“区块链+物联网”助推食品供应链溯源

刘宗妹，张国业

(广东司法警官职业学院信息管理系，广东 广州510520)

0 引言

“毒奶粉”“毒生姜”和“毒大米”等一系列食品安全事件暴露质量信息有效披露的难度，亟需利用新兴技术手段，构建高效的食品安全追溯平台。2015年，国务院办公厅明确要求构建重要产品的追溯体系，其中包括食品行业。民以食为天，本文旨在研究基于区块链的去中心化、RFID可溯源性和物联网实时采集性的食品供应链溯源系统，实现种植、加工、仓储、物流和销售全过程关键数据上链，解决传统中心化存储的数据难溯源、市场把握不准、信任缺失和追责困难的问题[1]。通过信息技术助力食品溯源，既实现了食品溯源管理，又防止了数据被恶意篡改，还实现了源头数据的实时采集和智能判断，在商家、企业和消费者间架起了信任的桥梁，提升了食品溯源的可信度和稳定性，激发了民众进行食品溯源的兴趣[2]。

1 食品供应链溯源现状

食品供应链涉及从原材料生产到端上餐桌的全过程，空间跨度大，时间跨度长，很难实现有效监管，造成食品安全问题频发，如疯牛病、毒奶粉和地沟油等食品安全事件，破坏了民众的信任，影响了人们生活的幸福感。经深入市场调研发现，食品信息中心化存储数据难追溯、配送效率低，根源在于不能保证溯源信息的准确性，缺少一种民众认可的信任共识。食品问题是民生之本，通过梳理发现食品供应链主要存在以下5方面问题。①农作物种植方面，工业“三废”污染自然资源，农药和化肥使用量过大，无法保障原材料的绿色安全。②食品生产过程中，添加剂和防腐剂使用不当，生产卫生条件不达标，食品生产过程未能有效监管，商标数据“货不对板”，甚至有一些小作坊在未取得卫生许可证的情况下自行生产[3]。③食品营销过程中，缺乏科学的食品检测人员和检测设备，有毒有害物质超标，随意更改保质期，造成安全隐患。④物流环节，食品仓库分布不足，物流体系不健全，存在二次污染的危险。⑤溯源环节，现代技术已经将食品流通整个过程从文件夹带到硬盘或云平台，但底层结构是相同的。总之，基于中心化存储的数据库开发的溯源平台，存在被黑客攻击的风险；防伪标签无法捆绑产品，存在被篡改或者复制的风险；没有统一的系统来管理众多身份，存在追溯体系构建难度大的问题[2]。

目前，已有相关文献研究溯源问题。陈腾[4]从应用层面描述了区块链在防伪溯源中的应用。刘耀宗等[5]从数据模型方面进行了溯源应用研究。陶启等[6]从管理平台方面对新应用进行了研究。刘宗妹[7]从溯源效率和数据安全方面探索将区块链技术和RFID有效结合，提升食品溯源成效，但未解决一直困扰食品安全的源头数据安全性无法保障的问题。本文探索基于物联网设备构筑智能全景监控，对原材料种植阶段、饲养阶段、生产阶段、仓储阶段和物流阶段采用无死角全景监控，从源头保证数据的安全性。

2 区块链技术与食品供应链溯源契合度

区块链是带有时间戳的数据分布式存储的可信记录，实现计算机的集群管理[3]。区块使用加密算法保护并形成链式存储结构，实现数据安全。分布式网络结构每个人都可看到信息，实现信息的透明性[8]。分布式账本设计，节点地位平等，每个节点均掌握副本，即使个别节点出现故障，也不能影响系统运行。区块链交易过程中，随着节点的增多，区块链的安全性越来越强[9]。信息传递的自动化完成，缩短了交易处理时间。RFID射频识别技术进行自动识别和数据获取，实现商品流通过程中的快速定位[10]。

食品供应链的参与主体有农户、生产企业、仓管企业、物流企业、经销商和消费者，涉及食品生产、加工、存储、流通和销售全过程，企业与农户之间基于供与求的关系编织成一张网，具有区块链的天然属性，具体表现在如下3方面。①数据的高效溯源。食品供应链的溯源管理实现精准获取各环节状态，平衡生产和分配效率，出现食品安全事件时可快速定位源头。②数据的可靠存储。区块链的分布式存储技术，每个节点都保存完整副本，利用哈希算法实现加密，若随意篡改数据，则哈希散列函数也会变化，从而验证出错，剔除这个黑节点，实现食品供应链数据信息的安全性[11]。③数据的有效共享。为避免不同平台相互交互过程中产生大量无用数据，供应链设计统一区块链平台，遵循共同的智能合约，构造食品供应链溯源系统[1]。

目前，已有一部分区块链在食品行业中应用。IBM Food Trust是基于DLT(分布式账本技术)提出的区块链工具，用户通过查询标识符快速查找项目。家乐福Auvergne鸡在法国被提出，实现农场到商店的全过程记录。京东落地“跑步鸡”“飞翔鸽”等项目，将家禽养殖数据记录到区块链中，构建养殖管理系统[4]。现有成果解决了食品溯源中数据的永久记录和共享，但企业经济效益不高。

3 食品供应链溯源系统设计

3.1 开发框架对比分析

区块链分为私有链、联盟链和公有链。私有链归一个主体所有；公有链中所有人都可随时参与；联盟链中多个主体达成协议，具有准入机制和身份管理。联盟链的友好监管，使其在民生、政务等市场化程度低、多方协作欠佳的领域发挥较大优势，符合复杂的食品供应链的发展方向[12]。区块链的基础层协议语言干枯，使用门槛高，开发框架的选择尤为重要[13]。目前，主流框架有以太坊和Fabric。以太坊是拥有智能合约的区块链开源平台，智能合约是区块链中的代码，实现了可信任性和可共享性，所有交易都是基于合约操作执行，以太坊实现了图灵完备机，紧耦合性导致扩展性差，共识机制采用PoW，消耗大量GAS，随区块高度的增加产生区块的时间也越来越长。Fabric是Linux基金会发起的开源框架，共识机制采用No-op或PBFT，松耦合设计实现相应组件模块化，Chaincode代码在Docker运行，相对来说较灵活，但构筑生态需付出较大功夫[14]。FISCO BCOS是国内企业主导研发的联盟链开源社区，经过多个版本的迭代，其在易用性和性能方面提升较快。FISCO BCOS具有动态群组管理，支持动态创建、重启、暂停和回收功能；具有分布式存储功能，支持计算和存储分离；支持并行交易处理模型，实现交易并行计算；支持一键部署，实现平台的快速安全部署；具有网络统计功能，实现从日志精细化的获取到Gas消耗和流量消耗；修复ecRecover接口在国密模式下接口不可用问题，sha256返回值在国密和非国密模式下不一致问题；支持同态加密和群环签名，实现了可以扩展的共识算法RPBFT。基于以上对比分析，本研究选择在FISCO BCOS下进行基于联盟链的食品溯源问题研究。

3.2 相关多源数据

如付永贵[15]所述，首先，利用一定的采集技术获取多源数据信息，实现信息获取的及时性和完备性；其次，利用信息技术分析摒弃冗余信息、错误信息等；最后，通过在区块链系统中认证和存储多源数据，实现动态监管供应链的各种行为。食品供应链数据获取及分析过程如图1所示。

图1 食品供应链数据获取及分析过程Fig.1 Data acquisition and analysis process of food supply chain

3.3 溯源体系架构

基于联盟链方式构建食品溯源平台，保障关键信息上链后区块链中的主体均可追踪并且信息不易被篡改，形成正向的数据信息传递和反向的数据信息溯源，将RFID、区块链、智能监控有机结合，实现信息透明传输[16]。首先，通过物联网技术，对食品供应链各个环节进行自动化采集并进行数据传输，确保源头数据的准确完整。其次，要有实现数据信息上传的基本网络，实现食品摘要信息上链，种植(饲养)信息、生产信息、流通信息、仓储信息和销售信息存于数据库，基于智能合约实现自动查询操作。最后，消费者可以利用移动端扫描RFID标签或客户端输入产品编号来查询各个环节的详细信息，实现食品流通从下游环节向上游环节溯源。监管人员有查询记录对应的密钥，按照密钥查询区块链中数据的权限[17]。系统架构如图2所示。

图2 系统架构Fig.2 System architecture

3.4 溯源总体架构

食品供应链概括起来包括生产加工过程和流通过程。食品供应信息中往往缺乏对原材料供应信息的收集，从而错失了从源头上来抓安全的警觉性，本研究中将由种子开始信息上链，包括种子编号、种植时间、施肥次数和除虫打药等信息。加工环节的工厂环境、添加剂使用和杀菌防腐等信息有效存储。RFID(射频识别技术)通过标签和扫描枪执行商品流通过程中的扫描操作，通过扫描枪将信息扫描到计算机中进行存储，为商品的定位提供技术支撑[15]。首先，利用区块链技术实现数据的可靠存储并有效共享；其次，利用RFID实现数据有效溯源；最后，利用监管机制实现发现问题及时召回，实现生产者、物流者和消费者各个环节的有效监管，互联互通[18]。食品供应链溯源流程如图3所示。

图3 基本框架Fig.3 Basic framework

4 溯源系统性能分析

4.1 食品数据不可篡改性技术实现

传统的基于第三方实现的交易流程降低了交易效率，加大了交易成本，而借助于区块链技术构建的平台实现了信用的转移，食品流通各个过程中的数据字段都以字符串的形式存于区块链中，实现突发状况时有源可溯，且高效进行[19]。汪家伟等[16]详细描述了区块链中数据可信获取的实现技术。以生产过程为例，当工厂写入生产信息时，系统根据植入的规则判断输入信息的合规性，若为无效信息则无法写入。生产信息同时传入普通数据库和区块链节点，节点负责利用加密算法将其转化成16位字符串数据摘要信息上传到区块链网络，通过加密技术，可准确判断数据是否篡改，成功写入区块后生成唯一的哈希值存入数据库。种植和饲养过程、仓储过程、物流过程和销售过程也进行同样的操作，这些节点在区块链中遵循共同的共识机制，相互监督并且相互制约，所有信息将同步保存至所有节点，保证上链无法篡改。系统支持多种形式的溯源查询，用户可在计算机或者手机通过销售编号或者RFID标签查询溯源信息，在此有个对比的过程，如原始数据与商家提供的数据不同，则表示数据已经被非法篡改了，从而实现了全过程重要数据的查询，如图4所示。

图4 数据安全性判定Fig.4 Data security judgment

4.2 源头数据保障技术

充分利用物联网技术，通过传感器、智能设备、RFID和GPS定位装置等构筑数据采集系统，感知农作物种植或家禽饲养过程中的实时数据，从源头上实现自动化采集原始数据，上传到区块链系统后，自动生成溯源码，并与数字签名、时间戳共同封装于区块链[20]。源头数据保障技术如图5所示。

图5 源头数据保障技术Fig.5 Source data assurance technology

4.3 系统设计与实现

FISCO BCOS作为区块链平台，在Vmware虚拟机、Ubuntu16.04操作系统下进行仿真试验。使用B/S框架，Web前端实现录入信息和查询信息。使用Bootstrap2.3.1作为进行前端开发的框架，利用基于CSS、HTML和JavaScript的集成性，对数据输入界面和溯源界面展示不同效果。溯源请求可以通过前端控制器Spring转发至后端控制器。后端采用持久层框架Spring框架、日志管理工具Log4j、视图框架Spring MVC等，使用Java语言开发框架，实现数据的安全存储，普通数据库采用关系型数据库MySQL管理[20]。构造图形化界面的查询系统，操作简单方便。

利用区块链的智能合约实现食品供应链系统减少人为介入，各企业按照代码协议自动触发执行，按照合约规定上传数据，明确监管标准，通过共识机制实现被授权节点才有访问权[21]。使用Solidity合约形式，WeBASE提供的ide WEBASE-front来进行运行，然后在remix的ide中输入代码进行编译，成功后进行部署。

4.4 性能对比分析

基于区块链的防伪溯源与传统溯源的性能对比分析如表1所示。

表1 性能对比分析

5 结束语

随着互联网的发展，舆论监督作用日益彰显，而互联网技术推动食品溯源还需长足发展。通过构建责任可追究、去向可追溯的食品供应链溯源体系，实现生产加工、物流、销售信息档案的构建[22]。利用区块链技术实现了数据不可篡改性，利用RFID技术实现高效溯源[8]。构建协同处理平台，有效解决食品溯源中数据信任问题和追责困难问题，实现客户端和移动端与底层供应链系统的友好交互，进一步提升溯源管理成效。由于基于区块链应用开发还处于初期，许多中小企业无法承担，未来发展重点是拓广应用，通过将区块链技术与食品安全监管体系的创新融合，建立基于区块链的信任机制，激发民众进行食品溯源的兴趣，促使大家积极监督食品安全，提升品牌认可度，以量换价，实现利润最大化。