后疫情时代乳制品供应链溯源管理体系研究

阿布都热合曼·卡的尔，申炳豪，陈 茜

（新疆财经大学 信息管理学院，新疆 乌鲁木齐 830012）

一、引言

2020年初，新冠肺炎疫情的突然暴发，给中国社会经济造成了严重损失，全国各地迅速启动疫情防控一级响应，有效遏制了疫情的传播，但是，同时也阻断了国民经济的生产物资供应和人民生活的物质保障。这次疫情对乳业的饲料生产、乳牛养殖、乳品加工与销售、奶业贸易等产生了巨大的影响，据国家统计局数据显示，2020年3月，全国乳制品产量为195.1万吨，同比增长－8.9%；至2020年12月，全国乳制品总产量为251.1万吨，同比增长－1.9%，新冠肺炎疫情的暴发，严重冲击了中国奶业的发展，中国乳品行业步履艰难。

后疫情时代，信息可追溯在食品质量安全管理中起着至关重要的作用。传统的物联网追溯系统为食品供应链的质量监控和追溯提供了可行的解决方案，然而，这些可追溯系统几乎是集中式的，存在追溯结构集中化、信息易泄露、易篡改等问题，难以保证食品的质量安全。而区块链作为一种新型分布式分散技术，被广泛用于解决信息透明度和防止篡改等信任安全问题。区块链技术特征与供应链需求相耦合，因此，将区块链技术与供应链管理相结合，可以实现供应链节点信息的自动更新，保证信息的完全一致和公开透明，降低管理成本，有效地削弱供应链的“牛鞭效应”，利于信息的防伪溯源。

二、文献综述

追溯和认证食品供应链节点信息对于识别和解决问题至关重要，这有助于实现食品供应链的可持续、可追溯性管理，国内外学者对此展开一系列研究。

物联网的迅猛发展为食品供应链可追溯性研究提供技术支撑，借助射频识别（RFID）、无线传感网络（WSN）、近场通信技术（NFC）等物联网技术，可以监控和存储生产、加工、配送和销售等环节的事件信息，为食品质量安全监测和追溯提供有价值的数据信息。Chen基于RFID电子标签、物联网、二维码标签等技术，建立了食品安全追溯系统，分析并设计了物联网设备在餐饮和食品安全追溯系统中各环节的应用[1]；徐静等探究物联网技术在乳制品供应链关键环节控制点（HACCP）监管管理中的应用[2]；Bo等设计和开发了基于射频识别技术（RFID）和电子产品代码（EPC）物联网的水产食品供应链可追溯平台，并着重于设计水产食品的对象名称服务（ONS）和电子产品代码信息服务（EPCIS）[3]；Zhang等为了实现食品生命周期的安全可追溯性，提出了一种基于RFID技术的食品安全追溯网络模型，并在特色食品上设计了RFID标签和EPC编码规则，基于B/S和C/S构架进行系统的设计与实现[4]；李婷婷利用汉信码作为追溯码的信息载体，提出并设计了乳制品质量安全追溯系统的网络架构、功能结构、数据库以及追溯码，并对该系统的实施提出建议[5]。但是，基于物联网技术的食品可追溯系统都是集中式的“服务器—客户端”范式，利益相关者和消费者必须依赖单个信息节点来存储、传输和共享可追溯性信息，因此，难以追溯整个食品供应链的数据信息。

数据隐私和防篡改问题在食品可追溯性中至关重要，解决食品安全和质量问题的关键是提高可追溯性的透明度、安全性、持久性和完整性，这已成为生产者、冷链管理者、消费者、政府以及研究学者关注的紧迫问题，而区块链技术的功能特征很好地满足了食品溯源需求。

2019年10月25日，习近平在中央政治局第十八次集体学习时强调要把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，加快推动区块链技术和产业创新发展。政府政策的驱动，为区块链技术提供了良好的发展环境。区块链这一概念首次出现在比特币白皮书[6]中，但该书并未对区块链做出精确定义。区块链是分散的、不可信的网络，由许多节点组成，形成P2P对等网络，没有集中的设备和管理机制，不需要第三方权威机构，任何节点的破坏或丢失都不会影响整个系统的运行，安全性、可靠性高；业务内容和规则编译部署在区块链上，通过智能合约和共识机制可自动化处理交易活动，允许参与者跟踪业务流程并验证合同规则，防止数据篡改；区块链技术允许区块链中的每个节点网络以分布式数据存储的形式获取完整的数据信息，数据由各网络节点共同维护，单一节点上的数据改变是无效的，除非整个供应链中超过51%的节点被控制[7]，保证了数据的完整性；区块链运营的所有规则和信息对访问区块链网络的参与者是公开透明的，每个活动事件对所有节点都是可见的，并且每个参与节点都是匿名的，保证数据信息的可追溯性、安全性、及时性和透明度。

在“区块链+”大环境下，董云峰等基于区块链技术特征，构建了一种新型粮油食品全供应链可信追溯模型，解以决目前追溯系统中存在的集中式结构、数据安全性低、信息孤立等问题[8]；许继平等通过“链上链下”双模数据存储机制和智能合约，构建了一种基于区块链的粮油食品全供应链信息安全管理模型，保证粮油食品供应链信息存储和传输的安全性和可靠性[9]；Lin等通过分析主流食品可追溯系统中用户的主要需求，设计了基于区块链技术和电子产品代码信息服务的分散式食品安全追溯体系[10]；为了进一步提高供应链管理的灵活性、持续性和可靠性，Oscar N[11]、Ana R[12]、Alfonso P[13]等学者探究区块链与大数据、物联网等技术结合创新的可能性。然而，区块链技术尚且处于萌芽发展状态，在实际应用中仍存在一些问题，Leng[14]、Giovanni M[15]等学者对“区块链+供应链”研究热潮背后的问题进行了“冷思考”。

综上，尽管区块链被认为是一项潜在的突破性技术，国内外学者对区块链技术在食品安全领域的应用已经进行了一些研究，但对乳制品供应链可追溯性的开发和应用研究严重不足，对如何利用区块链技术提高乳制品供应链信息的完全透明度、安全性和可追溯性的研究非常有限，在实际操作、系统基础设施、互操作性和标准化问题方面的主要优势和挑战仍存在一些研究空白。鉴于此，本研究回顾了区块链技术的特点和功能，总结出基于区块链可追溯系统的性能标准，分析了乳制品供应链可追溯性需求，设计出乳品供应链的可追溯性框架和应用程序流程图，并强调了基于区块链的可追溯性系统实施过程中面临的优势和挑战，以进一步提高可追溯过程的透明度和效率，更好地保障乳品链的质量安全，重塑消费信息，促进乳制品行业的健康可持续发展，为研究人员和从业人员提供有价值的可追溯性管理信息。

三、乳制品供应链现状

乳制品是以生鲜畜乳及其制品作为主要的原料，经过再生产、加工制成液体乳类、乳脂肪类、干酪类、乳粉类等一系列乳制品类。乳制品供应链环节复杂，涉及乳畜的养殖、原奶生产、再生产及深加工、仓储、配送、销售等环节。以乳制品加工企业为核心，通过链接上游养殖商和下游乳制品销售商，实现对整个产业链商流、物流、信息流和资金流的控制。乳制品供应链参与主体主要包括乳畜养殖商、奶农、奶站、乳制品加工制造商、分销商、配送商、零售商和最终消费者，如图1所示。

图1 乳制品供应链流程

乳制品本身鲜活易腐的特性，使整个乳制品供应链具有环节复杂、信息多源异构、风险因素多的特点。其中，控制奶源的品质是保证整个乳制品供应链质量安全的首要环节。乳畜的养殖环境、饲养方式、饲料和兽药的使用、产奶设备、消毒方式等对原奶的供应和产出质量有极大影响。在生产、加工、仓储、配送和销售环节中，对温度、湿度、供应链设备性能、存储条件、运输时间、运输条件、保质期等条件要求非常高。在乳制品供应过程中，若某一环节出现问题，则该风险会继续沿着供应链传递集聚直至爆发一系列质量安全问题。

四、基于区块链的乳制品供应链可追溯性探析

（一）乳制品供应链溯源需求分析

乳制品供应链溯源需求主要是为了实现“四流”（商流、物流、信息流、资金流）的可追溯管理：其中，商流是乳品流通过程中的形态变化，它需要流通过程中交易活动的安全，资金结算便利，流通信息可追溯；物流包含的内容较多，包括乳品运输、仓储、包装、装卸搬运、流通加工、配送以及物流信息等，在乳品供应链中，它要求准确把控物流环节，实时监管用户服务、订单处理、需求预测、仓库管理、包装等信息，为追溯管理提供关键可追溯信息；信息流是整个乳制品供应链涉及的有关从乳畜养殖到消费终端所有节点的信息，它要求交易信息安全可靠、物流信息可控、乳品链监管便利和可追溯；资金流需要乳品链业务活动安全可靠，资金结算便捷。而区块链信息共享、数据安全可靠、智能合约及其可追溯性的技术特征，与乳制品供应链的溯源需求相耦合，如图2所示。以下主要从技术要求、性能要求和参与主体进行进一步的分析。

图2 区块链技术特征与乳制品供应链溯源需求耦合

1.技术要求

乳制品供应链可追溯系统的基本技术要求是不需要权威机构的存在，各参与主体能够在不可信的环境中运行，可追溯性信息是安全、可靠和透明，基于区块链的可追溯性可实现数据分布式传输共享，可解决供应链交易信息透明度问题和防篡改的信任、安全问题。

2.性能要求

乳制品供应链环节多且复杂，从乳牛养殖到销售需要记录、上传的数据信息多源异构，需要消耗更多的计算能力资源，而基于物联网设备实现数据传输和共享需要由第三方权威机构验证事务，资源浪费严重，时效性也很差。存储容量、可扩展性、稳定性和处理能力是乳制品供应链可追溯系统的重要性能指标，而基于区块链的可追溯系统低功耗、高速度和高安全等性能与其耦合性较强。

3.参与主体需求

参与乳制品供应链可追溯过程的主体主要有乳制品企业、消费者和政府监管部门，各参与主体对乳制品供应链可追溯性需求是不同的。其中，乳制品企业要求供应链节点上传到区块链上的关键信息是可访问的、共享的，通过数字签名技术为核心企业提供机密性服务，以防止企业敏感信息的泄漏；消费者则追求简单便捷、个性化的信息追溯服务，要求追溯的乳制品供应链上游到下游的数据信息是不可篡改、真实可靠的；政府监管部门需拥有乳制品供应链追溯系统的最高访问权限，一旦发生食品质量安全事件，相关部门会第一时间追溯到相应网络节点并查办违法企业，监管部门也有权确保各节点企业上传的关键可追溯信息是合法的，经过验证的。

（二）可追溯性框架设计

基于区块链技术的乳制品供应链可追溯框架由业务层、物联网层、联盟链层和应用层组成（如图3），能为乳制品的防伪溯源提供了更有效的解决方案。

图3 基于区块链的乳制品供应链可追溯性框架

物联网层：该层主要为区块链系统提供可追溯性数据，是实现乳制品溯源管理的基础。利用RFID、传感器等物联网设备自动收集乳品质量信息、资产交易、物流信息等，数据经过简单处理后由客户端上传带区块链系统中，与区块链进行实时输送。

联盟链层：联盟链层也称为数据管理层，基于联盟链部分去中心化的特点，利用区块链的智能合约技术、共识机制和哈希算法等核心技术，对乳制品供应链的关键可追溯数据信息进行验证处理、上传和共享，是乳制品溯源体系发挥效用的核心。即采用“链上链下”数据协同管理模式将采集到的数据部署到区块链系统中的智能合约上，智能合约对当前节点的数据进行验证处理，将验证结果发布到区块链网络的各个节点上，各网络节点对上传的数据达成一致后，再通过哈希算法生成摘要信息数据区块，最后将数据区块中存储在区块链网络的分布式账本中，同时供应链各环节的数据信息和智能合约返回的数据区块一一对应且都储存在链下数据库中，记录乳制品是如何从生产商到加工商、分销商到零售商最后到消费者整个网络的流动轨迹，旨在实现整个乳制品供应链信息透明度，提高乳制品信息的安全性。

应用层：该层是溯源链中参与主体与信息平台交互的中间层。按照国家规定的食品质量安全标准以及相关法律法规对乳制品的质量信息进行检测和审核，安全可靠的乳制品信息将会通过应用层向消费者开放，消费者可在企业、政府等相关网站查询追溯乳制品商流、物流、信息流和资金流等数据信息。

（三）性能评价

区块链是一种基于分布式数据存储、密码学、博弈论、网络协议等技术的创新型价值网络，网络节点交易数据的储存和记录都是分布式的，所有网络节点都可通过P2P网络等算法参与链上数据的管理和维护，没有绝对的权威机构，是一种去中心、防篡改、可追溯、信息透明的创新型数据架构。其中，公有链不需要用户注册和授权就可以通过公钥匿名参与和访问区块链网络；私有链仅由组织使用，其读写权、记账权等也是由私有组织制定，核心企业通过私钥访问，以防止机密文件的泄露和外部攻击，管理其他节点。基于区块链的乳品供应链可追溯性系统是改善溯源管理的战略目标，其适宜性评价对于用户和管理者来说是非常重要的，可以进一步实现乳制品供应链过程优化和质量管理控制。在以往研究学者的理论成果的基础上，总结出基于区块链的可追溯系统的性能评价标准：

（1）区块链的去中心化、数据完整性、信息透明化、数据传输效率高的技术性能，有效弥补了目前乳品追溯过程中存在的问题。比如：过于依靠第三方权威机构，为提高市场竞争力，会贿赂第三方，窃取相关行业的数据信息，而且，第三方权威机构的认证标准和选择需要考虑的因素较多，这无疑加重了企业负担和运营成本，而区块链无需第三方权威机构的存在，通过P2P网络为各参与主体提供一个无需信任、安全可靠的交易环境。

（2）基于区块链的溯源系统具有高度灵活性、防篡改性、可靠性、稳定性、低风险性和交易速度。比如：面对环节多、链条长、信息多源异构的乳制品供应链，区块链使供应链上信息交互数字化，通过智能合约技术实现数据信息的校验，使用数字签名和加密技术，提高了数据传输的效率，提高工作效率，保障信息的安全可靠性和完整性。

五、溯源实现方案

基于物联网的食品安全可追溯系统主要是利用一个集中式数据库来实现从生产到消费所有产品环节质量信息的溯源，而基于区块链的乳制品供应链溯源管理体系利用联盟链部分去中心化、分布式存储、信息公开透明等技术优势，能为乳制品供应链的防伪溯源提供更有效的解决方案，但是区块链技术并不完全成熟，在实际应用过程中依然面临技术、法律等方面的挑战。

（一）溯源流程

主要对乳制品供应链的乳畜养殖环节、原奶生产环节、乳品加工环节、物流运输环节、乳品仓储环节、销售环节以及终端溯源环节进行分析，以进一步了解HACCP、物联网技术和区块链技术在乳制品供应链质量安全监管、数据收集和信息共享以及溯源管理中的作用和运行机制，从而实现乳制品供应链全过程数据信息的透明化监管，保证乳品信息的质量安全，便于客户端的逆向溯源。

1.乳畜养殖环节

总之，新时期新疆的汉语文学创作，这种因群体千差万别的文化背景以及各具特色的美学追求、艺术素养、成长土壤和个人气质，其作品表现出的叙事方式、张力、文化观念、审美意识、民族性格不尽相同，使得新疆文化和新疆新时期文学呈现出多元的、充满活力与互补性的文学文化景观，更加凸显出新疆“多元一体”的文化结构特征和发展规律，作家们文学生命形态的形成与变化，是对新疆当代地域文学特殊性的可持续深化挖掘，同时也为边地文学提供了新的“表述中国”的学术契机。

主要指乳牛养殖环节。养殖场通过采用RFID射频识别技术对所有乳牛的身份ID信息进行标识，并输入区块链系统中，创建与之相对应信息文档，然后在系统中上传乳畜养殖环境、牧草种植信息、饲料质量、防疫信息、兽药使用等信息。养殖环节的参与主体除了养殖户还有质检部门，对该环节一系列操作按照HACCP体系进行标准化监管，并运用数字签名技术进行安全认证。养殖户在乳畜养殖环节的主要职责是：①进行牧草种植、饲料加工或采购和乳畜养殖活动，确保原料奶的正常供应；②创建养殖环节的活动信息，上传至区块链网络；③将养殖信息发送给原奶加工商。

2.原料奶生产环节

也称为原料奶的供应环节。乳牛产奶时，需要对乳牛身份进行识别并查询其文档信息，然后在区块链系统中上传产奶环境信息、产地暂存信息、产奶设施设备信息等。之后，当前节点会向下一环节（加工环节）发出请求，利用私钥和加工环节部署在区块链上的智能合约记录整个交易流程并自动赋予加工环节管理权限，加工节点便成为新的被授权节点，负责跟踪并维护乳品信息文档。原奶生产商在该环节的主要职责是：①根据HACCP准则规范挤奶，并对其进行简单杀菌储存；②创建本环节的信息文档，并将产奶信息公布至区块链网络；③将原料奶以及相关信息输送给乳品加工商。

3.乳品加工环节

加工企业在收到奶站提供的原料奶后，就拥有访问和维护乳品信息文档的权限，当前节点会继续在区块链系统中写入乳品加工信息、乳品质量检测信息、加工流程指标、加工批次信息、包装材料等。其中加工环节包括初加工和深加工，初加工主要是对原料奶进行过滤、杀菌处理等，深加工就需要添加其他原材料（比如添加剂等）、分离、闪蒸等。其中原材料是其他食品供应链的产物，拥有独立的身份标识和产品信息文档，在加工过程中，原材料的物理身份标识会自动取消，产品信息也会写入乳品加工信息文档中，生产乳制品的物理标签为消费者可追溯客户端提供便利。在本环节中，需要质检部门参与奶制品加工过程的标准检验，并通过数字签名技术进行乳品质量的认证。乳品加工商的主要职责是：①将原料奶加工成液体乳、乳粉、干酪等乳制品；②创建当前节点的信息文档，并上传至区块链网络和下一个节点；③将加工后的乳制品进行储存和分销。

4.仓储环节

主要对半成品或者产成品进行储存。通过扫描乳制品的物理标签，当前节点可以在乳品信息文档中写入仓库位置信息、出入库时间、数量、仓库储存环境等信息。当前节点的主要职责是：①根据乳制品的生产时间和类别合理安排存储位置，制定合理的出入库顺序；②创建、记录、上传、共享乳制品的存储信息文档；③根据客户需求进行乳制品的出库活动。

5.物流运输环节

由于乳制品鲜活易腐和保质期短的属性，冷链物流成为乳制品供应链过程中极其重要的一个环节。物流公司根据客户信息利用GPS、GIS等信息技术，为乳制品物流活动规划合理的运输路线。在运输过程中，通过无线遥感等信息技术严格监控冷藏车的微环境，同时，在继承上一环节乳品储存信息文档的基础上，写入当前节点的配送线路、配送时间、配送人员、配送设备等信息。此外，大型冷藏运输设备的信息文档中也应该包含乳制品的信息标识，以便于物流公司统一规划管理。物流运输商在运输环节的主要职责是：①根据客户需求完成相应的物流运输任务；②创建乳制品的物流信息文档，并将交易活动公示至区块链网络；③将乳制品的物流信息传送给下一个节点。

6.销售环节

参与销售环节的主体可分为分销商和零售商。分销商是生产商和零售商的中间商，主要将乳制品从生产商运送到各个商超、乳品批发市场等零售商手中；而零售商是将乳制品销售给消费者。乳制品进入销售环节，销售企业必须核实乳制品的信息来源，并进一步完善乳品信息文档，写入销售人员、销售价格、销售时间、销售地点、销售企业等信息，确保区块链系统中乳品信息文档的完整性。销售商的主要职责是：①完成乳制品的销售任务；②记录当前节点的交易信息并上传到区块链网络中。

7.追溯环节

消费者在进行乳品消费时，利用手机或电脑客户端对乳品包装上的EPC码、RFID或二维码等进行访问查询乳品的文档信息，如果发现乳品信息异常，可以向质量监管部门投诉。质量监管部门收到消费者投诉时，向溯源管理系统发出信息查询请求，经过验证确认后对相关乳品企业进行监管、问责和整治处理，及时遏制食品安全事件的扩张蔓延。企业可通过私钥查询和认证溯源体系中乳制品的机密信息。为了维护溯源管理的成本，联盟链中可以采用风险补偿机制，向用户提供追溯溢价产品，当消费者购买追溯溢价产品时，节点企业从中获取相应的产品溢价收益，从而增加乳品企业利润，提高企业参与溯源网络体系的积极性。当前节点的主要职责是：①客户根据乳制品码进行信息查询追溯；②相关部门核查区块链网络中各节点企业的数据信息；③相关部门处理乳品安全事件，严惩问题企业，并将其公示在区块链网络中。

（二）机遇与挑战

区块链技术在乳制品供应链可追溯管理研究和实践应用中有着深远的影响，但在实际应用中依然面临着机遇和挑战。

1.机遇

（1）透明度高。共识机制将信息存储在基于区块链的可追溯系统中，参与主体对交易活动达成一致共识，验证数据的真实有效性。之后，数据会公布在整个区块链网络中，增强了交易数据的完整性和安全性，提高了信息透明度和交易效率。

（2）数据不可篡改。乳制品供应链节点信息通过时间戳、加密技术等存储在分散式分布式数据库中，区块链网络节点平等参与数据信息的维护管理，有效避免单一节点的攻击和管理员腐败等问题，乳品信息的质量安全得到有效保障。

（3）协作能力强。区块链可以为乳制品供应链参与主体提供一个无需信任的交易环境，不同组织业务之间可进行互操性和集成性活动，降低交易风险性和复杂性，提高供应链参与主体业务协作能力，同时，安全的数据信息也有助于供应链管理者进行乳制品保质期的预测和评估，从而减少经济损失和乳品资源浪费。

2.挑战

（1）可扩展性差。与“物联网+”乳制品可追溯性应用的可扩展性、稳定性要求相比较，基于区块链技术的乳制品供应链溯源管理体系可能会受到容量、算法和数据访问权限的限制，不能完全确保基于“区块链+物联网”技术在溯源管理应用中的持续稳定性和安全性，因此，需要测试区块链的损耗率、存储容量以及延迟性等。

（2）基础设施薄弱。目前，关于区块链技术的研究尚且处于萌芽发展状态，相应基础设施并不完善，很难满足乳制品供应链溯源管理的所有需求。

（3）标准化程度低。跨组织业务流程之间的互操作性和标准化在可追溯系统中很重要，需要开发区块链架构标准，允许各方案之间灵活变动，从而实现协作信任和信息保护。此外，区块链应用领域并没有明确的法律法规和实施标准，需要建立健全法律监管机制，监测区块链技术在食品溯源管理方面的适用性。

六、结论与展望

本文回顾了区块链技术在食品溯源管理中的应用，立足后疫情时代的背景，分析中国乳品行业的发展现状，探究区块链技术在乳制品供应链溯源管理中应用的可能性，以进一步推进区块链技术在溯源管理体系中的应用。作为一项基于综述的研究，本文具有一定的局限性，提出的乳制品供应链可追溯框架是基于理论概念的，还需要做进一步的实验测试和经验验证，但这种局限性也为未来的研究提供了机会，比如，未来的研究可以在试点应用中从多角度测评基于区块链的可追溯性系统的操作方法、系统架构和性能标准。此外，在数字化转型时代，学者们也可考虑将区块链技术与数据挖掘、云计算等信息技术的集成创新，完善食品供应链可追溯系统。