基于區塊鏈的茶產業鏈大數據協同服務平臺研究

摘要 安徽省茶葉種植歷史悠久，2022年茶產業成為安徽省打造的十大千億級綠色食品產業之一，是皖西等山區帶動農民增收、推動鄉村振興的優勢主導產業。隨著茶產業的不斷發展，茶葉種植面積與產量增長迅速，如何優化配置茶全產業鏈成為當前重要的現實問題。針對皖西地區茶產業鏈信息服務中存在的供應鏈組織銜接程度低、產品質量安全不確定、全供應鏈協同難度高等問題，利用大數據、區塊鏈等技術，設計基于智能合約的茶產業大數據協同模型和存證技術的茶產業防篡改模型，開發實現基于區塊鏈技術的茶產業鏈大數據協同服務平臺，有效保障茶產業鏈各環節的智能管理，促進皖西徽茶產業集群發展。

關鍵詞 茶產業鏈；區塊鏈；信息服務；大數據

中圖分類號 S-9 文獻標識碼 A 文章編號 0517-6611（2024）20-0212-07

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.20.051

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Big Data Collaborative Service Platform for Tea Industry Chain Based on Blockchain

XIA Ying-chun HUANG Shan2， WANG Hua-bin1 et al

（1. New Rural Development Research Institute， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036;2. School of Information and CyCmuvfvxcWdMrIfE4MuQLg==omputer， Anhui Agricultural University， Hefei， Anhui 230036）

Abstract Anhui Province has a long history of tea cultivation. In 2022， the tea industry has become one of the top ten billion yuan green food industries developed by Anhui Province. It is an advantageous leading industry that drives farmers to increase their income and promotes rural revitalization in mountainous areas，such as western Anhui. With the continuous development of the tea industry， the planting area and output of tea have grown rapidly. How to optimize the allocation of the entire tea industry chain has become an important practical problem at present. In response to the low level of supply chain organization connection， uncertainty in product quality and safety， and high difficulty in coordinating the entire supply chain in the information service of the tea industry chain in the western Anhui region， we designed a tea industry big data collaboration model based on smart contracts and a tea industry tamper proof model using technologies， such as big data and blockchain. We developed and implemented a blockchain technology based big data collaborative service platform for the tea industry chain， which effectively ensured the intelligent management of various links in the tea industry chain and promoted the development of western Anhui Huizhou tea industry cluster.

Key words Tea industry chain;Blockchain;Information service;Big data

安徽省茶葉種植歷史悠久，在中國傳統十大名茶中占據4個，名優茶品類在全國位居第1。2020年，安徽省茶園面積達21.09萬hm2，較2015年增長24.05%，茶葉綜合產值達477.32億元，茶葉出口量位居全國第2；“十三五”期間，安徽省涉茶經營主體300多萬［1］。2022年，茶產業成為安徽省打造的十大千億級綠色食品產業之一，是皖西、皖南山區帶動農民增收、推動鄉村振興的優勢主導產業。隨著茶產業的不斷發展，茶葉種植面積與產量增長迅速，如何優化配置茶全產業鏈成為當前一個重要的現實問題［2］。作為一種新興的信息技術，區塊鏈連接物聯網、大數據等技術，讓人工智能、智能裝備等適用于農業生產的條件，為智慧農業高質量發展提供技術支撐，從而重整農業生產關系，塑造高透明、可追溯、安全的現代農業產業鏈［3］。一些文獻從理論層面上，研究了利用區塊鏈技術解決農業產業鏈中“卡脖子”現象、農產品全過程追溯困難等問題的優勢、應用策略和產業鏈優化路徑［4-6］。國內外學者在利用區塊鏈技術追溯農業產業鏈全過程中產品的質量安全上進行了較多實踐與研究。Baralla等［7］提出了一種基于區塊鏈技術的通用農藥供應鏈可追溯性系統，實現了歐盟目前使用的“從農場到叉子”（F2F）模型，整合了當前系統的可追溯性規則和流程。Salah等［8］設計了基于區塊鏈的大豆供應鏈溯源系統。近幾年國內區塊鏈在茶產業鏈的溯源上也有較多研究。安徽農業大學高琪娟等［9］研究了基于區塊鏈的茶葉質量安全溯源系統。楊萌［10］結合區塊鏈和5G網絡技術，構建了富硒茶的質量安全追溯體系。然而，上述研究主要偏向于對產業鏈的某一環節或是更關注產品質量安全追溯的單一功能。

以皖西徽茶為研究對象，緊緊圍繞皖西徽茶的全產業鏈現狀與具體需求，利用區塊鏈、物聯網、大數據等技術，研制茶葉物聯網和大數據存儲與計算技術與設施，緊密結合傳統種植、加工、流通、消費等全產業鏈關鍵業務流程，建立皖西徽茶全產業鏈大數據協同服務平臺。平臺構建基于區塊鏈的動態、協同、分布式的茶產品全生命周期可信質量管理系統模型和跨域多態數據鏈系統，實現從種植到商品化處理的全生產過程質量管控信息的鏈上集成與決策知識的同步共享，實現各個節點之間的信息透明共享和整體一致性，保障產業鏈各個環節的智能管理，減少人工作業強度，帶動智慧農業化發展，促進皖西徽茶產業集群發展。鑒于此，筆者針對皖西地區茶產業鏈信息服務中存在的供應鏈組織銜接程度低、產品質量安全不確定、全供應鏈協同難度高等問題，利用大數據、區塊鏈等技術，設計基于智能合約的茶產業大數據協同模型和存證技術的茶產業防篡改模型，開發實現基于區塊鏈技術的茶產業鏈大數據協同服務平臺，有效保障茶產業鏈各環節的智能管理，促進皖西徽茶產業集群發展。

1 茶產業鏈信息服務存在的問題

安徽作為我國重要的產茶大省之一，茶產業已經逐步成為皖西地區發展的經濟支柱［11］。皖西地區的茶葉產量雖然在我國首屈一指，但是在很多方面，皖西的茶產業發展都落后于其他地區，尤其是信息服務方面，皖西的大部分地區仍舊延續以往的小農經濟時代模式，存在茶葉從種植到商品化處理全供應鏈組織銜接程度低、茶產品質量安全缺乏有力保障、供應鏈環節無法準確追根溯源，導致現階段尚未形成統一的茶產業鏈信息服務系統。

1.1 供應鏈組織銜接程度低

在安徽省，茶葉的種植區域大多在山區，茶產業大批量規模化、集約化程度低，茶產業既連接著茶農，又關系著廣大消費者，其中還包括茶企茶商。茶產業鏈條長，管理環節多，可以分為產業上游、產業中游和產業下游。由圖1可知，產業上游主要包括種植環節，種植環節中存在茶農種植、茶場種植、基地種植和科研機構的種植過程，各個種植環節之間相互獨立，基本沒有信息交流過程。產業中游包括加工制造環節和分銷流通環節，加工制造環節主要包括茶葉生產商的加工流程、茶葉相關附件的加工、茶產品的深加工以及科研機構對茶葉的研究加工過程。分銷流通環節則表示茶葉的銷售渠道，包括市場和經銷商、超市和商場、徽茶專賣店和茶樓、網上銷售，每個分銷渠道相互獨立，茶葉的銷售過程流通較廣，對茶產品的追溯過程較為困難。產業下游則是茶葉的消費環節，主要包括購買茶葉的消費群體，如家庭、禮品、餐飲及其他消費方式。茶產業鏈的上、中、下游都包含了多個分支結構，其中每個分支之間相互獨立，在進行茶產業鏈平臺搭建時無法整合所有環節的信息。

目前，由于茶葉生產分散、栽培管理技術相對落后，茶產業鏈信息化服務系統上各方相對獨立，信息閉塞，無法建立共信體系和隱私保護體系，資源共享難度較大。茶產業信息系統多以單個食品加工企業為基礎開發的內部協同服務系統，僅滿足本企業各個部門之間的協同制造需求，面向全產業鏈的信息共享和管控交叉，各個部門之間相對獨立，沒有實現上下游企業之間的信息傳遞。

1.2 茶產品質量安全不確定

當前，茶產業鏈信息化服務系統只關注于茶產業上游種植環節農藥的使用，對產業中游及產業下游的茶產業質量安全監測及各環節之間的大數據協同技術研究相對薄弱。傳統的農業食品安全溯源系統可以依靠物聯網、大數據等相關技術對茶產業鏈各環節的數據進行存儲和管理，但多數系統中用戶僅有單一的信息存儲庫，并根據此唯一的信息點內容共享數據，從而導致難以追蹤到各環節具體操作內容和產品的真正來源，并且單個信息點的內容易篡改且無法驗證其完整性。茶產業鏈上的產品質量安全問題能夠通過產業鏈之間的協同服務來解決。區塊鏈在建立一個區塊信息點時，會將該信息點副本同步至其他節點，利用非對稱加密算法使得信息點內容實現可驗證和防篡改，從而解決傳統溯源系統存在的安全和信任問題。

1.3 全供應鏈協同難度高

茶產業鏈信息服務平臺往往具有高度中心化的特點，中心化可以將茶葉供應鏈中的環節聚集在一起，集中處理供應鏈流程中產生的問題。然而，在茶產業鏈信息服務中，中心化會導致上下游協同能力弱，信息可追溯性差。當前，茶產業信息服務平臺由于其中心化的特點導致系統信息采集不充分，系統數據庫不兼容，種植、加工、運輸等環節大多未實現電子檔案化，大數據協同效率低，尤其是RFID、4G/5G、云計算和大數據等技術應用于食品質量追溯應用滯后。聯合茶產業全供應鏈信息，追溯供應鏈各環節可能導致茶產品質量出現問題的環節，建立可信、高效、標準化、智能化的溯源系統亟待進一步研究與應用。

2 茶產業鏈大數據協同服務平臺的關鍵技術

傳統的存證平臺操作過程復雜且第三方存證權限過于集中，存證的信息難以追蹤到個人，數據具有一定不可靠性。對茶產業鏈來說，在去除第三方存證平臺的情況下，如何保證供應鏈上的上下游企業及消費者之間形成信任關系，是當前需要解決的重要問題。該研究利用區塊鏈智能合約及區塊鏈存證技術構建了茶葉溯源存證平臺，通過共識機制、時間戳等區塊鏈關鍵技術，實現茶全產業鏈中從田間生產、加工存儲、運輸銷售等主要環節數據上鏈，自底向上解決茶葉各環節之間的協同制造問題，確保供應鏈上的節點在有效時間內將操作信息上鏈及供應鏈節點鏈上數據的真實有效。

2.1 基于智能合約的茶產業大數據協同模型

在茶產業鏈大數據協同服務平臺中，利用以太坊結合星際文件系統（InterPlanetary File System，IPFS）分布式網絡設計了去中心化的茶葉存證模型，為茶產業鏈大數據協同服務平臺提供有安全保障且可信的數據來源。為擴展區塊鏈智能合約的性能，分別針對用戶、事件以及管理員構建相應的智能合約模塊，形成一個可交互的茶產業鏈大數據協同模型。系統中的一般用戶利用該交互模型可設立個人的用戶區塊信息，能夠將用戶數據與其操作的事件相關數據實現一一對應，管理員則可利用該交互模塊查看已發布的用戶和事件數據。

茶產業鏈大數據協同服務平臺中的區塊鏈是一個去中心化的分布式賬本，鏈上用戶能夠在賬本上增添區塊數據，增添的區塊數據將以副本形式同步至鏈上所有用戶，這些同步的區塊數據以非對稱密碼學的方式連接排列形成區塊鏈，從而保證鏈上數據的安全存儲，不會因為部分數據的損壞而丟失區塊信息。茶全產業鏈中各個環節多且操作人員復雜，難以真正追溯到各個具體操作者，基于茶產業大數據協調模型，按照茶產業鏈從生產、加工到銷售的流程，構建了原材料供應商、工廠制造、分銷商、零售商以及流通運輸環節的茶產業鏈溯源體系。各個環節的用戶首先建立獨立的用戶區塊信息，加入區塊鏈中，并且通過Hash算法設置非對稱加密的公鑰和私鑰，鏈上每一筆交易事件的產生都需要節點用戶的公私鑰同時符合才能進行。

由圖2可知，茶葉生產加工企業添加茶產業鏈至全網，茶葉種植戶即原材料供應商將茶生產過程中的農事操作設立區塊信息，在設立區塊信息的過程中，將交易數據通過Hash算法生成加密后的交易信息，再與供應商私鑰生成供應商的數字簽名，隨后將該次已進行加密的交易信息及供應商公鑰向區塊鏈中所有節點進行公布，后續的流程節點利用供應商公鑰對加密后的信息進行解密核對后，茶葉種植環節的區塊信息就實現上鏈。茶葉加工企業將茶加工過程中的各類操作設立區塊信息，在設立區塊信息的過程中，將交易數據通過Hash算法生成加密后的交易信息，再與加工商的私鑰生成加工商的數字簽名，隨后將該次已進行加密的交易信息及加工商公鑰向區塊鏈中所有節點進行公布，后續的流程節點利用公鑰對加密后的信息進行解密核對后，茶葉加工環節的區塊信息就實現上鏈。根據上述這一上鏈方法，依次對質檢員、銷售商和運輸者的交易信息進行上鏈并驗證，從而將茶產業鏈各環節的有效信息完成上鏈操作。

2.2 基于存證技術的茶產業鏈防篡改模型

茶生產到銷售的全產業鏈過程中，需要記錄到區塊鏈中的信息不僅僅包含文字信息，還有圖片視頻等多媒體數據，但區塊鏈中每個區塊可存儲的數據大小有限，因此引入chaincode這一分布式網絡解決區塊存儲空間小的問題。chaincode與區塊鏈具有一個相同的性質，即去中心化，chaincode通過內容尋址實現數據獲取。由圖3可知，基于該研究提出的存證模型，分布式茶產業鏈大數據協同服務平臺引入chaincode網絡，將茶產業鏈各環節具體信息內容存儲在chaincode網絡中，而將各環節的內容一一對應的hash地址存儲至區塊鏈的區塊中，這一操作既可利用區塊鏈的防篡改性質保證chaincode中保存信息的真實性，同時也解決了區塊存儲空間不夠的問題。

3 茶產業鏈大數據協同服務平臺的設計與實現

3.1 平臺架構

3.1.1 總體架構。

為有效整合傳統種植、加工、流通、消費等茶全產業鏈關鍵業務流程信息，充分保障全產業鏈平臺數據的可信、可用，提供產前、產中、產后的全過程、全方位、個性化的全產業鏈信息技術服務，搭建了基于區塊鏈技術的茶全產業鏈智慧管理平臺，圖4為平臺總體架構。

平臺綜合運用物聯網、區塊鏈、大數據等信息技術，集成整合商流、物流和信息流，對茶產品種植、加工、物流倉儲、終端消費等各環節進行商務協調，形成鏈條完整、資源配置優化的茶產品可信流通機制，保障茶產品質量安全、市場穩定和風險可控。面向皖西徽茶產業鏈的不同環節提供全程化、智能化、精準化和網絡化的溯源大數據協同服務，確保溯源信息的可信。通過生境信息監測、投入品監管、加工過程監控、云倉監管和市場趨勢監測等產業鏈關鍵過程實時監測，為消費者、茶產業鏈參與主體、政府監管部門等提供多用戶多場景信息追溯服務。

3.1.2 技術架構。

平臺技術架構見圖5，共分為4層，分別是區塊鏈服務層、區塊鏈應用層、溯源應用層以及交互層。其中紅色部分為本項目的建設范圍。區塊鏈服務層是區塊鏈技術底層，提供對外的區塊鏈技術服務。應用平臺分為前端門戶平臺、后端管理平臺及接口服務平臺，主要功能包括API接口服務（如上鏈、鏈上數據查詢接口）、用戶服務（如用戶注冊、令牌申請接口）、區塊鏈服務（主要用于與區塊鏈服務層對接）、溯源管理模塊（提供唯一標識碼以及溯源查詢接口）。應用層目前包括茶葉全產業鏈質量溯源服務平臺，為皖西徽茶產業主體提供茶產品溯源認證功能。功能包括種植企業（農戶）、土地等基礎信息管理及認證、種植過程管理、加工過程管理、流通過程管理和單品防偽溯源查詢等全生命周期溯源查詢功能。交互層分為第三方接入系統和展現層：第三方接入系統可以接入溯源平臺；展現層分為PC WEB端和移動端。

3.2 功能設計

茶產業鏈大數據協同服務平臺的功能覆蓋茶產業鏈種植、加工、流通和消費4個過程中的6個關鍵環節（產前、產中、產后、采購、儲運、銷售），分為可視化平臺和管理平臺兩大部分，平臺利用物聯網等數據采集手段，將產業鏈關鍵環節數據驗證、上鏈，存儲到區塊鏈數據庫中，為茶產業鏈的關鍵環節提供全程、可信、可用的個性化信息服務，圖6為平臺功能結構。

皖西徽茶產業鏈管理平臺主要分為基礎管理系統、投入品包材管理系統、茶園種植信息管理系統、皖西徽茶加工信息實時監控管理系統、智慧云倉管理系統、區塊鏈溯源管理系統6個子系統，所有管理子系統的數據都上鏈至區塊鏈管理系統中。

基礎管理系統與投入品包材管理系統涉及產業鏈采購、銷售等多個環節。基礎管理系統實現產業鏈中涉及的各類用戶、需要進行產業鏈全過程管理的茶葉商品以及商品的上鏈信息管理等功能。投入品包材管理涉及茶葉種植前的種子和設施設備、種植期間施用的化肥以及加工環節的包裝等材料，實現投入品包材采購信息上鏈和庫存管理等功能。

茶園監控服務系統主要實現茶葉產中的智慧管理，由茶園監測大屏和茶園種植信息管理系統組成。茶園生境信息采集無線傳感器網絡體系由安置在茶園中的土壤溫濕度傳感器、土壤養分采集儀和氣象站等設備采集茶園土壤和氣象數據，經由智能網關傳送至服務器。服務器對茶園環境數據進行綜合分析，通過氣象數據（風速、風向、大氣壓力、降雨量等），可隨時關注氣象變化，形成決策指令。通過對茶葉生長的土壤條件、生態環境和氣候因素進行實時監控，確保茶葉的健康生長和生境的全程追溯。其中，茶園監測大屏主要集成了不同茶葉品種的種植及市場數據分析、茶園簡介和實況展示、生長情況預警、病蟲情信息簡介等功能。

皖西徽茶加工信息實時監控管理系統實現對茶葉產后的加工信息實時監控管理，主要分為計劃進度、設備管理、工藝監控、物料監控、質量監控、人員監控和系統管理7個功能。為了保證茶葉在加工過程中的穩定性、可預測性，提高茶葉產品的質量、生產能力，系統采用了實時統計過程控制（簡稱SPC）質量管理技術，應用統計方法對過程中的各個階段進行評估和監控，建立并保持過程處于可接受的并且穩定的水平，從而保證產品與服務符合規定要求的一種質量管理技術。在企業生產過程中，產品的加工波動是不可避免的，通過SPC技術，系統可以判斷茶葉在加工過程中相關參數的異常，根據生產產品的特點，定時對相應工序采集數據，發現加工過程中的潛在問題，為企業制程分析提供依據。

智能倉儲物流管理系統對茶葉儲運進行管理，主要功能是實現商家對自己擁有的云倉網絡進行統一調度和管理，作為溯源鏈上一個重要環節，對商品的倉間流轉交易上傳區塊鏈用以溯源存證，統計分析各倉庫的調撥數據以及出入庫情況，進而分析產品在各地區的銷售狀況，為營銷人員調整銷售策略提供決策支持，系統主要包括訂單管理、智能調撥、視頻監控、環境監控、數據分析、數據存證、出庫管理、入庫管理、調度運輸、基礎管理等模塊。

區塊鏈溯源信息系統是以二維碼識別技術及區塊鏈信息存儲為中心，為消費者提供真實、可靠的茶產品數據信息。區塊鏈溯源信息系統對茶葉生產的各個環節進行質量監控。茶葉“從茶園到杯中”，既是一個產品的生產、加工過程，也是一個信息生產、傳遞過程。監管者對生產信息進行監管；消費者根據產品信息進行選擇。該系統有2個子系統，一是區塊鏈溯源信息系統，主要是管理人員管理公司信息、產品生產流程以及任務分發查看，另一個是溯源客戶端操作系統，主要用于操作人員接收任務、填寫任務記錄、與區塊鏈信息系統對接、進行任務數據上鏈。

皖西徽茶產業鏈可視化平臺主要向不同類型用戶展示用戶所需信息，包括茶園智能監測服務信息、茶葉加工數據、智能云倉監測信息、茶葉銷售大數據分析、智慧茶園公共溯源信息等，為用戶對茶產業鏈全過程管理做出及時準確的決策提供依據。

3.3 功能實現與展示

平臺采用Bootstrap框架涵蓋了HTML5、CSS、JavaScript、jQuery等技術，基于Web技術和基于智能合約區塊鏈技術開發，由主要演示區塊鏈管理系統以及區塊鏈溯源系統的部分功能實現。圖7是區塊鏈系統中的上鏈信息展示頁面，包括從生產、種植、加工、物流、存儲5個模塊上傳的信息情況，每個模塊包括若干條信息。用戶可以獲取每條操作在區塊的具體位置、產生時間等詳細信息，甚至可以手動修改信息。由圖8可知，當區塊鏈系統獲取或監聽到區塊信息嘗試發生改變，則將這條信息發布給區塊鏈管理系統的所有用戶，其他用戶可以點擊詳細信息跳轉進入投票頁面，判斷是否更改區塊信息，當同意修改大于50%，則全局更改本條信息。

圖9、10展示了區塊鏈溯源信息系統查詢界面以及管理員進行茶葉生產信息上鏈操作頁面。

4 總結

該研究基于區塊鏈技術的皖西徽茶全產業鏈大數據協同服務模式，在分析茶產業鏈信息服務存在問題的基礎上，提出了基于智能合約的茶產業大數據協同技術和基于存證的茶產業防篡改技術，利用區塊鏈分布式賬本實現茶產業大數據去中心化操作，設計chaincode結合區塊鏈構建茶葉溯源存證賬本結構，從而實現茶產業鏈信息服務關鍵技術研究。

皖西徽茶全產業鏈大數據協同服務平臺，實現了皖西徽茶全產業信息資源的集成利用，為全產業鏈的參與者提供產前、產中、產后的全過程、全方位、個性化的全產業鏈信息技術服務，串聯產業鏈各個環節主體，打通信息流、物流等，加強對產業鏈關鍵節點的控制，節省了組織運營成本，推動茶葉品牌建設，提升產品的附加值，進一步帶動農民增收。

截至目前，農產品交易監管仍然是產業鏈中的重要環節和難題。未來，課題組將結合區塊鏈技術研究去中心化的茶產品交易系統，進一步完善產業鏈全過程，形成以服務平臺為中心、以區塊鏈為支撐的茶產業鏈新生態。

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