基于区块链的生鲜农产品冷链可追溯性研究

阿布都热合曼·卡的尔，陈 茜，申炳豪

（新疆财经大学 信息管理学院，新疆 乌鲁木齐830012）

严格监控生鲜农产品的生产和对生鲜农产品冷链进行有效的物流管理，是确保食品安全的关键。近几年，食品安全事故在各国频频发生，比如英国马肉冒充牛肉、美国花生酱感染沙门氏菌等，食品安全和食品污染风险问题再次在全球范围内引起广泛的社会关注。人们对食品安全和污染风险的担忧日益加剧，对整个供应加强可追溯性追踪成为必要。生鲜农产品冷链产品的可追溯性要求冷链参与者之间进行高效和可信的信息交换。生鲜农产品冷链的信息具有非线性和动态性特征，生鲜农产品的收获、加工、运输和销售需要经过多个中间商，因此很难对冷链信息进行及时、准确的收集和跟踪。由于信息造假和产品污染对公众健康的严重危害，对生鲜农产品冷链的追溯性管理已经显得十分迫切。目前农业供应链可追溯性的实践在很大程度上受到数据碎片化和集中控制的影响，也易受数据修改和管理的影响。在发生污染的情况下，确定污染源并迅速将产品从供应链中隔离需要多个食品供应链之间的密切协调，往往需要良好的可追溯性，但实践证明各环节间的信息交换是困难和耗时的。［1］过去，我国关于食品安全的研究大多是从政策监管方面进行分析，或是未考虑时间因素的静态分析。［2］食品供应链因其规模大、流通速度快、结构复杂等特性，供应链运行过程中信息孤岛普遍存在，信息时效性、透明度和可靠性难以保证。区块链全新的计算方式和分布式结构吸引了金融、医疗、公共事业和政府部门等众多行业的兴趣，然而，在生鲜农产品冷链物流领域中应用区块链技术的研究十分不足。

生鲜农产品冷链物流要求通过制冷技术、工艺和专业设备在运输过程中保持其最佳的温度环境，确保产品完整性和质量安全，同时抑制细菌、减缓生物反应、降低产品损耗，保持农产品良好的状态以满足客户的要求，生鲜农产品冷链是高度专业化的物流方式。［3］农产品冷链虽然与普通供应链存在一定的相似性，但是生鲜农产品物流过程中质量退化具有累积性和不可逆性，其产品质量很大程度受物流过程中的温度和湿度条件影响，物流过程要求遵循“3T”（温度、湿度、时间）原则，严格控制物流的时间、温度和湿度。［4］因而，研究区块链技术在生鲜产品冷链物流中的应用对于保障食品安全有很大意义。

本文的总体目标是演示采用区块链的联盟链和智能契约如何有效地监管和跟踪生鲜农产品冷链中的业务交易和工作流，并且通过分布式技术使整个过程达到去中心化，以实现冷链的可视化和追溯性。本文的主要贡献在于：第一，提出了一个基于区块链联盟链和智能和约的解决方案和框架，用于实现生鲜农产品冷链的可视化和可追溯性。第二，讨论并突出了区块链解决方案在总体设计和体系结构中的关键方面，包括主要参与者、监管机构和关键利益相关者之间的信息交互及序列图。

一、区块链在食品供应链中已有相关应用研究

区块链作为分布式新兴技术吸引了金融、医疗、公共事业和政府部门等众多行业的兴趣，虽然有关区块链在银行、金融和保险行业的应用文献一直在稳步增加，然而，区块链技术应用于食品领域的研究依然十分不足。George 等人提出了基于区块链的可追溯性解决方案，开发了一个用于跟踪从农场到餐桌的可追溯系统。［5］颜波等引入物联网自主识别系统，基于RFID 和NFC 设备实现食品供应链的透明度和生产信息的实时监控，并通过云数据库实现食品信息的有效储存。［6］Mercier 等介绍了食品冷链的时间、温度等关键控制因素的管理方案。［7］刘敖迪等人从信息技术角度探讨了如何将区块链技术应用于信息安全领域，强调了区块链安全性、完整性和信任相关的关键方面。［8］Lin 等人回顾了区块链用于农业信息通信技术系统的概念，提出了一个使用区块链技术的农业信息通信技术系统模型，并对中国食品安全可追溯系统建设现状进行了分析，为政府制定相关政策提供了建议。［9］

相关文献显示，区块链技术能够为确保农产品的可追溯性和质量安全提供实用的解决方案。过去，大量文献关于食品安全的研究大多是从政策监管方面进行分析，或是未考虑时间因素的静态分析，虽然讨论了区块链在农业供应链中的概念性应用，但缺乏关于生鲜农产品冷链溯源方面的具体实施框架或方法。本文提出了一种支持监管部门、企业和消费者实时监控和追溯的生鲜农产品冷链追溯框架，提供高效、可信、安全和分散的跟踪解决方案，来弥补现有区块链生鲜农产品冷链方面的研究空白。首先，以水果，蔬菜、水产、肉类和乳制品等生鲜农产品作为目标，通过数据采集设备对农产品冷链环节（冷链加工、冷链仓储、冷链运输、冷链销售）的信息数据进行采集和性能分析；其次，通过区块链的联盟链系统完成信息自动采集和存储，实施产品全程跟踪检测和低温安全预警，确保冷链中农产品质量安全。区块链的分布式信息存储侧重透明度，任何人不能篡改，数据安全可靠，可以对已售问题生鲜农产品能够进行后续质量追溯，为产品召回提供便利，可视化的业务流程和业务溯源能够明确冷链上企业的责任，以保证消费者的权益，可以更好地解决现存的食品安全问题。

二、可追溯性方案设计

本节将描述提出的解决方案，该解决方案利用区块链的联盟链和智能合约来监管、追踪和执行生鲜农产品冷链中的交易，为生鲜农产品冷链管理提供完整、可靠和安全的交易记录。

（一）联盟链概述

联盟链需要注册以获得权限，链上的规则由成员共同制定、执行和维护。开放程度可以根据具体的应用场景来选择，成员通过网关节点接入，相关重要信息可以得到保护。相较于公有链这种方式交易速度更快，安全和隐私保护要求更高；相较于私有链则进入条件更低，节点地位平等，算力更高，数据不可篡改。联盟链技术架构从上到下分为三层，应用层在区块链环境下基于API（应用程序编程接口）和智能合约技术的功能模块，用于应用程序开发和业务处理；控制层通过非对称机密技术和数据审计加强安全性和数据可靠性；核心层通过区块链底层网络构建分布式共识和权限管理机制。本研究分析了生鲜农产品的生产和流通特点，采用联盟链建立包括参与主体、监管机构和区块链技术方的区块链驱动的食品冷链安全溯源机制。这三方具体所指分述如下：

参与主体，即生鲜农产品冷链溯源的主要参与者，包括原材料供应商、生产商、批发商、物流商、零售商、消费者和回收商等。

监管机构，即在区块链中接入并具有开放信息问询权的一方，对生鲜农产品冷链的运营进行全程动态监管，能够解决监管对象信息获取难、监管效率低、信息质量差、监管成本高等现存问题。出现食品安全事件时监管机构能够即时收集证据，追溯责任方，提高监管部门的威慑能力能防止此类事件再次发生。

区块链技术方，即受雇维护平台。区块链技术方不是传统的核心企业，虽然提供技术支持，但没有密钥仍然不能进行信息访问，不存在信息泄露风险。

（二）一般系统概述

智能合同有潜力将生鲜农产品和食品安全转化为一个集成的智能系统，确保交付给终端客户的产品质量。我们提出的框架和解决方案将重点关注在联盟链平台上自动执行的智能合约的使用上。智能合约代码的执行构成了区块链网络的挖掘节点执行，执行结果由所有挖掘节点共同商定。挖掘节点可以是分布在全球的所有用于收集、验证和执行事务的计算机。区块链可以被视为具有接近100%正常运行时间的全球计算机器，数据库和分类账的内容被复制到数千台计算机上，即使网络中99%的计算机脱机，记录仍保持可访问状态，网络可以自行重建。在区块链中，智能契约将以函数调用的形式接收事务，并持续监视、跟踪，一旦运行途中出现违规操作或发生安全问题，智能合约将按联盟链事先商讨写入的合约代码发出预警、自动调节，最终有助于将条件恢复到最佳状态。图1 说明了生鲜农产品冷链追溯性管理解决方案的系统架构的总体概况。

图1 使用联盟链和智能合约实现生鲜农产品冷链可追溯性的流程概述

如图1 所示，整个流程主要参与主体包括冷库、物流商、种苗公司、农户、产地批发市场、加工商、销地批发市场、零售商、消费者以及执行智能契约的区块链联盟链。冷链所有参与者和相关节点与星际文件系统（Inter Planetary File System，以下简称IPFS）相链接构成一个分布式文件系统，IPFS 是一个旨在创建持久且分布式存储和共享文件的网络传输协议，它是一种内容可寻址的对等超媒体分发协议，其中文件的内容由多个对等点或节点存储，它以高度的完整性和弹性存储文件内容。［10］此外，在区块链中，每个参与者都必须有一个联盟链账户，该账户由唯一标识参与者的地址和用于加密的公钥和私钥组成。通过对每个事务中的数据进行数字签名和验证，并将冷链上每个事务与特定的账户关联起来。

（三）方案设计

生鲜农产品冷链的参与主体都与区块链的联盟链和智能契约相交互，同时向IPFS 上传生鲜农产品的3T（温度、湿度、时间）信息与交易细节。共有10 个参与实体，其作用分述如下：

种苗公司按标准生产农作物和养殖动物种苗，然后将种苗销售给农户。

农户从种苗公司购买种苗，进行农作物种植、畜牧或水产养殖，定期监测和记录生长细节上传到IPFS系统，交易信息以散列形式记录到智能合约中。

冷库则起着至关重要的作用。冷链各环节均需配置相应的保鲜库、气调库、冷藏库等适合该产品的冷库对生鲜农产品或最终产品进行冷链仓储。储存生鲜农产品时要考虑的重点是适应该产品的温度、湿度和储存时间等。储存过程中应以先进先出为原则，尽量减少产品储存时间，保证生鲜农产品良好的新鲜度。同时，在最终产品进入市场之前，为了保持产品新鲜度要对产品进行低温储存，然后再根据订单需求进行配送。

产地批发市场负责从当地农民处购买生鲜农产品，对等级和质量进行筛选、分级，销售给食品加工商。

加工商从产地批发市场购买生鲜农产品，按需求将生鲜农产品加工至不需要进一步的处理或加工的最终产品。

物流商也扮演重要角色。在冷链物流环节中，必须遵循“3T”原则严格控制物流的时间、温度和湿度，采用专用冷藏冷冻设备对不同种类的生鲜农产品进行持续冷藏，防止生鲜农产品在运输途中腐烂变质，通过公路冷藏车和冷藏保温车等冷链运输设备进行冷链运输。同时，物流商必须在运输过程中保证冷链不出现“断链”现象。

销地批发市场参与的活动是从加工商处购买最终产品按需销售给当地零售商。

零售商从销地批发市场处购买最终产品，出售给消费者。

消费者是从零售商处少量购买最终产品的一方。

监管机构所发挥的作用是：为确保生鲜农产品符合国家标准，实时核查产品数据，及时纠正安全隐患做到事前控制，出现安全问题时快速完成产品召回。

如图1 所示，生鲜农产品冷链的所有参与者将该节点的元数据都上传至IPFS 系统，IPFS 的散列存储在智能合约中，同时所有交易信均通过联盟链和智能合约完成，并且监管机构和相关利益方可以对产品进行全程监控和追溯。种苗公司销售种苗，农户从种子公司购买种子并进行耕种。产地批发市场从当地农户处购买生鲜农产品，检查温度、湿度、时间等相关因素，经过筛选和分级后将生鲜农产品销售给加工商。加工商分从产地批发市场处购买生鲜农产品加工成最终产品销售给销地批发市场，销地批发市场购买大量最终产品销售给当地零售商，零售商从经销商或批发商那里购买少量产品，然后直接卖给消费者。

在联盟链和IPFS 中，所有图像、数据和记录都由参与者通过联盟链账户上传，每个事物都经过数字签名，信息上传者将对不准确信息或欺诈信息负责。联盟链自动编程通过参与成员商议便携的智能合约对欺诈行为进行惩罚。各独立的节点连接起来，形成透明、安全、可靠的信息收集、存储、传递、查询和共享环境。发生安全问题时，区块链的智能合约技术按联盟链商讨写入的合约代码发出预警，自动调节。相关企业和监管部门可以实时核查产品数据，及时纠正安全隐患做到事前控制，即使出现问题也能快速完成产品召回。区块链通过为每个点生成单个记录不仅能够快速明确安全事故的责任主体，其防篡改特性也为政府监管提供了技术手段，切断了发生食品安全事故时企业逃避责任和相互推诿的可能，保障了消费者权益。

三、可追溯性实现

基于区块链的联盟链和智能合约的生鲜农产品冷链可追溯性方案中，每个生鲜农产品冷链参与实体都有一个联盟链注册账户，并通过调用内部函数参与智能合约执行交易。

（一）交互流程

1. 种苗公司、农户、智能合约和产地批发市场交互流程

图2 描述了农民创建智能合约的交易时序。根据农户和种苗公司之间的离线协议，农户从种苗公司购买种苗，然后创建智能合约购买种苗事务，并将其提供给交易参与者双方（即农户和种苗公司）。如图2所示，生长情况通过上传生长信息的函数进行记录。农户每更新一次生长信息，智能契约就存储一个IPFS散列，并向冷链的联盟链所有参与节点广播。收获时，农民和产地批发市场通过离线协议来交易生产的生鲜农产品。产地批发市场将生鲜农产品存储到冷库中，并上传储存温度、湿度、储存的时间、数量、重量等详细信息。图2 完整地显示了从农户购买种苗到销售生鲜农产品给产地批发市场的交易序列。

图2 种苗公司、农户、智能合约和产地批发市场的交互序列图

2. 产地批发市场、智能合约、加工商和销地批发市场的交互流程

图3 描述了加工商生产最终产品并销售给销地批发市场的交易序列。加工商购买产地批发市场存储在冷库中的生鲜农产品，并创建智能合约及执行函数（购买生鲜农产品），该函数包含加工商联盟链账户、产地批发市场联盟链账户、产品属性细节和购买日期等。向产地批发市场购买农产品的事件触发销售生鲜农产品的函数。然后，销地批发市场向加工商发送购买需求，从加工商处购买最终产品并存储在冷库中。触发事件函数（从加工商处购买最终产品），该函数的参数包括加工商的联盟链账户、销地批发市场的联盟链账户、最终产品的属性细节和销售日期等。所有交易事务实时向网络中的冷链联盟链所有成员广播，事务参数包括买卖双方的联盟链账户、交易的产品属性细节和销售日期等。

图3 产地批发市场、智能合约、加工商和销地批发市场的交互序列图

3. 销地批发市场、智能合约、零售商和消费者的交互流程

图4 显示了零售商从产地批发市场购买最终产品并销售给消费者的交易序列。零售商向分销商请求一定数量的最终产品，销地批发市场与之进行交易。零售商执行函数向销地批发市场购买最终产品，并激活事件从销地批发市场购买产品。分销商通过执行函数销售最终产品给零售商。

图4 销地批发市场、智能合约、零售商和消费者的交互序列图

（二）可追溯框架

可追溯解决方案通过区块链完成生鲜农产品生产、加工、运输、销售的所有流程数据可视化追溯，从种苗开始将生鲜农产品的所有必要信息作为原始信息输入，区块链直接连接RFID、GPS、条形码、传感器等，RFID 技术记录生产过程细节，运输环节通过GIS、GPRS 技术和5G 通信技术对冷藏车进行监控，这些传感器可以在运输过程中持续中继并发送产品和运输状态的通知。区块链的分式信息高效整合了生鲜农产品供应链的商流、物流、资金流和信息流，提高了供应链整体的运行效率，一旦发生安全问题，区块链的智能合约技术将按联盟链事先商讨写入的合约代码发出预警。将各独立的冷链节点连接起来，可实现参与成员之间透明、安全、可靠的信息收集、存储、传递、查询。

区块链技术驱动的分布式冷链安全溯源系统架构如图5 所示，生鲜农产品冷链上的所有事务实时在联盟链网络中向所有参与节点广播共享,实现信息的透明和高效传播，利益相关者可根据需要通过区块链对事务信息进行实时查询，将原来几天才能完成的从消费者到农户的全程冷链追溯缩短到几分钟。

区块链驱动的生鲜农产品冷链监控追溯系统中，所有参与者都拥有完整副本，元数据由冷链参与者发送到区块中，但只有经过所有者许可才能被其他人访问。元数据上传到区块链上，被打包成区块进行加密同时盖上一个时间戳，区块按顺序连接形成区块链，时间戳证明了特定时刻一定存在特定数据。仅在链上所有参与者都同意时才能更改或添加区块，所以从技术上讲，只要数据规模够大，区块链上可以完全避免恶意欺骗或操纵数据。现实中，冷链参与者在冷链仓储和物流环节为了节约成本为了可能会隐瞒交易记录或者冷链数据。为了克服这种类型的欺诈，可以通过智能合同对区块链进行编程识别欺诈行为，使其具有附加功能以使发货或整个供应链流程失效，并采取一些行动对欺诈的利益相关者进行惩罚，或采取替代和纠正措施。这将构成新的纠正数据和操作，这些数据和操作区块链会自动记录数据，并通过联盟链账户确认数据的来源，即使出现欺诈行为，所有参与者和政府监管机构可以追溯到问题节点，确保生鲜农产品冷链的可跟踪性和可审核性。值得注意的是，在我们的解决方案中区块链只提供溯源技术，不制定政策，不会取代任何行业和监管标准程序。区块链驱动的生鲜农产品冷链监控追溯系统连接供应链参与者和监管机构，链上任意两个节点通过点对点进行信息传输，省去了监督和审计环节，既能节省交易成本，提高效率，也能保证数据安全。

图5 基于区块链的冷链溯源体系框架

四、结论

目前，冷链物流行业落后的技术和管理系统不仅使食品行业损失惨重，还对食品安全构成威胁。冷链物流系统类型复杂,硬件和软件设备落后，信息系统分散等问题极易引发食品安全问题。随着互联网技术的快速发展，许多新兴技术被应用于可追溯系统。然而，到目前为止，几乎所有的研究系统都使用集中的信息系统，可能会导致信任问题，如欺诈、腐败、篡改。本文提出的解决方案和通用框架，利用区块链的联盟链和智能合约来监控、追溯和执行交易事务，提高了冷链运作效率和信息透明度，极大地降低了集中式信息系统的风险，不仅能够降低生鲜食品供应链的生产、环境和社会成本，还能增强代理商信任和客户满意度。本文的可追溯性解决方案能够保障信息安全，提高监管的效率，解决冷链的可追溯性问题，实现全链追溯管理，从而确保生鲜农产品的安全和品质，增强居民农产品消费信心。到目前为止，区块链技术仍然面临着与可伸缩性、治理、身份注册、隐私等相关的关键挑战，未来的研究计划着眼于解决其中一些关键挑战，并制定相关解决方案。