GDP不斷提高和消費升級的環境下，消費者越來越關注乳制品的品牌和質量安全。但2008年以來出現的乳制品安全事件，導致消費者對國內乳制品的購買信心受到影響，政府監管部門、行業相關部門、乳制品企業也加大了對乳制品質量安全的監督和控制。

1.3 增強乳制品消費信心的需要

基于乳制品的巨大需求和多次出現的乳品質量安全問題的矛盾，消費者對國產乳制品缺乏信心，進口乳制品受到國內消費者的追捧。國內乳制品生產商面臨著市場巨大和消費者消費信心不足的矛盾，成為乳制品質量安全的乳品企業急需解決的首要和關鍵問題。對乳制品供應鏈進行溯源和全程安全監測，將供應鏈的每一個節點的信息特別是影響質量安全的關鍵信息進行追溯和信息公開、共享，可使供應鏈的參與者和消費者查詢和監督原奶供應、生產加工、物流配送、分銷銷售以及消費過程中的詳細信息，強化消費者對國內乳制品消費的信心。

2 乳制品供應鏈中影響質量安全的因素

乳制品供應鏈圍繞核心生產企業的上下游進行，從產出源頭到消費終端，包括了奶牛養殖、原奶供應、乳制品生產加工、包裝儲存、銷售和消費等環節，是一個涉及面廣、影響因素眾多的鏈條[1]。乳品供應鏈中影響質量安全的因素見圖1。由于影響乳制品質量安全的因素廣泛，供應鏈參與節點多且乳品具有易腐的特點，要實現對乳制品的安全監測，需實時監測從奶牛養殖到消費終端的全過程信息[2]。在供應鏈過程中實時監管，如發生乳品質量安全事件，即可通過信息溯源及時準確找到相應環節，采取及時有效的方法處理問題，明確責任主體，采取召回等處理方式控制事態擴展。因此，對乳制品供應鏈的溯源和質量安全的監測是目前管理乳制品質量安全問題的有效方法之一。

圖1 乳品供應鏈中影響質量安全的因素

在原料乳供應環節，影響乳品質量和安全的因素包括奶牛品種、飼養條件、擠乳環節的設備和衛生條件、原料儲存輸送以及人為操作的風險。在乳制品加工環節，影響乳品質量和安全的因素包括加工工藝、消毒清洗規范、生產設備、加工環境條件和生產加工監測的技術等。在運輸存儲環節，運奶車的管理、運輸時長、存儲時長、溫度、濕度以及殘次品處理的程序和制度都會影響乳品質量。在銷售環節，乳品的保質期、銷售環境衛生、銷售人員的操作規范等會影響乳品質量安全。在消費環節，消費者的飲奶習慣、乳品是否在保質期內、消費者的消費安全意識、乳品儲存方法等影響著乳品供應鏈最后一個環節的質量安全[3]。

3 5G技術賦能基于IoT的乳制品供應鏈

目前，乳品供應鏈多通過物聯網（Internet of Things，IoT）來實現乳品的信息追溯、位置跟蹤和監督流通過程。在一定程度上可以實現對乳品的追溯和安全監督，但IoT技術存在一些技術上的劣勢，如數據存儲容量不足、數據傳輸效率低、中心化系統數據安全性低和多主體信息共享難實現等問題[4]。

5G賦能物聯網能有效解決物聯網在供應鏈追溯和監管上的不足，5G技術是通信領域的一場革命，也是供應鏈改革的重要機遇。5G具備數據傳輸速率高、系統容量大、數據延遲少和容納大規模設備接入的特點，為乳品供應鏈大量傳感數據的實時傳輸提供了技術支持。因此，將5G技術應用于IoT系統，能實現信息的高效實時傳輸，容納供應鏈各節點實時接入和大量數據和信息的傳輸、存儲。

4 區塊鏈賦能乳制品供應鏈安全監測的原理

區塊鏈技術的奠基者是一位化名為“中本聰”的學者，2008年，他發表的論文《比特幣：一種點對點電子現金系統》闡述了區塊鏈的核心技術，論文中詳細描述了如何創建一套去中心化的電子交易體系，且這種體系不需要創建在交易雙方相互信任的基礎上。

乳制品供應鏈的追溯和監管要求供應鏈各成員間信息公開，各節點的關鍵信息可追溯，信息上傳后就不能更改。區塊鏈的核心技術是分布式賬本、智能合約、加密和時間戳等，這些技術使區塊鏈具有去中心化、可追溯、防篡改等特點，這與乳制品供應鏈的需求基本契合[5]。區塊鏈應用于乳制品供應鏈，可實現供應鏈各節點信息的實時自動更新，供應鏈成員的信息完全公開透明，在溯源和安全監測方面的效率較高，降低了管理成本，幫助建立一個安全性高、信任度高、信息共享和對稱、信息防泄露的供應鏈體系。

4.1 區塊鏈去中心化的技術加強原料乳供應環節質量監測

區塊鏈技術具有去中心化、防篡改、去信任、可追溯、公開透明和安全性高等特點，整合了密碼學、計算機科學等學科的相關技術，有利于成員間形成安全、透明、共享的信任體系。乳制品供應鏈各節點不能修改任何已上傳的信息，從而保障了乳制品信息溯源的真實性，為安全監測乳制品供應鏈提供了保障[6]。

去中心化的區塊鏈網絡體系可實時監測生鮮乳供應環節的信息，如奶牛品種、飼料藥物殘留情況、動物防疫信息、飼養區環境衛生狀況和擠乳消毒情況等信息，有助于建立牢固的質量安全追溯網絡和安全監測機制，從源頭上對乳制品的質量安全進行監管。大大提升了乳制品供應鏈各節點信息的公開度和透明度，使得安全監管效率得到極大的提升。因為信息的實時共享和可追溯，供應鏈各環節為提高企業的競爭力和可持續性發展，必然會對管理規范進行完善，促進了乳品產業的結構化升級。

4.2 區塊鏈的公私鑰技術有利于加強對乳制品生產加工環節的質量安全監控

區塊鏈的公私鑰技術有利于乳制品加工企業實時監測生鮮奶供應的質量信息，實現信息的公開透明，從源頭上保證原奶質量安全。乳制品生產企業和鮮奶供應商獨立擁有專用私鑰和私鑰密碼，區塊鏈共識機制中的工作量證明機制對修改數據信息具有嚴格的要求，即通過共享的公鑰如需修改信息，需要計算全網51%節點的私鑰，因此篡改信息很難實現。對于乳制品生產企業來說，公鑰用于查詢與生鮮乳質量相關的供應信息，私鑰用于將生產加工過程中的設備型號、操作流程、操作人員和操作規范等信息以文字、圖片、視頻等方式上傳至區塊鏈。公鑰和私鑰的應用，能實時監督奶源的質量，督促生產加工企業加強生產加工管理規范，加強對生產設備的衛生、消毒殺菌工作，加強人員管理和工作環境管理，通過生產加工企業各環節的控制，保障乳制品質量安全。

4.3 區塊鏈的數字簽名技術能有效確保乳制品運輸儲存環節的銜接

在乳品運輸環節，數字簽名技術能有效確保運輸與儲存環節的銜接。物流運輸中的車輛根據區塊鏈的要求需要做數字簽名并儲存到公有鏈上，包括車輛的各種信息如車輛型號、車牌號碼、車內溫度濕度和運輸的產品信息等。在儲存到公有鏈的同時，以私有鏈的形式將數字簽名信息發送到對應的下一個環節即倉儲企業。倉儲企業收到數字簽名后，可以迅速回應，將空余的倉位信息形成代碼發回至物流運輸企業。通過數字簽名技術建立的物流信息共享平臺，能有效實現供應鏈各節點之間的信息共享、網絡互信、迅速響應，運輸商和倉儲商可有效匹配貨源、車源、倉位，倉儲商、分銷商、零售商可以實現實時送貨，減少分銷商和零售商的庫存空間、降低庫存成本。

5 基于5G-IoT和區塊鏈的乳品供應鏈安全監測模型

業務層各節點的基礎數據信息，如養殖商、生產商、運輸商、配送商、分銷商、零售商和消費者的信息通過超高傳輸速率、超低延遲的5G網絡，分別傳輸給物聯網層的各對應的供應鏈成員，這個層次通過5G、IoT、射頻技術（Radio Frequency Identification，RFID）、云計算和大數據等的技術支持，詳細記錄和分析各供應鏈成員的信息。聯盟鏈層主要提供防篡改、可共享、可追溯的供應鏈各節點信息。對擁有公鑰和私鑰的乳制品供應鏈各參與主體來說，區塊鏈的數據信息是公開透明的，安全監管部門也可以對這些數據進行溯源和監管。同時，數字簽名技術能有效保障企業的信息不泄露，保護供應鏈參與企業的利益。5G-IoT和區塊鏈的乳品安全監測模型見圖2。

圖2 5G-IoT和區塊鏈的乳品安全監測模型

消費者在進行乳品消費時，利用手機或電腦客戶端，憑借溯源碼或電子標簽等訪問查詢乳品的養殖環境、質檢信息、包裝材料、添加劑成分和運輸過程等信息，如果發現信息異常，可向質量監管部門投訴。乳品安全監管部門在區塊鏈中擁有最高訪問權限，可通過私鑰接入乳制品溯源區塊鏈，在日常監測中，可以抽檢相關信息，也可以自動監控各節點與質量安全相關的關鍵信息。如發生乳制品質量安全問題，可迅速溯源問題發生的環節，遏制事態發展，并迅速對相關企業進行查辦和問責、處理。

6 基于5G-IoT和區塊鏈的乳制品供應鏈質量安全監測的優勢

基于5G-IoT和區塊鏈技術的乳制品安全監測可以有效解決傳統乳制品供應鏈溯源和安全監測中的問題。5G網絡高速率、低延遲、接入廣的特點有助于實現數據的實時與精準傳輸。IoT系統中的智能傳感器有利于迅速、實時、準確地采集供應鏈各節點的信息。以區塊鏈技術為基礎建立的安全監測平臺為信息的不可篡改和可控性提供了保障。

6.1 有利于實時收集供應鏈各節點信息

供應鏈的安全監測始于養殖環節，奶牛的養殖情況、防疫措施等信息通過電子標簽或溯源碼等技術進行電子存檔，供應鏈的其他參與者也會將涉及質量安全的其他關鍵信息打包存儲到云端，作為溯源和監測的原始依據。為了防止篡改，各節點的關鍵信息會被提取并上傳至區塊鏈，加蓋時間戳。通過5G、IoT、全球定位系統（Global Positioning System，GPS）等技術，各環節的狀態信息將以文字、圖像的形式上鏈，對應相應的溯源碼、電子標簽、耳標等身份標識，這樣就能實現動態跟蹤供應鏈各節點，發生質量問題時能迅速找到問題節點，并精準召回及處理。

6.2 有助于實時監控供應鏈各節點的操作規范

乳制品供應鏈安全監測平臺可實時監控供應鏈的質量和安全信息，并及時處理。在對乳制品生產流程即鮮奶來源、原奶質量、生產和加工信息的追溯中，通過實時監控運輸和儲存信息，達到對乳制品供應鏈實時監控的目的，并上傳至區塊鏈。區塊鏈中的記錄信息將作為對供應鏈產品和運行過程進行質量安全監控的依據。

6.3 有利于規避供應鏈中的安全風險

如發現乳制品供應鏈某個環節出現問題，如飼料農藥殘留異常、運輸車輛溫度過高等，系統啟動預警程序自動發出警報，并根據設定的程序對異常問題采取恰當的緊急措施。實時全面監控供應鏈各節點的生產和運營數據，從鮮奶產出到乳品生產加工環節，從運輸、儲存、配送到分銷、銷售環節。當存在質量安全的風險預警時，通過區塊鏈就可以追溯查找相關的信息并及時處理。在消費環節，消費者能夠通過手機或電腦終端查詢乳制品供應鏈的相關質量和安全信息，這些信息在區塊鏈中以文字、圖像、視頻等方式呈現，便于消費者快速查詢和了解，增強消費者的消費信心，避免消費過程中出現的乳品質量安全風險。

7 結語

將5G-IoT應用于乳制品供應鏈中，可實時監督追蹤乳品從源頭的飼養到消費終端全過程的信息，并進行動態的監測，通過算法實現風險預警和應急處理。也可以打通供應鏈各節點的信息壁壘，實現快速高效的數據分析和流程對接。區塊鏈技術通過智能合約、安全與鏈碼服務等核心技術，使供應鏈全鏈路實現了網絡互信、信息共享和防篡改。基于5G-IoT和區塊鏈的乳制品溯源和安全監測平臺，可實現對乳品供應鏈全節點的追溯和安全監管，方便質量供應鏈各節點參與主體、乳品質量監督部門、消費者對乳制品流程中不合規的信息進行監測，對乳制品質量安全起到保障作用。