区块链及RFID技术在智慧物流溯源系统中的应用

许家铭，王 强

（黑龙江工程学院 汽车与交通工程学院，黑龙江 哈尔滨 150050）

0 引言

区块链作为比特币的关键技术，是一种按照时间顺序将数据区块以顺次相连的方式组合而成的一种不断增长的链式数据结构，同时应用密码学原理加密以保证其防篡改性及真实性的分布式账本。区块链由各个区块组成，区块是记录交易的数据单元，每个区块都会被卡上时间戳，按照时间次序顺次链接形成一条数据链条即区块链[1]。从本质上来讲，区块链是一个去中心化的账本数据库[2]。

欧洲率先将应用区块链技术改进了集装箱运输，通过将集装箱货物的相关信息录入数据库，基于数据库的信息利用区块链技术来智能生成路线和日程等相关方案。这些经过区块链智能化的集装箱还会通过数据分析、实时优化，以规划出更优的路线日程安排，极大地提高了效率[3]。相比于传统方式，收货客户不仅可以实时追踪到货物全程的物流信息，同时收货方自身也可以对货物运输安排做出优化调整。

我国智慧物流及其溯源系统目前还在发展初期阶段，自动化和智能化水平有着较大发展空间，未来我国智慧物流将对追溯机制和物流效率有着更高的要求，应用先进技术对其进行改进显得十分必要。2019 年，苏宁集团正式宣布使用区块链溯源技术来为海购物品提供更赋真实性的保障，通过为其进口的跨境商品贴上全程可追溯的电子标签来保证整个物流的全链路追溯并于同年11 月覆盖率达到了50%，最大程度上丰富了用户体验。未来会有越来越多的物流企业将应用区块链技术用来提高工作效率、增加企业收益。

1 区块链技术特点

区块链技术革命性地解决了“拜占庭将军问题”[1]，其所具备的防篡改机制、基于密码学原理的加密机制、可溯源机制，集体维护等安全特性，颠覆了传统的信任机制，形成了革命性的价值互联。区块链技术的核心区别于传统的信任机制，应用了密码学相关原理的同时避免了第三方参与，最终使交易双方达成一致。

1.1 防篡改机制

从算法层面来说，在区块链中进行的每一次交易都会被记在一个公共账本上，每个参与节点都在整条链上都具有均等权利[4]，每一个违规操作记录或者风险交易记录都会与相应的时间戳同时被收录。同时，其去中心化的特点使得中心人员修改数据的可能性几乎为零，伪造账本变得极为困难。从现实经济层面来讲，以目前市场上主流矿机为例，想要伪造出一个账本必须至少要占有全网50%的算力才有可能实现，根据相关数据经过计算后：至少需要投入40 亿元左右的资产才有可能伪造出一个账本，收支严重失衡。

1.2 可溯源机制

基于区块链的链式数据结构的防篡改机制，各个卡上时间戳的区块依次链接，用户可以直接通过其中的某一次的交易信息追踪到最初交易，防篡改机制从一定程度上辅助了区块链可溯源机制的实现。

1.3 加密机制

区块链的加密机制是基于中本聪(Satoshi Nakamoto)发明的非对称性加密技术，即在加密的时候使用不同的密钥，网络中每个人拥有一把公钥和一把私钥，公钥和私钥之间成对存在，相互验证，可以理解为地址是公钥，支付密码是私钥。私钥经过不可逆运算生成公钥，公钥同样通过不可逆运算生成地址，最大程度对交易数据和信息进行加密保护。

1.4 公平激励机制

在其公开链拥有自治特征的前提下，所有参与者的资源保证了整个网络的运行和维护。参与者通过进行哈希运算进行算力比赛，每个参与者都有相应的奖励，算力值大小与获得奖励的多少成正比例[5]。这种机制为所有参与者创造了一个相对公平的竞争平台，用奖励来激励算力较高者，在保证自治的前提下也促进了整个网络良性循环运转。

1.5 共识机制与智能合约

共识机制用于解决分布式系统的一致性问题，其核心为在共识算法的保障下，在有限的时间内，使得指定操作在分布式网络中是一致的、被承认的、不可篡改的[6]。1996年，科学家Nick Szabo提出“以数字形式定义的一组承诺，包括各方履行的协议。”智能合约旨在以信息化方式传播、验证或执行合同的谈判或履行的计算机协议[6]。智能合约提供了脱离第三方背书机构的情况下进行可信追溯、安全的合约交易的技术支持。

2 智慧物流与溯源系统

智慧物流（Intelligent Logistics System）依托物联网、大数据分析、人工智能（AI）等先进技术，对互联共享机制与信息数据处理方式进行优化，提高物流系统的自动化水平和分析决策精准性，追求各个环节达到最优协调[7]。但同时也存在着各个环节均从各自的利益角度思考与决策，很难达到整体最优化的问题。本质上是传统的中心化模式存在着较大的局限性。

溯源系统通过信息网络技术管理整条供应链上生产、仓储、加工、包装、运输以及销售等全过程的相关数据，实现安全有效追踪产品信息[8]。目前，溯源技术共有三种，分别是RFID 技术、二维码技术和条码技术。其中RFID 技术在智慧物流中应用较为广泛，具有较多优势。如RFID 读写器可以自动工作、其电子标签均需进行加密处理，安全性能好、可全天候使用、生产成本低和可重复使用等优势。

3 区块链与RFID 技术在智慧物流溯源系统中的应用

在物流运输中，尤其是多式联运模式中，产品在运输过程中需要经过多个承运商进行二次包装与中转，产品的物流信息与相关数据在这个过程的某些环节中极易遗失[9]。此时，应用区块链技术和物联网技术便可解决这一问题。利用区块链的集体维护自治和防篡改机制，在很大程度上可以保护产品物流信息和相关数据的完整性。应用RFID 技术可以为每个运输货车设立全程追踪机制，在每个运输货车上安装电子标签，利用RFID读写器进行读取识别并与整个网络实时同步进行公开形成一个新的互联。本文以精品杂粮为例，通过构建智慧物流溯源框架，将溯源系统框架主要分为上层结构与下层结构，进一步探讨区块链与RFID 技术在智慧物流溯源系统中的应用。

（1）上层结构。上层结构基于区块链技术构建，由应用层、合约层、和网络层构成实现，其结构框架如图1所示。

图1 上层结构框架

应用层：主要通过计算机技术实现，为用户提供方便使用的客户端（client），客户可通过应用层进行相关信息查询与溯源；同时也方便国家相关部门进行监督检查。

合约层：应用区块链的智能合约机制，将食品安全管理相关法律、监管条例输入系统。智能合约机制具有自动执行的特点，达成共识后系统便会生成相应代码且不可进行修改，一旦某些违规与风险操作被系统识别，合约便会自动执行，改变了原始信任机制下判断的滞后性和复杂性。

网络层：在这一层中应用区块链技术的PoW（Proof of Work）工作量证明机制，目前主要采用通过运算寻找随机数的算法。基于全网各个节点权利均等[4]的前提下，各参与节点通过运行哈希运算进行公平算力竞争，优胜者获得本次记账权，公布本轮数据，全网节点集体验证数据通过后数据被录入存储层。该机制体现出区块链去中心化的特征，使智慧物流各个主体摆脱了中心的操控，拥有了相等的权利和义务，可以更加方便快捷地进行数据共享，进而使数据库的更新效率提高，在共识机制的基础上形成了点对点的体系，保障了智慧物流网络整体运行效率。

存储层：存储交易相关数据，利用区块链防篡改机制，将各区块依次进过加密封装，卡上时间戳后进行数据录入，一旦数据被存储层录入后便不可进行修改。

（2）下层结构。下层结构主要由存储层和物联网层组成，其结构框架如图2所示。

图2 下层结构框架

物联网层主要应用RFID 技术与大数据技术实现物物联合[10]。应用RFID技术和大数据技术对本层结构进行搭建。

当采购方在田间进行收购时，通过大数据分析优选出信誉优良的生产方与质优价廉的原粮品种。当原粮离开产地前，利用RFID技术给运输货车贴上独一无二的电子标识，并录入采购日期、产地、辅料供应商相关工商信息等关键数据，使田间（原粮生产方、辅料供应商）成为可追溯源头并加强防伪能力。实现自动化管理，减少人为失误带来的经济损失。货车在全程运输过程中，RFID 读写器会在相关运输节点对该货车的录入电子信息进行读取识别，并将读写数据上传到存储层中，借助区块链技术特性防篡改。

在生产包装环节，每单位精品杂粮都会带着原始数据进入生产包装车间，生产厂家在原始数据基础上为每单位产品贴上RFID电子标签，并录入生产日期、生产批次、包装时间、质检员等关键数据，在方便区分产品种类的同时使得追溯链条得以延长。同时，RFID技术所具备的经济成本较低、可全天候使用、数据加密处理等优势使得这一追溯环节更易实现。

在物流仓储环节，利用RFID技术对杂粮产品进行实时监管，RFID读写器实时将相关仓储数据（库存量、库存周期等）上传至存储层，借助大数据分析和区块链技术做出仓储与运输最优规划。

在分销零售环节，随着物流活动的进行每单位产品在以上基础数据上又被录入更多仓储运输分拣等物流相关数据，在最终流向消费者餐桌时，杂粮产品的整个“成长线”变得更易追溯，消费者可通过上层结构提供的客户端数据接口进行真伪与全链条式溯源信息查询，形成如图3所示的精品杂粮溯源系统。

图3 精品杂粮溯源系统

4 结语

通过上层结构与下层结构的有效结合，构建精品杂粮溯源系统。借助区块链技术和RFID 技术为整个系统提供强力的技术支持，实现原粮到精品杂粮中各个环节自动化管理，优化了原有的物联网框架，极大提升了数据库更新效率，保障更加高效精准地进行数据共享，整体上提升了溯源系统的智能化与自动化水平。区块链的去中心化思想颠覆了传统信任模式，描绘了以数据与算法为核心的全新模式，为智慧物流的优化改进提供了新思路。相信通过区块链和其他先进技术的结合会加速智慧物流行业全智能化与全自动化的发展进程，最终推动整个物流产业全方位改进升级。