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基于区块链技术的食品可追溯系统研究

发布时间:2020年08月31日 来源:中国自动识别网 作者:刘琰 杨博 王瑜

食品安全问题是重大的民生问题和政治问题。采用区块链技术从保证信息可靠性、保障传输可信性和构建可信环境三个方面分析解决食品安全问题的可行性,实现正向可追踪、逆向可溯源、事件可查证、责任可追责的生态系统。
 
食品可追溯国内外研究现状
国内食品可追溯
我国已逐步将食品安全可追溯上升到法律层面的高度,应用物联网技术,结合利用现代化的信息手段解决食品安全可追溯,创新监管模式,是食品安全控制的重要发展方向。
目前国内已经建成多个食品安全电子可追溯系统,这些系统都是从各个主研单位的管辖角度出发建设的小范围或只覆盖食品生产或流通某个环节的食品安全可追溯系统,互相独立,形成了信息孤岛。目前国内外食品可追溯关键技术主要集中在条码技术和RFID(无线射频识别)两个方面,这两种技术分别有不同的应用场景和优缺点。由于移动终端的普及,条码技术中的二维码开始被应用在食品可追溯方面,通过借助工业级的扫描设备和移动数据终端,即可实现在生产、仓储、流动环节的全程采集和识别。基于物联网的RFID技术具备识别距离远、无需借助可视化的标签、能够在极端环境下使用、内容可更新、信息量大和不容易复制等特点,使其在食品生产、加工、存储和销售环节能够进行全方位跟踪,并可追溯到食品的最小单元,有效实现了食品质量关键信息的覆盖。
国外食品安全追溯
欧盟自从1986年英国发生疯牛病以来,便率先进行了肉牛和犊牛的可追溯性研究。自2005年起,凡在欧洲销售的食品上必须有可追溯标签,否则拒绝进入,并相应制订了鱼类、蛋类和禽类、水果和蔬菜以及转基因产品等相应的追溯法规。
FDA在美国《生物性恐怖主义法案》(2002)的指导下,制定了三个重要的法规,这些法规为企业和执法者提供了实施食品追溯的技术和执法依据。要求食品生产者、加工者、分包商、零售商、进口商需要保持(纸的或电子的)记录,以便迅速识别食品的供给方和接受方。
加拿大在农业政策框架(APF)的指导下,一个由政府启动,企业推动的国家食品可追溯体系于2004年在加拿大开始建立。政府承诺在该体系下,将保证80%的国产食品从农产品原料到零售均可得到追溯。
日本2001年立法实施建立国产牛肉的追溯体系,2005年底以前建立粮油农产品认证制度,开发国家食品可追溯数据库系统。2006年实施的“肯定列表制度”对我国农产品出口产生影响。
韩国自2004年开始在生产协会中试行可追溯制度,同时在牲畜、水果、蔬菜、原料食品、特殊农作物等领域开展。2005年,在农产品质量控制法令中引入了全方位的农产品追溯程序, 并于2006年开始在全国执行。
从国外的食品可追溯最新动态可看出,目前世界上的主要发达国家都开始或已经建成了全国性的食品安全可追溯系统,这些系统建设的思路对我国建设食品安全可追溯系统具有重要的参考意义。
 
我国食品安全可追溯行业存在的问题
影响可追溯系统实施的元素
食品可追溯系统的服务对象主要是终端消费者,其次是需要信息支撑作为监管手段的监管部门,最后是生产企业本身。
对生产企业食品是否实施可追溯系统起决定作用的元素主要有两点:一是成本和收益,二是国家政策导向。其中国家政策导向的有利形势在国务院发布的文件中有集中体现。成本和收益是企业最关心的方面,企业实施可追溯系统的成功与否取决于实施追溯系统所投入的成本和取得的收益是否能够形成良性循环。归根到底,能否成功实施食品可追溯系统取决于消费者是否对实施了可追溯系统的食品的价格上涨买单。
消费者认可追溯系统的前提
消费者对追溯体系的认知度还处于很低的状态,这一方面体现在消费者不知道什么是食品可追溯系统;另一方面体现在消费者对食品可追溯系统所提供信息的可靠性、真实性存在质疑。针对第一种情况,企业和政府需要再加大宣传的力度。针对第二种情况,首先需要确保食品可追溯系统所能提供给消费者的是真实数据。
从能影响数据的真实性角度看,在可追溯系统发挥作用的过程中有两个阶段最为重要,一是数据采集阶段,二是数据存储阶段。数据采集阶段是数据的源头,当前一般通过使用自动采集技术如RFID等提升输入虚假数据的难度。另外,依靠法律制裁提升企业或个人输入虚假信息的成本。对于数据存储阶段发生篡改的可能性分析需要从追溯系统的结构上进行。
追溯系统结构中心化
当前可追溯系统存在中心化的特点,即在可追溯系统的构建过程中,数据的采集输入主要依赖于单个企业,核心企业作为系统的中心,具有对数据进行任何操作的能力。当某个生产环节发生意外,对该生产环节的信息采集和录入有控制权的个人就可能会对可追溯系统中的信息进行修改。
数据安全性难以保证
现有的可追溯系统中参与方包括原料单位、生产单位、运输单位、仓储单位、销售单位。食品销售成功,利润高,参与方单位均可获利,其利益是一致的。但如果篡改追溯系统上的数据能够促进食品销售,那么生产、运输、销售、仓储这些系统参与者在追溯系统中就有篡改数据的共同意愿。即使参与方在其认为安全的范围内对数据进行篡改,也会极大增加系统最终销售出的食品发生安全问题的可能性。这样的行为使得追溯系统纯属摆设,丝毫达不到追溯的效果。
当前食品可追溯系统虽然经过长时间的研究和发展,但是仍然存在结构中心化、数据安全性低,易受篡改、数据完整性无法验证等问题,解决这些问题有利于食品安全可追溯系统更好地应用和推广、增强消费者对食品安全可追溯的信心,使得食品安全保障的手段更加高效,所以进行这方面的研究具有深远的社会意义和价值。
 
区块链技术在食品可追溯系统的应用可行性
区块链技术原理及特点
区块链技术源于2008 年比特币的技术应用,它是一种把区块以链的方式组合在一起的数据结构,区块链适用于存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据,用密码学对数据的不可篡改和不可伪造进行保障。它能够使参与者对全网交易记录的事件顺序和当前状态建立共识。经过不断的发展演进,目前区块链技术概括起来是指通过去中心化和去信任的方式集体进行一个可靠数据库维护的技术。区块链技术的特点主要有以下四个方面:
去中心化 区块链是不依赖于单一信任中心的系统,整个网络没有中心化的硬件或者管理机构,节点间具有均等的权利和义务,任何一个节点出现问题都不会影响系统的运作。在处理只涉及到链条内封闭系统中的数据时,区块链本身能够保障参与者之间的信任。
不可篡改 作为区块链最为显著的特征,区块链使用非对称加密和哈希算法,保障数据的记录与传递真实、不可篡改且不可抵赖。区块链数据由每个节点共同维护,每个参与维护节点都能复制获得一份完整数据库的拷贝。其协议与运作机制的关键为标记“时间戳”,全部节点定时一起记账、确认信息,形成记录全网定时时长间隔内所有正确、无重复信息的账本数据库“Block”,即为一个“区块”。以比特币区块链为例,除非能够同时控制整个系统中超过51%的算力,否则单个节点对数据库的修改是无效的,也无法影响其他节点上的数据。
共识机制 参与到区块链系统中的各个节点之间是无需互相信任的,整个系统的运作规则公开透明,所有的数据内容是公开的,因此在系统指定的规则范围和时间范围内,节点之间不能也无法欺骗其它节点,以这种制度达成了节点间对信托关系的共识。
多方写入、共同维护 在区块链里,参与方由利益不完全一致的实体组成,在不同的记账周期内,由不同的参与方发起记录,轮换方式取决于不同的共识机制,其他参与方对发起的记录进行共同验证。
基于以上特点,区块链应用已超出了加密货币的范畴,范围逐步扩大并形成了“区块链+”的发展趋势,主要涉及涵盖智能合约、证券交易、电子商务、物联网、社交通讯、文件存储、存在性证明、身份验证、股权众筹及社会管理等各个领域。
 
区块链技术应用于食品可追溯系统的适用性
保证信息的可靠性
在食品可追溯信息中,对某一个食品进行整个供应链的可追溯,食品的每个特征信息,如地理位置、属性、检验检测数据等信息数据以及信息数据生成的文件,不可复制是相当重要的。
区块链技术中,利用哈希技术可以保证信息数据的可靠性,确保数字文件、注册表、生产证书、照片或视频等仍然与首次在区块链中登记时相同。利用数字签名算法来保证信息数据在链条上数据不被篡改和伪造,保证参与者身份的真实性和消息的完整性。在这里,数字签名算法采用的是非对称加密算法和哈希函数,采用“签名+验证”互补运算来验证数据的真伪。因此,在区块链技术中,任何信息数据都可以被追踪并查询到,修改区块链中信息数据和信息文件几乎是不可能完成的,因为需要将整个链条中的加密数据进行破解和修改。区块链分布式的特点,解决了中央数据库可能遭受损坏或攻击的问题。
保证信息传输可信性
在目前物联网的发展过程中,食品从源头种植到最终消费者的餐桌,越来越多的信息数据采集依靠传感器进行,信息传输的可靠性对确保整个链条的安全起着关键作用。
物联网传感器采集的大量信息数据及保存数据的信息文件涌入食品可追溯系统,区块链技术中通过分布式账本的方式实现了数据和信息存储的去中心化,通过IPFS(InterPlanetary File System,星际文件系统)实现了信息文件存储的去中心化。区块链技术的共识机制保障区块链系统大规模高效协作不断运行。在区块链系统中,共识机制解决并保证了每一条上传的信息数据在所有链条节点上的一致性和正确性,保证了在不依靠中心化组织认可的前提下,可直接写入数据区块并记录到区块链,进入整个追溯体系中,完成运转。
构建可信环境
在区块链系统中,信任关系的建立和维系变为低成本工作。区块链技术使得种植源头的农民、运输过程的卡车司机等各方参与者都可以使用简单的智能终端(包含手机)向供应链条输入可信任的数据,从而保证食品可追溯系统中的溯源数据及时有效地上传,保障消费者、企业或相关机构可以获取足够的信息数据支撑。
区块链技术中激励机制,只要可追溯系统各个环节的参与者对整个区块链系统产生贡献,就可以给予激励,这也就更加促进了食品可追溯系统各个参与方对食品可追溯的参与热情,提高各方参与度,形成食品可追溯的良性循环。
 
基于区块链技术的食品可追溯系统构建
基于区块链技术对食品安全可追溯系统存在问题的适用性分析,对基于区块链技术的食品可追溯系统的结构图进行构建,如图1所示。
图1  基于区块链技术的食品可追溯系统结构
 
流程设计
基于区块链技术的食品可追溯系统结构,能够达到食品进行正向可追踪、逆向可溯源、事件可查证、责任可追责的主要实现流程为:
食品可追溯系统的参与方,包括原料生产单位、生产制造单位、物流运输单位、仓储单位和销售单位,通过物联网进行数据采集并上报。利用区块链系统,通过共识机制、激励机制等有效手段,在激励各个参与方积极记录数据的同时,保证各参与方对产生的数据进行确认,保证数据信息及数据文件不可篡改。
根据区块链技术的特点,对各参与方上传到区块链中的区块信息进行定义,对需要通过区块链进行共享的信息进行指定。可追溯系统的各个参与方将定义的信息及时上传到区块链,各参与方根据自己的权限分配,对信息数据进行确认和接收。
食品可追溯系统的各个参与方将追溯信息和追溯链条上的追踪记录分布式存储,形成区块链条,保证区块链条上的数据及时、真实有效、不可复制、不可篡改,从而保障对每一个食品从生产源头到消费者手中都是可以精准追溯的,对于可能发生的问题,可以及时进行查证,进行责任界定并追责。
通过应用程序的有效管理和验证机制,对食品可追溯系统的各个参与方进行身份识别认证和管理,对每一个参与方进行可信度评估。区块链非对称加密算法与数字签名等机制,保障了食品可追溯系统中的溯源数据是安全可靠并且可以保障其隐私性。
刘琰 杨博 王瑜/文
(作者单位:江苏省质量和标准化研究院)
参考文献:
[1] 魏翀. 区块链技术在农业领域的应用现状与展望[J]. 河南农业, 2019(12).
[2] 陈伟利, 郑子彬. 区块链数据分析:现状、趋势与挑战[J]. 计算机研究与发展, 2018, 55(09):29-46.
[3] 徐科, 梁泽华, 孙媛. 基于区块链技术的中药材质量追溯研究与体系构建[J]. 现代计算机(专业版), 2018, 632(32):69-74.
[4] 傅骞, 刘同勋. 基于区块链技术的食品安全追溯系统[J]. 信息技术与信息化, 2018, 000(012):14-18.
[5] 孙俊. 基于区块链的农产品追溯系统研究[D]. 2019.
[6] 贾建华. 区块链技术与食品安全追溯[J]. 中国自动识别技术, 2018, 73(04):60-64.
[7] 曾小青, 彭越, 王琪. 物联网加区块链的食品安全追溯系统研究[J]. 食品与机械, 2018, 34(09):106-111.

《中国自动识别技术》2020年第4期总第85期

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