基于區(qū)塊鏈的食品安全溯源信息系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文安興 聞懿帆 唐宇笛 劉升

摘? 要：為了增強(qiáng)食品安全管理效果，實(shí)現(xiàn)食品安全溯源。采用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)一套食品安全溯源Web信息系統(tǒng)。設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)主要有三大功能模塊：一是公眾模塊，公眾可以通過使用手機(jī)移動(dòng)端，掃描食品包裝上的二維碼，查看食品溯源的信息;二是食品商模塊：食品商登錄系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)報(bào)備、食品信息管理、供應(yīng)商管理等操作;最后是管理員模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)信息的管理。該系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)食品安全信息溯源。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;食品安全;去中心化;信息系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TS201.6;TP311.13? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2020）07-0152-04

A Food Safety Traceability System Based on Blockchain

WEN Anxing，WEN Yifan，TANG Yudi，LIU Sheng

（Shanghai University of Engineering Science，Shanghai? 201620，China）

Abstract：In order to enhance the effect of food safety management and realize food safety traceability. A set of food safety traceability Web information system is designed with blockchain technology. The designed system has three main functional modules：first，the public module. The public can scan the two-dimensional code on the food packaging by using the mobile phone，and view the information of food traceability. Second，the module of food supplier：the food supplier log in system to realize the operation of production report，food information management，supplier management，etc. Finally，the administrator module realizes the management of the system. This system can effectively realize the traceability of food safety information.

Keywords：blockchain;food safety;decentralization;information systems

0? 引? 言

黨中央高度重視食品安全問題，2015年新修訂的《中華人民共和國食品安全法》明確規(guī)定：食品生產(chǎn)經(jīng)營者應(yīng)當(dāng)建立食品安全追溯體系，保證食品可追溯。積極運(yùn)用最新信息技術(shù)提供解決方案。中共中央政治局就區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和趨勢(shì)進(jìn)行第十八次集體學(xué)習(xí)，習(xí)近平總書記在主持學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。

作為提供食品溯源信息的平臺(tái)，社會(huì)公眾最關(guān)心的是信息的真實(shí)性。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、可信度高、無法篡改等特點(diǎn)。可實(shí)現(xiàn)食品供產(chǎn)銷過程全程監(jiān)控，讓來源可追溯，去向可查詢，責(zé)任可追責(zé)。

許多專家學(xué)者已經(jīng)就區(qū)塊鏈+溯源系統(tǒng)做出了大量研究，給出了一些解決方案。張誠、劉守臣等基于Petri網(wǎng)理論，圍繞區(qū)塊鏈技術(shù)在物流溯源領(lǐng)域應(yīng)用的實(shí)際情況，分析了冷鏈溯源系統(tǒng)的整體業(yè)務(wù)流程;Imtiaz Hussain等通過研究農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格論述溯源系統(tǒng)的搭建方式。朱桂菊、游達(dá)明等針對(duì)食品供應(yīng)鏈溯源投入的最優(yōu)動(dòng)態(tài)決策與協(xié)調(diào)問題，構(gòu)建微分博弈模型，考察并比較分散式?jīng)Q策和集中式?jīng)Q策兩種情形下供應(yīng)鏈的動(dòng)態(tài)均衡策略與長期最優(yōu)利潤。

運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)建立食品安全溯源系統(tǒng)，必須站在企業(yè)、政府、消費(fèi)者三方的角度綜合考慮，在保障各個(gè)利益相關(guān)方合理權(quán)益的前提之下，重點(diǎn)解決食品市場(chǎng)中生產(chǎn)企業(yè)、加工企業(yè)、銷售企業(yè)和消費(fèi)者之間的信息不對(duì)稱問題。

1? 傳統(tǒng)食品安全溯源系統(tǒng)的不足

1.1? 技術(shù)劣勢(shì)

傳統(tǒng)的食品溯源系統(tǒng)采用的是中心化數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，這種存儲(chǔ)方式在數(shù)據(jù)安全性和真實(shí)性等方面很大程度由數(shù)據(jù)的擁有者決定。在理想狀態(tài)下可以認(rèn)為可通過政府的信用來保管這些數(shù)據(jù)真實(shí)有效不被修改。但是只要數(shù)據(jù)仍具備被修改的可能性，這種風(fēng)險(xiǎn)也就無法避免。當(dāng)利益相關(guān)方所能得到的利益達(dá)到一定程度時(shí)，會(huì)鋌而走險(xiǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)偽造、修改，這種動(dòng)機(jī)無法被真正剪除。

1.2? 逆向選擇與道德風(fēng)險(xiǎn)

從博弈角度上看：逆向選擇在傳統(tǒng)的食品安全溯源系統(tǒng)中問題突出，造成劣幣驅(qū)逐良幣。將食品生產(chǎn)信息上傳到數(shù)據(jù)庫時(shí)，如果企業(yè)在生產(chǎn)活動(dòng)中不盡如人意，企業(yè)有兩種選擇：

（1）上傳真實(shí)的信息，但是可能對(duì)企業(yè)產(chǎn)品的銷售造成負(fù)面影響。

（2）偽造生產(chǎn)信息，可能觸犯造假的風(fēng)險(xiǎn)。

消費(fèi)者作為這些信息的需求者，若是沒有辦法很好地區(qū)分信息的真?zhèn)危覒土P并不強(qiáng)烈時(shí)，信息的供給方就會(huì)傾向于提供虛假數(shù)據(jù)，隱藏自己生產(chǎn)活動(dòng)的實(shí)際情況。久而久之，上傳真實(shí)數(shù)據(jù)的企業(yè)發(fā)現(xiàn)自身的經(jīng)營成本增加，也轉(zhuǎn)而上傳虛假數(shù)據(jù)。最終整個(gè)信息平臺(tái)上充斥了虛假的數(shù)據(jù)。此時(shí)一旦出現(xiàn)食品安全事故，政府出手整治，可能為時(shí)已晚，食品溯源平臺(tái)在社會(huì)公眾中的信譽(yù)降低，久而久之溯源系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)越來越少，用戶也越來越少。

傳統(tǒng)的食品溯源系統(tǒng)在技術(shù)上和博弈結(jié)果上看都不盡如人意。

2? 區(qū)塊鏈?zhǔn)称钒踩菰聪到y(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

針對(duì)傳統(tǒng)食品安全溯源系統(tǒng)技術(shù)上的劣勢(shì)，運(yùn)用去中心化的區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以從根本上解決;針對(duì)利益相關(guān)方博弈時(shí)可能出現(xiàn)的逆向選擇和道德風(fēng)險(xiǎn)問題，則可以起到巨大的改善作用。

2.1? 解決技術(shù)問題

當(dāng)食品的生產(chǎn)、檢驗(yàn)、物流等信息都存儲(chǔ)在一個(gè)去中心化的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)一旦生成記錄，就無法被人為改變。一旦有某一方擅自修改了區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，首先會(huì)造成本地區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的Hash校驗(yàn)無法通過，即使繞過了這一層校驗(yàn)強(qiáng)行進(jìn)行WebSocket廣播，收到該區(qū)塊鏈的其他節(jié)點(diǎn)也不會(huì)選擇同步。

2.2? 改善逆向選擇問題

假設(shè)區(qū)塊鏈?zhǔn)称钒踩菰聪到y(tǒng)由政府主導(dǎo)，當(dāng)建立起一條可靠的食品安全溯源區(qū)塊鏈。政府的工作是進(jìn)行監(jiān)管，且存在監(jiān)管成本。

食品溯源供應(yīng)商上傳信息到溯源系統(tǒng)后，可溯源認(rèn)證標(biāo)簽，可以提升自己的品牌形象并且增加消費(fèi)者的需求。同時(shí)，零售商為了激勵(lì)生產(chǎn)商溯源努力投入的積極性，愿意為生產(chǎn)商承擔(dān)部分或全部溯源投入成本。供應(yīng)商和零售商是信息直接或間接的生產(chǎn)者，為信息生產(chǎn)付出成本，同時(shí)通過溯源系統(tǒng)獲得品牌效應(yīng)。

消費(fèi)者是信息的需求者，消費(fèi)者獲取信息不存在任何成本，消費(fèi)者的決策直接決定零售商和供應(yīng)商的收益。

上述假設(shè)不論是傳統(tǒng)系統(tǒng)或是區(qū)塊鏈系統(tǒng)都可以同時(shí)滿足，而區(qū)塊鏈系統(tǒng)增加了信息無法修改的假設(shè)，對(duì)公眾絕對(duì)公開透明。

對(duì)于政府，信息的不可修改性剪除了政府的監(jiān)管尋租動(dòng)機(jī)。

對(duì)于零售商和生產(chǎn)商（以下合稱企業(yè)）面臨公共關(guān)系危機(jī)時(shí)失去了修改數(shù)據(jù)的解決方案，增加了企業(yè)的危機(jī)成本。這種公開行為類似上市公司公開自己的財(cái)務(wù)報(bào)告，雖然有公司會(huì)選擇財(cái)務(wù)造假，但是在一個(gè)有效的市場(chǎng)下，公眾可以選擇“用腳投票”，出售公司的股票，迫使公司的所有者改變自己的行為。

對(duì)于公眾消費(fèi)者，食品溯源信息作為一種公開的信息，可以以極低的成本被全社會(huì)所共知，加強(qiáng)監(jiān)督，一定程度上緩解了逆向選擇問題。

3? 系統(tǒng)模型

基于以上假設(shè)，給出系統(tǒng)模型的總體框架。區(qū)塊鏈在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)下存放在成千上萬臺(tái)計(jì)算機(jī)內(nèi)部的信息具有不可修改性，是食品安全溯源系統(tǒng)所依賴的數(shù)據(jù)源，食品安全溯源系統(tǒng)是籠罩在區(qū)塊鏈上的一層面紗，幫助社會(huì)各界人士根據(jù)自身的需要更好地利用區(qū)塊鏈上的信息，僅是社會(huì)查看區(qū)塊鏈上信息的一雙眼睛。系統(tǒng)模型框架如圖1所示。

后文將對(duì)食品安全溯源系統(tǒng)的三大子系統(tǒng)做詳細(xì)介紹。

4? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1? 系統(tǒng)功能

該系統(tǒng)分為公眾模塊、食品商模塊和管理員模塊，分別對(duì)應(yīng)著不同的客戶端與系統(tǒng)操作。其中公眾模塊是不需要權(quán)限即可進(jìn)入的。

公眾模塊以WebApp的形式實(shí)現(xiàn)，用戶可以通過微信、瀏覽器、手機(jī)相機(jī)等各種方式的“掃一掃”功能掃描系統(tǒng)產(chǎn)生的二維碼（位于食品包裝上）進(jìn)入本模塊。本模塊會(huì)從服務(wù)器以及任意區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上獲取該食品相關(guān)的信息，包括生產(chǎn)、檢驗(yàn)、物流、生產(chǎn)商許可證。基于高德地圖提供的API，將食品的流通過程標(biāo)注在地圖上使整個(gè)流程更直觀。同時(shí)提供了上述信息所在的區(qū)塊信息，用戶可以根據(jù)區(qū)塊的Hash值，在“查詢區(qū)塊”頁面查詢到該區(qū)塊的信息（包括前一區(qū)塊Hash值、區(qū)塊高度、區(qū)塊內(nèi)容等）;在“查詢節(jié)點(diǎn)”頁面可以查詢網(wǎng)絡(luò)中共同維護(hù)信息的所有節(jié)點(diǎn)，以實(shí)現(xiàn)信息的透明與可信。

食品商模塊以普通Web網(wǎng)頁的形式實(shí)現(xiàn)，同時(shí)支持移動(dòng)端和PC端，兼容IE9以上的瀏覽器。食品商接入系統(tǒng)后可以對(duì)自己公司的產(chǎn)品、生產(chǎn)、工廠、公司等信息進(jìn)行管理，其中，食品產(chǎn)品與工廠的信息添加修改都需要管理員的審核通過，生產(chǎn)信息一經(jīng)報(bào)備便上傳至任意區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，食品商可以在本模塊的教程中學(xué)到如何配置區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)至自己的服務(wù)器以加入網(wǎng)絡(luò)。

管理員模塊的呈現(xiàn)形式與食品商模塊類似。管理員有權(quán)限審批所有食品商的產(chǎn)品以及其工廠信息并監(jiān)控食品商、食品產(chǎn)品、生產(chǎn)信息。管理員亦有權(quán)限將已經(jīng)啟動(dòng)的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。

4.2? 關(guān)鍵功能與算法設(shè)計(jì)

4.2.1? 區(qū)塊鏈底層的實(shí)現(xiàn)

（1）區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與檢驗(yàn)。節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊時(shí)會(huì)先檢驗(yàn)其是否有效，節(jié)點(diǎn)收到區(qū)塊鏈時(shí)則會(huì)遍歷一遍運(yùn)算，驗(yàn)證其Hash值是否正確，若運(yùn)算中斷則說明數(shù)據(jù)有篡改嫌疑，向網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)發(fā)送對(duì)所有區(qū)塊的請(qǐng)求。

在本項(xiàng)目中，區(qū)塊鏈哈希值的運(yùn)算使用SHA256算法。安全散列算法（Secure Hash Algorithm，縮寫為SHA）是一個(gè)密碼散列函數(shù)家族，是FIPS所認(rèn)證的安全散列算法。能計(jì)算出一個(gè)數(shù)字消息所對(duì)應(yīng)到的、長度固定的字符串（又稱消息摘要）的算法。且若輸入的消息不同，它們對(duì)應(yīng)到相同摘要的概率小到可以忽略。

（2）區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)持久化。項(xiàng)目使用LevelDB作為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫，其在億級(jí)別數(shù)據(jù)讀寫上有很好的效率并且基于單文件，即一個(gè)節(jié)點(diǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)庫文件，滿足了節(jié)點(diǎn)需要經(jīng)常遷移、傳輸?shù)男枨蟆?/p>

（3）分布式節(jié)點(diǎn)之間的通信。項(xiàng)目中，一個(gè)節(jié)點(diǎn)占用兩個(gè)端口，一個(gè)為HTTP端口，一個(gè)為P2P端口，節(jié)點(diǎn)間P2P通信基于WebSocket協(xié)議實(shí)現(xiàn)。節(jié)點(diǎn)間通信分為三類：請(qǐng)求最后區(qū)塊;請(qǐng)求所有區(qū)塊;發(fā)送區(qū)塊或區(qū)塊鏈。

（4）區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制。項(xiàng)目區(qū)塊鏈底層的共識(shí)機(jī)制使用PoW（Proof of Work）工作量證明機(jī)制，每個(gè)節(jié)點(diǎn)通過與或運(yùn)算，計(jì)算得到一個(gè)滿足條件的隨機(jī)數(shù)，計(jì)算成功則獲得本次記賬的權(quán)利。每個(gè)節(jié)點(diǎn)設(shè)置有一個(gè)difficulty變量來調(diào)控記賬的難度，保證一段時(shí)間只有一個(gè)節(jié)點(diǎn)擁有合法的記錄權(quán)。在共識(shí)策略上選擇蘊(yùn)含運(yùn)算量最大的鏈，即最長的鏈為有效區(qū)塊鏈。項(xiàng)目中Hash值的規(guī)則為：Hash值前difficulty位必須是0。

4.2.2? MySQL數(shù)據(jù)庫的優(yōu)化

MySQL數(shù)據(jù)庫表優(yōu)化，基本滿足三范式，任何非主屬性不依賴于其他非主屬性，降低了數(shù)據(jù)冗余，提高查詢效率。但有些表內(nèi)也會(huì)增加經(jīng)常出現(xiàn)的關(guān)聯(lián)字段，這樣雖然多占了一些硬盤空間，但提高了查詢速率，這是用空間換時(shí)間。

4.3? 系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)

簡(jiǎn)約風(fēng)格，運(yùn)用了Angular框架，使得界面干凈簡(jiǎn)約。運(yùn)用大量的交互效果提高用戶體驗(yàn)，界面美觀、簡(jiǎn)約大方，在元素設(shè)計(jì)上強(qiáng)調(diào)抽象、極簡(jiǎn)、符號(hào)化，去除了冗余的裝飾效果，突顯出了實(shí)用性的特點(diǎn)，保證用戶信息讀取的高效性。同時(shí)完美兼容了PC端、手機(jī)端等不同屏幕分辨率的設(shè)備。總體而言，基于數(shù)據(jù)庫的食品溯源系統(tǒng)的網(wǎng)頁結(jié)構(gòu)為標(biāo)準(zhǔn)的H5響應(yīng)式布局結(jié)構(gòu)。

公眾模塊掃碼溯源界面如圖2所示。

食品商模塊儀表盤界面如圖3所示。

公眾模塊物流地圖界面如圖4所示。

4.4? 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)在上海工程技術(shù)大學(xué)信息管理與信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室完成了功能測(cè)試和集成測(cè)試，均使用黑盒測(cè)試的技術(shù)。

功能測(cè)試主要測(cè)試公眾、食品商、管理員能否正常使用，如表1所示;集成測(cè)試主要測(cè)試整個(gè)系統(tǒng)業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)是否能正確組合起來使用，如表2所示。

5? 結(jié)? 論

項(xiàng)目基于食品安全問題，本著維護(hù)國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及社會(huì)穩(wěn)定的目標(biāo)，著手開發(fā)信息系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)的興起，改變了人們的生活方式。通過對(duì)食品安全的信任問題的分析，發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的中心化食品安全管理模式存在食品關(guān)鍵安全信息可被篡改的問題，這樣的問題無疑將導(dǎo)致公眾的信任危機(jī)，影響到社會(huì)的和諧穩(wěn)定。因此，開發(fā)的食品安全溯源系統(tǒng)決定使用解決矛盾的關(guān)鍵——基于區(qū)塊鏈的去中心化管理模式。

項(xiàng)目從構(gòu)想到實(shí)施，理論到實(shí)際操作，中間的過程看似簡(jiǎn)單卻又有些曲折。首先需要從宏觀上把握，從整體上構(gòu)思，然后再從局部入手細(xì)致地進(jìn)行業(yè)務(wù)邏輯的分析。在編寫程序的過程中不斷地進(jìn)行討論和完善。不斷地遇到未知的挑戰(zhàn)，這時(shí)候就需要耐心地從不同的角度去進(jìn)行問題的分析，從而盡可能地得出完美的解決方案。

綜上所述，基于區(qū)塊鏈的食品安全溯源系統(tǒng)會(huì)通過不斷的版本迭代和系統(tǒng)維護(hù)，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率與穩(wěn)定性，更好地服務(wù)用戶，更好地保障食品安全的公信度。

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作者簡(jiǎn)介：文安興（1998—），男，漢族，上海人，本科在讀，學(xué)士學(xué)位，研究方向：信息系統(tǒng);通訊作者：劉升（1966-），男，漢族，湖北大冶人，教授，碩士生導(dǎo)師，博士，主要研究方向：智能計(jì)算、群智能系統(tǒng)、進(jìn)化算法。