随着人民生活品质的日益提升，特别是在新冠疫情以后，冷链物流这一新兴行业展现出了迅猛的发展势头。同时，国际组织和全球各国政府为促进和规范冷链物流业的健康发展，纷纷出台了一系列政策措施。据Cold Link等国际机构的研究报告指出，全球冷链物流市场规模预计将从2018年的1600亿美元大幅增长至2026年的5851亿美元[1]。值得关注的是，相较于北美、欧洲、日韩等发达国家和地区，新兴经济体被普遍预测为未来5到10年全球冷链物流市场规模增长最为强劲的地区。中国将会是这一地区增长最重要的贡献者之一，依靠高速发展的数字技术和即时配送需求，冷链物流及相关基础设施建设将成为举足轻重的新兴市场[2]。2021年12月，国务院出台了《“十四五”冷链物流发展规划》，明确提出要加快国际物流网络化发展，加强国际、国内物流通道衔接，推动国际物流基础设施互联互通[3]。当前，我国物流行业正在加速推进数字化转型，冷链物流规模效应持续提高，结构调整加快推进，科技赋能促进创新发展，但与数字化、智能化、现代化冷链物流要求相比，还存在一定差距和不足。
区块链的概念2008年由Nakamot在比特币白皮书中首次提出，通过去中心化分布式存储与密码学的结合实现了不可篡改、可追溯、公开透明的链式存储数据库[4]。区块链技术基于多方共识、不可篡改、隐私保护、安全可追溯等特征，能够助力构建数字经济信任基础设施，形成产业链多方之间的分布式可信协作网络，推动实现更加强劲、绿色、健康的全球发展。在区块链技术逐渐在商业领域得到应用的同时，有关区块链与冷链物流行业的学术研究也在进行中。在目前的供应链管理领域，区块链技术正在试图利用其独特的技术特点快速渗透供应链的每个环节，同时通过整合供应链资金流、物流、信息流来重塑整个供应链商业生态。
采用区块链技术，明晰数据资产的产权和权限，通过构建物流产业联盟知识管理平台，解决物流企业在数据资产存贮、数据挖掘、数据共享、知识创新等方面的瓶颈，破解物流企业之间以及企业和消费者解决“数据确权、可信可用、隐私安全”的难题。区块链促进了数据共享和协作，通过创建共同的、防篡改的分类账，不同的组织和个人可以安全地共享数据并进行合作。智能合约可以自动执行业务流程并确保合同条款的执行，降低了数据管理的成本和复杂性[5]。在医疗保健领域，区块链可以用于管理敏感的患者数据，提高患者隐私和安全。在供应链管理中，它可以跟踪商品的来源和配送，确保产品的真伪和质量。在政府部门，区块链可以提高数据的透明度和问责制，促进公众对决策过程的信任[6]。区块链技术在数据管理领域拥有广阔的应用前景，其去中心化、安全性和透明性特征为数据安全、透明和共享提供了创新的解决方案。
随着数字技术的迅猛发展，我国冷链物流行业也在积极探索数字化发展的路径，目前的数字化发展主要呈现以下几个特点：①物联网技术应用方面，冷链物流企业开始利用物联网技术，通过在货物上安装传感器，实时监测温度、湿度等环境参数。这种技术可以确保货物在整个运输和储存过程中处于适宜的环境条件。②大数据应用方面，冷链物流企业利用大数据分析技术，处理和分析海量数据，包括运输路线、温湿度记录等。这些数据分析结果可以帮助企业优化运输计划、提高运输效率，同时提供数据支持供应链管理。③人工智能技术方面，人工智能技术在冷链物流领域的应用也在逐渐增加。例如，通过机器学习算法预测货物的需求量和运输时间，优化货物配送计划，提高运输效率和准确性。④区块链技术应用方面，一些先进的冷链物流企业开始尝试应用区块链技术，实现货物的溯源和信息的不可篡改性[7]。区块链技术可以确保货物信息的安全性和可信度，增强了供应链的透明度和信任度。
经过近年来全球贸易的快速发展，随着以数字技术为代表的第四次工业革命的到来，冷链物流行业数字化转型面临着以下的不足和挑战：①数据共享和价值挖掘不足。虽然前期已经应用物联网、大数据、人工智能等技术实现了冷链物流企业的数字化建设和应用，但是由于技术和数据产权等方面的原因，数据孤岛的现象还依然存在，未能较好实现数据共享的冷链数据未能被充分挖掘和释放价值[8]。②数据流通交易效率低。主要原因包括：传统区块链使用的共识机制（如工作量证明）需要消耗大量计算资源，导致交易确认速度缓慢；传统区块链系统的吞吐量有限，无法处理大规模交易，进一步降低了交易效率；每个区块的大小限制导致每次确认的交易数量有限，进而影响交易处理速度。③数据安全和隐私保护性不好。数字化转型过程中，冷链物流企业面临着数据安全和隐私保护的风险。大量敏感数据的传输和存储可能存在泄露和被攻击的风险，需要加强安全防护措施。④技术标准与互操作性不好，目前我国冷链物流企业数字化发展缺乏统一的技术标准和互操作性，不同企业之间信息系统的不兼容性成为制约数字化发展的因素。缺乏统一的技术标准可能导致系统集成困难，影响业务流程的顺畅进行。
本研究设计基于Hashgraph技术，是以第三方可信平台方式来为供应链上下游企业间进行数据共享等深度服务。本方案基于非中心化的节点架构，较好地解决了目前国内外主流平台存在的数据交易时间长、可信度低和易篡改等问题，从而提升系统数据的高性能、高可靠、可追溯等关键性能指标。
本冷链物流数据共享平台是为了满足现代国际物流产业发展，同时利用区块链、物联网、大数据、云平台等数字技术融入冷链物流管理全流程，实现数据共享、数据流通、数据挖掘、过程跟踪、分析决策等功能。如图1构建的冷链物流数据共享机制模型所示，冷链物流数据共享平台为冷链物流的上下游众多企业提供数据共享服务，依靠各类有线无线网络设备、服务器、数据存储设备或云平台，为数据产权持有者或购买者提供数据处理、数据分析、数据挖掘等服务。基于大数据的分析决策体系，为数据处理体系、管理体系提供相应的分析判断和决策规则。
本研究采用基于DAG（有向无环图）的Hashgraph技术来构造供应链数据交易中心。选取Hashgraph作为支撑技术，主要的原因有三个方面：快速共识机制、支持智能合约、支持微支付。而且由于Hashgraph的交易佣金非常低廉，综合这些技术因素和费用因素，采用此项技术作为冷链物流系统基础技术是较为合理和先进的，将会为冷链物流行业数据管理可持续发展带来关键的技术优势。
共识机制：Hashgraph的是一种异步拜占庭（ABFT）容错以及八卦协议（gossip protocall）的分布式共识算法。它采用了“虚拟异步共识”（Virtual Asynchronous Consensus,VAC）的概念，通过每个节点交换事件并记录其它节点的事件顺序，最终达成共识。Hashgraph通过基于事件的图数据结构和高效的传播算法实现快速的共识过程。由于不需要选举领导者或者进行投票，Hashgraph可以实现高吞吐量、低延迟的交易确认，并且具有最终性和公平性的特点。
智能合约：Hashgraph的智能合约是通过Solidity编写，与以太坊智能合约相似，但在执行效率和安全性上有所提升。Hashgraph的智能合约可以实现自动化的合同执行，基于事件驱动的编程模型，使合约可以响应网络中的事件并执行相应的逻辑。由于Hashgraph的高吞吐量和低延迟，智能合约执行效率更高，且具有更快的交易确认速度。智能合约的特点主要有：①灵活性：Hashgraph的智能合约具有灵活的编程模型，可以响应网络中的事件并执行相应的逻辑；②自主性：当一个特定的智能合约被完成部署并和独立运行时，它不依赖于分布式网络中的节点；③去中心化：智能合约被部署于分布式网络后，将在众多的网络节点中验证和运行[20]。
如表1是一个比较了基于Hashgraph、以太坊、比特币等三种区块链技术的性能参数。Hashgraph相对于其他技术在吞吐量和延迟方面表现出色，具有更高的吞吐量和更低的延迟。它还具有较高的安全性和共识机制效率，并且能源消耗较低，这使得它在处理高并发交易时更具优势。此外，Hashgraph也具有较好的可扩展性，能够满足不断增长的数据需求。与此相比，以太坊、比特币和超级账本在某些方面可能存在吞吐量低、延迟高和能源消耗高的问题，尤其在处理大量交易时表现不佳。
本平台基于DAG的Hashgraph技术设计供应链数据交易中心如图2所示，按照物流数据交易全流程时间发生的时间顺序分为交易前、交易中和交易后三个阶段，将交易流程划分为三个独立功能模块：①冷链物流数据卖家筛选；②数据价值估值；③数据价值分配确权。根据相关物流数据共享文献研究证明，私有数据的拥有者在数据产权明晰、数据价值明确、各方利益共享的基础上才具有较强分享意愿。交易前由平台按照数据价值估值以及数据拥有者的其他资质属性来筛选，入选的数据共享交易者在此过程中达成共识机制。交易中，按照完成估值和确权的数据参数进行共享交易，履行智能合约要求的流程任务。交易后进行数据价值的分配，完成交易流程。
本研究提出的供应链数据交易中心核心是数据价值评估算法，数据价值评估依据将取决于它在特定的数据使用场景中的期望价值。在研究中将采用基于DEA(Data Envelopment Analysis，数据包络分析）中的Shapley方法对共享数据进行科学客观的估值。通过计算参与方的贡献和Shapley值，可以得到对物流数据共享的估值。这种估值方法考虑了参与方的贡献和利益，能够更加客观地评估物流数据的价值和意义。
Shapley在博弈论中的合作博弈可以用来衡量经济活动中各个代理（agent）的贡献，并能公平地分配通过合作而得到的最终收益。其中第i条数据的Shapley值定义如下：
Shapley方法的估算值能够较为近似的估算某个数据共享者对于模型的期望贡献度。通常情况下，实际数据是来自于真实的分布，然而，数据共享的需求者不可能完全得到或准确预见数据的分布，所以即使作为同一个数据点i，当忽略i后剩余的数据集D-{i}可能发生任何实际变化，数据{i}的价值也会相应发生变化。通过Shapley方法，数据共享各方可以较为准确的估计出为该共享数据产生做出较高贡献的共享者，也可以根据估值辨别出那些对数据需求者无用甚至是有损害的共享数据。
本平台应用Solidity编写Hashgraph的智能合约，其中包含了合约的逻辑和条件，合约被编译成字节码，并通过交易的形式部署到Hashgraph网络中，每个节点都会执行这些合约。
该平台智能合约将利用Hashgraph平台提供的Dapp（非中心化）应用的Gossip协议共识机制的开发包（SDK）。本研究使用的Hashgraph SDK0.32.1，该版本支持主要功能包含：①更高的吞吐量和更低的延迟，共识服务端点的改进提高了交易处理吞吐量和延迟，使应用程序可以更快、更有效地处理交易；②更快的查询性能，查询性能的优化使应用程序可以更快、更有效地检索数据，从而提高应用程序的响应能力；③端到端TLS支持的添加增强了SDK与Hashgraph网络之间的通信安全性，保护应用程序免受未经授权的访问和数据窃取；④非阻塞和高性能的应用程序开发：Rust SDK中异步API的引入使开发人员可以编写非阻塞和高性能的应用程序，从而提高应用程序的并发性和可扩展性；⑤无中断的密钥管理，签名密钥轮换功能允许应用程序在不中断服务的情况下安全地更新其签名密钥，确保应用程序的持续可用性和安全性。
使用智能合约能够促进整个供应链全流程数据分享过程中的透明、安全和公平。智能合约在基于Hashgraph的冷链物流数据共享平台中扮演着至关重要的角色，它是保障数据安全、确保交易可靠性、实现权限管理的关键组件。在设计智能合约时，需要综合考虑平台的特点和需求，确保合约能够满足各方的需求并促进平台的发展和进步，主要包含以下内容：
智能合约的第一个关键功能是对上传的数据进行验证。冷链物流数据的准确性和完整性对于保障物流运输的安全和质量至关重要。因此，智能合约应该包含严格的数据验证逻辑，以确保上传的数据符合规定的格式和要求。具体而言，智能合约需要实现以下验证逻辑：验证温度数据是否在合理范围内，确保货物的质量和安全；验证时间戳的有效性，防止数据篡改或重放攻击；验证数据的完整性，例如确保所有必要的字段都有值，防止数据丢失或损坏；验证数据的来源，通过验证数字签名等方式确保数据来自合法可信的源头，防止恶意数据注入或篡改。
智能合约的另一个关键功能是实现数据交易和共享。在冷链物流领域，参与方之间需要安全地交换数据，并确保交易的可追溯性和安全性。因此，智能合约需要实现以下功能：记录数据交易的详细信息，包括交易的时间、交易双方、交易内容等，以便实现交易的可追溯性和审计；验证交易双方的身份和权限，确保只有合法的用户才能进行交易；执行数据交易，并更新数据的所有权信息，将数据所有权从卖方转移到买方，确保交易的安全和可靠性。
智能合约的第三个关键功能是实现权限管理。在冷链物流数据共享平台上，不同的用户可能具有不同的权限和角色，需要根据其权限级别对数据的访问和操作进行限制。因此，智能合约需要实现灵活的权限管理机制，以确保数据的安全和隐私。具体而言，智能合约需要实现以下功能：用户身份验证，确保只有授权用户才能进行数据访问和操作；根据用户的角色和权限级别限制其对数据的访问和操作权限；记录用户的操作行为和事件日志，包括登录记录、数据访问记录、数据修改记录等，用于审计和追溯。
智能合约还应该包含事件处理功能，用于处理平台中发生的各种事件和情况。例如，当有新的数据上传时，智能合约应该触发相应的事件处理程序，对数据进行验证并根据交易规则执行相应的操作。另外，合约也应该能够处理用户发起的请求，如查询数据、发起交易等。
智能合约需要实现数据的存储和访问功能。合约可以使用分布式存储技术将数据存储在区块链上，并提供查询接口供用户查询数据。同时，合约也应该考虑到数据的保密性和隐私性，确保只有合法用户才能访问和查看数据。
本研究旨在设计和研究基于Hashgraph的冷链物流数据共享平台，以解决传统冷链物流数据共享中存在的安全性、可靠性和效率等问题。在全面分析冷链物流领域技术和挑战的基础上，我们设计了智能合约，并通过实际系统实现和性能评估验证了平台的可行性和优势。在本节中，我们将对本研究的主要成果进行总结，并对未来的发展方向进行展望。具体而言，我们首先介绍了区块链技术和Hashgraph技术的基本原理，并分析了其在冷链物流数据共享中的优势。然后深入探讨了冷链物流技术的特点和挑战，为设计合适的数据共享平台奠定了基础。
尽管本研究取得了一定的成果，但仍存在一些潜在的改进和发展空间。未来的工作可以集中在以下几个方面：首先，在性能优化方面，虽然Hashgraph具有较高的性能，但随着数据规模的增长，仍可能面临性能瓶颈。因此可以进一步优化系统架构和智能合约，提高系统的处理能力和并发性能。其次，在功能丰富化方面，目前的设计主要实现了基本的数据验证、交易和权限管理功能，未来可以进一步丰富平台的功能。再次，在用户体验改进方面，在用户界面设计和操作流程优化方面，还有较大的改进空间。最后，在安全防护方面，随着平台的应用范围扩大，安全风险也会相应增加。未来需要加强平台的安全防护措施，防止数据泄露和黑客攻击等安全威胁。综上所述，基于Hashgraph的冷链物流数据共享平台具有广阔的发展前景，未来的工作将继续致力于优化系统性能和功能，提高平台的可用性和用户体验，推动冷链物流数据共享技术的应用和发展。
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