基于區塊鏈的生鮮農產品冷鏈物流可追溯體系設計研究Research on the Design of Cold Chain Logistics Traceability System of Fresh Agricultural Products Based on Blockchain

尤璞　宋麗齡　姚嘯穎　刁樹園

摘? 要：受限于傳統冷鏈物流弊端的生鮮農產品，難以保證相關數據的準確性與可追責性。區塊鏈技術的興起和發展，引得物流等各行業的積極研究，用以解決傳統溯源方法的各類問題。文章對生鮮農產品冷鏈物流和區塊鏈進行介紹后，分析了現有冷鏈物流體系的弊端和不足，為區塊鏈技術應用冷鏈的必要性做鋪墊，并提出了基于區塊鏈技術的生鮮農產品冷鏈物流追溯體系。通過對其冷鏈物流的流程分析，設計了追溯方案并搭建了架構。但方案實施面臨著基礎設施不足的困境，有待政府和企業積極推進建設。

關鍵詞：區塊鏈技術；可追溯性；加密算法；生鮮農產品

中圖分類號：F304.3? ? 文獻標志碼：A

DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2023.13.032

Abstract： It is difficult to ensure the accuracy and accountability of relevant data for fresh agricultural products limited by the drawbacks of traditional cold chain logistics. The rise and development of blockchain technology has attracted active research from logistics and other industries to solve various problems of traditional traceability methods. After introducing the cold chain logistics and blockchain of fresh agricultural products， this paper analyzes the drawbacks and shortcomings of the existing cold chain logistics system， paving the way for the necessity of applying the cold chain to blockchain technology， and based on this， a cold chain logistics traceability system of fresh agricultural products based on blockchain technology is proposed. Through the process analysis of its cold chain logistics， the traceability scheme is designed and the architecture is built. However， the implementation of the plan faces the dilemma of insufficient infrastructure， which needs the government and enterprise to actively promote the construction.

Key words： blockchain technology; traceability; algorithm; fresh agricultural products

0? 引? 言

隨著中國經濟發展，生活水平提高，人們對食品的要求早已不再僅是果腹，轉而更加追求新鮮、健康的食物，對食品安全更高的追求推動了生鮮農產品冷鏈物流的發展。過去對冷鏈的理解常常局限于冷庫、冷藏車這些基礎設備，而現代冷鏈物流的核心不是簡單的“低溫”，而是“恒溫”。發達國家的冷鏈物流體系建設大都已經成熟，尤其是體現在果蔬的冷鏈流通率上。相關數據顯示，國內果蔬冷鏈流通率僅35%，遠低于發達國家地區的90%。而另一方面則是體現在損耗上，國內生鮮農產品的損耗率在10%～20%，而發達國家地區則不足5%。現代化冷鏈物流的建設需要科學技術的支撐，以信息化平臺作依托，以全面科學的法律法規為基石，在政府調控下逐漸形成較完整的冷鏈物流模式。

生鮮農產品一般指新鮮果蔬、新鮮魚肉、活禽等，這些產品與人們的生活息息相關，同時又具有易腐易爛、易變質的特性，因此對流通、儲存都有很高的要求。生鮮農產品冷鏈物流可追溯體系是通過記錄生鮮農產品在生產、運輸、倉儲和銷售整個環節的詳細信息并將其公開以便市場監督、溯源，從而提高生鮮農產品在流通環節的透明度，提升食品質量安全。由此可見，可追溯體系的重難點在于信息的記錄與追溯查詢，即為相關信息系統平臺的建設。目前，關于區塊鏈技術在冷鏈物流中應用的研究主要涉及生鮮農產品供應鏈管理優化研究[1]、區塊鏈技術應用于冷鏈物流的模式[2]、區塊鏈技術下冷鏈物流環節優化研究[3]等方面，而鮮有關于生鮮農產品冷鏈物流追溯體系構建的研究。本文將對生鮮農產品的冷鏈流程進行分析，并針對該流程進行基于區塊鏈的追溯方案設計以及總體設計。從參與主體的設置，選擇具體的開發框架、技術平臺進行架構設計和運作流程優化這三個維度構建基于區塊鏈技術的生鮮農產品冷鏈物流追溯體系。

1? 區塊鏈技術應用于冷鏈物流的必要性

冷鏈物流與傳統物流方式主要區別在于為了運輸物品的質量，降低運輸物品的損耗，貫穿生產到銷售的全過程，都需要把物品控制在規定的溫度。這意味著冷鏈物流不僅是普通的供應鏈活動，而且是要實現溫控技術覆蓋整個冷鏈物流的各個環節。

1.1? 區塊鏈技術

區塊鏈技術，又被稱為分布式賬本技術，是一種按時間順序將數據區塊順序相連，從而組合成一種鏈式數據結構，同時借助密碼學方式保證數據不可偽造、篡改。在實踐中，基于區塊鏈技術構建生鮮農產品冷鏈質量安全信息平臺，對于食品安全問題、損耗環節、損耗量、污染監測都能夠有效溯源。

從理論層面來看，區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等多種技術的綜合運用，涉及數學、密碼學、互聯網和計算機編程等多方面科學技術。根據這些技術的功能，區塊鏈系統技術架構自下而上分為六層，分別為數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層[4]。

1.2? 區塊鏈技術應用于冷鏈物流的必要性

易腐、易變質的生鮮農產品從生產到銷售過程中，都要求處于既定的低溫環境，而生產到銷售這個過程通常涉及多個場所。因此，在冷鏈物流服務的過程中，任意環節的溫控沒有達到標準，都有可能使得食物腐爛、變質。為了保證全過程的溫度控制符合既定要求，過去往往采用將溫度檢測器置于冷鏈運輸車上，并在交接環節進行溫度檢驗確認。然而利用傳統技術手段進行監控所涉及的主體眾多，環節繁冗，更有甚者，為節約成本，某一方可能會在過程中間歇性關掉設備或是篡改檢測數據，或是某一環節出現的監控疏忽所導致的質量問題，都難以界定責任。

區塊鏈技術使得冷鏈物流過程中的每一個參與方、每一個節點都有均等的責任和義務，運用區塊鏈技術進行管理、監測，溫控數據庫是無法更改的，基于此也能提高參與方的責任意識，安全保障系統是極高的。最早提出將區塊鏈技術應用于可追溯系統想法的是Bateman[5]，他認為區塊鏈是能夠實現跨節點管理和監控的技術，可以確保對整個供應鏈中每個環節進行有效追蹤，并及時反饋給中心機制。作為一個數據信息的平臺，所有的參與方都能通過數據庫平臺建立信任，可以相互監督。冷鏈物流的過程中，任意兩方的交接點都會被記錄到平臺數據庫中，供所有參與方查看。當交接數據載入數據庫后就會自動生成時間軸，不管后續出現任何問題，根據平臺上記錄的完整的時間、溫度記錄、參與方責任主體等信息數據，很容易就能追溯到責任方，避免了許多就此可能產生的糾紛、推卸責任，也能夠據此進行有效舉證并追究相關方的法律責任。通過區塊鏈技術構建的數據庫信息平臺將直接追溯到責任主體，降低追溯的成本并提高溯源效率。

2? 基于區塊鏈的生鮮農產品冷鏈物流追溯系統構建

長期以來，生鮮農產品冷鏈的損耗率、食品安全問題等一直困擾著政府、企業、消費者，其流通過程涉及多個主體，信息的傳遞存在著很強的不透明性和偏差。本文選取冷鏈物流為研究方向，而生鮮農產品對環境溫度的把控要求較高，需要專業的設備來保障流通過程中的環境溫度，具有一定的研究意義，因此選擇生鮮農產品作為追溯系統的研究對象。

2.1? 生鮮農產品冷鏈物流流程分析

生鮮農產品冷鏈全過程主要包括生產、運輸、貯藏、銷售四個階段。涉及到的主體除了政府監管機構和消費者，還包括企業參與者：生產商、倉儲單位、物流企業以及銷售單位（見圖1）。

具體流程為生產商將生產合格的生鮮農產品暫時儲存在冷庫中，此過程需要根據該產品需求選擇適宜儲存的環境溫度恒溫保存。物流企業收取產品后使用專業、恒溫的冷鏈運輸設備進行運輸，然后將新鮮的產品運輸到銷售單位。銷售單位收取后，需要放在冷庫儲存，并在制冷設備中展出售賣。需要注意的是，整個冷鏈物流過程的每一個環節，都要保持溫度控制的恒定，以免產品因溫度失衡受到微生物污染。

2.2? 追溯方案設計

區塊鏈系統利用密碼學算法和時間戳技術實現區塊鏈上數據的隱秘性和不可篡改性，并通過共識機制來保證數據塊中的信息得到鏈上節點的認可，同時保證鏈上節點的數據一致性，智能合約保證交易依據合約執行，避免因合約雙方的主觀判斷產生的爭議[6]。

經過對生鮮農產品冷鏈物流的流程分析，設計冷鏈溯源方案結構如圖1所示。整個區塊鏈追溯系統由生產商、倉儲單位、物流企業以及銷售單位共同參與維護，并由市場監督管理部門對冷鏈流程商任意節點實時監管，在實現首站統一賦碼模式，不再更改后，終端消費者通過掃碼可以查看該冷鏈產品各個站點的具體流通信息。

通過在生鮮農產品的第一站完成二維碼賦值，且該冷鏈上其他節點均使用該二維碼填入當前節點的流通信息，以實現全部流通數據寫入區塊鏈。主要流程為：（1）生產商將生產的生鮮農產品信息發送到生產節點上，生產節點將生產信息通過散列算法提取源頭產品信息獨有的摘要并發送到區塊鏈上。與此同時，生產單位向公眾發布合格的產品信息，主要涉及生產商工商信息、產品信息（生產時間、儲存溫度、出庫時間、操作人）等。（2）物流企業將物流信息發送至物流節點，物流節點將信息通過散列算法取得產品物流信息獨特的摘要并發送到區塊鏈上。同時，由物流企業公布物流信息，主要涉及物流企業工商信息、運輸過程信息（收取時間、運輸環境溫度、送貨時間、操作人）等。（3）倉儲單位將售前儲存信息發送到售前儲存節點，售前儲存節點將該信息通過散列算法取得對應的獨有信息摘要并發送到區塊鏈上。同時，倉儲單位面向公眾公布銷售前儲存信息，主要包括倉儲單位工商信息、儲存信息（入庫時間、出庫時間、環境溫度、操作人）等。（4）銷售單位將產品在售保存信息發送到在售節點，在售節點將該信息通過散列算法取得在售信息獨有的信息摘要并發送到區塊鏈。同時，銷售單位公布在售節點信息，主要包括銷售單位工商信息、在售保存信息（上貨時間、售出時間、環境溫度、操作人）等。（5）消費者在購買生鮮農產品后，想要查看所購買的商品新鮮與否，通過商品上的標簽二維碼進行信息追溯查詢，確認產品新鮮程度。

2.3? 體系架構設計

基于區塊鏈技術的生鮮農產品冷鏈物流追溯體系是貫穿整個物流供應鏈的平臺應用，系統涉及的主體有生產商、倉儲商、物流商、銷售商、消費者以及政府。本文將采用B/S架構進行追溯平臺的設計，即“瀏覽器/服務器”模式，用戶通過裝有瀏覽器的計算機訪問服務器即可進行信息瀏覽和操作。在B/S架構下，使用者均不需要專門安裝客戶端，只需要使用安裝瀏覽器的計算機，訪問指定頁面即可完成生鮮農產品冷鏈物流信息的溯源。

本文將采用如圖2所示的層次結構，追溯體系劃分為數據層、核心層、網絡層和應用層。通過網絡層作為基底，將生鮮農產品的信息引入系統平臺；核心層的功能是確保信息數據的真實性，依托于智能合約、共識機制等區塊鏈技術保障整個供應鏈信息安全；數據層則是對整個冷鏈物流過程中涉及到的全部信息進行存儲；應用層主要是冷鏈物流的所有參與人員。

2.3.1? 數據層。數據層由區塊鏈數據庫構成，冷鏈物流過程中每條信息都按照格式輸入后分布式進行存儲，均具有唯一的加密簽名，實現數據的不可篡改。為了方便對區塊鏈數據庫進行管理和維護、應對區塊鏈龐大的數據庫和安全問題，數據層分為星際文件系統（IPFS）和Hyperledger Fabric數據庫。星際文件系統存放物聯網采集的數據，Hyperledger Fabric數據庫存儲數據的哈希值。

2.3.2? 核心層。核心層包括智能合約和共識機制。將冷鏈食品質量安全標準、操作規定和監管規定等以智能合約形式納入區塊鏈，當系統中某個階段操作完成時，智能合約會進行自動比對，只有當滿足合約中所設置的條件才會執行指令進入到下一個流程，否則拒絕執行。這樣有利于預防企業造假，提高相關監管部門對生鮮農產品冷鏈的監管力度。由政府主導引入共識機制，對參與的企業主體進行資質審核，對冷鏈食品質量安全標準等信息檔案有管理權限，以增強參與主體與追溯主體對系統的信任度。

2.3.3? 網絡層。網絡層是運用專業的RFID（Radio Frequency Identification，射頻識別技術）、GPS（Global Positioning System，全球定位系統）定位技術、溫控傳感器等物聯網核心技術對生鮮農產品冷鏈過程實施數字化管理，實現區塊鏈網絡節點間的點對點信息傳遞，每一個節點既可以產生數據也可以接收數據，點與點之間通過共同的區塊鏈網絡保持通信交流。即網絡層通過開放式的網絡端口，將采集到的生鮮農產品冷鏈環節中的生鮮農產品實時數據和追溯數據的信息推送到上一層以實現不同主體之間的信息共享。

2.3.4? 應用層。應用層是生鮮農產品冷鏈物流追溯功能實現的窗口，是系統用戶操作的顯示界面。負責向相關企業、政府監管部門和消費者等多方參與主體提供信息查詢、實時質量狀態監管、生鮮農產品信息可追溯等服務，參與主體可以進行注冊登錄、數據查詢、數據寫入、風險預警等操作。系統面向不同的用戶開放不同的界面和操作權限，不同用戶可以在系統中實現交互。政府相關部門的深度參與可以及時追溯問題食品，實時防范于未然，保障食品安全，而消費者通過溯源二維碼查詢相關產品信息，也能及時甄別食品安全，保障合法權益。

3? 結? 論

區塊鏈溯源是生鮮農產品冷鏈物流發展的一個大趨勢，能夠實現廣泛應用對整個行業發展具有非常重要的意義。本文針對生鮮農產品本身的特點和冷鏈物流流程分析，提出的追溯方案設計具有一定現實意義，智能合約、共識機制等核心的引入，保障了區塊鏈系統的有效可追溯性。

基于區塊鏈的生鮮農產品冷鏈物流追溯體系能夠增強生鮮農產品方面的食品安全防控，有效滿足當前生鮮農產品日益增長的冷鏈物流量信息服務需求，降低冷鏈物流“斷鏈”現象發生的可能，形成信息雙向可追溯。但是區塊鏈技術面臨成本高、基礎設施建設落后等問題，因此國家應盡快利用區塊鏈技術推動冷鏈物流追溯體系建設，完善相關的法律法規。企業應培養高水平的物流人才，提高行業準入門檻，推動冷鏈物流進一步發展。消費者應增強追溯意識，從而促進政府和企業加快建設步伐。

參考文獻：

[1] 林悅. 基于區塊鏈技術的生鮮農產品供應鏈管理優化研究[J]. 南方農業，2021，15（29）：220-221.

[2] 趙路，朱昱霏. 區塊鏈技術下我國農產品冷鏈物流模式與發展對策[J]. 今日財富，2020（20）：50-51.

[3] 楊舒惠，閆寒，張彪. 區塊鏈技術下冷鏈物流環節優化研究[J]. 科技和產業，2022，22（5）：60-65.

[4]? KEN A. Digital blockchain networks appear to be following Metcalfe's Law[J]. Electronic Commerce Research and Applications， 2017，24：23-29.

[5]? BATEMAN A H. Tracking the value of traceability[J]. Supply Chain Manag Rev， 2015（9）：8-10.

[6] 潘慧萍，李寶安，呂學強，等. 湘冷鏈——基于區塊鏈的冷鏈溯源系統[J]. 食品與機械，2021，37（9）：145-152.