董文韬 刘升 蔡鸣铭 汪宁 陶最
摘 要：随着经济发展，消费者对生鲜的需求日益提高，而生鲜产品所必经的冷链物流有着低温、复杂等特点，消费者难以了解产品生产信息，无从保障自身权益。针对问题，利用区块链的防篡改特性，设计了冷链溯源信息系统。按照占有的区块链节点数量进行排名，以驱动生产厂商记录节点。此外，系统主要实现了生产厂商生产报备过程和公众查询产品信息功能。该系统可以更好地加强冷链产品管理，有效地实现冷链产品溯源。
关键词：区块链;冷链溯源;食品安全;信息系统
中图分类号：TP311.13 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2021）02-0142-07
Abstract：With the development of economy，consumersdemand for fresh food is increasing day by day，and the cold chain logistics that fresh products must go through has the characteristics of low temperature and complexity，so it is difficult for consumers to understand the production information of products and protect their own rights and interests. To solve the problem，the cold chain traceability information system is designed by using the tamper proof characteristics of blockchain. Ranking，which is according to the number of occupied blockchain nodes，is made to drive the manufacturer record nodes. In addition，the system mainly realizes the production reporting process of manufacturers and product information query function of the public. This system can better strengthen the management of cold chain products and effectively realize the traceability of cold chain products.
Keywords：blockchain;cold chain traceability;food safety;information system
0 引 言
“民以食为天，食以安为先”，习近平总书记曾指出食品安全关系我国13亿多人的身体健康和生命安全。近年来，食品安全问题已经得到了充分的重视。相较于21世纪初，针对食品安全问题，我国从政策、法律、舆论等不同方面有了丰富的保障。
但自2020年秋季以来，新闻报道的冷链物流食品或包装上检测新冠病毒呈现阳性频频闯入公众视野，不由得也让消费者们为冷链食品安全问题存有一定程度的担心。2020年10月16日，国务院应对新型冠状病毒感染肺炎疫情联防联控机制综合组发布了《冷链食品生产经营过程新冠病毒防控消毒技术指南》。新闻报道和上述指南表明因病毒而起的冷链安全问题已经产生了不小的影响，危害到了人民群众的生命财产安全，给常态化的疫情防控工作带来了新的不确定性因素以及风险挑战。相比于前阶段由于利益因素而导致的食品安全问题，现阶段的问题更倾向于非利益化，更注重安全性。在这一前提下，如何更好地规范并有效地开展“源头防疫”，就显得更为重要。
就冷链食品来说，对产品信息更为了解的“源头”则是生产厂家和企业，所以想要多环节地、全面地开展防疫，更为关键的是发挥生产厂家和企业的主观能动性。而应用区块链技术正可以很好地解决此问题。自中本聪[1]发布区块链白皮书以来，区块链不断发生变革迭代。总体来说，区块链有以下五个特性：去中心化;开放性;防篡改性;匿名性;可追溯性。本系统基于区块链技术，搭建“区块链+冷链物流”模式，设计信息系统，跨越生产厂商与公众之间的信息鸿沟[2]，提升产品的安全性与信息的可靠性。
1 冷链溯源研究综述
1.1 国内研究现状
目前，国内针对冷链物流的相关研究集中于作为复杂链式系统的冷链物流，对在运输过程中面临的风险具体定性定量分析，例如在损耗成本、单位利润以及库存管理方面。李亚楠[3]在对农产品在冷链物流中的运作风险研究中，使用解释结构模型法（Interpretative Structural Modeling Method，ISM）搜寻农产品冷链物流的风险因素，并提出相应的解决策略。杨扬等[4]以云南省生鲜蔬菜国际冷链流程作为研究对象，识别主要风险因素并结合风险系统的内部结构及反馈机制，构建国际冷链物流运作风险模型。涂淑丽[5]对乳制品企业冷链物流的外包模式的风险防范进行研究。
但在冷链溯源方面，相关研究文献数量相比于物流风险研究较少。谭慧芳[6]在《高新技术在冷链物流中的应用分析》中阐述区块链在冷链物流溯源中起到的关键作用。贾嘉等[7]在《基于区块链的冷链物流技术支持》中提出MySQL、Oracle仍是大部分企业选择使用的常规数据库，提出了和企业数据对接的问题。刘军等[8]在《基于区块链的冷链物流边缘计算验证演示系统》中说明区块链的防篡改特性能够在系统中得到良好发挥。柳祺祺等[9]在《基于区块链技术的农产品质量溯源系统构建》中，结合区块链技术优势构建了基于区块链技术的农产品质量溯源系统。禹忠等[10]，在《基于区块链的医药防伪溯源系统研究》中，开发了具有溯源性、完整性、隐私性、分散化存储的系统。冷链和溯源两个研究方面都有一定的研究成果，但在“冷链+溯源”系统设计方面有一定程度的空缺。
1.2 国外研究现状
国外的冷链研究起步较早，多为大规模的冷链技术应用，在已趋于完善的冷链物流系统的基础上，开展探索创新模式的研究，以及根据现行情况下存在的技术问题进行分析，提出可行的解决办法。Li等[11]介绍了冷链物流中新鲜食品包装的类型和操作原理，概述了可追溯性技术、数据采集技术，以及定位技术的机制、特性、应用和发展，分析了技术进步、标准建设和应用系统方面存在的问题，并指出解决问题的途径。Zong等[12]设计了基于Bee Zig无线传感器网络和GPS定位的远程监控系统，实现在冷链运输过程中对于车辆的远程监控。Abad等[13]设计了一个集成在线可追溯性数据相冷链监控的自动化系统，使用商业读写器在智能标签上读写数据，在食物链的任何时间实时监控冷链状态。Vivaldi等[14]提出了新一代的RFID技术，通过在RFID标签中混合铜离子溶液，实现对冷链温度的精准把控。Kim等人[15]针对冷链物流，提出了基于服务水平协议（Service Level Agreement）的智能合约方法，并设计了方法中关键指标，可以为区块链中的所有参与者提供支持决策的信息。
2 三文鱼冷链溯源分析
2.1 三文鱼冷链溯源流程分析
本系统以三文鱼为对象，将生产销售流程简化分解成三部分。三文鱼生产流程的起始环是供应商，包括产品养殖、捕捞和采收;中间环是生产商，包括产品精加工等环节;终环是商超，直接服务于消费者。在产销链中，只有产品成功过渡到消费者手中时，才标志着生产流程的完成。
在整个生产流程中，冷链运输是承担各环节相互联系的纽带，衔接了上、中、下游，串起了整个流程。实际的冷链流程是十分复杂的，涵盖许多细节问题。相比于复杂的实际情况，简化后的生产流程也能够表现出生产过程的基本步骤和环节。因此，本文所探讨的是简化的三文鱼冷链物流流程，并针对该流程增设检疫环节。生产流程图如图1所示。
2.2 三文鱼冷链溯源机制设计
由于生产流程、产品工艺的复杂性，对各环节都开展监管会导致高昂的成本，而且也会出现监督不到位的情况。所以本系统设计为管理员统一负责生产厂家上报产品批次的最终检疫，并将检查到的信息，按一定格式形成规范，及时记录入区块链中，实时保证数据的可靠性。在本系统中，新节点数据为包含有产品主要信息和检疫信息在内的一列字符串，此字符串的设计详见4.2.3小节。
在系统中，公众作为使用者，在购买商品前可以扫描二维码，了解产品信息以及各检疫阶段是否合格。管理员掌控最后的终端检疫，并随时可以核对区块链中的节点信息是否和自己留存的信息一致。而记账的工作则由各节点承担。由于区块链的防篡改性，各阶段的检疫工作可以有效追溯，系统可以起到良好监督作用。
3 区块链技术应用
3.1 数据层
存储进区块链的数据难以被篡改，当数据存储进区块链节点中，区块链会通过验算节点中的Hash值，以此来检验区块链中的数据是否有篡改。系统中，区块链哈希值运算采用SHA256算法。当传入任意字符串时，该算法都会产生一个256位的哈希值，作为信息的摘要。
本项目采用LevelDB数据库作为存储区块链节点的主要工具，LevelDB是Google开发的一款高效K/V（Key/Value）数据库，可以满足本系统中区块链节点的读写需求。
3.2 网络层
在本系统的实现过程中，每一个区块链节点都占用了两个端口，HTTP通信端口占用了3001端口，P2P通信端口占用了6001端口。区块链数据基于WebSocket协议通过P2P端口进行传输。
3.3 共识层
本系统区块链的底层共识机制使用PoW（Proof of Work）工作量证明机制。节点进行与或运算，计算得到一个满足条件的随机数，计算成功则获得本次记账权。系统设置difficulty变量来控制记账的难度，合理分配节点记录权。在共识策略上选择蕴含运算量最大的链，即最长的链为有效区块链，系统中通过bolckchain类内的resolve_conflicts函数实现共识策略。设置Hash值的规则为：Hash值的前difficulty位必须是0。
3.4 激励层
激励层主要作用是激励生产厂商参与节点信息记录以及节点维护。
在本系统中，按照生产厂家所记录的节点数量排序，按照排序结果给予生产厂家认证标志，使其产品在消费者眼中认可度更高。由此可达到激励生产厂家记录区块链节点的目的。而由于管理员每次产生的批次检疫信息有时间间隔，可以保证每次只需要计算出一个节点的头部哈希值，不会产生有生产厂商为了排名而刻意挖矿的情况。
3.5 合约层
本系统的合约层为“蕴含算量最大”的最长链原则。通过一致性算法，将本地节点中的链替换成网络中最长的链来解决冲突。
3.6 应用层
在本系统中，应用层主要实现存证功能，将信息记录到区块链上，不存在资产转移。三文鱼冷链溯源系统针对不同的用户，管理员、生产厂商、公众，展示不同的信息，做到多中心化应用。
3.7 区块链模型图
综上所述，系统各层的区块链模型图如图2所示。
4 系统设计及实现
4.1 模块及功能设计
基于区块链的冷链食品溯源系统含有三个主模块，即生产厂家模块、公众模块及管理员模块。下文对各个模块展开介绍。
4.1.1 生产厂家模块
对生产厂家而言，由于区块链的防篡改性，生产厂家如果想要篡改区块链中数据，一定会被发现，对自身企业形象会有不可逆的影响。在这样的情况下，厂家会去选择保障产品本身的安全性和质量。另外，增设区块链溯源机制，一定程度上也可以提升厂商产品的市场竞争力。
在本系统中，生产厂家可以通过本模块进行新产品审核、产品批次上报、批次检疫情况查询、工厂管理、生产商排名查询功能：
（1）新产品审核：对应实际中产品注册流程，生产厂家将产品信息及生产工艺、专利等上报有关部门并获批的过程。在本系统中，将其简化为将数项产品基本信息上报给管理员。
（2）产品批次上报：对应生产厂家生产出产品后经合格认证并上市的审批流程。本系统中，将其简化为将产品批次的基本信息和各环节检疫信息上报给管理员。
（3）批次检疫情况查询：即生产厂家可以查询某一批次产品是否经过管理员检疫，合格后可流入市场。
（4）工厂管理：生产厂家可以在系统中注册自己在不同地区工厂。
（5）生产商排名查询功能：即按本地区块链的数量查询生产商的排名情况，较高的排名可获得管理员的认证标志，显示于公众模块。
4.1.2 公众模块
对公众而言，“区块链+冷链”系统基于区块链节点中的不可被篡改的真实数据，面向公众开放产品全流程的信息，并且可以追踪冷链生产和物流的各个环节，可以通过技术手段保证公众了解实情。通过“区块链+冷链”溯源机制，公众也可以更为了解产品、了解企业。
在本系统中，公众可以通过扫描产品二维码，进入公众模块，查看该产品信息以及生产厂家的排名情况：
（1）查看产品信息功能：即扫码后，系统向公众展示产品信息，该信息存储于区块链中，难以篡改。
（2）查看生产厂商排名功能：与产品展示类似，展示出的是生产厂家的排名及认证标志。
4.1.3 管理员模块
区块链技术的高速发展发展已经持续了一段时间，应用了区块链溯源的企业由于增加了成本但没有收益，热情也逐步降低，究其原因是社会没有形成可溯源产品的刚需。根据博弈理论，企业生产高投入低回报的可溯源产品的效能为负。所以管理方应该营造重视产品溯源的社会舆论，将可溯源产品对消费者、对企业的效能提高。当大部分消费者有了溯源意识，企业就会认为带有溯源的产品可以创造更多利润，便自然而然地会将溯源作为硬性标准加入产品的属性中。与此同时，也保障了消费者的权益。
在本系统中，管理员拥有最高管理权，可执行的操作为：
（1）审批产品：通过生产厂家上报的产品。
（2）批次产品检疫认证：对上报的产品批次进行检疫，合格后存储信息于新的区块链节点中。
（3）管理生产厂家：即增删系统内的生产厂家或工厂，对厂家排名情况动态调整等。
（4）管理区块链：管理员有权随时对区块链进行核查，系统会定期提醒管理员遍历区块链中的各个节点，以防信息存伪。
4.2 数据库设计
4.2.1 概念设计
本系统数据库概念设计如图3所示，设计符合第三范式。
4.2.2 逻辑结构设计
生产厂商表（厂商编号，名称，密码，地址，联系方式，审核状态，管理员编号）;
工厂表（工厂编号，名称，地址，联系方式，审核状态，厂商编号）;
产品条目表（产品编号，名称，规格，保质期，审核状态，厂商编号）;
生产批次表（工厂编号，产品编号，数量，生产日期，检疫信息，批次二维码，审批状态）;
管理员表（管理员编号，姓名，权限等级，密码）。
4.2.3 数据库表字段
管理员表记录了拥有管理操作权限的不同层级的管理员信息，可以通过编号加密码的方式登录系统。如表1所示，该数据表包含了必要的信息。
生产厂商表记录使用本系统的厂商信息，厂商同样通过编号加密码的方式登录系统。如表2所示，表中包含了厂商的主要信息。
工厂表记录厂商注册的工厂信息，方便更精准的溯源。如表3所示，表中包含了工厂的信息。
产品条目表记录厂商注册的产品信息，设计此表更为贴合产品生产的实际流程。如表4所示，表中包含了产品的主要信息。
产品批次表记录厂商生产的批次信息，此表记录的是实际的生产信息，应用中按此表的字段创建新的区块链节点。如表5所示，表中记录了每批次的生产信息。
4.2.4 多数据库设计
为实现与企业关系型数据库对接，本系统设计了多数据库存储机制。其中，溯源系统的数据库使用MySQL，方便与企业对接并形成结构化数据，方便存储到区块链节点中。区块链存储审核通过的数据条目，由溯源系统数据库中的数据按照一定规则生成。溯源二维码则是根据产品数据条目生成，存储于溯源系统数据库中。设计图如图4所示。
区块链中数据条目规则是产品ID加上检测时间戳和各阶段检疫状态码，之间用#号隔开，例如“902298237611#1617004579.9284132#1#1”代表批次号为902298237611的食品，在时间戳为1617004579.9284132时存入节点，存在一次预检疫合格，最终检疫合格。如此设计可以很好地和企业数据库完成对接，通过正则式可以筛选出所需要的信息，而不局限于字符长度。
4.3 系统界面
4.3.1 Angular运行服务
在项目目录下，用命令行ng serve--open开启Angular前端服务，代码运行截图如图5所示。
4.3.2 生产厂商界面
生产厂商有基本的对产品及工厂的增删查改功能。也可以向管理员申请Access_token加入区块链网络，获得记录节点以及参与排名的权限。界面截图如图6所示。
4.3.3 公众界面
公众可以通过扫码进入溯源系统，可以访问某一个区块和查看生产商排名情况。查看区块信息如图7所示。
4.3.4 管理员界面
管理员的生产商及产品管理界面实现了对各类信息的增删查改功能。针对区块链的管理，有如图8所示的功能。
4.4 系统测试
4.4.1 功能测试
系统完成后，针对网页的登录、数据传输等项进行测试，得到测试结果如表6所示。
4.4.2 集成测试
在功能测试的基础上，模拟用户使用过程，对系统进行测试，得到测试结果如表7所示。
5 结 论
就传统冷链的物流机制来说，并非其与产品溯源毫无干系。但在后疫情时代，如何做到“快、准、稳”地查明食品感染环节，追踪食品流向，就需要增设多重检疫环节并实时同步到该产品的云端信息库中。如果管理方没有能力将检疫覆盖所有批次的产品，就无法保障产品的检疫安全，而通过区块链设计可以解决这一问题，前提是可溯源产品在社会范围内得到认可以及民众溯源观念的形成。
如今我们身处后疫情时代，来自非人为因素的威胁不可小觑。如何应对并解决一系列非传统危机，是全人类的挑战。而风险的成功规避，要依靠科学技术进步。从冷链和区块链的结合可以看出，新技术正在逐步地影响各个方面，人民群众对美好生活的愿景也因科技逐步变为现实。该系统本着为公众消费者呈现一个更加透明的产品全貌，为社会完善更为严格缜密的市场产品监督体系，为如何做好后疫情时代的冷链溯源，提供思路和样例。
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作者简介：董文韬（1999—），男，汉族，河南平顶山人，本科在读，研究方向：信息系统;通讯作者：刘升（1966—），男，汉族，湖北大冶人，教授，硕士生导师，博士，主要研究方向：智能计算、群智能系统、进化算法。
