許繼平，韓佳琪，張 新, *，王小藝，趙峙堯，孔建磊

（1.北京工商大學(xué)人工智能學(xué)院，北京 100048；2.北京工商大學(xué) 中國輕工業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與大數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100048）

糧油質(zhì)量安全一直是國民最為關(guān)心的問題之一[1]。近年來糧油行業(yè)屢屢出現(xiàn)安全問題，鎘大米、農(nóng)藥殘留超標(biāo)、違規(guī)使用食品添加劑、運(yùn)輸環(huán)節(jié)污染等事件的發(fā)生嚴(yán)重威脅到消費(fèi)者的身體健康，損害了企業(yè)信譽(yù)，使糧油質(zhì)量受到公眾的質(zhì)疑[2]。保障糧油質(zhì)量安全對國民的健康、社會(huì)和諧、國家穩(wěn)定意義重大。目前糧油質(zhì)量安全全鏈條各環(huán)節(jié)存在很多的安全問題[3]，糧油質(zhì)量安全溯源過程在以下幾方面存在突出問題，一是在糧油質(zhì)量安全全鏈條方面，一般食品安全溯源是對食品供應(yīng)鏈的一個(gè)或者某幾個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行溯源[4]，而糧油溯源涉及全鏈條各企業(yè)生產(chǎn)的各種各樣的糧油產(chǎn)品，糧油產(chǎn)品種類數(shù)量繁多[5]，其風(fēng)險(xiǎn)因素多，且其他鏈條十分復(fù)雜、涉及面廣、周期長[6]，導(dǎo)致溯源數(shù)據(jù)量大和數(shù)據(jù)易丟失[7]；二是在企業(yè)間溯源信息交互方面，糧油質(zhì)量安全溯源過程中需要全鏈條中各環(huán)節(jié)企業(yè)參與[8]。糧油質(zhì)量安全全鏈條的溯源信息主要來源于企業(yè)的數(shù)據(jù)庫[9]，然而企業(yè)間的數(shù)據(jù)因地域、環(huán)節(jié)差異，溯源信息難共享[10]，導(dǎo)致糧油質(zhì)量溯源數(shù)據(jù)中心化嚴(yán)重，從而形成了企業(yè)之間的信息孤島[11]；三是溯源信息準(zhǔn)確性方面，糧油質(zhì)量安全溯源信息在錄入本地?cái)?shù)據(jù)庫的過程中，公司或者監(jiān)管機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)管理人員可能因某種原因?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行虛構(gòu)、篡改、刪除[12]，從而導(dǎo)致溯源數(shù)據(jù)的安全性不能得到保證[13]，全鏈條下一環(huán)節(jié)的企業(yè)對上一環(huán)節(jié)企業(yè)提供數(shù)據(jù)的真實(shí)性以及可靠性無法驗(yàn)證[14]。

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式[15]。其涉及的對等網(wǎng)絡(luò)、共識(shí)算法、哈希加密等使其具有去中心化、信息透明防篡改、可追溯等特點(diǎn)[16]，沒有任何機(jī)構(gòu)可以對其絕對控制。采用區(qū)塊鏈技術(shù)可以加速糧油質(zhì)量安全全鏈條信息流轉(zhuǎn)[17]，保證全鏈條各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息安全[18]。國內(nèi)外學(xué)者在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于食品質(zhì)量安全溯源領(lǐng)域進(jìn)行了初步應(yīng)用研究，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)業(yè)食品安全追溯體系[19]，構(gòu)建追溯信息雙存儲(chǔ)模型[20]，構(gòu)建大米全產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量全息數(shù)據(jù)庫，將以太坊上的智能合約用于食品供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)等[21]。部分企業(yè)也運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)為供應(yīng)鏈上的產(chǎn)品提供全程溯源[22]，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于追蹤環(huán)節(jié)[23]。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系通過條形碼、二維碼、無線射頻識(shí)別標(biāo)簽等方式賦予每一個(gè)實(shí)體或虛擬對象唯一的身份編碼，同時(shí)承載相關(guān)數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)體和虛擬對象的定位、連接和對話。企業(yè)通過接入國家工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系，可以打通人機(jī)料法環(huán)各要素，糧油質(zhì)量安全鏈條上的企業(yè)可以縱向連接上下游其他企業(yè)，中小型企業(yè)也可以橫向連接成平臺(tái)，利用標(biāo)識(shí)解析技術(shù)進(jìn)行所需數(shù)據(jù)的共享，實(shí)現(xiàn)底層數(shù)據(jù)全面采集、各環(huán)節(jié)企業(yè)間數(shù)據(jù)共享，為開展基于互聯(lián)互通數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)場景打造與推廣應(yīng)用提供數(shù)字底座。一些國內(nèi)學(xué)者和企業(yè)將工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析技術(shù)應(yīng)用于食品領(lǐng)域，并進(jìn)行初步的探索和研究，利用標(biāo)識(shí)解析技術(shù)建立冷鏈追溯標(biāo)識(shí)解析體系，使用標(biāo)識(shí)解析技術(shù)建立了食品行業(yè)標(biāo)識(shí)解析平臺(tái)。通過將分布式、不可篡改的區(qū)塊鏈融合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)，為行業(yè)內(nèi)和跨行業(yè)服務(wù)應(yīng)用提供更加安全可信的標(biāo)識(shí)服務(wù)，從而打造更加可信的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)[24]，提升數(shù)據(jù)共享的安全性和協(xié)作效率[25]。王晨等[26]提出基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)公共服務(wù)應(yīng)用的架構(gòu)，通過區(qū)塊鏈管理工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)的策略，標(biāo)識(shí)解析與區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈管理上實(shí)現(xiàn)了集成應(yīng)用[27]。

上述研究有效地解決了目前糧油質(zhì)量安全溯源所面臨的一些問題，通過結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，建立具有去中心化、數(shù)據(jù)防篡改、安全可靠的糧油質(zhì)量安全溯源體系，可有效地提高供應(yīng)鏈的可追溯性和安全性，并提高糧油質(zhì)量安全全鏈條的透明度，但依然不能解決現(xiàn)存的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲(chǔ)壓力大和查詢效率低等問題。工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)，在數(shù)據(jù)的采集和共享方面取得了不錯(cuò)的效果，但在與區(qū)塊鏈融合應(yīng)用研究方面目前還只是停留在面向應(yīng)用的模式、架構(gòu)層面，具體的關(guān)鍵技術(shù)還未深入研究，沒有有效的辦法解決鏈網(wǎng)融合難題[28-30]。針對上述問題，在對區(qū)塊鏈技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析技術(shù)進(jìn)行深入研究的基礎(chǔ)上，本研究將區(qū)塊鏈技術(shù)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析技術(shù)相融合，提出了基于區(qū)塊鏈和標(biāo)識(shí)解析的糧油質(zhì)量安全可信溯源模型，設(shè)計(jì)了小麥質(zhì)量安全可信溯源系統(tǒng)，可有效地解決當(dāng)前溯源系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)無法全面獲取、數(shù)據(jù)安全性低等難題，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確、定位問題發(fā)生的環(huán)節(jié)，并找到問題的根源、追蹤問題產(chǎn)品去向，明確責(zé)任企業(yè)并追究責(zé)任，降低糧油安全事故造成的不良影響，為真正實(shí)現(xiàn)糧油供應(yīng)鏈質(zhì)量安全溯源提供可行的解決方案，對解決糧油質(zhì)量安全問題具有一定意義。

1 糧油質(zhì)量安全全鏈條信息流轉(zhuǎn)特性研究

1.1 糧油質(zhì)量安全全鏈條構(gòu)建

糧油質(zhì)量安全全鏈條上數(shù)據(jù)所在各個(gè)環(huán)節(jié)的完整性是糧油質(zhì)量安全溯源的基礎(chǔ)。在糧油質(zhì)量安全溯源過程中，如果糧油質(zhì)量安全全鏈條環(huán)節(jié)缺少，就不能查詢到相應(yīng)環(huán)節(jié)的溯源數(shù)據(jù)信息，從而不能通過快速溯源到出現(xiàn)問題環(huán)節(jié)以減小安全事故的影響，因此構(gòu)建完整的糧油質(zhì)量安全全鏈條對于糧油質(zhì)量安全溯源非常重要。糧油質(zhì)量安全全鏈條由種植環(huán)節(jié)、收儲(chǔ)環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)、倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)、物流環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)6 個(gè)大環(huán)節(jié)組成，如圖1所示。

圖1 糧油質(zhì)量安全全鏈條Fig.1 Whole supply chain of grains and oils

不同糧/油產(chǎn)品每個(gè)大環(huán)節(jié)所包含的具體小環(huán)節(jié)是不同的。本研究將以小麥粉為研究對象，其中全鏈條環(huán)節(jié)具體流程如圖2所示。每個(gè)環(huán)節(jié)的信息數(shù)據(jù)由企業(yè)上傳到系統(tǒng)，通過系統(tǒng)驗(yàn)證后即可存入。種植環(huán)節(jié)指對小麥進(jìn)行種植到收獲的過程，收儲(chǔ)環(huán)節(jié)包括收購、除雜、貯藏，加工環(huán)節(jié)包括潤麥、磨粉、配粉、包裝、入庫等過程，倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)包括入庫到出庫的過程，物流環(huán)節(jié)包括加工后成品的物流運(yùn)輸，銷售環(huán)節(jié)包括各商家和零售商對糧油食品進(jìn)行售賣。

圖2 小麥質(zhì)量安全全鏈條Fig.2 Whole wheat supply chain

1.2 糧油質(zhì)量安全全鏈條關(guān)鍵信息分類

由于糧油質(zhì)量安全全鏈條環(huán)節(jié)較多而且復(fù)雜，糧油質(zhì)量安全全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)需要記錄的信息相比其他產(chǎn)品全鏈條要多，各個(gè)環(huán)節(jié)對應(yīng)的信息數(shù)據(jù)也不盡相同，尤其生產(chǎn)環(huán)節(jié)和銷售環(huán)節(jié)需要采集、記錄、上傳的數(shù)據(jù)特別多，所以需對所有的關(guān)鍵信息進(jìn)行梳理分類后進(jìn)行數(shù)據(jù)上鏈。以小麥為例，關(guān)鍵信息分類如表1所示，包括小麥從種植到銷售全鏈條6 個(gè)環(huán)節(jié)需要溯源的信息，其中每個(gè)環(huán)節(jié)信息又分為基本信息、危害物信息、環(huán)境監(jiān)測信息和交易記錄與價(jià)格信息4 類，基本覆蓋了小麥質(zhì)量安全的全部關(guān)鍵信息?；谶@些數(shù)據(jù)，在糧油質(zhì)量安全溯源過程中就可以通過出現(xiàn)問題的數(shù)據(jù)快速定位到對應(yīng)小環(huán)節(jié)的問題企業(yè)，并找到問題原因，從而對快速解決糧油質(zhì)量安全問題起到至關(guān)重要的作用。

表1 小麥全鏈條關(guān)鍵信息分類Table 1 Classification of key information in wheat supply chain

在小麥全鏈條溯源過程中，各企業(yè)都存在一定量的敏感、無法完全公開的數(shù)據(jù)信息，如危害物信息、交易記錄和成本信息等，根據(jù)信息的敏感性和優(yōu)先級進(jìn)行設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)的敏感性越高則優(yōu)先級越高，基本信息、危害物信息、環(huán)境監(jiān)測信息、交易記錄與價(jià)格信息的敏感性和優(yōu)先級依次遞增，企業(yè)依此上傳數(shù)據(jù)時(shí)需分為4 類上傳，系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)的敏感性和用戶身份分配訪問權(quán)限，這樣可以保證高效全面監(jiān)管的同時(shí)對隱私信息進(jìn)行保護(hù)而不被泄露，同時(shí)可以保證數(shù)據(jù)查詢的高效性和隱私性。

2 基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)的糧油質(zhì)量安全溯源模型研究

2.1 糧油質(zhì)量安全溯源區(qū)塊結(jié)構(gòu)

采用哈希算法對區(qū)塊體存儲(chǔ)的糧油各參與主體的交易關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用非對稱加密和數(shù)字簽名技術(shù)對溯源數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，具體過程為，糧油質(zhì)量安全全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)企業(yè)通過Web端系統(tǒng)操作，上傳當(dāng)前環(huán)節(jié)需要上鏈的詳細(xì)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)通過哈希計(jì)算加密成不可逆轉(zhuǎn)的Hash值，上傳并廣播至全網(wǎng)的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，全網(wǎng)所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)通過共識(shí)過程驗(yàn)證之后存入最新的數(shù)據(jù)區(qū)塊。通過密鑰生成算法得到上傳數(shù)據(jù)的公鑰和私鑰，用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密，從而保證溯源數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

以小麥質(zhì)量安全全鏈條為例，設(shè)計(jì)了對應(yīng)的區(qū)塊，如圖3所示，將各區(qū)塊頭中父區(qū)塊頭對應(yīng)的Hash值按時(shí)序排列，將相鄰區(qū)塊首尾連接組成區(qū)塊鏈。以小麥全鏈條中的倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)中的貯藏環(huán)節(jié)為例，區(qū)塊頭中包括當(dāng)前區(qū)塊的生成時(shí)間、父級區(qū)塊Hash值、Merkle根等。區(qū)塊體包含種植環(huán)節(jié)全部信息的Hash值、通過驗(yàn)證簡要摘要信息數(shù)據(jù)、各企業(yè)數(shù)據(jù)摘要的標(biāo)識(shí)碼、完整數(shù)據(jù)的Hash值。

圖3 小麥質(zhì)量安全區(qū)塊結(jié)構(gòu)Fig.3 Traceability blockchain structure of wheat quality and safety

2.2 糧油質(zhì)量安全可信標(biāo)識(shí)模式

糧油質(zhì)量安全可信標(biāo)識(shí)旨在連接糧油質(zhì)量安全全鏈條各環(huán)節(jié)企業(yè)的主體數(shù)據(jù)，打通數(shù)據(jù)在糧油質(zhì)量安全全鏈條各環(huán)節(jié)互通的壁壘是提升溯源質(zhì)量和效率的關(guān)鍵基礎(chǔ)。本研究在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析基礎(chǔ)體系上設(shè)計(jì)了糧油行業(yè)的標(biāo)識(shí)解析體系，如圖4所示，包括國家頂級節(jié)點(diǎn)、糧油行業(yè)的二級節(jié)點(diǎn)，以及糧油企業(yè)參與的企業(yè)節(jié)點(diǎn)。國家頂級節(jié)點(diǎn)是糧油行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系的核心基礎(chǔ)，結(jié)合糧油行業(yè)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系二級節(jié)點(diǎn)包括水稻節(jié)點(diǎn)、小麥節(jié)點(diǎn)、玉米節(jié)點(diǎn)等多個(gè)糧油種類節(jié)點(diǎn)，是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系的中間環(huán)節(jié)，是銜接國家頂級節(jié)點(diǎn)和糧油質(zhì)量安全全鏈條企業(yè)節(jié)點(diǎn)的重要樞紐，是標(biāo)識(shí)解析體系的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。將全鏈條6 個(gè)環(huán)節(jié)的企業(yè)節(jié)點(diǎn)分別接入對應(yīng)的二級節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息在標(biāo)識(shí)解析體系上企業(yè)間、系統(tǒng)間的無縫傳遞和標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)管理與共享。

圖4 糧油的標(biāo)識(shí)體系方案Fig.4 Identification system scheme of grains and oils quality and safety

工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系采用層次標(biāo)識(shí)方案，每個(gè)標(biāo)識(shí)碼均由前綴和后綴兩部分組成，前綴為其命名機(jī)構(gòu)，后綴為命名機(jī)構(gòu)下的唯一本地名稱，兩者由“/”分隔。命名機(jī)構(gòu)為Handle標(biāo)識(shí)的創(chuàng)建和管理者，由多個(gè)非空的子命名機(jī)構(gòu)組成，子命名機(jī)構(gòu)間由“.”分隔，共同形成樹狀分層結(jié)構(gòu)；后綴由命名機(jī)構(gòu)自行定義，只需保證在其本地命名空間內(nèi)唯一，便可確保其在系統(tǒng)中是全局唯一的。一般情況下，企業(yè)如沒有指定后綴則由國家頂級節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分配，但企業(yè)也可以根據(jù)自身業(yè)務(wù)需要制定相應(yīng)的后綴生成規(guī)則。

根據(jù)糧油行業(yè)的特點(diǎn)，結(jié)合基于鏈網(wǎng)融合的溯源業(yè)務(wù)需要，設(shè)計(jì)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)編碼規(guī)則如圖5所示，包括國家代碼、二級節(jié)點(diǎn)代碼、企業(yè)代碼、類別代碼、環(huán)節(jié)代碼、要素代碼、區(qū)塊鏈代碼。其中前綴中的國家代碼、二級節(jié)點(diǎn)代碼和企業(yè)代碼是工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系自動(dòng)分配的，不能進(jìn)行修改，后綴中設(shè)計(jì)的類別代碼可以確定到該食品的類型，環(huán)節(jié)代碼的作用是判定該產(chǎn)品在全鏈條的哪個(gè)環(huán)節(jié)，要素代碼包含此產(chǎn)品的具體信息，按照此方法設(shè)計(jì)的標(biāo)識(shí)可以完美地將糧油在全鏈條各環(huán)節(jié)的品質(zhì)情況與標(biāo)識(shí)結(jié)合。

圖5 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)編碼Fig.5 Identification code of industry internet

此標(biāo)識(shí)與傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)不完全相同，在溯源過程中不僅起到索引作用，還可以確認(rèn)數(shù)據(jù)具體存儲(chǔ)在哪條區(qū)塊鏈上，從而防止數(shù)據(jù)被篡改，不同權(quán)限的用戶解析該標(biāo)識(shí)可以得到存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上面對應(yīng)權(quán)限可以查詢的數(shù)據(jù)，以此設(shè)計(jì)的標(biāo)識(shí)能夠?qū)⒓Z油品質(zhì)與標(biāo)識(shí)一一對應(yīng),通過區(qū)塊鏈技術(shù)達(dá)到防止篡改目。

標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)模板設(shè)計(jì)。每個(gè)標(biāo)識(shí)編碼對應(yīng)的要素通用屬性由數(shù)據(jù)模板決定，根據(jù)基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)的糧油質(zhì)量安全溯源業(yè)務(wù)需求，設(shè)計(jì)標(biāo)識(shí)編碼所對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型如表2所示，其中包含了數(shù)據(jù)所處區(qū)塊鏈名稱、該標(biāo)識(shí)碼所在具體區(qū)塊、當(dāng)前標(biāo)識(shí)所處環(huán)節(jié)等。

表2 標(biāo)識(shí)碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)模型Table 2 Data model corresponding to identification code

2.3 鏈網(wǎng)連接器設(shè)計(jì)

鏈網(wǎng)連接器旨在連接區(qū)塊鏈系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)，打通數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈技術(shù)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析技術(shù)交互壁壘。鏈網(wǎng)連接器部署在糧油企業(yè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之中，鏈網(wǎng)連接器應(yīng)用場景如圖6所示，包括三大應(yīng)用場景：鏈外、單鏈內(nèi)和跨鏈。場景一：鏈外用戶數(shù)據(jù)訪問：鏈外用戶是不在任何區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的用戶，該用戶掃描到某區(qū)塊鏈產(chǎn)生的標(biāo)識(shí)碼，并從標(biāo)識(shí)解析體系解析得到該標(biāo)識(shí)碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)摘要、完整數(shù)據(jù)Hash值、該數(shù)據(jù)所處區(qū)塊鏈等信息，此時(shí)可在區(qū)塊鏈某對外連接節(jié)點(diǎn)上通過配置鏈網(wǎng)連接器進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。場景二：單鏈內(nèi)用戶數(shù)據(jù)訪問：單鏈內(nèi)用戶掃描到自身所在區(qū)塊鏈產(chǎn)生的標(biāo)識(shí)碼，在數(shù)據(jù)查詢時(shí)，可在區(qū)塊鏈某對外連接節(jié)點(diǎn)上通過配置鏈網(wǎng)連接器向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)發(fā)出解析請求，并獲得該標(biāo)識(shí)碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)摘要、完整數(shù)據(jù)Hash值、該標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)所處區(qū)塊鏈等信息，由于是單鏈內(nèi)數(shù)據(jù)要素，可以通過智能合約進(jìn)行鏈內(nèi)數(shù)據(jù)處理。場景三：跨鏈用戶數(shù)據(jù)訪問：某區(qū)塊鏈用戶掃描到其他區(qū)塊鏈產(chǎn)生的標(biāo)識(shí)碼，通過所在區(qū)塊鏈對外連接節(jié)點(diǎn)上配置的鏈網(wǎng)連接器向工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)發(fā)出解析請求，并獲得該標(biāo)識(shí)碼對應(yīng)的數(shù)據(jù)摘要、完整數(shù)據(jù)Hash值、該標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)所處區(qū)塊鏈等信息，由于是跨鏈數(shù)據(jù)交互，需要通過兩個(gè)區(qū)塊鏈的鏈網(wǎng)連接器協(xié)調(diào)進(jìn)行跨鏈數(shù)據(jù)處理。

圖6 鏈網(wǎng)連接器應(yīng)用場景Fig.6 Application scenario of chain network connector

根據(jù)上述鏈網(wǎng)連接器應(yīng)用場景設(shè)計(jì)了鏈網(wǎng)連接器，其原理如圖7所示，鏈網(wǎng)連接器連接了區(qū)塊鏈系統(tǒng)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)，部署在糧油企業(yè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之中。采用實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）共識(shí)機(jī)制，在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上部署智能合約與鏈內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，通過應(yīng)用程序編程接口（application programming interface，API），接口與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。用戶需要注冊或者解析標(biāo)識(shí)碼時(shí)，在完成身份認(rèn)證基礎(chǔ)上，通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)部署智能合約與API接口進(jìn)行標(biāo)識(shí)碼的注冊和解析。在鏈網(wǎng)連接器中，API接口設(shè)計(jì)了3 類：鏈外用戶接口、跨鏈用戶接口、標(biāo)識(shí)解析接口。智能合約設(shè)計(jì)了3 類：數(shù)據(jù)上傳智能合約、數(shù)據(jù)查詢智能合約、與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)信息交互智能合約。

圖7 鏈網(wǎng)連接器架構(gòu)圖Fig.7 Architecture diagram of chain network connector

鏈網(wǎng)連接器部署在糧油企業(yè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之中，區(qū)塊鏈與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)通過鏈網(wǎng)連接器進(jìn)行信息交互。區(qū)塊鏈推動(dòng)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)在糧油質(zhì)量安全溯源方面的發(fā)展，通過區(qū)塊鏈技術(shù)的可信、不可篡改特性，使得相關(guān)的數(shù)據(jù)在上鏈過程中實(shí)現(xiàn)全程透明、可溯源，從而提高協(xié)作效率。

2.4 糧油質(zhì)量安全溯源模型總體架構(gòu)

當(dāng)前糧油質(zhì)量安全全鏈條各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通因地域、主體差異還存在很多亟需解決的難題，特別是異構(gòu)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)的可信、高效交互得不到保障。在分析糧油質(zhì)量安全全鏈條特點(diǎn)并搭建完成糧油質(zhì)量安全可信溯源區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和糧油行業(yè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系后，設(shè)計(jì)了糧油質(zhì)量安全可信溯源模型，包括糧油質(zhì)量安全全鏈條節(jié)點(diǎn)、糧油企業(yè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系節(jié)點(diǎn)，總體架構(gòu)如圖8所示。

圖8 區(qū)塊鏈和標(biāo)識(shí)解析的糧油質(zhì)量安全可信溯源模型Fig.8 Reliable traceability model for grain and oil quality and safety based on blockchain and identification analysis

在該模型中，區(qū)塊鏈技術(shù)和標(biāo)識(shí)解析技術(shù)得到了有機(jī)融合。企業(yè)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)全部存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈上會(huì)出現(xiàn)成本高、效率低的問題，所以在數(shù)據(jù)采集時(shí)，企業(yè)一般會(huì)將溯源數(shù)據(jù)信息的摘要直接上傳到區(qū)塊鏈進(jìn)行存儲(chǔ)，然后再將完整溯源信息進(jìn)行哈希計(jì)算將得到的Hash值存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上。針對糧油質(zhì)量安全全鏈條溯源不同環(huán)節(jié)各企業(yè)，建立了糧油質(zhì)量安全全鏈條節(jié)點(diǎn)；采用區(qū)塊鏈技術(shù)建立了與糧油質(zhì)量安全全鏈條節(jié)點(diǎn)對應(yīng)的糧油企業(yè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)；采用標(biāo)識(shí)解析技術(shù)建立了工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析節(jié)點(diǎn)。為了使區(qū)塊鏈系統(tǒng)和標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)完美融合，設(shè)計(jì)了鏈網(wǎng)連接器，實(shí)現(xiàn)了鏈外、單鏈內(nèi)和跨鏈三大應(yīng)用場景鏈網(wǎng)數(shù)據(jù)的可信共享。模型的功能包括數(shù)據(jù)上鏈及分類存儲(chǔ)、標(biāo)識(shí)注冊及解析、數(shù)據(jù)查詢等，可有效地解決當(dāng)前溯源系統(tǒng)中存在的溯源難，數(shù)據(jù)無法全面獲取和數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，以及區(qū)塊鏈系統(tǒng)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析系統(tǒng)的信息交互的問題，為真正實(shí)現(xiàn)糧油質(zhì)量安全全鏈條溯源提供了可行的解決方案。

2.5 糧油質(zhì)量安全全鏈條信息流轉(zhuǎn)分析

糧油質(zhì)量安全全鏈條信息流轉(zhuǎn)具體流程如圖9所示，將糧油食品從農(nóng)場生長到工場加工直至消費(fèi)者食用所包含各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確的記錄，并將企業(yè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系通過標(biāo)識(shí)進(jìn)行一一對應(yīng)，保證了糧油全鏈條各環(huán)節(jié)糧油品質(zhì)與標(biāo)識(shí)綁定，從而確保溯源數(shù)據(jù)不會(huì)被篡改。企業(yè)將無法智能輸入的信息，如收購價(jià)格、銷售價(jià)格等手動(dòng)輸入。一些動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)通過主動(dòng)標(biāo)識(shí)載體技術(shù)能夠?qū)?shù)據(jù)傳感、標(biāo)識(shí)賦碼與遠(yuǎn)程傳輸融為一體，實(shí)現(xiàn)快速采集、自動(dòng)賦碼和杜絕人為干預(yù)，針對不同環(huán)節(jié)和不同場景，標(biāo)簽與食品包裝的結(jié)合形式存在多樣性，小型包裝食品可獨(dú)立賦碼，對于大包裝嵌套小包裝的情況，可以采用耦合賦碼方式。此方法能夠保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)效率，解決糧油企業(yè)上傳數(shù)據(jù)的安全問題，而且也便于企業(yè)查看信息。

圖9 數(shù)據(jù)的可信流轉(zhuǎn)Fig.9 Trusted flow of data

在該模型中，數(shù)據(jù)的可信流轉(zhuǎn)在標(biāo)識(shí)的流轉(zhuǎn)上予以體現(xiàn)。在溯源信息流轉(zhuǎn)過程中將生產(chǎn)要素分為靜態(tài)生產(chǎn)要素和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素兩類，種植環(huán)節(jié)的器械工具、加工環(huán)節(jié)的所有機(jī)器、倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)的倉庫以及運(yùn)輸環(huán)節(jié)的運(yùn)輸車輛信息以及各環(huán)節(jié)的各種傳感器都為靜態(tài)生產(chǎn)要素；種植環(huán)節(jié)的作物、收儲(chǔ)環(huán)節(jié)的糧食、加工環(huán)節(jié)的原料、倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)以及運(yùn)輸環(huán)節(jié)的糧油成品為生產(chǎn)動(dòng)態(tài)要素。對靜態(tài)和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素都會(huì)賦予不同的標(biāo)識(shí)，以此進(jìn)行區(qū)別。

在該模型中，設(shè)計(jì)了基于時(shí)空交叉判斷依據(jù)的數(shù)據(jù)交互機(jī)制，當(dāng)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素存在時(shí)間和空間的交叉時(shí)，通過區(qū)塊鏈技術(shù)將靜態(tài)和動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素進(jìn)行銜接，糧油溯源數(shù)據(jù)始于種植環(huán)節(jié)，標(biāo)識(shí)在種植環(huán)節(jié)開始記錄相關(guān)信息，當(dāng)在該環(huán)節(jié)的全部信息采集完成時(shí)，對此動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素的標(biāo)識(shí)碼進(jìn)行更新，動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素進(jìn)入下一環(huán)節(jié)。通過掃碼設(shè)備將動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素與靜態(tài)生產(chǎn)要素在新環(huán)節(jié)進(jìn)行綁定，靜態(tài)生產(chǎn)要素本身的信息以及測量的實(shí)時(shí)信息會(huì)對動(dòng)態(tài)生產(chǎn)要素標(biāo)識(shí)所含信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。如小麥倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)，倉庫管理人員拿到面粉，通過溯源系統(tǒng)將該面粉包裝上的標(biāo)識(shí)與倉庫基本信息及倉庫內(nèi)的溫濕度傳感器標(biāo)識(shí)進(jìn)行匹配，傳感器的實(shí)時(shí)信息會(huì)上傳區(qū)塊鏈中進(jìn)行保存，同時(shí)對工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析體系標(biāo)識(shí)碼所含信息進(jìn)行實(shí)時(shí)更新。由于倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)以及銷售環(huán)節(jié)不進(jìn)行再包裝，所以標(biāo)識(shí)碼不進(jìn)行更新，但是標(biāo)識(shí)碼所包含的實(shí)時(shí)信息會(huì)動(dòng)態(tài)更新。實(shí)現(xiàn)了區(qū)塊鏈和標(biāo)識(shí)所含信息在全鏈條過程中隨糧油產(chǎn)品本身的品質(zhì)變化而變化。

3 小麥質(zhì)量安全可信溯源系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

小麥質(zhì)量安全可信溯源系統(tǒng)主要為消費(fèi)者、監(jiān)管部門和企業(yè)這3 類群體服務(wù)，設(shè)計(jì)系統(tǒng)功能需要充分考慮這些用戶的不同需求。政府監(jiān)管部門希望能夠?qū)θ湕l各環(huán)節(jié)企業(yè)的身份認(rèn)證進(jìn)行管理，對溯源信息進(jìn)行監(jiān)督，保證溯源信息的準(zhǔn)確性以及驗(yàn)證信息是否被篡改，所以監(jiān)管部門擁有所有的查詢和管理權(quán)限；企業(yè)希望能夠在平臺(tái)上記錄小麥在全鏈條各環(huán)節(jié)的流通信息以及銷售情況，也可以查詢其他公司的一些信息，實(shí)現(xiàn)各企業(yè)信息互通，但是企業(yè)間涉及競爭，部分信息不能完全共享，所以系統(tǒng)授予不同的數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，例如企業(yè)可以查詢本企業(yè)的收購價(jià)格，卻無法查詢未授權(quán)其他企業(yè)的收購價(jià)格；消費(fèi)者希望通過溯源系統(tǒng)查詢自己購買產(chǎn)品的溯源信息來保證食品的安全性，同時(shí)還希望查詢危害物信息以及一些其他基本信息。該系統(tǒng)可以確保信息真實(shí)可靠以及小麥在全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)的質(zhì)量安全。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合糧油質(zhì)量安全全鏈條各環(huán)節(jié)企業(yè)、用戶、監(jiān)管部門的不同需求，以糧油質(zhì)量安全全鏈條可信溯源模型為依托，搭建糧油質(zhì)量安全全鏈條可信溯源系統(tǒng)架構(gòu)，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖10所示。該系統(tǒng)架構(gòu)主要包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層、應(yīng)用層共5 層。

圖10 溯源系統(tǒng)架構(gòu)Fig.10 Traceability system architecture

數(shù)據(jù)層包括標(biāo)識(shí)信息、用戶信息、糧油質(zhì)量安全全鏈條信息等；網(wǎng)絡(luò)層定義了區(qū)塊鏈系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)的建立方式，由全鏈條上種植、收儲(chǔ)、加工、倉儲(chǔ)、物流、銷售企業(yè)和監(jiān)管部門以及其他相關(guān)機(jī)構(gòu)搭建成的聯(lián)盟區(qū)塊鏈系統(tǒng)；共識(shí)層選擇合適的算法，建立共識(shí)機(jī)制，應(yīng)用更加符合要求的實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法來保證各糧油質(zhì)量安全數(shù)據(jù)的有效性；合約層封裝了系統(tǒng)部署的智能合約腳本代碼、觸發(fā)條件和響應(yīng)操作等；應(yīng)用層包括糧油質(zhì)量安全全鏈條各企業(yè)客戶端以及用戶和監(jiān)管部門進(jìn)行溯源查詢的客戶端等。

3.2 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)業(yè)務(wù)流程主要分為3 個(gè)階段：監(jiān)管部門和企業(yè)以及消費(fèi)者進(jìn)行賬號(hào)注冊階段、糧油質(zhì)量安全全鏈條各環(huán)節(jié)的企業(yè)數(shù)據(jù)上鏈階段、監(jiān)管部門和消費(fèi)者溯源查詢階段。

監(jiān)管部門和企業(yè)以及消費(fèi)者注冊階段：系統(tǒng)中糧油生產(chǎn)企業(yè)必須先提交企業(yè)基本信息、企業(yè)相關(guān)信息、企業(yè)法人信息等進(jìn)行注冊申請，然后由系統(tǒng)管理員進(jìn)行審核。通過認(rèn)證并登錄上系統(tǒng)的用戶可以進(jìn)一步管理自己的信息，系統(tǒng)管理員對所有注冊企業(yè)的信息進(jìn)行統(tǒng)一的綜合管理，消費(fèi)者也需要向系統(tǒng)提交相關(guān)信息經(jīng)過平臺(tái)審核通過后，即可得到相應(yīng)的賬號(hào)和密碼，查詢相關(guān)數(shù)據(jù)。

以糧油質(zhì)量安全全鏈條分析和企業(yè)溯源需求為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)該功能模塊，系統(tǒng)功能模塊如圖11所示。該系統(tǒng)由基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、信息錄入、信息查詢、后臺(tái)設(shè)置4大功能模塊組成，每個(gè)功能模塊又由多個(gè)子功能模塊構(gòu)成。

圖11 糧油溯源系統(tǒng)功能模塊Fig.11 Functional modules of grain and oil traceability system

3.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.3.1 平臺(tái)選擇

Fabric是超級賬本是Linux基金會(huì)創(chuàng)立的分布式賬本平臺(tái)。它是區(qū)別于傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈開發(fā)平臺(tái)，F(xiàn)abric是一個(gè)帶有節(jié)點(diǎn)許可管理的聯(lián)盟鏈系統(tǒng)。用戶首先需要通過身份驗(yàn)證以后才能進(jìn)入。Fabric根據(jù)不同業(yè)務(wù)與用戶類別分配訪問權(quán)限，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離來保護(hù)數(shù)據(jù)安全。Fabric支持多種共識(shí)算法，常見的有Solo共識(shí)、Kafka共識(shí)、PBFT等。因此選擇Fabric作為開發(fā)平臺(tái)。

3.3.2 開發(fā)環(huán)境部署

Fabric的安裝系統(tǒng)為Linux，安裝Ubuntu系統(tǒng)的虛擬機(jī)。計(jì)算機(jī)配置參數(shù)具體情況如表3所示。

表3 計(jì)算機(jī)配置參數(shù)Table 3 Computer configuration parameters for Fabric

在已經(jīng)安裝好的虛擬機(jī)上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)環(huán)境的部署，部分配置如圖12所示。

圖12 溯源系統(tǒng)環(huán)境配置Fig.12 Environment configuration of traceability system

3.3.3 超級賬本網(wǎng)絡(luò)搭建

配置好區(qū)塊鏈的運(yùn)行環(huán)境，在此基礎(chǔ)上建立超級賬本網(wǎng)絡(luò)，過程如圖13所示，主要包括生成基礎(chǔ)的配置、容器的應(yīng)用、創(chuàng)建通道、鏈碼的部署。

圖13 超級賬本網(wǎng)絡(luò)搭建Fig.13 Construction of Hyperledger Fabric network

在已經(jīng)準(zhǔn)備好服務(wù)器或虛擬機(jī)的前提下，運(yùn)行環(huán)境配置好以后，F(xiàn)abric平臺(tái)安裝部署過程中還需要安裝以下軟件。包括一些基礎(chǔ)工具（Go、Docker、Docket Compose程序等），還需要從Github平臺(tái)上拉取fabric的源碼和fabric-samples的源碼。

該系統(tǒng)由前端網(wǎng)頁、服務(wù)器和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)組成?；贖yperledger Fabric開源項(xiàng)目搭建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，部署安裝7 個(gè)組織，進(jìn)行數(shù)據(jù)的上傳和查詢。具體節(jié)點(diǎn)配置如表4所示。

表4 溯源系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)配置Table 4 Node configuration of traceability system

隨后通過Cryptoge工具生成數(shù)字證書。然后對該系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)、通道、智能合約進(jìn)行配置，配置完成就可以將全鏈條各環(huán)節(jié)企業(yè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行上鏈以及其他的用戶進(jìn)行數(shù)據(jù)溯源，其配置及查詢?nèi)鐖D14所示。

圖14 溯源系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置Fig.14 Network configuration of traceability system

3.3.4 系統(tǒng)主要功能模塊的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)糧油質(zhì)量安全溯源平臺(tái)的實(shí)際情況，對平臺(tái)的主要功能模塊進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，對全鏈條的各環(huán)節(jié)企業(yè)、消費(fèi)者、監(jiān)督機(jī)構(gòu)提供不同的訪問界面。糧油質(zhì)量安全溯源用戶需要在進(jìn)行該系統(tǒng)注冊時(shí)選擇對應(yīng)的身份，系統(tǒng)審核通過后可以進(jìn)行用戶的登錄、企業(yè)的數(shù)據(jù)上鏈以及消費(fèi)者和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的溯源查詢等操作，部分界面如圖15所示。

圖15 溯源系統(tǒng)界面Fig.15 Traceability system interface

3.4 系統(tǒng)測試及分析

3.4.1 安全性測試

數(shù)據(jù)防篡改：傳統(tǒng)的溯源系統(tǒng)的數(shù)據(jù)由中心企業(yè)的本地?cái)?shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，企業(yè)可能因?yàn)樽陨砝鎸?shù)據(jù)進(jìn)行篡改或刪除。哈希加密使得數(shù)據(jù)很難進(jìn)行篡改，當(dāng)溯源數(shù)據(jù)被人為刪除及篡改時(shí)，Hash值隨之發(fā)生變化，區(qū)塊鏈上的其他用戶就會(huì)知道數(shù)據(jù)被篡改。因此數(shù)據(jù)一旦上傳到區(qū)塊鏈就無法被篡改，從而保證在糧油溯源數(shù)據(jù)信息在流通過程中的真實(shí)可信。

數(shù)據(jù)可溯源：糧油溯源的意義在于糧油經(jīng)過多個(gè)環(huán)節(jié)的交易流轉(zhuǎn)之后，消費(fèi)者和監(jiān)管部門仍然可以準(zhǔn)確快速地得到糧油在全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)準(zhǔn)確溯源信息。因?yàn)閰^(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以存儲(chǔ)糧油質(zhì)量安全全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)的信息，如果糧油發(fā)生質(zhì)量安全問題，就對所有流程以及各個(gè)環(huán)節(jié)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行溯源，從而解決數(shù)據(jù)溯源的問題。

數(shù)據(jù)共享：區(qū)塊鏈?zhǔn)侨ブ行幕模W(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)平等地發(fā)送和接收消息共同維護(hù)賬本。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)賬本，任何一方出現(xiàn)問題都不影響進(jìn)程，因此糧油質(zhì)量安全全鏈條上用戶可以實(shí)現(xiàn)信息共享，從而解決信息共享困難和信息孤島問題。

3.4.2 系統(tǒng)案例分析

通過對北京某面粉廠進(jìn)行調(diào)研和實(shí)地考察，得到全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)，對基于區(qū)塊鏈和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)技術(shù)的糧油溯源模型進(jìn)行分析驗(yàn)證以確保該模型的實(shí)用性。此面粉廠有著完整的全鏈條，包塊從種植到銷售的種植環(huán)節(jié)、收儲(chǔ)環(huán)節(jié)、加工環(huán)節(jié)、倉儲(chǔ)環(huán)節(jié)、物流環(huán)節(jié)、銷售環(huán)節(jié)六大環(huán)節(jié)，涉及種植、收購、除雜、貯藏、潤麥、磨粉、配粉、包裝、入庫、運(yùn)輸、銷售11 個(gè)小環(huán)節(jié)。但由于該工廠監(jiān)管不力、把控不嚴(yán)，使得從倉儲(chǔ)到銷售各環(huán)節(jié)出現(xiàn)不同的問題，還有由于全鏈條涉及環(huán)節(jié)較多需要存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量大，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)保存方法導(dǎo)致數(shù)據(jù)的丟失以及數(shù)據(jù)的篡改及查詢時(shí)也比較困難，因此該面粉廠的面粉質(zhì)量得不到保證，一旦出現(xiàn)安全事故無法定位到具體的環(huán)節(jié)，也無法精確到責(zé)任主體，造成的損失無法彌補(bǔ)。基于區(qū)塊鏈和標(biāo)識(shí)解析技術(shù)糧油質(zhì)量安全溯源模型，搭建溯源系統(tǒng)，為上述問題提供解決方案。

如在小麥面粉進(jìn)行銷售以后，質(zhì)監(jiān)部門抽查到該批次面粉有質(zhì)量問題或者沒有被抽檢的問題產(chǎn)品被消費(fèi)者買到，消費(fèi)者食用后出現(xiàn)安全問題時(shí)，可以通過糧油產(chǎn)品包裝上的標(biāo)識(shí)碼所對應(yīng)的追溯碼，快速準(zhǔn)確找到全鏈條發(fā)生問題環(huán)節(jié)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，以盡快發(fā)現(xiàn)問題的原因并召回發(fā)生問題的食品，并對此次出現(xiàn)安全問題的主要負(fù)責(zé)人進(jìn)行追責(zé)，同時(shí)對發(fā)生問題的環(huán)節(jié)重點(diǎn)監(jiān)控。因此，小麥質(zhì)量安全可信溯源系統(tǒng)能夠?qū)γ娣蹚S全鏈條所有環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)督，保證面粉廠生產(chǎn)的面粉的質(zhì)量安全以及對消費(fèi)者負(fù)責(zé)，避免安全事故再次發(fā)生。

3.4.3 安全溯源性的驗(yàn)證

安全溯源性的驗(yàn)證通過黑盒測試來實(shí)現(xiàn)，黑盒測試邏輯如圖16所示。

圖16 黑盒測試邏輯Fig.16 Black-box test logic

如圖16所示，黑盒測試可以實(shí)現(xiàn)對安全溯源的驗(yàn)證，以下根據(jù)用戶的應(yīng)用場景設(shè)計(jì)了3 類安全溯源性驗(yàn)證。

1）監(jiān)管部門安全溯源性驗(yàn)證。表5所示為監(jiān)管部門安全溯源性測試用例。

表5 監(jiān)管部門安全溯源性測試用例Table 5 Cases of safety traceability test by regulatory authorities

2）企業(yè)安全溯源性驗(yàn)證。表6所示為企業(yè)安全溯源性測試用例。

表6 企業(yè)安全溯源性測試用例Table 6 Cases of safety traceability test by enterprises

3）消費(fèi)者安全溯源性驗(yàn)證。表7所示為消費(fèi)者安全溯源性測試用例。

表7 消費(fèi)者安全溯源性測試用例Table 7 Cases of safety traceability test by consumers

通過黑盒測試方式對此3 類系統(tǒng)安全溯源性進(jìn)行測試，設(shè)計(jì)測試用例都能符合預(yù)期目標(biāo)，滿足系統(tǒng)功能需求，說明相對于傳統(tǒng)糧油溯源，該溯源系統(tǒng)可以保證溯源數(shù)據(jù)的安全性、準(zhǔn)確性、防篡改性等，實(shí)現(xiàn)糧油溯源數(shù)據(jù)的安全可信任。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)開展了全鏈條信息流轉(zhuǎn)特性研究，在對小麥全鏈條業(yè)務(wù)及流程分析基礎(chǔ)上重構(gòu)糧油質(zhì)量安全全鏈條環(huán)節(jié)，并對關(guān)鍵信息進(jìn)行提煉和解析，構(gòu)建關(guān)鍵信息分類表。研究區(qū)塊鏈技術(shù)的區(qū)塊結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)解析的糧油行業(yè)可信標(biāo)識(shí)系統(tǒng)方案，基于鏈網(wǎng)融合技術(shù)，提出鏈網(wǎng)連接器的概念及架構(gòu)，以解決糧油質(zhì)量安全全鏈條各環(huán)節(jié)企業(yè)間的數(shù)據(jù)上鏈困難、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)差異化共享，基于此構(gòu)建基于可信區(qū)塊鏈和可信標(biāo)識(shí)的糧油質(zhì)量安全溯源模型。在鏈網(wǎng)融合思想的驅(qū)動(dòng)下，基于超級賬本Fabric平臺(tái)建立小麥質(zhì)量安全可信溯源系統(tǒng)，對模型進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)驗(yàn)證和案例分析，實(shí)現(xiàn)了糧油質(zhì)量安全全鏈條溯源數(shù)據(jù)鏈網(wǎng)協(xié)同，保證了數(shù)據(jù)的可靠性，使得信息數(shù)據(jù)更加安全，大幅降低了人為篡改的風(fēng)險(xiǎn)度，讓糧油從生產(chǎn)、加工到運(yùn)輸銷售，從產(chǎn)地到消費(fèi)者手中，全鏈條各個(gè)環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)信息都安全可信，無論全鏈條哪個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)安全問題，都能在最短時(shí)間內(nèi)找到問題源頭，大幅提升糧油質(zhì)量安全、生產(chǎn)效率、經(jīng)濟(jì)效益，對提升糧油質(zhì)量安全起到一定的作用。