基于区块链技术的生鲜产品冷链物流风险管控研究

　　文/万玉龙 章艳华 顾峰 冯炜雯 江苏电子信息职业学院商学院

　　摘要：本文提出基于消息队列的中间件来完成对合约的高并发调用，提升生鲜产品冷链物流数据上链的速度，采用区块链密钥交换与对称加密的方法，使生鲜产品冷链物流订单的数据在传输时被加密，降低生鲜产品冷链物流订单传输等风险。结果表明：与过去中心化的生鲜产品冷链物流风险管控体系对比，利用区块链的分布式、不可篡改、可追溯等特性，提高了各个生鲜产品冷链物流企业之间的信任度，规避了核心企业对生鲜产品冷链物流数据的主观更新或恶意篡改。

　　关键词：区块链；生鲜产品；冷链物流；风险管控

　　引言

　　区块链技术通常被认为是一种分布式的记账技术（distributed ledger technology, DLT)，主要通过存证来溯源链上数据，这些交易数据可以在区块链参与节点之间执行和共享[1]。区块链技术有很多特性，其中最典型的当数具备DLT技术特性。区块链的四个关键特征：非本地化（去中心化）、安全性、可审计性和智能执行[2]。2021年11月，国务院办公厅印发的《“十四五”冷链物流发展规划》[3]中指出，常温物流链相比冷链物流的损失率高出约40%，仅果蔬类生鲜产品，我国每年的损失金额就高达1000亿元以上。由于冷链物流涉及的生鲜产品具有易腐烂变质、易受污染、不易保存等特点，生鲜产品在冷链物流运输等作业过程中损失严重，导致生鲜产品零售价格居高不下，生产者和消费者处于“双输”局面。如何科学、规范地管控生鲜产品冷链物流风险，已成为国家极度关切的重大难题。

　　1. 网络模型的实现

　　在超级账本中，参与的组织包括生鲜产品冷链物流运输方、发货方和收货方，这三方被划分为超级账本的三种组织类型，组织是在超级账本中的最大单元，三者之间的地位是平等的，从而可构建成组织间的联盟成员关系。区块链的共识机制有多种，利用RAFT的共识机制，可以保证数据的高吞吐量，比如本系统的排序中心使用的是Kafka排序。组织中的证书服务器可以产生组织的证书、组织中的所有节点、所有使用者的证书。用户通过认证才可调用SDK相应接口来处理区块链数据。一个组织中可以有多个共识节点，每一个共识节点都会部署相应的链码，负责数据背书、数据备份和通信等[4]。另外，为了使生鲜产品冷链物流风险管控系统具有更多的查询能力，本文还对每一个共识节点进行了KV数据库的配置。

　　2. 数据上链系统的实现

　　该方案的数据主要包括订单和环境两大类。其中，生鲜产品冷链物流订单信息，如收发人地址、联系方式、商品信息等为订单数据，因为含有大量的公民信息，为了避免信息的泄漏，必须通过加密的传输单元将订单信息发送到区块链服务器端。而生鲜产品冷链物流中采集到的温度、湿度、空气等数据为环境数据，因为是实时数据的抓取，一般我们会采用限流或削峰等多种负载均衡策略保证上链数据的流量均衡和系统稳定。在冷链物流运输过程数据上链的业务中，所采用的加密传送模块是结合对称加密算法（AES对称加密算法），通过密钥交换协议实现对称加密业务物流信息的能力，保证了物流数据的密文上链和存储传输，保障了用户业务数据的隐私[5]。

　　生鲜产品冷链物流风险管控环境数据的采集、处理、缓存、上链等过程，由环境数据上链系统中的物联网模块和消息队列模块实现。物联网设备含有多种传感设备，这些设备采集到的数据一般会缓存在缓存数据库中，常用的缓存数据库是内存数据库Redis，Redis数据库是一种具有很高读取和写入速度的内存数据库，可以很好地满足系统需求，实现生鲜产品冷链物流数据抓取和上链业务的解耦，解决因同步等待造成延迟导致生鲜产品冷链物流数据采集丢帧或遗漏上链的问题，具有生鲜产品冷链物流风险管控数据缓存和备份的作用[6]。

　　步骤1：每秒采集60次生鲜产品的温度、湿度和大气压强数据，这些是由IOT传感器设备采集，进行分组，记为 sourceAcq，将分组数据取平均值 avaData，并将平均值进行上链存证，这样传感器扰动的数据的误差就会消减。

　　步骤2：在缓存数据库中对上述数据进行预处理，记为preData。

　　步骤3：读取缓存数据库中的预处理数据preData，并向区块链服务器端的交易池中递交预处理数据。

　　步骤4：从预处理队列中获取数据，提交至链上代码执行模块，做数据上链执行操作。

　　步骤5：数据通过链上代码执行模块链上代码进行计算，并将结果写入区块链账本中。

　　3. 智能合约的实现

　　链上代码也就是超级账本中的智能合约，是一个在独立的执行环境中独立运行的应用，一般是运行在Docker容器中，可以基于DnD进行远程通信部署，也可以通过TCP方式进行网络连接部署。生鲜产品冷链物流风险环境数据和冷链物流订单数据的上链合约，涉及的方法包括物流数据发布、物流确认、物流签收、历史数据查询、状态数据查询，具备其他区块高度、交易Hash、key值版本数据等检索功能。

　　如表1所示，超级账本不需要对链上代码的操作进行设置或管控，可以在超级账本网络中，利用通道隔离用户合约，实现同一通道内链上代码的互访操作。为了确保只有对应的物联网设备才能调用环境数据上链方法，只有组织内某一方用户才可调用订单数据的上链方法，所设计方案使用基于身份验证的方式来实现。一方面将取得使用方的CA证书，并通过链上查询的合约接口进行合约调用，比如执行生鲜产品冷链物流风险环境数据上链接口，那么同步冷链物流数据上链的步骤的执行单元就是物联网设备，然后确认其MACID与证书中的MACID签名是否相符，若所有的签名都验签和通过，则返回成功。若执行发布物流数据方法，则判定发货商是否为其合法使用者；若调用确认订单方法，则判定生鲜产品冷链物流企业是否为其调用者；若调用签收订单方法，则判定收货商是否为其调用者。以上情况若判定为是，则返回成功；若不符合以上任意情况，则返回失败。

　　生鲜产品冷链物流所运货物的种类和运输所需的温、湿度、气压范围等数据，都需要及时准确地进行采集和上链记录。在数据存储时，可以采用leveldb、CouchDB为状态数据库，以订单作为索引key，其余各字段经过base64序列化后作为值进行传递。建立一个物流订单后，由于它会发生各种状态的改变，因此需要状态识别，用state字段来表示，如表2所示。首先，logisticsConfirD和LogisticsSign字段被发货方赋值，LogisticsState字段标为NewStub，其他字段依照物流实际情况填写，然后执行上链存证发布订单交易合约方法，向区块链系统发布生鲜产品冷链物流订单信息，此时，生鲜产品冷链物流订单进入新NewStub状态。

　　然后发货方请求被接收后，生鲜产品冷链物流公司会调用查询订单状态方法查看订单信息，若确认接受此订单，则logisticsConfirm字段信息将通过调用确认订单方法填写，并将stub字段标为conSign，在生鲜产品冷链进行物流运输过程结束后，订单处于等待签收状态conSign。其中，要进行同意签收订单或拒绝签收订单的流程。在收货方验证完冷链物流货物后，可以通过链码接口对签收合约进行调用，签收合约包括正常签收和拒签操作。若签收，则填写conSign字段信息，并将stub字段标记为conSigned；如果拒绝签收此笔交易，则可以把 stub字段标记为conReject。在设备上执行环境数据校验后，对数据进行上链操作，生鲜产品冷链物流公司、发货方、收货方在上链后都可以通过各自的节点，利用自己的用户证书进行链上数据查询，并在此基础上调用历史数据，实现对环境数据的历史查询。

　　4. 系统测试

　　系统测试是系统开发过程中不可缺少的环节，通过对生鲜产品冷链物流风险管控系统进行功能测试和性能测试，可以更好地了解该系统的功能和性能，并分析系统实际运行过程中可能会发生的故障或异常。生鲜产品冷链物流风险管控系统测试还可以找出在开发过程中遗漏或待提升的功能或性能指标点，从而提高软件质量。本研究重点测试了以区块链技术为基础的生鲜产品冷链物流风险管控系统，并给出了该系统的测试环境、功能测试结构及性能测试结果。

　　本次生鲜产品冷链物流风险管控系统测试环境是通过4台物理服务器构建了一套联盟链网络，同时还配有树莓派管控板和物联网环境传感器（温度、湿度、大气压压强）。4个区块链节点代表的组织分别为：三台机器分别代表冷链物流货物供应商、冷链物流货物物流企业、冷链物流货物收货方，最后1台服务器用于构建基于排序服务。性能测试关注点是交易吞吐率（TPS）的变动，并发数的大小影响着TPS，其中x、y分别为单次并发数、每秒的交易数，测出的TPS最大为340。当单次并发数为700时，多次测试得到系统的TPS平均值为324。

　　在测试读TPS时，观察到单次并发数会对查询TPC产生影响。图1和图2为吞吐率测试图，其中，x、y轴分别为并发数、交易数，所测最大每秒读交易数为4115。当单次并发数为600时，多次测试得到系统的每秒交易数平均约为4000。其中图1为上链交易的吞吐率最高为65，图2为查询操作的吞吐率最高为195。在基于同等条件下的超级账本底链网络中，我们设计的系统性能得到了有效提升。

　　图1 上链交易吞吐率测试图

　　图2 查询操作吞吐率测试图

　　结语

　　经过测试，基于区块链技术的生鲜产品冷链物流风险管控系统已通过功能、性能测试，达到了预定的设计目标，证明了该系统的有效性和可用性。该方案的优点在于：与过去中心化的生鲜产品冷链物流风险管控体系对比，通过利用区块链的分布式、不可篡改、可追溯等特性，提高了各个生鲜产品冷链物流等企业之间的信任度，规避了核心企业对生鲜产品冷链物流数据的主观更新或恶意篡改。

　　参考文献：

　　[1]王娜.区块链架构下冷链物流信息生态管理探讨[J].商业经济研究,2021,(21):98-102.

　　[2]Jang EC,Kim J,Kim R.Applied Practice on Fresh Food Cold Chain System with Blockchain Solution[J].International journal of advanced smart convergence, 2021,10(3):207-213.

　　[3]国务院办公厅关于印发“十四五”冷链物流发展规划的通知（国办发〔2021〕46号） [A/OL].(2021-11-26)[2023-08-20]. https://www.gov.cn/zhengce/content/2021-12/12/content_5660244.htm.

　　[4]Yu F.Research on the Construction of Cold Chain Logistics System Based on the Perspective of Blockchain[J].Journal of Frontiers in Educational Research,2021,1(3):140-144.

　　[5]Sun X,Wang HW.Research on the Risk Avoidance of Cold Chain Logistics Financial Credit Based on Block Chain Technology[C]//2017 5th International Education,Economics,Social Science,Arts,Sports and Management Engineering Conference(IEESASM 2017).Atlantis Press,2018:505-511.

　　[6]李海洲,周小刚,唐衍军.区块链技术赋能果品供应链质量安全管理研究[J].中国果树, 2021,(5):79-82.

　　作者简介：万玉龙，博士，副教授，研究方向：智慧物流、乡村振兴。

　　基金项目：2022年江苏高校“青蓝工程”优秀教学团队项目；2023年江苏省社科应用研究精品工程课题——江苏加快发展现代乡村服务业对策研究；2023年淮安市社科研究课题成果（编号：2023SK112）；江苏电子信息职业学院2021年自然科学基金项目（编号：JSEIY2021004）；苏电英才工程科技创新团队培育对象（团队带头人）及博士工作室项目。

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