摘要:目的 研究區(qū)塊鏈技術在食品安全領域,尤其是在生鮮食品冷鏈物流質(zhì)量安全監(jiān)測中的具體應用,以加強食品質(zhì)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(zhì)量安全管理的薄弱環(huán)節(jié),論證區(qū)塊鏈技術的食品冷鏈質(zhì)量安全監(jiān)測適用性基礎上,以區(qū)塊鏈為底層技術構建食品冷鏈質(zhì)量安全信息平臺,研究區(qū)塊鏈技術的創(chuàng)新應用對食品冷鏈質(zhì)量安全管理的提升效果。結果 應用區(qū)塊鏈技術構建了數(shù)據(jù)統(tǒng)一、運營高效的生鮮食品冷鏈質(zhì)量安全信息平臺,對食品質(zhì)量安全信息進行了實時采集,實現(xiàn)了質(zhì)量安全風險即時預警、質(zhì)量安全問題有效溯源,有助于重塑食品質(zhì)量安全生態(tài)系統(tǒng)。結論 區(qū)塊鏈作為分布式賬本、數(shù)字簽名、溯源存證等一系列核心技術的組合,基于區(qū)塊鏈技術創(chuàng)建食品冷鏈質(zhì)量安全信息平臺,能夠強化微生物污染監(jiān)測、縮短食品冷鏈在途時間,并使質(zhì)量安全問題得到有效追蹤溯源,對于加強食品質(zhì)量安全管理、促進生鮮食品供應鏈優(yōu)化有重要意義。
關鍵詞:區(qū)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。產(chǎn)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。依托新技術構建現(xiàn)代冷鏈物流信息共享平臺,實現(xiàn)食品冷鏈各環(huán)節(jié)質(zhì)量安全問題的實時監(jiān)控與及時預警,意義非常重要。當前冷鏈物流信息系統(tǒng)大都采用中心化的解決方案,出現(xiàn)了一系列信任問題。區(qū)塊鏈具有去中心化、信息透明、數(shù)據(jù)不可篡改等特性,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。區(qū)塊鏈在連通農(nóng)產(chǎn)品與食品供應鏈、推動食品供應鏈優(yōu)化、實現(xiàn)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。2019年5月9日,中共中央、國務院發(fā)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(shù)據(jù)分析的食品安全信息平臺,推進大數(shù)據(jù)、云計算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、區(qū)塊鏈等技術在食品安全監(jiān)管領域的應用。文中以食品冷鏈質(zhì)量安全管理薄弱環(huán)節(jié)分析為基礎,論證區(qū)塊鏈應用于食品冷鏈質(zhì)量安全監(jiān)測的技術優(yōu)勢,并對區(qū)塊鏈技術下的食品冷鏈質(zhì)量安全信息平臺及其運作機制進行闡述。
1 食品冷鏈質(zhì)量安全管理的薄弱環(huán)節(jié)
經(jīng)營生鮮食品必須采用冷鏈系統(tǒng),且應保證冷鏈各環(huán)節(jié)緊緊相扣。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(zhì)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?shù)闹黧w,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。市面上現(xiàn)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(chǎn)品之間交叉污染,容易釀成嚴重質(zhì)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(fā)消費環(huán)節(jié)質(zhì)量安全事故的一個源頭。如美國在2020年5月發(fā)生一起因食用冷鏈金針菇而發(fā)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(chǎn)。
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(zhì)和貨架期的關鍵因子,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(chǎn)品質(zhì)量受損。當前國內(nèi)冷鏈物流企業(yè)多數(shù)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(chǎn)地缺乏冷處理相關設施,造成冷鏈中斷。部分冷鏈運輸商在物流環(huán)節(jié)“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(huán)境下。果蔬和水產(chǎn)品等易腐食品在常溫下不僅鮮度下降很快,而且腐敗變質(zhì)也更加迅速。腐爛變質(zhì)的食品會產(chǎn)生黃曲霉素、亞硝酸鹽等有毒有害物質(zhì),流入終端消費市場會誘發(fā)嚴重的質(zhì)量安全事故。
1.3 質(zhì)量安全問題難以追蹤溯源
生鮮食品在物流配送環(huán)節(jié)最容易出質(zhì)量安全問題。當前我國食品冷鏈基礎設施建設落后,生產(chǎn)商、分銷商、物流企業(yè)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(zhì)量安全。冷鏈物流行業(yè)整體的信息化水平較低,大大影響了生鮮食品在途質(zhì)量監(jiān)管的準確性和及時性?,F(xiàn)有食品質(zhì)量追溯系統(tǒng)往往將數(shù)據(jù)存儲在中心化的數(shù)據(jù)庫中,這種集中式數(shù)據(jù)存儲方式會帶來兩方面的問題,一是數(shù)據(jù)篡改問題;二是遭受黑客攻擊或存儲介質(zhì)損壞時,數(shù)據(jù)資料可能損壞。此外,現(xiàn)有食品質(zhì)量監(jiān)管與溯源系統(tǒng)通常針對特定品種在較窄范圍內(nèi)進行質(zhì)量追溯,消費者不能查詢到完整的質(zhì)量安全信息,發(fā)生質(zhì)量安全事故時問題產(chǎn)品也難以被有效追蹤溯源。
2 區(qū)塊鏈技術提升食品冷鏈質(zhì)量安全的機理
區(qū)塊鏈因其擁有分布式記賬、數(shù)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。以區(qū)塊鏈為底層技術建設食品冷鏈質(zhì)量安全信息平臺,有助于強化微生物污染監(jiān)測、縮短食品冷鏈物流在途時間,并助力對質(zhì)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(jiān)測
區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的本質(zhì)是一個公開記賬系統(tǒng),整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運行機制都是公開的,區(qū)塊鏈記錄的信息在多個節(jié)點上均有備份。系統(tǒng)上的所有節(jié)點都能夠通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡接口,對生鮮食品供應鏈上的所有相關信息進行查詢。區(qū)塊鏈上任何數(shù)據(jù)的修改和傳遞都需要各節(jié)點的認證,在秘鑰封裝機制和數(shù)據(jù)封裝機制的協(xié)助下完成加密過程。從種植飼養(yǎng)場地選擇、產(chǎn)品加工過程到運輸銷售等食品生產(chǎn)的各環(huán)節(jié),都以數(shù)據(jù)的形式記錄到區(qū)塊鏈中,并附上時間戳。根據(jù)區(qū)塊鏈上的時間戳,可以確認時間,保障對產(chǎn)品質(zhì)量信息的追蹤。數(shù)據(jù)區(qū)塊由整個系統(tǒng)中具有維護功能的節(jié)點來共同維護,生鮮食品在整個供應鏈中任何一個環(huán)節(jié)發(fā)生被污染的風險時,整個系統(tǒng)都能夠收到報警信息,實現(xiàn)對生鮮食品冷鏈物流過程中微生物污染問題的實時監(jiān)測。
2.2 數(shù)字簽名技術縮短食品冷鏈在途時間
數(shù)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。區(qū)塊鏈采用數(shù)字簽名技術使交易方在無第三方擔保情況下實現(xiàn)互信,實現(xiàn)對產(chǎn)品質(zhì)量的在途、實時監(jiān)測,保障物流倉儲環(huán)節(jié)的產(chǎn)品質(zhì)量安全。數(shù)字簽名規(guī)定兩補的機制,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(shù)字簽名,車輛類型、產(chǎn)品種類、車內(nèi)溫度等信息儲存在公有鏈,同時以私有鏈的形式將簽名發(fā)送到對應的倉儲企業(yè)。驗證機制確保倉儲企業(yè)收到簽名,并將空余倉位信息以唯一的代碼發(fā)回至物流企業(yè)。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)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(xiàn)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(zhì)而誘發(fā)消費端質(zhì)量安全事故的概率。
2.3 溯源存證技術助力質(zhì)量安全問題溯源
區(qū)塊鏈溯源存證技術實現(xiàn)信息流、資金流和物流等要素去中介化的自由流通,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(zhì)量與產(chǎn)地等信息的溯源存證工作。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫中的所有數(shù)據(jù)都能得到及時更新,基于溯源存證技術對數(shù)據(jù)和交易進行確認。數(shù)據(jù)區(qū)塊由具有維護功能的節(jié)點共同維護,交易信息的真實性需要通過所有節(jié)點的共同認證,以消除數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)遭受黑客攻擊的系統(tǒng)性風險。區(qū)塊鏈溯源存證技術為各利益相關方共建產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)據(jù)庫提供技術支撐,質(zhì)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(shù)據(jù)的概率?;谒菰创孀C技術構建質(zhì)量安全溯源系統(tǒng),能夠保障系統(tǒng)穩(wěn)定性與數(shù)據(jù)可靠性,對存在質(zhì)量安全問題產(chǎn)品的批次、產(chǎn)地等信息進行有效溯源。
3 基于區(qū)塊鏈的食品冷鏈質(zhì)量安全信息平臺構建
區(qū)塊鏈技術促使信息技術朝著更加先進和科學的方向邁進。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(yōu)化。以下構建基于區(qū)塊鏈的食品質(zhì)量安全信息平臺(圖1),為實現(xiàn)生鮮食品冷鏈物流質(zhì)量安全的實時監(jiān)測奠定設施基礎。
圖1 基于區(qū)塊鏈的食品質(zhì)量安全信息平臺
3.1 質(zhì)量安全信息采集模塊
質(zhì)量安全信息采集模塊以實時數(shù)據(jù)庫為依托,通過多用戶多畫面、遠程控制設備、系統(tǒng)參數(shù)設置等,實現(xiàn)對食品冷鏈物流數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)。HMI微控器采用Cortex-A8高效能處理器,并自帶即時精簡內(nèi)核的LINUX 操作系統(tǒng)及QTouch2.0跨平臺組態(tài)軟件,通過串口連接RS485 總線上環(huán)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(huán)境溫濕度等數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸方式進行數(shù)據(jù)傳輸。軟件部分使用內(nèi)置的AT指令,通過配置端口號與云端之間進行數(shù)據(jù)傳輸,保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)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(shù)據(jù)傳輸過程進行加密,使冷鏈物流信息在各節(jié)點之間安全傳輸、防止數(shù)據(jù)被非法篡改。結構化數(shù)據(jù)在區(qū)塊中哈希值、Merkle 樹的形式存儲,前后區(qū)塊首尾相接構成相互關聯(lián)的鏈式數(shù)據(jù)集。
3.3 質(zhì)量安全實時監(jiān)測模塊
質(zhì)量安全實時監(jiān)測模塊采用關系型數(shù)據(jù)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(xié)議中設置數(shù)據(jù)存儲標準及范圍閾值。軟件部分通過調(diào)用部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡上的智能合約對數(shù)據(jù)存儲與傳輸效果進行校驗。冷鏈物流及交易信息即時在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中進行廣播,各節(jié)點對上傳數(shù)據(jù)達成共識后,再將經(jīng)哈希算法轉換生成的數(shù)據(jù)打包成區(qū)塊保存到分布式賬本中,最后在區(qū)塊和數(shù)據(jù)之間呈現(xiàn)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(shù)據(jù)庫中。
3.4 系統(tǒng)應用界面
為在系統(tǒng)應用界面形成可視化的系統(tǒng)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(wǎng)站調(diào)用后端服務器提供的API接口,實現(xiàn)用戶注冊、信息采集、信息查詢、實時監(jiān)控等各項功能。在調(diào)用用戶注冊信息時,區(qū)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(zhí)行數(shù)據(jù)維護操作,同時使用公鑰對數(shù)據(jù)信息進行查詢。
4 “區(qū)塊鏈+”食品冷鏈質(zhì)量安全信息平臺運作機制
基于區(qū)塊鏈技術構建食品質(zhì)量安全信息平臺,對食品質(zhì)量安全信息進行實時采集,在保障信息安全、數(shù)據(jù)透明的基礎上實現(xiàn)風險預警、信息溯源,有助于重塑食品質(zhì)量安全生態(tài)系統(tǒng)。
4.1 質(zhì)量安全信息實時采集
生鮮食品冷鏈物流質(zhì)量安全信息的實時采集工作,主要在冷鏈物流數(shù)據(jù)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(shù)字信息,然后將其發(fā)送至數(shù)據(jù)庫中。生鮮食品生產(chǎn)環(huán)境監(jiān)測主要由溫濕度監(jiān)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(chǎn)地信息、品種規(guī)格、貨號批號、生產(chǎn)人員信息等輸送至質(zhì)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(chǎn)品所處環(huán)境溫度。帶有RFID標簽的產(chǎn)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(chǎn)品的位置和溫度信息也會在質(zhì)量安全信息采集模塊的數(shù)據(jù)庫中自動更新。安全信息采集模塊所采集的數(shù)據(jù)需通過區(qū)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(zhì)量安全數(shù)據(jù)結構化存儲
質(zhì)量安全信息采集模塊所獲取的質(zhì)量安全信息,需要經(jīng)過數(shù)據(jù)清洗、數(shù)據(jù)轉換、數(shù)據(jù)儲存、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€步驟的處理,最后在合約層形成結構化的數(shù)據(jù)信息。技術資源模塊將食品質(zhì)量安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)礁鹘K端節(jié)點,通過共識機制的驗證后形成新的區(qū)塊并增加到總區(qū)塊鏈上。各終端節(jié)點硬件及操作系統(tǒng)存在差異,要求存儲和傳輸?shù)男畔⒔Y構完整、格式統(tǒng)一。技術資源模塊的軟硬件設施可自動執(zhí)行數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)轉換操作,通過神經(jīng)網(wǎng)絡、語言分析、圖像和語音識別等智能化技術,將產(chǎn)品在途溫濕度信息、車輛實時監(jiān)控信息、冷鏈物流企業(yè)信息等半結構化、非結構化數(shù)據(jù),轉變?yōu)橐子诒孀R和存儲的結構化數(shù)據(jù)。
4.3 質(zhì)量安全風險即時預警
區(qū)塊鏈智能合約可自動執(zhí)行代碼設計中的原定功能,對超出設定閾值的交易和數(shù)據(jù)自動報警,實現(xiàn)“代碼即法律”的目標?;谥悄芎霞s編寫設計面向冷鏈物流各相關方的數(shù)據(jù)接口,其中面向消費者的接口提供數(shù)據(jù)查詢功能,面向冷鏈物流相關企業(yè)除查詢接口外還增加了數(shù)據(jù)上傳接口。智能合約為終端節(jié)點設計了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結構、閾值及自動判別機制,對包括產(chǎn)品種類、物流運輸、倉儲信息、質(zhì)量信息、交易信息、環(huán)境信息等的鏈上數(shù)據(jù)進行自主審核。食品質(zhì)量安全實時監(jiān)測模塊與信息采集模塊之間通過神經(jīng)網(wǎng)絡技術實時通信,并實時生成并更新指令。通過設定質(zhì)量特征參數(shù)變動的閾值,排除異常數(shù)據(jù)的影響并鑒別出潛在的食品質(zhì)量安全風險事件。區(qū)塊鏈技術下的網(wǎng)絡體系依靠智能合約規(guī)則對食品質(zhì)量安全風險隱患進行快速識別,并在去中心化架構下將質(zhì)量安全信息向所有節(jié)點進行反饋。任意一個在線節(jié)點一旦感應到食品存儲環(huán)境中的溫度、濕度等參數(shù)超出設定的閾值,系統(tǒng)會自動對異常情況進行報警,并通過智能合約中的規(guī)則,對質(zhì)量安全隱患及異常狀況采取應急防范措施,降低食品質(zhì)量安全風險。
4.4 質(zhì)量安全信息有效追溯
應用界面為各終端節(jié)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(jù)設定的權限登錄到界面,依據(jù)權限等級,執(zhí)行信息錄入維護或檢索查詢等操作。生產(chǎn)企業(yè)對相關產(chǎn)品的種植養(yǎng)殖信息、園區(qū)環(huán)境、水源狀況、包裝與溯源信息等進行維護。物流企業(yè)將產(chǎn)品備案、倉儲運輸及分裝信息等實時上傳至區(qū)塊鏈,并即時查詢上下游的供應與需求情況。分銷商發(fā)布采購意向、詢價情況以及其他交易信息,同時查詢產(chǎn)品產(chǎn)地、規(guī)格、存儲條件、質(zhì)量狀況等。零售商則可實時進行詢價、發(fā)盤、接單及訂單處理等操作,同時對所售產(chǎn)品質(zhì)量情況及索賠信息進行即時維護。鏈上各節(jié)點之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)即時互聯(lián)互通,克服了傳統(tǒng)物流信息平臺普遍存在的數(shù)據(jù)壁壘等問題,確保食品質(zhì)量安全信息能夠有效得到追溯。在發(fā)生食品質(zhì)量安全事故時,監(jiān)管人員可以第一時間通過區(qū)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(xù)處理。區(qū)塊鏈技術下的食品質(zhì)量安全信息監(jiān)測平臺,由于采用了去中心化的網(wǎng)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(zhì)量安全數(shù)據(jù),并對質(zhì)量安全信息進行實時反饋,在食品質(zhì)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(xiàn)代信息技術對質(zhì)量安全信息進行實時監(jiān)測及風險預警,是保障食品質(zhì)量安全的關鍵舉措?;趥鹘y(tǒng)技術構建生鮮食品物流信息平臺,存在數(shù)據(jù)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(qū)塊鏈以其體系架構去中心化、交易流程透明、數(shù)據(jù)不可篡改等技術特性,與食品質(zhì)量安全信息監(jiān)測平臺有很高的契合度。文中應用區(qū)塊鏈分布式賬本技術、數(shù)字簽名技術及溯源存證技術,構建生鮮食品質(zhì)量安全信息監(jiān)測平臺,對食品質(zhì)量安全信息進行實時采集并轉換成結構化數(shù)據(jù),實現(xiàn)質(zhì)量安全風險的即時預警及質(zhì)量安全信息的有效追溯,在食品質(zhì)量安全管理領域做出拓展性研究。