基于区块链的食用菌质量安全溯源系统设计

罗 奇，万 同

（1.武汉体育学院 体育工程与信息技术学院，湖北 武汉430079；2.武汉体育学院 研究生院，湖北 武汉430079）

近年来，随着我国社会经济发展战略的实施，国家经济发展已经步入了高质量发展的阶段，人们对高品质生活的要求越来越多，对各类农产品、食品的安全问题关注度逐年提高[1]。对于消费者来说，各类农产品的安全放心是基本要求，而提升农产品的质量也日益成为了人们对高品质生活的新要求。但近年来农产品和食品的安全问题频发，从国外的“疯牛病、禽流感”到中国的“毒奶粉、瘦肉精”，不断出现的食品危机事件已经时刻为人们敲响了警钟。

欧盟为此在1990 年左右提出了最早的食品安全追溯体系，以应对“疯牛病”监控牛肉产品的质量安全问题，随后日本、美国先后推出了一系列的水产品、粮食、食品药品等溯源系统[2]。我国在2002年开始探索使用溯源技术，逐步完善对农产品、食品的安全质量监控、溯源规范等，先后制定了《产品可溯源性统一规范》《农产品溯源信息标识与编码技术》等规范制度[3]。2005 年，北京在全国率先实施了蔬菜分级包装和质量可溯源制度，开设了农产品溯源体系建设的先河。作为蔬菜产品的一个门类，食用菌质量安全溯源也可以参考已有的成功经验，借助当下先进的计算机技术来实现更加科学完善的安全追溯体系，推动食用菌行业的发展。

1 食用菌质量安全溯源系统现状

食用菌作为一种可供食用的菌类，在我们日常生活的食品供给中是一个重要的门类。我国已经成为世界上最大的食用菌生产国，年产量达2 000 多万吨。食用菌产业的发展也从原来的农户分散生产逐步向农业合作社生产转变，而且随着现代农业的发展，产业的主体更是向着大型工业化生产转变，食用菌已成为市场潜力巨大的农产品产业[4]。

在食用菌的产业链中，从其生产加工到销售，从基地到餐桌的过程中，也会存在诸多质量安全问题，在人们对食品安全问题的日趋重视的今天，食用菌产品也需要有一整套质量安全追溯体系[5]，以便从生产的源头进行质量把控，全过程跟踪，可随时进行信息追溯，对产业链的每一个环节进行科学管理和监督，从而保障食用菌产品的质量和安全。

但食用菌质量安全追溯是一项十分复杂的工作，传统的追溯体系还不能完全弥补溯源安全漏洞。一方面，目前的各项监督体系和保障机制还不完全可靠，监管上还有漏洞；另一方面，溯源技术本身还存在有缺陷，信息共享和存储等方面还有安全隐患，存在一些问题。

1.1 生产过程不可控制，监控机制缺乏可执行性

从研发到生产，从加工到运输销售，任何一个环节都有造假的可能，所涉及的制造商、供应商、销售商等众多人群也难保在利益驱动下铤而走险。食品质量安全溯源系统设计的初衷就是为了防范这种风险，对供应链的各个环节进行监控，本质上是为了防止造假，但在实际执行时，监督往往不能落实，如生产者本身就是监控信息的录入者，而消费者又无法参与到具体的产品生产环节，溯源系统自身技术上缺乏有效的监督机制，不能从根本上解决谁来监督的问题。

1.2 溯源体系内部信息共享交流困难，缺乏统一的信息标准

尽管在整个食品的供应链上各个环节都有相应的溯源系统来保障追溯的可行性，但每个环节都自成体系，为了各自的利益或保密等原因，不愿意给上下游环节过多的信息，信息共享和交流更是无从谈起。例如生产环节的企业建立了自己的生产信息管理系统，这个系统能够实现本企业的规范化管理，涉及了生产过程的全流程，这些信息是不可能与后续的物流销售企业共享，这其中当然也涉及了安全和保密方面的问题，同理，其它企业也不可能将自己的信息与供应链上的其它企业共享，企业本身无法确定那些信息是属于供应链或者说溯源系统所必需提供的，那些是需要保密内部独享的。

在溯源体系中虽然规定了产品信息共享的要求，但信息之间的交流共享还存在实际上困难，如A 企业的生产管理系统采用的是关系型数据库存储信息，而B 企业的销售信息确使用Excel 文件系统存储信息，双方共享信息还必需通过第三方工具来实现互通，光是处理这些异构数据就是一项耗时巨大的工作，当出现食品安全问题时，也会增加追溯的时间和效率。

因此，溯源体系在信息共享方面存在技术上的困难，统一信息标准在实际操作上不具备可行性。

1.3 溯源系统提供的信息单一，数据的可信度低、公信力不足

一般溯源系统都提供了大量消费者查询功能，但只能查询到农产品生产者的信息，如产地、生产商等，而对消费者真正关心的农产品生产加工过程等自身信息少有提供，消费者看不到有用的信息，参与溯源的积极性不高。而由于没有提供全过程溯源信息，扫码查询实质上只是企业的防伪措施，并不能提供全程溯源信息。

同时，由于溯源系统的数据录入过程人工操作较多，失误率较高，错误数据无效数据会降低数据的可信度。而一些不良企业非法更改采集数据、人为设定参数，修改数据库日志和记录，回收盗用标签信息，更使人们对溯源信息的产生了不信任，溯源数据的可信度和公信力不足，已经危及到了整个溯源体系的根基。

2 食用菌质量安全溯源系统中的区块链技术

2.1 区块链技术原理

区块链技术的是一种对所有人公开的分布式帐本[6-7]，也可以看成是一种没有删除和更新功能的分布式数据库。前者实现了区块链技术的去中心化核心功能，后者实现了区块链数据共享和安全存储。

区块链采用一种有序链式数据结构存储，主要包括区块和交易2 种数据载体。其中区块包括了自身的哈希值和前一区块的哈希值，用于与前一区块和后续区块之间进行链接。由于哈希值是区块数据逻辑运算得到的数值，不同的区块拥有各自不同的哈希值，因此哈希函数加密保障了数据的安全性，同时，区块中还封装了时间戳，用于记录数据随时间推移的每一变化，一旦某一区块的数据改变（如篡改数据，添加新数据等），由于包含了前一区块的哈希值，这个变化会引起后续所有区块哈希值的变化，即后续区块需要重新进行计算哈希值，对于现代的计算机来说哈希值的计算可以在瞬间完成，即数据改变后可以高效地重新形成一个新的区块链，因此，哈希值还不足以防止数据篡改，为此区块链采用了一种“工作量证明”的机制，用于延缓数据改变速度，大约是每一个区块数据哈希值的改变需要10 分钟左右的时间，这对于一个足够长的区块链来说几乎是不可能完成的任务，因此在区块链技术中，数据是不可能被篡改的。

区块链采用的第二种安全保障机制就是分布式数据存储[8-9]，区块链没有一个中心来管理数据链，其主要是利用P2P 网络随时添加用户节点，新节点一旦加入就得到整个区块链的副本数据，当新区块成功添加到某一节点后，所有的节点都会得到这个最新的区块，而且每个节点都会校验这个新区块是否被篡改，如果没有那每个节点就都会形成一个新的区块链，所有节点的数据都必需保持一致，如果有一个节点的区块数据被篡改，那这个篡改过的区块会被其它节点拒绝，除非篡改区块链上几乎所有的区块，进行每个区块的“工作量证明”计算，而且还要控制P2P 网络中50%以上的节点。这在现实中是不可能实现的。

综上所述，区块链技术应用时间戳实现了数据溯源，对数据的产生及其随时间而变化的过程进行了真实记录，提供了溯源系统所需要的完整交易记录和全过程追溯；同时，区块链本身的不可篡改性，能够有效支持溯源中的数据可靠性和安全性；而区块链的分布式数据存储、透明化呈现和数据共享机制，十分契合溯源系统数据的可信度和公信力要求。

3 基于区块链的食用菌质量安全溯源系统设计

3.1 设计思路

基于区块链的食用菌质量安全溯源系统设计思路是，利用区块链技术区块链条记录每一个环节的溯源信息，利用区块链时间戳记录时间顺序，从而实现对食用菌从研发到生产加工，从运输到终端销售的全周期全流程进行记录；同时，利用区块链的去中心化特征和数据的不可篡改的特征，对食用菌整个生命周期的信息进行区块分布式存储。整个食用菌生命周期链条上的各个环节就是区块链上的节点，每个节点的成员可以通过个自的私钥来进行信息查询和反馈。区块链技术的安全机制本身能够保障食用菌溯源全流程中的数据安全性和可靠性。

3.2 总体构架

区块链的食用菌质量安全溯源系统总体设计分三层架构，数据应用层、数据管理层和数据采集层，如图1 所示。

由图1 可知，数据应用层主要为消费者和销售商等成员提供溯源信息查询功能；数据管理层主要是对区块链存储系统、各类电商平台的数据存储和运维；数据采集层将生产加、物流、销售等数据通过传感器或APP 等终端软硬件采集设备进行上传。

在数据应用层，消费者不仅能够查询到供应链上各个生产企业信息，还能查询生态环境监控数据，当然也包括食用菌从菌种研发、生产加工到销售各个环节产品信息的变化情况，如冷藏时的温控数据、加工中是否进行灭菌处理等。

在数据管理层，包括电商平台的数据和溯源管理系统数据。整个溯源管理系统数据采用区块链技术进行区块化存储，区块中存储有时间戳实现全流程数据追溯，并按照区块链共享机制溯源信息对全体用户透明化呈现。如某销售商想要延长快要到期食用菌的保质期，但由于区块链技术的约束机制，原始录入的生产日期、保质期等无法篡改或删除，只能眼看着到期下架。电商平台上架交易等数据与溯源区块存储数据建立对应关系，通过电商交易数据与区块链数据的映射关系保障整个溯源系统数据的一致性。

在数据采集层，整个供应链上的数据采集通过传感器和网络进行传输，区块链去中心化的特点使得数据采集造假难以实现。如某中间商想把国产蘑菇冒充进口产品，由于在供应链上无法篡改信息，于是想在供应源头数据采集时造假，但供应源头的数据采集也不是某个特定的人单独能够完成的，工商部门会认定源头企业的性质就是“中国企业”，提供菌种的科研院所也会证明蘑菇的身份，菌棒生产企业也能够说明该蘑菇的产地，因此源头造假在区块链技术上也是无法实现的。

3.3 主要业务流程

从上述溯源系统的3 层架构可以看出，区块链技术对食用菌质量安全溯源系统的支撑是全流程全周期的。业务流程上主要实现了全流程监控，从菌种研发到菌棒繁育、再到栽培生产加工、保鲜储存和物流销售等全供应链的业务流程管理。

系统在溯源机制上实现了三向溯源机制，首先对供应链涉及的各个生产企业信息追溯，如对菌种提供商、生产企业的规范化信息溯源、对物流公司冷链运输温控、货运信息的追溯等；其次对食用菌产品自身信息的追溯，如食用菌的接种、灭菌、生长周期、农残等指标的追溯；最后还有对菌种研发、菌棒繁育和栽培生产这3 个关键品控环节的生态环境数据追溯，如菌种研发繁育时的水源水质检测数据、土壤、空气温湿度等周边环境数据的追溯、生产环境中的光照、温湿度、用药等数据的追溯。

从系统的业务流程来看，底层的数据采集由于采用了3 向溯源机制，数据的全面性得以保证，这对溯源系统各项业务的规范化管理也提供了帮助；数据管理层将生态环境、供应链企业、食用菌产品3 方面的信息进行区块化存储，去中心化的分布式存储方式，一方面解决了传统溯源系统中的数据可信度问题，另外一方面也保障了数据的安全性。同时，区块链存储的数据库没有更新、删除操作，从技术层面有效地防止了信息篡改，保证了溯源系统信息的真实性，从技术层面解决了溯源数据造假问题；在数据应用层，消费者可以通过扫码的方式进行查询，查询的内容包括了食用菌的生产源头信息、加工物流信息等全流程溯源数据；还包括了当时的空气、土壤、水质等环境溯源数据；还有传统溯源系统提供的生产供应商信息。

4 结论

区块链技术十分适合在食用菌安全溯源系统中应用，其去中心化分布式存储方式、数据的不可篡改特征，为食用菌溯源系统的运行提供了可靠的技术支撑。但从区块链技术的原理上也不难看出，区块存储数据也不是绝对安全，目前应用在食用菌质量安全溯源系统还处于理论探索阶段，具体的实施还需要后期从系统设计和底层技术两方面努力，真正实现食用菌的溯源安全管理体系。