基于区块链和大数据的临安山核桃质量的柔性溯源系统研究

陈雨凡

（南京航空航天大学，江苏 南京 211106）

0 引 言

杭州市临安地区是国内山核桃的主产区之一，也是有据可查的原产地，至今有500年以上的栽培史，素有“中国山核桃之都”的美誉。该地区所产的山核桃具备粒大壳薄、果仁饱满的特点，辅之以传统加工手法和现代食品工艺，其山核桃相关产品以香脆可口的特点而声名在外。随着电子商务等流通领域的发展，我国农产品的销售渠道日渐丰富，在农产品销量增加的同时，食品安全问题不容忽视。山核桃销售领域出现了农药残留过高、掺杂陈籽空籽、滥用各类香精和添加剂等问题，甚至出现了以次充好、冒名滥用的现象。以上问题的出现，一方面是不少企业缺乏诚信，无道德底线，只追求利润，忽视质量；另一方面，由于市场监督漏洞大，检测机制和抽查手段落后，很难对山核桃进行有效的管理和甄别。

从产地到工厂，从加工到销售，山核桃等农产品要经过多个流通环节，其中每个环节都存在导致农产品被污染、生产信息被篡改的可能性。当前，利用区块链、大数据、云计算等信息手段快速、高效管理食品安全信息，实现食品安全溯源，尤其是农产品安全溯源，已经成为趋势。

1 溯源系统的技术现状及存在的问题

在我国早期的农产品溯源技术研究中，较为重视信息采集技术的创新与突破，关注如何充分采集溯源数据以及覆盖完整的产品供应链。因此，我国目前的农产品溯源技术结合产品自身的供应链特征，及物联网技术、二维码技术，并运用随机自助采样、移动设备拍照、高精度激光扫描、射频识别（RFID）等数据采集手段，构建了层次多样、功能丰富的农产品溯源模型，实现了全供应链溯源。相比之下，相关数据安全存储领域的技术发展明显滞后，溯源数据普遍采用中心化数据库进行存储，数据面临完全暴露的风险，任何可以接触到数据的人员都可以随意对溯源数据进行操作，严重影响了溯源结果的可信度。

杨信廷等人提出以质量安全追溯为核心，以供应链、信息技术为坐标架构，涵盖产品链、服务链、技术链的农产品质量安全追溯模型，继而构建了一体化农产品及食品全供应链追溯系统，但依然无法保障溯源中心数据库的安全，使得前期数据采集、数据分析工作的价值大减，相关溯源结论真实性大打折扣。董玉德等人运用HACCP（危害分析和关键控制点）体系，通过系统功能模块化思路设计了面向服务的多层分布式农产品追溯模型，用以溯源农产品供应链安全，并优化数据库架构，但其本质上依然是传统的中心化结构，数据安全风险很大，影响溯源结果的可信度。郑开涛提出基于时空编码技术的农产品质量安全多边追溯平台，整合不同的农产品溯源系统并建立统一的大数据认证中心和多方授权认证机制，保障溯源数据的交流，以此改善我国追溯系统分散不集中的现状。但遗憾的是，在此体系之下依然存在存储介质损坏或数据被篡改的风险，这会破坏溯源平台的公信力，降低追溯系统间的互信程度。不难看出，现有的溯源系统普遍存在以下问题。

（1）信息存储技术落后，溯源数据真伪难辨。溯源系统当前广泛使用单一数据库进行中心化数据存储，优点是结构简单，维护成本较低；但在数据安全层面存在巨大隐患，数据库可能被篡改，即使采用数据库备份等手段，依然无法保障数据的真实、可靠，很难通过数据鉴别判断溯源数据的真伪。

（2）信息记录多源，追溯效率低下。现有溯源系统中，农产品在各节点源头均有相应记录（如在农场、物流公司时，都会有产品记录信息），这些信息记录需要分别进行录入、对账，整体效率低下；如果出现信息不对称等情况，就需要进行大规模追溯数据校对，进一步降低效率。

（3）源条码可复制，数据安全性低。溯源系统广泛采用源条码技术，通过二维码、条形码等实现农产品一物一码的对应关系，而条码具有可复制性，且复制成本低、难度小，导致整体数据安全性不高，致使农产品溯源体系失效。

2 山核桃柔性溯源系统的设计与实现

2.1 基于区块链的山核桃产品的柔性追溯和可信溯源技术实现

柔性追溯（溯源）一般指对产品特定供应链环节提供多种实现模式。以农产品销售为例，不同农产品的销售方式和销售渠道各不相同，因此相应的销售数据具有不同的特征和属性，不应以相同的方式进行处理，而是应该在溯源系统中针对具体需求创建多个“实例”或“范例”，对应不同的产品与场景。基于农产品自身特点，其溯源模型的柔性较差，需要以分布式建模替代集中式建模，形成去中心化的数据结构，将农产品供应链环节的溯源通过策略封装至具备事务处理逻辑和数据存储功能的独立模块内，并利用互联网技术实现模块间的信息互通和数据通信。

在此柔性溯源模型中，供应链环节的衔接通过各模块间的相互调用方式实现，形成去中心化的非固定顺序。该模型的优点在于应用“柔性溯源”理念，为相同供应链提供了多样化的溯源实现模式，初步解决了农产品溯源困难、可信度低等关键问题。在本项目研究中，柔性溯源模型也存在一定的局限性，主要体现在“柔性”覆盖范围不足，难以对复杂多变的山核桃生产过程进行全面建模，且供应链本身的复杂度也在不断提升，各环节间的衔接顺序也会随着生产需求的变化而灵活变动，因此当前的山核桃柔性溯源模型还需要进一步优化、升级。

区块链技术具备分布式存储特征和不可篡改的特性，将区块链技术深度融入模型之中，与已有的山核桃柔性溯源模型相结合，进行系统柔韧性升级并进行区块链存储结构改造，增加一系列更为合理、更加高效的配套模块，实现关键溯源数据的安全存储，在提升系统柔韧性的基础上保证溯源数据的可信度，初步实现基于区块链的山核桃柔性溯源模型。柔性和非柔性追溯模型的追溯过程如图1所示。

图1 柔性和非柔性追溯模型的追溯过程

2.2 山核桃溯源系统的总体架构

区块链技术采用分布式记账系统，依靠数据加密算法生成相关联的链式数据结构，形成了去中心化、具备共识机制的安全数据库，其内部数据是公开透明、不可篡改可的。本溯源系统每个基础模块中都运用了区块链技术，用以存储关键的溯源数据。通过增加一系列高效的配套模块最终实现预期功能，兼顾系统柔韧性与数据可靠性。图2所示为山核桃柔性溯源全过程。

图2 山核桃的柔性溯源过程

山核桃溯源系统分为信息采集、信息传输以及信息发布三部分。图3所示为山核桃溯源系统。RFID数据采集系统遍布产品流通的所有节点，以此实现对各节点的数据采集、存储以及网络连接，进而建立一个山核桃产品流通追溯数据库。当用户、监管部门以及消费者发现山核桃产品出现质量问题时，可以通过该数据库里的相关信息对山核桃产品进行溯源，并找到问题的根源。基于海量数据的山核桃溯源系统的具体技术特点如下所示：

（1）数据采集。在山核桃产品流通的各个节点都安装RFID读写设备，生产加工商为信息的源头，此节点的RFID标签将录入产品的EPC码，以此可以得知山核桃产品的出库地点、时间等信息；农产品分销商记录产品入库、出库、退货等信息；在零售节点，零售商将记录相应信息。各节点的信息是否完整、准确将决定山核桃产品溯源的快速、可靠与否。

（2）RFID数据处理技术。RFID的数据采集系统由于读写器数量众多、易产生冗余数据、EPC标准限制等原因，导致相应得到的原始数据往往繁杂冗余且夹杂很多错误，这促使我们研究如何从中低成本、高效地提取有用信息。

（3）海量信息处理。山核桃产品由于具有数量众多、流通范围大、分布范围广等特点，使得相应信息数量十分庞大，因此选用云计算。通过云计算平台技术所构建的农产品溯源系统（此处也可特指山核桃产品）可以及时接收加工商、分销商、零售商、消费者等各节点数据，并实时进行高效处理。

山核桃溯源流程如图3所示。

图3 山核桃溯源流程

2.2.1 设计思路

利用物联网技术在山核桃产品销售各个节点动态采集数据并整合，通过云计算平台构建数据云存储库、山核桃产品供应链信息数据库、谷歌地图动态地理信息数据库以及PB级山核桃产品溯源查询信息中心。

2.2.2 系统架构

基于海量数据的山核桃溯源系统采用B/S架构设计，系统云平台层采用大数据计算服务平台技术，实现并行计算与秒速查询。系统数据库层采用分布式关系，实现非关系型数据库存储。系统应用层包含分布式数据采集，具备查询、防伪、投诉等功能，可通过多终端对各类信息数据进行实时动态采集，并按需求分别发送给不同用户。用户层包括监管部门、企业和消费者，监管部门可通过举报频次热度开展信息追踪、获取舆论监控信息等。企业可以对山核桃产品进行追踪管理。消费者则可以获取溯源信息并对假冒伪劣产品进行举报投诉。基于海量数据的山核桃溯源软件系统框图如图4所示。

图4 基于海量数据的山核桃溯源软件系统框图

2.2.3 数据库建设

数据库主要由以下几类数据库组成：

（1）山核桃产品专题数据库：该库主要存储溯源信息、企业信息、监测信息等。

（2）地理环境专题数据库：该库包括产地地形、降水、气温等信息数据库。

（3）空间区位专题数据库：该库包括空间地理数据库、谷歌地图数据库、投诉舆情空间数据库等。

（4）用户反馈数据库：该库包括反馈农产品信息、反馈时间、反馈位置、反馈内容等信息。

2.2.4 开发技术

山核桃产品溯源系统主要基于Max Compute大数据计算服务平台，前端利用Echarts.js、CSS3、Ajax、HTML5、ArcGIS API for JavaScript等技术，采用Vue.js前端开发框架进行前端开发，Webpack作为项目打包工具。后端利用Node.js开发，使用阿里云x86 Linux服务器。

2.2.5 功能模块设计

山核桃产品溯源查询系统可分为3个功能模块，即投诉举报模块、防伪验证查询模块和溯源信息查询模块，如图5所示。

图5 山核桃产品溯源查询系统

（1）投诉举报模块。消费者可对问题产品进行举报投诉。系统将查询者的地理信息存储至动态地理信息数据库中，并通过相关技术平台（如网络地图平台）向查询者可视化展示被查询商品的举报信息，方便其甄选。

（2）防伪查询模块。用户获取防伪编码后，可通过扫描二维码的形式进入溯源界面，输入相应的防伪码，查询山核桃产品的真伪。每个防伪码只能被查询验证一次，如果该码存在被他人二次查询的情况，则极有可能存在假冒伪劣产品；同样，如果输入的防伪码不存在，也有很大可能存在以上情况。

（3）溯源信息查询模块。溯源信息查询模块包含5个子模块：①追溯信息模块包括生产企业、采摘、加工、检验、装载运输等流通过程信息；②证书信息模块包括官方证书等信息；③检测检疫模块包含产品取样、分装信息、开箱信息、标签信息等；④企业信息模块包括企业名称、食品生产许可证等信息；⑤产品信息模块主要包括产地、名称、编号、地址、加工厂、保质期等信息，用户可利用手机、Pad等终端扫描二维码进行查询，系统会将相应的各项溯源信息在终端显示。

3 系统应用与相关平台的搭建

设计搭建一套山核桃产业综合性管理平台作为其相关应用的总入口、相关“数字产业”的公共门户。建设相关产业云平台，可以提供如信息检索、安全控制、状态监控服务、地理要素可视化展现等统一的集成功能和基础技术框架。山核桃数字产业云服务平台架构如图6所示。

图6 山核桃数字产业云服务平台架构

构建山核桃产业的数据资源库，包括山核桃市场数据库、山核桃资源环境数据库、山核桃投入品数据库等，可实现与山核桃产业管理部门乃至其他产业的数据互通，为今后接入更高层次的农业农村大数据平台做准备。山核桃产业的生产、加工、销售乃至品牌化全程都将由山核桃云平台实现数字化管理与服务。

从业主体管理体系：对于所有山核桃相关产业的从业人员进行信息管理，并制定一套完善的人才培养方案；通过物联网数据采集与专家系统分析，实现对山核桃种植基地的天气、土壤、病虫等多方面信息的实时数据监控；为相关从业人员及时提供科学诊断信息和预警，规避重大损失风险；对山核桃生产过程予以在线指导，并为后续销售提供最优渠道。

后期将建立一套完善的信用体系，包含山核桃供应方、山核桃产品生产设备提供商以及各类山核桃产品销售商，为农业金融服务、农业化设备供给以及销售的最优策略等方面提供保障。

投入产品管理体系：对山核桃产品及相关经营实行信息化管理方式，例如通过物联网渠道监测树种生长态势，通过大数据时刻掌握农资市场情况等。通过建立基于GIS的数字生产服务系统，满足管理全程智能化、数字化的需求。利用山核桃品质追溯与监管系统对山核桃产品提供质量追溯、管理控制以及供应链管理、备案审批等服务。

4 结 语

区块链技术具备去中心化、共识机制、公开透明、不可篡改等特性，使其在农产品溯源中有着广泛的应用前景。本研究基于区块链技术设计了临安山核桃柔性溯源系统，对柔性溯源系统模型、系统架构以及各功能模块进行了构建与分析，实现了数据的分布式存储，解决了传统溯源系统因中心化导致的数据被篡改，安全性低，溯源效率低下，信息不透明等问题。同时构建了查询系统模块，保障了消费者对山核桃产品相关环节的知情权、举报权、投诉权等合法权益。在此基础上，基于阿里云Max Compute大数据计算服务平台实现山核桃柔性溯源系统，并搭建了一套山核桃产业综合管理平台作为其系统相关应用的总入口。该系统相比传统溯源系统有着安全性高、效率高等绝对优势，为临安山核桃溯源提供了可靠的平台。

区块链起源于比特币，目前已被广泛应用到社会的各个领域，但仅仅发展了十余年的时间，因此技术尚未成熟，存在一些重大隐患，例如数据的高度公开容易导致隐私泄露；数据的不断增加，应用规模的不断扩大，区块容量瓶颈问题会越来越突出等，这些也是后续研究需要着重解决的问题。