基于區(qū)塊鏈的疫情信息共享網(wǎng)絡(luò)及必要性分析

趙利霞， 葉春明

(上海理工大學(xué) 管理學(xué)院, 上海 200093)

在突發(fā)公共衛(wèi)生事件情況中，疫情防控一方面需要對(duì)人員進(jìn)行管控，包括人員的輸入輸出、風(fēng)險(xiǎn)人群排查，即有效記錄人員流動(dòng)信息；另一方面也需要對(duì)疫情信息進(jìn)行管控，提高疫情信息傳播的準(zhǔn)確性與時(shí)效性。區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)公開的分布式賬本[1]，信息以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)廣播的形式分布于網(wǎng)絡(luò)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)[2]，眾多節(jié)點(diǎn)共同監(jiān)管鏈上數(shù)據(jù)與交易，并且所有數(shù)據(jù)與交易都以加密形式永久性地記錄在區(qū)塊上，可以有效解決信息失真的問題和數(shù)據(jù)溯源問題[3]。由此，本文將建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的疫情信息共享網(wǎng)絡(luò)并從理論方面分析其必要性。

1 以區(qū)塊鏈為技術(shù)支持的疫情信息網(wǎng)絡(luò)

以區(qū)塊鏈為技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)可防止數(shù)據(jù)篡改，可追溯信息源頭，還有相應(yīng)的激勵(lì)機(jī)制。本文將疫情信息進(jìn)行上鏈處理，可以有效減少疫情信息失真并提高人員軌跡追蹤效率。

1.1 以區(qū)塊鏈為技術(shù)支持的疫情信息網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前部分人員軌跡記錄方式引入了大數(shù)據(jù)、人工智能、互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)，可以大量、快速記錄人員信息，但是對(duì)于信息的監(jiān)管和追蹤還需要不斷完善。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到疫情信息傳播網(wǎng)絡(luò)中，疫情信息上鏈，并與人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)相結(jié)合[4]，構(gòu)建完整的防篡改、可追溯、節(jié)點(diǎn)共治的疫情信息網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的疫情信息共享網(wǎng)絡(luò)從下至上由環(huán)境層、區(qū)塊鏈層及應(yīng)用層組成[5]，構(gòu)架如圖1所示。環(huán)境層基于一些其他高新技術(shù)以收集信息與數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈層則進(jìn)行信息的驗(yàn)證與傳播，用戶在應(yīng)用層進(jìn)行操作，例如信息查詢。

圖1 區(qū)塊鏈下疫情信息共享網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

1.2 基于區(qū)塊鏈的疫情信息溯源系統(tǒng)

為適應(yīng)及滿足疫情信息網(wǎng)絡(luò)中不同用戶的角色與需求，將基于區(qū)塊鏈技術(shù)的信息溯源系統(tǒng)分為6個(gè)模塊[6]，包括管理授權(quán)、創(chuàng)建信息碼、鏈上查詢、對(duì)公轉(zhuǎn)賬、信息錄入、溯源轉(zhuǎn)移，如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的信息溯源系統(tǒng)

1.2.1 管理授權(quán)

管理授權(quán)模塊的節(jié)點(diǎn)為超級(jí)管理員，擁有區(qū)塊鏈疫情信息網(wǎng)絡(luò)的最高權(quán)限，可對(duì)網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行業(yè)務(wù)授權(quán)。經(jīng)授權(quán)后，普通用戶節(jié)點(diǎn)可以選擇性公開自身非隱私信息，并查看其他節(jié)點(diǎn)的公開信息；企業(yè)節(jié)點(diǎn)可以獲取用戶節(jié)點(diǎn)公開信息，并記錄和上傳用戶節(jié)點(diǎn)相關(guān)位置信息和體溫信息，醫(yī)療機(jī)構(gòu)還要上傳公眾的醫(yī)療檢測(cè)信息。本文中政府機(jī)構(gòu)為超級(jí)管理員。

1.2.2 創(chuàng)建信息碼

創(chuàng)建信息碼是指為每位公眾生成唯一的信息碼。超級(jí)管理員擁有生成或注銷人員信息碼的權(quán)限。信息碼中包括人員的基本信息、溯源信息。首先，超級(jí)管理員為“人口普查”系統(tǒng)中所有登記在冊(cè)的人員及入境人員生成信息碼；其次，普通用戶通過客戶端，通過身份認(rèn)證后即可領(lǐng)取對(duì)應(yīng)的唯一信息碼，用戶通過認(rèn)證后，可以豐富個(gè)人基本信息并決定是否共享自己的新添數(shù)據(jù)[7]。

1.2.3 鏈上查詢

根據(jù)信息碼中信息的分類，鏈上信息查詢分為基本信息查詢與溯源信息查詢?；静樵儗?duì)應(yīng)人員基本信息，指人員身份信息；溯源查詢對(duì)應(yīng)溯源信息，指醫(yī)療檢測(cè)結(jié)果、活動(dòng)軌跡及對(duì)應(yīng)的體溫記錄。

1.2.4 對(duì)公轉(zhuǎn)賬

疫情信息傳播中伴隨資金的流動(dòng)轉(zhuǎn)移，例如信息失真后政府對(duì)公眾的補(bǔ)償、失職企業(yè)繳納的罰金、礦工獎(jiǎng)勵(lì)等，在基于區(qū)塊鏈的信息網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)公轉(zhuǎn)賬模塊借助代幣實(shí)現(xiàn)支付功能，解決資金流動(dòng)效率低下、債務(wù)追責(zé)困難等問題。

1.2.5 溯源轉(zhuǎn)移

人員流動(dòng)對(duì)疫情傳播有重大影響。疫情的溯源往往是依據(jù)人員接觸情況和人員流動(dòng)軌跡展開。企業(yè)依據(jù)時(shí)間線記錄公眾信息，溯源轉(zhuǎn)移則以逆向時(shí)間線為軸，隨公眾位置的改變不停變更疫情信息追溯的方向，最終查找到實(shí)際源頭或追尋疑似病例。

1.2.6 信息錄入

由于公眾是自由個(gè)體，會(huì)在一定范圍內(nèi)產(chǎn)生不同的移動(dòng)軌跡。目前，大部分公共場(chǎng)合采購(gòu)了智能設(shè)備進(jìn)行體溫測(cè)量。理想情況下，企業(yè)引入可自動(dòng)識(shí)別身份并同時(shí)測(cè)量體溫的人工智能設(shè)備，以時(shí)間線為基軸，記錄人員的位置與體溫；人工智能設(shè)備與區(qū)塊鏈中的智能合約交互，在一段時(shí)間內(nèi)所有數(shù)據(jù)檢測(cè)正常的情況下，將該時(shí)段內(nèi)的流動(dòng)人員信息打包發(fā)送到疫情信息共享網(wǎng)絡(luò)；若檢測(cè)到異常數(shù)據(jù)，人工智能設(shè)備將會(huì)立即發(fā)生警報(bào)，將異常信息上傳網(wǎng)絡(luò)并觸發(fā)智能合約預(yù)設(shè)的預(yù)警機(jī)制，提高疫情防控的效率。

2 從理論角度分析疫情信息上鏈的必要性

2.1 疫情信息傳遞影響因素分析

2.1.1 基礎(chǔ)模型

構(gòu)建包含i個(gè)企業(yè)、政府和公眾的3級(jí)信息傳遞模型，如圖3所示。企業(yè)利用現(xiàn)有技術(shù)或設(shè)備收集信息，包括人員的位置信息、體溫信息、醫(yī)療檢測(cè)信息，信息過濾后傳遞給政府，政府進(jìn)行信息驗(yàn)證并整合后傳遞給公眾。為便于計(jì)算，將傳遞的信息數(shù)量標(biāo)準(zhǔn)化為一單位。信息傳遞過程中，信息失真可能源于企業(yè)或政府；假設(shè)信息接收者具有追蹤信息來源的能力，此能力可概括為成功追蹤到上級(jí)中引起信息失真的主體的概率，即追蹤方向?yàn)楣娮坟?zé)政府，政府追責(zé)企業(yè)。

圖3 簡(jiǎn)化的疫情信息傳遞模型

2.1.2 基本假設(shè)

根據(jù)上述模型構(gòu)建設(shè)置參數(shù)，見表1。

表1 模型參數(shù)設(shè)置

基于上述參數(shù)設(shè)置及說明，做出如下假設(shè)。

假設(shè)1：當(dāng)企業(yè)和政府在保障信息及時(shí)準(zhǔn)確傳遞時(shí)投入的努力程度越大，則相應(yīng)的成本越大，信息失真概率越小，即成本是努力程度的單調(diào)遞增函數(shù)[8]，信息失真的概率是努力程度的單調(diào)遞減函數(shù)，由此可得出C′fi(Efi)>0，C′g(Eg)>0，O′fi(Efi)<0，O′g(Eg)<0。

假設(shè)4：在各企業(yè)初始努力投入程度為Efi與政府初始努力程度為Eg的情況下，企業(yè)和政府傳遞信息環(huán)節(jié)均可能有問題，則公眾接收到信息時(shí)失真的概率為O(Efi,Eg)，O(Efi,Eg)=Of+Og(Eg)-OfOg(Eg)=Ofi(Efi)+Og(Eg)-Ofi(Efi)Og(Eg)。

假設(shè)5：由政府最終向公眾提供信息，當(dāng)出現(xiàn)信息失真情況時(shí)，政府對(duì)公眾的補(bǔ)償金額多余企業(yè)向政府繳納的罰金，即Ih>Dfi。

2.1.3 模型構(gòu)建

在信息失真情況下，政府可獲最大期望利潤(rùn)Rg為

Rg=Pm-Cg(Eg)-ThIhO(Efi,Eg)+[1-Og(Eg)]Ofi(Efi)ThTgiDfi-Pg

(1)

式中，ThIhO(Efi,Eg)為信息失真情況下，政府向公眾賠付的補(bǔ)償金額。

在信息失真情況下，企業(yè)i可獲最大期望利潤(rùn)Rfi為

Rfi=SiPg-Cfi(Efi)-[1-

Og(Eg)]Ofi(Efi)ThTgiDfi

(2)

式中，[1-Og(Eg)]Ofi(Efi)ThTgDfi為信息失真情況下，政府追溯到企業(yè)i的責(zé)任，企業(yè)i向政府繳納的罰金。

分別對(duì)企業(yè)和政府的努力程度Efi、Eg求偏導(dǎo)，得

O′g(Eg)Ofi(Efi)ThTgiDfi

(3)

(4)

令

代入假設(shè)2，得出政府和企業(yè)收益最大時(shí)的最優(yōu)努力水平為

2aEg-EfiThIh-(1-Efi)ThTgiDfi=0

(5)

2bEfi-EgThTgiDfi=0

(6)

兩式聯(lián)立，得出政府和企業(yè)i的最優(yōu)努力程度為

(7)

(8)

根據(jù)政府與企業(yè)i的努力程度需要滿足0≤Eg≤1，0≤Efi≤1，可得

2.2 影響因素分析

根據(jù)上文，影響企業(yè)和政府投入保障信息及時(shí)準(zhǔn)確傳遞的努力程度的因素包括公眾對(duì)政府信息傳遞的追蹤能力Th、政府對(duì)企業(yè)信息傳遞的追蹤能力Tgi、信息失真發(fā)生時(shí)政府對(duì)公眾的補(bǔ)償Ih以及信息失真時(shí)政府追溯到企業(yè)責(zé)任時(shí)企業(yè)向政府繳納的罰金Dfi。

2.2.1 追蹤能力對(duì)企業(yè)和政府保障信息的努力程度的影響

2.2.1.1 公眾對(duì)政府信息傳遞的追蹤能力Th的影響

(9)

(10)

根據(jù)假設(shè)5，Ih>Dfi，可知Ih>TgiDfi，可得

2.2.1.2 政府對(duì)企業(yè)信息傳遞的追蹤能力Tgi的影響

(11)

(12)

可得

因此，提升公眾對(duì)政府信息傳遞的追蹤能力或政府對(duì)企業(yè)信息傳遞的追蹤能力，均會(huì)提升政府保障信息的努力程度和企業(yè)保障信息的努力程度，最終提升信息傳遞的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，減少信息失真。可知信息傳播中，節(jié)點(diǎn)的追蹤能力對(duì)信息傳遞有非常重要的影響。

2.2.2 賠償金額對(duì)企業(yè)和政府保障信息的努力程度的影響

2.2.2.1 信息失真發(fā)生時(shí)政府對(duì)公眾的補(bǔ)償Ih的影響

(13)

(14)

由此可得

2.2.2.2 信息失真時(shí)政府追溯到企業(yè)責(zé)任時(shí)企業(yè)向政府繳納的罰金Dfi

(15)

(16)

由此可得

因此，提高政府對(duì)公眾的補(bǔ)償或企業(yè)向政府繳納的罰金，均會(huì)提升政府保障信息的努力程度和企業(yè)保障信息的努力程度，最終提升信息傳遞的及時(shí)性與準(zhǔn)確性，減少信息失真。

綜上，提升信息共享網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的追蹤能力或者加強(qiáng)對(duì)造成信息失真節(jié)點(diǎn)的處罰力度，均可以提高信息傳遞中各個(gè)環(huán)節(jié)對(duì)保障信息及時(shí)準(zhǔn)確的努力程度，從而提高信息的時(shí)效性，較少信息失真。而區(qū)塊鏈技術(shù)可以精確完整溯源并且有完善的激勵(lì)機(jī)制，由此，建立基于區(qū)塊鏈的疫情信息傳播網(wǎng)絡(luò)有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

3 以區(qū)塊鏈為技術(shù)支持的疫情信息傳播網(wǎng)絡(luò)模型

基于區(qū)塊鏈的疫情信息傳播模型與普通的疫情信息傳播模型有所不同，如圖4所示?？芍?，區(qū)塊鏈疫情信息網(wǎng)絡(luò)是由公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈組成的混合系統(tǒng)[9]，不同職能節(jié)點(diǎn)分布在不同的鏈上，包括普通用戶所在公有鏈、企業(yè)所在聯(lián)盟鏈、政府機(jī)構(gòu)所在私有鏈；信息并非單一方向傳播，可在聯(lián)盟鏈中循環(huán)流動(dòng)[10]。

圖4 基于區(qū)塊鏈的疫情信息傳播網(wǎng)絡(luò)模型

3.1 激勵(lì)機(jī)制

在以區(qū)塊鏈為技術(shù)支持的信息網(wǎng)絡(luò)中，由于信息本身具有價(jià)值，所以系統(tǒng)的激勵(lì)分為兩個(gè)方面。

3.1.1 共享激勵(lì)

加入?yún)^(qū)塊鏈信息網(wǎng)絡(luò)的企業(yè)，通過協(xié)商后，可以形成鏈上聯(lián)盟圈，即形成特定的信息共享渠道[11]，一些非隱私數(shù)據(jù)可以合法流通，利于企業(yè)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，以此促進(jìn)各企業(yè)間的交流，實(shí)現(xiàn)合作共贏。由于共享信息涉及非單方利益，因此，對(duì)參與信息共享的企業(yè)形成了無形牽制，促使企業(yè)重視所收集信息的真實(shí)性與時(shí)效性。由此，企業(yè)內(nèi)部之間的信息共享利于企業(yè)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)區(qū)塊鏈信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全[12]。

3.1.2 獎(jiǎng)懲制度

在區(qū)塊鏈疫情信息網(wǎng)絡(luò)中仍要明確獎(jiǎng)懲措施，避免出現(xiàn)信息嚴(yán)重失真的情況。對(duì)于造成信息失真的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行“節(jié)點(diǎn)處罰”。其中，罰金的對(duì)公轉(zhuǎn)賬由對(duì)應(yīng)的智能合約自動(dòng)執(zhí)行，其可分為兩部分：額定份額用于系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)與維護(hù)，包括礦工挖礦的獎(jiǎng)金、礦工打包交易的傭金以及節(jié)點(diǎn)參與檢舉的獎(jiǎng)勵(lì)；剩余部分則直接轉(zhuǎn)入指定節(jié)點(diǎn)賬戶。例如企業(yè)所受罰金，一部分用于礦工激勵(lì)、節(jié)點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)，另一部分則直接匯給政府節(jié)點(diǎn)。

3.2 追蹤溯源

區(qū)塊鏈的追蹤溯源對(duì)應(yīng)上文理論分析中的“節(jié)點(diǎn)追蹤能力”。

3.2.1 傳統(tǒng)信息傳遞系統(tǒng)痛點(diǎn)分析

1)傳統(tǒng)的信息傳遞中各方的信任感缺失，需要具有公信力的中立方或者工具進(jìn)行全面消息驗(yàn)證，工程量大、效率低下且易遺漏性大。

2)信息在多級(jí)傳遞過程中，數(shù)據(jù)首先存儲(chǔ)在各自不同的平臺(tái)上，由于各方主體的利益沖突，可能會(huì)出現(xiàn)篡改信息已以加大自身利益的現(xiàn)象，增大了追蹤真實(shí)源頭的難度。

3)目前的疫情信息網(wǎng)絡(luò)中，對(duì)于人員的軌跡信息收錄可能存在較大的疏漏，尤其某些小型公共場(chǎng)合，缺乏線上的信息記錄，甚至某些場(chǎng)合無人員信息登記措施，導(dǎo)致信息收錄不完善，為疫情信息追蹤造成較大困難。

3.2.2 區(qū)塊鏈溯源技術(shù)特點(diǎn)

1)區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)可在無信任基礎(chǔ)下實(shí)現(xiàn)去中心化的強(qiáng)信任背書能力，提升各方信任度。

2)區(qū)塊鏈可被看作是分布式網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中采取共識(shí)機(jī)制，所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息驗(yàn)證確認(rèn)后才可將信息真正記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中，有效解決信息失真問題。

3)區(qū)塊鏈的交易信息以邁克爾樹的形式存放到區(qū)塊中，其中保存了上一個(gè)區(qū)塊哈希值與當(dāng)前區(qū)塊的哈希值[13]。每個(gè)交易或說數(shù)值對(duì)應(yīng)的哈希值是唯一的，則鏈上任何一個(gè)交易的哈希值變化都會(huì)導(dǎo)致整個(gè)區(qū)塊的哈希發(fā)生變化。區(qū)塊鏈上的信息幾乎不可能被篡改。

4)結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)。結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)在純分布式網(wǎng)絡(luò)(隨機(jī)網(wǎng)絡(luò))的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行有序組織，實(shí)現(xiàn)在分布式環(huán)境下快速而準(zhǔn)確的路由、定位數(shù)據(jù)[14]。由此，解決了信息傳遞過程中長(zhǎng)時(shí)間的停滯問題，提高了信息的時(shí)效性；同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的追蹤溯源奠定了一定的基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

區(qū)塊鏈為技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)可追溯信息、防篡改信息，還有較完善的激勵(lì)機(jī)制。建立基于區(qū)塊鏈的疫情信息共享網(wǎng)絡(luò)不僅可以提高疫情信息的時(shí)效性、準(zhǔn)確性，加強(qiáng)對(duì)信息、人員的追蹤溯源能力，也可以形成具有正向影響的信息共享網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)可以運(yùn)用到其他情景的信息傳遞中，為信息傳遞系統(tǒng)提供強(qiáng)有力的保障。