1. 食品安全溯源
1.1 食品溯源定义
食品溯源的定义在国际上尚未统一，行业认可度较高的食品溯源定义来自国际食品法典委员会（CAC）和国际标准化组织（ISO）。CAC对食品溯源的定义是在指定的生产、加工、分销环节中，追踪食品运转情况的能力。ISO对食品溯源的定义是对产品在需考虑范围内的来源、应用及其所在处进行回溯或追踪的能力。
1.2 食品安全溯源体系
结合国际食品安全质量保障标准，可得出食品溯源体系概念框架。然而，全面完善的溯源体系在落实过程中会有以下几个问题：1）以往溯源信息诉求还停留在生产日期、产品质量合格等级、添加物含量等方面的低层次阶段，而真正具有可追溯性的产品还应当记有产地情况、工艺过程涉及的参与者等高层次信息，这对信息自动采集技术、数据存储技术等方面都有挑战；2）中心化的食品溯源系统若要提高其监管水平，需要各权威组织和政府机构介入并作为第三方信任中介，这不仅影响系统运行效率，同时中心服务器的安全将影响到整个系统的正常运转；3）企业之间的信息交换依赖于第三方信任中介，而基于当前监管部门社会诚信力下降现况，企业间的信息交换透明度与可信度不尽人意。
2、区块链
2.1 区块链概念
区块链可以狭义地理解为去中心化的、无需信任的新型数据架构（或共享账簿），由区块链网络中的所有节点共同参与及维护。技术特点在于去中心化、去信任、可集体维护、可靠。它由一系列基于密码学方法生成的数据块组成，数据块就是区块链概念中“区块”一词所指。按照区块产生的时间顺序，区块被有序链接而形成链条结构，从而被称为区块链。
2.2 区块链基本架构
数据层主要封装了底层数据区块、时间戳和相关的加密数据等内容，是信息记录安全隐私性的保证；网络层负责分布式组网机制、数据传播机制以及数据验证机制，是去中心化存储方式的结构基础；共识层封装网络节点间的各种共识机制，是分布式网络正常运行的保障；激励层负责经济激励相关的发行机制与分配机制，是区块链应用于虚拟货币场景的必要条件，但在其他应用场景中不是必须的；合约层处理各类系统脚本、算法和智能合约，是区块链可编程性的体现；应用层则封装了区块链的应用场景与案例。区块链创新性地融合了以上关键技术，因此区块链系统的主要特性包括以下几个方面：1）分布式容错性：网络抗变换性强，理论上最高容错50%。2）不可篡改性：通过共识机制的区块加入到区块链中，数据不可被销毁或修改。3）隐私保护性：密码学技术保证了未经授权者尽管能访问到数据，但无法解析。
3、基于区块链的食品安全溯源体系设计
3.1 体系层次及其实现
溯源系统的技术架构主要分为物理层、通信层、数据库层和接口层。其中，区块链技术应用于数据库层与通信层。物理层中主要包含了智能传感器与执行器等，用于数据采集并转发到上层协议，实质上与物联网结构中的物理层相似。通信层主要包括网络结构与协议。传统物联网架构的通信层主要采用蓝牙、Zigbee、Wifi、以太网、3G/4G等通信机制。数据库层主要指分布式存储数据库。区块链中每条记录都包含时间戳及唯一的加密签名，同时完整的交易记录可供任何合法用户进行验证与审核。在产品从生产到消费的全过程中，涉及到的参与者角色及其职责如下：注册机构：为其他参与节点提供唯一的身份账号；标准化组织：定义标准条例并有修改权利；原材料供应商、生产企业、加工制造企业、分销商、零售商：向区块链输入指定产品的主要信息；消费者：购买食品产品，有访问产品特定信息的权限。从参与者角度来看，首先所有参与者在注册时会创建出一个对应的信息档案，档案内应对其企业信息、职能、地址、资格认证等必要信息进行记录。参与者在成功注册后，将会获得一个公钥和私钥，公钥向区块链中全体成员公开，而私钥作为交易过程中验证身份与信息的关键。每个参与者都可以利用已注册ID登录用户界面，进入指定区块链网络。该软件的开发与维护工作须由可信任的单位来负责，并要有权威的组织机构来承担注册机构的职责。从信息流来看，所有信息都存储在区块链中并且支持被授权的节点对其进行访问。信息存取的权限又取决于参与者在供应链中的角色与职能。显然，食品溯源链条中会涉及权限角色地位不等的各机关和企业，由此重申选用联盟链的意义。联盟链与公有链的区别不仅在于系统中心化与参与者身份，还有共识机制与激励机制上的差异。选用联盟链意味着：1）区块链系统中的信任机制不再要求是PoW或PoS，可以通过降低去中心化程度的方法减少参与共识机制的节点以克服挖矿过程的资源浪费问题。2）维护食品溯源系统是联盟链中各参与节点的责任，故区块链系统的运行无需激励机制，即选用联盟链，可以不依赖数字货币，简化记录账簿，降低系统运行所需带宽。
3.2 运行机制分析
3.2.1 产品标识
食品溯源系统运行的基础是产品标识与编码，且仅当对产品进行正确标识，才能实现有效的追踪和溯源。EAN UCC系统（全球统一标识系统）是当前比较成熟的系统，包含编码体系、数据载体（如条码、射频识别（RFID）、数据交换（电子数据交换（EDI）和可扩展标记语言（XML）））。
3.2.2 数据录入过程
在设想的溯源系统中，每一样商品都在区块链网络中被数字化，包括其身份标识及参数信息，信息维护者方可全面具体地维护产品信息，避免溯源信息割裂问题。利用产品和参与者的标识，认证授权中心可以通过智能合约的方式自动对产品当前担责节点开放权限，保证数据维护的有序性与可靠性，防止非相关节点违规操作，实现系统有序、严谨、全面地跟踪产品并维护产品信息。企业内部信息维护与企业间交易过程都可以通过区块链来记载操作日志，时间戳技术与不对称加密技术保证了基于区块链技术的食品溯源系统的可靠性和防篡改性。
3.2.3 数据访问过程
在溯源系统中，对任何参与者而言，产品信息的体现方式都是产品信息电子文档。其中，每条信息输入条目都有时间戳并且由所负责的参与方签名，与产品相关的认证机构信息也包含在内。此外，为了控制用户对信息文档（包括指定的产品信息、参与者的详细信息等）的访问权限，会在产品文档中嵌入一定的规则代码。在参与者访问信息文档时，需要输入其密钥，系统根据其拥有的权限来展示可见内容。以农产品为例，通过以上食品溯源系统的信息采集，指定蔬菜产品有一个电子信息文档，文档中应当包含了指定信息如产品的收获日期、物流路线与转运的时间节点和其种植地等。购买产品的用户有权利读取以上关键信息，但实际上，信息文档中还包括更加具体的信息，包括产品生产的农场或基地、产品的生长环境如温度湿度等。这些与顾客无直接关系且涉及到企业隐私的信息只能由区块链中被授权的参与者访问，一般会在发生食品安全问题后访问此类信息。
3.2.4 溯源系统应用场景
上文已提出一个基于区块链的食品安全溯源体系，并对其运行机制进行了简要介绍。下文将从实际案例出发，详细描述溯源系统的工作过程。不妨以火腿肠的食品供应链为例，其中包含供应商、加工企业、分销商等参与者角色。需要声明的是，食品供应链的复杂性决定了其主链上还存在诸多分支，此处仅取主链进行流程分析。
3.3 案例分析
3.3.1 案例简介
2011年3月15日，央视曝光了河南等地含有“瘦肉精”的生猪流入济源双汇公司，受事件影响，双汇公司当年净利润同比下降51.3%，营业额损失近200亿 元，同时也大大打击了消费者对食品安全的信心。该公司主要以生猪屠宰加工为主，在火腿肠产品的供应链中处于中游环节，主要与上游供应商交接。根据双汇集团董事长万隆所述，瘦肉精事件是上游产业链中养殖环节出现问题，济源双汇的猪源是在流通环节中因把关不严流入企业。社会新闻中则有观点认为养殖环节固然是事件的担责方之一，但双汇企业内部也存在管理力度薄弱甚至违规操作谋取私利的问题。综上，食品安全问题无法溯源并准确定位到担责方，舆论对社会带来的负面影响是不可估量的。由此，笔者试图通过基于区块链的食品安全溯源技术，为上述问题提供解决方案。
3.3.2 改善效果
本文所设计的食品溯源系统不仅能进行问题产品溯源，亦支持危机预警，从而改善食品安全现状，有助于建设更安全可靠的食品供应链，保障国民饮食健康。
