0 引言

隨著人民生活品質(zhì)的日益提升，特別是在新冠疫情以后，冷鏈物流這一新興行業(yè)展現(xiàn)出了迅猛的發(fā)展勢頭。同時，國際組織和全球各國政府為促進和規(guī)范冷鏈物流業(yè)的健康發(fā)展，紛紛出臺了一系列政策措施。據(jù)Cold Link等國際機構的研究報告指出，全球冷鏈物流市場規(guī)模預計將從2018年的1600億美元大幅增長至2026年的5851億美元[1]。值得關注的是，相較于北美、歐洲、日韓等發(fā)達國家和地區(qū)，新興經(jīng)濟體被普遍預測為未來5到10年全球冷鏈物流市場規(guī)模增長最為強勁的地區(qū)。中國將會是這一地區(qū)增長最重要的貢獻者之一，依靠高速發(fā)展的數(shù)字技術和即時配送需求，冷鏈物流及相關基礎設施建設將成為舉足輕重的新興市場[2]。2021年12月，國務院出臺了《“十四五”冷鏈物流發(fā)展規(guī)劃》，明確提出要加快國際物流網(wǎng)絡化發(fā)展，加強國際、國內(nèi)物流通道銜接，推動國際物流基礎設施互聯(lián)互通[3]。當前，我國物流行業(yè)正在加速推進數(shù)字化轉型，冷鏈物流規(guī)模效應持續(xù)提高，結構調(diào)整加快推進，科技賦能促進創(chuàng)新發(fā)展，但與數(shù)字化、智能化、現(xiàn)代化冷鏈物流要求相比，還存在一定差距和不足。

1 研究背景和現(xiàn)狀

1.1 區(qū)塊鏈技術的特點和優(yōu)勢

區(qū)塊鏈的概念2008年由Nakamot在比特幣白皮書中首次提出，通過去中心化分布式存儲與密碼學的結合實現(xiàn)了不可篡改、可追溯、公開透明的鏈式存儲數(shù)據(jù)庫[4]。區(qū)塊鏈技術基于多方共識、不可篡改、隱私保護、安全可追溯等特征，能夠助力構建數(shù)字經(jīng)濟信任基礎設施，形成產(chǎn)業(yè)鏈多方之間的分布式可信協(xié)作網(wǎng)絡，推動實現(xiàn)更加強勁、綠色、健康的全球發(fā)展。在區(qū)塊鏈技術逐漸在商業(yè)領域得到應用的同時，有關區(qū)塊鏈與冷鏈物流行業(yè)的學術研究也在進行中。在目前的供應鏈管理領域，區(qū)塊鏈技術正在試圖利用其獨特的技術特點快速滲透供應鏈的每個環(huán)節(jié)，同時通過整合供應鏈資金流、物流、信息流來重塑整個供應鏈商業(yè)生態(tài)。

1.2 區(qū)塊鏈技術在數(shù)據(jù)管理領域的應用

采用區(qū)塊鏈技術，明晰數(shù)據(jù)資產(chǎn)的產(chǎn)權和權限，通過構建物流產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟知識管理平臺，解決物流企業(yè)在數(shù)據(jù)資產(chǎn)存貯、數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)共享、知識創(chuàng)新等方面的瓶頸，破解物流企業(yè)之間以及企業(yè)和消費者解決“數(shù)據(jù)確權、可信可用、隱私安全”的難題。區(qū)塊鏈促進了數(shù)據(jù)共享和協(xié)作，通過創(chuàng)建共同的、防篡改的分類賬，不同的組織和個人可以安全地共享數(shù)據(jù)并進行合作。智能合約可以自動執(zhí)行業(yè)務流程并確保合同條款的執(zhí)行，降低了數(shù)據(jù)管理的成本和復雜性[5]。在醫(yī)療保健領域，區(qū)塊鏈可以用于管理敏感的患者數(shù)據(jù)，提高患者隱私和安全。在供應鏈管理中，它可以跟蹤商品的來源和配送，確保產(chǎn)品的真?zhèn)魏唾|(zhì)量。在政府部門，區(qū)塊鏈可以提高數(shù)據(jù)的透明度和問責制，促進公眾對決策過程的信任[6]。區(qū)塊鏈技術在數(shù)據(jù)管理領域擁有廣闊的應用前景，其去中心化、安全性和透明性特征為數(shù)據(jù)安全、透明和共享提供了創(chuàng)新的解決方案。

2 冷鏈物流行業(yè)數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀與存在的問題

2.1 冷鏈物流行業(yè)數(shù)字化發(fā)展現(xiàn)狀

隨著數(shù)字技術的迅猛發(fā)展，我國冷鏈物流行業(yè)也在積極探索數(shù)字化發(fā)展的路徑，目前的數(shù)字化發(fā)展主要呈現(xiàn)以下幾個特點：①物聯(lián)網(wǎng)技術應用方面，冷鏈物流企業(yè)開始利用物聯(lián)網(wǎng)技術，通過在貨物上安裝傳感器，實時監(jiān)測溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)。這種技術可以確保貨物在整個運輸和儲存過程中處于適宜的環(huán)境條件。②大數(shù)據(jù)應用方面，冷鏈物流企業(yè)利用大數(shù)據(jù)分析技術，處理和分析海量數(shù)據(jù)，包括運輸路線、溫濕度記錄等。這些數(shù)據(jù)分析結果可以幫助企業(yè)優(yōu)化運輸計劃、提高運輸效率，同時提供數(shù)據(jù)支持供應鏈管理。③人工智能技術方面，人工智能技術在冷鏈物流領域的應用也在逐漸增加。例如，通過機器學習算法預測貨物的需求量和運輸時間，優(yōu)化貨物配送計劃，提高運輸效率和準確性。④區(qū)塊鏈技術應用方面，一些先進的冷鏈物流企業(yè)開始嘗試應用區(qū)塊鏈技術，實現(xiàn)貨物的溯源和信息的不可篡改性[7]。區(qū)塊鏈技術可以確保貨物信息的安全性和可信度，增強了供應鏈的透明度和信任度。

2.2 冷鏈物流行業(yè)數(shù)字化發(fā)展存在的問題和挑戰(zhàn)

經(jīng)過近年來全球貿(mào)易的快速發(fā)展，隨著以數(shù)字技術為代表的第四次工業(yè)革命的到來，冷鏈物流行業(yè)數(shù)字化轉型面臨著以下的不足和挑戰(zhàn)：①數(shù)據(jù)共享和價值挖掘不足。雖然前期已經(jīng)應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術實現(xiàn)了冷鏈物流企業(yè)的數(shù)字化建設和應用，但是由于技術和數(shù)據(jù)產(chǎn)權等方面的原因，數(shù)據(jù)孤島的現(xiàn)象還依然存在，未能較好實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的冷鏈數(shù)據(jù)未能被充分挖掘和釋放價值[8]。②數(shù)據(jù)流通交易效率低。主要原因包括：傳統(tǒng)區(qū)塊鏈使用的共識機制（如工作量證明）需要消耗大量計算資源，導致交易確認速度緩慢；傳統(tǒng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐量有限，無法處理大規(guī)模交易，進一步降低了交易效率；每個區(qū)塊的大小限制導致每次確認的交易數(shù)量有限，進而影響交易處理速度。③數(shù)據(jù)安全和隱私保護性不好。數(shù)字化轉型過程中，冷鏈物流企業(yè)面臨著數(shù)據(jù)安全和隱私保護的風險。大量敏感數(shù)據(jù)的傳輸和存儲可能存在泄露和被攻擊的風險，需要加強安全防護措施。④技術標準與互操作性不好，目前我國冷鏈物流企業(yè)數(shù)字化發(fā)展缺乏統(tǒng)一的技術標準和互操作性，不同企業(yè)之間信息系統(tǒng)的不兼容性成為制約數(shù)字化發(fā)展的因素。缺乏統(tǒng)一的技術標準可能導致系統(tǒng)集成困難，影響業(yè)務流程的順暢進行。

3 冷鏈物流數(shù)據(jù)共享機制設計

本研究設計基于Hashgraph技術，是以第三方可信平臺方式來為供應鏈上下游企業(yè)間進行數(shù)據(jù)共享等深度服務。本方案基于非中心化的節(jié)點架構，較好地解決了目前國內(nèi)外主流平臺存在的數(shù)據(jù)交易時間長、可信度低和易篡改等問題，從而提升系統(tǒng)數(shù)據(jù)的高性能、高可靠、可追溯等關鍵性能指標。

3.1 基于Hashgraph的數(shù)據(jù)共享機制

本冷鏈物流數(shù)據(jù)共享平臺是為了滿足現(xiàn)代國際物流產(chǎn)業(yè)發(fā)展，同時利用區(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云平臺等數(shù)字技術融入冷鏈物流管理全流程，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、數(shù)據(jù)流通、數(shù)據(jù)挖掘、過程跟蹤、分析決策等功能。如圖1構建的冷鏈物流數(shù)據(jù)共享機制模型所示，冷鏈物流數(shù)據(jù)共享平臺為冷鏈物流的上下游眾多企業(yè)提供數(shù)據(jù)共享服務，依靠各類有線無線網(wǎng)絡設備、服務器、數(shù)據(jù)存儲設備或云平臺，為數(shù)據(jù)產(chǎn)權持有者或購買者提供數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘等服務?；诖髷?shù)據(jù)的分析決策體系，為數(shù)據(jù)處理體系、管理體系提供相應的分析判斷和決策規(guī)則。

3.2 Hashgraph區(qū)塊鏈平臺

本研究采用基于DAG（有向無環(huán)圖）的Hashgraph技術來構造供應鏈數(shù)據(jù)交易中心。選取Hashgraph作為支撐技術，主要的原因有三個方面：快速共識機制、支持智能合約、支持微支付。而且由于Hashgraph的交易傭金非常低廉，綜合這些技術因素和費用因素，采用此項技術作為冷鏈物流系統(tǒng)基礎技術是較為合理和先進的，將會為冷鏈物流行業(yè)數(shù)據(jù)管理可持續(xù)發(fā)展帶來關鍵的技術優(yōu)勢。

共識機制：Hashgraph的是一種異步拜占庭（ABFT）容錯以及八卦協(xié)議（gossip protocall）的分布式共識算法。它采用了“虛擬異步共識”（Virtual Asynchronous Consensus,VAC）的概念，通過每個節(jié)點交換事件并記錄其它節(jié)點的事件順序，最終達成共識。Hashgraph通過基于事件的圖數(shù)據(jù)結構和高效的傳播算法實現(xiàn)快速的共識過程。由于不需要選舉領導者或者進行投票，Hashgraph可以實現(xiàn)高吞吐量、低延遲的交易確認，并且具有最終性和公平性的特點。

智能合約：Hashgraph的智能合約是通過Solidity編寫，與以太坊智能合約相似，但在執(zhí)行效率和安全性上有所提升。Hashgraph的智能合約可以實現(xiàn)自動化的合同執(zhí)行，基于事件驅動的編程模型，使合約可以響應網(wǎng)絡中的事件并執(zhí)行相應的邏輯。由于Hashgraph的高吞吐量和低延遲，智能合約執(zhí)行效率更高，且具有更快的交易確認速度。智能合約的特點主要有：①靈活性：Hashgraph的智能合約具有靈活的編程模型，可以響應網(wǎng)絡中的事件并執(zhí)行相應的邏輯；②自主性：當一個特定的智能合約被完成部署并和獨立運行時，它不依賴于分布式網(wǎng)絡中的節(jié)點；③去中心化：智能合約被部署于分布式網(wǎng)絡后，將在眾多的網(wǎng)絡節(jié)點中驗證和運行[20]。

如表1是一個比較了基于Hashgraph、以太坊、比特幣等三種區(qū)塊鏈技術的性能參數(shù)。Hashgraph相對于其他技術在吞吐量和延遲方面表現(xiàn)出色，具有更高的吞吐量和更低的延遲。它還具有較高的安全性和共識機制效率，并且能源消耗較低，這使得它在處理高并發(fā)交易時更具優(yōu)勢。此外，Hashgraph也具有較好的可擴展性，能夠滿足不斷增長的數(shù)據(jù)需求。與此相比，以太坊、比特幣和超級賬本在某些方面可能存在吞吐量低、延遲高和能源消耗高的問題，尤其在處理大量交易時表現(xiàn)不佳。

3.3 冷鏈物流數(shù)據(jù)交易中心架構設計

3.3.1 數(shù)據(jù)交易架構設計

本平臺基于DAG的Hashgraph技術設計供應鏈數(shù)據(jù)交易中心如圖2所示，按照物流數(shù)據(jù)交易全流程時間發(fā)生的時間順序分為交易前、交易中和交易后三個階段，將交易流程劃分為三個獨立功能模塊：①冷鏈物流數(shù)據(jù)賣家篩選；②數(shù)據(jù)價值估值；③數(shù)據(jù)價值分配確權。根據(jù)相關物流數(shù)據(jù)共享文獻研究證明，私有數(shù)據(jù)的擁有者在數(shù)據(jù)產(chǎn)權明晰、數(shù)據(jù)價值明確、各方利益共享的基礎上才具有較強分享意愿。交易前由平臺按照數(shù)據(jù)價值估值以及數(shù)據(jù)擁有者的其他資質(zhì)屬性來篩選，入選的數(shù)據(jù)共享交易者在此過程中達成共識機制。交易中，按照完成估值和確權的數(shù)據(jù)參數(shù)進行共享交易，履行智能合約要求的流程任務。交易后進行數(shù)據(jù)價值的分配，完成交易流程。

3.3.2 數(shù)據(jù)價值評估算法

本研究提出的供應鏈數(shù)據(jù)交易中心核心是數(shù)據(jù)價值評估算法，數(shù)據(jù)價值評估依據(jù)將取決于它在特定的數(shù)據(jù)使用場景中的期望價值。在研究中將采用基于DEA(Data Envelopment Analysis，數(shù)據(jù)包絡分析）中的Shapley方法對共享數(shù)據(jù)進行科學客觀的估值。通過計算參與方的貢獻和Shapley值，可以得到對物流數(shù)據(jù)共享的估值。這種估值方法考慮了參與方的貢獻和利益，能夠更加客觀地評估物流數(shù)據(jù)的價值和意義。

Shapley在博弈論中的合作博弈可以用來衡量經(jīng)濟活動中各個代理（agent）的貢獻，并能公平地分配通過合作而得到的最終收益。其中第i條數(shù)據(jù)的Shapley值定義如下：

Shapley方法的估算值能夠較為近似的估算某個數(shù)據(jù)共享者對于模型的期望貢獻度。通常情況下，實際數(shù)據(jù)是來自于真實的分布，然而，數(shù)據(jù)共享的需求者不可能完全得到或準確預見數(shù)據(jù)的分布，所以即使作為同一個數(shù)據(jù)點i，當忽略i后剩余的數(shù)據(jù)集D-{i}可能發(fā)生任何實際變化，數(shù)據(jù){i}的價值也會相應發(fā)生變化。通過Shapley方法，數(shù)據(jù)共享各方可以較為準確的估計出為該共享數(shù)據(jù)產(chǎn)生做出較高貢獻的共享者，也可以根據(jù)估值辨別出那些對數(shù)據(jù)需求者無用甚至是有損害的共享數(shù)據(jù)。

3.4 智能合約設計

本平臺應用Solidity編寫Hashgraph的智能合約，其中包含了合約的邏輯和條件，合約被編譯成字節(jié)碼，并通過交易的形式部署到Hashgraph網(wǎng)絡中，每個節(jié)點都會執(zhí)行這些合約。

3.4.1 智能合約的基礎條件

該平臺智能合約將利用Hashgraph平臺提供的Dapp（非中心化）應用的Gossip協(xié)議共識機制的開發(fā)包（SDK）。本研究使用的Hashgraph SDK0.32.1，該版本支持主要功能包含：①更高的吞吐量和更低的延遲，共識服務端點的改進提高了交易處理吞吐量和延遲，使應用程序可以更快、更有效地處理交易；②更快的查詢性能，查詢性能的優(yōu)化使應用程序可以更快、更有效地檢索數(shù)據(jù)，從而提高應用程序的響應能力；③端到端TLS支持的添加增強了SDK與Hashgraph網(wǎng)絡之間的通信安全性，保護應用程序免受未經(jīng)授權的訪問和數(shù)據(jù)竊?。虎芊亲枞透咝阅艿膽贸绦蜷_發(fā)：Rust SDK中異步API的引入使開發(fā)人員可以編寫非阻塞和高性能的應用程序，從而提高應用程序的并發(fā)性和可擴展性；⑤無中斷的密鑰管理，簽名密鑰輪換功能允許應用程序在不中斷服務的情況下安全地更新其簽名密鑰，確保應用程序的持續(xù)可用性和安全性。

3.4.2 智能合約功能函數(shù)

使用智能合約能夠促進整個供應鏈全流程數(shù)據(jù)分享過程中的透明、安全和公平。智能合約在基于Hashgraph的冷鏈物流數(shù)據(jù)共享平臺中扮演著至關重要的角色，它是保障數(shù)據(jù)安全、確保交易可靠性、實現(xiàn)權限管理的關鍵組件。在設計智能合約時，需要綜合考慮平臺的特點和需求，確保合約能夠滿足各方的需求并促進平臺的發(fā)展和進步，主要包含以下內(nèi)容：

①數(shù)據(jù)驗證。

智能合約的第一個關鍵功能是對上傳的數(shù)據(jù)進行驗證。冷鏈物流數(shù)據(jù)的準確性和完整性對于保障物流運輸?shù)陌踩唾|(zhì)量至關重要。因此，智能合約應該包含嚴格的數(shù)據(jù)驗證邏輯，以確保上傳的數(shù)據(jù)符合規(guī)定的格式和要求。具體而言，智能合約需要實現(xiàn)以下驗證邏輯：驗證溫度數(shù)據(jù)是否在合理范圍內(nèi)，確保貨物的質(zhì)量和安全；驗證時間戳的有效性，防止數(shù)據(jù)篡改或重放攻擊；驗證數(shù)據(jù)的完整性，例如確保所有必要的字段都有值，防止數(shù)據(jù)丟失或損壞；驗證數(shù)據(jù)的來源，通過驗證數(shù)字簽名等方式確保數(shù)據(jù)來自合法可信的源頭，防止惡意數(shù)據(jù)注入或篡改。

②數(shù)據(jù)交易。

智能合約的另一個關鍵功能是實現(xiàn)數(shù)據(jù)交易和共享。在冷鏈物流領域，參與方之間需要安全地交換數(shù)據(jù)，并確保交易的可追溯性和安全性。因此，智能合約需要實現(xiàn)以下功能：記錄數(shù)據(jù)交易的詳細信息，包括交易的時間、交易雙方、交易內(nèi)容等，以便實現(xiàn)交易的可追溯性和審計；驗證交易雙方的身份和權限，確保只有合法的用戶才能進行交易；執(zhí)行數(shù)據(jù)交易，并更新數(shù)據(jù)的所有權信息，將數(shù)據(jù)所有權從賣方轉移到買方，確保交易的安全和可靠性。

③權限管理。

智能合約的第三個關鍵功能是實現(xiàn)權限管理。在冷鏈物流數(shù)據(jù)共享平臺上，不同的用戶可能具有不同的權限和角色，需要根據(jù)其權限級別對數(shù)據(jù)的訪問和操作進行限制。因此，智能合約需要實現(xiàn)靈活的權限管理機制，以確保數(shù)據(jù)的安全和隱私。具體而言，智能合約需要實現(xiàn)以下功能：用戶身份驗證，確保只有授權用戶才能進行數(shù)據(jù)訪問和操作；根據(jù)用戶的角色和權限級別限制其對數(shù)據(jù)的訪問和操作權限；記錄用戶的操作行為和事件日志，包括登錄記錄、數(shù)據(jù)訪問記錄、數(shù)據(jù)修改記錄等，用于審計和追溯。

④事件處理。

智能合約還應該包含事件處理功能，用于處理平臺中發(fā)生的各種事件和情況。例如，當有新的數(shù)據(jù)上傳時，智能合約應該觸發(fā)相應的事件處理程序，對數(shù)據(jù)進行驗證并根據(jù)交易規(guī)則執(zhí)行相應的操作。另外，合約也應該能夠處理用戶發(fā)起的請求，如查詢數(shù)據(jù)、發(fā)起交易等。

⑤數(shù)據(jù)存儲和訪問。

智能合約需要實現(xiàn)數(shù)據(jù)的存儲和訪問功能。合約可以使用分布式存儲技術將數(shù)據(jù)存儲在區(qū)塊鏈上，并提供查詢接口供用戶查詢數(shù)據(jù)。同時，合約也應該考慮到數(shù)據(jù)的保密性和隱私性，確保只有合法用戶才能訪問和查看數(shù)據(jù)。

4 總結與展望

本研究旨在設計和研究基于Hashgraph的冷鏈物流數(shù)據(jù)共享平臺，以解決傳統(tǒng)冷鏈物流數(shù)據(jù)共享中存在的安全性、可靠性和效率等問題。在全面分析冷鏈物流領域技術和挑戰(zhàn)的基礎上，我們設計了智能合約，并通過實際系統(tǒng)實現(xiàn)和性能評估驗證了平臺的可行性和優(yōu)勢。在本節(jié)中，我們將對本研究的主要成果進行總結，并對未來的發(fā)展方向進行展望。具體而言，我們首先介紹了區(qū)塊鏈技術和Hashgraph技術的基本原理，并分析了其在冷鏈物流數(shù)據(jù)共享中的優(yōu)勢。然后深入探討了冷鏈物流技術的特點和挑戰(zhàn)，為設計合適的數(shù)據(jù)共享平臺奠定了基礎。

盡管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些潛在的改進和發(fā)展空間。未來的工作可以集中在以下幾個方面：首先，在性能優(yōu)化方面，雖然Hashgraph具有較高的性能，但隨著數(shù)據(jù)規(guī)模的增長，仍可能面臨性能瓶頸。因此可以進一步優(yōu)化系統(tǒng)架構和智能合約，提高系統(tǒng)的處理能力和并發(fā)性能。其次，在功能豐富化方面，目前的設計主要實現(xiàn)了基本的數(shù)據(jù)驗證、交易和權限管理功能，未來可以進一步豐富平臺的功能。再次，在用戶體驗改進方面，在用戶界面設計和操作流程優(yōu)化方面，還有較大的改進空間。最后，在安全防護方面，隨著平臺的應用范圍擴大，安全風險也會相應增加。未來需要加強平臺的安全防護措施，防止數(shù)據(jù)泄露和黑客攻擊等安全威脅。綜上所述，基于Hashgraph的冷鏈物流數(shù)據(jù)共享平臺具有廣闊的發(fā)展前景，未來的工作將繼續(xù)致力于優(yōu)化系統(tǒng)性能和功能，提高平臺的可用性和用戶體驗，推動冷鏈物流數(shù)據(jù)共享技術的應用和發(fā)展。