區(qū)塊鏈+農(nóng)產(chǎn)品溯源視域下紫陽縣富硒茶質(zhì)量安全追溯體系研究

楊 萌

（陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000）

富硒茶產(chǎn)區(qū)集中于中國漢江流域上游、大巴山北麓，該區(qū)域氣候特征表現(xiàn)為夏無酷暑、冬無嚴(yán)寒、降雨適中等，較為適合茶葉種植［1］。同時，由于區(qū)域內(nèi)多為天然富硒區(qū)，所產(chǎn)的茶葉中硒元素的含量遠(yuǎn)高于一般茶品，因而具有一般茶葉無法媲美的特種保健功效。然而，隨著富硒茶在中國知名度的提升，某些不法商販利用硒元素炒制四川茶、漢中茶等方法制備偽劣“富硒茶”產(chǎn)品，價格較為低廉，但口感、香氣、色澤以及質(zhì)量安全等均無法保證。同時，利用該法所制備的茶葉通過硒元素含量分析也不能準(zhǔn)確辨別。因而，需要嘗試開發(fā)其他更為高效、準(zhǔn)確率更高的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系，在充分保證消費者能夠?qū)徺I的富硒茶產(chǎn)地進(jìn)行追溯的同時，保障紫陽富硒茶產(chǎn)區(qū)茶農(nóng)、企業(yè)的合法權(quán)益。傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源體系利用移動網(wǎng)絡(luò)以及二維碼技術(shù)實現(xiàn)［2，3］。但隨著5G網(wǎng)絡(luò)的普及，傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸效率低、信息反饋準(zhǔn)確度差等問題逐漸顯現(xiàn)。本研究嘗試基于5G、物聯(lián)網(wǎng)以及區(qū)塊鏈等技術(shù)，構(gòu)建一種應(yīng)用于紫陽富硒茶農(nóng)產(chǎn)品溯源的質(zhì)量安全溯源體系，并將該體系與傳統(tǒng)二維碼溯源體系工作效率、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度等進(jìn)行仿真試驗對比，構(gòu)建紫陽縣富硒茶質(zhì)量安全追溯體系。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)開展富硒茶農(nóng)產(chǎn)品溯源優(yōu)勢

1.1 傳統(tǒng)溯源體系缺陷

傳統(tǒng)的富硒茶質(zhì)量安全溯源體系一般依托二維碼、物聯(lián)網(wǎng)等實現(xiàn)，能夠?qū)ΧS碼所屬富硒茶的位置、來源、部分信息等進(jìn)行追溯和共享（圖1）。

但受限于物聯(lián)網(wǎng)及通信手段等因素，傳統(tǒng)的富硒茶農(nóng)產(chǎn)品溯源體系存在一些固有缺陷。例如：①數(shù)據(jù)存儲容量存在上限，隨著富硒茶供應(yīng)鏈中上傳及下載的數(shù)據(jù)量增加，在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)容量上限約束下，體系中數(shù)據(jù)傳輸速率將會降低，表現(xiàn)為掃碼后產(chǎn)品信息刷新卡頓、信息亂碼等；②數(shù)據(jù)傳輸效率較低，4G網(wǎng)絡(luò)是支撐富硒茶物聯(lián)網(wǎng)質(zhì)量安全追溯體系數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕ǖ?，受限?G網(wǎng)絡(luò)本身數(shù)據(jù)傳輸上限以及當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中并入設(shè)備過多等問題影響，容易導(dǎo)致富硒茶質(zhì)量追溯過程中茶品信息刷新不及時、數(shù)據(jù)顯示“白屏”等問題；③安全性低，掃描二維碼實現(xiàn)質(zhì)量安全追溯等方法屬于中心化管理，所有富硒茶農(nóng)產(chǎn)品最終數(shù)據(jù)均歸屬于某一個或某幾個數(shù)據(jù)庫，屬于可人為篡改數(shù)據(jù)管理方式，最終消費者掃描以后得到的數(shù)據(jù)真實性存疑；④難以實現(xiàn)信息共享，傳統(tǒng)的富硒茶質(zhì)量安全溯源體系難以整合富硒茶產(chǎn)業(yè)鏈各主體信息，存在較為嚴(yán)重的信息孤島問題，容易導(dǎo)致多方主體參與的數(shù)據(jù)傳輸鏈條被攻擊、篡改。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)勢

本研究選擇采用5G網(wǎng)絡(luò)結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)開發(fā)富硒茶質(zhì)量安全追溯體系，一方面在于5G網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)超4G網(wǎng)絡(luò)的信息傳輸速率，另一方面則主要在于區(qū)塊鏈技術(shù)的諸多優(yōu)勢能夠有效解決傳統(tǒng)追溯體系中的缺陷。例如：①時間戳技術(shù)，通過生成可信時間戳確定富硒茶產(chǎn)業(yè)鏈追溯過程中各電子文件生成的精準(zhǔn)時間，防止電子文件被篡改，電子屬于權(quán)威性和可信賴性更高；②防篡改技術(shù)，區(qū)塊鏈技術(shù)中分布式存儲數(shù)據(jù)庫架構(gòu)，能夠有效產(chǎn)生無中心化效應(yīng)，有效防止系統(tǒng)中數(shù)據(jù)被篡改；③加密算法，利用哈希算法、橢圓曲線算法以Base58編碼等，有效降低一般黑客利用公鑰計算出私鑰的可能性，增強體系內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸安全性；④共識機制，利用工作量證明機制pow、權(quán)益證明機制pos、委托權(quán)益證明Dpos、驗證池共識機制pool等，解決并保證每一筆區(qū)塊鏈上的交易在所有記賬節(jié)點上的一致性和安全性問題［4］。

2017年9月，中興云鏈成功研發(fā)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的食品質(zhì)量溯源和防偽系統(tǒng)［5］，這是中國首款區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)。隨后，中國關(guān)于區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)方面的研究越來越多。劉芳等［6］對基于區(qū)塊鏈的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全問題開展研究，組建了一種組員系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全共享模型；張利等［7］則以更加宏觀、系統(tǒng)化的視角對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系進(jìn)行分析，構(gòu)建了一種實用性較高、應(yīng)用范圍較廣的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系，但該系統(tǒng)主要基于4G網(wǎng)絡(luò)運行，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存在處理幅度較為有限；柳祺祺等［8］對農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全溯源體系的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了一種農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量溯源體系，但該體系并未深入研究溯源平臺的運行機制，在架構(gòu)設(shè)計方面也并沒有進(jìn)行試驗驗證，所構(gòu)建的系統(tǒng)平臺運行可靠性和運行效率等均處于理論階段。近年來，基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建農(nóng)產(chǎn)品溯源平臺已經(jīng)逐漸取代了傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品溯源體系，但國內(nèi)大部分的區(qū)塊鏈農(nóng)產(chǎn)品溯源體系均基于4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行，所開展的研究也多以理論性的平臺搭建為主，在平臺的運行效率以及平臺運行可靠性方面的研究尚且不多。因此，本研究在區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)上引入了5G網(wǎng)絡(luò)，并對本研究開發(fā)的區(qū)塊鏈+富硒茶質(zhì)量安全溯源體系的平均傳輸時間、識別準(zhǔn)確率以及丟包數(shù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行試驗研究，結(jié)果更具真實性。所開發(fā)的系統(tǒng)能夠同時兼容PC平臺、APP以及微信小程序，具有更加廣泛的適用性。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)支持富硒茶質(zhì)量安全追溯體系構(gòu)建

2.1 框架建立

為提高傳統(tǒng)富硒茶質(zhì)量安全追溯體系數(shù)據(jù)傳輸效率、可信度等，本研究結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了富硒茶質(zhì)量安全溯源體系（圖2）［9］。

圖2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系

在體系中，富硒茶產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)如種植、采摘、炒制、倉儲、物流等環(huán)節(jié)均由適量的區(qū)塊構(gòu)成，各區(qū)塊后臺服務(wù)程序及區(qū)塊鏈中的分布式數(shù)據(jù)庫權(quán)限均由peer節(jié)點進(jìn)行整合，從而使體系獲得去中心化事務(wù)處理和數(shù)據(jù)存數(shù)功能［10-12］；區(qū)塊管理服務(wù)模塊位于富硒茶質(zhì)量追溯體系中的核心位置，主要功能為管理與調(diào)配系統(tǒng)中各區(qū)塊，處理農(nóng)產(chǎn)品、茶葉產(chǎn)業(yè)等相關(guān)政府監(jiān)管部門的監(jiān)管以及消費者的產(chǎn)品質(zhì)量追溯需求等，實現(xiàn)富硒茶質(zhì)量安全高效、準(zhǔn)確追溯。與傳統(tǒng)富硒茶質(zhì)量安全追溯體系相比，本研究構(gòu)建體系在工作時各區(qū)塊之間并沒有固定的上下級或銜接順序，數(shù)據(jù)的保存、調(diào)用等均按照區(qū)塊管理服務(wù)模塊的統(tǒng)一調(diào)度實現(xiàn)，充分保證系統(tǒng)中各數(shù)據(jù)庫信息安全。

2.2 功能實現(xiàn)

圖3為基于區(qū)塊鏈的紫陽富硒茶質(zhì)量安全追溯體系功能架構(gòu)。該架構(gòu)主要由數(shù)據(jù)采集層組成、存儲層、應(yīng)用層以及交互層構(gòu)成，各層對應(yīng)功能模塊。

圖3 富硒茶質(zhì)量安全追溯體系功能架構(gòu)

2.2.1 數(shù)據(jù)采集層 數(shù)據(jù)采集層主要負(fù)責(zé)對富硒茶產(chǎn)業(yè)鏈各主體及主要環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，如富硒茶生產(chǎn)環(huán)節(jié)所產(chǎn)生產(chǎn)區(qū)、生長環(huán)境、生產(chǎn)企業(yè)等數(shù)據(jù)；倉儲物流環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的溫度、產(chǎn)量等數(shù)據(jù)；分銷商開展銷售時產(chǎn)生的銷售數(shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)采集層應(yīng)用的硬件模塊主要有各類型檢測儀器用以檢測富硒茶中的污染物殘留、硒含量等數(shù)據(jù)；各類型傳感器用以收集溫度、光照條件等數(shù)據(jù)；掃描設(shè)備及RFID標(biāo)簽則主要為監(jiān)管機構(gòu)或消費者提供質(zhì)量安全溯源數(shù)據(jù)查詢功能。

2.2.2 存儲層 存儲層以區(qū)塊鏈分布式去中心化理念融合傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行布置，對富硒茶生產(chǎn)、種植、倉儲、物流以及銷售等環(huán)節(jié)所有對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。其中，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫主要保存部分非溯源類數(shù)據(jù)；區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)庫則主要保存溯源類數(shù)據(jù)［13］。富硒茶產(chǎn)業(yè)鏈各主體在該體系中均有特定且惟一的身份標(biāo)識，體系中源頭數(shù)據(jù)可開展精確定位，保證源頭數(shù)據(jù)的不可抵賴性。區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)庫與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的結(jié)合，能夠充分保證體系數(shù)據(jù)存儲與靈活管理。

2.2.3 應(yīng)用層 系統(tǒng)應(yīng)用層主要包含4個方面應(yīng)用程序：①系統(tǒng)管理員層面，對富硒茶質(zhì)量安全追溯體系開展維護(hù)，保證系統(tǒng)正常運行；②數(shù)據(jù)提供者層面，主要負(fù)責(zé)將富硒茶產(chǎn)業(yè)鏈自己所屬環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳；③質(zhì)量監(jiān)管部門，政府部門對富硒茶產(chǎn)業(yè)鏈中的各主體及富硒茶產(chǎn)品進(jìn)行監(jiān)管，對出現(xiàn)問題環(huán)節(jié)或主體進(jìn)行警告或處理；④消費者服務(wù)層，主要對富硒茶農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行查詢、展開投訴或提供建議等。

2.2.4 交互層 交互層主要指構(gòu)建的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系中的瀏覽器端、手機端、微信小程序等，是系統(tǒng)用戶與系統(tǒng)之間產(chǎn)生交互的最直接窗口，包含二維碼掃描、追溯數(shù)據(jù)類型選擇以及瀏覽等。圖4所示為微信小程序端交互層效果，可以通過二維碼掃描獲取富硒茶產(chǎn)地信息、產(chǎn)品詳情以及生產(chǎn)過程中部分場景的實時監(jiān)控等。

圖4 富硒茶質(zhì)量安全追溯微信小程序

3 仿真試驗

3.1 試驗環(huán)境建設(shè)

仿真試驗主要針對傳統(tǒng)富硒茶質(zhì)量安全追溯體系及搭建的基于區(qū)塊鏈的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系開展對比試驗，試驗軟硬件條件為同等條件，如表1所示。

表1 試驗軟硬件環(huán)境

3.2 試驗方法

試驗?zāi)繕?biāo)為檢驗傳統(tǒng)富硒茶質(zhì)量安全追溯體系及搭建的基于區(qū)塊鏈的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系溯源功能的數(shù)據(jù)響應(yīng)速度和溯源準(zhǔn)確率。因而，將采用Ⅰ至Ⅴ組不同數(shù)量二維碼開展掃描，統(tǒng)計掃描過程中的系統(tǒng)反應(yīng)速度、反饋結(jié)果準(zhǔn)確率以及是否出現(xiàn)丟包現(xiàn)象等。

3.3 結(jié)果分析

表2、表3所示為兩種不同質(zhì)量安全溯源體系在相同的虛擬環(huán)境下質(zhì)量安全溯源結(jié)果。傳統(tǒng)的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系在追溯次數(shù)較低時（2 000次以下）其溯源速率、溯源準(zhǔn)確度等與本研究設(shè)計的基于區(qū)塊鏈的富硒茶質(zhì)量安全追溯系統(tǒng)相比略差，但二者差距不大；當(dāng)追溯次數(shù)達(dá)2 000次以上，傳統(tǒng)的追溯體系在數(shù)據(jù)傳輸速率、溯源準(zhǔn)確率等方面與基于區(qū)塊鏈的追溯體系之間差距逐漸增大；當(dāng)溯源次數(shù)達(dá)8 000次以上，二者之間的差距已經(jīng)非常巨大，傳統(tǒng)的質(zhì)量安全追溯體系開始出現(xiàn)卡機、丟包現(xiàn)象，可視為完全無法滿足消費者需求；而基于區(qū)塊鏈的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系在識別次數(shù)達(dá)160 000次時在識別數(shù)據(jù)傳輸時間及識別準(zhǔn)確率方面才開始出現(xiàn)明顯下降，但仍在較為高效和精準(zhǔn)范疇之中；基于區(qū)塊鏈的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系在數(shù)據(jù)識別傳輸時間、識別準(zhǔn)確率以及丟包數(shù)控制方面顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的質(zhì)量安全追溯體系。

表2 傳統(tǒng)富硒茶質(zhì)量安全追溯體系

表3 基于區(qū)塊鏈的富硒茶質(zhì)量安全追溯體系

4 小結(jié)

紫陽富硒茶是中國陜西省南部地區(qū)尤其紫陽縣地區(qū)特色茶類農(nóng)產(chǎn)品，是中國地理標(biāo)志產(chǎn)品。為解決傳統(tǒng)富硒茶質(zhì)量安全溯源體系容易被篡改信息、識別信息傳輸效率低等問題，本研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建了一種專門應(yīng)用于紫陽富硒茶農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯體系。經(jīng)過試驗對比可知，該體系在識別次數(shù)2 000次以下時，與傳統(tǒng)追溯體系相比存在較小優(yōu)勢，但隨著識別次數(shù)的提升，在識別效率、成功率以及防止外部入侵方面的表現(xiàn)越來越好。該體系在全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)質(zhì)量溯源體系以后，能夠為消費者及監(jiān)管部門提供更加準(zhǔn)確、效率更高的質(zhì)量追溯功能。