区块链技术在水产品质量安全可追溯中的应用设计探索

崔舒云, 程波, 于润林, 穆迎春, 宋怿, 韩刚

(1.上海海洋大学，水产科学国家级实验教学示范中心， 上海 201306； 2.中国水产科学研究院质量与标准研究中心， 农业农村部水产品质量安全控制重点实验室， 北京 100141)

根据《2019中国渔业统计年鉴》显示，中国现已成为世界上水产养殖规模最大、水产品消费市场容量最大的国家[1]。随着社会经济的快速发展和科技水平的不断提高，人民的消费倾向逐渐由数量型转变为质量型，食品的安全性更加受到关注。水产品的质量安全问题是食品安全问题的一部分，关系到人民群众身体健康、社会和谐稳定，受到各方高度重视。多年来，中国在水产品质量安全管理方面做了大量探索和卓有成效的工作，水产品质量安全水平得到大幅提升。但由于中国渔业生产分散、流通环节复杂、水产品鲜活易腐及市场准入机制不健全等因素叠加，水产品质量安全事件仍屡有发生。水产品质量安全监管遇到了责任主体难以落实、质量安全信息无法准确查询的瓶颈。另一方面，水产品质量信息不对称容易造成消费者的恐惧心理，“个别事件”往往引发“集体惩罚效应”，从而使整个行业的发展遭受严重打击。对此，中国自2006年起开始水产品质量安全可追溯体系研究与建设工作，以期实现对水产养殖产品生产、流通和加工等各个环节关键信息的全程跟踪和监管。经过多年努力，广东省和江苏省等全国多个省市已经建立了示范性水产品质量安全追溯体系，中国水产科学研究院与全国水产技术推广总站从国家层面，共同建立了“中央级水产品质量安全监管追溯平台”。但因建设标准不统一，部分环节监管缺失，且存在追溯数据易被篡改等问题，影响了追溯体系的应用和推广。

区块链被誉为是国家工业互联网的核心。区块链技术采用去中心化结构和分布式存储，具有数据不可篡改和实时共享等特性[2]，能够降低市场监管成本和复杂程度以及交易风险，提高生产数据信息记录的可信度，增加各环节监管透明度等[3]，可以有效解决水产品质量安全可追溯系统中可靠性问题。目前，区块链技术的应用已延伸到数字金融、物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等多个领域，全球主要国家都在加快布局区块链技术发展[4]。

本研究通过阐述中国水产品质量安全可追溯技术与实践现状，分析了区块链应用于水产品追溯的技术可行性，并设计基于区块链技术的水产品质量安全追溯技术体系总体构架，阐述了关键环节、关键技术的实现途径，以期为构建基于区块链的水产品质量安全追溯技术提供支持，实现可追溯技术在水产品质量安全监管、畅通信息渠道、引导消费者正确消费、建立消费者监督长效机制等方面真正发挥应有作用。

1 中国水产品质量安全可追溯技术研究与实践历程

1.1 启动阶段

自2000年以来，欧美等主要水产品进口国相继发布关于水产品追溯的法规。2000年，欧盟委员会率先发布《欧盟食品安全白皮书》，形成完善的食品安全法律体系，明确了食品从农田到餐桌全过程所有相关者的责任[5]。2002年，进一步发布《一般食品法》，建立欧洲食品安全局，督促食品追溯体系的建设，明确规定了食品的可追溯制度[6]。同年，美国发布《公共安全和生物恐怖主义防备和反应法案》，要求对所有食品的生产、加工、分装、运输和销售等环节进行严格的记录保存，以实现食品的可追溯[7]。据2008年《国际商报》报道，泰国针对100个斑节对虾(Penaeusmonodon)养殖场进行可追溯体系试验，收集虾苗亲本及来源、饲料、疫苗和药物等生产信息，建立电子信息数据库，实现产品信息的追溯[8]。

中国水产品质量追溯体系的研究起步相对较晚[9]，直到2003年，原农业部才发布了《水产养殖质量安全管理规定》[10]，2004年，国家质检总局正式执行《出境水产品追溯规程》[11]，要求出口水产品从生产到销售的各个环节数据可追溯。按照国家法规要求，为提高中国水产品质量安全水平，推动水产品生产管理技术与国际接轨，中国水产科学研究院于2006年启动了水产品质量安全可追溯体系研究。

1.2 主要技术研发阶段

2006—2009年，通过研究和借鉴国内外产品可追溯体系的架构和核心内容，面向水产品监管、生产、流通和销售等环节存在的主要问题和实际需求，提出了水产养殖产品可追溯体系的总体架构，集成运用计算机网络与通讯技术、自动化检测与识别技术、电子标签技术等，开发了水产品追溯单元条形编码规范和产品条形码编码生产技术、追溯信息分类分级技术、水产品生产主体身份识别数字化管理系统和水产品追溯专用标签识别技术。开发了基于XML的数据传输技术、基于角色控制的权限分配技术、系统模块化设计和多技术多模的有机集成技术。在此基础上，开发了水产品生产和加工环节质量安全信息管理追溯系统、水产品流通环节质量安全管理和追溯系统、水产品质量安全监管查询系统，并专门研发了移动水产养殖生产过程信息采集系统、手持式水产品流通监管设备等[12]。

1.3 应用示范阶段

2009—2012年，在广东省、江苏省[13]和天津市[14]等省市开展前期研究成果的集成示范应用，建立了覆盖养殖、加工、流通各环节和“省、地、市、县”各层级的一批水产品质量安全监管平台和生产经营追溯试点单位。结合各地各部门实际情况和特性需求，不断完善和升级追溯系统，统计技术标准，理顺运行流程，创新制度措施，初步达到了检验体系设计、提供建设模板、提升监管能力的多重效果。

2012年，在前期试点基础上，中国水产科学研究院与全国水产技术推广总站共同启动“中央级水产品质量安全监管追溯平台建设和示范”工作，完成了监管追溯平台的顶层设计、中层布局和低层架构，建设了覆盖“中央-省-地市县-企业”各级的监管追溯体系[15]。至此，追溯体系在水产行业的示范应用上升到国家级别，全国范围内的监管和生产单位纳入统一追溯体系成为可能。截至2019年底，已建立覆盖“中央-省-地市县-企业”的追溯体系，包括国家级平台1个、省级平台21个、市县级平台194个、追溯企业终端2 239个，养殖IC卡用户13 000余家。

1.4 存在的主要问题

尽管前期研究和实践工作中取得较大成效，但在追溯技术上，由于生产企业的多元化、养殖产品的多样化及以鲜活产品为主要消费形式等因素，溯源系统的研发和推广仍然存在标识技术受到制约、各方追溯平台、追溯体系缺乏统一标准规范，兼容和协调性差等问题。更为突出的是，因追溯技术缺乏创新，导致追溯链条上信息造假、数据篡改等问题突出，严重影响了追溯效果和本应发挥的作用。

2 区块链应用于水产品质量安全可追溯的可行性

区块链(Blockchain)的概念始于2008年中本聪发表在《比特币：一种点对点式的电子现金系统》[16]一文中。该技术是采用分布式存储结构，没有中心部署，数据信息核验成功后存储至区块链系统后，通过分布式节点永久保存，单个节点的数据修改不会改变原有数据。利用共识机制算法的约束条件，如果需要更改信息，需要通过对供应链上超过51%的节点数据同时修改才能进行操作[17]。如果供应链中的某一节点篡改或伪造了信息(交易)，因分布在网络上的其他节点的数据副本并未发生更改，由此可轻易识别出哪个节点篡改或伪造了信息(交易)[18]。基于上述原理和技术特点，信息数据难以被篡改，能够确保产品质量信息存储在区块链中的真实性和可靠性。同时，区块链技术在网络上建立共享的“公共账本”，将供应链上各个节点所发生的信息根据时间轴生成链式区块后形成共享链条，所有网络成员都能够通过共享账本实时追踪产品的信息[17]。区块链各节点间以一套公开透明的数学算法建立数据交换，程序会自动判定交易的合法性。整个交易过程双方完全可在匿名的环境下进行，不必担心因未曾建立传统信任关系而造成不良后果，既保证交易的可靠性和安全性，也保护双方的隐私[19]。

近年，区块链的研究热度持续升高，现已被应用于多个领域。一是在食品方面，2017年12月14日，沃尔玛、京东、国际商业机器公司(IBM)和清华大学电子商务交易技术国家工程实验室共同宣布成立中国首个安全食品区块链溯源联盟，目的是通过区块链技术进一步加强食品的可追溯性和安全性，提升中国食品供应链的透明度，保障消费者食品安全的权益[20]。二是在金融方面，2015年4月，瑞士联合银行(UBS)在伦敦开设区块链实验室，开始研究如何在金融业务中利用区块链技术。2016年，招商银行实施“招行直联支付区块链平台”，通过PoC验证测试，解决了区块链技术在金融领域应用落地的一系列问题。2017年3月，加拿大丰业银行利用区块链公司AlphaPoint的平台完成其区块链项目的概念测试，同年，中国工商银行申请金融资产交易系统区块链专利，中国农业银行运用底层区块链技术推出了“e链贷”等服务[21]。三是在信息方面，2015—2016年，微软、IBM、亚马逊等云服务商分别推出BaaS(Blockchain as a Service，区块链即服务)的服务，百度、腾讯、阿里云、京东等国内企业也相继发布了BaaS平台，发展区块链服务。同时，各大运营商也发挥云网协同优势，为区块链提供基础网络服务，及强大的计算和存储服务，发挥渠道生态优势[22]。四是在物流方面，为解决中小企业难以从银行等金融机构获取资金的情况下，物流金融作为一种物流与金融服务相结合的融资方式应运而生。基于区块链的物流金融执行平台(BcLFEP)作为解决方案，以方便电子商务零售的物流金融执行[23]。上述工作一方面说明了区块链技术的战略重要性，同时也表明这一新兴技术经过多方努力，已经具备了一定的应用基础，为水产品质量安全可追溯应用奠定了较好的技术基础。

3 区块链在水产品质量安全可追溯中的应用设计

3.1 设计思路

利用区块链技术的去中心化、分布式存储和可实时共享等特点，结合水产品供应链中养殖、加工、流通、检测和销售等环节，建立区块链系统的构架，主要包括：数据层、网络层、共识层和应用层，其中数据层主要储存水产品供应链每个节点验证成功的底层区块数据、时间戳和相关的加密数据等内容，可保证信息的安全和隐私；网络层负责构建水产品的生产、运输和销售过程中组网机制、数据传播机制以及数据验证机制，满足去中心化的基础；共识层建立网络节点中的各种共识机制，保障分布式存储和信息不可篡改的特性；应用层提供交互接口，消费者、监管部门和所有供应链的参与者都可以通过私钥验证水产品的产品信息，实现各节点间的信息实时共享。在加密技术、共识算法和物联网技术的支撑下，实现水产品从池塘到餐桌的全过程可追溯监控。

3.2 追溯方案

为实现对水产品整个生命周期可追溯的目的，必须对其养殖、加工、运输、销售等各环节的信息进行全程记录和监控，因此，构建基于区块链技术的水产品追溯方案结构图如图1所示。

图1 基于区块链的水产品质量安全追溯方案结构图Fig.1 Structure chart of blockchain-based traceability scheme for aquatic product quality and safety

养殖环节(如图2)：养殖公司在信息库内全面准确录入水产品苗种来源，投苗时间、苗种数量、苗种规格、用药种类、用药数量，捕捞时间、捕捞数量、捕捞规格、暂养时间和农兽药残留自检等养殖生产过程有关数据，养殖过程实时监测并上传养殖环境水质数据。依据农业农村部《食用农产品合格证管理办法(试行)》制度，养殖公司等水产品生产经营者对所生产经营的水产品提供质量安全合格标识，并将产地水产品等监督抽查的信息也一并录入，质量安全监管部门对上传的信息进行审查，通过私钥方式认证养殖环节是否合规。同时，对交易的水产品进行检验，并以私钥方式签名添加检验结果至区块链存储系统。

图2 水产品养殖环节Fig.2 Aquaculture links of aquatic products

加工环节(如图3)：加工公司使用官方认证的二维码和条形码，双面保真。同时将加工过程中使用的添加剂成分、保存环境和水产品的质量特征及操作人员的信息写入系统，形成带有时间戳的区块进行储存。产品加工完成后，采用专业防拆外包装进行包装。包装过程中，在系统中增加包装材料、包装时间、重量等数据信息。在此环节，食品检验部门参与审查并进行安全性认证。

图3 水产品加工环节Fig.3 Processing links of aquatic products

物流环节：物流公司在水产品装箱后贴箱码，利用物联网智能保温箱，全路径实时监控并上传运输过程中的温度、位置和物流周转时长、死亡率等信息数据。

销售环节：录入产品经过多次分销商再转入各个零售商的时间与地点等信息，在消费者购买产品后登录用户端可通过质量码快速查询水产品各节点的信息(养殖信息、运输信息和加工信息等)和记录负责人，实现全产业链信息可视化，并对其质量进行评价和反馈，如存在产品质量问题，可通过区块链分布式存储结构跟踪溯源并理赔。

监管环节：第三方监管部门对水产品全过程录入信息的真实性进行检验和审核，通过识别各节点数据，对其进行风险评估和和风险管控(如图4)。具体为：根据风险评估结果，提示是否需要进行危害处理。如果危害需要进行处理，则追溯到引起危害的节点，根据危害点的危害程度，将危害点调节到合理范围内；如果危害不需要处理，则无需调节危害点。

图4 监管部门风险评估与危害处理系统Fig.4 Risk assessment and hazard management system of supervision department

4 结论

本研究阐述了中国水产品质量安全可追溯体系研究与实践的历程和现状，并基于现有产业追溯面临的困境，结合区块链技术自身优势，进行了区块链技术在水产品质量安全可追溯上的应用设计。该设计利用区块链的分布式存储管理，使数据信息可视化、透明化，使传递时效性提升，能够有效解决水产品买卖纠纷、质量追查问责取证等问题。利用共识机制和去中心化，有效控制养殖、加工、运输和销售企业为了谋取私利而更改产品信息，产生虚假或不全信息导致的消费者信任危机等问题。随着国家工业互联网的建设和中国水产业现代化的发展，区块链在水产品质量安全可追溯上的应用将会迅猛发展，水产品质量安全将会得到更加有效监督和管理。