基于5G-IoT和区块链的乳制品供应链安全监测研究

郑琼华

（浙江纺织服装职业技术学院，浙江宁波 315211）

乳制品营养丰富的同时鲜活易腐，易产生质量问题，乳制品供应链包括养殖、鲜奶供应、生产、加工、配送、物流、分销、零售等多个环节，涉及的成员众多、信息来源广泛复杂，质量安全风险因素较多。在供应和产出环节，奶牛品种、养殖环境、养殖方式、饲养规范、挤奶设备和消毒规范等对原奶的质量具有极大影响。在生产加工环节，机器设备性能、人员操作规范、生产管理等影响着乳制品成品质量；在仓储和配送环节，仓储配送的温度、湿度、运输设备的性能、存储条件和运输时长等也会对乳品质量安全产生很大的影响；在分销和销售环节，销售环境、人员素质、消费者的消费习惯则对乳制品供应链末端的质量产生影响。乳制品供应链各个环节的信息追溯和安全监控都对乳品的质量安全至关重要。因此，供应链的全部节点都需要信息实时共享、实时追溯、实时监管。

1 乳品供应链安全监测的背景及意义

1.1 生活水平的提高促进了乳制品消费量创新高

随着生活水平的提高，消费者对健康绿色的商品日渐推崇。乳制品具有丰富的营养，近年来消费量得到极大的增长。行业数据显示，2021年全国乳制品产量为3 031.7万t，同比增长9.4%，预计2022年我国乳制品企业数量将达599家。为推动我国牛奶行业的快速平稳发展，完善我国牛奶产业链，国家加强了对牛奶质量的监督管理。近年来，我国乳制品人均消费量有了很大的提升，但与世界平均水平还有一些差距，随着乳制品消费意识的崛起，乳制品市场发展空间大，预计2022年将进一步增长至7 107亿元。

1.2 消费升级环境下，消费者更关注乳制品的质量安全

近年来，人均GDP不断提高和消费升级的环境下，消费者越来越关注乳制品的品牌和质量安全。但2008年以来出现的乳制品安全事件，导致消费者对国内乳制品的购买信心受到影响，政府监管部门、行业相关部门、乳制品企业也加大了对乳制品质量安全的监督和控制。

1.3 增强乳制品消费信心的需要

基于乳制品的巨大需求和多次出现的乳品质量安全问题的矛盾，消费者对国产乳制品缺乏信心，进口乳制品受到国内消费者的追捧。国内乳制品生产商面临着市场巨大和消费者消费信心不足的矛盾，成为乳制品质量安全的乳品企业急需解决的首要和关键问题。对乳制品供应链进行溯源和全程安全监测，将供应链的每一个节点的信息特别是影响质量安全的关键信息进行追溯和信息公开、共享，可使供应链的参与者和消费者查询和监督原奶供应、生产加工、物流配送、分销销售以及消费过程中的详细信息，强化消费者对国内乳制品消费的信心。

2 乳制品供应链中影响质量安全的因素

乳制品供应链围绕核心生产企业的上下游进行，从产出源头到消费终端，包括了奶牛养殖、原奶供应、乳制品生产加工、包装储存、销售和消费等环节，是一个涉及面广、影响因素众多的链条[1]。乳品供应链中影响质量安全的因素见图1。由于影响乳制品质量安全的因素广泛，供应链参与节点多且乳品具有易腐的特点，要实现对乳制品的安全监测，需实时监测从奶牛养殖到消费终端的全过程信息[2]。在供应链过程中实时监管，如发生乳品质量安全事件，即可通过信息溯源及时准确找到相应环节，采取及时有效的方法处理问题，明确责任主体，采取召回等处理方式控制事态扩展。因此，对乳制品供应链的溯源和质量安全的监测是目前管理乳制品质量安全问题的有效方法之一。

图1 乳品供应链中影响质量安全的因素

在原料乳供应环节，影响乳品质量和安全的因素包括奶牛品种、饲养条件、挤乳环节的设备和卫生条件、原料储存输送以及人为操作的风险。在乳制品加工环节，影响乳品质量和安全的因素包括加工工艺、消毒清洗规范、生产设备、加工环境条件和生产加工监测的技术等。在运输存储环节，运奶车的管理、运输时长、存储时长、温度、湿度以及残次品处理的程序和制度都会影响乳品质量。在销售环节，乳品的保质期、销售环境卫生、销售人员的操作规范等会影响乳品质量安全。在消费环节，消费者的饮奶习惯、乳品是否在保质期内、消费者的消费安全意识、乳品储存方法等影响着乳品供应链最后一个环节的质量安全[3]。

3 5G技术赋能基于IoT的乳制品供应链

目前，乳品供应链多通过物联网（Internet of Things，IoT）来实现乳品的信息追溯、位置跟踪和监督流通过程。在一定程度上可以实现对乳品的追溯和安全监督，但IoT技术存在一些技术上的劣势，如数据存储容量不足、数据传输效率低、中心化系统数据安全性低和多主体信息共享难实现等问题[4]。

5G赋能物联网能有效解决物联网在供应链追溯和监管上的不足，5G技术是通信领域的一场革命，也是供应链改革的重要机遇。5G具备数据传输速率高、系统容量大、数据延迟少和容纳大规模设备接入的特点，为乳品供应链大量传感数据的实时传输提供了技术支持。因此，将5G技术应用于IoT系统，能实现信息的高效实时传输，容纳供应链各节点实时接入和大量数据和信息的传输、存储。

4 区块链赋能乳制品供应链安全监测的原理

区块链技术的奠基者是一位化名为“中本聪”的学者，2008年，他发表的论文《比特币：一种点对点电子现金系统》阐述了区块链的核心技术，论文中详细描述了如何创建一套去中心化的电子交易体系，且这种体系不需要创建在交易双方相互信任的基础上。

乳制品供应链的追溯和监管要求供应链各成员间信息公开，各节点的关键信息可追溯，信息上传后就不能更改。区块链的核心技术是分布式账本、智能合约、加密和时间戳等，这些技术使区块链具有去中心化、可追溯、防篡改等特点，这与乳制品供应链的需求基本契合[5]。区块链应用于乳制品供应链，可实现供应链各节点信息的实时自动更新，供应链成员的信息完全公开透明，在溯源和安全监测方面的效率较高，降低了管理成本，帮助建立一个安全性高、信任度高、信息共享和对称、信息防泄露的供应链体系。

4.1 区块链去中心化的技术加强原料乳供应环节质量监测

区块链技术具有去中心化、防篡改、去信任、可追溯、公开透明和安全性高等特点，整合了密码学、计算机科学等学科的相关技术，有利于成员间形成安全、透明、共享的信任体系。乳制品供应链各节点不能修改任何已上传的信息，从而保障了乳制品信息溯源的真实性，为安全监测乳制品供应链提供了保障[6]。

去中心化的区块链网络体系可实时监测生鲜乳供应环节的信息，如奶牛品种、饲料药物残留情况、动物防疫信息、饲养区环境卫生状况和挤乳消毒情况等信息，有助于建立牢固的质量安全追溯网络和安全监测机制，从源头上对乳制品的质量安全进行监管。大大提升了乳制品供应链各节点信息的公开度和透明度，使得安全监管效率得到极大的提升。因为信息的实时共享和可追溯，供应链各环节为提高企业的竞争力和可持续性发展，必然会对管理规范进行完善，促进了乳品产业的结构化升级。

4.2 区块链的公私钥技术有利于加强对乳制品生产加工环节的质量安全监控

区块链的公私钥技术有利于乳制品加工企业实时监测生鲜奶供应的质量信息，实现信息的公开透明，从源头上保证原奶质量安全。乳制品生产企业和鲜奶供应商独立拥有专用私钥和私钥密码，区块链共识机制中的工作量证明机制对修改数据信息具有严格的要求，即通过共享的公钥如需修改信息，需要计算全网51%节点的私钥，因此篡改信息很难实现。对于乳制品生产企业来说，公钥用于查询与生鲜乳质量相关的供应信息，私钥用于将生产加工过程中的设备型号、操作流程、操作人员和操作规范等信息以文字、图片、视频等方式上传至区块链。公钥和私钥的应用，能实时监督奶源的质量，督促生产加工企业加强生产加工管理规范，加强对生产设备的卫生、消毒杀菌工作，加强人员管理和工作环境管理，通过生产加工企业各环节的控制，保障乳制品质量安全。

4.3 区块链的数字签名技术能有效确保乳制品运输储存环节的衔接

在乳品运输环节，数字签名技术能有效确保运输与储存环节的衔接。物流运输中的车辆根据区块链的要求需要做数字签名并储存到公有链上，包括车辆的各种信息如车辆型号、车牌号码、车内温度湿度和运输的产品信息等。在储存到公有链的同时，以私有链的形式将数字签名信息发送到对应的下一个环节即仓储企业。仓储企业收到数字签名后，可以迅速回应，将空余的仓位信息形成代码发回至物流运输企业。通过数字签名技术建立的物流信息共享平台，能有效实现供应链各节点之间的信息共享、网络互信、迅速响应，运输商和仓储商可有效匹配货源、车源、仓位，仓储商、分销商、零售商可以实现实时送货，减少分销商和零售商的库存空间、降低库存成本。

5 基于5G-IoT和区块链的乳品供应链安全监测模型

业务层各节点的基础数据信息，如养殖商、生产商、运输商、配送商、分销商、零售商和消费者的信息通过超高传输速率、超低延迟的5G网络，分别传输给物联网层的各对应的供应链成员，这个层次通过5G、IoT、射频技术（Radio Frequency Identification，RFID）、云计算和大数据等的技术支持，详细记录和分析各供应链成员的信息。联盟链层主要提供防篡改、可共享、可追溯的供应链各节点信息。对拥有公钥和私钥的乳制品供应链各参与主体来说，区块链的数据信息是公开透明的，安全监管部门也可以对这些数据进行溯源和监管。同时，数字签名技术能有效保障企业的信息不泄露，保护供应链参与企业的利益。5G-IoT和区块链的乳品安全监测模型见图2。

图2 5G-IoT和区块链的乳品安全监测模型

消费者在进行乳品消费时，利用手机或电脑客户端，凭借溯源码或电子标签等访问查询乳品的养殖环境、质检信息、包装材料、添加剂成分和运输过程等信息，如果发现信息异常，可向质量监管部门投诉。乳品安全监管部门在区块链中拥有最高访问权限，可通过私钥接入乳制品溯源区块链，在日常监测中，可以抽检相关信息，也可以自动监控各节点与质量安全相关的关键信息。如发生乳制品质量安全问题，可迅速溯源问题发生的环节，遏制事态发展，并迅速对相关企业进行查办和问责、处理。

6 基于5G-IoT和区块链的乳制品供应链质量安全监测的优势

基于5G-IoT和区块链技术的乳制品安全监测可以有效解决传统乳制品供应链溯源和安全监测中的问题。5G网络高速率、低延迟、接入广的特点有助于实现数据的实时与精准传输。IoT系统中的智能传感器有利于迅速、实时、准确地采集供应链各节点的信息。以区块链技术为基础建立的安全监测平台为信息的不可篡改和可控性提供了保障。

6.1 有利于实时收集供应链各节点信息

供应链的安全监测始于养殖环节，奶牛的养殖情况、防疫措施等信息通过电子标签或溯源码等技术进行电子存档，供应链的其他参与者也会将涉及质量安全的其他关键信息打包存储到云端，作为溯源和监测的原始依据。为了防止篡改，各节点的关键信息会被提取并上传至区块链，加盖时间戳。通过5G、IoT、全球定位系统（Global Positioning System，GPS）等技术，各环节的状态信息将以文字、图像的形式上链，对应相应的溯源码、电子标签、耳标等身份标识，这样就能实现动态跟踪供应链各节点，发生质量问题时能迅速找到问题节点，并精准召回及处理。

6.2 有助于实时监控供应链各节点的操作规范

乳制品供应链安全监测平台可实时监控供应链的质量和安全信息，并及时处理。在对乳制品生产流程即鲜奶来源、原奶质量、生产和加工信息的追溯中，通过实时监控运输和储存信息，达到对乳制品供应链实时监控的目的，并上传至区块链。区块链中的记录信息将作为对供应链产品和运行过程进行质量安全监控的依据。

6.3 有利于规避供应链中的安全风险

如发现乳制品供应链某个环节出现问题，如饲料农药残留异常、运输车辆温度过高等，系统启动预警程序自动发出警报，并根据设定的程序对异常问题采取恰当的紧急措施。实时全面监控供应链各节点的生产和运营数据，从鲜奶产出到乳品生产加工环节，从运输、储存、配送到分销、销售环节。当存在质量安全的风险预警时，通过区块链就可以追溯查找相关的信息并及时处理。在消费环节，消费者能够通过手机或电脑终端查询乳制品供应链的相关质量和安全信息，这些信息在区块链中以文字、图像、视频等方式呈现，便于消费者快速查询和了解，增强消费者的消费信心，避免消费过程中出现的乳品质量安全风险。

7 结语

将5G-IoT应用于乳制品供应链中，可实时监督追踪乳品从源头的饲养到消费终端全过程的信息，并进行动态的监测，通过算法实现风险预警和应急处理。也可以打通供应链各节点的信息壁垒，实现快速高效的数据分析和流程对接。区块链技术通过智能合约、安全与链码服务等核心技术，使供应链全链路实现了网络互信、信息共享和防篡改。基于5G-IoT和区块链的乳制品溯源和安全监测平台，可实现对乳品供应链全节点的追溯和安全监管，方便质量供应链各节点参与主体、乳品质量监督部门、消费者对乳制品流程中不合规的信息进行监测，对乳制品质量安全起到保障作用。