基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)設(shè)計

謝春輝,熊蔚維,李國妹,楊 毅

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

中藥材的質(zhì)量安全一直以來都是國家和社會關(guān)注的熱點問題.黨中央、國務(wù)院高度重視食品藥品的溯源體系建設(shè)[1].到2020年，國家重要產(chǎn)品追溯體系建設(shè)要求采用新一代的信息技術(shù)實現(xiàn)追溯信息的互通共享，提升社會公眾對追溯產(chǎn)品的認(rèn)知度和接受度.中藥材的溯源是對中藥在育苗育種、種植、加工、流通和交易等過程中產(chǎn)生的信息進(jìn)行采集和處理.采用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的溯源體系不僅具有去中心化、可信度高、自治性、信息無法篡改等優(yōu)點，還能實現(xiàn)中藥材全程監(jiān)控，讓來源可追溯，去向可查詢，發(fā)生安全事故可以明確責(zé)任主體，查明原因，保證藥材質(zhì)量的安全，從而促進(jìn)中藥產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展.根據(jù)查閱文獻(xiàn)資料，近年來國內(nèi)學(xué)者針對中藥材的質(zhì)量安全溯源提出了很多切實可行的技術(shù)方案，比如曹國均等[2]討論了區(qū)塊鏈技術(shù)在中藥溯源的創(chuàng)新體系，積極推動“互聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”溯源平臺的建設(shè)；陶啟等[3]提出結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，采用基于危害因子的食品風(fēng)險評估與安全溯源，構(gòu)建從農(nóng)田到餐桌的大米全產(chǎn)業(yè)鏈質(zhì)量全息數(shù)據(jù)庫；張尚鋒等[4]分析了臨安筍干質(zhì)量現(xiàn)狀和問題，結(jié)合區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)臨安筍干質(zhì)量安全溯源系統(tǒng).

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的日益成熟，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、信息無法篡改等優(yōu)良特性[5]，所以文章提出采用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建中藥材的溯源體系.與傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫溯源系統(tǒng)相比，該體系不僅能保證信息的可靠和可信，還能實現(xiàn)藥材從種子育苗、種植、加工、流通到交易5大環(huán)節(jié)的全方面監(jiān)管，從而保證了藥材的質(zhì)量安全.

1 傳統(tǒng)的溯源系統(tǒng)的不足

溯源系統(tǒng)是對農(nóng)產(chǎn)品等生產(chǎn)、加工、流通和交易等環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集和記錄，運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)建立供應(yīng)鏈信息庫，實現(xiàn)產(chǎn)品在每個環(huán)節(jié)信息可查詢，流向可追蹤，發(fā)生安全責(zé)任事故可快速明確責(zé)任主體的功能.國內(nèi)外政府和企業(yè)都積極參與溯源系統(tǒng)的建設(shè)[6].相比于傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品，藥材具有“治病救人”的特殊性，所以藥材的質(zhì)量可能直接關(guān)乎到病人的治療效果，甚至?xí)绊懙讲∪说纳踩?，因此中藥材的質(zhì)量監(jiān)管相比傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品更加嚴(yán)格.但是由于中藥材品種多、情況復(fù)雜，追溯鏈長，流程繁瑣，種植加工信息不透明，缺乏業(yè)內(nèi)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，監(jiān)管難度大，發(fā)生安全問題不容易判定責(zé)任主體，存在摻假的突出問題，使得流入市場的中藥材質(zhì)量難以保證.

傳統(tǒng)的中藥材溯源系統(tǒng)普遍采用的是中心化數(shù)據(jù)庫(MySQL、Oracle等)存儲數(shù)據(jù)，這種存儲方式在數(shù)據(jù)安全性和真實性等方面很大程度由數(shù)據(jù)的擁有者決定.不管是源頭加工的企業(yè)，還是中間的物流、銷售商，甚至是政府的職能部門擁有和保存溯源鏈的核心數(shù)據(jù)，只要是流通上的利益相關(guān)者，當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)不利于某一方時，很有可能出現(xiàn)數(shù)據(jù)造假，偽造等情況.因此，傳統(tǒng)的溯源系統(tǒng)不管是系統(tǒng)流程、體系框架、隱私安全方面都普遍得不到消費者的信任.

2 區(qū)塊鏈溯源系統(tǒng)的優(yōu)勢

在中藥材質(zhì)量安全溯源方面，利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建新的中藥材質(zhì)量溯源系統(tǒng)，借助區(qū)塊鏈可信度高、自治性強(qiáng)、信息無法篡改等優(yōu)點可以很好的解決傳統(tǒng)溯源系統(tǒng)存在的不足與弊端.

2.1 區(qū)塊結(jié)構(gòu)保證數(shù)據(jù)可信

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N利用區(qū)塊存儲的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，除了創(chuàng)世區(qū)塊以外的區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭存放上一個區(qū)塊的哈希值(prev block Hash)、隨機(jī)數(shù)(nonce)、Merkle根(Merkle root)等.區(qū)塊結(jié)構(gòu)見圖1[7].每一個區(qū)塊的頭部包含前一個區(qū)塊經(jīng)過哈希算法計算得到的哈希值，將該值保存到當(dāng)前區(qū)塊中，使其與前一個區(qū)塊相連，同時利用時間戳記錄區(qū)塊數(shù)據(jù)寫入的時間，為區(qū)塊鏈中的區(qū)塊添加可以認(rèn)證的時間節(jié)點，從而提高數(shù)據(jù)的可信度.

2.2 加密算法保證數(shù)據(jù)無篡改

區(qū)塊鏈利用數(shù)字簽名算法[8]來確保鏈上數(shù)據(jù)不被篡改，保證參與主體身份的真實性和消息的完整性.在區(qū)塊鏈技術(shù)中，數(shù)字簽名使用的是非對稱加密算法和哈希函數(shù)，采用“簽名+驗證”互補(bǔ)運(yùn)算來驗證數(shù)據(jù)的真?zhèn)?非對稱加密算法技術(shù)包括一組密鑰對，即公鑰和私鑰.公鑰是密鑰對中可以被公開的部分，而私鑰則只能由所有者保存，不對外公開.通過非對稱加密算法得到的一個密鑰對可以用來數(shù)據(jù)的加密，數(shù)字簽名即是用私鑰加密公鑰解密.在應(yīng)用中，對實體成員身份管理驗證和數(shù)據(jù)信息驗證可以通過數(shù)字簽名算法實現(xiàn)，數(shù)字簽名的“簽名+驗證”見圖3.

數(shù)字簽名的“簽名+驗證”可以概述為：發(fā)送方通過哈希函數(shù)計算得到哈希值，使用發(fā)送方的私鑰對哈希值進(jìn)行加密操作后生成數(shù)字簽名，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸把數(shù)據(jù)和簽名一同發(fā)送給接收方.接收方將接收到的數(shù)據(jù)后進(jìn)行解密操作，使用公鑰解密和哈希函數(shù)生成2個哈希值，通過對這2個哈希值的比較，倘若相等數(shù)據(jù)無篡改，否則被篡改.

2.3 共識機(jī)制保證數(shù)據(jù)安全

共識機(jī)制是區(qū)塊鏈技術(shù)中的重要組成部分.在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，不存在傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫，每一個節(jié)點都是一個賬本，每個節(jié)點都需要承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)路由、數(shù)據(jù)驗證和傳播等任務(wù)[9].區(qū)塊鏈技術(shù)有助于在不安全網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下在用戶間建立信任，利用共識機(jī)制保證數(shù)據(jù)和交易的安全.與傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫相比，區(qū)塊鏈可以在無需第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的介入下完成每次交易，并且這每次交易都是安全和可信的，但是前提是用戶都必須遵循事先約定好的共識.在設(shè)計時，為了避免由于硬件錯誤、網(wǎng)絡(luò)堵塞、中斷，甚至是遭到黑客攻擊導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不可預(yù)料的行為，可以采用了分布式計算領(lǐng)域較為出名的拜占庭容錯算法.

實用拜占庭容錯算法(practical Byzantine fault tolerance，簡稱PBFT)由Miguel Castro和Barbara Liskov提出，該算法能容忍少于三分之一的節(jié)點出現(xiàn)宕機(jī)或者被惡意攻擊的情況下，依舊保證系統(tǒng)能正常運(yùn)行.PBFT算法采用了密碼學(xué)相關(guān)技術(shù)，比如RSA簽名算法，消息驗證機(jī)制等確保信息傳遞過程中無法被篡改和破壞.PBFT算法的一致性協(xié)議見圖3所示[10].每1個客戶端的請求分為request、pre-prepare、prepare、commit和reply 5個階段，需要通過采用兩次兩兩交互的方式在服務(wù)器達(dá)成一致后再執(zhí)行客戶端請求.該算法具有高交易通量和吞吐量，高可用性等優(yōu)點.目前適用于聯(lián)盟鏈和私有鏈場景中.

3 系統(tǒng)模型

中藥材溯源系統(tǒng)中的信息與追溯模型見圖4.

中藥材從生產(chǎn)種植到消費者涉及到的追溯鏈流程長而復(fù)雜.中藥材的質(zhì)量安全溯源從生產(chǎn)源頭到消費終端大致可以分為：育種育苗、種植管理、初加工、倉存、物流、二次加工、交易、消費者等環(huán)節(jié)和主體.整個溯源體系，參與主體眾多，環(huán)節(jié)復(fù)雜，需求差異性大.中藥材質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)的建立應(yīng)該以參與主體為驅(qū)動設(shè)計，系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)操作方便，數(shù)據(jù)來源可信度高，追溯信息存儲安全，利用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行溯源數(shù)據(jù)的實時采集，使用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲、調(diào)用、挖掘和共享，最終向參與主體提供操作便捷的系統(tǒng).系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該顧及到每一個參與主體，各自信息記錄不僅要保證時效性、有效性和完整性，還要讓每個環(huán)節(jié)參與的主體都能共享其他主體的數(shù)據(jù).

4 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

4.1 平臺選擇

區(qū)塊鏈平臺按照網(wǎng)絡(luò)范圍可以分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈，按照項目可以分為幣類、平臺類、應(yīng)用類和資產(chǎn)代幣化.2013年12月Buterin提出了以太坊(Ethereum)平臺，2015年12月Linux基金會發(fā)起了Hyperledger開源區(qū)塊鏈項目，2016年4月R3公司發(fā)布Corda去中心化數(shù)據(jù)庫[11].隨后幾年的時間里，各大組織和企業(yè)都陸續(xù)發(fā)布了滿足各種需求，面向不同用戶的平臺.4種常見的區(qū)塊鏈平臺對比，見表1.

表1 區(qū)塊鏈平臺對比

根據(jù)表1，基于對個平臺的對比和項目的總體構(gòu)架，整個溯源體系研究在聯(lián)盟鏈基礎(chǔ)上實現(xiàn)，平臺選擇的是Hyperleder Fabric.

4.2 系統(tǒng)框架

根據(jù)圖5，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)在設(shè)計時考慮到政府職能部門和每個環(huán)節(jié)實體之前需求存在的差異性，因此數(shù)據(jù)的存儲的設(shè)計由兩部分組成：傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)庫(系統(tǒng)使用的是MySQL數(shù)據(jù)庫)存儲常規(guī)化數(shù)據(jù)(溯源主體信息等)和基于區(qū)塊鏈技術(shù)分布式存儲每個環(huán)節(jié)溯源主體產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信息.系統(tǒng)采用Hyperleder Fabric作為區(qū)塊鏈底層框架，使用Go語言作為開發(fā)語言，軟件框架選用C/S框架.由于在溯源環(huán)節(jié)中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，在溯源環(huán)節(jié)中使用農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、傳感器以及手持端的設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集.藥材最后會流入到消費者手中，消費者則使用微信小程序等移動終端進(jìn)行藥材的回溯.在整個過程中，藥材流通的核心數(shù)據(jù)保存在區(qū)塊鏈中，而政府職能部門管理的數(shù)據(jù)則以中心化數(shù)據(jù)庫形式進(jìn)行保存，這樣可以確保藥材流通過程中數(shù)據(jù)的保密、安全和不可篡改，同時還可以在發(fā)生重大的安全事故時，能快速定位事故出錯環(huán)節(jié)，明確責(zé)任主體，查明事故原因.

4.3 溯源方案與終端用戶界面4.3.1 溯源方案

參見圖6的溯源方案流程圖.育種公司每培育一批次的種苗(種子)經(jīng)過檢驗合格后，向政府職能監(jiān)管部門或者第三方認(rèn)證機(jī)構(gòu)申請種苗批號或備案登記，育種公司使用私鑰簽名批號及信息后，將數(shù)據(jù)同步至區(qū)塊鏈上；種植戶向育種公司或者代理商購買種苗后，雙方達(dá)成交易共識，種植戶可以直接通過手機(jī)端應(yīng)用在鏈上或者委托相關(guān)監(jiān)管部門和第三方驗證機(jī)構(gòu)，確保種苗無病蟲害并且是所需種植的品種，驗證通過后種植戶使用私鑰簽名該批號的種苗，然后把簽名數(shù)據(jù)回傳給育種公司，由育種公司進(jìn)行種苗(種子)的更新.

溯源過程中的田間管理是整個追溯方案的核心環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)對藥材的農(nóng)業(yè)活動(施肥、澆水、除蟲等)會直接影響藥材的質(zhì)量.該環(huán)節(jié)應(yīng)該由政府主管農(nóng)業(yè)部門牽頭制定管理標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范流程，對農(nóng)藥、化肥等實行量化標(biāo)準(zhǔn).在人工栽培的幾百種中藥材中，每一種藥材對環(huán)境溫度、濕度、土壤溫度以及光照強(qiáng)度等外部環(huán)境都有很嚴(yán)格的要求，比如三七喜陰涼，苗期透光度不能低于35%[12]，生長適宜溫度18～25 ℃，以土壤疏松，排水良好.為了保證田間管理數(shù)據(jù)的來源可靠，田間管理的數(shù)據(jù)可以采用傳感器技術(shù)，數(shù)字化大棚等新一代農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行采集和整理.隨著規(guī)模農(nóng)業(yè)大棚的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)自動化控制、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)都得到了廣泛應(yīng)用[13].在田間管理過程中把物聯(lián)網(wǎng)采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)以及自動化控制的操作日志，使用種植戶的私鑰進(jìn)行簽名后同步更新至區(qū)塊鏈上.整個田間管理的結(jié)構(gòu)圖見圖7.

當(dāng)種植戶完成種植，收獲采摘后，委托育種公司和第三方藥材鑒定機(jī)構(gòu)對中藥材進(jìn)行鑒定和評級并且出具鑒定報告.種植戶用私鑰進(jìn)行簽名材料后，將數(shù)據(jù)更新至鏈上，加工商采購中藥材進(jìn)行二次加工前核對驗證信息.當(dāng)中藥經(jīng)過加工后經(jīng)過物流、二次加工、直到交易前整個過程，鏈上數(shù)據(jù)更新同上，當(dāng)前所處于的階段信息由所有者持有，并且負(fù)責(zé)更新藥材狀態(tài).中藥材會由藥店和藥廠、醫(yī)院和醫(yī)療機(jī)構(gòu)，或者是多級代理商進(jìn)行銷售流入消費者手中，那么最終的去向以及受眾信息由這些持信息狀態(tài)的所有者機(jī)構(gòu)或者組織進(jìn)行更新.

這樣，整個中藥材的流通痕跡都會被記錄到區(qū)塊鏈上.育種公司和種植戶可以通過鏈上的流通痕跡追蹤藥材的流向，加工商、倉庫和銷售主體可以對采購的藥材進(jìn)行定向查詢，消費者或其他使用藥材的終端用戶可以追溯整個生產(chǎn)和流通過程，并且進(jìn)行真?zhèn)悟炞C，確保藥材的質(zhì)量安全，監(jiān)管部門則可以參考整條鏈上的數(shù)據(jù)和信息制定更加規(guī)范合理和有科學(xué)依據(jù)政策方針.當(dāng)發(fā)生重大的中藥材安全責(zé)任事故時，根據(jù)鏈上的數(shù)據(jù)進(jìn)行追責(zé)處理.

4.3.2 系統(tǒng)界面

基于上述區(qū)塊鏈溯源框架，設(shè)計并實現(xiàn)了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的中藥材質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)，終端用戶使用微信小程序或者移動應(yīng)用直接訪問.用戶輸入或者掃描藥材上的溯源碼，系統(tǒng)從區(qū)塊鏈交易鏈條中提取出需要回溯的信息.

圖8展示的是系統(tǒng)終端消費者使用的溯源界面.由于系統(tǒng)涉及到的參與實體眾多，流程復(fù)雜，同時系統(tǒng)還要兼顧和遵循現(xiàn)有的業(yè)內(nèi)流程，所以系統(tǒng)在設(shè)計研發(fā)過程中采用“末端驅(qū)動，逐步向前”的設(shè)計理念，先完成消費者終端溯源的需求，再分步向前，加強(qiáng)與每個環(huán)節(jié)實體間的溝通，同時積極與地方政府和相關(guān)部門的交流.

5 結(jié)語

本文利用區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計和實現(xiàn)中藥材質(zhì)量安全溯源系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù).為溯源系統(tǒng)研究和建設(shè)提供新的思路和方法.通過對中藥材整個生命周期活動環(huán)節(jié)信息的采集和記錄，如果發(fā)生藥材質(zhì)量安全問題，可以使用溯源系統(tǒng)追溯到藥材的育種單位、田間管理、加工商、物流運(yùn)輸和銷售企業(yè)等關(guān)鍵信息，這樣不僅可以保證銷售者的合法權(quán)益，還能促進(jìn)中藥材行業(yè)的健康平穩(wěn)發(fā)展.系統(tǒng)技術(shù)先進(jìn)，邏輯嚴(yán)密，安全可靠，操作簡單，有較好的推廣應(yīng)用價值.