基于區(qū)塊鏈技術(shù)的我國傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的優(yōu)化研究

黃 銳 陳維政,2 胡冬梅 陳玉玲 邱 虹

(1.西華大學(xué)國際經(jīng)濟與管理研究院； 2.四川大學(xué)商學(xué)院)

1 研究背景

2020年5月6日中共中央政治局常務(wù)委員會召開會議，明確提出要改革疾病預(yù)防控制體系，提升疫情監(jiān)測預(yù)警能力，健全重大疫情、公共衛(wèi)生應(yīng)急管理體系(1)資料來源：人民網(wǎng)http://politics.people.com.cn/n1/2020/0507/c1001-31698897.html。。據(jù)此，本研究在分析我國傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的現(xiàn)狀和問題的基礎(chǔ)上，提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)改進現(xiàn)有系統(tǒng)的設(shè)想。目前，我國疾病預(yù)防控制信息體系是一套強中心化的協(xié)作模式，這種模式下信息管理的責(zé)任和風(fēng)險很大，一旦監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)出現(xiàn)任何信息屏障，必將影響全國的傳染病預(yù)警和防控。由此，在傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的規(guī)劃和建設(shè)上，需要尋找一種管理責(zé)任和風(fēng)險較小、信息時效性相對較高的架構(gòu)模式[1]，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用有利于實現(xiàn)這一目標(biāo)。

在借鑒國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，本研究擬探討如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建我國傳染病四級防疫鏈網(wǎng)絡(luò)和信息共享平臺，對基于大數(shù)據(jù)的國家傳染病自動預(yù)警信息系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)直報系統(tǒng)、醫(yī)院傳染病上報系統(tǒng)、基層實時預(yù)警體系、分布式聯(lián)動響應(yīng)機制等進行優(yōu)化設(shè)計，以期為我國傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的改進提供一些理論參考。

2 我國傳染病上報和監(jiān)測預(yù)警體系的現(xiàn)狀及問題

我國于2008年4月在全國開始運行國家傳染病自動預(yù)警系統(tǒng)，建立了自動預(yù)警與響應(yīng)機制，實現(xiàn)了法定傳染病的監(jiān)測數(shù)據(jù)自動分析、時空聚集性實時識別、預(yù)警信號發(fā)送和響應(yīng)結(jié)果實時追蹤等功能[2,3]；還建設(shè)了網(wǎng)絡(luò)直報系統(tǒng)，實現(xiàn)了基于醫(yī)療衛(wèi)生機構(gòu)的法定傳染病的實時在線直報；統(tǒng)一標(biāo)準化采集電子健康檔案、電子病歷等數(shù)據(jù)，試點和運行了四級(區(qū)、市、省、國家)人口健康信息和數(shù)據(jù)交換平臺[4]，打通了醫(yī)院信息管理系統(tǒng)(HIS)和網(wǎng)絡(luò)直報系統(tǒng)；通過診療病歷自動彈出或人工打開填報頁，半自動提交傳染病報告卡[5]。

但是，我國傳染病監(jiān)測預(yù)警體系在這次疫情爆發(fā)初期暴露了以下問題：①現(xiàn)有系統(tǒng)難以對新型傳染病早期預(yù)警。我國的傳染病監(jiān)測預(yù)警體系主要是針對法定傳染病的分級監(jiān)測和預(yù)警，但對不明原因的新型傳染病缺少統(tǒng)一的、系統(tǒng)化的、透明化和標(biāo)準化的應(yīng)對方案。雖然在傳染病報告卡中有“其他”選項，但醫(yī)生、醫(yī)院和疾控中心(CDC)的每次上報都要承擔(dān)上報準確性的巨大責(zé)任壓力，將疑似病例上報需要極大的勇氣。②新型傳染病從臨床發(fā)現(xiàn)到上報需要三級人工審批。我國對新型傳染病的會診和確認通常有三級人工審批過程：院、區(qū)、市或省級[4,6]。這不僅要耗費較長時間，還需要審核人員具有很高的專業(yè)判斷能力和勇于承擔(dān)責(zé)任的膽量，因此，三級人工審批可能造成對新型傳染病預(yù)警的延誤或阻斷。③預(yù)警數(shù)據(jù)源單一、信息孤立。我國傳染病自動預(yù)警系統(tǒng)主要依靠傳染病報告數(shù)據(jù)作為預(yù)警數(shù)據(jù)源，但從大數(shù)據(jù)的監(jiān)測預(yù)警來看，傳染病報告只是一種臨床診斷結(jié)果數(shù)據(jù)而已，還需要結(jié)合臨床癥狀、實驗室病原數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)疫情關(guān)鍵詞、社會和自然疫情數(shù)據(jù)等多元數(shù)據(jù)[7]，只有綜合利用，大數(shù)據(jù)才有效。但這些多元數(shù)據(jù)廣泛分布在各類社會資源中，采用強中心化的數(shù)據(jù)采集機制[8]，很難實現(xiàn)多元數(shù)據(jù)的采集和匯總。④醫(yī)療機構(gòu)和CDC缺少信息共享與聯(lián)合預(yù)警處置機制。我國現(xiàn)有的傳染病監(jiān)測預(yù)警體系，在不同層級間、部門間、機構(gòu)間、基層一線人員與高層決策者之間不能真正形成信息共享機制，在疫情區(qū)域間不能有效聯(lián)合預(yù)警和處置，致使在疫情早期中央機構(gòu)還未介入之前，很難利用現(xiàn)有資源及時控制疫情的蔓延。

綜上，我國現(xiàn)行傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)在這次新冠疫情爆發(fā)初期預(yù)警效果不理想的核心問題是：目前基于大數(shù)據(jù)的自動預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)源單一、信息孤立，傳染病數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)直報沒有實現(xiàn)自動化，不同人員、機構(gòu)之間不能真正形成橫向信息共享。要解決這一問題，需在原有大數(shù)據(jù)預(yù)警和網(wǎng)絡(luò)直報外，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，整合現(xiàn)有分散的疾控資源(醫(yī)院、CDC、藥店、衛(wèi)生院、實驗室等)，打破原有信息屏障[9]，形成基層實時聯(lián)動防控與頂層統(tǒng)籌調(diào)度防控相結(jié)合的傳染病雙層監(jiān)測、響應(yīng)模型。

3 國內(nèi)外相關(guān)研究

目前區(qū)塊鏈技術(shù)在醫(yī)療和防疫監(jiān)測方面的應(yīng)用在全球范圍內(nèi)正處于積極探索期，主要聚焦在醫(yī)療數(shù)據(jù)安全存儲、醫(yī)療流程優(yōu)化、供應(yīng)鏈溯源和傳染病監(jiān)測4個應(yīng)用方面[10～14]：①利用區(qū)塊鏈技術(shù)在隱私保護和數(shù)據(jù)安全方面的優(yōu)勢，主要應(yīng)用在醫(yī)療數(shù)據(jù)的安全存儲方面，包括電子病歷、電子健康記錄；②利用區(qū)塊鏈分布式賬本在可信任協(xié)作方面的優(yōu)勢，應(yīng)用于醫(yī)生、科學(xué)家、實驗室人員和公共衛(wèi)生部門的流程優(yōu)化與協(xié)作；③利用區(qū)塊鏈技術(shù)防篡改、可溯源方面的優(yōu)勢，應(yīng)用于醫(yī)療供應(yīng)鏈和藥品溯源；④利用區(qū)塊鏈技術(shù)在多節(jié)點數(shù)據(jù)自動化實時同步的優(yōu)勢，應(yīng)用于傳染病監(jiān)測和預(yù)警。

全球健康安全議程(GHSA)提倡應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)改造整個健康安全系統(tǒng)，并使之更加完善有效，特別提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的公共安全監(jiān)測模式，以實時響應(yīng)來避免傳染病的大規(guī)模爆發(fā)[15]。但GHSA的提議還處于理論框架探討階段，尚未在業(yè)務(wù)流程銜接和技術(shù)架構(gòu)選型方面有具體的研究和實施。另一嘗試是剛果民主共和國利用區(qū)塊鏈技術(shù)對埃博拉病毒進行監(jiān)測[16]，該國采用智能射頻電子識別標(biāo)簽，將埃博拉病毒可疑感染和確診感染的監(jiān)測數(shù)據(jù)采集到SERIS(2)SERIS是2018年德國慕尼黑大學(xué)熱帶傳染病學(xué)者KANGBAI提出的一套用于追蹤埃博拉疫情的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。和智能物聯(lián)網(wǎng)中，將電話公司、埃博拉病毒監(jiān)控部門、埃博拉疫苗供應(yīng)機構(gòu)、交通運輸機構(gòu)等通過區(qū)塊鏈鏈接起來，組成國家疫情監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。這為我國構(gòu)建重大傳染病爆發(fā)監(jiān)測提供了一個很好的借鑒。

5.神經(jīng)功能評分和建模成功的標(biāo)準：家兔在缺血后6 h行神經(jīng)功能評分，參照Longa神經(jīng)功能缺失評分法[6]。0級為正常，1級為不能完全伸展左側(cè)前肢，2級為向左側(cè)轉(zhuǎn)圈，3級為向左側(cè)傾倒，4級為無自主活動并伴意識障礙。建模成功的標(biāo)準：(1)缺血6 h神經(jīng)功能缺損評分≥2級。(2)TTC染色證實大腦中動脈供血區(qū)缺血。

國內(nèi)在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)療和傳染病監(jiān)測預(yù)警領(lǐng)域的相關(guān)研究很少，在有限的文獻中可以看到兩個較為系統(tǒng)介紹的區(qū)塊鏈應(yīng)用模型：①薛騰飛等[17]提出了基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)分享模型。該方案通過構(gòu)建醫(yī)療機構(gòu)聯(lián)盟服務(wù)器群和審計聯(lián)盟服務(wù)器群，采用權(quán)益證明機制，實現(xiàn)集群中信息共享的共識和協(xié)調(diào)一致，通過分布式數(shù)據(jù)庫存儲醫(yī)療記錄。②黎祖睿等[18]提出了聯(lián)盟式傳染病數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)。該模型對大數(shù)據(jù)資源進行整合、共享，使用智能合約實現(xiàn)傳染病預(yù)警機制，為我國突發(fā)急性傳染病監(jiān)測預(yù)警模型的構(gòu)建提供了一個傳染病數(shù)據(jù)共享平臺。這些有限的區(qū)塊鏈醫(yī)療應(yīng)用研究主要集中于醫(yī)療數(shù)據(jù)信息共享方面，而在傳染病早期數(shù)據(jù)采集、區(qū)域預(yù)警、整合政府和社會資源方面缺乏系統(tǒng)的研究。

4 構(gòu)建國家傳染病四級防疫鏈網(wǎng)絡(luò)

4.1 基本設(shè)計思想

在借鑒國內(nèi)外已有研究的基礎(chǔ)上，本研究提出運用區(qū)塊鏈技術(shù)整合區(qū)、市、省、國家四級傳染病監(jiān)測預(yù)警網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建四級防疫鏈網(wǎng)絡(luò)的設(shè)想。將國家CDC、網(wǎng)絡(luò)直報系統(tǒng)、國家傳染病自動化預(yù)警系統(tǒng)、全國三級公共衛(wèi)生健康數(shù)據(jù)交換平臺和基層醫(yī)療機構(gòu)(醫(yī)院)整合在四級防疫鏈中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)加密共享、國家級和區(qū)域級的雙層自動化預(yù)警機制。

從信息管理視角看，區(qū)塊鏈是一種共享數(shù)據(jù)庫，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息，具有不可偽造、全程留痕、可以追溯、公開透明、集體維護等特征。基于這些特征，區(qū)塊鏈技術(shù)奠定了堅實的“信任”基礎(chǔ)，創(chuàng)造了可靠的“合作”機制[19]。從社會治理視角看，區(qū)塊鏈是一種建立可信任協(xié)作關(guān)系的安全分布式計算網(wǎng)絡(luò)，是一種去中心化的協(xié)作框架。與傳統(tǒng)中心化協(xié)作機制的不同之處在于：傳統(tǒng)中心化協(xié)作模式有明確的協(xié)調(diào)方，負責(zé)多方的協(xié)調(diào)，協(xié)作單元是流程；基于區(qū)塊鏈的去中心化協(xié)作模式，沒有明確的協(xié)調(diào)方，是依靠分布式共識協(xié)議實現(xiàn)多方的協(xié)調(diào)和協(xié)作單元的密碼學(xué)控制。

我國在《公共衛(wèi)生疾控信息化十二五規(guī)劃》中提出了公共衛(wèi)生信息化建設(shè)與發(fā)展方向，充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)境，結(jié)合區(qū)域衛(wèi)生信息平臺建設(shè)，完善國家公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)中心，逐步建立省級、地市級數(shù)據(jù)中心，進一步加強公共衛(wèi)生網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)中心建設(shè)。目的是在國家、省、地市分別建立全國和區(qū)域性的信息平臺，在統(tǒng)一的業(yè)務(wù)邏輯驅(qū)動下相互聯(lián)動，形成整體的疾病預(yù)防控制信息化平臺[1]。但是，從上述公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺的設(shè)計思路來看，實現(xiàn)各級平臺間的數(shù)據(jù)共享和交換，并未采用具備抗干擾能力的分布式共識協(xié)議協(xié)調(diào)機制，仍然采用的是傳統(tǒng)中心化協(xié)調(diào)機制，并將原有的傳染病網(wǎng)絡(luò)直報流程改為逐級平臺上報。這樣的系統(tǒng)設(shè)計反而會增加傳染病報告的不確定性和風(fēng)險性，逐級上報可能因各級審批而阻延。

本研究利用區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)入鏈防篡改、加密傳輸、智能合約防干預(yù)自動執(zhí)行、數(shù)據(jù)在節(jié)點間自動化同步等特性[20]，從理論上探討對于我國傳染病監(jiān)測預(yù)警體系的改進和優(yōu)化，整合分散的疾病防控資源、嵌入監(jiān)測哨點應(yīng)用，實現(xiàn)疾控多元化數(shù)據(jù)(醫(yī)療、社會與自然、互聯(lián)網(wǎng)、病原等)的自動化采集，為傳染病大數(shù)據(jù)預(yù)警提供真實可靠的數(shù)據(jù)支撐；利用區(qū)塊鏈智能合約建立各區(qū)域間的聯(lián)動預(yù)警處置機制，在疫情爆發(fā)早期鄰近區(qū)域共享相關(guān)疫情基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而形成基層實時聯(lián)動防控和頂層統(tǒng)籌調(diào)度防控相結(jié)合的傳染病雙層監(jiān)測、響應(yīng)模型。

4.2 四級防疫鏈架構(gòu)設(shè)計

本研究設(shè)計參考區(qū)塊鏈技術(shù)分片機制(3)資料來源： https://github.com/ethereum/sharding/blob/develop/docs/doc.md。，建立基于區(qū)、市、省和國家四級主權(quán)區(qū)塊鏈[21]的自動化數(shù)據(jù)同步網(wǎng)絡(luò)，在四級防疫鏈中依托各級CDC，建立突發(fā)傳染病數(shù)據(jù)采集和實時預(yù)警自治能力，不完全依賴國家級傳染病預(yù)警系統(tǒng)；利用目前已有的公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺作為每級數(shù)據(jù)的交換節(jié)點，形成實時自動化的數(shù)據(jù)交換機制。各區(qū)之間的傳染病報告數(shù)據(jù)在市級防疫鏈同步，各市之間的傳染病報告數(shù)據(jù)在省級防疫鏈中同步，以此類推，到國家級全國的防疫鏈數(shù)據(jù)同步。四級防疫鏈像4個車輪一樣，在自動化完成各區(qū)、市、省的內(nèi)部防疫預(yù)警工作的同時，通過國家級防疫鏈不斷更新和補充其他省份的共享數(shù)據(jù)，形成具備一定區(qū)域自治防疫能力的四級防疫網(wǎng)絡(luò)(見圖1)。

本研究提出的傳染病四級防疫鏈，本質(zhì)上是一種區(qū)塊鏈技術(shù)的聯(lián)盟鏈應(yīng)用。四級防疫鏈由四級防疫單鏈和跨鏈數(shù)據(jù)交換節(jié)點組成，每條防疫單鏈是一種區(qū)域聯(lián)盟鏈(4)聯(lián)盟鏈指只針對某個特定群體的成員和有限的第三方，其內(nèi)部指定多個預(yù)選節(jié)點為記賬人，每個塊的生成由所有的預(yù)選節(jié)點共同決定。，而跨鏈數(shù)據(jù)交換節(jié)點是一種公證人機制，是全網(wǎng)受信任的節(jié)點，如CDC、公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺等。四級防疫鏈可根據(jù)每個省的實際情況，建立區(qū)或市的傳染病防疫鏈，最終可為三級或四級。四級防疫鏈通過跨鏈數(shù)據(jù)交換節(jié)點進行數(shù)據(jù)交換，除交換各級傳染病報告數(shù)據(jù)外，可通過衛(wèi)生健康數(shù)據(jù)節(jié)點共享個人健康檔案和跨區(qū)域電子病歷。通過防疫單鏈的數(shù)據(jù)自動化加密共享技術(shù)與數(shù)據(jù)交換節(jié)點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享交換，實現(xiàn)醫(yī)院之間、衛(wèi)生機構(gòu)之間、CDC之間的數(shù)據(jù)安全共享，并通過智能合約實現(xiàn)區(qū)域傳染病自治預(yù)警。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的四級防疫鏈包含以下具體內(nèi)容。

(1)建立患者、醫(yī)生、醫(yī)院、設(shè)備等的全網(wǎng)分布式數(shù)字身份目前，國際上基于區(qū)塊鏈技術(shù)安全的個人電子健康檔案和電子病歷的隱私保護方面是研究熱點，因為患者醫(yī)療信息一直以來缺少同行、同業(yè)間的信息共享和個人隱私保護。例如，在“健康信息交換項目”中將病人受保護的醫(yī)療信息連接至區(qū)塊鏈身份認證中，以降低身份驗證成本，并提高所有參與者的信息安全。本研究是基于區(qū)塊鏈的分布式數(shù)字證書，構(gòu)建非對稱密鑰加密[22]和CA認證體系，采用橢圓曲線加密算法作為基礎(chǔ)簽名算法，幾乎不存在證書頒發(fā)成本，即可實現(xiàn)海量的數(shù)字證書頒發(fā)和身份驗證，適用于大量醫(yī)療物聯(lián)網(wǎng)(IoT)設(shè)備和個人電子健康檔案、電子病歷、傳染病報告數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)隱私保護和網(wǎng)絡(luò)安全傳輸。具體見圖2。由圖2可見，患者、醫(yī)生、醫(yī)療機構(gòu)、設(shè)備、藥店等社會疾控參與方，都可以通過四級防疫鏈提供的醫(yī)療數(shù)字身份管理軟件工具開發(fā)包(SDK)，在跨平臺、多語言的系統(tǒng)或者設(shè)備中實現(xiàn)數(shù)字身份的管理。公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)將在非對稱加密算法的保障下實現(xiàn)安全傳輸。采用數(shù)字身份管理體系是實現(xiàn)傳染病分布式監(jiān)測和預(yù)警的前提，只有個人隱私和疫情信息安全得到充分保障，才能打破預(yù)警數(shù)據(jù)源單一、信息孤立的問題，才能調(diào)動社會資源實現(xiàn)傳染病監(jiān)測哨點的主動數(shù)據(jù)采集。

圖3 四級防疫鏈整合公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺

(2)整合國家公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺國家三級/四級公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺正在全國范圍內(nèi)推廣建設(shè)，中國疾病預(yù)防控制中心于2013 年初將寧波市鄞州區(qū)作為試點，通過區(qū)域衛(wèi)生信息平臺，將醫(yī)院信息系統(tǒng)和三級公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺進行連接，實現(xiàn)醫(yī)療機構(gòu)傳染病報告信息與網(wǎng)絡(luò)直報系統(tǒng)的自動交換[6]。但是，公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺還采用傳統(tǒng)中心化協(xié)調(diào)機制，逐級數(shù)據(jù)共享，反而會增加傳染病報告的不確定性和風(fēng)險性。本研究所構(gòu)想的四級防疫鏈將整合國家和區(qū)域的公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺，在數(shù)據(jù)交換平臺中部署四級防疫鏈的跨鏈節(jié)點，從而快速搭建四級防疫鏈的數(shù)據(jù)交換網(wǎng)絡(luò)，在保障單鏈內(nèi)實現(xiàn)數(shù)據(jù)有效共享的同時，異步自動化地實現(xiàn)跨鏈數(shù)據(jù)交換。具體見圖3。由圖3可見，四級防疫鏈的跨鏈節(jié)點可通過在已有的區(qū)域公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)交換平臺部署跨鏈節(jié)點，實現(xiàn)鏈內(nèi)和鏈外的數(shù)據(jù)交換，鏈外公共衛(wèi)生健康數(shù)據(jù)可通過集成數(shù)據(jù)交換SDK，實現(xiàn)鏈外數(shù)據(jù)的補充。四級防疫鏈的跨鏈節(jié)點具備雙層應(yīng)用功能，分別是鏈內(nèi)共識層和跨鏈共識層兩部分。鏈內(nèi)實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)疫情數(shù)據(jù)的自動化同步、數(shù)據(jù)的一致性驗證和共識，共識算法采用實用拜占庭容錯算法(PBFT)[23]。鏈內(nèi)共識層承擔(dān)鏈內(nèi)數(shù)據(jù)交易和疫情分類賬本的生成[8]，并向跨鏈共識層提交共識請求?？珂湽沧R層在上級防疫鏈中發(fā)起數(shù)據(jù)一致性驗證和共識，并完成自動化同步工作。通過四層防疫鏈的跨鏈節(jié)點，實現(xiàn)鏈內(nèi)數(shù)據(jù)和鏈外數(shù)據(jù)的實時、安全、自動化交換，從而實現(xiàn)鏈內(nèi)數(shù)據(jù)和鏈外數(shù)據(jù)共享的異步傳輸，大大提高了四級防疫鏈的可擴展能力，理論上并不限制防疫鏈的跨鏈級數(shù)，可二級、三級或四級等。

(3)優(yōu)化傳染病上報流程目前，國家傳染病上報體系中對傳染病的認定和報告屬于“無病推定原則”，對傳染病報告數(shù)據(jù)的完整性、重復(fù)率、準確性要求太高[2,24]，特別是對新型傳染病的認定，需要逐級核實、反復(fù)會診、討論分析和逐級審核，以至于耽誤了傳染病上報的最佳時機。利用區(qū)塊鏈技術(shù)，采用“有病推定原則”，優(yōu)先將疑似病例通過監(jiān)測哨點直接上報到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)存證，哨點應(yīng)用通過數(shù)字簽名后，將疑似病例信息進行加密處理，并將患者公鑰提交到四級防疫鏈的醫(yī)院全節(jié)點中，醫(yī)院全節(jié)點通過P2P網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)廣播該病例密文數(shù)據(jù)。區(qū)域防疫鏈中的Leader節(jié)點負責(zé)發(fā)起驗證和共識，最終記錄自動化同步到全網(wǎng)節(jié)點中。預(yù)警將充分運用區(qū)域防疫鏈智能合約閾值判斷和國家傳染病自動預(yù)警系統(tǒng)大數(shù)據(jù)分析；同時，對于傳染病的核實、區(qū)域會診、病原分析、專家會診和最終確認工作將并行開展。各環(huán)節(jié)的決策結(jié)果將使用區(qū)塊鏈共識節(jié)點的PBFT共識算法投票，超過2/3的確認即可在全網(wǎng)達成一致，最終決策結(jié)果將自動同步并更新疑似病例狀態(tài)為：True或False。將疑似病例和確認病例通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)并行上報，疑似病例的傳染病密文上報和同態(tài)驗證功能，可以將疫情的人為決策降到最低。

(4)擴大風(fēng)險數(shù)據(jù)采集源建立傳染病風(fēng)險性特征庫，通過在公共衛(wèi)生數(shù)據(jù)源中部署基于區(qū)塊鏈技術(shù)的傳染病監(jiān)測哨點應(yīng)用，以低侵入的方式嵌入相關(guān)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)源中，通過數(shù)字身份認證和加密體系，保障數(shù)據(jù)實時安全地采集到四級防疫鏈的分布式節(jié)點中。哨點應(yīng)用采取主動采集模式，即以事件驅(qū)動方式，將滿足前置規(guī)則的數(shù)據(jù)(如發(fā)熱≥38°C)實時采集到區(qū)塊鏈共識節(jié)點中，前置規(guī)則由區(qū)塊鏈防疫鏈網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一發(fā)布，任何一方都無法直接篡改哨點前置規(guī)則。哨點應(yīng)用支持多個主題，包括傳染病報告卡數(shù)據(jù)、臨床風(fēng)險特征數(shù)據(jù)、實驗室病原分析數(shù)據(jù)、學(xué)校缺課數(shù)據(jù)、社區(qū)衛(wèi)生事件數(shù)據(jù)、社區(qū)藥店數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)衛(wèi)生敏感監(jiān)測數(shù)據(jù)等。公共衛(wèi)生健康數(shù)據(jù)可從個人電子健康檔案和電子病歷中自動識別和采集，病原分析數(shù)據(jù)可從實驗室智能設(shè)備直接采集，公共衛(wèi)生事件數(shù)據(jù)可通過藥店、社區(qū)、基層衛(wèi)生機構(gòu)和互聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療APP中自動識別和上報。具體見圖4。

由于傳染病風(fēng)險性特征數(shù)據(jù)并不是直接定性的傳染病報告卡，所以對社會穩(wěn)定和經(jīng)濟并無直接影響，而對于大數(shù)據(jù)預(yù)警來說可以增加數(shù)據(jù)的范圍和規(guī)模，提高預(yù)警的精度和時效性。傳染病風(fēng)險性特征數(shù)據(jù)的上報，將壓力從醫(yī)生、醫(yī)院和當(dāng)?shù)谻DC那里轉(zhuǎn)移到四級衛(wèi)生健康數(shù)據(jù)交換節(jié)點，用自動化、智能化代替人工填報，減少了基層的社會壓力[25]。傳染病傳播本質(zhì)上是一種自然因素和人為因素交織在一起形成的風(fēng)險源[26]，所以需要建立復(fù)合、多元的風(fēng)險源數(shù)據(jù)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)。

(5)建立傳染病區(qū)域基層聯(lián)動實時預(yù)警能力智能合約是用于執(zhí)行合同條款的計算交易協(xié)議，包括合同當(dāng)事人和執(zhí)行這些條款的協(xié)議。但是在分布式交易網(wǎng)絡(luò)中，最早成功商用化的還是以太坊智能合約。以太坊的智能合約建立在以太坊虛擬機(ethereum virtual machine，EVM)的基礎(chǔ)上，是一個可以編程且具備圖靈完備性的分布式智能合約開發(fā)引擎[27]。本研究采用的是一套類似EVM智能合約虛擬機的防疫預(yù)警合約引擎，但與以太坊EVM不同之處在于，由于本項目是聯(lián)盟鏈，不需要Gas計費及相關(guān)功能。四級防疫鏈的智能合約是基于EVM引擎的應(yīng)用合約(見圖5)，分為強制執(zhí)行的通用預(yù)警合約和差異化的區(qū)域預(yù)警合約兩種，每次交易(風(fēng)險記錄)的產(chǎn)生，都將調(diào)用區(qū)域預(yù)警合約進行預(yù)警數(shù)據(jù)入賬，區(qū)域預(yù)警合約將前置調(diào)用通用預(yù)警合約，通用預(yù)警合約的級別優(yōu)先于區(qū)域預(yù)警合約。預(yù)警合約按照提前發(fā)布的預(yù)警邏輯發(fā)布到分布式節(jié)點中。預(yù)警合約內(nèi)部包括預(yù)警邏輯、風(fēng)險編碼、風(fēng)險記錄和預(yù)警賬本。預(yù)警邏輯所需要的參數(shù)都需要在共識節(jié)點中實現(xiàn)確認和共識驗證，具體的區(qū)域預(yù)警將通過預(yù)警邏輯的判斷執(zhí)行，最終結(jié)果更新到預(yù)警賬本中。

由于傳染病的爆發(fā)流行具備空間流行特性，所以早期的區(qū)域聯(lián)動預(yù)警非常重要，預(yù)警合約觸發(fā)后，可通過區(qū)域防疫鏈的鄰近度屬性通知鄰近區(qū)域相關(guān)傳染病疫情報告，同時共享發(fā)現(xiàn)疫情的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。依托于四級防疫鏈數(shù)據(jù)自動化實時同步能力，通過區(qū)塊鏈預(yù)警智能合約，建立基于規(guī)則模型的數(shù)據(jù)實時判斷預(yù)警能力，將目前的國家傳染病自動預(yù)警功能下沉到各區(qū)、市和省級的區(qū)域防疫鏈中，形成基層聯(lián)動實時預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。

(6)建立基層分布式傳染病數(shù)據(jù)加密安全共享網(wǎng)絡(luò)區(qū)、縣級醫(yī)院，區(qū)、市級CDC目前是傳染病報告的基本窗口，醫(yī)院和CDC有上報傳染病病例的義務(wù)和責(zé)任，是國家統(tǒng)籌監(jiān)測、預(yù)警和控制疫情的基礎(chǔ)。但對于醫(yī)院判斷當(dāng)前疫情的整體態(tài)勢來講，卻只能通過各地逐級匯總后的傳染病報告，經(jīng)CDC統(tǒng)計后由上至下地統(tǒng)一告知。重大疫情的爆發(fā)往往具有突發(fā)的特征，而疫情早期，在第一時間，多醫(yī)院、多區(qū)域橫向同步報告數(shù)據(jù)，將極大增強醫(yī)生、醫(yī)院勇于上報疫情的信心，為一線醫(yī)護工作者提供疫情態(tài)勢感知，為提前準備防護物資提供了基礎(chǔ)保障。但是要完成傳染病數(shù)據(jù)的區(qū)域共享，先要解決數(shù)據(jù)加密傳輸、存儲和安全共享機制?？蓞⒖悸槭±砉さ腅nigma系統(tǒng)原型，在區(qū)塊鏈P2P網(wǎng)絡(luò)底層和數(shù)據(jù)應(yīng)用層之間構(gòu)建一層多方安全計算(MPC)和數(shù)據(jù)安全共享層，從而實現(xiàn)傳染病數(shù)據(jù)在保護個人隱私和機構(gòu)數(shù)據(jù)安全的前提下，在區(qū)域內(nèi)、多機構(gòu)之間安全共享[27]。

四級防疫鏈區(qū)域醫(yī)療數(shù)據(jù)共享將在數(shù)據(jù)加密的保護下進行，非疫情期的個人數(shù)據(jù)將處于區(qū)域防疫鏈和個人的密鑰協(xié)商的保護下密文存儲。醫(yī)療數(shù)據(jù)和社會機構(gòu)交易數(shù)據(jù)，將在四級防疫鏈的Diffie-Hellman密鑰交換算法和MPC的架構(gòu)保護下，進行數(shù)據(jù)密文存儲和智能合約的自動預(yù)警，疫情爆發(fā)后通過區(qū)域預(yù)警智能合約解鎖密文，提供給鄰近區(qū)域內(nèi)的醫(yī)療機構(gòu)，進行疫情個人和診療數(shù)據(jù)共享。

(7)建立基于區(qū)塊鏈的防篡改和透明性的上報數(shù)據(jù)追責(zé)存儲機制基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)存儲優(yōu)勢在于，可以在防篡改和多方透明的交易機制中，將傳染病預(yù)防、發(fā)現(xiàn)和響應(yīng)的過程/任務(wù)以交易形式，記錄在區(qū)塊鏈分布式節(jié)點中，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)永久有效、證據(jù)溯源可查、公開透明的防治網(wǎng)絡(luò)。本研究采用類似比特幣的區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，利用SHA 256哈希算法，通過區(qū)塊哈希指針的區(qū)塊前后關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的鏈式存儲。四級防疫鏈依托于鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)和參與方的簽名交易，構(gòu)成一條相關(guān)疫情數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)、診斷、檢驗、核實、多方會診、收治、護理、出院等的患者全生命周期責(zé)任溯源鏈。疫情數(shù)據(jù)包括傳染病報告卡和傳染病風(fēng)險特征數(shù)據(jù)，將以交易的形式統(tǒng)一存儲在區(qū)塊內(nèi)，交易類型由交易大類和交易細類兩種構(gòu)成。例如，“發(fā)現(xiàn)、診斷、檢驗、核實、多方會診、收治、護理、出院”為交易大類，“發(fā)現(xiàn)”交易大類中的“傳染病風(fēng)險特征值編碼”為交易小類，從而形成具備相關(guān)職責(zé)溯源的交易結(jié)構(gòu)。由于傳染病防疫包括傳染病發(fā)現(xiàn)者、患者、核實者、診斷者、主治醫(yī)生、護理員等多個交易角色，分別圍繞患者展開隔離或醫(yī)治工作，所以每次的交易推進需要雙重或多重簽名交易，并將參與雙方或多方的公鑰附上，用于下次交易的驗證，通過數(shù)字簽名和驗證形成天然的職責(zé)鏈條。

疫情爆發(fā)后，除了積極控制疫情、治愈患者、清除疫情給社會和經(jīng)濟帶來的不良影響，還要積極總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)。基于四級防疫鏈追責(zé)體系，可以給社會公眾提供一個透明化監(jiān)督和事件追責(zé)的數(shù)據(jù)依據(jù)，無論是醫(yī)院、當(dāng)?shù)谻DC，還是政府管理者，都可以通過區(qū)塊鏈的防篡改和透明性特征自證清白。無論接診疑似病例或確診病例的處理，還是傳染病報告的上報，都可以在社會公眾和上級主管部門的監(jiān)督下開展，一旦重大疫情追責(zé)，可以依托區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可溯源的特性，形成完整的、防篡改的責(zé)任鏈條。責(zé)任鏈有利于在醫(yī)聯(lián)體內(nèi)部實行資源共享、信息互通、雙向轉(zhuǎn)診，通過契約模式來促進醫(yī)聯(lián)體內(nèi)各個醫(yī)療機構(gòu)的合作，激勵其合作意愿[28]；也可以極大增強政府的公信力，為防疫和控制疫情提供堅實的群眾基礎(chǔ)；也為政府公共管理提供技術(shù)、組織和制度變革的基礎(chǔ)設(shè)施[29]。

5 結(jié)語

我國現(xiàn)有傳染病預(yù)防控制信息體系是一套強中心化的協(xié)作模式，信息主要是縱向單鏈式傳輸，任何信息節(jié)點和層級出現(xiàn)信息屏障，都可能使基層信息源被阻斷而成為信息孤島，影響全國的傳染病預(yù)警和防控。為改進和優(yōu)化我國傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，本研究提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建區(qū)、市、省、國家的傳染病四級防疫鏈設(shè)想，通過搭建區(qū)域內(nèi)醫(yī)院、藥店、CDC、社區(qū)、政府等公共實體的多方數(shù)據(jù)的鏈接網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)國家級頂層和區(qū)域級底層互動的雙層預(yù)警機制。

由于區(qū)塊鏈采用分布式點對點的對等組網(wǎng)，一旦觸發(fā)智能合約預(yù)警，將在區(qū)域內(nèi)節(jié)點全網(wǎng)廣播。傳染病可疑數(shù)據(jù)將通過分布式共識協(xié)議在節(jié)點間保障數(shù)據(jù)一致性，任何單方面的人工干預(yù)和信息阻隔都無法阻止預(yù)警信息的傳遞，從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上可以充分實現(xiàn)區(qū)域內(nèi)自治預(yù)警的相關(guān)疾控部門的聯(lián)動處置；同時依靠防疫跨鏈機制，可在鄰近區(qū)域聯(lián)動風(fēng)險預(yù)警?；谶@些特點，區(qū)塊鏈技術(shù)在傳染病監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊前景，也將在學(xué)術(shù)界形成新的研究熱點。在現(xiàn)有的社會治理的信息化架構(gòu)中，往往較為看重單一技術(shù)或單一系統(tǒng)的架構(gòu)效能，忽視了綜合技術(shù)運用和綜合信息化系統(tǒng)效能治理，本研究通過區(qū)塊鏈的分布式共識機制，為建立分布式信息化系統(tǒng)協(xié)作框架提供了一些新的思路。

總的來看，我國乃至全球在區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用方面還處在起步階段，很多領(lǐng)域?qū)τ谌绾伟l(fā)展和應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)還存在較為模糊的認識，特別是在疫情應(yīng)急管理領(lǐng)域中的應(yīng)用還有待探索。本研究利用區(qū)塊鏈技術(shù)，以期改善原有系統(tǒng)對疫情的監(jiān)測和預(yù)警、疫情信息的公開及協(xié)同，增加疫情數(shù)據(jù)的多來源整合共享，實現(xiàn)多部門統(tǒng)籌協(xié)同，為決策制定、信息公開及責(zé)任追溯提供真實可信的依據(jù)，在增加流程透明度及政府公信力的同時，有效提升預(yù)警管理效率[30]。本研究只是一個初步嘗試，希望能吸引更多的研究者和實踐者參與到區(qū)塊鏈在應(yīng)急管理相關(guān)應(yīng)用的研究中來，為健全我國公共安全管理體系，提升社會綜合治理能力做出貢獻。

本研究的不足之處是單純的理論性探索和系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計，所提出的方案尚未經(jīng)過實證研究的驗證，這也是下一步需要進行的研究工作。