數字簽名技術在食品產地溯源中的應用研究

劉 純 劉柱鴻

(湖南安全技術職業學院，湖南 長沙 410151)

食品從生產到運輸，最后經過加工直到端上餐桌，中間的每一個環節都有可能出現各種問題[1-2]，其中所出現的每一個問題都將嚴重影響食品的質量，從而對消費者造成傷害[3]。隨著科技的發展和進步，基于大數據數字簽名技術在食品產地溯源領域被廣泛應用，食品產地溯源技術逐漸成為工業界和學術界的一個重點的研究課題，并且發展形成了一套完整的技術體系[4]。多種多樣的食品產地溯源技術為中國的食品安全及公共衛生事業作出了重要貢獻,有效保護了消費者的根本利益和生命財產安全[5]。隨著移動互聯網、智能傳感器、新一代無線通信等技術的大規模應用，其為人們提供了記錄和分析食品在生產[6]、流通和制作過程中狀態實時變化的能力。食品的各種狀態可以通過結構化的數據來描述，如何對這些數據進行建模和分析，發掘其中的重要信息以支撐食品產地溯源技術的發展尤為重要。以區塊鏈技術為代表的數字簽名技術，具有去中心化[7]、不可修改[8]、保護隱私、安全、高效、成本低等特點[9]，因此非常適合應用于食品的產地溯源等領域中。利用數字簽名技術建立起一套完整的視頻產地溯源體系，不但可以降低各個監管部門的運行成本，更能夠提升食品在生產、運輸和制作過程中其狀態的透明度和可信度。

文章擬針對數字簽名技術在食品產地溯源中的應用展開分析和討論，對數字簽名技術中的“智能合約[9]”“區塊鏈技術[10]”在食品產地溯源領域中應用的細節進行介紹；綜合比較基于數字簽名技術的食品產地溯源技術和基于傳統方法的食品產地溯源技術的差異[11]，并總結國內外對數字簽名在食品產地溯源領域的最新研究進展，從不同角度對具體的實際應用場景進行探討和總結，以期為食品產地溯源技術的發展提供依據。

1 食品產地溯源的基本概念

食品產地溯源一般包括農產品產地溯源和非農產品產地溯源。目前，這兩種類型食品所使用的產地溯源技術差異巨大[12]。農產品產地溯源最常用的是通過分析食品生產地的特殊性指標間接地完成食品的產地溯源[13]。目前，該類型食品應用較成熟的技術手段包括光譜檢測技術、分子生物學檢測技術和質譜分析技術等，這些技術通過產品的具體成分，如揮發性成分、特定同位素含量等指標，并結合相關的物理化學方法對農產品的生產場地進行特征分析，從而完成產地溯源[13]。

非農產品產地溯源的應用范圍比較廣泛，包括奶粉、包裝類食品、速凍食品等[14]。這種類型的食品在傳統的產地溯源模式中，只能靠產品的標簽信息進行信息追溯[15]。在這種信息嚴重不對稱的情況下，極其容易出現仿冒產品，例如號稱是純進口的奶粉，其實是國內的代工產品；但是在這種情況下，消費者難以界定，有可能被宣傳誤導，從而造成一定的經濟損失[16]。即使有些產品具有真實的產地等信息，消費者也難以通過標簽直接判斷食品的質量。

就目前而言，農產品在產地溯源問題上雖然難度較小[17]，但是普通的消費者很難使用各種化學檢驗的方式進行分析；此外，農產品在運輸和制作過程中的狀態難以記錄和分析。非農產品存在嚴重的信息不對稱性，消費者只能通過標簽對食品的產地進行溯源。針對食品產地溯源領域中存在的“信息孤島[18]”以及“信息壁壘[19]”等問題，科研人員引入了數字簽名技術[20]。基于區塊鏈的數字簽名技術可以建立起一套完整的食品產地溯源體系，食品從生產、運輸以及最終的交易信息都可以被完整地保存下來，這些記錄一旦生成將無法被更改，極大地提升了食品的信息透明度[20]。

2 數字簽名的基本概念

人類在很長一段時間內都是以手寫簽名、印章或指模等來確認作品、文件等的真實性，包括認定作品的創作者、文件簽署者的身份[21]，推定作品的真偽或者文件內容的真實性。數字簽名技術用于在數字社會中實現類似于手寫簽名或者印章的功能，從而實現數字簽名的整個過程。數字簽名技術實際上能夠提供比手寫簽名或印章更多的安全保障。一個有效的數字簽名能夠確保簽名的確是由認定的簽名人完成，即簽名人身份的真實性；被簽名的數字內容在簽名后沒有發生任何改變，即被簽名數據的完整性；接收人一旦獲得簽名人的有效簽名后，簽名人無法否認其簽名行為，即不可修改性。

3 數字簽名技術在食品產地溯源中的應用

3.1 智能合約在食品產地溯源中的應用研究

智能合約是數字簽名技術的一種，被廣泛應用于數字貨幣等領域[22]。智能合約是區塊鏈中的一種通用協議，這種協議中包含了一些可執行的代碼；不同的智能合約通過自身的可執行程序，可以與其他的智能合約進行互動，完成信息的存儲[23]。智能合約主力提供驗證及執行合約內所訂立的條件。目前，智能合約技術支持去中心化的交易方式，這種交易可以在沒有第三方參與的情況下進行，并且交易具有公開性和不可修改性[24]。

在食品產地溯源領域，可以將智能合約技術應用于食品生產、流通和交易的各個環節，從而有效地解決“信息孤島”和“信息壁壘”等問題。文獻[23]以進口食品為例，提出了一種基于智能合約的商品產地追溯方案，在完整的交易流程中，主要是由貨物的賣家和貨物的買家達成交易協議而帶動的一系列的交互過程，從而完成主智能合約。與此同時，其他商家交易方可以使用多個子智能合約，一旦達到交易條件，則可以開始執行該項交易流程，執行過程中，所有的操作都將被記錄而無法修改，因此消費者可以通過同一個平臺對其中所有的交易和流通環節進行查看。文獻[25]進一步提出了一種改進的食品產地溯源方案，該方案包含多個智能協議，其中包括一個主合約和多個子合約。交易過程中，需要使用主智能合約完成整個交易流程的聯動工作，因此所有的子智能合約的交易執行不能違背主智能合約的條款。主智能合約與子智能合約之間存在一種鏈式關系，所有的交易和執行信息會通過鏈式的傳遞方式分級發送；因此，交易雙方一旦開始執行，另外的一個賬戶也會受到交易執行的指令。為了完成智能合約的執行，雙方需要同時授權開放，這種多級分布式的合約系統保證了信息記錄的可靠性和穩定性，使不法分子難以對食品產地、交易地點等信息進行篡改，保護了消費者的權益。文獻[26]指出建立在block-chain技術的基礎上，雖然交易雙方互不認識，但是因為block-chain的設計機制，交易雙方不必懷疑對方的信息。智能合約與智能合約之間的執行和交易一般是由事件驅動的，其具體結構如圖1所示。只有當所有子智能合約驗證交易確認完成，主智能合約雙方才可以看到一份“合法有效”的交易，且交易被記錄于特定區塊中，商家可從中獲取賬戶收益數據[27]。

3.2 鏈式結構在食品產地溯源中的應用研究

區塊鏈中的鏈式結構是數字簽名中的一項非常重要的技術。鏈式結構主要分為公有鏈和私有鏈，其中私有鏈式結構可以有效保護交易雙方的隱私，并且交易延遲低、速度快，適用于隱私性較強的食品的產地溯源。文獻[28]設計了一種基于鏈式結構的食品產地溯源系統，該系統利用相對于食品交易的銀行轉賬信息更具有難以偽造性，且每一產品都有唯一與其對應的二維碼，因此對存在公有鏈中的數據進行建模，使用KNN[29]模型來完成食品的產地溯源任務。文獻[30]則以進口乳制品為例，設計了一種基于公有鏈和私有鏈的混合食品產地溯源技術，首先，各個產品生產企業將交易信息以時間戳方式進行記錄，例如乳制品生產時間、生產數量、原材料產地、交易的具體信息等錄入企業的私有鏈中；其次，商家還需要將私有鏈中所記錄的有關商品交易的具體信息再次上鏈至公有鏈中，保持對外公開透明，其流程如圖2所示。產品的買賣雙方均需要對產品的具體交易信息進行記錄和上傳，并在區塊中進行記錄；對于其他的隱私數據可以記錄至私有鏈中，既實現了信息公開，也保證了交易雙方的隱私。實踐顯示，基于混合鏈的食品溯源系統可以更好地保存所有交易的細節信息，更加有助于食品產地的追溯[31]。

圖1 智能合約的交易架構

圖2 基于混合鏈的食品溯源系統

3.3 數字簽名結合生物技術在食品產地溯源中的應用研究

非農業食品的產地溯源領域中，最大的問題是“信息壁壘”和“信息孤島”，但是這一問題在農產品中并不存在。農產品在食品產地溯源領域中最大的問題是存儲和流通之間產生的問題[32]。一旦農產品出現質量問題，具體的責任方無法落實，最后只能由消費者買單。為了解決這一問題，文獻[33]提出了一種基于數字簽名技術和生物技術的食品產地溯源技術，該技術將分子生物學技術與數字簽名技術結合，共同完成了農產品的產地溯源。分子生物學溯源技術主要是運用脫氧核糖核酸(DNA)技術進行溯源, DNA的本質是脫氧核糖核酸, 由于其分子結構排列組成的多樣性, 使不同生物具有不同的DNA結構。DNA是生物的特有屬性,不會因環境的變化而改變, 因其獨特性與穩定性,可作為溯源的依據。根據獲取研究對象的特征DNA,經數據處理建立數學模型,是一種準確、靈敏的溯源技術。將生物學技術檢驗出的結果上傳至區塊鏈中，形成完整的數字簽名，消費者和各級監管部門可以通過數字簽名技術和生物檢測技術的結合更加全面地對食品產地進行溯源。文獻[20]提出了使用核磁共振技術和數字簽名技術完成對白酒、水果、食用油等的產地追溯。

3.4 多種混合技術在食品產地溯源中的應用研究

隨著檢測技術的不斷發展以及農產品內部成分的復雜化[34]，依靠單一的技術已無法實現有效的產地溯源, 越來越多的研究者開始關注多種溯源技術的聯用[35]，以提高食品產地溯源的準確率[36]。不同溯源技術之間可以通過多參數多指標多技術融合的方式進行結合,對數字簽名食品溯源技術[37]、同位素指紋溯源技術[38]、礦物質元素指紋溯源技術[39]、拉曼光譜指紋溯源技術、核磁共振指紋溯源技術、高光譜指紋溯源技術等進行結合使用,充分利用每一種溯源技術的優點,在提高食品產地溯源的準確性上具有廣闊的應用前景。文獻[39]通過提出聯合數字簽名技術和化學分析的方法對櫻桃產地進行追溯，結果顯示，基于混合技術的食品產地溯源方法在判別準確率上遠優于傳統方法。

4 結論

數字簽名技術是一種全新的技術體系，該技術具有去中心化、不可修改、保護隱私、安全、高效、成本低等特點，因此非常適合應用于食品的產地溯源等領域中。基于數字簽名技術的食品產地溯源技術，可以對食品的整個交易流程進行全方位的記錄。由于數字簽名本身具有去中心化等特點，因此可以防止所記錄的數據被修改，保證記錄的安全可靠。文章從數字簽名技術在食品產地溯源領域的應用為出發點，介紹了多種基于數字簽名技術的食品產地溯源方法，分析了各個方法的優缺點和使用場景。