基于區塊鏈的食品冷鏈質量安全信息平臺構建

　　摘要：目的 研究區塊鏈技術在食品安全領域，尤其是在生鮮食品冷鏈物流質量安全監測中的具體應用，以加強食品質量安全管理，提高食品冷鏈供應鏈效益。方法 分析生鮮食品冷鏈物流質量安全管理的薄弱環節，論證區塊鏈技術的食品冷鏈質量安全監測適用性基礎上，以區塊鏈為底層技術構建食品冷鏈質量安全信息平臺，研究區塊鏈技術的創新應用對食品冷鏈質量安全管理的提升效果。結果 應用區塊鏈技術構建數據統一、運營高效的生鮮食品冷鏈質量安全信息平臺，對食品質量安全信息進行實時采集，實現質量安全風險即時預警、質量安全問題有效溯源，有助于重塑食品質量安全生態系統。結論 區塊鏈作為分布式賬本、數字簽名、溯源存證等一系列核心技術的組合，基于區塊鏈技術創建食品冷鏈質量安全信息平臺，能夠強化微生物污染監測、縮短食品冷鏈在途時間并使質量安全問題得到有效追蹤溯源，對于加強食品質量安全管理、促進生鮮食品供應鏈優化有重要意義。

　　本文源自包裝工程 發表時間：2021-03-30《包裝工程》雜志由中國兵器裝備集團公司主管，中國兵器工業第五九研究所主辦，是國內包裝、印刷技術領域權威性主導科技期刊。辦刊宗旨：以科技進步推動產業發展。雜志長期被各大數據庫收錄，是全國包裝雜志唯一連續四版中文核心期刊、中國學術期刊綜合評價數據庫來源期刊、中國期刊網全文數據庫收錄期刊、《中國學術期刊(光盤版)》用刊、“萬方數據——數字化期刊群”全文上網期刊、中國科技期刊精品數據庫收錄期刊、美國《劍橋科學文摘》(CSA:MI)收錄期刊，代表著中國包裝科技的最高水平和發展方向，

　　關鍵詞：區塊鏈;食品安全;生鮮食品;冷鏈;信息技術

　　食品安全是民生重中之重[1]。產生食品安全問題的根本原因，在于信息不對稱導致的逆向選擇和道德風險[2]。依托新技術構建現代冷鏈物流信息共享平臺，實現食品冷鏈各環節質量安全問題的實時監控與及時預警，意義非常重要[3]。當前冷鏈物流信息系統大都采用中心化的解決方案，出現了一系列信任問題[4]。區塊鏈具有去中心化、信息透明、數據不可篡改等特性[5]，為食品供應鏈管理提供了一種去中心化整合資源、消除信息不對稱的解決方案[6]。區塊鏈在連通農產品與食品供應鏈、推動食品供應鏈優化、實現食品溯源、提高食品安全水平等方面的作用正引起學術界的廣泛關注[7-10]。2019 年 5 月 9 日，中共中央、國務院發布《關于深化改革加強食品安全工作的意見》，提出建立基于大數據分析的食品安全信息平臺，推進大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈等技術在食品安全監管領域的應用。本文以食品冷鏈質量安全管理薄弱環節分析為基礎，論證區塊鏈應用于食品冷鏈質量安全監測的技術優勢，并對區塊鏈技術下的食品冷鏈質量安全信息平臺及其運作機制做出闡述。

　　1 食品冷鏈質量安全管理的薄弱環節

　　經營生鮮食品必須采用冷鏈系統，且應保證冷鏈各環節緊緊相扣[11]。隨著食品流通中冷鏈運輸方式需求的不斷擴大，冷鏈物流質量安全管理中的一些問題更加凸顯。

　　1.1 包裝破損導致交叉污染

　　水果、蔬菜、肉類等生鮮食品是參與冷鏈運輸的主體[12]，若與其他物品混裝運輸和配送，容易導致包裝破損、食品污染等[13]。市面上現存不少小型冷鏈物流公司，因運輸車輛價格較為高昂而使用同一運輸車輛運送不同種類的貨物。不同類型的食品及食材混合裝載，若存在包裝物強度不夠或被物理損毀等情況時，會引起外物混入，甚至造成細菌微生物在不同產品之間交叉污染，容易釀成嚴重質量安全事故。包裝破損后容器器具及包裝物上細菌病毒的侵入，也是食品被二次污染、引發消費環節質量安全事故的一個源頭。如美國在 2020 年 5 月發生一起因食用冷鏈金針菇而發生的感染李斯特菌事件。該事件一共造成 30 多人感染，其中有 4 人死亡，并有 2 名孕婦因病菌感染而造成流產。

　　1.2 冷鏈斷鏈造成食品腐爛

　　溫度是影響生鮮果蔬采后品質和貨架期的關鍵因子[14]，冷鏈運輸或儲存溫濕度不適宜、包裝材料不標準等，都可能導致產品質量受損[15]。當前國內冷鏈物流企業多數通過租用第三方冷庫來儲存貨物，雙方合作過程中缺少一站式的信息溝通媒介，冷鏈運輸與低溫倉儲之間銜接不順暢。我國冷鏈基礎設施設備技術含量低，生產地缺乏冷處理相關設施，造成冷鏈中斷[16]。部分冷鏈運輸商在物流環節“能省則省”，運輸途中將制冷機關閉，快到目的地時再打開，是造成冷鏈中斷的另外一個因素。冷鏈斷鏈使得生鮮食品長時間暴露在溫濕度不適宜的環境下。果蔬和水產品等易腐食品在常溫下不僅鮮度下降很快，而且腐敗變質也更加迅速[17]。腐爛變質的食品會產生黃曲霉素、亞硝酸鹽等有毒有害物質，流入終端消費市場會誘發嚴重的質量安全事故。

　　1.3 質量安全問題難以追蹤溯源

　　生鮮食品在物流配送環節最容易出質量安全問題[18]。當前我國食品冷鏈基礎設施建設落后[19]，生產商、分銷商、物流企業及冷庫之間，缺乏信息共享的平臺和機制，不能有效保障生鮮食品質量安全。冷鏈物流行業整體的信息化水平較低，大大影響了生鮮食品在途質量監管的準確性和及時性。現有食品質量追溯系統往往將數據存儲在中心化的數據庫中[20]，這種集中式數據存儲方式會帶來兩方面的問題，一是數據篡改問題，二是遭受黑客攻擊或存儲介質損壞時，數據資料可能損壞。此外，現有食品質量監管與溯源系統通常針對特定品種在較窄范圍內進行質量追溯[21]，消費者不能查詢到完整的質量安全信息，發生質量安全事故時問題產品也難以被有效追蹤溯源。

　　2 區塊鏈技術提升食品冷鏈質量安全的機理

　　區塊鏈因其擁有分布式記賬、數字簽名及溯源存證等一系列核心技術，而與分布式架構的信息平臺建設需求具有極高的契合度[22]。以區塊鏈為底層技術建設食品冷鏈質量安全信息平臺，有助于強化微生物污染監測、縮短食品冷鏈物流在途時間，并助力對質量安全問題進行有效溯源。

　　2.1 分布式記賬技術強化微生物污染監測

　　區塊鏈數據庫系統的本質是一個公開記賬系統，整個區塊鏈系統的運行機制都是公開的，區塊鏈記錄的信息在多個節點上均有備份。系統上的所有節點都能夠通過區塊鏈網絡接口，對生鮮食品供應鏈上的所有相關信息進行查詢。區塊鏈上任何數據的修改和傳遞都需要各節點的認證，在秘鑰封裝機制和數據封裝機制的協助下完成加密過程。從種植飼養場地選擇、產品加工過程到運輸銷售等食品生產的各環節，都以數據的形式記錄到區塊鏈中，并附上時間戳。根據區塊鏈上的時間戳，可以進行時間確認，保障對產品質量信息的追蹤。數據塊由整個系統中具有維護功能的節點來共同維護，生鮮食品在整個供應鏈中任何一個環節發生被污染的風險時，整個系統都能夠收到報警信息，實現對生鮮食品冷鏈物流過程中微生物污染問題的實時監測。

　　2.2 數字簽名技術縮短食品冷鏈在途時間

　　數字簽名技術能夠提供比手寫簽名或印章更多的安全保障，帶來多場景模式下的便利流通[23]。區塊鏈采用數字簽名技術使交易方在無第三方擔保情況下實現互信，實現對產品質量的在途、實時監測，保障物流倉儲環節的產品質量安全。數字簽名規定兩種互補的機制，一個用于簽名，另一個用于驗證。簽名機制對物流運輸中的所有車輛做數字簽名，車輛類型、產品種類、車內溫度等信息儲存在公有鏈，同時以私有鏈的形式將簽名發送到對應的倉儲企業。驗證機制確保倉儲企業收到簽名，并將空余倉位信息以唯一的代碼發回至物流企業。區塊鏈網絡節點間的交易無需第三方審核，基于雙方的即時簽名和驗證，實現物流需求與倉位之間的匹配，縮減生鮮食品冷鏈物流在途時間，降低因食品腐爛變質而誘發消費端質量安全事故的概率。

　　2.3 溯源存證技術助力質量安全問題溯源

　　區塊鏈溯源存證技術實現信息流、資金流和物流等要素去中介化的自由流通[24]，解決生鮮食品供應鏈上下游之間的信息不對稱問題，完成食品質量與產地等信息的溯源存證工作。區塊鏈數據庫中的所有數據都能得到及時更新，基于溯源存證技術對數據和交易進行確認。數據區塊由具有維護功能的節點共同維護，交易信息的真實性需要通過所有節點的共同認證，消除了數據存儲系統遭受黑客攻擊的系統性風險。區塊鏈溯源存證技術為各利益相關方共建產品質量數據庫提供技術支撐，質量追溯體系中的信息維護工作由各參與主體共同實施，降低個別參與主體篡改數據的概率。因此，基于溯源存證技術構建質量安全溯源系統，能夠保障系統穩定性與數據可靠性，對存在質量安全問題產品的批次、產地等信息進行有效溯源。

　　3 基于區塊鏈的食品冷鏈質量安全信息平臺構建

　　區塊鏈技術促使信息技術朝著更加先進和科學的方向邁進[25]。加快生鮮食品供應鏈平臺化進程，不僅有助于降低生鮮食品物流成本，還能夠對生鮮食品供應鏈體系進行優化[26]。以下構建基于區塊鏈的食品質量安全信息平臺(圖 1)，為實現生鮮食品冷鏈物流質量安全的實時監測奠定設施基礎。

　　3.1 質量安全信息采集模塊

　　質量安全信息采集模塊以實時數據庫為依托，通過多用戶多畫面、遠程控制設備、系統參數設置等，實現對食品冷鏈物流數據的實時收集。硬件方面主要采用 HMI 微控器及傳感器采集并處理數據。HMI 微控器采用 Cortex-A8 高效能處理器，并自帶即時精簡內核的 LINUX 操作系統及 QTouch2.0 跨平臺組態軟件，通過串口連接 RS485 總線上環境傳感器。通過 QTouch2.0 人機交互界面對可編程控制器進行邏輯控制，并通過傳感器對冷鏈物流環境溫濕度等數據進行即時采集。

　　3.2 技術資源模塊

　　技術資源模塊的硬件部分涵蓋數據庫服務器、WEB 服務器、接口服務器以及應用服務器等，各服務器之間采用 TTL 電平進行通信，并通過 OS、4G/5G、Zigbee、WIFI 等現代數據傳輸方式進行數據傳輸。軟件部分使用內置的 AT 指令，通過配置端口號與云端之間進行數據傳輸，保證數據傳輸的穩定性。技術資源層采用基于橢圓曲線算法的非對稱加密技術，對數據傳輸過程進行加密，使冷鏈物流信息在各節點之間安全傳輸、防止數據被非法篡改。結構化數據在區塊中哈希值、Merkle 樹的形式存儲，前后區塊首尾相接構成相互關聯的鏈式數據集。

　　3.3 質量安全實時監測模塊

　　質量安全實時監測模塊采用關系型數據庫構造雙模存儲機制，基于 Hyperledger Fabric 技術并使用 GO 語言編寫智能合約，在智能合約協議中設置數據存儲標準及范圍閾值。軟件部分通過調用部署在區塊鏈網絡上的智能合約對數據存儲與傳輸效果進行校驗。冷鏈物流及交易信息即時在區塊鏈網絡中進行廣播，各節點對上傳數據達成共識后，再將經哈希算法轉換生成的數據打包成區塊保存到分布式賬本中，最后在區塊和數據之間呈現出一一對應的映射關系，通過雙模存儲機制保存到關系型數據庫中。

　　3.4 系統應用界面

　　為在系統應用界面形成可視化的系統操作界面，以 Bootstrap、Query、Ajax 技術棧為基礎，采用 JavaScript、Html、Css 語言進行可視化編程。通過門戶網站調用后端服務器提供的 API 接口，實現用戶注冊、信息采集、信息查詢、實時監控等各項功能。在調用用戶注冊信息時，區塊鏈密鑰封裝機制賦予用戶一個唯一的私鑰。信息應用層，用戶一般被授權使用私鑰執行數據維護操作，同時使用公鑰對數據信息進行查詢。

　　4 “區塊鏈+”食品冷鏈質量安全信息平臺運作機制

　　基于區塊鏈技術構建食品質量安全信息平臺，對食品質量安全信息進行實時采集，在保障信息安全、數據透明的基礎上實現風險預警、信息溯源，有助于重塑食品質量安全生態系統。

　　4.1 質量安全信息實時采集

　　生鮮食品冷鏈物流質量安全信息的實時采集工作，主要在冷鏈物流數據層應用新型無線射頻技術(RFID)來完成。RFID 閱讀器從 RFID 標簽中獲取無線電信號，將其轉換為數字信息，然后將其發送至數據庫中。生鮮食品生產環境監測主要由溫濕度監測儀及微生物敏感測試儀來完成，通過傳感器和掃描設備將食品產地信息、品種規格、貨號批號、生產人員信息等輸送至質量安全信息采集模塊。在運輸開始前開啟 RFID 溫度標簽，可確定產品所處環境溫度。帶有 RFID 標簽的產品通過安裝在工廠或倉庫關鍵點的 RFID 閱讀器，標簽就會被自動掃描和定位，產品的位置和溫度信息也會在質量安全信息采集模塊的數據庫中自動更新。安全信息采集模塊所采集的數據需通過區塊鏈智能合約進行校驗，并由通過哈希算法生成的二進制密碼進行加密保護。

　　4.2 質量安全數據結構化存儲

　　質量安全信息采集模塊所獲取的質量安全信息，需要經過數據清洗、數據轉換、數據儲存、數據傳輸等多個步驟的處理，最后在合約層形成結構化的數據信息。技術資源模塊將食品質量安全數據傳輸到各終端節點，通過共識機制的驗證后形成新的區塊并增加到總區塊鏈上。各終端節點硬件及操作系統存在差異，要求存儲和傳輸的信息結構完整、格式統一。技術資源模塊的軟硬件設施可自動執行數據清洗和數據轉換操作，通過神經網絡、語言分析、圖像和語音識別等智能化技術，將產品在途溫濕度信息、車輛實時監控信息、冷鏈物流企業信息等半結構化、非結構化數據，轉變為易于辨識和存儲的結構化數據。

　　4.3 質量安全風險即時預警

　　區塊鏈智能合約可自動執行代碼設計中的原定功能，對超出設定閾值的交易和數據自動報警，實現“代碼即法律”的目標。基于智能合約編寫設計面向冷鏈物流各相關方的數據接口，其中面向消費者的接口提供數據查詢功能，面向冷鏈物流相關企業除查詢接口外還增加了數據上傳接口。智能合約為終端節點設計了統一的數據結構、閾值及自動判別機制，對包括產品種類、物流運輸、倉儲信息、質量信息、交易信息、環境信息等的鏈上數據進行自主審核。食品質量安全實時監測模塊與信息采集模塊之間通過神經網絡技術實時通信，并實時生成并更新指令。通過設定質量特征參數變動的閾值，排除異常數據的影響并鑒別出潛在的食品質量安全風險事件。區塊鏈技術下的網絡體系依靠智能合約規則對食品質量安全風險隱患進行快速識別，并在去中心化架構下將質量安全信息向所有節點進行反饋。任意一個在線節點一旦感應到食品存儲環境中的溫度、濕度等參數超出設定的閾值，系統會自動對異常情況進行報警，并通過智能合約中的約定規則，對質量安全隱患及異常狀況采取應急防范措施，降低食品質量安全風險。

　　4.4 質量安全信息有效追溯

　　應用界面為各終端節點提供了可視化的操作平臺，信息采集、存儲、傳輸與即時維護等工作可同步進行。授權操作人員根據設定的權限登錄到界面，依據權限等級，執行信息錄入維護或檢索查詢等操作。生產企業對相關產品的種植養殖信息、園區環境、水源狀況、包裝與溯源信息等進行維護。物流企業將產品備案、倉儲運輸及分裝信息等實時上傳至區塊鏈，并即時查詢上下游的供應與需求情況。分銷商發布采購意向、詢價情況以及其他交易信息，同時查詢產品產地、規格、存儲條件、質量狀況等。零售商則可實時進行詢價、發盤、接單及訂單處理等操作，同時對所售產品質量情況及索賠信息進行即時維護。鏈上各節點之間實現數據即時互聯互通，克服了傳統物流信息平臺普遍存在的數據壁壘等問題，確保食品質量安全信息能夠有效得到追溯。在發生食品質量安全事故時，監管人員可以第一時間通過區塊鏈溯源技術進行分析研判，使不合格批次食品及時下架及進行后續處理。區塊鏈技術下的食品質量安全信息監測平臺，由于采用了去中心化的網絡體系架構，廣大消費者也可以通過終端接口實時查詢食品質量安全數據，并對質量安全信息進行實時反饋，在食品質量安全管理工作中形成群防群控的新格局。

　　5 結語

　　食品安全問題一直以來都得到全社會的廣泛關注。應用現代信息技術對質量安全信息進行實時監測及風險預警，是保障食品質量安全的關鍵舉措。基于傳統技術構建生鮮食品物流信息平臺，存在數據中心化等問題，信息安全性、可靠性及可追溯性難以得到有效保障。區塊鏈以其體系架構去中心化、交易流程透明、數據不可篡改等技術特性，而與食品質量安全信息監測平臺有很高的契合度。本文應用區塊鏈分布式賬本技術、數字簽名技術及溯源存證技術，構建生鮮食品質量安全信息監測平臺，對食品質量安全信息進行實時采集并轉換成結構化數據，實現質量安全風險的即時預警及質量安全信息的有效追溯，在食品質量安全管理領域做出拓展性研究。