基于双链区块链的冷链物流园区信息化平台构建研究

朱亦成 （南京财经大学 营销与物流管理学院，江苏 南京 210023）

0 引 言

《“十四五”冷链物流发展规划》[1]明确提出，在未来3到5年间我国将布局建设100个左右国家骨干冷链物流基地，推动形成国家层面的骨干冷链物流基础设施网络，支撑构建以国家骨干冷链物流基地为核心的三级冷链物流节点，助力打造“321”冷链物流运行体系。作为冷链物流的重要支撑，冷链物流园区成为各地投资建设的重点[2]，一批各具功能特色的冷链物流园区正在逐渐形成。同时，随着区块链技术的兴起，越来越多行业开始应用区块链技术，其去中心化、透明化、智能化等特点完美地契合了信息、数据、支付安全的需求。目前联盟链已作为基础性技术加入工业物联网系统中[3]。

区块链应用优化了冷链产业化路径和产业链交易方式，通过构建“供应链+区块链”与“区块链+区域化”生产交易方式，有效提升冷链供应链信息的真实性并强化主体间的信任[4]。对于处于高速发展期的冷链物流园区，通过区块链技术实现自我赋能，可以有效解决传统冷链物流行业普遍存在的低效率、高损耗及信用缺失等问题，助力冷链物流园区的高质量发展。

1 冷链物流园区的发展现状

近年来，我国冷链物流市场规模快速增长，国家骨干冷链物流基地、产地和销地冷链设施建设稳步推进。根据中国物流与采购联合会近日发布的《中国冷链物流发展报告（2022）》，2021年冷链物流市场规模突破4 586亿元，同比增长19.65%。其中，经初步测算，2021年我国食品冷链物流需求总量达3.02亿吨，比2020年增长3 727万吨，同比增长13.96%。10年间我国食品冷链物流需求总量的增幅超过300%，初步形成产地与销地衔接、运输与仓配一体、物流与产业融合的冷链物流服务体系。冷链物流设施的服务功能不断拓展，创新步伐明显加快。

冷链物流园区的真正意义是对现有冷链物流基础设施进行优化，对冷链产品供应链与产业链的上下游资源进行高度整合；引导产业要素聚集，实现大规模的精准供需匹配，真正实现利用供应链重构我国冷链产业链，增强我国产业的竞争力[5]。

展望“十四五”时期，随着国家政策的引导与落地，以及市场需求的持续提升，冷链物流行业依然保持蓬勃发展态势；大规模建设冷链物流园区的趋势也不会改变，园区类型和发展模式将更加多元化。

2 区块链技术与冷链物流园区信息化平台建设需求的耦合

区块链由各参与节点组成，通过共识机制和加密算法保证上链信息的真实性与可追溯性的分布式账本，具有去信任化、去中心化、开放性、可靠性等的特点。其可追溯性和智能化的功能不仅能够有效降低信息的不对称和交易风险，还能增强主体之间的信任。目前，区块链技术正在逐渐发展成为底层的平台技术，传统行业基于自身特性构建自身业务系统和商业体系。“物流+区块链”也成为热门研究领域，这为冷链物流园区的信息化管理提供了新思路：与区块链技术的结合能够促进公共服务结构和治理改革，基于区块链技术构建新型信息资源协同共享模式以解决当前公共服务中存在的基础信息共享问题[6]。

作为一种新型计算机技术，双链区块链涉及密码学、金融学、计算机等多学科，其本质是去中心化的数据库。双链区块链所具备的硬性技术赋能冷链物流园区信息化的软性需求具有天然的耦合性，其时间戳、去中心化、智能合约等技术特性可以有效解决现阶段信息共享面临的问题，进一步提升冷链物流园区信息共享效能。冷链物流园区信息共享的双链区块链赋能耦合机理如图1所示。

图1 冷链物流园区信息共享的双链区块链赋能耦合机理

3 基于双链区块链技术的冷链物流园区信息化平台设计与构建方案

3.1 平台体系结构

针对目前冷链物流园区建设中存在的诸多问题，本文提出基于双链区块链的冷链物流园区信息化平台，主要包含数据存储层、网络共识层、智能合约层和服务应用层。其中，数据存储层主要提供联盟链加私有链的数据存储功能，用以保护链上主体的敏感数据及缓解数据存储压力；网络共识层适用于高可信度联盟链、私有链的使用拜占庭容错算法；智能合约层通过在联盟共享链、存储私有链中引入智能合约，由此提高信息共享速率与交易可靠性；服务应用层作为最终信息开放平台，经系统授权向用户开放，并通过设置管理节点对数据信息进行管理以增加信息共享模型的实用性。基于双链区块链的冷链物流园区信息化平台的整体架构如图2所示。

图2 基于双链区块链的冷链物流园区信息化平台架构

3.1.1 数据存储层

对于园区内的各个主体来说，自身的交易记录、资金状况等数据是需要保密的敏感信息；而区块链系统区别于企业自建的数据库与中心化数据库，是高度开放的信息系统。因此，将交易记录等原始数据存放至区块链系统需要对节点进行可靠的数据保护。在保护节点私密信息的基础上，系统还需要实现跨节点的数据交互、职能部门的监督管理等功能，需要额外在数据保护的基础上构建数据访问控制机制。所以系统的数据存储架构分为私有链和联盟链，主体包括冷链产品供应商、冷链物流企业、工商企业、消费者及政府部门等。各主体中的冷链物流信息均存储于私有链中，利用各自拥有的私钥对信息进行签名，并通过哈希算法生成信息相应位置的hash值和相应摘要信息，最终按照生成的时间顺序排列形成共享信息联盟链。

此外，在双链存储模型中，私有链每生成两个区块将产生相应的位置hash值和摘要信息并打包存储在联盟链中，这样可将信息存储在私有链中、摘要信息和位置hash值存储在联盟链中，从而缓解信息共享面临的存储空间和吞吐量不足等问题。面对共享数据信息海量增加现象，将隐私保护交易效率高且成本低的私有链引入联盟链的数据存储层中，形成联盟链+私有链的双层存储结构，可在较大程度上缓解数据信息存储膨胀等问题。本文设计的双链区块链信息存储架构如图3所示。

图3 冷链物流园区运营数据双链存储架构

在双链信息存储架构下，作为用户数据的私有链，其主要功能是保护链上主体数据的完整性、真实性和隐私性，并保障数据的可追溯性，私有链是数据层的主要存储场所。所以本文在私有链数据存储中引入Merkle Tree存储结构，以实现对于节点私有链的敏感数据的快速归纳与存储、大规模检验与访问等功能，如图4所示。

图4 Merkle Tree 存储结构

Merkle Tree结构首先对区块主体的交易信息等内容进行哈希运算并得出名为hash值的计算结果，再将该结果插入该区块主体中；不断重复，最后得到的哈希结果就是本区块Merkle Tree的根，被封装在每个区块的头部。Merkle Tree结构下的每个区块只需要在头部封装Merkle Tree的根即可，无需存储大量底层数据，降低了数据读取与计算给系统带来的压力。同时每个区块内都保存了上一个区块的Hash值，能够快速验证区块数据的真实性和完整性。

3.1.2 网络共识层

在网络共识层方面，本文采用实用拜占庭容错算法（Practical Byzantine fault tolerance， PBFT）。冷链物流园区的建设普遍是由中央及各级地方政府主导的，建成之后也将在各类管理部门的监管下运营，所以冷链物流园区的信息化建设不可能实现完全去中心化。

一个支持PBFT的分布式系统中的节点是按照顺序排列的，其中一个节点是主节点，其他节点是次节点。但是同时PBFT中的主节点并没有很大权限，与普通节点的地位相对平等，如果主节点出现问题，普通节点可以拒绝其请求并很容易地将其替换。

PBFT中的节点与目前主流的工作量证明算法（Proof of Work，PoW）不同，无法随意加入，需要经过选择或许可，保障了冷链物流园区内部主体的真实性与可靠性。这样的节点准入机制也使系统节点相对固定，更加适用于网络环境可信度较高的联盟链与私有链。

3.1.3 智能合约层

智能合约层将智能合约技术引入信息共享过程，建立以智能合约为基础的农产品供应链信息共享方式，合约一旦生成且完成部署后，可通过执行状态触发智能合约自动执行，位于链上的任意节点都无权篡改、终止合约。智能合约进行可信交易无需第三方担保。为了自动执行点对点交易决策及安全校核，将点对点交易执行过程编写成智能合约，并部署在私有链和联盟链结合的区块链上。

3.1.4 服务应用层

服务应用层是以数据存储层、网络共识层、智能合约层为基础建立的共享平台节点服务接入端口，该层主要由管理节点、普通节点以及基于双链区块链的冷链物流园区运营信息Web应用端口组成。其中，Web应用端口向管理节点和普通节点开放，二者可以通过该端口实现数据查询、信息溯源等业务，信息需求方获取信息后也可凭借位置Hash值对信息进行溯源查询。Web应用端口的开放性会引发信息安全隐患。为解决这一问题，可引入普通节点与管理节点以规定节点的访问权限，只有授权成为节点的用户才可查询信息源的数据记录，未授权用户无法查询此类敏感信息。同时，所有信息共享都采用非对称加密技术，数据发送方利用数据请求方的公钥对共享信息进行加密，请求方的节点只有利用自己的私钥才能获得所需信息。此外，服务应用层还可以监控信息共享运行情况，并及时给予警告信息。

3.2 宏观控制机制

作为由政府主导建设的现代化物流基础设施，冷链物流园区的运营与管理不可能与政府的监督脱钩。在政府大力支持冷链物流发展的背景下，相关职能部门接入双链区块链系统，对园区内各类信息进行宏观控制，能够充分发挥政府的主导作用优势，确保区块链网络上链信息的真实性和可靠性，保证园区的高效、高质运营。所以在基于双链区块链技术的冷链物流园区信息化平台，除了物流企业、工商企业等园区内部主体之外，还需要将园区外部主体即政府监管部门、园区管理委员会等作为主节点加入区块链系统。宏观控制机制中以政府职能部门为主体的政府主导机制如图5所示。

图5 以政府为主体园区信息平台的宏观控制机制

首先，作为节点嵌入区块链中的政府职能部门能够在区块链中便捷地发布与冷链物流经营相关的制度、经营质量标准，以便园区内各主体在运营过程中及时获取最新相关政策，规范自身经营行为。

其次，园区内的各主体在区块链中上传各个环节产生的诸如冷链产品来源数据、制冷设备投入与使用量、加工材料等数据；这些数据不仅会在运营过程中公开、透明，还会接受职能部门的监管和上下游企业的监督，最终引导各主体在职能部门的宏观管控下合法、合规地开展业务。

再次，包括质检部门、税务部门等在内的职能部门在系统中对冷链物流园区的运营状况进行全方位监管，其监管行为与监管数据也会通过分布式存储系统上传至区块链中以供全体主体监督。冷链物流园区监管数据在不同的职能部门之间、职能部门与经营者之间的信息共享，促成各方相互监督。职能部门不仅是供应链运营的监督者，还会受到来自供应链的监督，最终规范各部门的监管行为。

最后，系统中设置的联盟链电子认证（Certification Authority，CA）证书颁发机构，通过节点准入机制实现对全链各节点的行为检测，对区块链中各节点进行资格审查，对园区运营过程中的各节点都进行认证。只有获得了CA证书的供应链节点可以被认定为信任主体，被嵌入区块链中，并将该主体的诚信信息记录到其所在区块中；而未通过审核的不合格节点将会被记录惩罚信息，累计达到一定数值将最终被监管部门逐出供应链系统。系统通过CA认证对节点进行审查，最终实现市场调节，激励各节点合规经营，从源头上保证了冷链物流园区的高质量发展。

4 冷链物流园区信息化平台模型运行分析

运用数据流程图能够抽象地描绘平台中各实体间数据的产生、传递、存储，从而对平台的运作逻辑有更加清晰的了解和认识，具体如图6所示。

图6 信息化平台运营数据流程图

双链区块链信息共享模型是以联盟链、私有链为基础的双链存储架构，结合非对称加密、网络共识以及智能合约等技术，实现信息在组织内部的高效、共享，其中私有链主要存储节点上传的信息、联盟链存储位置信息hash值和私有链摘要信息。平台内全部节点通过区块链形成利益和信息共享的共同体，任意一个节点出现问题，都会导致交易失败。基于大数据的智能匹配技术使物流运作中的节点之间实现精准对接，优化并解决信息不对称的问题。

首先，所有节点必须在身份验证通过后才能进入平台进行交易活动，交易过程中，对冷链物流有需求的用户将达到冷链标准的产品进行分类汇总后将数据导入园区的信息库中，并生成待加工订单发送给经平台大数据分析后最匹配的冷链物流企业，后者确认订单，生成订单信息后导入园区的订单管理系统。其次，在冷链物流企业作业期间，其需要持续上传产品位置、损耗数据、温控信息等数据，供货方在订单管理系统中实时查询。在冷链物流完成之后，智能合约将自动判定合约达成条件，对交易双方进行效率评价并按照奖励机制对其进行代币奖励。之后进入售后环节，货主方将服务评价信息录入售后服务系统，售后服务系统再将该数据与产品溯源信息、售后交易记录、交易数据等传导至与电子政务系统相连的综合服务信息系统中；在完成信任评估之后将由综合服务信息系统交由电子政务系统，复核后交由档案部门进行存档，将相关数据交由统计部门进行统计分析。

根据订单数据的分析结果，政府部门一方面可以对园区的订单管理系统进行干预，调节冷链物流的供需关系，避免出现供应链供需失衡问题；另一方面可以结合冷链物流订单的实际情况，根据市场反馈对已制定的法律法规进行精准调控，使其更符合冷链物流高质量发展的现实要求。

5 总结与展望

本研究分析了冷链物流园区信息共享的难题，基于双链区块链视角剖析了冷链物流园区信息共享的赋能机理，在此基础上提出基于双链区块链的冷链物流园区信息化平台模型及其运行机理。基于双链区块链的冷链物流园区信息化平台，能够有效满足当前日益增长的冷链物流信息服务需求，对解决现阶段冷链物流园区存在的诸多问题具有积极意义；这不仅有利于我国冷链物流产业的高质量发展，践行“十四五”冷链物流发展要求，还顺应了未来冷链物流行业的智能化发展潮流和缓解了区块链需要长期扩容的问题。需要指出的是，本研究仅仅是从理论层面对基于双链区块链的冷链物流园区信息化平台建设进行探讨，并未研究影响信息主体协同共享的具体因素，也缺乏通过一定的实际案例进行实证分析，拟在今后的研究中不断完善。