基于區塊鏈打造中藥溯源創新體系

曹國鈞，袁振輝

(廣東跑合中藥材電子商務有限公司，廣東 廣州 510385)

中藥溯源一直是中藥材質量提升的主要手段之一，國家商務部、農業農村部、國家食品藥品監督管理局、國家中醫藥管理局等相關國家部委相繼出臺政策，推動中藥溯源及系統建設，各省及相關企業(如中國中藥有限公司、九州通、康美中藥、中藥材天地網等)、協會(如中國中藥協會等)及科研機構(如成都中醫藥大學)投入資金，制定中藥溯源標準及體系研發相應系統[1-4]，對于中藥溯源發展起著重要作用。根據調研發現，中藥溯源體系或系統往往是獨立建設，與生產、流通及線上交易等系統脫節，無法有效地推行或者實施，出現兩張皮的現象。另外，中藥溯源系統的可信機制也難以保證，如何防偽、不可篡改及多主體有效管理等等成為關鍵問題。

近年來基于比特幣應用的區塊鏈技術給中藥溯源的進一步發展及有效推行提供了技術保證，與供應鏈交易系統的高度融合讓中藥溯源有了生根的基礎。本文在研究中藥材高質量發展問題基礎上，提出了中藥溯源與電子交易融合的課題，對于區塊鏈技術應用于中藥溯源進行了深入研究，提出基于區塊鏈技術的中藥溯源創新體系，最后根據溯源區塊鏈打造新一代“互聯網+區塊鏈溯源”平臺，并對中藥溯源做進一步展望。

1 建立追溯體系的目的及內涵

1.1 追溯體系確保中藥質量安全

中國中醫科學院院長、工程院院士黃璐琦等[5]在《中國中醫報》(2018年1月28日第一版)發表了《供給側改革推動中藥材產業高質量發展》論文，該文提到：中藥材生產的供給側存在著發展不平衡和不充分的問題，中藥材供過于求和供需錯位現象日趨嚴重。黃院士從十個方面提出相應解決方案，構建更加持續健康發展的中藥材產業。這十大問題的提出及解決措施引起了國務院有關領導的重視。在十大問題的第七個問題中涉及到中藥溯源及解決措施，即“加快培育現代化中藥材市場體系，降低交易和市場流通成本。通過技術升級，實現中藥材生產、產地加工和流通設施現代化，充分運用互聯網、物聯網、區塊鏈和人工智能等新技術，打造現代化中藥材電子交易市場，通過質量追溯系統建立，做到‘來源可知，去向可追，質量可查，責任可究’，確保中藥材質量全程可控。”

1.2 中藥溯源目的

中藥溯源體系的建立主要目的(中國中藥協會中藥追溯委員會2017年7月成立時趙潤懷理事長[2]提出：來源可溯、去向可追、過程可控、責任可究)，即滿足三大層面的廣泛社會需求。

(1)政府：監管保障、食品安全、藥品安全、民生工程；

(2)企業：產品質量、企業形象、品牌信譽、未來市場；

(3)消費者：知情權、選擇權、安全感、信任感。

1.3 追溯體系的基本內涵

中藥追溯體系必須需要全生命周期的管理過程，這樣就可以確保每個生產、流通及消費環節層層溯源及信息查詢分析。

中藥追溯體系采集記錄中藥產品生產、流通、使用等所有環節信息，有效強化全過程質量安全管理，也是中藥溯源風險控制的有效措施。

2 中藥溯源與電子交易平臺融合

中藥溯源系統若單獨存在，對于供應鏈上下游用戶來說帶來很多的維護工作，特別是需要采集更多大量的原始數據，這些數據還需要通過各種手段進行復核。作為中藥電子商務平臺，從本質上可以打通上下游客戶，通過各種交易鏈接上下游各個環節，同時還記錄了供應鏈各個環節上的原始數據及其相關交易數據，若結合生產、流通或者消費環節的ERP(MES：制造執行系統，用于獲取生產過程中的工藝參數數據等)/HIS/CRM/SCM系統，就可以很少量地手工輸入溯源數據，減少手工錯誤，提高溯源效率及可靠率。下圖1是理論上可靠的重要溯源系統架構圖，其中追溯二維碼由溯源系統自動產生，印刷在中藥的包裝盒上；電子交易平臺可以實現中藥產業鏈上各個環節的流轉及交易，實現數據源的收集及整理，有利于中藥溯源數據的整合與優化；“采集工具/方式”說明了中藥產業鏈上生產、流通及消費環節可以自動獲取數據的方式，這里只是示例，還有更多的相關信息系統可用。

圖1 中藥溯源系統架構部署圖

當然，除了電子交易平臺和溯源系統融合外，其他相關系統也可以與之融合，并能貫穿始終，形成整個溯源鏈條。

3 以區塊鏈實現追溯創新

區塊鏈的先天優勢成為中藥溯源創新的基礎，本段在介紹區塊鏈技術的基礎上，研究區塊鏈技術實現中藥溯源創新體系，并提出區塊鏈溯源新架構及實現技術。

3.1 區塊鏈技術基本原理

區塊鏈的誕生應該是人類科學史上最為異常和神秘的發明技術，這是因為除了區塊鏈這個名詞外，截至現今，現代科學史上還沒有一項重大發明找不到發明人是誰。

2008年10月31號，比特幣創始人“中本聰”(可能是化名)在“密碼學郵件組”發表了一篇技術論文——《比特幣：一種點對點的電子現金系統》[6]。在這篇論文中，作者聲稱發明了一套新的不受政府或機構控制的電子貨幣系統，在這里，區塊鏈技術是支持比特幣(BitCoin)運行的基礎。這篇論文可以在http：//www.bitcoin.org/bitcoin.pdf上下載查看。單單從學術角度看，這篇論文遠不能算篇合格的論文，文章的主體是由8個流程圖和對應的解釋文字構成的，沒有定義名詞、術語，論文格式也很不規范。

2009年1月，這位自稱為“中本聰”在SourceForge網站發布了區塊鏈的應用案例—比特幣系統的開源軟件。這個開源軟件發布后，中本聰大約挖了100萬個比特幣。一周后，中本聰發送了10個比特幣給密碼學專家哈爾·芬尼，這也成為比特幣史上的第一筆交易。伴隨著比特幣的蓬勃發展，有關區塊鏈技術的研究也開始呈現出井噴式增長。

根據相關文獻[7-8]，區塊塊包括如下技術特征：

(1)區塊鏈是一種對等網絡(P2P)的軟件應用，例如，互聯網上很多自由分享音樂、視頻，論文資料的軟件應用，都是采用P2P架構，就是沒有中心服務器，大家的個人計算機都是共享服務器，也都是客戶機，身份自由平等。區塊鏈就是這種領域的一種軟件應用。

(2)區塊鏈是一種全網信息同步的對等網絡(P2P)軟件應用。區塊鏈為支持比特幣的金融交易，就要求發生的每一筆交易都要寫入到歷史交易記錄中，并向所有安裝比特幣程序的計算機發送變動信息。每一臺安裝了比特幣軟件的計算機都保持最新和全部的比特幣歷史交易信息，區塊鏈的這個全網同步，全網備份的特征就是大家常說的區塊鏈信息安全、不可更改篡改的主要來源。

(3)區塊鏈是一種利用哈希算法(HASH)產生“通證(代幣)”的全網信息同步的對等網絡(P2P)軟件應用。區塊鏈的第一個應用是著名的比特幣。比特幣可以看做一個基于對等網絡架構的猜數小游戲，每次正確的猜數結果獎勵的比特幣信息會傳遞給所有游戲者，并記錄到每個游戲者的歷史數據庫中。

(4)區塊鏈技術因比特幣的興起產生智能合約(一種可編程的軟件)、通證、ICO與區塊鏈基礎平臺。在這里要重點說一下“智能合約”，這種合約可以被看做區塊鏈上的一種軟件功能，是輔助區塊鏈上各種虛擬幣自動交易的程序，具體的功能就像淘寶上支付寶的資金托管一樣，當一方用戶收到的貨物，在支付寶上進行確認后，資金自動支付個給買家貨主，智能合約在比特幣等區塊鏈應用上也是承擔了這個中介支付功能。

從區塊鏈技術特征來說，雖然比特幣是其第一種應用，但隨著互聯網的發展，區塊鏈已發展到4.0版本，智能合約是區塊鏈4.0的主要特征，在區塊鏈滿足一定條件可以自動執行智能合約，完成區塊鏈上相關交易及發放執行功能，除了提高安全性、可靠性外，更多增加了所謂“不可篡改”的可信性。

3.2 區塊鏈實現中藥溯源的基本思路

區塊鏈可以彌補通常追溯系統中工作流引擎與數據庫易于修改等諸多缺陷。下面是所涉及的區塊鏈溯源的基本思路。

(1)基于區塊鏈技術的中藥追溯系統能打通整個中藥產業鏈，使得整個中藥產業鏈信息更加透明化。

(2) 基礎數據通過物聯網模塊等進行自動采集，然后采用分布式臺賬、共識機制等，實現數據在數據區塊的直接寫入，將數據區塊記錄到區塊鏈中實現溯源。

(3) 基于區塊鏈技術的通用中藥材溯源標識號ID(可以產生溯源二維碼)能夠減少中藥材流通過程中的信息傳輸錯誤，并有效確保中藥材信息的完整性和安全性。

(4)基于區塊鏈技術的中藥材溯源體系解決了傳統溯源體系存在的高成本、低效率、數據存儲不安全等諸多問題。

3.3 溯源系統區塊鏈結構

區塊鏈作為一種互聯網鏈接型的賬本系統，通過區塊鏈的ID(標識號)進行鏈接，區塊鏈中的數據源通過ERP等系統或者采用手工錄入后，以HASH加密算法存儲至區塊鏈結構中。這種存儲實際上是區塊鏈的一種加密封裝，對互聯網上用戶嚴格保密(不可見且難以解密，這種加密采用的是非對稱加密算法)。圖2顯示這樣一種溯源區塊鏈結構形式。

圖2 溯源系統區塊鏈基本結構

這種區塊鏈結構打破了原有的數據格式，數據加密封裝提供了系統運行的可靠性、安全性、加密性。

3.4 以區塊鏈實現追溯創新的特性

從區塊鏈產生的過程看，區塊鏈實際上是一種分布式數據庫系統(即賬本Ledge)，從IT發展階段上看，并沒有更多的新特點，但隨著互聯網、物聯網、產業互聯網等發展，區塊鏈的基本特征從金融領域逐步擴展到數字資產、電子合同、電子交易、中藥溯源等很多場景。總結起來，區塊鏈具有如下鮮明特性：(1)去中心化或部分中心化(采用分布式存儲)；(2)公開性、開放性；(3)自治性；(4)信息不可篡改；(5)匿名性。區塊鏈最根本的，也是其最大優勢就是：快速溯源(根據實驗，一種復雜溯源只花費0.1毫秒)，同時實現一種完全信任機制。

3.4.1 開放性與分布式管理 溯源系統每一步環節產生的數據都會同時存放在多個服務器節點上，若其中已個服務器節點數據丟失也不會影響到其他節點的工作。除了企業隱蔽信息外，在區塊鏈上的溯源環節信息是完全公開的，用戶可以通過掃描追溯碼的方式查詢該藥品整條信息鏈上每個環節信息。下圖3說明了這一點。

圖3 開放分布式示意圖

3.4.2 自治性 溯源系統中的區塊鏈不需要人為去干預，每個節點之間信息交換都需要經過CA服務器認證后才可以進行通訊。圖4顯示這一特征。

圖4 區塊鏈的自治性

3.4.3 區塊鏈上信息不可篡改 溯源系統中每個環節的開始與結束都會以“智能合約”方式存放在區塊鏈中，一旦信息被保存起來，需要修改信息必須讓區塊鏈中超過半數的節點統一修改方可進行改動。因此，溯源數據不會因為系統被攻擊或者通過其他入侵手段被修改，數據穩定性與可信性得到保證。圖5說明了信息不可篡改的基本結構。

圖5 信息不可篡改性

3.4.4 匿名性 由于區塊鏈中每個節點之間通訊都要通過CA認證后才可以通訊，因此溯源流程的“智能合約”實現可以完全被抽象出來使用，并可以自動執行。圖5說明了區塊鏈上信息私密性及匿名性的特性，期間的信息傳遞及執行都是由智能合約自動完成，每個上下游鏈上的用戶均無法進行修改，也不知各自的身份，這些身份由CA機構確保其完備、可靠。圖6就是這樣的信息架構圖。

圖6 區塊鏈匿名性特征

3.5 基于中藥制劑建立區塊鏈溯源系統結構

跑合網2018年上半年承接了一個鴉膽子國家標準化(溯源)項目，采用區塊鏈設計，下面是基于SpringBoot架構[9-10]設計的軟件結構(圖7)。

下面對這樣的溯源結構做解釋。

(1) PC端視圖層：采用html5+、bootstrap+jquery能夠保證用戶交互體驗的同時使開發效率最大化。

(2) 業務處理層：使用SpringBoot+Shiro+activiti，權限控制和工作流等組件直接嫁接在微服務上保證系統輕量化，同時能夠靈活地擴展服務。

(3)基礎層：使用mysql保存業務操作，使用Ethereum(以太坊)為溯源系統提供區塊鏈的“智能合約”服務。

(4) 移動端：MUI配合HTML5+組成移動端的

混合開發模式架構，通過服務端提供的RESTful接口進行信息交互。

3.6 基于區塊鏈技術的中藥溯源業務結構

在圖7基礎上筆者設計出中藥溯源業務部分，主要包括：

(1)追溯碼：中藥追溯碼通過外部系統接口進行對接，同時提供追溯碼掃碼查詢接口供用戶直接查詢。

(2) 業務管理：采購管理、提取管理、制劑管理將分別對中藥材從采購到制劑各個環節的業務數據進行校驗錄入，每個管理中的操作都分別為一個流程環節，通過工作流引擎串聯起來，而每個環節的啟動與結束都將通過區塊鏈的智能合約記錄起來，從而達到互信溯源的目的。每個管理環節都將預留對接ERP或MES等接口，外部系統數據可以通過接口直接跟溯源系統對接，也可以通過人工的方式手動錄入到系統。而手動錄入的數據則需要審批環節進行審核。

(3) 核心技術：用戶管理與權限管理為信息管理系統基礎，集成工作流引擎對每個管理節點進行數據的控制流轉，需要人工干預部分還會引入子流程審批來復核數據的準確性。

在中藥溯源系統中直接引入區塊鏈技術，最重要的一個原因就是為了利用自動執行的軟件特性營造一個無需第三方介入的互信溯源平臺。

圖7 SpringBoot架構設計的軟件結構

4 基于電子商務平臺的中藥溯源系統結構

在前面提到，中藥溯源系統只有與電子交易系統(供應鏈系統等)直接融合，才能在中藥材高質量供應鏈發揮其關鍵性作用。根據區塊鏈特性，可以將區塊鏈引入交易平臺中，讓區塊鏈鏈接上下游各個環節及多個主體，并通過自動采集工具或系統實現交易獲得溯源系統的源數據或交易數據，實現中藥產業鏈上的信息不可篡改，并實現系統互信，讓供應鏈朝著高質量方向發展(圖8)。

圖8 區塊鏈融合電子交易及中藥溯源

5 未來展望

雖然區塊鏈在技術上確保信息不可篡改，具有完全公開特性，采用“智能合約”實現自動交易及溯源等功能，但區塊鏈技術仍具有固有的技術缺陷：完全追求徹底平等自由帶來的困境——那就是無法面對數據量特別大的場景項目，這主要因為采用區塊鏈技術時所傳輸和存儲的數據量太大。到2018年，采用區塊鏈技術的比特幣運行了近10年，積累的交易數據已經讓整個系統面臨崩潰。為此可以采用如下相關技術進行變通解決：

第一，建立中繼節點和閃電節點，通俗地說，就是區塊鏈會向它要顛覆的對象——B/S結構進行了學習，建立數據服務器中心，成為區塊鏈的中繼節點，也用類似瀏覽器的終端訪問，這就是區塊鏈的閃電節點；

第二，采用部分中心化思想，克服完全去中心化帶來的大數據處理的缺陷。

隨著5G的未來發布，萬物互聯時代即將來臨，區塊鏈的應用場景將在多方維護的系統上面進行大量應用，中藥溯源系統必將能應用到實處，真正發揮其應有的效能。