基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材質(zhì)量追溯研究與體系構(gòu)建

徐科，梁澤華，孫媛

（1.中南民族大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院，武漢430074；2.湖北中醫(yī)藥大學(xué)藥學(xué)院，武漢430065；3.湖北中醫(yī)藥大學(xué)科學(xué)技術(shù)處，武漢430065）

0 引言

2018年2月2日，國家食品藥品監(jiān)督管理總局發(fā)布《關(guān)于65批次中藥飲片不合格的通報》，61家企業(yè)生產(chǎn)的中藥飲片檢驗不合格，包括北京同仁堂、時珍堂、健生源等乏國內(nèi)知名的藥企。中藥材是我國中醫(yī)藥行業(yè)發(fā)展的物質(zhì)載體，其質(zhì)量直接影響藥材的有效性和安全性。中藥質(zhì)量溯源體系，構(gòu)建中藥材“從種苗、種植、加工、流通到消費者”全過程質(zhì)量跟蹤，是保障中藥質(zhì)量、安全性和有效性的重要途徑。2013年10月9日，國家食品藥品監(jiān)督管理總局和國家中醫(yī)藥管理局等八部委聯(lián)合下發(fā)了《關(guān)于進一步加強中藥材管理的通知》，對中藥材種植養(yǎng)殖、產(chǎn)地初加工、專業(yè)市場、中藥飲片生產(chǎn)經(jīng)營全鏈條管理提出明確要求?；趨^(qū)塊鏈的中藥材質(zhì)量可追溯體系，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)，提高中藥材流通的現(xiàn)代化水平，是增強中藥材質(zhì)量安全保障能力的有效手段。

1 中藥材質(zhì)量追溯研究現(xiàn)狀

近年來，國家政府部門相繼出臺各種政策和意見支持中藥材質(zhì)量追溯體系建設(shè)。2012年，商務(wù)部推動中藥材流通追溯體系建設(shè)試點工作。2015年，國家多個部委聯(lián)合頒發(fā)《中藥材保護和發(fā)展規(guī)劃（2015～2020年）》，提出“建立覆蓋主要中藥材品種的全過程追溯體系，完善中藥材質(zhì)量檢驗檢測體系”。2016年，國務(wù)院發(fā)布《中醫(yī)藥發(fā)展戰(zhàn)略規(guī)劃綱要》（2016～2030年），指出“實施中藥材質(zhì)量保障工程，建立中藥材生產(chǎn)流通全過程質(zhì)量管理和質(zhì)量追溯體系”，政府高度重視中藥材質(zhì)量溯源體系建設(shè)。

中藥材質(zhì)量追溯主要利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化手段，監(jiān)管流通的各個環(huán)節(jié)，以保障中藥質(zhì)量的安全性和有效性。2010年11月，在成都召開的第三屆中醫(yī)藥現(xiàn)代化國際科技大會上，有學(xué)者提出有關(guān)中藥材質(zhì)量可追溯的概念[1]。中藥質(zhì)量追溯體系的建設(shè)是未來中藥發(fā)展的一個重要方向[2]。文獻[3]基于供應(yīng)鏈視角，提出構(gòu)建中藥材質(zhì)量可追溯體系的方法。齊耀東等借鑒國內(nèi)外食品和農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域可追溯體系的基礎(chǔ)上，提出了中藥材質(zhì)量可追溯體系的構(gòu)建方案[4]。文獻[5]探索基于二維碼的中藥質(zhì)量可追溯系統(tǒng)[5]。施明毅等探討中藥質(zhì)量溯源體系研究中的問題，并提出解決方案[6]，并指出中藥質(zhì)量追溯體系需要集成物聯(lián)網(wǎng)傳輸、中藥質(zhì)量控制、中藥湯劑數(shù)字化等關(guān)鍵技術(shù)[7]。文獻[8]結(jié)合中藥材質(zhì)量溯源相關(guān)政策，從中藥質(zhì)量鑒定與評價、質(zhì)量溯源信息化等方面進行分析，為中藥材質(zhì)量追溯系統(tǒng)構(gòu)建提供參考意見。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在追溯系統(tǒng)中的應(yīng)用

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、共識信任、集體維護和可靠數(shù)據(jù)庫等方面的優(yōu)勢，已應(yīng)用于智能合約、醫(yī)療檔案管理、金融交易、農(nóng)產(chǎn)品溯源和安全身份驗證等領(lǐng)域。區(qū)塊鏈為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的交易、安全和管理等環(huán)節(jié)提供了新的解決方案[9]。文獻[10]將區(qū)塊鏈技術(shù)用于數(shù)字教育資源流通中，促進數(shù)字資源在供需雙方之間的流轉(zhuǎn)，既能保護資源提供者的合法權(quán)益，還能實現(xiàn)對流通資源的管理和監(jiān)控。孫志國等闡述區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、食品安全、糧食安全、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及電子商務(wù)、農(nóng)業(yè)資源和生態(tài)環(huán)境保障以及農(nóng)業(yè)大數(shù)據(jù)方面的應(yīng)用[11]，探討在食品安全溯源體系中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，可以低成本高效率地解決食品安全領(lǐng)域存在的信任難題，實現(xiàn)安全可信任的食品追溯[12]。文獻[13]闡述將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在農(nóng)資質(zhì)量安全追溯領(lǐng)域的優(yōu)勢。楊洋等探討了區(qū)塊鏈技術(shù)在農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)[14]。文獻[15]綜述了我國農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了分布式臺帳、信任共識、集體維護和去中心化等技術(shù)的優(yōu)勢，提出以區(qū)塊鏈技術(shù)重構(gòu)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全追溯體系。蘇芮提出基于私有區(qū)塊鏈的校園消防管理模型，解決校園消防管理的弱信任問題和數(shù)據(jù)孤立不可靠問題[16]。

3 基于區(qū)塊鏈的中藥材追溯關(guān)鍵技術(shù)

中藥材追溯系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)采集和傳輸信息、中藥材統(tǒng)一編碼、快速檢驗、分析驗證技術(shù)，建立中藥材溯源服務(wù)平臺，將種植、加工、流通、交易和使用等環(huán)節(jié)的信息相關(guān)聯(lián)，并把藥材品質(zhì)數(shù)據(jù)、企業(yè)誠信情況、交易記錄數(shù)據(jù)等關(guān)鍵信息進行統(tǒng)一編碼、實時校驗，從而實現(xiàn)中藥材全過程質(zhì)量動態(tài)跟蹤。區(qū)塊鏈技術(shù)可以解決中藥材追溯中的信息安全難題，采用區(qū)塊鏈的共享加密特性，結(jié)合防偽編碼技術(shù)，可以杜絕虛假數(shù)據(jù)源；運用區(qū)塊鏈的分布式架構(gòu)，可以保障平臺安全性。采用區(qū)塊鏈技術(shù)進行中藥材追溯，讓溯源的數(shù)據(jù)存儲和分享更加迅捷和透明，提高安全性和信用等級。

3.1 中藥材品質(zhì)信息采集

通過傳統(tǒng)和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)對中藥材進行基原鑒定和品質(zhì)評價，將中藥材的指紋圖譜、DNA信息等這些檢測信息集成數(shù)字化，是中藥材質(zhì)量可追溯的前提基礎(chǔ)。目前，主要有兩種集成中藥材品質(zhì)信息的形式：①條形碼技術(shù)，通過數(shù)學(xué)算法采用圖形方式存儲信息。二維碼儲存容量大、成本低廉、應(yīng)用靈活，可通過掃碼進行追溯查詢。②RFID射頻識別技術(shù)，RFID電子標簽可以用來記錄中藥材整個流通過程中的各項信息，為中藥質(zhì)量溯源提供數(shù)據(jù)保障。無線射頻技術(shù)更具優(yōu)越性，有耐水、耐高溫、可加密、高效率等優(yōu)點，但成本相對較高。

3.2 交易數(shù)據(jù)的分布式存儲

中藥材的交易記錄存儲在區(qū)塊鏈的分布式節(jié)點上，交易數(shù)據(jù)會被加密并記錄，追溯平臺的所有參與成員會獲得數(shù)據(jù)的備份。區(qū)塊鏈技術(shù)保證了追溯數(shù)據(jù)不可篡改和不可逆，提供更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量和可信度。

3.3 交易合約的自動生成

中藥材交易的電子簽約，簽約雙方采用合法有效的CA證書進行電子簽名，在預(yù)定時間節(jié)點合同內(nèi)容和條款自動生成和完成，具有可靠性強和不可篡改的優(yōu)點。

4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材質(zhì)量追溯體系構(gòu)建方案

4.1 追溯體系構(gòu)建思路

針對當前中藥材溯源體系建設(shè)亟待解決的問題，例如，藥材標識不統(tǒng)一，流通信息及交易記錄關(guān)聯(lián)性不強等。本小節(jié)提出一種中藥材追溯體系構(gòu)建的基本思路，具體如下：

（1）建立中藥材標識的統(tǒng)一編碼，記錄藥材在各環(huán)節(jié)的流通信息，實現(xiàn)溯源信息共享，避免流通記錄碎片化和信息傳輸錯誤，保證藥材信息的完整性和安全性。

（2）追溯平臺要具有開放性、透明性、自治化和去中心化的特點，能夠引導(dǎo)藥材種植商、藥材加工商、藥材銷售商、質(zhì)檢機構(gòu)、監(jiān)管方參與追溯體系建設(shè)、管理和使用，并能夠保護中藥材供應(yīng)方和需求方的合法權(quán)益。

（3）中藥材的流通渠道和交易體系要具備嚴密性和合法性，可精準追蹤流通信息、透明交易定價和降低流通成本。

（4）中藥材的流通、交易和支付等環(huán)節(jié)能夠?qū)崿F(xiàn)自動結(jié)算和隱私保護，可跟蹤查詢流通信息和交易記錄，保證交易數(shù)據(jù)不可被篡改。

（5）中藥材的流通過程可隨時被職能部門和質(zhì)檢機構(gòu)監(jiān)督及審查，保證藥材質(zhì)量可靠和用藥安全。

4.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材質(zhì)量追溯體系

基于區(qū)塊鏈的中藥材追溯系統(tǒng)，具有共享加密和公開透明的特點，采用防偽技術(shù)對中藥材進行編碼，保證數(shù)據(jù)源的真實性。中藥材在生產(chǎn)、流通和交易等環(huán)節(jié)涉及的物品和人員及參與行為等信息都被存儲、查詢和溯源，采用多點備份機制，增強流通信息的透明度和提高信任等級。本文構(gòu)建一種基于區(qū)塊鏈的中藥材追溯體系，見圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材追溯體系架構(gòu)

中藥材追溯體系采用六層架構(gòu)，分為基礎(chǔ)、核心和交互等三大模塊。交互模塊包含應(yīng)用層，提供用戶接口；核心模塊包含合約層、共識激勵層和網(wǎng)絡(luò)層；基礎(chǔ)模塊包含數(shù)據(jù)層和數(shù)據(jù)采集層。

（1）數(shù)據(jù)采集層，中藥材信息采集數(shù)據(jù)，涵蓋藥材種植生產(chǎn)、品質(zhì)檢測、加工包裝、運輸流通、銷售交易和消費使用等環(huán)節(jié)的完整生命周期的信息記錄，中藥材的品質(zhì)信息采集是基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

（2）數(shù)據(jù)層，按照“區(qū)塊頭+區(qū)塊體”數(shù)據(jù)塊格式進行封裝，對數(shù)據(jù)記錄進行加密并加入時間戳寫入?yún)^(qū)塊鏈中?；诎踩院驼咝燥L(fēng)險考慮，本方案的數(shù)據(jù)層密碼算法采用國密算法SM2加密技術(shù)進行處理。

（3）網(wǎng)絡(luò)層，建立在IP通信協(xié)議和P2P網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，采用分布式組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制和數(shù)據(jù)驗證機制。每一個節(jié)點都可收發(fā)信息，通過共同維護的區(qū)塊鏈保持聯(lián)絡(luò)。每一個節(jié)點生成的新區(qū)塊以廣播方式通知其他節(jié)點，共同對這個區(qū)塊進行驗證。

（4）共識激勵層，是區(qū)塊鏈技術(shù)的核心，規(guī)定記賬者選擇方式，影響整個系統(tǒng)的安全性和可靠性。本方案引入中藥材種植企業(yè)、加工企業(yè)、第三方之間機構(gòu)、政府監(jiān)管部門和消費者等產(chǎn)業(yè)鏈參與方作為成員節(jié)點加入?yún)^(qū)塊鏈。

（5）合約層，在區(qū)塊鏈中內(nèi)置參與方事先擬定合約內(nèi)容和觸發(fā)機制等形式化規(guī)則，加載觸發(fā)條件，合約自動執(zhí)行，屏蔽外界干擾。本方案將有關(guān)中藥材質(zhì)量的政府監(jiān)管條例、法律法規(guī)和質(zhì)量標準等內(nèi)容以智能合約形式嵌入?yún)^(qū)塊鏈，實現(xiàn)藥材質(zhì)量的規(guī)范化和標準化管理。

（6）應(yīng)用層，集成中藥材信息采集、流通、交易和監(jiān)管等應(yīng)用場景，是信息交互的接口，向藥材生產(chǎn)商、加工商、銷售商、質(zhì)檢機構(gòu)、監(jiān)管方法和消費者提供信息查詢和質(zhì)量追溯等服務(wù)。

本方案基于區(qū)塊鏈的技術(shù)架構(gòu)，構(gòu)建一個透明、可靠、去中心化和去信用的追溯平臺，可實時查看狀態(tài)、降低流通成本、追溯藥材質(zhì)量。

4.3 中藥材質(zhì)量追溯平臺主要功能實現(xiàn)

在本文的中藥材追溯平臺，各種參與主體通過線上交易，交易信息確認后，存入?yún)^(qū)塊鏈中并廣播通知網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點成員。當需要查詢藥品來源時，遍歷區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)，追蹤流通信息和初始交易記錄，實現(xiàn)中藥材質(zhì)量追溯。具體實現(xiàn)步驟如下：

（1）追蹤歷史交易記錄，根據(jù)藥品供應(yīng)方在區(qū)塊鏈中登記和存儲的藥品交易信息，通過計算哈希散列值從當前區(qū)塊回溯先前區(qū)塊，從交易記錄中的前一條交易編號進行溯源。

（2）定位交易記錄，通過交易編號查詢該筆交易的所屬區(qū)塊，當包含多筆交易記錄時，需由人工對當前交易進行確認和定位；同時，根據(jù)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)依次向前追蹤前一筆交易記錄。

（3）重復(fù)第（2）步的處理過程，回溯到初始交易，實現(xiàn)交易記錄溯源。本方案對藥品追溯的核心代碼，如算法1所示。

算法1中藥材溯源算法

Algorithm 1 Tracing the source of the Chinese medicinal materials

Input:Txn,the object of transaction records

Output:the origin records of the Chinese medicinal materi?als

//Traverse the block store

1. Txn←BlockStore.LoadTransRecords()

2. while(Txn.preRecord!=NULL)

3. //Find the transaction you are looking for in the block

4. if(Txn.curRecord.getHash()=preRecord.hashValue)

5. ListoutputRecord=Txn.getRecord()

6. end if

7. //Traverse outputs of the transactions

8. for(int i=0;i

9. Transaction outputRecord=outputRecord.getPre(i)

10. //check whether the record is the original transactions

11. if(outputRecord(i).preRecord!=NULL)

12. outputRecord.number=outputRecord.preRecord.number

13. end if

14. end for

15. return outputRecord.number

4.4 平臺試驗結(jié)果分析

本文的追溯平臺采用香港浸會大學(xué)的中藥材圖像數(shù)據(jù)庫[17]作為追溯平臺的中藥材基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源，中藥材類別包含根及根莖類、藤木類、皮類、葉類、花類、果實及種子類、全草類、菌藻類、樹脂類、動物類、礦物類、其他類等類型。中藥材交易和流通環(huán)節(jié)的交易記錄采用模擬仿真試驗產(chǎn)生數(shù)據(jù)。本文實驗環(huán)境采用6個計算節(jié)點，隨著區(qū)塊中交易記錄數(shù)量的不斷增長，計算區(qū)塊的時間開銷越來越大，平臺的性能要求主要由處理交易的速度而決定。試驗主要從交易處理響應(yīng)時間、區(qū)塊包括的交易數(shù)量等方面探討追溯的查詢效率。

本文選取針對交易記錄的處理速度作為衡量追溯平臺性能的指標[18]，定義處理交易速度的計算方法如下：

平均交易速度=每個區(qū)塊計算所消耗時間的總和/所有區(qū)塊包含的交易數(shù)量

峰值交易速度=max（第i個區(qū)塊計算所消耗的時間/第i個區(qū)塊所包含的交易數(shù)量）

圖2 處理交易的響應(yīng)時間

圖3 區(qū)塊中包含交易數(shù)量的變化情況

本文實驗驗證了區(qū)塊處理交易的速度及包含交易數(shù)量的變化情況，如圖2和圖3所示，以區(qū)塊高度在100至200之間的處理響應(yīng)時間和交易數(shù)量為例，區(qū)塊處理交易記錄的平均速度為562條/秒，峰值處理速度為每秒6019條，吞吐量可支撐查詢毫秒級時間響應(yīng)，可以提供高效的溯源服務(wù)。

5 結(jié)語

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材質(zhì)量追溯體系，可以避免傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)存在的成本高、效率低和數(shù)據(jù)不安全等問題。在本文方案中，中藥材的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采集和傳輸，采用分布式記賬和共識獎勵機制等方法將數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈來實現(xiàn)溯源。利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、去信任化、集體維護和可靠數(shù)據(jù)庫等優(yōu)勢，建立覆蓋中藥材生產(chǎn)、流通和消費等環(huán)節(jié)的質(zhì)量追溯體系。區(qū)塊鏈在中藥材質(zhì)量溯源領(lǐng)域的應(yīng)用，有利于保障用藥安全，提升我國中醫(yī)藥的現(xiàn)代化水平。