基于區(qū)塊鏈技術和HACCP管理的智能化水產(chǎn)品質量安全溯源系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

魏立斐，朱嘉英，衡旭日，朱毅，岑拓望，何昌霖

(1上海海洋大學信息學院，上海 201306；2上海海洋大學食品學院，上海 201306)

有毒有害水產(chǎn)品嚴重威脅消費者生命安全，損害水產(chǎn)品聲譽[1-2]。電商經(jīng)濟中不真實的產(chǎn)品信息也引發(fā)消費者對水產(chǎn)品質量安全的擔憂[3]。傳統(tǒng)的水產(chǎn)溯源存在信息不對稱、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)應運而生。區(qū)塊鏈技術是一種由多種現(xiàn)有技術與數(shù)據(jù)庫巧妙組合而形成的新的數(shù)據(jù)記錄、傳遞、存儲、呈現(xiàn)方式[6]。利用P2P網(wǎng)絡使信息去中心化，公開透明；運用分布式存儲，推動信息高效流暢傳遞[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，智能精準地運行產(chǎn)業(yè)政策，有效管控危害因子；通過非對稱加密保護隱私[8-9]。近幾年，區(qū)塊鏈結合食品溯源的應用屢見不鮮。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]重構了生鮮區(qū)塊鏈溯源平臺；京東“跑步雞”項目[13]成功落地。

首先對水產(chǎn)品供應鏈全面分析，然后基于區(qū)塊鏈和危害分析與關鍵控制點(HACCP)管理重新設計水產(chǎn)品質量安全溯源方案，構建智能化水產(chǎn)品溯源系統(tǒng)架構，并分析系統(tǒng)編碼設計和實現(xiàn)過程，最后結合案例分析該系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中的運用。旨在保證信息真實安全的基礎上，加強質量安全保障，優(yōu)化生產(chǎn)管理，提高信息信服力，構建高效準確、規(guī)范真實、可監(jiān)測的智能化水產(chǎn)品質量安全溯源系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

1.1 系統(tǒng)總體結構設計

1.1.1 溯源流程設計

以人工養(yǎng)殖的淡水魚為例，將其供應鏈分為養(yǎng)殖、加工、貯運、銷售四大環(huán)節(jié)，并構建相關數(shù)據(jù)庫。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、貯運銷售、水產(chǎn)商品作為部分溯源節(jié)點構建E-R圖(圖1)。

表1 各環(huán)節(jié)溯源信息采集表

圖1 水產(chǎn)品供應鏈部分節(jié)點E-R圖

1.1.2 功能模塊設計

本系統(tǒng)共分為8個子系統(tǒng)，包括采購系統(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)境認證系統(tǒng)、特色功能系統(tǒng)和其他。其中，采購系統(tǒng)記錄采購及退換貨信息，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)分別對應養(yǎng)殖環(huán)節(jié)和加工環(huán)節(jié)中所需信息，著重環(huán)境及過程的綜合管理；物流系統(tǒng)將貯運環(huán)節(jié)和銷售環(huán)節(jié)合并整合，確保物品流轉的高效安全；監(jiān)管系統(tǒng)主要通過HACCP管理、各相關法律法規(guī)及生產(chǎn)標準的比對及數(shù)學模型分析等保證品控，實現(xiàn)監(jiān)測預防及追蹤溯源；環(huán)境認證系統(tǒng)，著眼環(huán)境保護，引入ASC(水產(chǎn)養(yǎng)殖管理理事會)、MSC(海事管理委員會)等標準,接軌國際，滿足消費者多樣化需求；特色功能系統(tǒng),包括膳食營養(yǎng)分析、家庭烹飪方法、實時評論互動等功能，打造集人性化、趣味化為一體的系統(tǒng)。其功能模塊設計如圖2。

圖2 智能化水產(chǎn)品質量安全管理溯源系統(tǒng)功能模塊設計圖

1.2 質量管理體系設計

1.2.1 HACCP管理設計

HACCP是對可能發(fā)生在食品生產(chǎn)加工過程中的食品安全危害進行識別、評估，進而采取控制措施的一種預防性食品安全控制方法[15-16]。通過對水產(chǎn)品供應鏈中影響產(chǎn)品安全的各種因素進行分析，針對性預防可能存在的危害，確定關鍵控制點(CCP)，建立完善監(jiān)控程序和監(jiān)控標準，并采取有效的防御措施，將危害預防、消除或降低到最低檢測限水平，以確保水產(chǎn)品質量安全[17-18]。水產(chǎn)品供應鏈各環(huán)節(jié)HACCP如表2。

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

1.2.2 質量安全監(jiān)管設計

水產(chǎn)品溯源質量安全監(jiān)管包括水產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈自身的智能化安全質量管理系統(tǒng)和外部機構(如監(jiān)管部門、第三方檢測機構等)的監(jiān)督認證系統(tǒng)，其內容涵蓋了水產(chǎn)品的檢測方法、理化指標、可能風險提示等，覆蓋從生產(chǎn)到流通的全過程。

(1)內部系統(tǒng)品控監(jiān)測。為了保證水產(chǎn)品質量安全，本系統(tǒng)通過建立智能合約來實現(xiàn)水產(chǎn)品質量智能化管控。通過建立養(yǎng)殖、加工、貯運、銷售中HACCP模型，錄入信息時，本系統(tǒng)能實現(xiàn)質量安全預警功能，自動比照預先設定的食品安全指標實時分析參數(shù)，并參照相關國家標準及企業(yè)自身食品質量安全管控標準，智能生成水產(chǎn)品質量風險評估，及時反饋，以便后續(xù)調整生產(chǎn)方向和產(chǎn)品質量分級。此外，一旦發(fā)現(xiàn)鮮度不合格、微生物超標、獸藥殘留等問題食品，自動提示警告，并向前追蹤溯源，排查安全隱患因子，有效規(guī)避食品質量安全問題。

(2)外部機構監(jiān)督認證。外部機構監(jiān)督認證主要借助其他機構力量，如第三方檢測機構等，對水產(chǎn)品形成更客觀、公正的檢測報告。其系統(tǒng)所存儲的信息主要包括質檢機構及質檢員信息和質檢證據(jù)(如送檢樣本、質檢報告等)。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)濟和名望損失。

2 系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

2.1 總體架構設計

基于區(qū)塊鏈技術搭建水產(chǎn)品溯源平臺，框架模型如圖3，溯源流程結構如圖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)流程結構圖

其中，物理層是數(shù)據(jù)采集的終端，主要用于水產(chǎn)品供應鏈各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集；網(wǎng)絡層是數(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行中的傳輸；存儲層是系統(tǒng)架構的基礎，主要存儲產(chǎn)品標簽信息、產(chǎn)品履歷信息、交易信息等；服務層是系統(tǒng)架構的核心，主要負責賬戶體系構建、分布式賬本運行、相關算法庫建立，以及各種服務管理，尤其是區(qū)塊的挖掘、哈希值的生成、時間戳和隨機值的獲??；功能層是系統(tǒng)架構的業(yè)務擴展層，實現(xiàn)整體系統(tǒng)的運作流轉，保證水產(chǎn)品質量安全控制管理，并通過友好操作界面向各用戶提供個性化專業(yè)服務；用戶層是系統(tǒng)架構的業(yè)務處理層，面向所有參與水產(chǎn)品供應鏈流程的用戶，包括養(yǎng)殖戶、加工商、物流中心、銷售商、檢測機構、監(jiān)管部門、消費者，根據(jù)其不同角色特性部署智能合約，調用溯源信息。

2.2 編碼設計

2.2.1 系統(tǒng)編碼設計

區(qū)塊鏈技術的本質是一種分布式賬本，通過去中心化的方式集體維護一個可靠數(shù)據(jù)。在整個水產(chǎn)品供應鏈溯源過程中，所有通過共識機制的有效信息將被編入相應的數(shù)據(jù)區(qū)塊，記錄在數(shù)據(jù)庫中。鏈接各區(qū)塊時，每個數(shù)據(jù)塊包含了一定時間內的系統(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，每個區(qū)塊都應包含前塊的散列值，形成完整的區(qū)塊鏈L，實現(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—對應區(qū)塊的隨機值(random number)，為1～232(或更大)之間的數(shù)值；Ti—對應區(qū)塊的時間戳(timestamp)，為當時時刻生成的JSON值；Ri—交易記錄；0—創(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中隨機值與時間戳等信息，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，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。將此性質與水產(chǎn)品質量安全溯源相結合，可有效保障水產(chǎn)品供應鏈的安全性。其中，共識機制主要通過智能合約的建立來實現(xiàn)。本系統(tǒng)將依據(jù)國內外標準法規(guī)、企業(yè)標準等對錄入信息進行排查，若符合標準則上傳數(shù)據(jù)并進入下一環(huán)節(jié)，若不符合則將發(fā)出隱患警報，并向前溯源，尋找問題根源所在。此功能可有效實現(xiàn)水產(chǎn)品供應鏈各環(huán)節(jié)的智能化監(jiān)管及產(chǎn)品分級。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程。

圖5 智能合約圖

2.2.2 產(chǎn)品編碼設計

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。若強行更換二維碼，則會對水產(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鏈中的養(yǎng)殖環(huán)節(jié)為例。將整個流程層級化，第一層，供應鏈主節(jié)點(Np)，如多寶魚(N1)；第二層為第一層的分支點(Npq)，如魚苗(N11)、池塘(N12)；第三層為第二層的分支點(Npql)，以魚苗為例，第三層分支點可為飼喂(N111)、病害防治(N112)等。每一個新層次的節(jié)點信息為之前所有節(jié)點信息的總和，即供應鏈總信息。參考文獻[15]，該節(jié)點信息存儲公式定義為：

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

2.3 系統(tǒng)實現(xiàn)過程

在系統(tǒng)平臺選擇上，相較于完全開放的公有鏈以及僅由組織內部使用的私有鏈，本系統(tǒng)采用聯(lián)盟鏈模式，將水產(chǎn)品供應鏈上所涉及的企業(yè)或組織統(tǒng)一管理，需要通過鏈上組織的認可后方能加入或退出[21]。以Hyperledger為代表，聯(lián)盟鏈在實現(xiàn)部分去中心化、去信任的基礎上，進一步優(yōu)化組織間管理結構以提高性能，方便頻繁交易，并具有隱私保護優(yōu)勢。

在后臺技術實現(xiàn)上，本系統(tǒng)基于Django技術框架進行建設，采用Python作為開發(fā)語言，實現(xiàn)網(wǎng)頁前端與后臺數(shù)據(jù)庫的連接，成功實現(xiàn)對于水產(chǎn)品溯源。相較于傳統(tǒng)溯源分散、繁雜的現(xiàn)狀，本系統(tǒng)所實現(xiàn)的水產(chǎn)溯源更加快速準確、方便及時，具有突出優(yōu)勢。操作系統(tǒng)選用Windows 10，軟件使用瀏覽器/服務器(B/S)架構，數(shù)據(jù)庫采用MySQL，后臺使用阿里云服務器，并通過應用構件和可復用技術，面向系統(tǒng)整體需求，分析系統(tǒng)內部的各要素，針對各要素開發(fā)系列可自我管理、自我擴展的管理構件平臺，并最終形成可集成、可維護、高安全的智能化水產(chǎn)品質量安全溯源系統(tǒng)。

在前端網(wǎng)站設計上，本系統(tǒng)采用HTML5技術，靈活運用其語義化標簽、智能表單與微數(shù)據(jù)，簡化頁面設計，豐富頁面內容，提升用戶體驗，提高網(wǎng)頁穩(wěn)定。

2.4 實際案例分析

對上海市某水產(chǎn)企業(yè)的多寶魚供應鏈進行調研。其供應鏈環(huán)節(jié)主要包括收購、加工、貯存、運輸、銷售五個環(huán)節(jié)。各環(huán)節(jié)內及各環(huán)節(jié)間信息錯綜復雜，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?，F(xiàn)有的區(qū)塊鏈系統(tǒng)有盲目存儲所有數(shù)據(jù)的嫌疑，一方面實際操作中數(shù)據(jù)采集難度大、來源不可靠，另一方面會造成大量數(shù)據(jù)同時上鏈時數(shù)據(jù)同步效率降低、報錯率升高。因此，針對該企業(yè)運行現(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)品質量安全溯源系統(tǒng)對其質量管控和信息管理進一步優(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，無刪改權，登錄平臺后可實現(xiàn)多寶魚供應鏈的實時監(jiān)管，如傳輸采集設備數(shù)據(jù)、查看區(qū)塊信息、監(jiān)測節(jié)點生成等。數(shù)據(jù)由采集設備上傳后，系統(tǒng)自動調用對應智能合約分析處理，符合要求后，通過Gossip協(xié)議統(tǒng)一存儲。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，但無法對信息進行操作。當出現(xiàn)多寶魚安全問題時，監(jiān)管部門可登錄系統(tǒng)，先根據(jù)哈希碼驗證產(chǎn)品真?zhèn)巍⑴袛鄶?shù)據(jù)真實性，再根據(jù)產(chǎn)品編碼順著默克爾樹快速得到溯源信息，對HACCP管理數(shù)據(jù)進行分析，若仍無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。消費者無須登錄即可查詢多寶魚從魚塘到餐桌的所有信息，增強購買信心，增加品牌好感。

相較于傳統(tǒng)溯源的不真實及現(xiàn)有區(qū)塊鏈系統(tǒng)信息的散亂，運用本系統(tǒng)后，信息真實性和生產(chǎn)規(guī)范性效果顯著。尤其在HACCP管理下生成的智能合約實現(xiàn)安全隱患因子針對性管控，系統(tǒng)性和規(guī)范性更強，利于監(jiān)測管理，減輕信息上鏈負擔，減少存儲資源浪費；溯源高效性進一步提升，有望實現(xiàn)異地食品安全問題初排查；溯源信息更真實、專業(yè)，可信任程度大大提高。

3 結論

將區(qū)塊鏈技術和HACCP管理結合，構建智能化水產(chǎn)品質量安全溯源系統(tǒng)。仿真試驗結果表明系統(tǒng)運行穩(wěn)定、管理規(guī)范，可實現(xiàn)水產(chǎn)品質量安全的監(jiān)測，對電商平臺上水產(chǎn)品信息不真實、質量安全信服力缺失等問題的解決有突出優(yōu)勢。本研究是已有區(qū)塊鏈技術研究的拓展延伸，HACCP管理的加入使本系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)更具有針對性和代表性，有助于存儲信息的優(yōu)化，以及生產(chǎn)流程的高效調整，起到“1+1>2”的效果。通過實地調研，該系統(tǒng)的運用給企業(yè)生產(chǎn)管理帶來極大便利。隨著未來的深入研究，該系統(tǒng)有望在存儲優(yōu)化、管理優(yōu)化等方面進一步提升。

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