區塊鏈賦能牛肉供應鏈可信追溯系統的構建

陳旭華, 潘星宇, 張文德, 劉麗英

(1. 福州大學信息管理研究所, 福建 福州 350108; 2. 福建省農產品質量安全檢驗檢測中心, 福建 福州 350003)

0 引言

隨著全球經濟一體化的快速發展, 人民的生活方式和生活水平發生了巨大的變化. 與此同時, 食品安全事件頻繁發生, 諸如禽流感、 瘦肉精、 大米鎘超標等[1]. 建立從原材料、 生產加工、 倉儲物流到市場流通的食品供應鏈溯源及監控體系, 成為迫切且值得研究的方向[2]. 現有的食品供應鏈安全溯源系統中, 追溯系統數據采集、 存儲和維護大多是由核心企業負責, 因復雜的利益博弈關系, 極易造成系統結構中心化, 存在著數據易受篡改、 泄露和主體間信任問題[3]. 區塊鏈是將加密算法、 共識機制、 分布式數據存儲等計算機技術集成起來的一種新型應用模式[4]. 將區塊鏈技術與溯源系統相結合, 通過共識機制、 分布式存儲、 對等網絡等技術手段將有效解決傳統供應鏈的數據易篡改、 系統結構中心化及無法驗證數據完整性等問題, 使得互不信任的各主體可通過區塊鏈傳遞信息并獲取信任[5-6]. 本研究將結合牛肉供應鏈的具體應用場景, 探索區塊鏈賦能牛肉供應鏈可信追溯模式, 并搭建相應的溯源系統, 實現牛肉養殖、 銷售、 溯源、 金融、 監管等多場景的信息實時跟蹤, 以提升牛肉供應鏈的透明度及可信度.

1 基于區塊鏈牛肉可信溯源模式

1.1 牛肉供應鏈的場景分析

牛肉的供應鏈主要由養殖、 屠宰、 物流、 銷售4大環節組成[7]. 從信息追溯的角度, 可將信息記錄劃分為下述11環節: 牛只進入養殖場前的基本狀況記錄、 飼養情況記錄、 牛只出養殖場狀況記錄、 牛只活體運輸記錄、 檢疫信息記錄、 屠宰信息記錄、 排酸信息記錄、 包裝信息記錄、 牛肉制品冷鏈運輸記錄、 倉儲信息記錄及銷售信息記錄. 在牛只還未被屠宰時, 其流程信息可以通過牛耳標進行記錄; 在牛只被屠宰加工后, 信息記錄則通過由牛只編號和包裝號所組成的唯一編號來實現.

1.2 基于區塊鏈牛肉可信溯源模式設計

牛肉的供應鏈相關主體涵蓋了養殖方、 加工方、 物流企業、 銷售企業、 金融、 監管部門. 在可信溯源模式架構中(如圖1所示), 可以通過數據信息將資金流、 牛肉商品流、 物流緊密整合在一起. 當相關主體通過智能合約完成交易, 系統將交易的內容信息記錄在區塊鏈中, 既保證了資金安全, 又使交易過程透明, 方便相關方的查詢、 追蹤和監管. 溯源模式中信息流的主要流程如下.

圖1 基于區塊鏈牛肉可信溯源模式的總體框架Fig.1 Overall framework of beef credible traceability model based on blockchain

步驟1養殖場節點信息采集. 牛只養殖過程的關鍵信息會通過智能設備如RFID采集后自動上傳, 該記錄將會流入養殖場的區塊鏈節點及由消保局維護的數據庫. 養殖場節點利用SHA256算法獲取上述記錄的摘要, 并由獨立維護的養殖場商的節點向區塊鏈傳送摘要, 經共識機制驗證后, 將該信息摘要寫入區塊, 成功后將可以得到一個返回值, 即區塊鏈中一項交易的唯一哈希值, 該哈希值將存入由消保局維護的數據庫, 作為檢索區塊鏈中數據的索引.

步驟2屠宰場節點信息采集. 屠宰加工過程中的屠宰場信息、 檢疫信息、 屠宰信息等關鍵信息將由屠宰場錄入數據庫, 利用SHA256算法獲取上述記錄的摘要, 傳送并記錄至區塊鏈, 并將哈希值存入數據庫中.

步驟3物流公司節點、 銷售公司節點信息采集. 同理, 物流、 銷售過程中的關鍵信息記錄將由物流公司、 銷售公司錄入數據庫, 并將哈希值存入數據庫中.

步驟4發起交易. 供應鏈上交易發起方將交易合同傳送至智能合約, 資金款打入監管賬戶中, 由智能合約驗證交易合同并核實貨款, 核驗通過后將交易信息傳送給相應交易主體.

步驟5全鏈監督. 在整個區塊鏈流程中, 消保局和食品監督局將起到監督作用, 其監督方式是參與區塊鏈系統的維護, 與牛肉供應鏈相關的各環節共同完成共識過程, 并在本地數據庫上同步區塊鏈數據. 在區塊鏈追溯體系中, 任何的篡改都是不被承認的, 這保證了數據的不可篡改性. 人工進行數據錄入的過程中, 若工作失誤導致信息錄入錯誤, 所在節點管理員可向食品監督管理局發出數據變更申請, 該局將負責審查該申請. 如果申請理由正當, 則批準該申請, 并將其作為一個備注信息存儲在數據庫中, 申請信息將通過SHA256算法以獲取摘要, 并由食品監督管理局維護的區塊鏈節點向區塊鏈發送摘要信息; 反之, 則駁回該申請.

步驟6交易確認. 在監督下各交易主體確認交易合同無誤后, 按照交易的內容發貨, 并將物流信息發送至智能合約和交易發起方. 這一過程中, 消保局和食品監督局可對交易過程進行監督, 以確保交易的真實性和合規性. 同時, 智能合約將記錄交易的過程和信息, 以便于監督機構進行追溯和審核.

步驟7交易結束. 交易發起方在收到商品后, 將確認信息發送至智能合同, 通過智能合同的驗證后, 將監管賬戶中的貨款支付給交易主體. 在以上交易結束后, 智能合約將自動生成一個區塊, 并存入至區塊鏈中.

步驟8消費者溯源. 為了驗證信息的完整性, 消費者可以將存儲在區塊鏈中的信息摘要與消保局數據庫中經過同樣的算法所取得記錄的信息摘要進行對比, 如果兩個數據都是一致的, 則表明數據在系統中沒有任何變化, 數據是完整的. 反之, 則消費者可向監管部門提出異議, 由監管部門監督消保局進行后續跟進并予以答復. 通過上述信息追溯機制, 解決了前述的系統結構中心化、 數據易受篡改等問題.

2 基于區塊鏈牛肉可信溯源系統的實現

2.1 系統架構

基于區塊鏈的牛肉可信溯源系統架構如圖2所示.

圖2 基于區塊鏈牛肉可信溯源系統的分層架構Fig.2 Layered architecture of beef trusted traceability system based on blockchain

底層為作業層, 主要是完成養殖、 屠宰加工、 包裝、 運輸、 銷售等環節的數據采集; 作業層產生的數據將上傳至數據層, 該層主要利用哈希算法、 Merkle樹數據結構、 非對稱加密技術等進行加密處理, 從而保證了區塊鏈數據的不可篡改性[8]; 第三層是區塊鏈服務平臺層, 是該可信溯源系統的核心層, 通過對區塊鏈功能模塊與區塊鏈底層技術的封裝, 實現基礎信息維護管理、 生產管理、 智能合約和溯源管理等模塊的功能, 同時采用共識算法、 對等網絡、 智能合約、 持久存儲等底層技術, 確保了區塊鏈溯源系統的安全性[9]; 第四層為業務和應用層, 主要是負責供應鏈上數據的收集、 存儲、 處理、 分析和展示, 并利用溯源系統的接口, 通過網頁或手機App, 為用戶提供牛肉溯源服務; 第五層為表示層, 可根據用戶的需要進行數據可視化, 滿足用戶的各種需求, 包含了Golang template等動態頁面技術等; 最頂層用戶層涵蓋了整條供應鏈涉及的所有用戶, 包括養殖方、 加工方、 物流公司、 消費者及監管部門.

1) 基礎信息維護管理模塊. 基礎信息維護管理模塊的功能包括: 牛肉供應鏈所涉及的養殖、 屠宰、 物流、 銷售等環節人員的身份注冊, 基礎信息的錄入及維護, 各環節的職權設置和管理等. 在注冊時, 用戶須使用真實身份, 如以個人身份證作為唯一編碼, 系統將根據用戶的身份授予對應的權利. 在基礎信息維護時, 除共識節點外, 所有信息必須由區塊鏈節點用戶進行驗證后, 才會存入數據庫中. 一旦用戶注冊成功, 平臺將與其有業務往來的企業設定為共識節點, 如果某個用戶提交了企業的相關資料, 只需共識節點進行驗證審核即可.

2) 生產管理模塊. 生產管理模塊主要面向系統管理員, 負責肉?；蚺Ｈ庵破返男畔浫?、 查詢、 刪除等方面的管理. 該模塊還可根據肉牛在生產加工過程中的不同屬性, 在區塊鏈追溯體系中生成的唯一編號登記. 肉?；蚺Ｈ庵破返男畔浫肓鞒倘鐖D3所示. 錄入接口有: 牛犢初始狀態、 養殖、 牛只出場、 檢疫、 屠宰、 排酸、 包裝、 物流運輸、 存儲和銷售等信息.

圖3 信息錄入流程圖Fig.3 Information entry flow chart

肉?；蚺Ｈ庵破返男畔⒉樵冎饕嫦蛳M者, 具體流程如圖4所示. 消費者可以登錄溯源平臺, 輸入牛肉制品外包裝上的編號, 既可以準確地了解每一塊牛肉制品養殖加工生產的全過程, 也可以使用區塊鏈技術對其真實性進行驗證, 既可以確保牛肉制品的溯源信息的完整性, 又可以避免廠商私自更改產品信息.

圖4 信息查詢流程圖Fig.4 Information query flow chart

3) 智能合約管理模塊. “智能合約”實質上是將傳統的法律契約以計算機代碼的方式記載于區塊中, 主要包含響應條件集. 智能合約模塊是區塊鏈溯源系統的核心, 負責區塊鏈中的權限管理, 數據存儲及訪問, 只有符合智能合約的響應條件集, 才可以對其進行操作[10]. 該模塊主要是根據食品安全法規、 行業標準等, 編制了一套智能合約, 對擬上鏈數據進行實時檢驗, 實現對牛肉制品整個產業鏈的精確控制.

區塊鏈網絡中的智能合約主要包括牛肉制品生產信息的發布與查詢. 平臺會對智能合約的執行進行監控, 在滿足響應要求時, 平臺會根據預先設置的響應規則, 自動完成合約. 一旦發現異常, 平臺將會立即通知監管部門, 讓監管部門采取相應措施, 降低溯源風險.

4) 溯源管理模塊. 溯源管理模塊是基于區塊鏈的牛肉可信溯源系統的核心模塊之一, 主要負責對牛肉生產、 運輸、 銷售等環節中的信息進行收集、 存儲、 處理和查詢. 該模塊支持消費者、 監管機構等方對牛肉的來源、 生產加工等信息進行查詢和溯源, 以保證信息的真實性和可信度. 模塊內的數據通過數據庫及區塊鏈兩種方式進行存儲, 其中數據庫中的數據是由牛肉供應鏈溯源系統中的消保局負責維護; 區塊鏈的數據維護由牛養殖場、 屠宰場、 物流公司、 銷售公司、 食品監督管理局及消權保局共同負責.

2.2 系統實現

基于區塊鏈牛肉可信溯源系統由前端網頁、 數據庫、 區塊鏈3部分構成. 系統實現的環境配置如表1所示, 前端網頁采用HTML+CSS+JavaScript, 數據庫選用mysql, 并利用Hyperle-dger Fabric的開源框架為區塊鏈網絡底層架構. 系統的核心是BeefTraceability合約(如圖5所示), 用于牛肉產品廠商信息的上鏈實現. 定義了一個名為Beef的結構體, 用于存儲牛肉各階段廠商信息, 并通過mapping將每個牛肉信息與其唯一ID關聯起來的映射. 同時, 該合約還定義了一個addBeef公共函數, 用于向系統中添加新的牛肉信息, 并將其存儲在beefs映射中, 使用beefCount作為唯一ID, 將通過Solidity的內置函數emit把新添加的牛肉信息上鏈, 并觸發NewBeefAdded事件, 用于記錄新添加的牛肉信息被上鏈的情況. 通過該智能合約, 可以實現新添加的牛肉廠商信息上鏈.

表1 系統配置環境表Tab.1 System configuration environment table

圖5 BeefTraceability合約Fig.5 BeefTraceability contract

養殖場、 屠宰加工廠、 物流公司及銷售公司登錄系統后, 分別錄入各階段的關鍵信息, 并經共識機制確認后存入區塊鏈中, 溯源系統將對各方節點進行數據同步. 消費者可根據區塊鏈生成的唯一識別碼對牛肉產品整個供應鏈信息進行溯源, 包括牛只原始信息、 養殖信息、 屠宰加工信息、 物流及銷售信息等. 消費者溯源查詢結果頁面如圖6所示.

圖6 溯源查詢結果頁面Fig.6 Traceability query results page

在消費者輸入產品編號后, 系統會自動展示該牛肉產品生成加工過程中的所有信息. 為了保證數據的安全性和一致性, 消費者可以通過點擊“驗證”按鈕, 系統將使用hash算法進行重新運算. 若運算結果與原溯源碼一致, 則驗證通過, 說明數據未被篡改過, 消費者可以放心購買該產品. 若運算結果與原溯源碼不一致, 則驗證不通過(詳見圖7), 說明該產品信息可能遭受過篡改,消費者可通過系統內的投訴功能進行投訴, 監管部門根據審計, 可實時限制相關節點的鏈上操作權限, 以確保牛肉制品的質量和安全.

圖7 信息驗證不通過圖Fig.7 Information verification failed graphic

3 結語

1) 本研究基于區塊鏈技術構建牛肉供應鏈可信追溯模式, 養殖方、 加工方、 物流企業、 銷售企業、 金融、 監管部門等相關主體構成了“區塊鏈共同體”, 共同體中的每一個節點都可以驗證上鏈, 保證區塊鏈的安全性和信息的可溯源; 將監管機構納入追溯管理運行的機制, 突破傳統牛肉供應鏈上下游利益一致性, 提高消費者信任感; 通過數據信息流將資金流和牛肉商品流緊密整合在一起, 實現從牛肉養殖到銷售的實時跟蹤、 追溯和監管, 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技術實現了溯源系統并模擬使用. 模擬實驗結果表明該溯源系統基本可以完成預期目標, 區塊鏈的融入使得互不信任的各主體可通過區塊鏈傳遞信息并獲取信任, 降低傳統追溯系統中心化程度; 通過比較用相同哈希算法處理后的數據庫中讀取的數據及區塊鏈上的數據, 可以確定數據的完整性, 提高了整條牛肉供應鏈的透明度和可信度.