新冠肺炎疫情下中国农产品冷链物流可信追溯研究

李佳利 杨涵 钱建平

（中国农业科学院农业资源与农业区划研究所/农业农村部农业遥感重点实验室，北京 100081）

1 引言

农产品冷链物流是以冷冻工艺学为基础，以生产流通为衔接，为保证产品品质和质量安全，减少因腐败变质引起的损耗同时防止污染，而使产品从产地采收(或屠宰、捕捞)后，在加工、贮藏、运输、零售等环节销售乃至消费前的各环节始终处于规定的低温环境下的特殊供应链系统[1,2]。从冷链的服务对象来看，主要是指肉、禽、水产、蔬菜、水果、蛋等易腐生鲜农产品[3]；从冷链的温度适用范围来看，从低到高依次包含-50℃及以下的超低温、冷冻、冰温、冷藏和10℃～25℃的其他温控物流[4]；从冷链的运作来看，冷链物流的实现离不开温控装置，例如冷冻库、冷藏车等；从冷链的全程性来看，冷链物流覆盖农产品生产、加工、仓储、物流、销售全部环节。

近年来，随着中国经济水平的不断发展，人民物质生活水平的不断提高，尤其是生鲜电商的快速发展，人们消费观念逐步发生变化，对农产品的质量安全和新鲜程度提出了越来越高的要求，农产品冷链物流越来越受到重视。自新冠肺炎疫情爆发以来，中国接连查出冷链从业者感染新冠病毒，冷链食品外包装也被检出新冠病毒，引发了社会各界对冷链食品追溯的高度关注，也对冷链物流提出更高的要求，冷链物流发展面临新的机遇和挑战。

追溯系统作为保障农产品冷链物流运输中质量安全的重要手段，近年来一直是众多学者研究的热点。传统的农产品追溯系统框架主要依靠数据库技术、网络技术、条码技术、自动识别技术等实现，主要由数据采集、数据传输、数据存储、数据处理以及数据应用等5 个基础部分组成[5]。区块链技术的出现，为解决传统追溯体系所面临的公信力缺失、监管困境、扩展性及追溯成本支付等难题提供了新思路[6]。李航等人基于区块链技术，从参与方设置、体系框架设计和运作过程优化3 个维度构建食品冷链物流追溯体系[7]。Yang Xinting 等人设计了一种基于区块链技术的农产品供应链产品信息存储和查询追溯系统，解决传统的追溯系统存在管理集中、信息不透明、不可信的数据，容易产生信息孤岛等问题[8]。

本文在充分梳理中国新冠肺炎疫情下农产品冷链物流现状以及面临的挑战的基础上，深入结合区块链技术在农产品追溯中的优势以及农产品冷链物流本身的特点，构建一个从产区到销区、从田头到餐桌的农产品冷链物流追溯系统，覆盖农产品冷链物流全流程，以保证农产品质量安全全程可追溯，同时增强农产品冷链物流的追溯可信度。

2 中国农产品冷链物流发展现状

2.1 冷链物流发展环境逐步改善

为规范食品冷链物流市场，提供一个良好的冷链物流发展环境，推动企业高质量发展，2020 年中国围绕行业规划、发展指导、疫情防控、财政支持等多个维度发布关于冷链物流重点政策近百条。2020年11月中华人民共和国国家卫生健康委发布《关于进一步做好冷链食品追溯管理工作的通知》，提出要建立和完善由国家级平台、省级平台和企业级平台组成的冷链食品追溯管理系统。2021年3月，国家卫生健康委员会、国家市场监督管理总局发布中国首个食品冷链物流强制标准《食品安全国家标准食品冷链物流卫生规范》（GB31605-2020），其中对食品冷链物流的范围、基本要求、运输工具、运输、交接过程、配送温度、储存条件、追溯及召回等各方面进行了严格且明确的规定和要求。2021 年12 月31 日，中华人民共和国国务院办公厅印发《“十四五”冷链物流发展规划》通知，《规划》提出到2025 年建成全国冷链食品追溯管理平台，实现多层次、多系统、跨区域冷链物流追溯闭环，并且指出要推动并加快区块链等技术在冷链物流领域的应用，提高追溯信息的真实性、及时性和可信度。

2.2 冷链物流基础设施逐步完善

随着中国冷链政策的不断出台以及冷链物流发展环境逐步改善，各级政府逐渐完善冷冻库、冷藏车、恒温库、温控理货平台、制冷设备以及冷藏车辆等冷链物流基础设施[9]。根据中国物流采购联合会冷链物流专业委员会及国家农产品现代物流工程技术研究中心在2021 年发布的《中国冷链物流发展报告》，2015-2020 年，中国冷库每年增长率都在10%以上，2020 年中国冷库总量达到7080 万吨，同比增长为16.98%，其中冷冻库占比70%，储藏型冷库最多。冷藏车市场保有量为28.67 万辆，较上年增长7.2 万辆，同比增长33.54%。未来，随着冷链基础设施的不断完善和市场环境的改善，中国冷链物流的市场需求将进一步增长。

2.3 冷链物流市场规模快速增长

近年来，冷链需求旺盛，市场规模持续扩大，2020年中国食品冷链物流需求总量为2.65 亿吨，比2019年增长3191万吨，同比增长13.69%，根据中国物流采购联合会冷链物流专业委员会及国家农产品现代物流工程技术研究中心在2021 年发布的《中国冷链物流发展报告》，2020 年，中国冷链物流市场规模超过3800 亿元，是“十二五”期末的2.4 倍，比2019 年增长440.8 亿元，同比增长13.0%，仍保持增长态势，如图1所示。此外，受到新冠肺炎疫情影响，生鲜电商获得爆发式增长，2020 年上半年生鲜电商交易额达到1821.2 亿元，同比增长137.6%。未来，随着生鲜电商的迅猛发展，中国食品冷链市场规模将不断扩大。

图1 2015-2020中国冷链物流市场规模Fig.1 Market scale of Chinas'cold chain logistics from 2015 to 2020

2.4 冷链物流追溯平台建设逐步完善

在国家政策引导下，各省市着手加快建设进口冷链追溯平台。2020 年11 月1 日北京市冷链食品追溯平台正式上线运行，拉开各省市进口冷链追溯平台上线的序幕。截至2020 年底，中国已建成并上线运行全国进口冷链食品追溯管理平台，目前全国31 个省份已全部建成省级进口冷链食品追溯管理平台，接入全国平台试运行并实现与国家级进口冷链食品追溯管理的9个省（市）（包括北京、天津、上海、重庆等）[7]，冷链食品首站进口量占全国90%以上，基本实现从海关入关到生产加工、批发零售、餐饮服务的全链条信息化追溯，其余10%主要通过纸质台账、进货凭证等方式来记录追溯信息。

3 疫情下现有农产品冷链物流追溯面临挑战

冷链物流市场虽然起步较晚但发展迅速、市场潜力巨大，“新冠肺炎”疫情极大地推动了生鲜电商发展与崛起，也让冷链物流行业迎来了新的发展机遇，加上信息技术和物联网技术的不断发展和突破，农产品冷链物流追溯体系也逐步大规模建设和运营，基本实现了从理论设计到应用落地，但是在实际应用过程中农产品冷链物流各个环节仍暴露出一些问题，主要包括以下几点。

3.1 追溯信息的真实性、安全性、完整性有待提高

面对频发的冷链冻品中检出新冠病毒事件，传统采用中心式数据存储方式的冷链物流追溯系统信息的安全性和可靠性很难得到保障。同时冷链上下游整合不充分，存在严重的信息不对称，冷链物流各环节的参与主体并不能平等无差别地获取农产品信息。如何在冷链发生安全问题时，实现快速追溯、全程追溯，亟需提高追溯信息的真实性、安全性、完整性。

3.2 “碎片化”追溯系统有待整合

新冠肺炎疫情加速了全国冷链物流追溯系统的建设步伐，目前各行各业都在建设追溯系统平台，这也带来了系统兼容性问题。现有的追溯平台受地域和技术限制，系统软件不兼容，跨区域平台对接困难，造成各追溯系统平台间不能互联互通、各追溯主体间的追溯信息不能很好的实现资源共享和交换，容易形成“信息孤岛”。

3.3 科学、合理、完善的标准体系亟需形成

标准体系是落实冷链食品可追溯的支撑和保障[10]。目前中国已经出台了300 多项涉及冷链物流的国家标准和行业标准，受新冠肺炎疫情的影响，线上生鲜购物需求激增，给行业标准带来巨大的挑战。尽管中国出台首个冷链物流强制标准，与疫情防控管理实现衔接。但是已发布的标准中推荐性标准居多，强制性标准较少，并且标准不统一，存在差异，衔接性差。因此亟需缩减推荐性标准，统一全国标准，逐步构建科学、合理、完善的冷链物流标准体系。

3.4 相关主体责任有待明确

农产品冷链物流追溯建立的目的是农产品出现问题时可以快速响应，及时召回，查清问题。但是农产品冷链物流追溯涉及主体众多，现有追溯体系下尤其在新冠疫情流行期，冷链农产品出现质量问题时，很难快速锁定、准确界定责任主体，在进口冷链农产品尤为体现。此外，建设农产品追溯系统需要进行多方面投入，农产品生产主体中有许多是农户或者小型企业，需额外承担确认成本，参与追溯意愿低。因而只有在真正发生农产品食品安全问题时，才能引起重视，开始严查，无法从根本上起到预防作用。

4 区块链技术及其在农产品冷链物流追溯中应用优势

4.1 区块链技术

区块链技术，简称BT（Blockchain technology），也被称之为分布式账本技术，是一种互联网数据库技术[11]。狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本[12]，如图2所示。

图2 区块结构Fig.2 The structure of blocks

从理论层面来看，区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等多种技术的综合运用，涉及数学、密码学、互联网和计算机编程等多方科学技术。根据这些技术的功能，区块链系统技术架构自下而上分为六层，分别为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层[13]。

4.2 应用优势

正是由于区块链具有去中心化、开放性、防篡改性、匿名性以及可追溯性五大特性，目前在追溯中的优势已得到证明[14-16]。区块链具有记录各个环节的数据内容，实现不可篡改，让信息透明共享等特性，能够有效解决供应链上下游数据在传递过程中的信任问题，从而构建与追溯需求吻合的可信交易环境[17]，满足冷链物流追溯中的要求。

4.2.1 提高冷链追溯的完整性、全程性

区块链中的所有交易数据都存储在带有时间戳的链式区块结构里，为数据增加时间维度，使得数据具有极强的可追溯性和可验证性，能够证明农产品数据发生或者上传于哪个时间点。同时区块链中任意两个区块间都通过密码学方式相关联，而且区块链是一个公开透明的系统，因此可以追溯到区块链中的任何数据。

4.2.2 保障追溯信息的安全性

区块链中提供了多种共识机制，因此一旦经全网验证通过的数据信息被写入区块链，就会被永久的存储起来；通过单个节点是无法篡改区块中存储的数据信息，除非黑客能够控制整个区块链系统超过50%的节点，因此能够有效保证安全。此外，区块链运用哈希运算、非对称加密以及零知识证明算法等密码学手段，对交易数据进行加密处理，保证数据的不可篡改性，实现交易信息的安全可靠和隐私保护。在实现数据完全开放的前提下，保护交易主体的隐私信息。

4.2.3 提高追溯信息的公信力和可信度

区别于其他数据库，区块链没有中心化的节点，使用分布式的核算与存储方式，任意节点的权利和义务都是相等的，系统中的数据信息由所有节点共同维护，不再依赖于中心权威节点，不需要统一的软硬件要求，可以有效解决农产品交易中的信息不对称问题，使整个交易更加透明化、自主化。区块链追溯系统能够在多利益主体参与的场景下将由政府主导转变为参与主体共同维护，以低成本的方式构建信任基础，在更大范围内接受监督和检验。

4.2.4 明确责任主体，降低追溯成本

区块链中的数据信息除了交易各方的私有信息被加密外，其余信息是在全网节点公开透明的，全网节点都可以通过公开的接口查询区块链数据记录，随时对区块链上的信息进行审查、追溯，具有很高的透明度。因此在区块链中进行的交易无需建立在信任的基础上，以低成本解决农产品追溯中的信任问题。当发现农产品质量问题后可以无需考虑数据真伪，直接通过溯源系统快速明确责任主体，降低追溯成本，提高追溯效率。

5 基于区块链技术的农产品冷链物流追溯系统构建

5.1 需求分析

本系统涉及到的主体有生产商、加工商、仓储商、物流商、销售商、消费者以及政府。系统采用B/S 架构，即浏览器/服务器客户端，进行农产品冷链物流追溯系统的设计。农产品冷链追溯系统应具有高度的安全性、一致性、稳定性，满足在监管部门间、相关企业之间的信息共享、互相监督。

政府：政府主要包括冷链物流过程中监管、质检等主管部门。系统为政府监管机构提供最高的权限，拥有对企业法人、商品检测等信息的审核，农产品冷链物流过程中全部数据的监控，以便他们能够在食品安全事件发生后尽快明确责任主体，及时召回问题产品。

企业：企业的主要需求是采集和上传农产品冷链物流中各个环节的数据，同时必须确保本企业用户只能查看本企业相关数据信息，不能查看其它企业信息，为企业提供保密服务，以防止敏感信息的泄露。

消费者：对消费者来说，最主要的是通过系统可以查询购买农产品的相关追溯信息。系统需要确保消费者查询到的数据是没有篡改的非敏感数据。同时考虑到消费者便利，消费者进行查询追溯时，可无需注册登录直接进行扫码查询。

5.2 系统架构设计

农产品冷链物流追溯系统的系统架构如图3 所示，主要划分为感知层、数据层、网络层、核心层、应用层以及用户层六个层次。

图3 农产品冷链物流追溯系统架构图Fig.3 Architecture diagram of agricultural products cold chain logistics traceability system

感知层主要是采集农产品冷链物流环节中的农产品数据和追溯数据。一种是农产品冷链物流追溯基本数据，包括农产品名称、生产日期、产地以及冷链物流各环节的企业主体等。另一种是通过配备专业的RFID（Radio Frequency Identification，射频识别技术）、GPS（Global Positioning System，全球定位系统）定位技术、温湿度传感器、摄像机等对农产品进行温湿度、位置等多维数据的实时采集。

数据层可以存储冷链物流全流程环节的信息。为了方便管理和维护，解决区块链庞大的数据问题以及安全问题，数据层分为IPFS（InterPlanetary File System，星际文件系统）和Hyperledger Fabric数据库。星际文件系统用来存放物联网采集的数据，Hyperledger Fabric数据库用来存储数据的哈希值。

网络层主要目的是实现区块链网络中节点之间的信息交流和传递。网络层包括P2P（点对点）组网机制、数据传播机制和数据验证机制，因此区块链本质上是一个P2P 网络，通过网络层的P2P 传播到其它节点上，节点再验证交易的有效性，从而存储交易信息。每一个节点既可以生产数据，也可以接受数据，节点之间通过维护一个共同的区块链结构来保持通信。

核心层主要包括智能合约和共识机制。当追溯系统中的某个阶段的操作完成时，系统中的智能合约会自动比对结果，如果满足合约中设置的条件，就会自动启动并执行合约进入到下一流程，如果与合约不符合，则拒绝执行。共识机制是各节点采用实用拜占庭容错算法（practical byzantine fault tolerance，PBFT)验证区块信息，达成追溯主体之间追溯数据的一致性，增强参与主体和追溯主体对系统的信任度。

应用层是农产品冷链物流追溯系统功能实现的入口，负责冷链物流供应链包括农产品生产商、加工商、仓储商、物流商、销售商、消费者以及政府有关部门等所有参与成员的交互。参与人员可以在系统中进行注册登录、数据上链、数据查询、数据分析以及风险预警等操作。

用户层主要面向现实中使用系统的政府相关部门、冷链物流相关企业以及消费者等组织或者个体。系统管理员为不同的用户提供不同的功能界面和操作权限，不同的用户可根据功能角色需求与系统进行相应的交互。

5.3 “IPFS+区块链”的数据存储机制设计

由于农产品冷链物流涉及环节较多，数据量十分庞大且复杂，如果把各环节的数据全部存储在区块链上会出现成本高、负担大、效率低等问题。同时随着节点数目的增加，区块链上的数据链呈指数形式的累积，运行和查询效率逐渐降低，甚至出现瘫痪状态。因此，本文在结合农产品冷链物流现有业务情景和区块链上数据存储存在的不足，对现有区块链数据存储进行改进，构建基于区块链和IPFS 的双模存储机制。首先利用IPFS 的不可逆原理，存储物联网采集的数据，初步保障数据安全，其次再将转化后的数据哈希值存入区块链中，其存储机制如图4所示。

图4 数据存储机制Fig.4 Data storage mechanism

在存取数据中，可以分为链下存储和链上存储两个阶段。在链下存储阶段，由组织节点发起事务，提交农产品的生产、加工、仓储、物流以及销售数据给存储节点，然后存储节点验证组织节点的身份，如果正确，上传数据至IPFS，生成对应数据信息的哈希值，最后返回信息的哈希值给组织节点。

链上存储阶段，组织节点在得到哈希值后，向提交节点发送验证身份请求，如果正确，提交哈希值到区块链网络节点中。提交节点根据哈希值创建交易生成本地区块，通过P2P 网络向全网的所有节点进行广播。最后其他提交节点收到广播后，验证交易的合法性，如果验证成功，在全网达成共识，那么区块将会存储到区块链上。

5.4 系统流程分析

图5 展示了农产品冷链物流追溯系统中各参与主体上传数据和农产品追溯的系统流程。本文将对农产品数据从采集到区块链达成共识上链，追溯主体通过系统进行查询追溯以及政府监管的过程进行说明。

图5 农产品冷链物流追溯系统流程图Fig.5 Flow chart of agricultural products cold chain logistics traceability system

首先农产品冷链物流环节的各参与主体注册登录系统平台，进行企业信息主体备案。然后将通过人工方式和物联网设备获取的生产、加工、仓储、物流、以及销售信息数据加密存储在IPFS 数据库中，由IPFS 返回数据哈希值并上传存储至区块链上。最后消费者可以通过扫码等方式查询该农产品的追溯信息，系统根据查询接口提交溯源请求，返回溯源结果。此外，为了保证系统中上传信息的真实性，所有参与企业和的行为都在政府相关部门监督管理下，因此当区块链上的数据被恶意篡改时，数据对应的哈希值也会随之改变，政府监管部门可以通过对比数据的哈希值找到被篡改的数据，并且将监管信息定期上传至区块链。

5.5 系统功能模块设计

根据上面对追溯系统的需要、架构以及流程分析，追溯系统的设计主要目的是为了实现农产品冷链物流各个环节信息的追溯功能，农产品冷链物流追溯系统能够覆盖冷链物流的生产、加工、仓储、物流、销售、追溯以及监管所有环节以及各个对象，实现物流自动化跟踪。按照各环节的各自需求设计满足要求的业务功能模块，面向政府、企业以及消费者三个主体分别进行不同端口的功能模块设计。不同端口的业务功能模块设计如图6所示。

图6 农产品冷链物流追溯系统功能模块图Fig.6 Module diagram of agricultural products cold chain logistics traceability system

政府端：政府端主要是政府监管部门对农产品冷链物流流通过程中涉及到的企业进行监督管理，贯穿在农产品冷链物流的全流程中。监管部门对相关企业进行资格认证，并将其终端作为节点加入联盟链中，同时上传监管信息；并根据农产品的生产、加工、仓储、物流，实现农产品从“农田到餐桌”的正向追踪和反向溯源。各环节节点若因失误造成录入信息有误，可填写信息变更申请并提交监管部门，监管部门提供信息变更服务。此外，当收到消费者投诉信息时，政府可以通过对比数据哈希值追踪查验出现问题的供应链环节和主体，且对具有危害身体健康的食品，监管部门拥有食品召回功能。

企业端：企业端涉及的企业主要有生产商、加工商、仓储商、物流商、销售商等等。企业注册时需要上传企业名、营业执照和企业地址等重要信息，政府在收到企业上传的注册信息之后会对该企业进行调查，确认该企业符合相关规定之后企业才能加入区块链追溯系统。在获得相应的权限后，各个企业可以将通过智能设备进行采集和管理的产品质量信息、环境温湿度等信息、农产品流通中的信息进行录入以及交易信息备案。同时，当企业发现上传信息有错误的时候，企业可以向政府有关部门申请并提交信息变更。

消费者端：消费者端口主要是消费者在购买农产品时，可以通过扫描产品包装上的二维码或者在指定的网址输入该产品的溯源码来查询农产品冷链物流中全环节的信息，比如产品的名称、生产日期、产地、规格型号、等级、成份含量、产品合格证等自身属性信息以及生产商、加工商、仓储商、物流商、销售商的名称、地址、联系方式等企业信息。此外，当消费者购买到存在质量安全问题的农产品时，还可以通过这个模块向政府有关部门进行投诉举报，根据消费者的投诉信息，有关部门可以通过追溯系统快速追踪到有问题的农产品，查明原因并对其进行问责处理，必要时及时进行召回，最大程度上减少问题农产品的市场流入，保障消费者的食品安全。

6 结论

区块链技术去中心化、开放性、防篡改性、匿名性以及可追溯性等特性为解决传统农产品冷链物流追溯系统存在的问题提供了一个新的可行的方法和思路。本文系统的梳理了中国农产品冷链物流发展现状以及疫情下现有农产品冷链物流追溯面临的挑战，充分发挥区块链技术在农产品冷链物流追溯中的优势，分别从系统需求分析、系统架构设计、存储机制、系统流程、以及功能模块设计五个方面构建了基于区块链技术的农产品冷链物流追溯系统。该系统减少了农产品冷链物流过程中的信息不对称问题，提高追溯信息的安全性和真实性、明确责任主体，源头遏制假货，提高消费者的安全感，营造一个可信的追溯环境，实现政府、企业以及消费者多方共赢。