基于區塊鏈的寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源系統研究

摘 要：文章針對寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源系統在供應鏈環節出現的產品質量參差不齊、存在有害健康的添加劑和“假冷鏈”運輸等情況，以及單鏈溯源系統存儲負荷重、并行能力弱等缺點，在分析寧鄉花豬肉冷鏈物流流程的基礎上，結合供應鏈中的養殖、加工、檢測、運輸、交易等環節，設計了隱私鏈、共享鏈、監管鏈與溯源鏈等多鏈共存的主體鏈，搭建了涵蓋數據感知層、數據預處理層、網絡傳輸層、區塊鏈存儲層、智能合約層、應用服務層、監管審計層與交互展示層的8層框架結構，實現了對寧鄉花豬肉從養殖到銷售全過程的追溯與監管，能夠確保產品信息的全過程透明化，提高消費者對所購買產品質量安全的信任度，促進市場的良性發展。

關鍵詞：區塊鏈；寧鄉花豬肉；冷鏈物流；溯源

中圖分類號：F326.6；TP311.13 文獻標志碼：A DOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.22.037

Abstract： In view of the uneven product quality， harmful additives and "fake cold chain" transportation issues in the supply chain links of the Ningxiang pork cold chain logistics traceability system， as well as the shortcomings of the single chain traceability system， such as heavy storage load and weak parallel ability， on the basis of the analysis of the cold chain logistics process of Ningxiang pork， and combined with the five links in the supply chain， such as breeding， processing， testing， transportation and trading， this article designs the main chain with multiple chains such as privacy chain， sharing chain， supervision chain and traceability chain， builds the eight-layer framework structure of data perception layer， data preprocessing layer， network transmission layer， blockchain storage layer， intelligent contract layer， application service layer， regulatory audit layer and interactive display layer， and realizes the traceability and supervision of Ningxiang pork from breeding to sales， in order to ensure the transparency of the whole process of product information， improve the consumers' trust in the quality and safety of the products they buy， and promote the benign development of the market.

Key words： blockchain; Ningxiang pork; cold chain logistics; traceability

收稿日期：2024-04-23

基金項目：2022年度湖南省自然科學基金“基于區塊鏈技術的生鮮農產品質量溯源系統開發與研究”（2022JJ60068）的階段性成果

作者簡介：袁 鑫（1982—），女，湖南長沙人，湖南商務職業技術學院，高級電子商務師、國家信息項目管理師、教授，碩士，研究方向：職業教育、電子商務、移動商務、區塊鏈。

引文格式：袁鑫．基于區塊鏈的寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源系統研究[J]．物流科技，2024，47（22）：146-149，159.

0 引 言

地理標志即農產品的產地標志，由“地域名+產品名”組成，是中國農業農村部認可的國家級區域公用品牌，受專門保護。湖南省作為我國的農業大省，素有“魚米之鄉”“九州糧倉”的美譽，盛產各種特色農產品。截至2023年3月，湖南省共有地理標志316個，地理標志的地域范圍覆蓋14個市州111個縣市區[1]。其中獲評“地理標志保護產品”的湖南農產品特產有126種[2]。來自湖南省長沙市的“寧鄉花豬”，于2010年3月25日被中華人民共和國農業部批準實施農產品地理標志登記保護。在2022年中國品牌的價值評估中，“寧鄉花豬”品牌價值高達52.4億元，標志著這一特色產業又邁上了新的發展階段。近年來，雖然監管與懲罰機制已得到進一步完善，也加大了管理力度，但市場上的豬肉品質仍參差不齊，農貿市場鮮豬肉經營戶涉嫌銷售未經檢疫的鮮豬肉的違法案例已屢見不鮮，飼養過程中大量添加瘦肉精等有害人體健康的物質，物流運輸中存在“假冷鏈”等情況，給生豬產業帶來了一系列挑戰與問題，這些問題的存在使消費者無法信任產品的品質與安全，對“寧鄉花豬”的品牌價值造成了不小的影響。

課題組在知網上以“寧鄉花豬”為主題進行檢索，共獲取68條文獻記錄，其中包括8篇碩士論文，分別對肉質特性、保鮮技術、生態養殖、品牌建設等進行了分析與研究。湖南農業大學的劉浩波在2010年指出要對“寧鄉花豬”養殖戶和企業進行全過程質量管理，對每一個環節實施嚴格的質量控制，使用各種手段，加強防偽，進行品牌維護[3]；中南林業科技大學盧亞洲2022年認為長沙市花豬產業的信息化對花豬產業的發展具有顯著的正向影響，但在發展過程中存在信息化建設體制不健全、基礎設施建設不夠完善、專業人才隊伍建設嚴重滯后、從業人員信息化操作能力較弱等問題[4]。課題組發現對寧鄉花豬冷鏈物流溯源系統問題的研究匱乏，試圖通過區塊鏈技術實現信息公開透明與溯源技術升級，開發并實施冷鏈物流溯源系統，有效提升消費者對品牌市場的信任度，促進“寧鄉花豬”品牌的長遠發展，為湖南“湘字號”品牌強農戰略的實施提供助力。

1 冷鏈物流與區塊鏈技術理論

1.1 豬肉產品供應鏈特性與冷鏈物流過程

冷鏈物流（Cold Chain Logistics）是指在應用冷凍工藝學與制冷技術的基礎上，對蔬菜、水果、肉、禽、蛋等需要冷藏冷凍來保鮮的食品，在生產、流通、銷售和消費等供應鏈環節進行低溫控制與管理，從而最大限度保障食品的新鮮度，減少因為保存時間過長造成產品變質等損耗，為消費者帶來極佳的食物體驗。

豬肉產品供應鏈存在運營成本高、部門協調多、時間要求急等基本特性。運營成本高體現為豬肉從生產、養殖、加工到銷售等全過程都離不開各種專用設備與環境的使用與搭建，為確保豬肉的質量安全，生豬在生長與養殖過程中需要應用物聯網、傳感器、檢疫設備等智能系統，豬肉從生產到銷售都離不開各種冷藏保溫設備，系統開發與設備配置等需要極高的人才、物力與財力投入。部門協調多體現在隨著物聯網、人工智能與大數據技術的發展與智慧養殖方案的推進，豬肉產品供應鏈涉及的部門和人員越來越多了，從而產生了更為復雜的協調溝通工作。比如豬肉的流通環節包括種豬的運送、生豬屠宰場的運送與各銷售點的運輸。其中生豬運輸屬于活體運輸，需要注意氣溫變化及路程長短，車程過長會使豬出現應激反應或掉膘的情況；豬肉運輸與配送主要指從屠宰場把加工后的豬肉經各級流通環節，運輸到銷售點，為保證豬肉的品質，需要各部門人員積極配合，建立完善的溫度檢測管理制度與信息交接制度，方便上下游供應鏈及時獲取準確信息。時間要求急體現為豬肉產品的高品質具有極強的時限性，上游哪一個環節出現了差錯，都會影響下游供應鏈環節的產品質量，負責豬肉物流的企業與人員需嚴格控制運輸時間，遵守冷鏈物流的操作規則，建立安全、高效的冷鏈物流系統，縮短交易流程，提高物流時效。

豬肉產業供應鏈主要包括養殖生產、屠宰加工、配送運輸、銷售四個流程[5]，每個環節都有各自的操作規范與制度。冷鏈物流把豬肉加工、包裝、運輸、銷售這四個環節串聯在一起，形成了一條完整的豬肉冷鏈物流體系，如圖1所示。

豬肉加工后運輸前，要在-28℃的冷凍環境下貯藏，將冷藏運輸車儲存部分的溫度控制在-10℃以下。然后在運輸中途與轉移交貨的過程中，使豬肉持續保持冰凍狀態，直至到達消費者手中。整個過程要對存儲環境、運輸車駕駛員、運輸車編號、運輸車倉溫度、出入庫時間等做好數據交接與及時記錄。在圖1所示的豬肉冷鏈物流結構中，豬肉養殖成熟后，主要經過三種冷鏈物流運輸方式。第一，生豬被物流運送到屠宰場進行加工處理，直接配送運輸至超市與農貿市場等，最后被消費者買走；第二，豬肉送至食品加工企業，制作成肉干、肉脯等食品，配送運輸至超市與農貿市場等[6]，最后到達消費者手中；第三，豬肉經過中間商、供應商等環節，不經過配送中心，輸送至超市與農貿市場，最終到達消費者手中[6]。無論是哪一種，豬肉的冷鏈物流結構都不算太復雜，降低了后續溯源系統設計與開發的難度[6]。

1.2 區塊鏈技術

區塊鏈技術包含分布式賬本和智能合約這兩個關鍵特性。分布式賬本的特點就是每個節點都處于透明狀YwWptpc/xT5rOI7v1PERDg==態，且可以被正向追蹤與反向溯源；智能合約的特點是公開透明與不可篡改。相比于傳統的中心化數據庫，利用區塊鏈存儲信息，可有效降低數據丟失率，且數據不易被篡改，每個節點都會存儲一份信息，其他節點不能對該節點的數據進行增加、刪除或修改。區塊鏈技術能夠被廣泛應用到溯源系統中，也歸結于其信息傳輸快與拓展性強的能力，能夠與各行各業的需求靈活結合，構建不同的應用場景。

區塊鏈的基本存儲單位是區塊，各區塊一般由區塊頭與區塊體構成，為防止資源浪費和DOS攻擊，其大小一般控制在1M以內。區塊頭中是該區塊的元數據，比如區塊的版本號、時間戳、上一個區塊的哈希值等，其中Merkle樹根節點是最重要的內容，可以保護區塊中的交易數據免受篡改或刪除。每個區塊都包括上一個區塊的哈希值，若有一個信息出現變化，此后的每個區塊的哈希值都會出現相應的變化，所以在區塊鏈中私自修改某一個環節的數據幾乎是不可能的。區塊體包含該區塊中的交易信息，主要有交易信息與數字簽名，數字簽字一般需要交易付款人用私鑰對交易進行簽名。基本結構如圖2所示。

區塊鏈一般分為公共鏈、私有鏈與聯盟鏈[7]。不同類型區塊鏈的適用范圍也不同，公共鏈適用于訪問量不大、數據處理速度要求不高的系統，用戶可以隨時讀取系統信息；私有鏈適用于企業內部進行數據存儲、訪問與管理，一般只有擁有權限的企業內部工作人員才能訪問，不具有開放性；目前溯源系統主要使用聯盟鏈來構建，具有權限的上下游企業可以進行系統管理，具有區塊鏈去中心化的特點。

1.3 區塊鏈技術解決豬肉冷鏈物流溯源問題的優勢

傳統的豬肉溯源系統存在數據真實性缺乏監管、企業協同難以實現、隱私數據安全性低等一系列問題，且只能運用于生豬企業內部，無法形成上下游企業協同實施的環境。此類系統一般采用中心化管理策略，企業內部可以輕易修改各類數據，企業之間的終端用戶彼此隔離，無法獲取全面、可靠且能公開透明的產品信息，導致發生食品安全事故時，無法第一時間追溯到導致問題的環節，盡快找到解決方案。而區塊鏈技術應用的去中心化、數據不可篡改、公開透明等特點，剛好彌補了傳統生豬溯源系統存在的不足。

2 基于區塊鏈的寧鄉花豬冷鏈物流溯源方案設計

2.1 溯源體系模型設計

2.1.1 平臺選擇

聯盟鏈典型的代表有Linux基金會支持的超級賬本（Hyperledger）項目、R3區塊鏈聯盟開發的Corda，以及趣鏈科技推出的Hyperchain平臺等。其中，Hyperledger Fabric是一個具備創建多通道能力的區塊鏈框架，能為不同溯源主體設置不同權限提供便利，且能利用跨鏈技術實現各條主條鏈之間的數據共享，有效解決網絡速率、隱私保護、權限共享、可信溯源等功能需求[7]。本文所研究的寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源系統就采用Hyperledger Fabric作為區塊鏈開發平臺。

2.1.2 設計思路

豬肉全產業鏈包括生豬的出生、生長、飼養、屠宰、批發、分割、物流、零售等多個關鍵環節，涉及的生產單位有豬場、物流公司、屠宰場、批發商、門店、超市等。寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源主要包括六個交易主體，分別為養殖方、屠宰加工方、物流公司、銷售單位、消費者以及監管機構，每個交易主體都是區塊鏈網絡的不同節點。通過分析關鍵環節的不同生產單位，拆解豬肉冷鏈物流結構，可以將流程分為養殖、加工、檢測、運輸、交易這5個環節，養殖發生于養豬過程，加工發生于屠宰與處理過程，檢測發生于獨立主體上傳數據、不同主體間的數據對接和冷鏈物流過程，運輸環節全程屬于冷鏈物流，交易則發生于養殖方與加工方、加工方與配送方、配送方與商超等交易主體之間。在基于區塊鏈的寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源系統中，考慮到傳統單鏈溯源系統存在存儲負荷重、并行能力弱等缺點[7]，結合“寧鄉花豬肉”供應鏈業務流程，設計多鏈并存結構。如圖3所示。

第一步：養殖場數據采集。該環節可以確保從生豬出生到成長過程中的所有數據都得到完整、準確的記錄，并能夠實時上傳到系統。這些數據包括唯一標識符、飼養記錄、健康狀況、生長曲線、環境數據等。每頭豬出生時都會被分配一個唯一的標識符，例如電子標簽或耳標。該標識符將伴隨這頭豬的一生，用于在區塊鏈上標識并追蹤其所有相關信息。飼養員會定期記錄每頭豬的飼養情況，包括飼料種類、投喂量、投喂時間等。這些數據可以通過手持設備或自動化系統實時上傳至養殖鏈。豬的健康狀況是關注的重點，因此會對其進行定期體檢，并記錄其體溫、體重、疫苗接種情況等信息。若豬出現疾病或異常情況，會立即記錄并采取相應的治療措施。為了解豬的生長情況，需要定期測量豬的體重、體長等數據，并繪制生長曲線，這些數據有助于飼養員判斷豬的生長速度和健康狀況。養殖場內會安裝傳感器來監測環境數據，如溫度、濕度、氨氣濃度等。這些數據能夠反映豬的生活環境是否適宜，并實時上傳到系統以供分析。養殖場采集的所有數據都會通過智能合約上傳到系統。智能合約能夠確保數據的真實性和不可篡改性，因為一旦數據被上傳至區塊鏈[8]，就無法被修改或刪除了。

第二步：屠宰加工處理。這個環節主要記錄屠宰、處理、分割等加工過程的信息，包括屠宰時間、加工人員、處理工藝等。屠宰場和加工廠作為節點，可將加工過程中的關鍵數據上傳到系統。

第三步：豬肉質量檢測。這個環節采集的數據主要分為疫病檢疫、藥物殘留、瘦肉精等添加劑與環境污染物等四類檢測數據，其中疫病檢疫檢驗數據是對生豬進行疫病檢疫，記錄檢疫結果、檢疫時間、檢疫人員等信息，確保進入加工環節的生豬無疫病問題；藥物殘留檢測數據是對豬肉進行藥物殘留檢測，并記錄檢測結果、檢測時間、檢測方法等信息，確保豬肉中無超標藥物殘留；瘦肉精等添加劑檢測數據是對豬肉進行瘦肉精等添加劑的檢測，確保豬肉的質量和安全符合相關標準；環境污染物檢測數據是對加工環境進行污染物檢測，如重金屬、微生物等，確保加工環境符合衛生標準。

第四步：冷鏈物流運輸。這個環節記錄了豬肉從養殖場到加工廠、再到銷售點的冷鏈物流運輸信息，包括運輸時間、溫度記錄、車輛信息等。物流公司或運輸車輛作為節點，會實時上傳運輸過程中的數據。為確保運輸過程安全且衛生，物流公司還會定期對運輸車輛進行清洗和消毒，并對運輸人員進行培訓和監督。這些措施旨在減少潛在污染源，確保豬肉在運輸過程中的質量和安全。

第五步：豬肉上市交易。這個環節記錄了各交易主體之間的交易信息，如價格、數量、交易時間等。系統將各交易主體（養殖方、加工方、物流公司、銷售單位等）連接在一起，形成一個完整的交易網絡。通過智能合約，可以自動執行交易并確保交易的公平性和安全性。

2.2 基于區塊鏈的溯源平臺系統設計

在區塊鏈六層架構的基礎上，結合寧鄉花豬冷鏈物流過程，將基于區塊鏈的寧鄉花豬冷鏈物流溯源系統設計為八層，根據功能差異將其分為數據感知層、數據預處理層、網絡傳輸層、區塊鏈存儲層、智能合約層、應用服務層、監管審計層與交互展示層。

數據感知層：負責實時感知并采集寧鄉花豬冷鏈物流各環節的數據，包括溫度、濕度、位置等關鍵信息，可以利用物聯網設備、傳感器和RFID等技術手段，實現數據的自動化采集和傳輸。主要通過物聯網（IoT）技術實現，包括傳感器、RFID標簽等，實時采集冷鏈物流過程中的各種數據，如溫度、濕度等。利用邊緣計算或云計算技術，對采集到的數據進行初步處理和分析。

數據預處理層：對采集到的原始數據進行清洗、格式化和初步驗證，確保數據的準確性和一致性。使用大數據分析和機器學習算法，對原始數據進行清洗、整合和格式化。通過對數據進行挖掘和分析，提取冷鏈物流過程中的關鍵信息和模式。

網絡傳輸層：負責在區塊鏈網絡各節點間進行數據傳輸，確保數據的實時性和可靠性。采用點對點（P2P）的網絡結構，確保數據在節點間的安全傳輸。利用加密技術（如AES、RSA等）保護數據的機密性和完整性。通過共識機制（如工作量證明、權益證明等）確保數據的一致性和不可篡改性。

區塊鏈存儲層：用區塊鏈技術的分布式賬本特性，將經過預處理的數據以區塊的形式加以存儲。每個區塊都包含了寧鄉花豬冷鏈物流的詳細信息，如運輸時間、溫度記錄、車輛信息等，并能通過哈希值和鏈式結構確保數據的完整性和可追溯性。

智能合約層：封裝業務邏輯和規則，實現數據的自動化處理、分析以及溯源查詢等功能。使用Solidity等智能合約編程語言編寫規則和條件。智能合約在區塊鏈上自動執行，無需第三方干預。通過事件觸發機制，可以實現對冷鏈物流過程的自動化管理和監控。

應用服務層：根據用戶需求，提供多樣化的應用服務，如溯源查詢、數據分析、預警系統等。通過開發Web端或移動應用等方式，為用戶提供友好的交互界面和操作體驗，方便用戶查詢寧鄉花豬的溯源信息、了解產品的生長和運輸過程等。

監管與審計層：負責系統的監管與審計，確保系統的合規性和安全性。建立監管機制，對系統運行情況進行實時監控和審計；同時，與政府部門和監管機構合作，確保系統符合相關法律法規的要求。設計專門的監管接口，供政府部門實時查看冷鏈物流數據。利用區塊鏈的透明性和不可篡改性，為審計機構提供可靠的審計依據。通過數據分析工具，對冷鏈物流過程進行合規性評估和風險評估。

交互展示層：通過圖表、動畫等形式，直觀展示寧鄉花豬的冷鏈物流過程和相關信息。提供個性化設置和定制化服務，滿足不同用戶的需求，提升用戶的使用體驗和滿意度。

通過這樣的八層結構設計，可以使基于區塊鏈的寧鄉花豬冷鏈物流溯源系統更加完善、高效和安全。其每層都有明確的職責和功能，可以實現數據的采集、處理、存儲、查詢、分析和監管等全流程管理，為食品安全和冷鏈物流領域的發展提供有力支持。

3 結 論

本研究成功設計并實施了基于區塊鏈的寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源系統，該系統有效整合了數據感知、預處理、網絡傳輸、區塊鏈存儲、智能合約、應用服務、監管與審計以及交互展示等八層架構，實現了對寧鄉花豬肉冷鏈物流全過程的透明化管理和監控。通過采用區塊鏈技術的分布式賬本、加密技術和共識機制，確保了冷鏈物流數據的完整性、安全性和不可篡改性[9]，數據在傳輸和存儲過程中得到了有效保護，提高了數據的可信度和可靠性。基于區塊鏈的溯源系統實現了對寧鄉花豬肉從養殖到銷售的全過程溯源，消費者可以通過系統查詢產品的詳細信息，包括運輸記錄、溫度曲線、質量檢測報告等，不僅可以提升消費者對產品的信任度，也為政府監管部門提供了有效的監管手段。通過智能合約的自動執行和事件觸發機制，實現了對冷鏈物流過程的自動化管理和監控。系統能夠實時檢測冷鏈物流環境，并在出現異常情況時及時發出警報，提高冷鏈物流管理的智能化水平。

綜上所述，基于區塊鏈的寧鄉花豬肉冷鏈物流溯源系統研究不僅提高了冷鏈物流管理的效率和可靠性，也為消費者提供了更加透明可信的產品信息。未來，該系統有望得到進一步推廣和應用，為農產品冷鏈物流溯源領域的發展做出更大的貢獻。

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