基于區(qū)塊鏈的茶葉質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)研究

高琪娟，楊春節(jié)，武咸春, 趙 宇，王震宇 , 吳雨婷, 張友華*

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)信息與計(jì)算機(jī)學(xué)院，合肥230036；2. 安徽財(cái)貿(mào)職業(yè)學(xué)院，合肥 230601)

茶葉是我國(guó)重要的農(nóng)產(chǎn)品，茶產(chǎn)品消費(fèi)人口接近5 億，是我國(guó)近億茶業(yè)從業(yè)人員賴以生存的產(chǎn)業(yè)。茶產(chǎn)業(yè)對(duì)于產(chǎn)業(yè)增效、農(nóng)民增收、促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和對(duì)機(jī)械制造、包裝運(yùn)輸以及第三產(chǎn)業(yè)都具有重要的帶動(dòng)作用。茶葉作為我國(guó)大宗消費(fèi)品，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2013 年至2019 年間，我國(guó)茶葉產(chǎn)量持續(xù)保持增長(zhǎng)趨勢(shì)，2019 年，全國(guó)干毛茶產(chǎn)量為279.34萬(wàn)t，比上年增加17.74 萬(wàn)t，總產(chǎn)值達(dá)2 396 億元，增幅11.06%[1]。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的快速發(fā)展，老百姓的收入逐年增長(zhǎng)的同時(shí)對(duì)物質(zhì)生活的要求也越來(lái)越高，對(duì)茶葉的消費(fèi)觀念也逐步轉(zhuǎn)變?yōu)榍筚|(zhì)而非求量，如何管控農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全成為國(guó)家和人民日益關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外食品安全事件頻頻發(fā)生，各國(guó)對(duì)農(nóng)產(chǎn)品和食品的質(zhì)量安全保障體系高度重視，歐盟早在2002 年1 月28 日就頒布了178/2002號(hào)法令，要求從2004 年起，在歐盟范圍內(nèi)銷售的所有食品都能夠進(jìn)行跟蹤與追溯，否則就不允許上市銷售。我國(guó)在“十五”期間也開(kāi)展了農(nóng)產(chǎn)品溯源方面的研究，2015 年國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快推進(jìn)重要產(chǎn)品追溯體系建設(shè)的意見(jiàn)（國(guó)辦發(fā)〔2015〕95 號(hào)）[2]，要求對(duì)包括農(nóng)業(yè)投入品、農(nóng)產(chǎn)品、食品等國(guó)家重要產(chǎn)品進(jìn)行可追溯，茶葉作為重要農(nóng)產(chǎn)品之一明確要求要納入可追溯管理。然而，傳統(tǒng)的茶葉溯源系統(tǒng)一般基于條形碼、RFID、地理信息系統(tǒng)、WEB 服務(wù)等技術(shù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中心化數(shù)據(jù)庫(kù)[3-7]。本研究主要圍繞數(shù)據(jù)采集的方法、各環(huán)節(jié)的內(nèi)部溯源和供應(yīng)鏈節(jié)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)。內(nèi)部環(huán)節(jié)的溯源容易實(shí)現(xiàn)，但節(jié)點(diǎn)之間的信息關(guān)聯(lián)，由于信息的不共享、不完整性和不真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)難度大。溯源數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)缺失，數(shù)據(jù)不一致以及數(shù)據(jù)的可信性等問(wèn)題。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展，利用區(qū)塊鏈的分布式存儲(chǔ)解決上述問(wèn)題已經(jīng)成為可能，從而構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)，為農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全信任問(wèn)題提供技術(shù)背書(shū)。關(guān)于區(qū)塊鏈在產(chǎn)品溯源系統(tǒng)應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外很多專家學(xué)者做了一定的研究與實(shí)踐。 Salah 提出了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的解決方案和框架，使用以太網(wǎng)智能合同在大豆供應(yīng)鏈中實(shí)現(xiàn)可追溯性和可見(jiàn)性[8]；硅谷Sku-chain 研究將區(qū)塊鏈技術(shù)追蹤農(nóng)產(chǎn)品的運(yùn)輸全過(guò)程[9]。國(guó)內(nèi)方面，劉海洋等[10]提出區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品種質(zhì)資源溯源管理，保障農(nóng)作物種植資源的安全；陶啟等[11]應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)保證糧食大米的食品安全，提供從農(nóng)田到餐桌的溯源信息的追蹤體系。本研究的目標(biāo)是通過(guò)對(duì)茶葉溯源體系的研究來(lái)建立基于區(qū)塊鏈的茶葉質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)。

1 茶葉溯源存在的問(wèn)題

長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)茶葉大多是家庭作坊式的加工生產(chǎn)，大規(guī)模且標(biāo)準(zhǔn)化的茶葉企業(yè)很少，茶產(chǎn)品全程質(zhì)量安全追溯體系受到茶葉屆的認(rèn)可，但在實(shí)際的實(shí)施過(guò)程中還存在一些問(wèn)題：

（1）采集到的茶葉種植和加工過(guò)程中記錄的農(nóng)藥、生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑等的使用導(dǎo)致的茶葉中有害化學(xué)物質(zhì)殘留等信息的不準(zhǔn)確性，使得溯源體系的信息具有一定的滯后性，提供的信息只有產(chǎn)品的加工或包裝批次等信息，沒(méi)有達(dá)到茶葉溯源的目的。

（2）很多溯源信息都是由企業(yè)提供，沒(méi)有有效的機(jī)制監(jiān)督信息的真實(shí)性，更沒(méi)有第三方專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)的檢驗(yàn)，讓消費(fèi)者很難參與其中，使得溯源體系的作用大打折扣，目前主要通過(guò)二維碼技術(shù)識(shí)別產(chǎn)品的相關(guān)信息，但二維碼提供的產(chǎn)品信息的真?zhèn)舞b定需要進(jìn)一步研究。

（3）茶產(chǎn)業(yè)已從傳統(tǒng)的生產(chǎn)進(jìn)入了品牌建設(shè)時(shí)代，茶品牌大多以公共品牌、地理標(biāo)志產(chǎn)品為主，個(gè)別不良商家盜用知名品牌，生產(chǎn)假冒偽劣產(chǎn)品，破壞了原商品的品牌價(jià)值，損壞了消費(fèi)者的權(quán)益。目前大部分依賴企業(yè)自主管理，沒(méi)有很強(qiáng)的約束力。

2 茶葉溯源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 茶葉可追溯系統(tǒng)的基本單元和數(shù)據(jù)庫(kù)

茶葉質(zhì)量安全追溯體系貫穿于每個(gè)基本單元，從茶葉的生產(chǎn)、采摘、加工包裝、倉(cāng)儲(chǔ)、流通，直到賣場(chǎng)的全過(guò)程進(jìn)行可靠記錄，切實(shí)保障消費(fèi)者對(duì)茶葉產(chǎn)品種植、加工運(yùn)輸?shù)认嚓P(guān)過(guò)程信息的知情權(quán)，并集中在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)處理平臺(tái)進(jìn)行管控，進(jìn)一步提升對(duì)茶葉產(chǎn)品質(zhì)量安全的監(jiān)管和茶葉品牌的建設(shè)。茶葉可追溯的基本單元如圖1 所示。

圖1 茶葉可追溯的基本單元Figure 1 The basic unit of tea trace-ability

圖2 茶葉可追溯的數(shù)據(jù)庫(kù)的主要節(jié)點(diǎn)單元Figure 2 The main node unit of tea trace-ability database

在建立茶葉溯源產(chǎn)業(yè)鏈中部分，收集了各環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息，建立了茶葉溯源信息數(shù)據(jù)庫(kù)，如圖2 所示：包括茶葉產(chǎn)業(yè)鏈的主要的節(jié)點(diǎn)信息（地理環(huán)境、地塊、農(nóng)事活動(dòng)、投入品信息、設(shè)備工藝、操作流程、倉(cāng)庫(kù)信息、包裝信息、運(yùn)輸信息和經(jīng)銷商信息等）。

2.2 茶葉可追溯系統(tǒng)的總體架構(gòu)

該溯源系統(tǒng)架構(gòu)總體分為：技術(shù)支撐、核心平臺(tái)、平臺(tái)應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范4 個(gè)體系。技術(shù)支撐體系基于“互聯(lián)網(wǎng)＋”的概念，廣泛采用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈等技術(shù)[12-14]，為業(yè)務(wù)應(yīng)用及基礎(chǔ)設(shè)施等提供先進(jìn)的技術(shù)支持；核心平臺(tái)主要由數(shù)據(jù)交換平臺(tái)、實(shí)時(shí)商務(wù)智能、業(yè)務(wù)流程引擎和信息資源庫(kù)等組成；平臺(tái)應(yīng)用主要由六大應(yīng)用系統(tǒng)組成；標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系主要包括國(guó)際國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

溯源系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)主要包括：對(duì)茶葉生產(chǎn)企業(yè)從選種、投入品的生產(chǎn)企業(yè)、投入品的作用范圍、防治對(duì)象和操作人等過(guò)程信息，直到加工生產(chǎn)成品等全過(guò)程數(shù)據(jù)（圖3）。讓茶葉產(chǎn)品生產(chǎn)、加工、運(yùn)輸?shù)母鱾€(gè)過(guò)程及所有環(huán)節(jié)都能夠責(zé)任到人。消費(fèi)者在掃碼的時(shí)候可以方便地查詢茶葉產(chǎn)品的溯源信息，進(jìn)而可以方便地反饋產(chǎn)品存在的一些問(wèn)題。從目前茶葉安全體系著手，針對(duì)性解決系統(tǒng)信息采集不標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不安全以及企業(yè)間信息交換過(guò)程隱私不能得到保障等問(wèn)題[15]。

該設(shè)計(jì)目前主要采用溯源技術(shù)對(duì)茶葉質(zhì)量進(jìn)行控制，構(gòu)建完整的茶葉溯源體系（圖3），通過(guò)對(duì)茶葉生產(chǎn)、流通過(guò)程的信息管理和產(chǎn)品質(zhì)量的追溯管理、生產(chǎn)檔案（產(chǎn)地環(huán)境、生產(chǎn)流程、質(zhì)量檢測(cè)）管理、二維碼標(biāo)簽設(shè)計(jì)和打印、基于網(wǎng)站和手機(jī)短信平臺(tái)的質(zhì)量安全溯源等功能，將茶葉的全過(guò)程信息記錄保存，保證來(lái)源可追溯、去向可查詢、風(fēng)險(xiǎn)可掌控、責(zé)任可追究。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)茶葉產(chǎn)品溯源的目的，可向質(zhì)量監(jiān)管部門提供監(jiān)測(cè)、執(zhí)法依據(jù)，提升茶葉生產(chǎn)企業(yè)產(chǎn)品的附加值和品牌知名度，同時(shí)也能夠讓消費(fèi)者增強(qiáng)質(zhì)量安全意識(shí)。

圖3 茶葉可追溯的體系總體架構(gòu)Figure 3 The overall structure of the tea trace-ability system

圖4 茶葉可追溯平臺(tái)功能模塊Figure 4 Function modules in a platform of tea trace-ability

2.3 設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功能模塊

質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)采集技術(shù)，將產(chǎn)品原料的生長(zhǎng)、加工、儲(chǔ)藏及零售等供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)的管理對(duì)象進(jìn)行標(biāo)識(shí)、鏈接，同時(shí)記錄各個(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)數(shù)據(jù)并上傳至區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)服務(wù)器存儲(chǔ)，為茶葉產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源提供數(shù)據(jù)依據(jù)。產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)，主要功能有基本信息管理、各個(gè)環(huán)節(jié)的信息采集、環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)以及追溯信息查詢功能（圖4）。

3 系統(tǒng)的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)

基于區(qū)塊鏈的茶葉溯源系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了種植、采摘、加工和物流等環(huán)節(jié)的集成，采用分布式去中心化的溯源信息的存儲(chǔ)方式，各節(jié)點(diǎn)組成區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)信息的有效追蹤。

3.1 區(qū)塊鏈平臺(tái)的構(gòu)建和選擇

本平臺(tái)采用MVC 架構(gòu)、Truffle 架構(gòu)和B/S，C/S 混合架構(gòu)，基于Web 技術(shù)開(kāi)發(fā)，平臺(tái)構(gòu)建在主流開(kāi)源系統(tǒng)IPFS+以太坊（圖5），結(jié)合Web 系統(tǒng)要素構(gòu)建應(yīng)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有強(qiáng)大的查詢功能。

圖5 茶葉可追溯平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)Figure 5 Technical architecture of tea trace-ability platform

3.2 基于區(qū)塊鏈的茶葉供應(yīng)鏈追溯體系運(yùn)行流程

通過(guò)采集茶園信息、施肥信息和病蟲(chóng)害信息通過(guò)上鏈系統(tǒng)，區(qū)塊鏈會(huì)根據(jù)生產(chǎn)地點(diǎn)和生產(chǎn)時(shí)間等相關(guān)信息，自動(dòng)生成一個(gè)溯源碼，加密并上傳到區(qū)塊鏈云平臺(tái)。溯源碼號(hào)與數(shù)字簽名相連，共同存放在區(qū)塊鏈中，為每個(gè)品種的茶葉生成信息記錄，并附上時(shí)間戳。

采摘的茶葉加工成產(chǎn)品的過(guò)程是消費(fèi)者最關(guān)心的問(wèn)題，茶葉種植的信息記錄會(huì)隨著供應(yīng)鏈的進(jìn)程不斷的更新，通過(guò)設(shè)備采集的加工環(huán)境，保質(zhì)期、加工環(huán)節(jié)等信息，通過(guò)上鏈存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈中，更新茶葉的信息記錄，并添加到全局區(qū)塊鏈中。

加工完成后，主要環(huán)節(jié)就是將產(chǎn)品銷售到批發(fā)商、經(jīng)銷商、分銷商和零售商那邊，該節(jié)點(diǎn)將獲取的溫度、濕度、運(yùn)輸路線和產(chǎn)品標(biāo)識(shí)等信息再更新到茶葉的供應(yīng)鏈信息上。

最后茶葉進(jìn)入銷售環(huán)節(jié)，企業(yè)需要標(biāo)明產(chǎn)品的來(lái)源，將產(chǎn)品的價(jià)格、銷售單位、倉(cāng)儲(chǔ)的環(huán)境等信息寫入之前更新的茶葉信息，從而形成完整的茶葉的供應(yīng)鏈信息記錄。消費(fèi)者通過(guò)手機(jī)掃描外面包裝的二維碼信息，獲取產(chǎn)品生成、加工、物流運(yùn)輸和銷售的過(guò)程信息，圖7 展示了基于區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈追溯信息。

3.3 功能的實(shí)現(xiàn)與演示

消費(fèi)者在前臺(tái)查詢茶葉的溯源信息時(shí)，可以通過(guò)商品條碼、追溯碼和批次號(hào)等信息進(jìn)行溯源獲取區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)庫(kù)和本地?cái)?shù)據(jù)的兩份記錄，當(dāng)有修改或篡改信息數(shù)據(jù)中，通過(guò)紅色標(biāo)記顯示，能保證數(shù)據(jù)的一致性。查詢界面如圖8 所示，性能高效，易于擴(kuò)展，UI 美觀，操作方便。

圖6 茶葉投入品的種植信息查詢平臺(tái)Figure 6 The query information of tea planation platform

圖7 區(qū)塊鏈的供應(yīng)鏈追溯信息Figure 7 Trace-ability information in the supply chain of blockchain

圖8 區(qū)塊鏈的追溯查詢信息Figure 8 Query information of block-chain trace-ability

4 討論與結(jié)論

本研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了茶葉供應(yīng)鏈的溯源系統(tǒng)，提出了一個(gè)解決方案和通用框架，利用以太網(wǎng)區(qū)塊鏈為技術(shù)核心對(duì)茶葉種植、加工、物流和銷售各個(gè)環(huán)節(jié)溯源上傳到區(qū)塊鏈，能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行跟蹤，且分布式存儲(chǔ)跟蹤和執(zhí)行業(yè)務(wù)交易數(shù)據(jù)，消除了茶葉供應(yīng)鏈中可追溯性的中間環(huán)節(jié)和中央處理點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了茶葉從種植到消費(fèi)者全過(guò)程精準(zhǔn)可追溯，信息可信賴，問(wèn)題可追責(zé)。保證整個(gè)茶葉的供應(yīng)的安全性，使得茶葉的溯源更加高效。同時(shí)也增加了用戶的信任，提升茶葉產(chǎn)品的價(jià)值。

茶葉生產(chǎn)的可追蹤行，不僅使得茶葉質(zhì)量安全得到有效控制，而且也可以擴(kuò)展到供應(yīng)鏈管理、生產(chǎn)管理等多種業(yè)務(wù)功能，為企業(yè)生產(chǎn)管理和市場(chǎng)開(kāi)拓提供方便快捷的工具和可靠的數(shù)據(jù)支撐，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，降低管理成本，提升企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。在系統(tǒng)的設(shè)置方面，增加了對(duì)敏感數(shù)據(jù)的處理環(huán)節(jié)，根據(jù)功能需求設(shè)計(jì)了智能合約，通過(guò)實(shí)例對(duì)溯源系統(tǒng)進(jìn)行了展示。

迄今為止，區(qū)塊鏈技術(shù)仍然面臨著與可擴(kuò)展性、治理、身份注冊(cè)、隱私、標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)相關(guān)的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。在系統(tǒng)應(yīng)用過(guò)程中，不能保證信息上報(bào)人員填寫信息的準(zhǔn)確行，需要第三方的監(jiān)督，對(duì)上報(bào)信息進(jìn)行核實(shí)，以及設(shè)立監(jiān)管機(jī)制，對(duì)監(jiān)管監(jiān)督數(shù)據(jù)進(jìn)行上鏈來(lái)解決此問(wèn)題。作為未來(lái)的工作，計(jì)劃著眼于解決這些關(guān)鍵挑戰(zhàn)，并制定解決方案。還計(jì)劃在本課題組提議的解決方案中集成自動(dòng)支付和交付證明，在這種解決方案中，在成功交付作物和產(chǎn)品后，通過(guò)智能合同以自動(dòng)化和集中的方式使用加密貨幣向各方支付款項(xiàng)。