區塊鏈技術在食品供應鏈中的應用與研究

摘要：食品安全一直備受政府和百姓的重點關注。近年來，各地食品安全問題頻發，傳統的食品原材料供應、生產管理、銷售等環節均存在隱患，嚴重威脅著民眾的身體健康。提出了利用區塊鏈技術來解決上述各環節的問題。食品供應鏈利用區塊鏈的分布式特性，以塊的形式存儲數據，利用去中心化、不可篡改、分布式共識、可溯源等特性來解決傳統食品供應鏈上的管理、食品安全、可溯源等相關問題。

關鍵詞：區塊鏈;去中心化;可溯源性;食品供應鏈隨著全國大市場的形成，食品行業中原材料供應商、生產商、銷售商等參與產業鏈的數量越來越龐大，管理上存在的問題也越來越多，如信息孤島、鏈數據沒有共享機制、責任問題無法追根溯源等，導致食品安全事件頻發，食品污染和安全隱患越來突出。黨的十九大報告提出，實施食品安全戰略，用“互聯網+”行動計劃建立食品安全體系，保障民眾食品安全［1］。

1傳統食品供應鏈的困境

傳統食品供應鏈是指由原材料供應、生產加工、倉儲與配送、零售形成的鏈，以下簡稱供應鏈。這種供應鏈存在如下問題：

供應鏈中的各環節均存在安全隱患，鏈中數據比較孤立，各自獨立經營管理，缺乏統一的資源調配，未實現全網共享，這種信息孤島在整個供應鏈中沒有形成共享機制，數據容易被篡改，從而在信用管理方面存在漏洞，在安全性和可靠性方面也無法得到保障。加上國內監管的缺失，食品安全事件發生后，無法追根溯源，難以準確追責，致使各參與實體更愿意通過提供虛假劣質食品及其相關數據來降低成本，賺取額外的巨額利潤。

2區塊鏈基本工作原理

區塊鏈技術起源于比特幣的概念，它是一種鏈式結構，鏈的每個區塊通過哈希值鏈接到上一區塊的后面，這樣前后順序相連，從而形成鏈數據結構。其中哈希值包含在每個區塊頭中，該值是對前區塊的塊頭進行哈希函數計算而得到。這樣讓每個區塊環環相扣，區塊頭除了包含哈希值，還有區塊號、時間戳。隨機數和Merkle樹等，其中Merkle樹的根節點能夠快速校驗區塊中交易的每一筆數據，可以用來判斷這些數據是否被破壞或被篡改。

3區塊鏈技術優勢

3.1不可篡改性、可溯源性保障

區塊鏈可以在互不信任的分布式系統中進行交易并驗證數據的有效性和完整性，不需要第三方的干預。這種交易和數據驗證是分散的，節省了大量的網絡成本，帶有歷史時間戳。每個交易一旦上傳到鏈系統中是不可篡改的，且在加密機制（如非對稱加密算法、數字簽名和哈希函數）的保障下可以確保區塊鏈中數據塊的完整性。因此，這種交易的不可否認性正適合于食品供應鏈。在供應鏈中，將食品信息（如原材料產地、日期、生產廠商以及運輸和倉儲過程的每一個環節等）對應生成二維碼，這些二維碼附上交易時的時間戳，以確保后續交易的不可否認性，也為溯源提供保障。后續環節可以通過供應鏈中的二維碼獲取該食品的真實數據，從而能夠保障食品從生產、加工、再到消費者的全流程精準化管理［23］。

3.2智能合約技術

智能合約就是在區塊中嵌入合約條款，在滿足條件時將自動生效。交易各方都可以通過區塊鏈訪問合約，如有違反可通過凍結相應的交易賬號鎖定智能合約雙方的數字資產形式對違約一方進行懲罰。在供應鏈中，根據實際業務（如運輸、倉儲或銷售）需要編寫對應的合約，制定服務標準，并實現智能合約接口和部署與更新等操作，有了這種合約可以優化信用機制。

3.3去中心化

供應鏈的每次交易都可以在不同的任意兩個節點上完成，這些節點又具有相同的權限和義務，即區塊鏈的去中心化。能利用區塊鏈的分布式共識算法對節點狀態達成一致，無須第三方權威機構認證，確保供應鏈的可用性和可靠性。通過傳感器、RFID和攝像頭獲取的食品信息進入食品供應鏈也有了保障，無須擔心因中央節點故障而導致數據丟失或更改［4］。

3.4數據透明與共識機制

區塊鏈技術的安全性主要由共識機制［5］來保障，在P2P的通信模式下，節點既可作為服務器，又可承擔區塊數據的傳輸、驗證、存儲等工作。這種特性可以保障食品供應鏈中多數節點數據的透明性、合法性和準確性，保障供應鏈中每筆交易的安全性。

4食品供應鏈的業務應用模塊設計

區塊鏈技術下食品供應鏈系統，其功能邏輯如圖1所示。

在應用接口層中，主要有物聯網終端識別設備和用戶管理：用戶可以是個人或組織，參與交易的用戶首先需注冊，并進行身份驗證，驗證通過后才可進入供應鏈中各交易環節，其身份和責任范圍在全鏈系統中均可查詢，而物聯網終端識別設備（如傳感器、攝像頭、定位儀、RFID等）主要用于獲取和更新供應鏈原始數據。

4.1原材料供應

用戶通過傳感器、無線射頻（RFID）、攝像頭和定位儀等物聯網終端設備，將食品原材料供應的信息數據（如品名、檢測數據、產地信息、定位信息等）形成具有唯一性的二維碼或條形碼。這些二維碼和條形碼上傳供應鏈時進行數字簽名并進行驗證，一經達成共識，將廣播全鏈系統，為供應鏈的下游節點提供服務。

4.2生產環節

生產所需的原材料及其信息數據由上一環節提供，可通過區塊鏈下載接口獲得，再根據食品衛生標準、生產任務書、生產過程制度等進行生產環節，將生成包括合格證、生產負責人、食品的有效期、檢測數據等相關的新信息數據。在共識機制下對每批次的這種數據信息進行更新，并簽名驗證。經驗證后更新加入到上述二維碼中，并廣播全鏈系統，為供應鏈的下一環節提供信息來源和保障，同時進行績效管理。

4.3運輸與倉儲

運輸途中，首先在區塊鏈下載服務接口上獲得食品生產環節的信息。若生產環節食品數據不符合共識機制中的合約，則可以拒絕運輸和倉儲，若無誤，再進行運輸，并將相關信息（如運輸負責人，入庫出庫時間，運輸起終點，流經中轉站，運輸時長，運輸轉接點）加入原區塊中，為后續倉儲環節提供數據依據。

4.4食品銷售環節

食品的銷售是食品流通到消費者的最終環節。零售商和消費者均可根據區塊鏈上食品從原材料供應、生產、運輸與倉儲每一個環節的詳細信息是否正常來進行銷售和消費。可以查詢食品原材料的檢測數據是否合格，生產過程是否達到衛生標準，運輸和倉儲是否超期，每一個環節均可追溯和查詢到負責人。

其中檢測數據（如重金屬、農藥、甲醛、各類食品添加劑等眾多有毒有害物質）是否超標，設置上限值并寫入共識機制，根據檢測數據，建立食品安全風險的自動預警和預防，檢測數據若低于上限，則顯示正常，若高出，則顯示警報信息。

在上述各環節中，攝像頭獲取的視頻數據，定位儀的定位信息等占存儲空間較大，倘若全部加入區塊中，將增加供應鏈的存儲負擔，可以考慮鏈下存儲，以提升交易效率和吞吐率。

5結語

類似于P2P的區塊鏈技術，已在農業供應鏈、汽車工業、醫療醫藥等多個領域均有實際的落地應用并迅速發展。闡述的區塊鏈技術下的食品供應鏈的應用解決了傳統食品供應鏈的管理、安全性和食品信任度等問題。但隨著加入實體的增多，供應鏈信息量大量增長時，將給供應鏈的存儲和吞吐率帶來巨大的壓力，比如：某些終端節點存儲能力弱的輕型設備存儲的數據非常有限，過多的攝像頭視頻和定位等大容量數據的加入。交易的效率將會大大降低，供應鏈將難于擴展。又如：食品原材料生產和加工的衛生標準難于執行到位，仍需從行業的實際情況出發，在實踐中不斷探索，尋找新思路和新方法，為完善食品安全提供有益的借鑒和指導。

參考文獻：

［1］田陽，陳智罡，宋新霞.區塊鏈在供應鏈管理中的應用綜述［J］.計算機工程與應用.2021，57（19）：7172.

［2］郭才，李續然，陳炎華.區塊鏈技術在物聯網中的應用概述［J］.物聯網學報，2021（3）：7374，77.

［3］謝絨娜，李暉，史國振，等.基于區塊鏈的可溯源訪問控制機制［J］.通信學報，2020（3）：8586.

［4］蔡曉晴，鄧堯，張亮，等.區塊鏈原理及其核心技術［J］.計算機學報.2021（5）：9394.

［5］李燕，馬海英，王占君.區塊鏈關鍵技術的研究進展計算機工程與應用［J］.計算機工程與應用，2019，55（20）：16.