区块链技术下茶叶质量溯源探究

区块链技术下茶叶质量溯源探究

[提要]传统的茶叶溯源方案存在信息采集不全面、关键溯源点单一、信息易篡改伪造、数据存储中心化等问题。而区块链技术是一种分布式的、去中心化的、由集体共同维护的可靠数据库技术方案,可以有效解决当前茶叶溯源中存在的问题。本文通过分析当前茶叶溯源现状,提出基于区块链技术的茶叶质量溯源方案,将区块链技术与物联网、传统数据库技术融合,实现茶叶供应链上种植、加工、物流以及销售环节信息存储以及参与主体间信息互联互通。

关键词:茶叶溯源;区块链技术;供应链

一、引言

茶叶质量安全问题一直以来都是国家和社会关注的热点问题。茶叶质量不仅影响消费者切身利益,更直接影响着茶叶产业的发展状态。中国茶叶流通协会《2019年中国茶叶产销形势报告》显示,2019年全国干毛茶产量达279.34万吨,总产值达到2,396.00亿元,茶产业提升为农业发展的支柱产业、产业扶贫的重点产业之一。然而,近年来有关茶叶质量问题的新闻层出不穷。2015年央视曝光北京市消费者协会对线下茶叶产品进行随机抽样检验,检验发现茶叶产品存在重金属超标、等级虚标、产地假冒等质量问题;2019年市场监管总局对线上销售的获有机产品认证茶叶实施抽查,结果发现多批次抽样产品含国家标准禁用物质,不合格率达11%。频发的质量问题严重影响茶叶产业品牌声誉和消费者满意度。同时,随着国家乡村振兴战略的提出,我国政府不断提高茶叶质量标准,推动茶叶产业高质量发展。例如,2017年,国家质量监督检验检疫总局《农产品追溯要求茶叶》,规范了茶园管理、茶叶生产、茶叶流通以及销售各个环节的具体追溯内容;2019年,国家卫生健康委员会、农业农村部和国家市场监督总局联合《食品安全国家标准食品中农药最大残留限量》,其中涉茶指标增加为65项,增加项中部分农药品种残留限量仅为0.05mg/kg,对茶产业提出更为严格的要求。基于上述背景,茶叶溯源研究成为业界关注的焦点,越来越多企业开始研究和开发溯源平台以保障茶叶质量安全。已有的研究发现数字化技术在农产品质量溯源平台建设中发挥着越来越重要的作用,国内学者和相关企业提出了基于不同信息技术的溯源系统的建设方案,例如黄友文分析了我国茶叶安全现状,结合射频识别和物联网技术设计和实现茶叶溯源系统;顺丰速运与梅州市政府合作建设基于区块链的柚子溯源平台,实现对梅州柚从田间到餐桌的产销运全过程的可信追溯。而我国茶叶种类多、生产链条长,且多为小规模茶农分散经营或小微企业种植加工,传统溯源系统可追溯信息有限且容易伪造,消费者难以获得全面可靠的溯源信息;同时中心化数据管理系统下信息透明度低,一旦发展茶叶质量问题,政府监管部门难以确定追责主体。因此,加强茶叶供应链环节内外部的信息溯源,成为当前亟须解决的问题。而新兴的区块链技术由于具有去中心化、集体维护、不可篡改、不可伪造等特点,为解决茶叶质量溯源问题提供新思路。基于上述政策支持和实践需求,本文试图在我国大力推进重要农产品追溯体系建设背景下,利用区块链技术设计茶叶供应链全流程质量溯源方案,实现茶叶从种植、加工、物流到销售各环节内外部的信息共享,进一步提高茶叶信息的透明化水平,为消费者提供准确、可靠、全面的溯源信息,提升茶叶企业产业品牌声誉,满足公众对茶叶质量安全的要求。

二、茶叶质量溯源现状及问题

(一)茶叶质量溯源技术研究现状。学者们从食物溯源技术角度研究发现目前的溯源实现可以通过化学方法、物理方法以及生物方法,对于茶叶这类植源性食物的溯源主要通过前两种方法。化学方法主要通过仪器进行茶叶同位素、矿物元素和有机成分检测进行溯源,其中稳定同位素溯源技术已经成为茶叶地理标志保护的重要手段,刘志等通过单因素方差分析比较不同烘干方式对西湖龙井茶叶稳定同位素特征的影响,结果表明茶叶稳定同位素特征是一种可靠、有效、稳定的茶叶产地溯源方法。这类方法溯源精度高但由于使用成本高且操作复杂等缺点不适合小微茶叶企业。物理方法包括近红外光谱技术、射频识别技术。近红外光谱技术(NIR)在茶叶品质分析、等级确定、种类识别、产地溯源和真伪鉴别方面均得到应用,但由于灵敏度不高在茶叶农药残留、重金属检测方面仍存在不足;Regat-tieri等分析当前可用的可追溯性技术主要有字母数字码、条形码和射频识别技术(RFID),比较各类技术的优缺点,他们发现字母数字码设计简单经济但是缺乏标准,并且人工管理的数据完整性易破坏,条形码技术具有自动化、高精度的优势但容易被仿冒、污染和损坏,而射频识别技术具有读写速度快、标签结构简单等优点,他们指出低成本的条形码技术和自动化的射频识别技术在食品溯源系统中得到广泛应用。

(二)传统茶叶质量溯源系统问题分析1、溯源数据存储中心化。传统的茶叶溯源系统多基于中心化数据库(如MySQL)建立的。在传统的茶叶溯源系统中,数据存储在可信的中心服务器中,由各个公司管理和运营,溯源链条上参与者各自维护一份账本。这种情况下,参与者可能会因自身利益私自编造溯源数据或当发生质量问题时篡改原有数据,数据的真实性由数据提供者单方决定,消费者对溯源信息的信任度不高。同时,茶叶产品本身吸附性强,在流通过程中环境潮湿会引起茶叶发霉变质或者吸附其他有害化学物质,使茶叶品质下降带来相关食品安全问题,中心化存储方式下不同参与者之间缺乏数据信息的互联互通,信息透明化程度低,一旦发生质量问题,参与者可能会篡改原有数据,政府部门难以判定责任主体。2、溯源点单一,缺乏统一标准。学者们基于不同的溯源技术对溯源系统的建设进行相关研究。目前,国内学者对于茶叶溯源系统中溯源点存在争议。关于溯源的文献研究集中在加强产地溯源以保护茶叶地理标识,也有学者注意到茶叶加工环节的溯源信息的缺失,例如蒋建东等针对该问题,研究设计茶叶状态参数和加工设备工艺参数的监测平台以实现对茶叶加工环节的远程监管。现有的茶叶溯源系统由于溯源点单一且缺乏统一标准,然而,茶叶从种植、加工包装、销售到最终消费者,供应链链条长,且参与主体众多,流通中任何环节都可能带来茶叶质量问题,例如,种植过程中农药滥用、加工过程中添加剂过度使用、销售过程中以次充好等问题,政府对溯源主体和溯源信息的监管困难。

三、基于区块链技术的茶叶质量溯源方案设计

为了解决当前茶叶质量溯源存在的问题问题,本文提出了基于区块链的茶叶质量溯源方案,采用“弱中心化”的联盟链并对茶叶供应链全流程溯源,对溯源数据的共享以及溯源点加以改进,帮助消费者掌握全面可靠的茶叶产品信息。

(一)区块链技术概述。2008年,区块链技术的概念第一次出现在比特币白皮书中。目前区块链已经从以比特币为代表应用于数字货币的区块链1.0时代、以以太坊为代表应用于金融领域的智能合约区块链2.0时代,发展到现在应用在社会治理领域的去中心化信任区块链3.0时代。区块链可以被视为一个通过P2P网络节点(节点可以是个人、组织或企业)构建起来的分布式账本,本质上是一个去中心化的数据库系统,具有多方共同维护、分布式存储、不可篡改等特点。区块链由多个首尾相连的区块组成,区块之间通过后一区块记录前一区块哈希值的方式建立链接,而区块由区块头和区块体组成,其中区块头存放父块哈希值、随机数、nBits、Merkle根哈希值、时间戳、区块版本号等信息,区块体中包含了实际数据和Merkle树。对于溯源区块链而言,区块结构如图1所示。(图1)区块中最关键的是Markle树结构,Markle的叶子节点存储具体溯源信息的哈希值,非叶子节点存储其孩子节点进行哈希计算后得到的哈希值,树根哈希包含在区块头结构中。在茶叶质量溯源方案中,区块保存的是指向某环节溯源环节数据单的索引,而不是数据信息本身,详细的数据信息存储在链下数据库中。该结构有利于节约空间,便于同步和备份,同时,区块中任意一个溯源信息的变动都会引起整个Merkle树结构变化,最终区块链网络中相关节点会检测到变化并阻止,保证溯源信息不可篡改性。

(二)茶叶质量溯源方案中的区块链类型选择。区块链按照开放程度分为公有链、私有链和联盟链三类。公有链完全去中心化,开放程度最高,所有节点都可以随时加入或退出公有链,每个节点都可参与到共识和记账过程中,并且数据对外公开;私有链开放程度最低,仅在某个组织内部使用,记账无需共识过程且数据操作权限完全属于私有链所有者,数据不对外公开;联盟链开放程度介于两者之间,维护链上数据的节点加入或退出必须经过授权,是部分去中心化的区块链。与公有链相比,联盟链对节点的参与者有准入限制,并且对数据访问权限有更高要求,保证参与者的隐私数据不被泄露;与私有链相比,联盟链是不同组织达成联盟的模式,联盟成员共同记录和维护数据。(表1)茶叶溯源区块链中的参与者包括茶叶种植商、茶叶加工商、茶叶分销商、物流公司,溯源数据需要在这些参与组织间公开,同时,这些组织受到政府部门的监管,需要准入机制。溯源数据涉及到相关组织的商业机密,例如茶叶加工工艺,区块链需要实现对隐私数据的保护。根据不同类型区块链的特点以及茶叶质量溯源要求,本文建立的茶叶质量溯源方案采用联盟链,实现质量溯源过程的可靠性、可信性和不可篡改性。

(三)茶叶质量溯源设计方案。1、设计思路。通过区块链技术,茶叶流通过程的所有节点参与数据记录并进行数字签名,以时间戳形式连接形成数据区块,实现茶叶产品信息在产品链中全程跟踪,描述产品路线,满足消费者对茶叶产品信息溯源的需求;同时,基于区块链分布式存储的特点,保证链上数据内容不可篡改,帮助政府监管部门追踪问题产品的企业责任,有效实施监管。2、总体框架。如图2所示,基于区块链技术的茶叶质量溯源方案在设计时考虑对茶叶供应链从生产、加工、物流到销售环节全流程质量溯源,利用传统物联网技术(如传感器、条码、射频识别技术)对茶叶关键溯源点的数据进行采集,由区块链节点对数据的真实性进行验证,验证通过后,考虑到数据存储的容量和溯源查询效率,将具体的数据信息存储在传统的中心化数据库中,而数据单的索引存储在分布式区块链数据库中,保障茶叶溯源信息的全面性和可靠性。茶叶溯源区块链中系统主要包括区块链节点管理和区块管理。其中节点管理是对参与溯源区块链系统的各节点的管理,区块管理包括数据如何存储到区块上以及各个区块如何形成一条完整的链式结构,具体实现机制在下一节详细描述。(图2)

四、基于区块链技术的茶叶质量溯源方案实现机制

(一)茶叶质量溯源节点管理。区块链通过P2P网络将各节点相连,不需要借助任何第三方信任机构便可以完成交易,具有去中心化的特点,因此区块链中每个节点都要承担数据验证、区块传播等任务。区块链系统是一个不可信的分布式系统,为保证追溯信息的可靠性,必须设置准入机制对节点进行管理。茶叶流通环节各部门申请加入联盟链时,必须将相关信息和资质递交政府监管部门审查,审查通过后由政府监管部门给予准入许可,只有获得准入许可的节点才能参与共识和记账过程。节点获得准入后,会获得一个公钥和私钥,公钥向区块链中所有节点公开,私钥则作为验证身份信息连接网络的关键。当溯源节点产生新区块时,要将新区块广播至全网各节点根据事先规定好的共识机制进行共识验证,当各节点达成共识之后,才能将新区块更新至本地区块链内。

(二)茶叶质量溯源数据操作。1、数据存储。茶叶质量溯源区块链中,茶产品的数据信息存储在数据单中,数据单结构如图3所示。其中数据单标识是对数据内容、公钥、时间戳进行哈希操作后生成的哈希值。数据内容是供应链某个参与主体提供的内容或者某个主体的权限信息。时间戳为数据提供时间证明,每当数据内容产生新的记录时会自动记录对应时间点。公钥为数据单生成者的公钥。数字签名是数据提供者对数据标识的签名,防止数据被篡改,保证数据的真实性。数据单内容主要包括各节点信息(茶叶种植商信息、加工商信息、物流公司、经销商)、流通记录信息等。数据单根据数据内容不同主要有以下几类:(1)节点信息类。这类数据单主要用于记录茶叶种植商、加工商、物流公司、经销商等参与主体内部有关信息。以茶叶种植商为例,这类数据单不仅包括茶园面积、茶树编号等生产基地信息,还包含茶园灌溉施肥、病虫防治、茶叶采摘等生产活动信息。这类数据单不涉及企业的隐私数据。(2)流通信息类。这类数据单用于记录与茶叶有关的流通信息。例如,当茶叶加工完成出厂销售时,需要生成一条数据单,记录茶叶出厂时间、地点、产品批号、质检报告等信息。对于销售商而言也需要生成类似的数据单,但发生茶叶质量问题时,政府相关部门可以根据数据单上的内容、数字签名和时间戳认定责任主体。(3)节点隐私信息类。这类数据单和节点信息类数据单的区别在于其涉及企业隐私机密数据,需要对这类数据进行隐私保护。例如,茶叶流通过程中的价格,该数据属于企业隐私,企业使用公钥对这类数据单标识进行采用非对称加密技术,当参与节点需要访问时经授权可以使用私钥进行解密查看信息内容,保证隐私数据只对链中被授权的参与者可见。(图3)2、数据上链。以茶叶种植数据上链为例。首先,茶叶种植商要进行身份认证,认证成功后拥有对种植数据的录入操作的权限;然后茶叶种植商对录入数据进行数字签名操作并生成特定的数据标识,生成数据单;通过数据单ID生成Merkle树,打包成新区块;新区块广播至全网各节点并根据事先规定好的共识机制进行共识验证,当各节点达成共识之后,才能将新区块更新到区块链上。茶叶加工、物流、销售等环节链上数据更新和种植数据更新类似,整个茶叶供应链环节内部数据都被记录在区块链上。种植数据上链流程如图4所示。(图4)当茶产品从供应链上一环节流动到下一环节时,如从茶叶加工到销售过程,由茶叶加工商发起交易请求并与茶叶经销商/平台达成统一协议并数字签名,交易操作完成后,茶叶经销商成为新的授权主体,跟进并维护茶叶溯源数据信息文档,实现不同参与主体间数据信息互联互通。3、数据查询。当消费者或政府需要查询某个环节数据信息时,通过数据标识和私钥解密查询对应区块,系统从数据库中调出详细数据信息反馈给消费者。茶叶种植数据查询过程如图5所示。(图5)

五、结语

综上所述,本文提出采用区块链技术实现茶叶供应链内外部信息溯源的方案,对现有的溯源系统存在的问题加以改进,并对总体方案的实现机制进行了描述,为溯源系统的建设提供新思路。该方案不仅创新性的将区块链技术与物联网等技术融合并采用“弱中心化”的联盟链,有效克服区块链自身存在的技术不够成熟、监管困难等问题,还从茶叶供应链环节分析溯源关键点,从茶叶供应链角度考虑实现内外部溯源,既保证了茶消费群体的利益,提升消费者对茶叶企业或品牌的信任,又可对相关企业产生更强的约束力,促进茶行业更加健康有序地发展。

作者:何蕾 马征 王刚 邢苗条 单位:西安财经大学信息学院