魏立斐，朱嘉英，衡旭日，朱毅，岑拓望，何昌霖

(1上海海洋大學(xué)信息學(xué)院，上海 201306；2上海海洋大學(xué)食品學(xué)院，上海 201306)

有毒有害水產(chǎn)品嚴(yán)重威脅消費(fèi)者生命安全，損害水產(chǎn)品聲譽(yù)[1-2]。電商經(jīng)濟(jì)中不真實(shí)的產(chǎn)品信息也引發(fā)消費(fèi)者對(duì)水產(chǎn)品質(zhì)量安全的擔(dān)憂[3]。傳統(tǒng)的水產(chǎn)溯源存在信息不對(duì)稱、監(jiān)管約束難、溯源效率低成本高、隱私不安全等問題[4-5]。其原因是供求雙方缺少“信任橋梁”，因此區(qū)塊鏈助力的水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種由多種現(xiàn)有技術(shù)與數(shù)據(jù)庫(kù)巧妙組合而形成的新的數(shù)據(jù)記錄、傳遞、存儲(chǔ)、呈現(xiàn)方式[6]。利用P2P網(wǎng)絡(luò)使信息去中心化，公開透明；運(yùn)用分布式存儲(chǔ)，推動(dòng)信息高效流暢傳遞[7]；使用默克爾樹高效處理數(shù)據(jù)，防止數(shù)據(jù)篡改，提升溯源效率；使用智能合約，智能精準(zhǔn)地運(yùn)行產(chǎn)業(yè)政策，有效管控危害因子；通過(guò)非對(duì)稱加密保護(hù)隱私[8-9]。近幾年，區(qū)塊鏈結(jié)合食品溯源的應(yīng)用屢見不鮮。肖程琳等[10]闡釋了區(qū)塊鏈的適用性；李明佳等[11]提出區(qū)塊鏈溯源的優(yōu)化方案；趙磊等[12]重構(gòu)了生鮮區(qū)塊鏈溯源平臺(tái)；京東“跑步雞”項(xiàng)目[13]成功落地。

首先對(duì)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈全面分析，然后基于區(qū)塊鏈和危害分析與關(guān)鍵控制點(diǎn)(HACCP)管理重新設(shè)計(jì)水產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源方案，構(gòu)建智能化水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構(gòu)，并分析系統(tǒng)編碼設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)過(guò)程，最后結(jié)合案例分析該系統(tǒng)在實(shí)際生產(chǎn)中的運(yùn)用。旨在保證信息真實(shí)安全的基礎(chǔ)上，加強(qiáng)質(zhì)量安全保障，優(yōu)化生產(chǎn)管理，提高信息信服力，構(gòu)建高效準(zhǔn)確、規(guī)范真實(shí)、可監(jiān)測(cè)的智能化水產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1.1 溯源流程設(shè)計(jì)

以人工養(yǎng)殖的淡水魚為例，將其供應(yīng)鏈分為養(yǎng)殖、加工、貯運(yùn)、銷售四大環(huán)節(jié)，并構(gòu)建相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。其所需采集信息如表1。選取四大環(huán)節(jié)中魚苗、養(yǎng)殖、成魚、加工、水產(chǎn)加工品、貯運(yùn)銷售、水產(chǎn)商品作為部分溯源節(jié)點(diǎn)構(gòu)建E-R圖(圖1)。

表1 各環(huán)節(jié)溯源信息采集表

圖1 水產(chǎn)品供應(yīng)鏈部分節(jié)點(diǎn)E-R圖

1.1.2 功能模塊設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)共分為8個(gè)子系統(tǒng)，包括采購(gòu)系統(tǒng)、養(yǎng)殖系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)、監(jiān)管系統(tǒng)、環(huán)境認(rèn)證系統(tǒng)、特色功能系統(tǒng)和其他。其中，采購(gòu)系統(tǒng)記錄采購(gòu)及退換貨信息，形成完整產(chǎn)業(yè)鏈信息監(jiān)控；養(yǎng)殖系統(tǒng)及加工系統(tǒng)分別對(duì)應(yīng)養(yǎng)殖環(huán)節(jié)和加工環(huán)節(jié)中所需信息，著重環(huán)境及過(guò)程的綜合管理；物流系統(tǒng)將貯運(yùn)環(huán)節(jié)和銷售環(huán)節(jié)合并整合，確保物品流轉(zhuǎn)的高效安全；監(jiān)管系統(tǒng)主要通過(guò)HACCP管理、各相關(guān)法律法規(guī)及生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的比對(duì)及數(shù)學(xué)模型分析等保證品控，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)預(yù)防及追蹤溯源；環(huán)境認(rèn)證系統(tǒng)，著眼環(huán)境保護(hù)，引入ASC(水產(chǎn)養(yǎng)殖管理理事會(huì))、MSC(海事管理委員會(huì))等標(biāo)準(zhǔn),接軌國(guó)際，滿足消費(fèi)者多樣化需求；特色功能系統(tǒng),包括膳食營(yíng)養(yǎng)分析、家庭烹飪方法、實(shí)時(shí)評(píng)論互動(dòng)等功能，打造集人性化、趣味化為一體的系統(tǒng)。其功能模塊設(shè)計(jì)如圖2。

圖2 智能化水產(chǎn)品質(zhì)量安全管理溯源系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)圖

1.2 質(zhì)量管理體系設(shè)計(jì)

1.2.1 HACCP管理設(shè)計(jì)

HACCP是對(duì)可能發(fā)生在食品生產(chǎn)加工過(guò)程中的食品安全危害進(jìn)行識(shí)別、評(píng)估，進(jìn)而采取控制措施的一種預(yù)防性食品安全控制方法[15-16]。通過(guò)對(duì)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈中影響產(chǎn)品安全的各種因素進(jìn)行分析，針對(duì)性預(yù)防可能存在的危害，確定關(guān)鍵控制點(diǎn)(CCP)，建立完善監(jiān)控程序和監(jiān)控標(biāo)準(zhǔn)，并采取有效的防御措施，將危害預(yù)防、消除或降低到最低檢測(cè)限水平，以確保水產(chǎn)品質(zhì)量安全[17-18]。水產(chǎn)品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)HACCP如表2。

表2 水產(chǎn)品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)危害分析與HACCP判別表

1.2.2 質(zhì)量安全監(jiān)管設(shè)計(jì)

水產(chǎn)品溯源質(zhì)量安全監(jiān)管包括水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈自身的智能化安全質(zhì)量管理系統(tǒng)和外部機(jī)構(gòu)(如監(jiān)管部門、第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)等)的監(jiān)督認(rèn)證系統(tǒng)，其內(nèi)容涵蓋了水產(chǎn)品的檢測(cè)方法、理化指標(biāo)、可能風(fēng)險(xiǎn)提示等，覆蓋從生產(chǎn)到流通的全過(guò)程。

(1)內(nèi)部系統(tǒng)品控監(jiān)測(cè)。為了保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全，本系統(tǒng)通過(guò)建立智能合約來(lái)實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品質(zhì)量智能化管控。通過(guò)建立養(yǎng)殖、加工、貯運(yùn)、銷售中HACCP模型，錄入信息時(shí)，本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)質(zhì)量安全預(yù)警功能，自動(dòng)比照預(yù)先設(shè)定的食品安全指標(biāo)實(shí)時(shí)分析參數(shù)，并參照相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)自身食品質(zhì)量安全管控標(biāo)準(zhǔn)，智能生成水產(chǎn)品質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，及時(shí)反饋，以便后續(xù)調(diào)整生產(chǎn)方向和產(chǎn)品質(zhì)量分級(jí)。此外，一旦發(fā)現(xiàn)鮮度不合格、微生物超標(biāo)、獸藥殘留等問題食品，自動(dòng)提示警告，并向前追蹤溯源，排查安全隱患因子，有效規(guī)避食品質(zhì)量安全問題。

(2)外部機(jī)構(gòu)監(jiān)督認(rèn)證。外部機(jī)構(gòu)監(jiān)督認(rèn)證主要借助其他機(jī)構(gòu)力量，如第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)等，對(duì)水產(chǎn)品形成更客觀、公正的檢測(cè)報(bào)告。其系統(tǒng)所存儲(chǔ)的信息主要包括質(zhì)檢機(jī)構(gòu)及質(zhì)檢員信息和質(zhì)檢證據(jù)(如送檢樣本、質(zhì)檢報(bào)告等)。如果發(fā)生食品安全問題，可保證有更加具有信服力的憑據(jù)可依，一定程度上可減少企業(yè)的經(jīng)濟(jì)和名望損失。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建水產(chǎn)品溯源平臺(tái)，框架模型如圖3，溯源流程結(jié)構(gòu)如圖4。

圖3 智能化水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)總體框架圖

圖4 智能化水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)流程結(jié)構(gòu)圖

其中，物理層是數(shù)據(jù)采集的終端，主要用于水產(chǎn)品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集；網(wǎng)絡(luò)層是數(shù)據(jù)流通的保障，主要用于數(shù)據(jù)采集后的上傳及軟件運(yùn)行中的傳輸；存儲(chǔ)層是系統(tǒng)架構(gòu)的基礎(chǔ)，主要存儲(chǔ)產(chǎn)品標(biāo)簽信息、產(chǎn)品履歷信息、交易信息等；服務(wù)層是系統(tǒng)架構(gòu)的核心，主要負(fù)責(zé)賬戶體系構(gòu)建、分布式賬本運(yùn)行、相關(guān)算法庫(kù)建立，以及各種服務(wù)管理，尤其是區(qū)塊的挖掘、哈希值的生成、時(shí)間戳和隨機(jī)值的獲??；功能層是系統(tǒng)架構(gòu)的業(yè)務(wù)擴(kuò)展層，實(shí)現(xiàn)整體系統(tǒng)的運(yùn)作流轉(zhuǎn)，保證水產(chǎn)品質(zhì)量安全控制管理，并通過(guò)友好操作界面向各用戶提供個(gè)性化專業(yè)服務(wù)；用戶層是系統(tǒng)架構(gòu)的業(yè)務(wù)處理層，面向所有參與水產(chǎn)品供應(yīng)鏈流程的用戶，包括養(yǎng)殖戶、加工商、物流中心、銷售商、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、監(jiān)管部門、消費(fèi)者，根據(jù)其不同角色特性部署智能合約，調(diào)用溯源信息。

2.2 編碼設(shè)計(jì)

2.2.1 系統(tǒng)編碼設(shè)計(jì)

區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)是一種分布式賬本，通過(guò)去中心化的方式集體維護(hù)一個(gè)可靠數(shù)據(jù)。在整個(gè)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈溯源過(guò)程中，所有通過(guò)共識(shí)機(jī)制的有效信息將被編入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)塊，記錄在數(shù)據(jù)庫(kù)中。鏈接各區(qū)塊時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)塊包含了一定時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)全部數(shù)據(jù)信息[19]，先根據(jù)交易的先后順序排列，再依次將相鄰交易記錄拼接并生成哈希值，然后生成數(shù)字簽名以驗(yàn)證信息的有效性[20]，最后將前一區(qū)塊的哈希值填入本區(qū)塊頭的“前一區(qū)塊”中。除了初始的“創(chuàng)世區(qū)塊”以外，每個(gè)區(qū)塊都應(yīng)包含前塊的散列值，形成完整的區(qū)塊鏈L，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)間的流通，即：

H0=SHA256(0，N0，T0，R0)，

H1=SHA256(H0，N1，T1，R1)，

H2=SHA256(H1，N2，T2，R2)，

……

Hi=SHA256(Hi-1，Ni，Ti，Ri)，

(1)

式中：Hi—某區(qū)塊的哈希值；Ni—對(duì)應(yīng)區(qū)塊的隨機(jī)值(random number)，為1～232(或更大)之間的數(shù)值；Ti—對(duì)應(yīng)區(qū)塊的時(shí)間戳(timestamp)，為當(dāng)時(shí)時(shí)刻生成的JSON值；Ri—交易記錄；0—?jiǎng)?chuàng)世塊；SHA256—安全散列算法(Secure Hash Algorithm)中單向散列算法。

若攻擊者想篡改Hi的值，就必須先得到Hi-1的值及Hi中隨機(jī)值與時(shí)間戳等信息，從而生成新的Hi′，并以此類推，生成后續(xù)的新鏈L’。當(dāng)原有鏈L中Hi后續(xù)的區(qū)塊已足夠多且攻擊者算力有限時(shí)，偽造的新鏈L′將很難追上原有鏈L，從而保證了區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的不可篡改性。將此性質(zhì)與水產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源相結(jié)合，可有效保障水產(chǎn)品供應(yīng)鏈的安全性。其中，共識(shí)機(jī)制主要通過(guò)智能合約的建立來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)將依據(jù)國(guó)內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)等對(duì)錄入信息進(jìn)行排查，若符合標(biāo)準(zhǔn)則上傳數(shù)據(jù)并進(jìn)入下一環(huán)節(jié)，若不符合則將發(fā)出隱患警報(bào)，并向前溯源，尋找問題根源所在。此功能可有效實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品供應(yīng)鏈各環(huán)節(jié)的智能化監(jiān)管及產(chǎn)品分級(jí)。圖5為以凍淡水魚的揮發(fā)性鹽基氮為例智能判別并記錄的過(guò)程。

圖5 智能合約圖

2.2.2 產(chǎn)品編碼設(shè)計(jì)

采用“一物一碼”的形式，在投放前將水產(chǎn)品種苗貼上不可撕二維碼，并將該批次信息(包括種類、照片、購(gòu)買憑證等)記錄在案，形成可查證證據(jù)鏈，確保物、證合一。若強(qiáng)行更換二維碼，則會(huì)對(duì)水產(chǎn)品造成不可逆的損傷，保證前后一致性。其二維碼編碼流程以多寶魚供應(yīng)鏈中的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)為例。將整個(gè)流程層級(jí)化，第一層，供應(yīng)鏈主節(jié)點(diǎn)(Np)，如多寶魚(N1)；第二層為第一層的分支點(diǎn)(Npq)，如魚苗(N11)、池塘(N12)；第三層為第二層的分支點(diǎn)(Npql)，以魚苗為例，第三層分支點(diǎn)可為飼喂(N111)、病害防治(N112)等。每一個(gè)新層次的節(jié)點(diǎn)信息為之前所有節(jié)點(diǎn)信息的總和，即供應(yīng)鏈總信息。參考文獻(xiàn)[15]，該節(jié)點(diǎn)信息存儲(chǔ)公式定義為：

N=∑Np，p=1,2,3,...

Np=Np+∑Npq,q=1,2,3,...

Npq=Npq+∑Npql,l=1,2,3,...

……

(2)

式中：N—總節(jié)點(diǎn)信息；Np—某主節(jié)點(diǎn)信息，或稱為某第一層節(jié)點(diǎn)信息；Npq—某分支節(jié)點(diǎn)信息，或稱為某第二層節(jié)點(diǎn)信息；Npql—某次分支點(diǎn)信息，或稱為某第三層節(jié)點(diǎn)信息。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)過(guò)程

在系統(tǒng)平臺(tái)選擇上，相較于完全開放的公有鏈以及僅由組織內(nèi)部使用的私有鏈，本系統(tǒng)采用聯(lián)盟鏈模式，將水產(chǎn)品供應(yīng)鏈上所涉及的企業(yè)或組織統(tǒng)一管理，需要通過(guò)鏈上組織的認(rèn)可后方能加入或退出[21]。以Hyperledger為代表，聯(lián)盟鏈在實(shí)現(xiàn)部分去中心化、去信任的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化組織間管理結(jié)構(gòu)以提高性能，方便頻繁交易，并具有隱私保護(hù)優(yōu)勢(shì)。

在后臺(tái)技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，本系統(tǒng)基于Django技術(shù)框架進(jìn)行建設(shè)，采用Python作為開發(fā)語(yǔ)言，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)頁(yè)前端與后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)的連接，成功實(shí)現(xiàn)對(duì)于水產(chǎn)品溯源。相較于傳統(tǒng)溯源分散、繁雜的現(xiàn)狀，本系統(tǒng)所實(shí)現(xiàn)的水產(chǎn)溯源更加快速準(zhǔn)確、方便及時(shí)，具有突出優(yōu)勢(shì)。操作系統(tǒng)選用Windows 10，軟件使用瀏覽器/服務(wù)器(B/S)架構(gòu)，數(shù)據(jù)庫(kù)采用MySQL，后臺(tái)使用阿里云服務(wù)器，并通過(guò)應(yīng)用構(gòu)件和可復(fù)用技術(shù)，面向系統(tǒng)整體需求，分析系統(tǒng)內(nèi)部的各要素，針對(duì)各要素開發(fā)系列可自我管理、自我擴(kuò)展的管理構(gòu)件平臺(tái)，并最終形成可集成、可維護(hù)、高安全的智能化水產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。

在前端網(wǎng)站設(shè)計(jì)上，本系統(tǒng)采用HTML5技術(shù)，靈活運(yùn)用其語(yǔ)義化標(biāo)簽、智能表單與微數(shù)據(jù)，簡(jiǎn)化頁(yè)面設(shè)計(jì)，豐富頁(yè)面內(nèi)容，提升用戶體驗(yàn)，提高網(wǎng)頁(yè)穩(wěn)定。

2.4 實(shí)際案例分析

對(duì)上海市某水產(chǎn)企業(yè)的多寶魚供應(yīng)鏈進(jìn)行調(diào)研。其供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)主要包括收購(gòu)、加工、貯存、運(yùn)輸、銷售五個(gè)環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)內(nèi)及各環(huán)節(jié)間信息錯(cuò)綜復(fù)雜，管控難度大、效率低，溯源煩瑣；產(chǎn)品編碼信息易遭篡改，埋下安全隱患。現(xiàn)有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)有盲目存儲(chǔ)所有數(shù)據(jù)的嫌疑，一方面實(shí)際操作中數(shù)據(jù)采集難度大、來(lái)源不可靠，另一方面會(huì)造成大量數(shù)據(jù)同時(shí)上鏈時(shí)數(shù)據(jù)同步效率降低、報(bào)錯(cuò)率升高。因此，針對(duì)該企業(yè)運(yùn)行現(xiàn)狀及現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)的不足，采用本研究的智能化水產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)對(duì)其質(zhì)量管控和信息管理進(jìn)一步優(yōu)化。

系統(tǒng)用戶主要分3部分。聯(lián)盟鏈用戶(企業(yè))僅擁有信息錄入權(quán)，無(wú)刪改權(quán)，登錄平臺(tái)后可實(shí)現(xiàn)多寶魚供應(yīng)鏈的實(shí)時(shí)監(jiān)管，如傳輸采集設(shè)備數(shù)據(jù)、查看區(qū)塊信息、監(jiān)測(cè)節(jié)點(diǎn)生成等。數(shù)據(jù)由采集設(shè)備上傳后，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)用對(duì)應(yīng)智能合約分析處理，符合要求后，通過(guò)Gossip協(xié)議統(tǒng)一存儲(chǔ)。默克爾樹保證了數(shù)據(jù)的難以篡改和高效溯源。監(jiān)管部門擁有信息查看權(quán)，但無(wú)法對(duì)信息進(jìn)行操作。當(dāng)出現(xiàn)多寶魚安全問題時(shí)，監(jiān)管部門可登錄系統(tǒng)，先根據(jù)哈希碼驗(yàn)證產(chǎn)品真?zhèn)巍⑴袛鄶?shù)據(jù)真實(shí)性，再根據(jù)產(chǎn)品編碼順著默克爾樹快速得到溯源信息，對(duì)HACCP管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，若仍無(wú)法找出問題原因則再考慮其他因素，這可大大提高問題發(fā)現(xiàn)及解決效率，也為線上食品安全問題初排查提供可能與方便。消費(fèi)者無(wú)須登錄即可查詢多寶魚從魚塘到餐桌的所有信息，增強(qiáng)購(gòu)買信心，增加品牌好感。

相較于傳統(tǒng)溯源的不真實(shí)及現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)信息的散亂，運(yùn)用本系統(tǒng)后，信息真實(shí)性和生產(chǎn)規(guī)范性效果顯著。尤其在HACCP管理下生成的智能合約實(shí)現(xiàn)安全隱患因子針對(duì)性管控，系統(tǒng)性和規(guī)范性更強(qiáng)，利于監(jiān)測(cè)管理，減輕信息上鏈負(fù)擔(dān)，減少存儲(chǔ)資源浪費(fèi)；溯源高效性進(jìn)一步提升，有望實(shí)現(xiàn)異地食品安全問題初排查；溯源信息更真實(shí)、專業(yè)，可信任程度大大提高。

3 結(jié)論

將區(qū)塊鏈技術(shù)和HACCP管理結(jié)合，構(gòu)建智能化水產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、管理規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)水產(chǎn)品質(zhì)量安全的監(jiān)測(cè)，對(duì)電商平臺(tái)上水產(chǎn)品信息不真實(shí)、質(zhì)量安全信服力缺失等問題的解決有突出優(yōu)勢(shì)。本研究是已有區(qū)塊鏈技術(shù)研究的拓展延伸，HACCP管理的加入使本系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)更具有針對(duì)性和代表性，有助于存儲(chǔ)信息的優(yōu)化，以及生產(chǎn)流程的高效調(diào)整，起到“1+1>2”的效果。通過(guò)實(shí)地調(diào)研，該系統(tǒng)的運(yùn)用給企業(yè)生產(chǎn)管理帶來(lái)極大便利。隨著未來(lái)的深入研究，該系統(tǒng)有望在存儲(chǔ)優(yōu)化、管理優(yōu)化等方面進(jìn)一步提升。

□