基于區塊鏈技術的中藥材質量追溯研究與體系構建

徐科，梁澤華，孫媛

（1.中南民族大學計算機科學學院，武漢430074；2.湖北中醫藥大學藥學院，武漢430065；3.湖北中醫藥大學科學技術處，武漢430065）

0 引言

2018年2月2日，國家食品藥品監督管理總局發布《關于65批次中藥飲片不合格的通報》，61家企業生產的中藥飲片檢驗不合格，包括北京同仁堂、時珍堂、健生源等乏國內知名的藥企。中藥材是我國中醫藥行業發展的物質載體，其質量直接影響藥材的有效性和安全性。中藥質量溯源體系，構建中藥材“從種苗、種植、加工、流通到消費者”全過程質量跟蹤，是保障中藥質量、安全性和有效性的重要途徑。2013年10月9日，國家食品藥品監督管理總局和國家中醫藥管理局等八部委聯合下發了《關于進一步加強中藥材管理的通知》，對中藥材種植養殖、產地初加工、專業市場、中藥飲片生產經營全鏈條管理提出明確要求。基于區塊鏈的中藥材質量可追溯體系，采用大數據技術，提高中藥材流通的現代化水平，是增強中藥材質量安全保障能力的有效手段。

1 中藥材質量追溯研究現狀

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量追溯體系建設。2012年，商務部推動中藥材流通追溯體系建設試點工作。2015年，國家多個部委聯合頒發《中藥材保護和發展規劃（2015～2020年）》，提出“建立覆蓋主要中藥材品種的全過程追溯體系，完善中藥材質量檢驗檢測體系”。2016年，國務院發布《中醫藥發展戰略規劃綱要》（2016～2030年），指出“實施中藥材質量保障工程，建立中藥材生產流通全過程質量管理和質量追溯體系”，政府高度重視中藥材質量溯源體系建設。

中藥材質量追溯主要利用物聯網技術和信息化手段，監管流通的各個環節，以保障中藥質量的安全性和有效性。2010年11月，在成都召開的第三屆中醫藥現代化國際科技大會上，有學者提出有關中藥材質量可追溯的概念[1]。中藥質量追溯體系的建設是未來中藥發展的一個重要方向[2]。文獻[3]基于供應鏈視角，提出構建中藥材質量可追溯體系的方法。齊耀東等借鑒國內外食品和農產品領域可追溯體系的基礎上，提出了中藥材質量可追溯體系的構建方案[4]。文獻[5]探索基于二維碼的中藥質量可追溯系統[5]。施明毅等探討中藥質量溯源體系研究中的問題，并提出解決方案[6]，并指出中藥質量追溯體系需要集成物聯網傳輸、中藥質量控制、中藥湯劑數字化等關鍵技術[7]。文獻[8]結合中藥材質量溯源相關政策，從中藥質量鑒定與評價、質量溯源信息化等方面進行分析，為中藥材質量追溯系統構建提供參考意見。

2 區塊鏈技術在追溯系統中的應用

區塊鏈技術具有去中心化、共識信任、集體維護和可靠數據庫等方面的優勢，已應用于智能合約、醫療檔案管理、金融交易、農產品溯源和安全身份驗證等領域。區塊鏈為物聯網設備的交易、安全和管理等環節提供了新的解決方案[9]。文獻[10]將區塊鏈技術用于數字教育資源流通中，促進數字資源在供需雙方之間的流轉，既能保護資源提供者的合法權益，還能實現對流通資源的管理和監控。孫志國等闡述區塊鏈技術在農業物聯網、食品安全、糧食安全、農業生產及電子商務、農業資源和生態環境保障以及農業大數據方面的應用[11]，探討在食品安全溯源體系中引入區塊鏈技術，可以低成本高效率地解決食品安全領域存在的信任難題，實現安全可信任的食品追溯[12]。文獻[13]闡述將物聯網技術和區塊鏈技術應用在農資質量安全追溯領域的優勢。楊洋等探討了區塊鏈技術在農業物聯網應用中面臨的挑戰[14]。文獻[15]綜述了我國農產品質量安全追溯體系的發展現狀，分析了分布式臺帳、信任共識、集體維護和去中心化等技術的優勢，提出以區塊鏈技術重構農產品質量安全追溯體系。蘇芮提出基于私有區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據孤立不可靠問題[16]。

3 基于區塊鏈的中藥材追溯關鍵技術

中藥材追溯系統通過物聯網采集和傳輸信息、中藥材統一編碼、快速檢驗、分析驗證技術，建立中藥材溯源服務平臺，將種植、加工、流通、交易和使用等環節的信息相關聯，并把藥材品質數據、企業誠信情況、交易記錄數據等關鍵信息進行統一編碼、實時校驗，從而實現中藥材全過程質量動態跟蹤。區塊鏈技術可以解決中藥材追溯中的信息安全難題，采用區塊鏈的共享加密特性，結合防偽編碼技術，可以杜絕虛假數據源；運用區塊鏈的分布式架構，可以保障平臺安全性。采用區塊鏈技術進行中藥材追溯，讓溯源的數據存儲和分享更加迅捷和透明，提高安全性和信用等級。

3.1 中藥材品質信息采集

通過傳統和現代科學技術對中藥材進行基原鑒定和品質評價，將中藥材的指紋圖譜、DNA信息等這些檢測信息集成數字化，是中藥材質量可追溯的前提基礎。目前，主要有兩種集成中藥材品質信息的形式：①條形碼技術，通過數學算法采用圖形方式存儲信息。二維碼儲存容量大、成本低廉、應用靈活，可通過掃碼進行追溯查詢。②RFID射頻識別技術，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，為中藥質量溯源提供數據保障。無線射頻技術更具優越性，有耐水、耐高溫、可加密、高效率等優點，但成本相對較高。

3.2 交易數據的分布式存儲

中藥材的交易記錄存儲在區塊鏈的分布式節點上，交易數據會被加密并記錄，追溯平臺的所有參與成員會獲得數據的備份。區塊鏈技術保證了追溯數據不可篡改和不可逆，提供更高的數據質量和可信度。

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，在預定時間節點合同內容和條款自動生成和完成，具有可靠性強和不可篡改的優點。

4 基于區塊鏈技術的中藥材質量追溯體系構建方案

4.1 追溯體系構建思路

針對當前中藥材溯源體系建設亟待解決的問題，例如，藥材標識不統一，流通信息及交易記錄關聯性不強等。本小節提出一種中藥材追溯體系構建的基本思路，具體如下：

（1）建立中藥材標識的統一編碼，記錄藥材在各環節的流通信息，實現溯源信息共享，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，能夠引導藥材種植商、藥材加工商、藥材銷售商、質檢機構、監管方參與追溯體系建設、管理和使用，并能夠保護中藥材供應方和需求方的合法權益。

（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、交易和支付等環節能夠實現自動結算和隱私保護，可跟蹤查詢流通信息和交易記錄，保證交易數據不可被篡改。

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

4.2 基于區塊鏈技術的中藥材質量追溯體系

基于區塊鏈的中藥材追溯系統，具有共享加密和公開透明的特點，采用防偽技術對中藥材進行編碼，保證數據源的真實性。中藥材在生產、流通和交易等環節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。本文構建一種基于區塊鏈的中藥材追溯體系，見圖1所示。

圖1 基于區塊鏈技術的中藥材追溯體系架構

中藥材追溯體系采用六層架構，分為基礎、核心和交互等三大模塊。交互模塊包含應用層，提供用戶接口；核心模塊包含合約層、共識激勵層和網絡層；基礎模塊包含數據層和數據采集層。

（1）數據采集層，中藥材信息采集數據，涵蓋藥材種植生產、品質檢測、加工包裝、運輸流通、銷售交易和消費使用等環節的完整生命周期的信息記錄，中藥材的品質信息采集是基礎數據。

（2）數據層，按照“區塊頭+區塊體”數據塊格式進行封裝，對數據記錄進行加密并加入時間戳寫入區塊鏈中。基于安全性和政策性風險考慮，本方案的數據層密碼算法采用國密算法SM2加密技術進行處理。

（3）網絡層，建立在IP通信協議和P2P網絡的基礎上，采用分布式組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制。每一個節點都可收發信息，通過共同維護的區塊鏈保持聯絡。每一個節點生成的新區塊以廣播方式通知其他節點，共同對這個區塊進行驗證。

（4）共識激勵層，是區塊鏈技術的核心，規定記賬者選擇方式，影響整個系統的安全性和可靠性。本方案引入中藥材種植企業、加工企業、第三方之間機構、政府監管部門和消費者等產業鏈參與方作為成員節點加入區塊鏈。

（5）合約層，在區塊鏈中內置參與方事先擬定合約內容和觸發機制等形式化規則，加載觸發條件，合約自動執行，屏蔽外界干擾。本方案將有關中藥材質量的政府監管條例、法律法規和質量標準等內容以智能合約形式嵌入區塊鏈，實現藥材質量的規范化和標準化管理。

（6）應用層，集成中藥材信息采集、流通、交易和監管等應用場景，是信息交互的接口，向藥材生產商、加工商、銷售商、質檢機構、監管方法和消費者提供信息查詢和質量追溯等服務。

本方案基于區塊鏈的技術架構，構建一個透明、可靠、去中心化和去信用的追溯平臺，可實時查看狀態、降低流通成本、追溯藥材質量。

4.3 中藥材質量追溯平臺主要功能實現

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，存入區塊鏈中并廣播通知網絡中各個節點成員。當需要查詢藥品來源時，遍歷區塊鏈結構，追蹤流通信息和初始交易記錄，實現中藥材質量追溯。具體實現步驟如下：

（1）追蹤歷史交易記錄，根據藥品供應方在區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塊回溯先前區塊，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，根據區塊鏈結構依次向前追蹤前一筆交易記錄。

（3）重復第（2）步的處理過程，回溯到初始交易，實現交易記錄溯源。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 平臺試驗結果分析

本文的追溯平臺采用香港浸會大學的中藥材圖像數據庫[17]作為追溯平臺的中藥材基礎數據來源，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節的交易記錄采用模擬仿真試驗產生數據。本文實驗環境采用6個計算節點，隨著區塊中交易記錄數量的不斷增長，計算區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時間、區塊包括的交易數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=每個區塊計算所消耗時間的總和/所有區塊包含的交易數量

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

圖2 處理交易的響應時間

圖3 區塊中包含交易數量的變化情況

本文實驗驗證了區塊處理交易的速度及包含交易數量的變化情況，如圖2和圖3所示，以區塊高度在100至200之間的處理響應時間和交易數量為例，區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，可以提供高效的溯源服務。

5 結語

基于區塊鏈技術的中藥材質量追溯體系，可以避免傳統溯源系統存在的成本高、效率低和數據不安全等問題。在本文方案中，中藥材的基礎數據運用物聯網技術采集和傳輸，采用分布式記賬和共識獎勵機制等方法將數據寫入區塊鏈來實現溯源。利用區塊鏈技術的去中心化、去信任化、集體維護和可靠數據庫等優勢，建立覆蓋中藥材生產、流通和消費等環節的質量追溯體系。區塊鏈在中藥材質量溯源領域的應用，有利于保障用藥安全，提升我國中醫藥的現代化水平。