曾小青 彭 越 王 琪

(1. 長(zhǎng)沙理工大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410076；2. 順鑫農(nóng)業(yè)股份有限公司, 北京 101300)

中國(guó)現(xiàn)有食品供應(yīng)鏈分散，企業(yè)自律和社會(huì)監(jiān)督缺乏，食品安全風(fēng)險(xiǎn)管控難度極大。建立食品從田間到餐桌的全程追溯機(jī)制，對(duì)于強(qiáng)化責(zé)任追究，重塑消費(fèi)者信心，尤為迫切。

構(gòu)建食品安全可追溯體系，實(shí)現(xiàn)過(guò)程可感知、源頭可追溯、風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)警，對(duì)于提高中國(guó)食品質(zhì)量安全的管理水平，防止食品安全事故發(fā)生，維護(hù)供需平衡，促進(jìn)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1]。近年來(lái)，國(guó)家圍繞食品、藥品等關(guān)系人民群眾生產(chǎn)生活的重要產(chǎn)品，對(duì)追溯體系建設(shè)進(jìn)行了積極探索，但效果仍不盡人意。最近發(fā)生的疫苗事件再次印證了追溯體系建設(shè)的必要性，同時(shí)暴露了當(dāng)前追溯系統(tǒng)的無(wú)力。

一套有效的食品安全追溯系統(tǒng)有3個(gè)要點(diǎn)：① 在食品供應(yīng)鏈中建立標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的編碼標(biāo)識(shí)；② 做好食品關(guān)鍵信息的采集、存儲(chǔ)與交換；③ 保證信息不可偽造，生成后不可篡改。物聯(lián)網(wǎng)為實(shí)現(xiàn)食品追溯提供了關(guān)鍵技術(shù)支持，但是當(dāng)前中心化的、單一物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)建設(shè)成本高、信息不透明、數(shù)據(jù)容易被篡改，效果大打折扣。近兩年，區(qū)塊鏈技術(shù)不斷成熟，以其安全性、去中心化、防篡改的特點(diǎn)，受到了廣泛關(guān)注，應(yīng)用不斷深入?；谖锫?lián)網(wǎng)加區(qū)塊鏈的技術(shù)解決方案有望彌補(bǔ)當(dāng)前食品追溯系統(tǒng)的缺陷。

本研究擬針對(duì)食品安全追溯系統(tǒng)的特點(diǎn)，提出用物聯(lián)網(wǎng)加區(qū)塊鏈的方法以構(gòu)建一個(gè)過(guò)程可感知、源頭可追溯、風(fēng)險(xiǎn)可預(yù)警的食品追溯體系。

1 食品安全追溯及其發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 食品安全追溯的內(nèi)涵

根據(jù)國(guó)際食品法典委員會(huì)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)的定義，將可追溯性表述為：“通過(guò)登記的識(shí)別碼，對(duì)商品或行為的歷史、使用或位置予以追蹤的能力”[2-3]。食品安全追溯體系是一種設(shè)計(jì)用于食品生產(chǎn)和供應(yīng)過(guò)程中追蹤某一產(chǎn)品及其特性的信息記錄與應(yīng)用系統(tǒng),通過(guò)記錄食品生產(chǎn)加工流通過(guò)程的信息流，并且保障信息流的連續(xù)性。當(dāng)不安全因素被發(fā)現(xiàn)時(shí)，可以通過(guò)溯源或追蹤來(lái)識(shí)別問(wèn)題產(chǎn)品的源頭以及流向，并且有利于食品召回有效、精確地實(shí)施[4]。因此，食品可追溯體系可以看作是身份記錄、存儲(chǔ)和傳輸體系，也是一種食品生產(chǎn)過(guò)程信息管理體系。

1.2 發(fā)展現(xiàn)狀

縱觀各國(guó)，發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視追溯體系的建設(shè)。歐盟于2000年出臺(tái)《新牛肉標(biāo)簽法規(guī)》(EC1760/2000)，要求牛肉必須具備可追溯性；2002年，又出臺(tái)了《食品安全法規(guī)》(EC178/2002)[5]，要求2005年起在成員國(guó)銷(xiāo)售的食品實(shí)行強(qiáng)制可追溯性，對(duì)于來(lái)自第三國(guó)的食品，沒(méi)有可追溯性的不得進(jìn)口。美國(guó)從2004年開(kāi)始規(guī)定所有涉及食品運(yùn)輸、配送和進(jìn)口的企業(yè)必須建立并保存食品流通的全程記錄，2011年的《食品安全現(xiàn)代化法案》，要求所有企業(yè)內(nèi)部通過(guò)批次號(hào)、代碼或者其他信息記錄辦法追溯所有原料的來(lái)源和產(chǎn)品去向，政府可在24 h完成追蹤溯源。日本、韓國(guó)、澳大利亞和加拿大也是積極推廣并實(shí)施可追溯系統(tǒng)的國(guó)家[6]。

中國(guó)產(chǎn)品追溯體系研究和建設(shè)起步較晚，但政府非常重視[7]。自2010年開(kāi)始，商務(wù)部分期分批支持58個(gè)城市開(kāi)展了肉類(lèi)蔬菜流通追溯體系建設(shè)試點(diǎn)[8]。2016年，在總結(jié)前期試點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，商務(wù)部會(huì)同有關(guān)部門(mén)開(kāi)展重要產(chǎn)品追溯體系示范工作，并逐步由試點(diǎn)示范工作向常態(tài)化轉(zhuǎn)變，初步形成輻射全國(guó)、連接城鄉(xiāng)的追溯網(wǎng)絡(luò)。2017年2月，商務(wù)部、質(zhì)檢總局、食品藥品監(jiān)管總局共7個(gè)部委，聯(lián)合印發(fā)了《關(guān)于推進(jìn)重要產(chǎn)品信息化追溯體系建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)》[9]，提出了“十三五”期間，食用農(nóng)產(chǎn)品、食品、藥品、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資料、特種設(shè)備、危險(xiǎn)品、稀土產(chǎn)品進(jìn)出口產(chǎn)品等八大類(lèi)重要產(chǎn)品要形成全國(guó)統(tǒng)一協(xié)調(diào)的追溯標(biāo)準(zhǔn)體系和追溯信息服務(wù)體系。

除了政府牽頭建設(shè)的各省肉制品蔬菜追溯系統(tǒng)，各大電商企業(yè)(如京東、阿里健康)和一些大型食品企業(yè)(如：順鑫農(nóng)業(yè)、伊利、茅臺(tái))等紛紛建立自己的追溯系統(tǒng)[10]，呈現(xiàn)百花齊放的狀態(tài)。但由于缺少統(tǒng)一的規(guī)劃，中國(guó)未能有一個(gè)兼容、規(guī)范、統(tǒng)一的產(chǎn)品追溯體系。

1.3 研究現(xiàn)狀

目前各國(guó)產(chǎn)品追溯體系建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)不盡相同，產(chǎn)品追溯體系覆蓋范圍較為廣泛，為學(xué)者提供了很大研究空間。

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從不同角度定義食品追溯，并探討建設(shè)食品追溯體影響因素和構(gòu)建技術(shù)。關(guān)于食品追溯體系內(nèi)涵，Karlsen等[11]通過(guò)對(duì)已有文獻(xiàn)的總結(jié)，指出追溯的定義和原則的理解并不統(tǒng)一，食品追溯的實(shí)施也沒(méi)有普遍適用的理論框架。Bosona等[12]將食品追溯看作物流管理的一部分，并從物流管理的角度重新定義了食品追溯，分析了建立食品追溯體系的動(dòng)力、優(yōu)勢(shì)和阻礙等因素。Golan等[13]通過(guò)實(shí)證分析了食品可追溯主體行為。Catarinucci等[14]將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和無(wú)線射頻識(shí)別技術(shù)結(jié)合以提高白葡萄酒的可追溯性。鮑曉成等[15]基于物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，探討了豬肉供應(yīng)鏈可追溯系統(tǒng)的構(gòu)建。

從現(xiàn)有食品追溯的研究可以看出，從追溯參與者角度、追溯系統(tǒng)構(gòu)建和追溯相關(guān)技術(shù)應(yīng)用等方面研究成果較為豐富，但中國(guó)食品供應(yīng)鏈追溯體系建設(shè)仍處于初級(jí)階段，要實(shí)現(xiàn)覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的、覆蓋全國(guó)的追溯體系，食品追溯理論和相關(guān)技術(shù)應(yīng)用都需要深入研究。

2 食品追溯體系中的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)

2.1 食品安全追溯中的編碼標(biāo)準(zhǔn)——GS1

追溯體系編碼標(biāo)準(zhǔn)不一，是造成追溯系統(tǒng)不規(guī)范、互不兼容、信息“孤島”，因而未能形成完整食品供應(yīng)鏈追溯的重要原因。

實(shí)際上目前國(guó)際廣泛采用的產(chǎn)品追溯標(biāo)準(zhǔn)體系是GS1體系[16]。該體系以條碼、RFID 標(biāo)簽等為信息載體，由于其采集速度快、可靠性高、靈活實(shí)用成本低等特點(diǎn)，在供應(yīng)鏈管理中得到了廣泛的應(yīng)用，成為供應(yīng)鏈管理現(xiàn)代化的關(guān)鍵技術(shù)。

GS1標(biāo)準(zhǔn)以“供應(yīng)鏈各參與方、貿(mào)易項(xiàng)目、物流單元、位置、資產(chǎn)、服務(wù)關(guān)系”的編碼體系為核心，融合條碼技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)、電子數(shù)據(jù)交換技術(shù)，解決供應(yīng)鏈上信息編碼不唯一的問(wèn)題。

目前，GS1標(biāo)準(zhǔn)被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)、聯(lián)合國(guó)歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)(UN/ECE)、歐盟等國(guó)際組織認(rèn)可為食品安全追溯領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)物品編碼中心(Article Numbering Center of China，ANCC)作為國(guó)務(wù)院授權(quán)加入GS1的會(huì)員組織，負(fù)責(zé)向全國(guó)的商品條碼系統(tǒng)成員(用戶)分配全球唯一的廠商識(shí)別代碼。任何準(zhǔn)備實(shí)施追溯的企業(yè)，首先應(yīng)向中國(guó)物品編碼中心(或企業(yè)所在地物品編碼分支機(jī)構(gòu))申請(qǐng)廠商識(shí)別代碼，采用GS1全球統(tǒng)一標(biāo)識(shí)系統(tǒng)進(jìn)行編碼，建立并使用自己的全球貿(mào)易項(xiàng)目代碼(GTIN)，實(shí)現(xiàn)食品的追溯[17]。

2.2 電子標(biāo)識(shí)技術(shù)

標(biāo)識(shí)技術(shù)是一種自動(dòng)的，高效的數(shù)據(jù)采集、輸入、保存手段，能夠?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)采集自動(dòng)化，從而消除人為錯(cuò)誤，并且能夠?qū)⒉杉降臄?shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)交換。只有將產(chǎn)品實(shí)體變成數(shù)據(jù)，才能開(kāi)展產(chǎn)品追溯，標(biāo)識(shí)技術(shù)是可追溯體系的核心和基礎(chǔ)。

目前，條碼技術(shù)由于識(shí)別率高、成本低，是應(yīng)用最廣的一種自動(dòng)識(shí)別技術(shù)。它包括一維條碼、二維條碼、三維條碼。其中一維碼被廣泛應(yīng)用于商品條碼和物流條碼中，二維碼在水平方向和垂直方向都能夠儲(chǔ)存信息，存儲(chǔ)容量大，相對(duì)尺寸小，具有抗損毀能力，應(yīng)用領(lǐng)域也非常廣泛。

然而，條碼技術(shù)具有明顯的缺陷：信息是只讀的，一經(jīng)生成則不能添加或修改；容易被偽造；掃描識(shí)別距離短，一次只能讀取一個(gè)。而以射頻識(shí)別RFID電子標(biāo)簽為物理載體、以EPC(Electronic Product Code)編碼體系為核心的電子標(biāo)識(shí)技術(shù)則成為支持食品供應(yīng)鏈追蹤的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.2.1 無(wú)線射頻識(shí)別RFID技術(shù) 無(wú)線射頻識(shí)別RFID(Radio Frequency Identification)是一種非接觸式識(shí)別技術(shù)，它采用射頻信號(hào)來(lái)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象。系統(tǒng)包括電子標(biāo)簽、讀寫(xiě)器、天線和其他相關(guān)的軟件和硬件[18]。RFID的工作原理是天線在一個(gè)范圍內(nèi)發(fā)送一定頻率的射頻信號(hào)并形成電磁場(chǎng)，電子標(biāo)簽經(jīng)過(guò)這一區(qū)域時(shí)被激發(fā)，通過(guò)感應(yīng)電流得到的能量發(fā)出電子標(biāo)簽中的信息，將信息傳至讀寫(xiě)器，這些信息可以存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)或其他應(yīng)用中進(jìn)行進(jìn)一步的加工處理。

(1) RFID技術(shù)難題：不難發(fā)現(xiàn)標(biāo)識(shí)技術(shù)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)存在安全問(wèn)題。由于沒(méi)有統(tǒng)一的安全機(jī)構(gòu)的保護(hù)，導(dǎo)致電子標(biāo)簽在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)極易被非法攻擊者操控，泄漏相關(guān)產(chǎn)業(yè)的隱私。無(wú)線傳輸本身的脆弱性，使得數(shù)據(jù)傳輸易受到干擾，使得標(biāo)識(shí)技術(shù)應(yīng)用環(huán)境異常，不能正常提供應(yīng)用服務(wù)。另一方面就是編碼標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。如前所述，GS1中有關(guān)于面向RFID的電子產(chǎn)品碼EPC Global標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)前市場(chǎng)上各種編碼方式并存，標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、不兼容，嚴(yán)重阻礙了RFID技術(shù)的推廣使用。

(2) RFID的主要安全解決方案：保證標(biāo)識(shí)技術(shù)安全的解決方案主要有2種。一種是通過(guò)物理手段阻止標(biāo)簽與讀寫(xiě)器之間的不安全對(duì)話，主要做法有：① 銷(xiāo)毀指令。在產(chǎn)品賣(mài)出后對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行銷(xiāo)毀，以此保護(hù)消費(fèi)者和相關(guān)企業(yè)的隱私。② 靜電屏蔽。利用法拉第網(wǎng)罩，對(duì)標(biāo)簽進(jìn)行無(wú)線電波屏蔽。③ 阻塞標(biāo)簽法。通過(guò)放置一個(gè)被動(dòng)式干擾標(biāo)簽，將有用的信息隱藏起來(lái)，避免不合法的閱讀器進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。這些物理安全機(jī)制會(huì)額外增加成本。另一種方案是基于密碼技術(shù)通過(guò)建立各種協(xié)議，比如隨機(jī)哈希鎖協(xié)議、哈希鏈協(xié)議、匿名ID協(xié)議等，解決標(biāo)簽數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全問(wèn)題。

2.2.2 電子產(chǎn)品碼EPC技術(shù) 電子產(chǎn)品碼EPC技術(shù)是由美國(guó)統(tǒng)一代碼協(xié)會(huì)和國(guó)際物品編碼協(xié)會(huì)聯(lián)合推出的電子產(chǎn)品標(biāo)簽技術(shù)[19]。EPC是集編碼技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為一體的新興技術(shù)。

如圖1所示，讀寫(xiě)器讀取RFID電子標(biāo)簽上的EPC碼，通過(guò)EPC中間件將EPC傳送給對(duì)象名稱解析服務(wù)(Object Name Service，ONS，類(lèi)似于互聯(lián)網(wǎng)的DNS)。對(duì)具體實(shí)體信息的描述語(yǔ)言為PML(physical markup language，物理標(biāo)記語(yǔ)言)，由PML描述的各項(xiàng)服務(wù)構(gòu)成了EPC IS(EPC Information Services)。EPC中間件通過(guò)ONS的指示從EPC信息服務(wù)查找保存的文件，該文件可以由EPC中間件復(fù)制，然后產(chǎn)品信息就能傳到供應(yīng)鏈上。當(dāng)前，由于閱讀器讀出的EPC碼只是一個(gè)信息參考(指針)，為了匹配物品信息，EPC碼需要從Internet找到IP地址并獲取該地址所存放的物品信息，因此需要ONS提供自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)?？梢灶A(yù)見(jiàn)，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的引入，這種由中心數(shù)據(jù)庫(kù)保存產(chǎn)品信息的方式將發(fā)生變化。

圖1 EPC工作原理Figure 1 EPC operating principle

2.3 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈作為一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，正在引領(lǐng)全球新一輪技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)變革，推動(dòng)“信息互聯(lián)網(wǎng)”向“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”變遷[20]。在區(qū)塊鏈中，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)個(gè)“區(qū)塊(block)”中，每個(gè)區(qū)塊記錄下它在被創(chuàng)建期間發(fā)生的所有價(jià)值交換活動(dòng)。在每個(gè)區(qū)塊中，專門(mén)用一個(gè)字段來(lái)記錄前一個(gè)區(qū)塊頭部的哈希值，使得后一個(gè)區(qū)塊能指向唯一的前一個(gè)區(qū)塊。由此，前后區(qū)塊順序相連，形成了一條長(zhǎng)鏈。區(qū)塊鏈就是區(qū)塊以鏈的方式組合在一起，形成的一種區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)。

區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)主要包括鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非對(duì)稱加密技術(shù)、共識(shí)機(jī)制和智能合約等。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上是一個(gè)P2P(點(diǎn)對(duì)點(diǎn))網(wǎng)絡(luò), 每一個(gè)節(jié)點(diǎn)既接收信息，也產(chǎn)生信息，每一筆交易都被時(shí)間戳標(biāo)記了時(shí)間標(biāo)記。共識(shí)是在一群相互不信任的參與者之間建立協(xié)議的過(guò)程，決定由哪個(gè)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行記賬，它直接影響整個(gè)系統(tǒng)的安全性和可靠性。目前共識(shí)算法主要有工作量證明機(jī)制(PoW)、時(shí)間耗用證明機(jī)制(PoET)、權(quán)益證明機(jī)制(PoS)、股份授權(quán)證明機(jī)制(DPoS)等。本研究采用的HyperLedger Sawtooth平臺(tái)是基于Intel提出的時(shí)間耗用證明(PoET)算法，克服了PoW高功耗低效率的缺點(diǎn)；智能合約是獲得多方承認(rèn)的、運(yùn)行在區(qū)塊鏈之上的且能夠根據(jù)預(yù)設(shè)條件自動(dòng)處理交易的程序。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以提高系統(tǒng)的安全性和透明度。但是，在實(shí)際業(yè)務(wù)環(huán)境中面對(duì)海量數(shù)據(jù)時(shí)，當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)在吞吐量，延遲和容量方面存在可擴(kuò)展性問(wèn)題，需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3 基于物聯(lián)網(wǎng)加區(qū)塊鏈的食品安全追溯系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

隨著無(wú)線射頻識(shí)別RFID技術(shù)的日益成熟及成本的不斷降低，物聯(lián)網(wǎng)正成為智能化管理的重要手段。而區(qū)塊鏈不可篡改、分布式存儲(chǔ)等技術(shù)為溯源行業(yè)的信任缺失提供了解決方案?；谖锫?lián)網(wǎng)加區(qū)塊鏈的食品追溯系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)是典型的分布式系統(tǒng)，它使用物聯(lián)網(wǎng)(如無(wú)線射頻識(shí)別RFID、無(wú)線傳感網(wǎng)WSN、衛(wèi)星定位系統(tǒng)GPS)收集和傳遞食品供應(yīng)鏈中的相關(guān)數(shù)據(jù)。追溯系統(tǒng)利用節(jié)點(diǎn)上的產(chǎn)品電子碼EPC系統(tǒng)，對(duì)附有無(wú)線射頻識(shí)別芯片標(biāo)簽的食品信息進(jìn)行跟蹤。系統(tǒng)以食品供應(yīng)鏈的每個(gè)節(jié)點(diǎn)DP(Distribution Point)作為數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，由EPC對(duì)流入流出各個(gè)供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)采集并將其保存到區(qū)塊鏈上。鏈上成員包括：原料生產(chǎn)方、食品加工制造方、物流方、分銷(xiāo)商、零售商認(rèn)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)和消費(fèi)者。鏈上會(huì)員一經(jīng)注冊(cè)，便可以添加、更新和查詢有關(guān)食品信息。系統(tǒng)用戶信息包括用戶的數(shù)字配置文件、基本介紹、位置、認(rèn)證以及與物品的關(guān)聯(lián)。系統(tǒng)中的所有數(shù)據(jù)都向全部用戶開(kāi)放，系統(tǒng)通過(guò)智能合約定義了用戶與系統(tǒng)交互的方式，以及如何在用戶之間共享數(shù)據(jù)。鏈上每件物品都附有RFID標(biāo)簽，對(duì)應(yīng)一串唯一的數(shù)字加密標(biāo)識(shí)符，是現(xiàn)實(shí)物品在系統(tǒng)中的虛擬身份標(biāo)識(shí)。

圖2 食品安全追溯體系框架Figure 2 Food safety traceability system architecture

食品供應(yīng)鏈成員需要提供有效身份資料才能注冊(cè)成為系統(tǒng)用戶，進(jìn)而獲得成員在系統(tǒng)中的唯一身份。注冊(cè)時(shí)，系統(tǒng)將為每位用戶生成密鑰對(duì)(公鑰和私鑰)，公鑰可用于標(biāo)識(shí)系統(tǒng)中用戶身份，私鑰用于該用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互時(shí)，對(duì)專屬數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密。這使得每條產(chǎn)品數(shù)據(jù)都可以被相應(yīng)用戶添加和更新，或傳遞到供應(yīng)鏈下游用戶。在食品供應(yīng)鏈中，當(dāng)某特定鏈接位置的用戶收到產(chǎn)品時(shí)，只有這個(gè)用戶才有權(quán)用私鑰對(duì)產(chǎn)品信息加密并添加到區(qū)塊鏈上。此外，當(dāng)用戶將此產(chǎn)品傳遞給下游用戶時(shí)，兩者通過(guò)智能合約來(lái)保證交易，讓供應(yīng)鏈上的用戶隨時(shí)了解產(chǎn)品狀態(tài)信息。

3.2 數(shù)據(jù)關(guān)系與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型

當(dāng)前中國(guó)食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)比較分散，在這方面，歐盟由于追溯開(kāi)展較早，數(shù)據(jù)相對(duì)比較完整。為此，采用BfR(德國(guó)聯(lián)邦風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究所)提供的來(lái)自RASFF(歐洲食品和飼料快速預(yù)警系統(tǒng))的數(shù)據(jù)加以說(shuō)明[21]。該數(shù)據(jù)集包括了牛肉、雞肉、豬肉、魚(yú)、比薩和奶酪6種食品、252個(gè)供應(yīng)鏈成員的548次交易。對(duì)該數(shù)據(jù)集進(jìn)行梳理，建立食品供應(yīng)鏈數(shù)據(jù)關(guān)系模型見(jiàn)圖3。

追溯系統(tǒng)主要有四類(lèi)實(shí)體的相關(guān)信息：供應(yīng)鏈成員企業(yè)、產(chǎn)品、配送及批次信息。根據(jù)這些信息生成的食品供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

由此得到食品供應(yīng)鏈的一個(gè)全局視圖，如果某一節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問(wèn)題，其影響可以沿著網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行追蹤；而如果某節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，需要向上進(jìn)行追溯。

3.3 食品安全系統(tǒng)追溯流程設(shè)計(jì)

食品安全追溯根據(jù)方向不同，可分為追蹤和溯源兩個(gè)過(guò)程。追蹤(Track)是指從上游到下游追蹤。當(dāng)發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，通過(guò)追蹤可以了解食品去向，便于評(píng)估影響并進(jìn)行食品召回；溯源(Trace)是指下游到上游的溯源過(guò)程，當(dāng)出現(xiàn)食品安全問(wèn)題時(shí)，可以向上查找定位問(wèn)題源并及時(shí)處理。各環(huán)節(jié)處理流程：

圖3 食品安全追溯的數(shù)據(jù)關(guān)系Figure 3 Data relationship of food safety traceability

圖4 食品供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示例Figure 4 Structure of a food supply chain network sample

(1) 生產(chǎn)環(huán)節(jié)：種植(養(yǎng)殖)方將新品輸入系統(tǒng)，并記錄物品種、數(shù)量、生長(zhǎng)條件(溫度、濕度)。交易時(shí)，與生產(chǎn)加工企業(yè)簽訂數(shù)字合同，并與下游企業(yè)共享物流單元識(shí)別碼(SSCC)、發(fā)貨位置、發(fā)貨日期等。

(2) 加工環(huán)節(jié)：從上游采集物流單元識(shí)別碼(SSCC)，需要記錄產(chǎn)品識(shí)別碼、貿(mào)易項(xiàng)目商品名和品種名、添加劑、食品加工環(huán)境如溫度控制、消毒和處理設(shè)備等數(shù)據(jù)。需要與下游廠商共享貿(mào)易項(xiàng)目識(shí)別碼、批號(hào)、貿(mào)易項(xiàng)目數(shù)量和發(fā)貨人識(shí)別碼、發(fā)貨位置等。

(3) 流通環(huán)節(jié)：物流廠商、分銷(xiāo)商和零售商從上游采集貿(mào)易項(xiàng)目識(shí)別碼、商品名和品種、物流單元數(shù)量、發(fā)貨人識(shí)別碼等信息。輸出批號(hào)、收貨日期、收貨人識(shí)別碼、向下游發(fā)貨信息，并通過(guò)溫度和濕度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控物品的溫度和濕度等環(huán)境數(shù)據(jù)。

(4) 消費(fèi)環(huán)節(jié)：消費(fèi)者可以通過(guò)掃描二維碼或EPC碼獲取產(chǎn)品從生產(chǎn)廠商到零售商所經(jīng)歷的產(chǎn)品流通路徑，同時(shí)可以獲得各產(chǎn)品流通節(jié)點(diǎn)的相關(guān)信息和產(chǎn)品信息。由于使用了區(qū)塊鏈技術(shù)，鏈上所有信息都是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的。

(5) 監(jiān)管環(huán)節(jié)：食品監(jiān)管組織、認(rèn)證、審計(jì)部門(mén)可隨機(jī)檢查相關(guān)數(shù)據(jù)是否完整，有沒(méi)被篡改。通過(guò)錄入或掃描標(biāo)識(shí)碼得到產(chǎn)品的流通路徑、同批次產(chǎn)品的流向。

這樣，使用物聯(lián)網(wǎng)并結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，對(duì)食品的生產(chǎn)、加工、流通、監(jiān)管與消費(fèi)等全部生命周期進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)食品來(lái)源可查，去向可追，責(zé)任可究，防范食品安全事故的發(fā)生。

4 食品安全追溯原型系統(tǒng)在區(qū)塊鏈平臺(tái)上的實(shí)現(xiàn)

4.1 模式與平臺(tái)選擇

4.1.1 模式選擇 區(qū)塊鏈可以分為聯(lián)盟鏈、私有鏈和公共鏈[22]。公共鏈?zhǔn)峭耆_(kāi)放的，私有鏈和聯(lián)盟鏈分別是選擇性的開(kāi)放，舍棄了一定的去中心化。筆者認(rèn)為，食品追溯系統(tǒng)既不面向某單一企業(yè)，又具有一定的行業(yè)特性，因此用聯(lián)盟鏈方式比較理想。聯(lián)盟鏈在高可用、高性能、隱私保護(hù)上更有優(yōu)勢(shì)，既可以讓監(jiān)管部門(mén)擁有監(jiān)管權(quán)，也能對(duì)所有查詢者開(kāi)放查詢權(quán)，同時(shí)還能集合區(qū)塊鏈溯源、防篡改的特性。

4.1.2 平臺(tái)選擇 當(dāng)前區(qū)塊平臺(tái)以開(kāi)源為主，因?yàn)殚_(kāi)源被認(rèn)為更可信、更開(kāi)放、技術(shù)上更可靠。當(dāng)前Bitcoin、Ethereum(以太坊)以及Hyperledger(超級(jí)賬本)是三大主流區(qū)塊鏈技術(shù)平臺(tái)[23]。Bitcoin為以比特幣為代表的數(shù)字貨幣提供了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用原型；以太坊作為公有區(qū)塊鏈平臺(tái)，將比特幣針對(duì)數(shù)字貨幣交易的功能進(jìn)一步進(jìn)行了拓展；而支持智能合約的Hyperledger(超級(jí)賬本)項(xiàng)目是首個(gè)面向企業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景的分布式區(qū)塊鏈平臺(tái)[24]。Hyperledger是由Linux 基金會(huì)于2015 年發(fā)起為推進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)和交易驗(yàn)證的開(kāi)源項(xiàng)目，主要由IBM、英特爾發(fā)起，吸引了包括華為、騰訊、百度眾多國(guó)內(nèi)外公司參與。作為一個(gè)聯(lián)合項(xiàng)目，超級(jí)賬本由面向不同目的和場(chǎng)景的子項(xiàng)目構(gòu)成。目前包括Fabric、Sawtooth(面向供應(yīng)鏈管理)、Iroha、Blockchain Explorer、Cello、Indy、Composer、Burrow等。

本研究選用超級(jí)賬本HyperLedger下的Sawtooth區(qū)塊鏈平臺(tái)，來(lái)構(gòu)建食品安全追溯原型系統(tǒng)。

4.2 原型系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)3.1所述的體系框架，食品安全追溯原型系統(tǒng)借助區(qū)塊鏈技術(shù)，將食品生產(chǎn)、加工、流通、消費(fèi)過(guò)程的信息進(jìn)行整合并寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈，實(shí)現(xiàn)全流程食品追溯，主要功能包括：

(1) 角色認(rèn)證：食品供應(yīng)鏈成員通過(guò)智能合約提交申請(qǐng)，通過(guò)超級(jí)用戶審核(政府監(jiān)管部門(mén))，頒發(fā)相應(yīng)的數(shù)字證書(shū)，并分配權(quán)限。

(2) 數(shù)據(jù)標(biāo)識(shí)：根據(jù)統(tǒng)一數(shù)據(jù)編碼標(biāo)準(zhǔn)，參與方為每件產(chǎn)品分配一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的標(biāo)識(shí)碼,將物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)簽貼到產(chǎn)品上，并記錄其生產(chǎn)場(chǎng)地及存儲(chǔ)溫度、保質(zhì)期等參數(shù)信息。

(3) 信息上鏈：食品生產(chǎn)商、物流倉(cāng)儲(chǔ)服務(wù)商、檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)、經(jīng)銷(xiāo)商等統(tǒng)一上鏈，產(chǎn)品生產(chǎn)流轉(zhuǎn)的全流程信息由各參與方在鏈上進(jìn)行登記記錄，并分布保存于區(qū)塊鏈各個(gè)節(jié)點(diǎn)中，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性，保證信息的完整性和產(chǎn)品生產(chǎn)流轉(zhuǎn)過(guò)程的可追溯性。

(4) 食品鏈追溯：由于每條信息都附有各主體的數(shù)字簽名和寫(xiě)入時(shí)間戳，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)簽名和加密技術(shù)讓全鏈路信息實(shí)現(xiàn)了防篡改、標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一和高效率交換。因此，用戶、食品企業(yè)、監(jiān)管機(jī)構(gòu)等參與方，可以向下追蹤或往上追溯，了解食品從“田間到餐桌”的整個(gè)過(guò)程。當(dāng)出現(xiàn)食品安全問(wèn)題時(shí)，既便于界定追蹤責(zé)任，也可以快速實(shí)行召回，消除影響。

食品安全追溯原型系統(tǒng)的運(yùn)行界面如圖5所示，該圖以Rochelle雞肉為例，完整地記錄了不同階段該食品的參與方、位置、時(shí)間、環(huán)境(如溫度、溫度)等信息。

圖5 食品追溯原型系統(tǒng)運(yùn)行界面Figure 5 Screenshot of food traceability prototype system

圖6是食品追溯網(wǎng)絡(luò)中上下游之間進(jìn)行交易時(shí)的邀約(Proposal)區(qū)塊示例，該區(qū)塊記錄了邀約發(fā)起方、接收方ID、標(biāo)的記錄號(hào)、邀約狀態(tài)、時(shí)間戳、起始與結(jié)束區(qū)塊等信息。交易的每個(gè)狀態(tài)變化都在區(qū)塊鏈上進(jìn)行記錄，不可篡改，并可追溯。

圖6 食品追溯原型系統(tǒng)交易區(qū)塊示例Figure 6 Code snippet of transaction block of food traceability prototype system

5 結(jié)論

食品安全追溯系統(tǒng)對(duì)于堵塞食品生產(chǎn)、加工、流通、消費(fèi)各環(huán)節(jié)中的安全漏洞具有重要意義。隨著無(wú)線射頻識(shí)別RFID技術(shù)的日益成熟及成本的不斷降低，物聯(lián)網(wǎng)正成為智能化管理的重要手段；而區(qū)塊鏈不可篡改、分布式存儲(chǔ)等特征為克服溯源領(lǐng)域的信任缺失提供了解決方案。本研究建立了物聯(lián)網(wǎng)加區(qū)塊鏈的食品安全追溯系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)了食品追溯流程，并采用聯(lián)盟鏈模式和超級(jí)賬本區(qū)塊鏈開(kāi)發(fā)平臺(tái)，對(duì)食品安全追溯原型系統(tǒng)作了實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集層面，充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，通過(guò)傳感器與智能設(shè)備連接物理世界和信息世界；再結(jié)合區(qū)塊鏈的去中心化、防篡改特點(diǎn)，對(duì)食品供應(yīng)鏈上各環(huán)節(jié)的信息進(jìn)行采集、傳輸和處理，將數(shù)據(jù)以智能合約的方式寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈上，數(shù)據(jù)環(huán)環(huán)相扣，既保證了信息的準(zhǔn)確與透明，一旦發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，也可以快速定位風(fēng)險(xiǎn)源頭，更好地保障食品安全。

誠(chéng)然，區(qū)塊鏈技術(shù)仍處于早期階段，實(shí)際業(yè)務(wù)環(huán)境下的海量數(shù)據(jù)處理，在吞吐量、延遲和容量方面存在擴(kuò)展性問(wèn)題。然而，隨著技術(shù)的進(jìn)步，區(qū)塊鏈的分布式、不可篡改、可追溯這些優(yōu)點(diǎn)，使之必將引領(lǐng)新一輪技術(shù)變革和產(chǎn)業(yè)變革，推動(dòng)“信息互聯(lián)網(wǎng)”向“價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)”轉(zhuǎn)變。