區塊鏈技術在水產品質量安全可追溯中的應用設計探索

崔舒云, 程波, 于潤林, 穆迎春, 宋懌, 韓剛

(1.上海海洋大學，水產科學國家級實驗教學示范中心， 上海 201306； 2.中國水產科學研究院質量與標準研究中心， 農業農村部水產品質量安全控制重點實驗室， 北京 100141)

根據《2019中國漁業統計年鑒》顯示，中國現已成為世界上水產養殖規模最大、水產品消費市場容量最大的國家[1]。隨著社會經濟的快速發展和科技水平的不斷提高，人民的消費傾向逐漸由數量型轉變為質量型，食品的安全性更加受到關注。水產品的質量安全問題是食品安全問題的一部分，關系到人民群眾身體健康、社會和諧穩定，受到各方高度重視。多年來，中國在水產品質量安全管理方面做了大量探索和卓有成效的工作，水產品質量安全水平得到大幅提升。但由于中國漁業生產分散、流通環節復雜、水產品鮮活易腐及市場準入機制不健全等因素疊加，水產品質量安全事件仍屢有發生。水產品質量安全監管遇到了責任主體難以落實、質量安全信息無法準確查詢的瓶頸。另一方面，水產品質量信息不對稱容易造成消費者的恐懼心理，“個別事件”往往引發“集體懲罰效應”，從而使整個行業的發展遭受嚴重打擊。對此，中國自2006年起開始水產品質量安全可追溯體系研究與建設工作，以期實現對水產養殖產品生產、流通和加工等各個環節關鍵信息的全程跟蹤和監管。經過多年努力，廣東省和江蘇省等全國多個省市已經建立了示范性水產品質量安全追溯體系，中國水產科學研究院與全國水產技術推廣總站從國家層面，共同建立了“中央級水產品質量安全監管追溯平臺”。但因建設標準不統一，部分環節監管缺失，且存在追溯數據易被篡改等問題，影響了追溯體系的應用和推廣。

區塊鏈被譽為是國家工業互聯網的核心。區塊鏈技術采用去中心化結構和分布式存儲，具有數據不可篡改和實時共享等特性[2]，能夠降低市場監管成本和復雜程度以及交易風險，提高生產數據信息記錄的可信度，增加各環節監管透明度等[3]，可以有效解決水產品質量安全可追溯系統中可靠性問題。目前，區塊鏈技術的應用已延伸到數字金融、物聯網、智能制造、供應鏈管理、數字資產交易等多個領域，全球主要國家都在加快布局區塊鏈技術發展[4]。

本研究通過闡述中國水產品質量安全可追溯技術與實踐現狀，分析了區塊鏈應用于水產品追溯的技術可行性，并設計基于區塊鏈技術的水產品質量安全追溯技術體系總體構架，闡述了關鍵環節、關鍵技術的實現途徑，以期為構建基于區塊鏈的水產品質量安全追溯技術提供支持，實現可追溯技術在水產品質量安全監管、暢通信息渠道、引導消費者正確消費、建立消費者監督長效機制等方面真正發揮應有作用。

1 中國水產品質量安全可追溯技術研究與實踐歷程

1.1 啟動階段

自2000年以來，歐美等主要水產品進口國相繼發布關于水產品追溯的法規。2000年，歐盟委員會率先發布《歐盟食品安全白皮書》，形成完善的食品安全法律體系，明確了食品從農田到餐桌全過程所有相關者的責任[5]。2002年，進一步發布《一般食品法》，建立歐洲食品安全局，督促食品追溯體系的建設，明確規定了食品的可追溯制度[6]。同年，美國發布《公共安全和生物恐怖主義防備和反應法案》，要求對所有食品的生產、加工、分裝、運輸和銷售等環節進行嚴格的記錄保存，以實現食品的可追溯[7]。據2008年《國際商報》報道，泰國針對100個斑節對蝦(Penaeusmonodon)養殖場進行可追溯體系試驗，收集蝦苗親本及來源、飼料、疫苗和藥物等生產信息，建立電子信息數據庫，實現產品信息的追溯[8]。

中國水產品質量追溯體系的研究起步相對較晚[9]，直到2003年，原農業部才發布了《水產養殖質量安全管理規定》[10]，2004年，國家質檢總局正式執行《出境水產品追溯規程》[11]，要求出口水產品從生產到銷售的各個環節數據可追溯。按照國家法規要求，為提高中國水產品質量安全水平，推動水產品生產管理技術與國際接軌，中國水產科學研究院于2006年啟動了水產品質量安全可追溯體系研究。

1.2 主要技術研發階段

2006—2009年，通過研究和借鑒國內外產品可追溯體系的架構和核心內容，面向水產品監管、生產、流通和銷售等環節存在的主要問題和實際需求，提出了水產養殖產品可追溯體系的總體架構，集成運用計算機網絡與通訊技術、自動化檢測與識別技術、電子標簽技術等，開發了水產品追溯單元條形編碼規范和產品條形碼編碼生產技術、追溯信息分類分級技術、水產品生產主體身份識別數字化管理系統和水產品追溯專用標簽識別技術。開發了基于XML的數據傳輸技術、基于角色控制的權限分配技術、系統模塊化設計和多技術多模的有機集成技術。在此基礎上，開發了水產品生產和加工環節質量安全信息管理追溯系統、水產品流通環節質量安全管理和追溯系統、水產品質量安全監管查詢系統，并專門研發了移動水產養殖生產過程信息采集系統、手持式水產品流通監管設備等[12]。

1.3 應用示范階段

2009—2012年，在廣東省、江蘇省[13]和天津市[14]等省市開展前期研究成果的集成示范應用，建立了覆蓋養殖、加工、流通各環節和“省、地、市、縣”各層級的一批水產品質量安全監管平臺和生產經營追溯試點單位。結合各地各部門實際情況和特性需求，不斷完善和升級追溯系統，統計技術標準，理順運行流程，創新制度措施，初步達到了檢驗體系設計、提供建設模板、提升監管能力的多重效果。

2012年，在前期試點基礎上，中國水產科學研究院與全國水產技術推廣總站共同啟動“中央級水產品質量安全監管追溯平臺建設和示范”工作，完成了監管追溯平臺的頂層設計、中層布局和低層架構，建設了覆蓋“中央-省-地市縣-企業”各級的監管追溯體系[15]。至此，追溯體系在水產行業的示范應用上升到國家級別，全國范圍內的監管和生產單位納入統一追溯體系成為可能。截至2019年底，已建立覆蓋“中央-省-地市縣-企業”的追溯體系，包括國家級平臺1個、省級平臺21個、市縣級平臺194個、追溯企業終端2 239個，養殖IC卡用戶13 000余家。

1.4 存在的主要問題

盡管前期研究和實踐工作中取得較大成效，但在追溯技術上，由于生產企業的多元化、養殖產品的多樣化及以鮮活產品為主要消費形式等因素，溯源系統的研發和推廣仍然存在標識技術受到制約、各方追溯平臺、追溯體系缺乏統一標準規范，兼容和協調性差等問題。更為突出的是，因追溯技術缺乏創新，導致追溯鏈條上信息造假、數據篡改等問題突出，嚴重影響了追溯效果和本應發揮的作用。

2 區塊鏈應用于水產品質量安全可追溯的可行性

區塊鏈(Blockchain)的概念始于2008年中本聰發表在《比特幣：一種點對點式的電子現金系統》[16]一文中。該技術是采用分布式存儲結構，沒有中心部署，數據信息核驗成功后存儲至區塊鏈系統后，通過分布式節點永久保存，單個節點的數據修改不會改變原有數據。利用共識機制算法的約束條件，如果需要更改信息，需要通過對供應鏈上超過51%的節點數據同時修改才能進行操作[17]。如果供應鏈中的某一節點篡改或偽造了信息(交易)，因分布在網絡上的其他節點的數據副本并未發生更改，由此可輕易識別出哪個節點篡改或偽造了信息(交易)[18]?；谏鲜鲈砗图夹g特點，信息數據難以被篡改，能夠確保產品質量信息存儲在區塊鏈中的真實性和可靠性。同時，區塊鏈技術在網絡上建立共享的“公共賬本”，將供應鏈上各個節點所發生的信息根據時間軸生成鏈式區塊后形成共享鏈條，所有網絡成員都能夠通過共享賬本實時追蹤產品的信息[17]。區塊鏈各節點間以一套公開透明的數學算法建立數據交換，程序會自動判定交易的合法性。整個交易過程雙方完全可在匿名的環境下進行，不必擔心因未曾建立傳統信任關系而造成不良后果，既保證交易的可靠性和安全性，也保護雙方的隱私[19]。

近年，區塊鏈的研究熱度持續升高，現已被應用于多個領域。一是在食品方面，2017年12月14日，沃爾瑪、京東、國際商業機器公司(IBM)和清華大學電子商務交易技術國家工程實驗室共同宣布成立中國首個安全食品區塊鏈溯源聯盟，目的是通過區塊鏈技術進一步加強食品的可追溯性和安全性，提升中國食品供應鏈的透明度，保障消費者食品安全的權益[20]。二是在金融方面，2015年4月，瑞士聯合銀行(UBS)在倫敦開設區塊鏈實驗室，開始研究如何在金融業務中利用區塊鏈技術。2016年，招商銀行實施“招行直聯支付區塊鏈平臺”，通過PoC驗證測試，解決了區塊鏈技術在金融領域應用落地的一系列問題。2017年3月，加拿大豐業銀行利用區塊鏈公司AlphaPoint的平臺完成其區塊鏈項目的概念測試，同年，中國工商銀行申請金融資產交易系統區塊鏈專利，中國農業銀行運用底層區塊鏈技術推出了“e鏈貸”等服務[21]。三是在信息方面，2015—2016年，微軟、IBM、亞馬遜等云服務商分別推出BaaS(Blockchain as a Service，區塊鏈即服務)的服務，百度、騰訊、阿里云、京東等國內企業也相繼發布了BaaS平臺，發展區塊鏈服務。同時，各大運營商也發揮云網協同優勢，為區塊鏈提供基礎網絡服務，及強大的計算和存儲服務，發揮渠道生態優勢[22]。四是在物流方面，為解決中小企業難以從銀行等金融機構獲取資金的情況下，物流金融作為一種物流與金融服務相結合的融資方式應運而生?；趨^塊鏈的物流金融執行平臺(BcLFEP)作為解決方案，以方便電子商務零售的物流金融執行[23]。上述工作一方面說明了區塊鏈技術的戰略重要性，同時也表明這一新興技術經過多方努力，已經具備了一定的應用基礎，為水產品質量安全可追溯應用奠定了較好的技術基礎。

3 區塊鏈在水產品質量安全可追溯中的應用設計

3.1 設計思路

利用區塊鏈技術的去中心化、分布式存儲和可實時共享等特點，結合水產品供應鏈中養殖、加工、流通、檢測和銷售等環節，建立區塊鏈系統的構架，主要包括：數據層、網絡層、共識層和應用層，其中數據層主要儲存水產品供應鏈每個節點驗證成功的底層區塊數據、時間戳和相關的加密數據等內容，可保證信息的安全和隱私；網絡層負責構建水產品的生產、運輸和銷售過程中組網機制、數據傳播機制以及數據驗證機制，滿足去中心化的基礎；共識層建立網絡節點中的各種共識機制，保障分布式存儲和信息不可篡改的特性；應用層提供交互接口，消費者、監管部門和所有供應鏈的參與者都可以通過私鑰驗證水產品的產品信息，實現各節點間的信息實時共享。在加密技術、共識算法和物聯網技術的支撐下，實現水產品從池塘到餐桌的全過程可追溯監控。

3.2 追溯方案

為實現對水產品整個生命周期可追溯的目的，必須對其養殖、加工、運輸、銷售等各環節的信息進行全程記錄和監控，因此，構建基于區塊鏈技術的水產品追溯方案結構圖如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈的水產品質量安全追溯方案結構圖Fig.1 Structure chart of blockchain-based traceability scheme for aquatic product quality and safety

養殖環節(如圖2)：養殖公司在信息庫內全面準確錄入水產品苗種來源，投苗時間、苗種數量、苗種規格、用藥種類、用藥數量，捕撈時間、捕撈數量、捕撈規格、暫養時間和農獸藥殘留自檢等養殖生產過程有關數據，養殖過程實時監測并上傳養殖環境水質數據。依據農業農村部《食用農產品合格證管理辦法(試行)》制度，養殖公司等水產品生產經營者對所生產經營的水產品提供質量安全合格標識，并將產地水產品等監督抽查的信息也一并錄入，質量安全監管部門對上傳的信息進行審查，通過私鑰方式認證養殖環節是否合規。同時，對交易的水產品進行檢驗，并以私鑰方式簽名添加檢驗結果至區塊鏈存儲系統。

圖2 水產品養殖環節Fig.2 Aquaculture links of aquatic products

加工環節(如圖3)：加工公司使用官方認證的二維碼和條形碼，雙面保真。同時將加工過程中使用的添加劑成分、保存環境和水產品的質量特征及操作人員的信息寫入系統，形成帶有時間戳的區塊進行儲存。產品加工完成后，采用專業防拆外包裝進行包裝。包裝過程中，在系統中增加包裝材料、包裝時間、重量等數據信息。在此環節，食品檢驗部門參與審查并進行安全性認證。

圖3 水產品加工環節Fig.3 Processing links of aquatic products

物流環節：物流公司在水產品裝箱后貼箱碼，利用物聯網智能保溫箱，全路徑實時監控并上傳運輸過程中的溫度、位置和物流周轉時長、死亡率等信息數據。

銷售環節：錄入產品經過多次分銷商再轉入各個零售商的時間與地點等信息，在消費者購買產品后登錄用戶端可通過質量碼快速查詢水產品各節點的信息(養殖信息、運輸信息和加工信息等)和記錄負責人，實現全產業鏈信息可視化，并對其質量進行評價和反饋，如存在產品質量問題，可通過區塊鏈分布式存儲結構跟蹤溯源并理賠。

監管環節：第三方監管部門對水產品全過程錄入信息的真實性進行檢驗和審核，通過識別各節點數據，對其進行風險評估和和風險管控(如圖4)。具體為：根據風險評估結果，提示是否需要進行危害處理。如果危害需要進行處理，則追溯到引起危害的節點，根據危害點的危害程度，將危害點調節到合理范圍內；如果危害不需要處理，則無需調節危害點。

圖4 監管部門風險評估與危害處理系統Fig.4 Risk assessment and hazard management system of supervision department

4 結論

本研究闡述了中國水產品質量安全可追溯體系研究與實踐的歷程和現狀，并基于現有產業追溯面臨的困境，結合區塊鏈技術自身優勢，進行了區塊鏈技術在水產品質量安全可追溯上的應用設計。該設計利用區塊鏈的分布式存儲管理，使數據信息可視化、透明化，使傳遞時效性提升，能夠有效解決水產品買賣糾紛、質量追查問責取證等問題。利用共識機制和去中心化，有效控制養殖、加工、運輸和銷售企業為了謀取私利而更改產品信息，產生虛假或不全信息導致的消費者信任危機等問題。隨著國家工業互聯網的建設和中國水產業現代化的發展，區塊鏈在水產品質量安全可追溯上的應用將會迅猛發展，水產品質量安全將會得到更加有效監督和管理。