陳 飛，葉春明，陳 濤

1.上海理工大學 管理學院，上海200093

2.中央財經(jīng)大學 管理科學與工程學院，北京100081

近年來，食品安全事件頻發(fā)，對人們的健康造成了嚴重威脅，使人們對國內食品行業(yè)的信任度逐漸降低[1]。然而隨著社會的快速發(fā)展，使得人們只想著簡單快速賺錢，許多食品企業(yè)為了賺取更多的利潤，完全不顧消費者的身體健康安全，其生產(chǎn)出來的食品不求質量只看賣相，卻打著高品質、營養(yǎng)健康食品的幌子忽悠消費者購買，完全不顧誠信二字。食品的質量問題并非只是消費者的關注對象，食品生產(chǎn)企業(yè)也同樣希望知道食品的流通過程以及相關信息。利用食品溯源系統(tǒng)對食品信息進行追溯，就能夠知道食品從生產(chǎn)源頭到消費終端等一系列詳細信息[2-3]，從而保證了食品的安全可靠。

國家食品安全監(jiān)管部門雖然高度重視食品質量安全的防范和處理，但是由于食品供應鏈涉及參與主體眾多，導致食品安全監(jiān)管和溯源變得困難重重[4-5]。一方面，為了讓消費者對食品行業(yè)重拾信心，滿足消費者對食品信息全程追蹤掌握的需求，另一方面，為了提高相關監(jiān)管部門的監(jiān)管力度與監(jiān)管效率，將新技術和新的監(jiān)管方式應用到食品溯源領域勢在必行，讓食品信息實現(xiàn)全流程可追溯，一旦發(fā)現(xiàn)食品出現(xiàn)質量安全問題，利用可追溯性可以快速定位到問題出現(xiàn)環(huán)節(jié)以及具體責任人，及時召回有質量問題的食品，這也是保證食品安全的有效方法之一[6-8]。我國在食品溯源領域起步時間較晚，現(xiàn)有的食品溯源系統(tǒng)對于溯源信息過于集中化控制，供應鏈上的核心企業(yè)掌握數(shù)據(jù)的控制管理權限，導致數(shù)據(jù)的安全性、可靠性出現(xiàn)不確定性，且供應鏈主體之間存在著信息不對稱性，使得數(shù)據(jù)在流通過程中是否存在被人為惡意篡改無法驗證，極大增加了監(jiān)管部門對食品安全的監(jiān)管難度。

區(qū)塊鏈技術作為當前研究領域中最熱門的研究方向之一，它是一種分布式賬本技術[9-10]，具有效率高、成本低、安全可靠等特點，而在解決溯源系統(tǒng)可信任度方面也被證明具有先天技術優(yōu)勢[11-12]。數(shù)據(jù)分布式存儲在區(qū)塊鏈上，若要將數(shù)據(jù)進行惡意篡改，則必須同時攻破區(qū)塊鏈系統(tǒng)超過51%的節(jié)點，而對于節(jié)點數(shù)量龐大的區(qū)塊鏈系統(tǒng)來說這是不切實際的，從而保證了數(shù)據(jù)的不可篡改、安全可信。

本文提出的基于區(qū)塊鏈的食品溯源系統(tǒng)設計以豬肉為溯源對象，選擇Ethereum（以太坊）作為開發(fā)平臺，將養(yǎng)殖場、屠宰場、物流企業(yè)、銷售單位等作為節(jié)點加入到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中，對豬肉供應鏈進行全流程分析，設計了滿足各環(huán)節(jié)節(jié)點的功能模塊。選取軟件架構后，結合相關的開發(fā)工具進行系統(tǒng)部署與測試。消費者可利用食品包裝上的溯源碼在此系統(tǒng)上進行溯源查詢。

1 食品溯源研究現(xiàn)狀

食品溯源的提出最早起源于歐洲，1996年在英國爆發(fā)瘋牛病，導致人心惶惶，此外，丹麥的豬肉沙門式菌污染事件和蘇格蘭大腸桿菌事件也促使歐盟在法律層面建立起食品安全溯源體系。

國外將區(qū)塊鏈技術應用到食品溯源領域的研究開展較早。Bumblauskas等[13]通過美國中西部的一家公司將區(qū)塊鏈應用到雞蛋的生產(chǎn)到流通全過程的實際案例，闡述了如何利用和應用區(qū)塊鏈更準確和透明地通過全球供應鏈運輸貨物。Prashar 等[14]提出了一種基于區(qū)塊鏈的解決方案，利用智能合約來監(jiān)控和管理供應鏈網(wǎng)絡中利益相關者的所有通信和交易以保障食品安全。George 等[15]提出了一個基于區(qū)塊鏈和產(chǎn)品標識符的可追溯餐廳原型，以實現(xiàn)更可靠的食品溯源。Surasak等[16]使用區(qū)塊鏈技術和物聯(lián)網(wǎng)技術成功設計并開發(fā)了泰國農(nóng)產(chǎn)品可追溯系統(tǒng)，使供應鏈管理變得更加可靠，且增強了公眾對食品安全和質量控制的意識。Kamilaris等[17]研究了區(qū)塊鏈技術在農(nóng)業(yè)和食品供應鏈中的影響，指出在建立公開透明的食品供應鏈上是一種很有前途的技術，但在技術、教育、政策和監(jiān)管上仍存在許多阻礙和挑戰(zhàn)。Tsang等[18]提出了一種基于區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的食品可追溯系統(tǒng)，將區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)技術和模糊邏輯等新技術應用于可追溯性食品保質期管理系統(tǒng)，為建立食品供應鏈決策提供支持。

近年來，國內區(qū)塊鏈技術變得炙手可熱，不少企業(yè)、高校以及創(chuàng)業(yè)公司也都開始在區(qū)塊鏈技術上投入研究。禹忠等[19]提出了基于區(qū)塊鏈的醫(yī)藥溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了藥品防偽及溯源信息查詢功能。董云峰等[20]應用區(qū)塊鏈技術構建了糧油食品全供應鏈可信追溯模型，保證了存儲數(shù)據(jù)安全可靠、追溯信息精確可信。陶啟等[21]通過區(qū)塊鏈技術構建大米產(chǎn)業(yè)鏈質量信息數(shù)據(jù)庫，采用危害因子的食品風險評估與安全溯源技術設計了智能管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了食品質量安全的高效管控。巫光福等[22]提出了交易區(qū)塊鏈（TBC）和監(jiān)管區(qū)塊鏈（RBC）雙鏈結構，證明了雙鏈結構具有高效性和可擴展性。

2 溯源對象的選擇

食品溯源對象的選擇不僅要考慮人們的切身利益和強烈需求，還要考慮其是否具有較高的經(jīng)濟價值。

民以食為天，食品歷來都是消費者重點關注對象，對食品的安全溯源更是保障消費者權益的重中之重。食品一般可分為農(nóng)墾食品類、乳制品類和肉類。在乳制品領域，食品從生產(chǎn)源頭到銷售終端均由單一企業(yè)承包，因此若要篡改數(shù)據(jù)也必須是企業(yè)內部人員進行操作，所以應對這種情況通過立法加大懲處力度更為有效。肉類是人們日常生活中最為常見的一種食物，近年來瘦肉精、注水豬肉、病死豬肉等食品安全事件的發(fā)生嚴重威脅了人們的身體健康，且肉類幾乎是人們每天必備的食物，所以人們對肉類的關注度極大。此外，肉類從養(yǎng)殖生產(chǎn)到銷售終端都需要經(jīng)過養(yǎng)殖場、屠宰加工企業(yè)、物流企業(yè)和銷售企業(yè)的參與，這就讓各個環(huán)節(jié)的負責人都有了修改數(shù)據(jù)的權利。與肉類相比，農(nóng)墾食品類除了少數(shù)高端產(chǎn)品有較高經(jīng)濟價值外，其余大多數(shù)都價值低廉，從溯源成本及效益方面考慮而言不適宜對其實施溯源。

綜上所述，相對于乳制品類和農(nóng)墾類而言，消費者在肉類食品上的消費需求更為強烈，從產(chǎn)品的生產(chǎn)源頭到銷售終端的一系列流程在食品供應鏈中也更具代表性。此外，對肉類的溯源具有更高的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義，因此，本文選取了在市場中最為常見、價格適中、人們喜愛且消費頻率高的豬肉作為溯源系統(tǒng)的溯源對象。

3 豬肉供應鏈流程分析

3.1 養(yǎng)殖環(huán)節(jié)

養(yǎng)殖場在新生豬仔的養(yǎng)殖過程中需要對養(yǎng)殖信息進行全流程記錄。養(yǎng)殖信息記錄如圖1所示。

3.2 屠宰加工環(huán)節(jié)

屠宰加工環(huán)節(jié)處于豬肉供應鏈的中間環(huán)節(jié)，具體流程為：宰前檢疫-淋浴-擊暈-刺殺放血-浸燙刨毛-機械剝皮-胴體加工-同步衛(wèi)檢-副產(chǎn)品加工-白條排酸-分割包裝。其宰前檢疫和宰后同步衛(wèi)檢為豬肉的質量安全提供的必要的保障。在屠宰加工環(huán)節(jié)需要追溯的信息包括宰前檢疫信息、宰后同步衛(wèi)檢信息、白條排酸信息、包裝相關信息及入庫信息等。在豬的屠宰加工環(huán)節(jié)實現(xiàn)可追溯、透明化，不僅能極大提升消費者對豬肉安全的信任度，還能促進豬肉銷售。經(jīng)過對生豬屠宰加工的流程分析，其屠宰過程以及信息記錄環(huán)節(jié)如圖2所示。

圖1 養(yǎng)殖信息記錄流程圖

3.3 物流運輸環(huán)節(jié)

在豬肉供應鏈中，冷鏈物流是必不可少的重要一環(huán)，將豬肉置于低溫環(huán)境中進行運輸，能極大保證豬肉的新鮮度。物流運輸商在運輸豬肉產(chǎn)品時需要對豬肉的出庫狀態(tài)進行記錄，包括出庫時間、產(chǎn)品加工批次、包裝方式；對冷鏈運輸信息進行記錄，包括運輸時間、車輛內部溫濕度、車輛信息、操作員信息；抵達運輸目的地時，需要對抵達相關信息進行記錄，包括目的地信息、運輸批次、驗收信息、接收人信息、操作員信息等。其物流信息記錄流程如圖3所示。

3.4 銷售環(huán)節(jié)

圖2 屠宰加工信息記錄流程圖

圖3 物流信息記錄流程圖

銷售環(huán)節(jié)作為豬肉供應鏈的末端環(huán)節(jié)，其銷售場所主要分為超市、專門的肉鋪和市場三類。豬肉從冷鏈運輸車上卸載下來后一般不會直接擺上架子銷售，而是先將其放入冷庫中存儲，待到需要時再上架銷售。豬肉的存儲對于環(huán)境的溫濕度有一定的要求，豬肉在冷庫中短期存儲溫度一般為0 ～5 ℃，溫度過高或者存儲環(huán)境差都會引發(fā)豬肉變質。因此對豬肉的存儲環(huán)境數(shù)據(jù)信息進行記錄對于豬肉質量安全追溯也是極為重要的。

4 基于區(qū)塊鏈的豬肉溯源方案設計

4.1 存儲機制設計

基于區(qū)塊鏈的豬肉供應鏈參與節(jié)點眾多，各個環(huán)節(jié)節(jié)點數(shù)據(jù)采集量大，若一次性全部上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中，除了上傳速度緩慢之外，也會導致運行成本大幅提高，對于每個環(huán)節(jié)節(jié)點配備的硬件要求也會較高。所以在本文中，將采用雙存儲機制，即將各環(huán)節(jié)節(jié)點的采集數(shù)據(jù)信息一同存入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡和關系型數(shù)據(jù)庫中，但區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中存儲的是經(jīng)過SHA3算法生成的信息摘要，而完整信息則存儲在數(shù)據(jù)庫中。這不僅提高了區(qū)塊鏈運行效率，還解決了區(qū)塊鏈面臨的可擴展性問題。其雙存儲模型如圖4所示。

4.2 豬肉溯源方案設計

經(jīng)過上述豬肉供應鏈的流程分析與存儲機制設計后，設計了豬肉溯源方案結構圖，如圖5所示。

圖4 豬肉供應鏈數(shù)據(jù)存儲模型

該溯源方案中所存儲的數(shù)據(jù)由區(qū)塊鏈系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫共同存儲，引入關系型數(shù)據(jù)庫可以解決區(qū)塊鏈系統(tǒng)可擴展性問題，在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中只存儲數(shù)據(jù)的信息摘要，其完整的數(shù)據(jù)信息則存儲在數(shù)據(jù)庫當中。數(shù)據(jù)庫由工商管理局進行日常維護工作，而區(qū)塊鏈系統(tǒng)則由養(yǎng)殖場、屠宰場、物流企業(yè)、銷售單位、食藥監(jiān)局、工商管理局共同維護。此系統(tǒng)設計初衷便是為消費者提供溯源查詢服務，為監(jiān)管部門提供更為便捷高效的監(jiān)管服務，所以還包括監(jiān)管部門和消費者等系統(tǒng)外部用戶。

養(yǎng)殖場、屠宰場、物流企業(yè)和銷售單位的信息錄入過程相同，以養(yǎng)殖場為例，養(yǎng)殖場將采集到的數(shù)據(jù)信息打包并同時錄入養(yǎng)殖場節(jié)點和數(shù)據(jù)庫，養(yǎng)殖場節(jié)點對錄入的數(shù)據(jù)進行SHA3 算法生成信息摘要并發(fā)送到區(qū)塊鏈上，參與節(jié)點達成共識后將信息摘要寫入?yún)^(qū)塊。此時區(qū)塊將返回一條哈希值存儲到數(shù)據(jù)庫中，該哈希值可用于數(shù)據(jù)索引。而工商管理局和食品藥品監(jiān)督管理局對上述節(jié)點的行為進行監(jiān)督。

消費者在購買食品后，可利用包裝上的編碼在數(shù)據(jù)庫中進行溯源查詢，若對查詢到的信息持懷疑態(tài)度，則可通過獲取區(qū)塊鏈中的信息摘要和數(shù)據(jù)庫中對查詢信息進行相同的SHA3 算法生成的信息摘要進行對比來確定數(shù)據(jù)是否被更改，若信息摘要一致，則數(shù)據(jù)真實無更改。當發(fā)現(xiàn)查詢數(shù)據(jù)被更改過，消費者可以向工商管理局投訴，投訴信息將會被作為憑證以同樣的信息錄入方式存儲到數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈系統(tǒng)中。

豬肉供應鏈各環(huán)節(jié)所采集的數(shù)據(jù)數(shù)量大，在信息錄入時可能會由于人工操作錯誤或其他外因干擾造成信息漏錄或錄入錯誤問題，又因為信息一旦錄入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)中，將不能對數(shù)據(jù)進行更改，所以在本方案中引入了食品藥品監(jiān)督管理局，豬肉供應鏈各環(huán)節(jié)節(jié)點若發(fā)現(xiàn)錄入信息有誤，可以向食品藥品監(jiān)督管理局發(fā)送信息更正請求，經(jīng)食品藥品監(jiān)督管理局審核確認無誤后，可由食藥監(jiān)局節(jié)點將更正信息上傳至區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，以此消除因人為操作失誤導致信息錄入錯誤而帶來的巨大損失。

食品質量問題近年來頻繁發(fā)生，“注水豬肉”“瘦肉精”等食品安全問題層出不窮，嚴重威脅了人們的身體健康，構建一個可靠高效的問題食品召回體系迫在眉睫。本方案基于現(xiàn)實需求在區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)中創(chuàng)新性地引入了食品召回環(huán)節(jié)。以廣大消費者的投訴信息為主要線索來源，食品藥品監(jiān)督管理局對投訴信息進行分類整理，對食用后可能對人體造成健康損害的食品按照其嚴重程度進行分級召回，同時，生產(chǎn)企業(yè)應立即停止生產(chǎn)不安全食品。以豬肉食品為例，當消費者將購買到的可能損害身體健康的問題豬肉向食品藥品監(jiān)督管理局進行投訴后，食品藥品監(jiān)督管理局審核確認該豬肉存在損害他人健康的可能性，將依法對該批次豬肉進行召回。根據(jù)消費者投訴信息中提供的編號，食品藥品監(jiān)督管理局可在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中對其進行追溯，從而獲取問題豬肉的所有流程信息，其包括豬肉的來源地養(yǎng)殖場信息、屠宰加工過程的屠宰場信息、運輸豬肉的運輸企業(yè)信息、銷售豬肉的銷售單位信息，根據(jù)追溯信息定位相關責任人。對養(yǎng)殖場責令其停止輸送生豬，且在所給期限內召回問題豬肉并做無害化或銷毀處理；對屠宰場責令其停止屠宰加工該養(yǎng)殖場輸送的生豬，對已屠宰未輸送的豬肉進行嚴格檢疫，檢疫不合格可做無害化處理或銷毀；對銷售單位責令其停止銷售并封存未售出的問題豬肉，在經(jīng)營場所張貼召回公告以配合召回工作開展。此外，食品藥品監(jiān)督管理局會將問題豬肉的批次、產(chǎn)地、召回原因等相關信息及時發(fā)布在區(qū)塊鏈系統(tǒng)上，消費者可以通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)查看食品召回相關信息，掌握食品召回進度。

圖5 溯源方案結構圖

基于區(qū)塊鏈的豬肉溯源方案設計，保證了數(shù)據(jù)的不可篡改，去除了中心化結構，對信息流的可追溯性實現(xiàn)了快速查找、精確定位功能。根據(jù)現(xiàn)實需求有針對性地引入了食品藥品監(jiān)督管理局和工商管理局。食品藥品監(jiān)督管理局不僅可以處理供應鏈各環(huán)節(jié)的信息錄入錯誤問題，提供數(shù)據(jù)更正需求，還具備對有可能造成人體健康損害的問題食品執(zhí)行召回功能。工商管理局負責對消費者的投訴進行受理，對涉及可能損害消費者身體健康的投訴信息將會及時分享給食品藥品監(jiān)督管理局，以便及時開展食品召回工作。

4.3 基于區(qū)塊鏈的溯源體系架構

圖6 溯源體系層次結構圖

如圖6為基于區(qū)塊鏈的溯源體系層次結構圖，體系結構由下而上主要分為六層，即作業(yè)層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)層、共識及網(wǎng)絡層、表示層、用戶層。最底層是作業(yè)層，指的是在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)、屠宰加工環(huán)節(jié)、物流運輸環(huán)節(jié)以及銷售環(huán)節(jié)需要進行采集數(shù)據(jù)的工作，它是整個追溯數(shù)據(jù)的來源。數(shù)據(jù)采集層指的是利用射頻裝置、信息采集終端和應用傳感器對作業(yè)層數(shù)據(jù)進行采集、傳輸，且能夠提高豬肉供應鏈整體效率。數(shù)據(jù)層是指數(shù)據(jù)采集層中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)層進行存儲，數(shù)據(jù)層采用的是關系型數(shù)據(jù)庫和區(qū)塊鏈雙存儲機制，采集數(shù)據(jù)將同時錄入關系型數(shù)據(jù)庫和對應節(jié)點，不同的是，對應節(jié)點將對錄入的數(shù)據(jù)信息做摘要處理，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中只存儲處理后的信息摘要，完整數(shù)據(jù)和經(jīng)過摘要處理后返回的哈希值則由關系型數(shù)據(jù)庫存儲。共識及網(wǎng)絡層是指包括P2P 網(wǎng)絡、驗證機制、傳播機制、PoW和PoS共識機制在內的區(qū)塊鏈的關鍵技術。表示層是指采用B/S架構和JSP技術將數(shù)據(jù)按用戶需求進行展示。最上層為用戶層，包括養(yǎng)殖者、加工者、運輸者、銷售者、監(jiān)管部門和消費者，養(yǎng)殖者、加工者、運輸者和銷售者負責信息錄入，監(jiān)管部門和消費者可根據(jù)需求在系統(tǒng)中查詢產(chǎn)品相關信息。

5 溯源系統(tǒng)總體設計

5.1 系統(tǒng)功能模塊設計

溯源系統(tǒng)的設計主要就是為了實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)信息的可追溯功能，按照各環(huán)節(jié)的各自需求設計滿足要求的業(yè)務功能模塊。溯源系統(tǒng)的業(yè)務功能模塊設計如圖7所示，主要分為六大模塊，即養(yǎng)殖模塊、屠宰加工模塊、物流運輸模塊、銷售模塊、監(jiān)管部門模塊、消費者模塊。每個模塊都具備相應的業(yè)務功能，下面對各模塊進行簡要闡述。

養(yǎng)殖模塊主要是對豬只養(yǎng)殖過程中產(chǎn)生的信息進行管理，包括信息錄入和查詢功能，具體為以豬耳標編號為主鍵對養(yǎng)殖場編號、養(yǎng)殖場地址、養(yǎng)殖場負責人、環(huán)境衛(wèi)生狀況、豬只種類、豬只性別、入欄時間、喂食飼料種類、疫苗接種種類、疫苗接種時間、操作員編號等信息進行錄入。

屠宰加工模塊主要是對豬只的宰前檢疫信息和宰后加工的信息進行管理，包括信息錄入和查詢功能，具體為豬只編號、健康狀況、檢疫日期、豬肉批次、屠宰日期、排酸時間、環(huán)境溫濕度、包裝編號、包裝材料、包裝時間、肉的部位、操作員編號等信息進行錄入。

物流運輸模塊主要是對豬肉在運輸轉移過程中的信息進行管理，包括信息錄入和查詢功能，具體為物流訂單編號、企業(yè)名稱、企業(yè)地址、企業(yè)負責人、運輸車牌號、運輸時間、運輸起始地、運輸目的地、車廂溫濕度、司機姓名、操作員編號等信息進行錄入。

銷售模塊主要是對豬肉的存儲信息和銷售信息進行管理，包括信息錄入和查詢功能，具體為銷售信息編號、企業(yè)名稱、企業(yè)地址、入庫時間、庫內溫濕度、銷售地點、上架時間、操作員編號等信息進行錄入。

監(jiān)管部門模塊主要是對基礎信息進行登記、查詢及驗證，各環(huán)節(jié)節(jié)點若因失誤造成錄入信息有誤，可填寫信息變更申請并提交監(jiān)管部門，監(jiān)管部門提供信息變更服務，且對具有危害身體健康的食品監(jiān)管部門擁有食品召回功能。

圖7 溯源系統(tǒng)功能模塊圖

消費者模塊主要是擁有豬肉信息全流程溯源查詢及驗證功能，購買產(chǎn)品時，消費者可以按照產(chǎn)品上的溯源碼在溯源系統(tǒng)上查詢信息，進而挑選自己中意的產(chǎn)品購買。若購買的豬肉產(chǎn)品發(fā)現(xiàn)有質量問題，可通過溯源系統(tǒng)進行投訴，反映相關問題，監(jiān)管部門在收到投訴信息后將及時進行處理，對相關責任人按流程進行追查。

5.2 數(shù)據(jù)庫設計

5.2.1 養(yǎng)殖階段數(shù)據(jù)庫設計

養(yǎng)殖階段需要采集大量的數(shù)據(jù)，因此對養(yǎng)殖階段的數(shù)據(jù)庫設計如表1所示，該數(shù)據(jù)表包含了主要的采集信息。

表1 養(yǎng)殖信息表

5.2.2 屠宰加工階段數(shù)據(jù)庫設計

屠宰加工階段是豬肉供應鏈中的重要一環(huán)，需要記錄的信息較多，該階段的數(shù)據(jù)庫設計如表2 所示，該數(shù)據(jù)表包含了主要的記錄信息。

表2 屠宰加工信息表

5.2.3 物流運輸階段數(shù)據(jù)庫設計

物流運輸是將豬只或豬肉運送到指定目的地的過程，該階段數(shù)據(jù)庫設計如表3 所示，該表包含了運輸過程中主要的記錄信息。

5.2.4 銷售階段數(shù)據(jù)庫設計

銷售階段主要是對豬肉存儲情況和銷售情況進行記錄，該階段的數(shù)據(jù)庫設計如表4 所示，此數(shù)據(jù)表包含了銷售階段的主要記錄數(shù)據(jù)。

表3 物流運輸信息表

表4 銷售信息表

5.3 溯源編碼設計

在基于區(qū)塊鏈是豬肉溯源系統(tǒng)設計中，需要對豬肉產(chǎn)品的溯源編碼進行設計，以達到可追溯目的。按照《食品可追溯性通用規(guī)范》中的規(guī)定，豬只必須遵循一畜一標，每頭豬的個體編號都作為其唯一的身份標識，且豬肉產(chǎn)品也要具備唯一標識的溯源編碼。溯源編碼的設計以GSI系統(tǒng)編碼為基礎，并對豬肉從單個實體到分割后的多個實體進行充分考慮，采取不一樣的編碼規(guī)則，實行一個單元對應唯一編碼的形式，對豬肉供應鏈的整個流程進行精準溯源。溯源編碼的設計使用UCC/EAN-128 為載體作為GTIN 及屬性信息代碼標記肉塊。對豬只進行編號時按照以下編碼規(guī)則：

耳標編號設計為10位，其中養(yǎng)殖場的編號占前3位，豬的性別放在第4位，年號放在第5位和第6位，豬只在養(yǎng)殖場中的序號則放在最后3 位。豬胴體編號設計為11位，只需在耳標編碼的基礎上往后再加上1位標記為豬胴體的左邊或者右邊。肉塊編碼設計為14 位，只需在胴體編碼的基礎上往后再加上3 位標記為豬的具體部位和序號。銷售狀態(tài)中的豬肉編碼則是在國際商品標識碼的基礎上再加上肉塊編碼。

6 溯源平臺實現(xiàn)與測試

6.1 系統(tǒng)部署

本文設計并實現(xiàn)一種基于區(qū)塊鏈的食品溯源方案，并按照方案的設計選擇Ethereum（以太坊）平臺進行區(qū)塊鏈開發(fā)，因此需要先進行系統(tǒng)基本的環(huán)境搭建。

首先需要安裝node.js，安裝成功后在命令行輸入切換淘寶鏡像：npm config set registry https：//registry.npm.taobao.org，之后在命令行輸入npm install -g truffle 安裝truffle，若出現(xiàn)安裝錯誤則需要在命令行輸入setexecutionpolicy remotesigned，然后再輸入y 即可解決。接著在命令行輸入npm config get prefix，得到C：UsersAdministratorAppdateRoaming pm，再打開電腦屬性界面，在高級系統(tǒng)設置里點擊環(huán)境變量找到path 編輯，點擊新建后復制C：UsersAdministratorAppdateRoaming pm，將其上移到目錄前三位即可?；经h(huán)境搭建好之后還需安裝Metamask以及Ganache。

一切準備就緒之后便可以在命令行輸入相應的命令啟動溯源系統(tǒng)，啟動過程分為三步。第一步，在命令行輸入truffle compile進行合約編譯，如圖8所示。

圖8 合約編譯過程圖

第二步，在命令行輸入truffle migrate 進行合約部署，如圖9所示。

圖9 合約部署過程圖

第三步，在命令行輸入npm run dev將Web服務器啟動，如圖10所示。

圖10 Web服務器啟動過程圖

6.2 系統(tǒng)主要功能測試結果展示

6.2.1 生產(chǎn)加工信息錄入

該功能可從對應的環(huán)節(jié)操作員角色登入，如圖11所示，為豬肉生產(chǎn)加工信息錄入的其中一個環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)為豬只的原始信息錄入。

圖11 豬只信息登記

6.2.2 數(shù)據(jù)變更申請信息錄入

如圖12所示，若因操作失誤導致信息錄入錯誤，可在此頁面上填寫數(shù)據(jù)變更申請，提交后由監(jiān)管部門進行審核和重新錄入。

6.2.3 消費者投訴信息錄入

如圖13 所示，消費者若發(fā)現(xiàn)所購買的食品有質量問題，可通過消費者投訴頁面進行投訴，投訴信息提交后將被錄入平臺，由監(jiān)管部門接收并處理。其查詢結果如圖14所示。

6.2.4 食品召回信息錄入

圖12 數(shù)據(jù)變更信息登記

圖13 投訴信息登記

如圖15 所示，監(jiān)管部門若發(fā)現(xiàn)食品有危害身體健康風險的，可依法進行食品召回，食品召回信息也將會及時發(fā)布，任何人都可看到。其查詢結果如圖16所示。

圖14 查詢結果

圖15 召回信息登記

7 溯源系統(tǒng)對比分析與案例分析

7.1 溯源系統(tǒng)對比分析

圖16 查詢結果

隨著公眾對食品安全的關注度越來越高，國內學者在食品溯源領域也進行了較多研究。林盛業(yè)等[23]將無線傳感網(wǎng)、二維條碼以及NET 等技術相結合設計了牛肉溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了環(huán)境溫濕度的自動采集與上傳，但采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖镜財?shù)據(jù)庫中，存在人為篡改的可能性。凌菁等[24]應用NFC 技術和物聯(lián)網(wǎng)技術設計了稻米溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了對稻米生產(chǎn)流通各環(huán)節(jié)的監(jiān)控追蹤，消費者可持智能手機等設備查詢溯源信息，但當出現(xiàn)質量問題時，由于供應鏈間存在信息孤島問題，難以追責到具體責任人。呂芙蓉等[25]提出了基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品追溯體系設想，但缺乏系統(tǒng)功能設計，成果還處于技術解釋層面。劉宗妹[26]將區(qū)塊鏈和RFID相結合構建了食品溯源系統(tǒng)，此系統(tǒng)在Fabric 上進行開發(fā)，消費者通過掃碼便可獲取食品溯源信息，出現(xiàn)問題食品也能實現(xiàn)快速定位責任人，但該系統(tǒng)缺少必要的消費者投訴機制和監(jiān)管部門執(zhí)行的食品安全召回機制，一旦出現(xiàn)可能危害身體健康的問題產(chǎn)品，將無法及時阻止其繼續(xù)流入市場。柳祺祺等[27]構建了基于Fabric的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，實現(xiàn)了生產(chǎn)、流通、監(jiān)管、消費各方之間信息共享和多方共贏。但由于數(shù)據(jù)一經(jīng)上鏈無法更改，故此系統(tǒng)忽略了各環(huán)節(jié)節(jié)點對錄入數(shù)據(jù)更正的需求。

綜上所述，本文基于區(qū)塊鏈的食品溯源系統(tǒng)設計具備以下優(yōu)勢：一是多方參與主體信任背書，區(qū)塊鏈去中心化可提高用戶信任度。二是區(qū)塊鏈不可篡改、時間戳等特性可在信息溯源中實現(xiàn)有效追責。三是增加了必要的投訴功能和食品召回功能。四是為因失誤導致信息錄入錯誤節(jié)點提供數(shù)據(jù)更正申請功能，由監(jiān)管部門進行審核和錄入。

7.2 案例分析

結合上文內容，將“瘦肉精”這一重大食品安全事件進行案例分析，進而對本文溯源系統(tǒng)的有效性進行驗證。

7.2.1 案例簡介

2011 年，央視3 ?15 特別行動曝光了雙匯集團旗下公司濟源雙匯食品有限公司流入了含有“瘦肉精”的生豬。該事件一經(jīng)曝光便產(chǎn)生了重大影響，消費者對食品安全的信任度大大降低。

濟源雙匯食品有限公司主要是對生豬進行屠宰加工，處于產(chǎn)品供應鏈中游，需要與供應鏈的上游供應商對接。雙匯集團方面表示，“瘦肉精”事件的根源在于生豬的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)發(fā)生問題，而問題生豬成功流入企業(yè)也表明了企業(yè)在流通環(huán)節(jié)存在把關不嚴現(xiàn)象。新聞上也有觀點認為企業(yè)內部可能存在以權謀私的問題。因此，為解決上述問題，本文設計了基于區(qū)塊鏈的食品溯源系統(tǒng)。

7.2.2 改進效果

在養(yǎng)殖環(huán)節(jié)，養(yǎng)殖場節(jié)點在錄入信息時，誠實錄入含有瘦肉精等違規(guī)飼料信息后，系統(tǒng)會依據(jù)事先制定好的標準規(guī)則對錄入信息進行檢查，若查出不符合標準規(guī)則，則判定信息無效不能錄入系統(tǒng)；但養(yǎng)殖場若不誠實，在錄入飼料信息中隱瞞了含有瘦肉精成分信息，并經(jīng)私鑰數(shù)字簽名后順利錄入系統(tǒng)。當監(jiān)管部門對含有瘦肉精的生豬進行抽檢時，將被查出含有瘦肉精成分問題，監(jiān)管部門在阻斷問題產(chǎn)品進入消費市場的同時也將對養(yǎng)殖場依法進行懲處。若問題生豬未被抽檢，使得其順利進入下一環(huán)節(jié)與雙匯公司對接，養(yǎng)殖企業(yè)將向雙匯公司交付問題生豬并發(fā)送電子協(xié)議。

在接收交付的生豬時，雙匯公司將對生豬進行檢驗，檢驗合格后發(fā)送電子協(xié)議給養(yǎng)殖企業(yè)，該協(xié)議上附有雙匯公司的數(shù)字簽名，協(xié)議過程經(jīng)系統(tǒng)驗證通過并記錄后，將通過智能合約技術授權雙匯公司對產(chǎn)品相關數(shù)據(jù)進行維護。若檢測中發(fā)現(xiàn)其結果與養(yǎng)殖節(jié)點錄入信息不符，檢測人員將從當前節(jié)點把檢測結果錄入到系統(tǒng)中，系統(tǒng)會及時將問題反饋給監(jiān)管部門，等同于一次快速舉報。

若在檢驗過程中存在疏漏，導致問題產(chǎn)品流入市場，經(jīng)消費者舉報或監(jiān)管部門在市場抽檢中查出，雙匯公司將承擔主要責任，同時可在溯源系統(tǒng)中追蹤到雙匯公司的上游供應商，其隱瞞行為也將受到應有的懲處，由該供應商提供的產(chǎn)品也會及時進行召回，防止問題產(chǎn)品繼續(xù)在市場上流通。

綜上所述，在食品溯源中應用區(qū)塊鏈技術能有效改善食品安全現(xiàn)狀，在實現(xiàn)產(chǎn)品溯源的同時也能起到食品安全危機預警作用，為消費者飲食安全提供強有力的保障。

8 結束語

本文從食品安全角度出發(fā)，選取了在市場中最為常見、價格適中、人們喜愛的豬肉為溯源系統(tǒng)的溯源對象，設計了基于區(qū)塊鏈的食品溯源系統(tǒng)，創(chuàng)新性地引入了食品藥品監(jiān)督管理局節(jié)點對各環(huán)節(jié)出現(xiàn)信息錄入錯誤的節(jié)點提供數(shù)據(jù)變更服務。此外，對發(fā)現(xiàn)可能危害身體健康的食品可依法進行食品召回，防止問題食品進一步流入市場。消費者也可利用食品包裝上的溯源碼對食品進行全流程溯源查詢，使食品買得放心，吃得安心。