区块链赋能牛肉供应链可信追溯系统的构建

陈旭华, 潘星宇, 张文德, 刘丽英

(1. 福州大学信息管理研究所, 福建 福州 350108; 2. 福建省农产品质量安全检验检测中心, 福建 福州 350003)

0 引言

随着全球经济一体化的快速发展, 人民的生活方式和生活水平发生了巨大的变化. 与此同时, 食品安全事件频繁发生, 诸如禽流感、 瘦肉精、 大米镉超标等[1]. 建立从原材料、 生产加工、 仓储物流到市场流通的食品供应链溯源及监控体系, 成为迫切且值得研究的方向[2]. 现有的食品供应链安全溯源系统中, 追溯系统数据采集、 存储和维护大多是由核心企业负责, 因复杂的利益博弈关系, 极易造成系统结构中心化, 存在着数据易受篡改、 泄露和主体间信任问题[3]. 区块链是将加密算法、 共识机制、 分布式数据存储等计算机技术集成起来的一种新型应用模式[4]. 将区块链技术与溯源系统相结合, 通过共识机制、 分布式存储、 对等网络等技术手段将有效解决传统供应链的数据易篡改、 系统结构中心化及无法验证数据完整性等问题, 使得互不信任的各主体可通过区块链传递信息并获取信任[5-6]. 本研究将结合牛肉供应链的具体应用场景, 探索区块链赋能牛肉供应链可信追溯模式, 并搭建相应的溯源系统, 实现牛肉养殖、 销售、 溯源、 金融、 监管等多场景的信息实时跟踪, 以提升牛肉供应链的透明度及可信度.

1 基于区块链牛肉可信溯源模式

1.1 牛肉供应链的场景分析

牛肉的供应链主要由养殖、 屠宰、 物流、 销售4大环节组成[7]. 从信息追溯的角度, 可将信息记录划分为下述11环节: 牛只进入养殖场前的基本状况记录、 饲养情况记录、 牛只出养殖场状况记录、 牛只活体运输记录、 检疫信息记录、 屠宰信息记录、 排酸信息记录、 包装信息记录、 牛肉制品冷链运输记录、 仓储信息记录及销售信息记录. 在牛只还未被屠宰时, 其流程信息可以通过牛耳标进行记录; 在牛只被屠宰加工后, 信息记录则通过由牛只编号和包装号所组成的唯一编号来实现.

1.2 基于区块链牛肉可信溯源模式设计

牛肉的供应链相关主体涵盖了养殖方、 加工方、 物流企业、 销售企业、 金融、 监管部门. 在可信溯源模式架构中(如图1所示), 可以通过数据信息将资金流、 牛肉商品流、 物流紧密整合在一起. 当相关主体通过智能合约完成交易, 系统将交易的内容信息记录在区块链中, 既保证了资金安全, 又使交易过程透明, 方便相关方的查询、 追踪和监管. 溯源模式中信息流的主要流程如下.

图1 基于区块链牛肉可信溯源模式的总体框架Fig.1 Overall framework of beef credible traceability model based on blockchain

步骤1养殖场节点信息采集. 牛只养殖过程的关键信息会通过智能设备如RFID采集后自动上传, 该记录将会流入养殖场的区块链节点及由消保局维护的数据库. 养殖场节点利用SHA256算法获取上述记录的摘要, 并由独立维护的养殖场商的节点向区块链传送摘要, 经共识机制验证后, 将该信息摘要写入区块, 成功后将可以得到一个返回值, 即区块链中一项交易的唯一哈希值, 该哈希值将存入由消保局维护的数据库, 作为检索区块链中数据的索引.

步骤2屠宰场节点信息采集. 屠宰加工过程中的屠宰场信息、 检疫信息、 屠宰信息等关键信息将由屠宰场录入数据库, 利用SHA256算法获取上述记录的摘要, 传送并记录至区块链, 并将哈希值存入数据库中.

步骤3物流公司节点、 销售公司节点信息采集. 同理, 物流、 销售过程中的关键信息记录将由物流公司、 销售公司录入数据库, 并将哈希值存入数据库中.

步骤4发起交易. 供应链上交易发起方将交易合同传送至智能合约, 资金款打入监管账户中, 由智能合约验证交易合同并核实货款, 核验通过后将交易信息传送给相应交易主体.

步骤5全链监督. 在整个区块链流程中, 消保局和食品监督局将起到监督作用, 其监督方式是参与区块链系统的维护, 与牛肉供应链相关的各环节共同完成共识过程, 并在本地数据库上同步区块链数据. 在区块链追溯体系中, 任何的篡改都是不被承认的, 这保证了数据的不可篡改性. 人工进行数据录入的过程中, 若工作失误导致信息录入错误, 所在节点管理员可向食品监督管理局发出数据变更申请, 该局将负责审查该申请. 如果申请理由正当, 则批准该申请, 并将其作为一个备注信息存储在数据库中, 申请信息将通过SHA256算法以获取摘要, 并由食品监督管理局维护的区块链节点向区块链发送摘要信息; 反之, 则驳回该申请.

步骤6交易确认. 在监督下各交易主体确认交易合同无误后, 按照交易的内容发货, 并将物流信息发送至智能合约和交易发起方. 这一过程中, 消保局和食品监督局可对交易过程进行监督, 以确保交易的真实性和合规性. 同时, 智能合约将记录交易的过程和信息, 以便于监督机构进行追溯和审核.

步骤7交易结束. 交易发起方在收到商品后, 将确认信息发送至智能合同, 通过智能合同的验证后, 将监管账户中的货款支付给交易主体. 在以上交易结束后, 智能合约将自动生成一个区块, 并存入至区块链中.

步骤8消费者溯源. 为了验证信息的完整性, 消费者可以将存储在区块链中的信息摘要与消保局数据库中经过同样的算法所取得记录的信息摘要进行对比, 如果两个数据都是一致的, 则表明数据在系统中没有任何变化, 数据是完整的. 反之, 则消费者可向监管部门提出异议, 由监管部门监督消保局进行后续跟进并予以答复. 通过上述信息追溯机制, 解决了前述的系统结构中心化、 数据易受篡改等问题.

2 基于区块链牛肉可信溯源系统的实现

2.1 系统架构

基于区块链的牛肉可信溯源系统架构如图2所示.

图2 基于区块链牛肉可信溯源系统的分层架构Fig.2 Layered architecture of beef trusted traceability system based on blockchain

底层为作业层, 主要是完成养殖、 屠宰加工、 包装、 运输、 销售等环节的数据采集; 作业层产生的数据将上传至数据层, 该层主要利用哈希算法、 Merkle树数据结构、 非对称加密技术等进行加密处理, 从而保证了区块链数据的不可篡改性[8]; 第三层是区块链服务平台层, 是该可信溯源系统的核心层, 通过对区块链功能模块与区块链底层技术的封装, 实现基础信息维护管理、 生产管理、 智能合约和溯源管理等模块的功能, 同时采用共识算法、 对等网络、 智能合约、 持久存储等底层技术, 确保了区块链溯源系统的安全性[9]; 第四层为业务和应用层, 主要是负责供应链上数据的收集、 存储、 处理、 分析和展示, 并利用溯源系统的接口, 通过网页或手机App, 为用户提供牛肉溯源服务; 第五层为表示层, 可根据用户的需要进行数据可视化, 满足用户的各种需求, 包含了Golang template等动态页面技术等; 最顶层用户层涵盖了整条供应链涉及的所有用户, 包括养殖方、 加工方、 物流公司、 消费者及监管部门.

1) 基础信息维护管理模块. 基础信息维护管理模块的功能包括: 牛肉供应链所涉及的养殖、 屠宰、 物流、 销售等环节人员的身份注册, 基础信息的录入及维护, 各环节的职权设置和管理等. 在注册时, 用户须使用真实身份, 如以个人身份证作为唯一编码, 系统将根据用户的身份授予对应的权利. 在基础信息维护时, 除共识节点外, 所有信息必须由区块链节点用户进行验证后, 才会存入数据库中. 一旦用户注册成功, 平台将与其有业务往来的企业设定为共识节点, 如果某个用户提交了企业的相关资料, 只需共识节点进行验证审核即可.

2) 生产管理模块. 生产管理模块主要面向系统管理员, 负责肉牛或牛肉制品的信息录入、 查询、 删除等方面的管理. 该模块还可根据肉牛在生产加工过程中的不同属性, 在区块链追溯体系中生成的唯一编号登记. 肉牛或牛肉制品的信息录入流程如图3所示. 录入接口有: 牛犊初始状态、 养殖、 牛只出场、 检疫、 屠宰、 排酸、 包装、 物流运输、 存储和销售等信息.

图3 信息录入流程图Fig.3 Information entry flow chart

肉牛或牛肉制品的信息查询主要面向消费者, 具体流程如图4所示. 消费者可以登录溯源平台, 输入牛肉制品外包装上的编号, 既可以准确地了解每一块牛肉制品养殖加工生产的全过程, 也可以使用区块链技术对其真实性进行验证, 既可以确保牛肉制品的溯源信息的完整性, 又可以避免厂商私自更改产品信息.

图4 信息查询流程图Fig.4 Information query flow chart

3) 智能合约管理模块. “智能合约”实质上是将传统的法律契约以计算机代码的方式记载于区块中, 主要包含响应条件集. 智能合约模块是区块链溯源系统的核心, 负责区块链中的权限管理, 数据存储及访问, 只有符合智能合约的响应条件集, 才可以对其进行操作[10]. 该模块主要是根据食品安全法规、 行业标准等, 编制了一套智能合约, 对拟上链数据进行实时检验, 实现对牛肉制品整个产业链的精确控制.

区块链网络中的智能合约主要包括牛肉制品生产信息的发布与查询. 平台会对智能合约的执行进行监控, 在满足响应要求时, 平台会根据预先设置的响应规则, 自动完成合约. 一旦发现异常, 平台将会立即通知监管部门, 让监管部门采取相应措施, 降低溯源风险.

4) 溯源管理模块. 溯源管理模块是基于区块链的牛肉可信溯源系统的核心模块之一, 主要负责对牛肉生产、 运输、 销售等环节中的信息进行收集、 存储、 处理和查询. 该模块支持消费者、 监管机构等方对牛肉的来源、 生产加工等信息进行查询和溯源, 以保证信息的真实性和可信度. 模块内的数据通过数据库及区块链两种方式进行存储, 其中数据库中的数据是由牛肉供应链溯源系统中的消保局负责维护; 区块链的数据维护由牛养殖场、 屠宰场、 物流公司、 销售公司、 食品监督管理局及消权保局共同负责.

2.2 系统实现

基于区块链牛肉可信溯源系统由前端网页、 数据库、 区块链3部分构成. 系统实现的环境配置如表1所示, 前端网页采用HTML+CSS+JavaScript, 数据库选用mysql, 并利用Hyperle-dger Fabric的开源框架为区块链网络底层架构. 系统的核心是BeefTraceability合约(如图5所示), 用于牛肉产品厂商信息的上链实现. 定义了一个名为Beef的结构体, 用于存储牛肉各阶段厂商信息, 并通过mapping将每个牛肉信息与其唯一ID关联起来的映射. 同时, 该合约还定义了一个addBeef公共函数, 用于向系统中添加新的牛肉信息, 并将其存储在beefs映射中, 使用beefCount作为唯一ID, 将通过Solidity的内置函数emit把新添加的牛肉信息上链, 并触发NewBeefAdded事件, 用于记录新添加的牛肉信息被上链的情况. 通过该智能合约, 可以实现新添加的牛肉厂商信息上链.

表1 系统配置环境表Tab.1 System configuration environment table

图5 BeefTraceability合约Fig.5 BeefTraceability contract

养殖场、 屠宰加工厂、 物流公司及销售公司登录系统后, 分别录入各阶段的关键信息, 并经共识机制确认后存入区块链中, 溯源系统将对各方节点进行数据同步. 消费者可根据区块链生成的唯一识别码对牛肉产品整个供应链信息进行溯源, 包括牛只原始信息、 养殖信息、 屠宰加工信息、 物流及销售信息等. 消费者溯源查询结果页面如图6所示.

图6 溯源查询结果页面Fig.6 Traceability query results page

在消费者输入产品编号后, 系统会自动展示该牛肉产品生成加工过程中的所有信息. 为了保证数据的安全性和一致性, 消费者可以通过点击“验证”按钮, 系统将使用hash算法进行重新运算. 若运算结果与原溯源码一致, 则验证通过, 说明数据未被篡改过, 消费者可以放心购买该产品. 若运算结果与原溯源码不一致, 则验证不通过(详见图7), 说明该产品信息可能遭受过篡改,消费者可通过系统内的投诉功能进行投诉, 监管部门根据审计, 可实时限制相关节点的链上操作权限, 以确保牛肉制品的质量和安全.

图7 信息验证不通过图Fig.7 Information verification failed graphic

3 结语

1) 本研究基于区块链技术构建牛肉供应链可信追溯模式, 养殖方、 加工方、 物流企业、 销售企业、 金融、 监管部门等相关主体构成了“区块链共同体”, 共同体中的每一个节点都可以验证上链, 保证区块链的安全性和信息的可溯源; 将监管机构纳入追溯管理运行的机制, 突破传统牛肉供应链上下游利益一致性, 提高消费者信任感; 通过数据信息流将资金流和牛肉商品流紧密整合在一起, 实现从牛肉养殖到销售的实时跟踪、 追溯和监管, 打造新型去中心化的可信追溯模式.

2) 利用HTML+CSS+JavaScript+mysql搭配Hyperledger Fabric技术实现了溯源系统并模拟使用. 模拟实验结果表明该溯源系统基本可以完成预期目标, 区块链的融入使得互不信任的各主体可通过区块链传递信息并获取信任, 降低传统追溯系统中心化程度; 通过比较用相同哈希算法处理后的数据库中读取的数据及区块链上的数据, 可以确定数据的完整性, 提高了整条牛肉供应链的透明度和可信度.