基于區塊鏈的食用菌質量安全溯源系統設計

羅 奇，萬 同

（1.武漢體育學院 體育工程與信息技術學院，湖北 武漢430079；2.武漢體育學院 研究生院，湖北 武漢430079）

近年來，隨著我國社會經濟發展戰略的實施，國家經濟發展已經步入了高質量發展的階段，人們對高品質生活的要求越來越多，對各類農產品、食品的安全問題關注度逐年提高[1]。對于消費者來說，各類農產品的安全放心是基本要求，而提升農產品的質量也日益成為了人們對高品質生活的新要求。但近年來農產品和食品的安全問題頻發，從國外的“瘋牛病、禽流感”到中國的“毒奶粉、瘦肉精”，不斷出現的食品危機事件已經時刻為人們敲響了警鐘。

歐盟為此在1990 年左右提出了最早的食品安全追溯體系，以應對“瘋牛病”監控牛肉產品的質量安全問題，隨后日本、美國先后推出了一系列的水產品、糧食、食品藥品等溯源系統[2]。我國在2002年開始探索使用溯源技術，逐步完善對農產品、食品的安全質量監控、溯源規范等，先后制定了《產品可溯源性統一規范》《農產品溯源信息標識與編碼技術》等規范制度[3]。2005 年，北京在全國率先實施了蔬菜分級包裝和質量可溯源制度，開設了農產品溯源體系建設的先河。作為蔬菜產品的一個門類，食用菌質量安全溯源也可以參考已有的成功經驗，借助當下先進的計算機技術來實現更加科學完善的安全追溯體系，推動食用菌行業的發展。

1 食用菌質量安全溯源系統現狀

食用菌作為一種可供食用的菌類，在我們日常生活的食品供給中是一個重要的門類。我國已經成為世界上最大的食用菌生產國，年產量達2 000 多萬噸。食用菌產業的發展也從原來的農戶分散生產逐步向農業合作社生產轉變，而且隨著現代農業的發展，產業的主體更是向著大型工業化生產轉變，食用菌已成為市場潛力巨大的農產品產業[4]。

在食用菌的產業鏈中，從其生產加工到銷售，從基地到餐桌的過程中，也會存在諸多質量安全問題，在人們對食品安全問題的日趨重視的今天，食用菌產品也需要有一整套質量安全追溯體系[5]，以便從生產的源頭進行質量把控，全過程跟蹤，可隨時進行信息追溯，對產業鏈的每一個環節進行科學管理和監督，從而保障食用菌產品的質量和安全。

但食用菌質量安全追溯是一項十分復雜的工作，傳統的追溯體系還不能完全彌補溯源安全漏洞。一方面，目前的各項監督體系和保障機制還不完全可靠，監管上還有漏洞；另一方面，溯源技術本身還存在有缺陷，信息共享和存儲等方面還有安全隱患，存在一些問題。

1.1 生產過程不可控制，監控機制缺乏可執行性

從研發到生產，從加工到運輸銷售，任何一個環節都有造假的可能，所涉及的制造商、供應商、銷售商等眾多人群也難保在利益驅動下鋌而走險。食品質量安全溯源系統設計的初衷就是為了防范這種風險，對供應鏈的各個環節進行監控，本質上是為了防止造假，但在實際執行時，監督往往不能落實，如生產者本身就是監控信息的錄入者，而消費者又無法參與到具體的產品生產環節，溯源系統自身技術上缺乏有效的監督機制，不能從根本上解決誰來監督的問題。

1.2 溯源體系內部信息共享交流困難，缺乏統一的信息標準

盡管在整個食品的供應鏈上各個環節都有相應的溯源系統來保障追溯的可行性，但每個環節都自成體系，為了各自的利益或保密等原因，不愿意給上下游環節過多的信息，信息共享和交流更是無從談起。例如生產環節的企業建立了自己的生產信息管理系統，這個系統能夠實現本企業的規范化管理，涉及了生產過程的全流程，這些信息是不可能與后續的物流銷售企業共享，這其中當然也涉及了安全和保密方面的問題，同理，其它企業也不可能將自己的信息與供應鏈上的其它企業共享，企業本身無法確定那些信息是屬于供應鏈或者說溯源系統所必需提供的，那些是需要保密內部獨享的。

在溯源體系中雖然規定了產品信息共享的要求，但信息之間的交流共享還存在實際上困難，如A 企業的生產管理系統采用的是關系型數據庫存儲信息，而B 企業的銷售信息確使用Excel 文件系統存儲信息，雙方共享信息還必需通過第三方工具來實現互通，光是處理這些異構數據就是一項耗時巨大的工作，當出現食品安全問題時，也會增加追溯的時間和效率。

因此，溯源體系在信息共享方面存在技術上的困難，統一信息標準在實際操作上不具備可行性。

1.3 溯源系統提供的信息單一，數據的可信度低、公信力不足

一般溯源系統都提供了大量消費者查詢功能，但只能查詢到農產品生產者的信息，如產地、生產商等，而對消費者真正關心的農產品生產加工過程等自身信息少有提供，消費者看不到有用的信息，參與溯源的積極性不高。而由于沒有提供全過程溯源信息，掃碼查詢實質上只是企業的防偽措施，并不能提供全程溯源信息。

同時，由于溯源系統的數據錄入過程人工操作較多，失誤率較高，錯誤數據無效數據會降低數據的可信度。而一些不良企業非法更改采集數據、人為設定參數，修改數據庫日志和記錄，回收盜用標簽信息，更使人們對溯源信息的產生了不信任，溯源數據的可信度和公信力不足，已經危及到了整個溯源體系的根基。

2 食用菌質量安全溯源系統中的區塊鏈技術

2.1 區塊鏈技術原理

區塊鏈技術的是一種對所有人公開的分布式帳本[6-7]，也可以看成是一種沒有刪除和更新功能的分布式數據庫。前者實現了區塊鏈技術的去中心化核心功能，后者實現了區塊鏈數據共享和安全存儲。

區塊鏈采用一種有序鏈式數據結構存儲，主要包括區塊和交易2 種數據載體。其中區塊包括了自身的哈希值和前一區塊的哈希值，用于與前一區塊和后續區塊之間進行鏈接。由于哈希值是區塊數據邏輯運算得到的數值，不同的區塊擁有各自不同的哈希值，因此哈希函數加密保障了數據的安全性，同時，區塊中還封裝了時間戳，用于記錄數據隨時間推移的每一變化，一旦某一區塊的數據改變（如篡改數據，添加新數據等），由于包含了前一區塊的哈希值，這個變化會引起后續所有區塊哈希值的變化，即后續區塊需要重新進行計算哈希值，對于現代的計算機來說哈希值的計算可以在瞬間完成，即數據改變后可以高效地重新形成一個新的區塊鏈，因此，哈希值還不足以防止數據篡改，為此區塊鏈采用了一種“工作量證明”的機制，用于延緩數據改變速度，大約是每一個區塊數據哈希值的改變需要10 分鐘左右的時間，這對于一個足夠長的區塊鏈來說幾乎是不可能完成的任務，因此在區塊鏈技術中，數據是不可能被篡改的。

區塊鏈采用的第二種安全保障機制就是分布式數據存儲[8-9]，區塊鏈沒有一個中心來管理數據鏈，其主要是利用P2P 網絡隨時添加用戶節點，新節點一旦加入就得到整個區塊鏈的副本數據，當新區塊成功添加到某一節點后，所有的節點都會得到這個最新的區塊，而且每個節點都會校驗這個新區塊是否被篡改，如果沒有那每個節點就都會形成一個新的區塊鏈，所有節點的數據都必需保持一致，如果有一個節點的區塊數據被篡改，那這個篡改過的區塊會被其它節點拒絕，除非篡改區塊鏈上幾乎所有的區塊，進行每個區塊的“工作量證明”計算，而且還要控制P2P 網絡中50%以上的節點。這在現實中是不可能實現的。

綜上所述，區塊鏈技術應用時間戳實現了數據溯源，對數據的產生及其隨時間而變化的過程進行了真實記錄，提供了溯源系統所需要的完整交易記錄和全過程追溯；同時，區塊鏈本身的不可篡改性，能夠有效支持溯源中的數據可靠性和安全性；而區塊鏈的分布式數據存儲、透明化呈現和數據共享機制，十分契合溯源系統數據的可信度和公信力要求。

3 基于區塊鏈的食用菌質量安全溯源系統設計

3.1 設計思路

基于區塊鏈的食用菌質量安全溯源系統設計思路是，利用區塊鏈技術區塊鏈條記錄每一個環節的溯源信息，利用區塊鏈時間戳記錄時間順序，從而實現對食用菌從研發到生產加工，從運輸到終端銷售的全周期全流程進行記錄；同時，利用區塊鏈的去中心化特征和數據的不可篡改的特征，對食用菌整個生命周期的信息進行區塊分布式存儲。整個食用菌生命周期鏈條上的各個環節就是區塊鏈上的節點，每個節點的成員可以通過個自的私鑰來進行信息查詢和反饋。區塊鏈技術的安全機制本身能夠保障食用菌溯源全流程中的數據安全性和可靠性。

3.2 總體構架

區塊鏈的食用菌質量安全溯源系統總體設計分三層架構，數據應用層、數據管理層和數據采集層，如圖1 所示。

由圖1 可知，數據應用層主要為消費者和銷售商等成員提供溯源信息查詢功能；數據管理層主要是對區塊鏈存儲系統、各類電商平臺的數據存儲和運維；數據采集層將生產加、物流、銷售等數據通過傳感器或APP 等終端軟硬件采集設備進行上傳。

在數據應用層，消費者不僅能夠查詢到供應鏈上各個生產企業信息，還能查詢生態環境監控數據，當然也包括食用菌從菌種研發、生產加工到銷售各個環節產品信息的變化情況，如冷藏時的溫控數據、加工中是否進行滅菌處理等。

在數據管理層，包括電商平臺的數據和溯源管理系統數據。整個溯源管理系統數據采用區塊鏈技術進行區塊化存儲，區塊中存儲有時間戳實現全流程數據追溯，并按照區塊鏈共享機制溯源信息對全體用戶透明化呈現。如某銷售商想要延長快要到期食用菌的保質期，但由于區塊鏈技術的約束機制，原始錄入的生產日期、保質期等無法篡改或刪除，只能眼看著到期下架。電商平臺上架交易等數據與溯源區塊存儲數據建立對應關系，通過電商交易數據與區塊鏈數據的映射關系保障整個溯源系統數據的一致性。

在數據采集層，整個供應鏈上的數據采集通過傳感器和網絡進行傳輸，區塊鏈去中心化的特點使得數據采集造假難以實現。如某中間商想把國產蘑菇冒充進口產品，由于在供應鏈上無法篡改信息，于是想在供應源頭數據采集時造假，但供應源頭的數據采集也不是某個特定的人單獨能夠完成的，工商部門會認定源頭企業的性質就是“中國企業”，提供菌種的科研院所也會證明蘑菇的身份，菌棒生產企業也能夠說明該蘑菇的產地，因此源頭造假在區塊鏈技術上也是無法實現的。

3.3 主要業務流程

從上述溯源系統的3 層架構可以看出，區塊鏈技術對食用菌質量安全溯源系統的支撐是全流程全周期的。業務流程上主要實現了全流程監控，從菌種研發到菌棒繁育、再到栽培生產加工、保鮮儲存和物流銷售等全供應鏈的業務流程管理。

系統在溯源機制上實現了三向溯源機制，首先對供應鏈涉及的各個生產企業信息追溯，如對菌種提供商、生產企業的規范化信息溯源、對物流公司冷鏈運輸溫控、貨運信息的追溯等；其次對食用菌產品自身信息的追溯，如食用菌的接種、滅菌、生長周期、農殘等指標的追溯；最后還有對菌種研發、菌棒繁育和栽培生產這3 個關鍵品控環節的生態環境數據追溯，如菌種研發繁育時的水源水質檢測數據、土壤、空氣溫濕度等周邊環境數據的追溯、生產環境中的光照、溫濕度、用藥等數據的追溯。

從系統的業務流程來看，底層的數據采集由于采用了3 向溯源機制，數據的全面性得以保證，這對溯源系統各項業務的規范化管理也提供了幫助；數據管理層將生態環境、供應鏈企業、食用菌產品3 方面的信息進行區塊化存儲，去中心化的分布式存儲方式，一方面解決了傳統溯源系統中的數據可信度問題，另外一方面也保障了數據的安全性。同時，區塊鏈存儲的數據庫沒有更新、刪除操作，從技術層面有效地防止了信息篡改，保證了溯源系統信息的真實性，從技術層面解決了溯源數據造假問題；在數據應用層，消費者可以通過掃碼的方式進行查詢，查詢的內容包括了食用菌的生產源頭信息、加工物流信息等全流程溯源數據；還包括了當時的空氣、土壤、水質等環境溯源數據；還有傳統溯源系統提供的生產供應商信息。

4 結論

區塊鏈技術十分適合在食用菌安全溯源系統中應用，其去中心化分布式存儲方式、數據的不可篡改特征，為食用菌溯源系統的運行提供了可靠的技術支撐。但從區塊鏈技術的原理上也不難看出，區塊存儲數據也不是絕對安全，目前應用在食用菌質量安全溯源系統還處于理論探索階段，具體的實施還需要后期從系統設計和底層技術兩方面努力，真正實現食用菌的溯源安全管理體系。