工業制品追溯中的標識異構問題研究

鄭忠斌 劉皓若 王霞

摘 要：針對工業塑料制品信息追溯問題，提出一種基于區塊鏈的追溯系統。首先引入可拓學原理中的轉換橋方法解決低層區塊鏈數據采集的表示異構問題;其次采用改進的拜占庭算法建立共識，以此保證區塊鏈節點的一致性;最后以C語言和以太坊geth區塊鏈作為基礎，對該區塊鏈追溯系統進行開發，并給出部分信息追溯展示和區塊鏈數據防偽驗證界面。本研究的創新在于從宏觀角度實現了工業塑料制品信息追溯，并引入防篡改的區塊鏈技術，從而為工業塑料制品質量安全提供了新的借鑒途徑和方式。

關鍵詞：可拓轉換;產品追溯;工業互聯網;標識異構;區塊鏈

中圖分類號：TQ067?????? 文獻標識碼：A文章編號：1001-5922（2022）01-0145-05

Research on product lifecycle information traceability

based on industrial internet

ZHENG Zhongbin，LIU Haoruo，WANG Xia

（Industrial Internet Innovation Center（Shanghai）Co.，Ltd.，Shanghai 201306，China）

Abstract：

Aiming at the traceability issue of industrial plastic product information，this paper proposes a blockchain-based industrial plastic product tracing system.Firstly，the conversion bridge method in extenics is introduced to solve the problem of heterogeneous representation of stratum blockchain data acquisition.Secondly，the improved Byzantine algorithm is used to build consensus to ensure the consistency of blockchain nodes.Finally，based on C language and Ethereum geth，the blockchain tracing system is developed with interface showing part of the information tracing and blockchain data anti-counterfeiting verification.The innovation of this research lies in the realization of information traceability of industrial plastic products from the perspective of macro supervision，and the introduction of tamper proof from blockchain technology provides a new reference for the quality and safety of industrial plastic products.

Key words：

extension transformation;product traceability;industrial internet;heterogeneous identification;blockchain

隨著工業塑料制品的增多，如何加強對這些有機塑料產品的追溯，減少工業塑料產品的污染，是當前制造產商思考的重點。但目前在工業塑料制品方面，產品可追溯主要存在以下幾個問題：一是傳統的工業塑料制品追溯依賴于權威機構對數據進行統一管理，且不同供應節點上的追溯數據由企業自行管理。這種局面就造成兩個問題：首先企業可以自行篡改追溯數據，其次是不同工業塑料制品節點上的企業在追溯數據共享方面存在很大制約;二是工業塑料制品的標識體系種類繁多，“一物多標識”或“一標識多物”的現象頻發，而識別方式往往比較單一，這就造成不同標識之間存在異構的問題。為解決以上問題，有學者提出借助區塊鏈技術在分布式、去中心化、不可篡改和可追溯的特點，提出基于區塊鏈的信息追溯系統，并將該系統應用到農產品追溯中[1];針對提出區塊鏈的管理策略[2];對產品標識異構問題，提出可拓學的轉換思路[3]。本研究則提出一種基于區塊鏈的工業塑料制品全生命周期信息追溯系統，并重點解決區塊鏈技術應用和標識異構問題。

1 基于區塊鏈的信息追溯整體設計

本研究提出的工業塑料制品信息追溯系統是以傳統的鏈式追溯方式為主，并結合分布式處理技術、區塊鏈技術進行全生命周期的信息追溯，整體方案如圖1所示。

具體是將工業塑料制品制造、銷售、物流、售后和回收等環節信息全部錄入到數據庫當中，然后通過將采集溯源信息的哈希值分布式存儲在區塊鏈中;這些信息在存儲后，會形成一個時間戳，使得工業塑料制品在都有一個時間標記，且不可篡改。各環節參與者都有對應的區塊鏈節點，如想查詢某工業塑料制品的信息，則可以通過持有的私鑰進行查詢和產品的真實性驗證。

作業層主要負責通過標簽完成基礎產品信息采集，并解決標識異構問題;數據層采用分布式存儲方式，將工業塑料制品的相關信息存儲在Merkle樹中，并通過加密算法計算哈希值寫入區塊鏈中，以此形成時間戳;網絡層主要實現通信，共識層主要是通過共識機制讓整個工業塑料制品制造、使用等環節的成員作為節點加入區塊鏈。

2 標識異構轉換與物聯碼生成

2.1 基于可拓元的標識異構轉換

2.1.1 可拓元轉換原理

在實際應用場景中，異構問題隨處可見，如塑料零部件制品通常則包含國家物聯網標識體系（Ecode）

和Handle 標識體系。在這兩種標識體系下，就形成了異構標識體系。同時識別系統則采用的是EPC二維碼識別管理，這種識別系統無法對上述兩種標識體系進行識別。因此，就需要對這兩種標識體系進行可拓轉換。

定義 1：假設P表示因為多種表示體系共存所產生的異構識別問題，n維基元G1、G2表示在Ecode 標識體系、Handle 標識體系下產品標識的目標物元，L則為在特定情況下的識別解析機制條件。在上述的塑料零部件制品標識體系中，用c11、c21來表示標簽的表現形式;用c12、c22來表示Ecode 標識體系和Handle 標識體系兩種標識體系;用c13、c23表示標識;用c14、c24表示工業塑料產品。用上述的基元作為屬性參數，結合可拓學的原理，可以得到：

G1=標簽，表現形式v11標識體系v12標識v13工業產品v14（1）

G2=標簽，表現形式v21標識體系v22標識v23工業產品v24（2）

式（1）和式（2）中，v11、v21表示為二維碼;v12、v13表示Ecode 標識體系與代碼;v22、v23表示Handle 標識體系與代碼;v14、v24表示工業塑料產品名稱。

由于L表示單一識別機制，則有：

L=識別，解析方式vL1對象vL2工具vLn〗

（3）

式（3）中，vL1、vL2、vL3分別表示Ecode 解析方式、物聯碼、物聯碼識讀器。

假設在特定的L識別條件下，G1、G2如不能同時實現，那么則認為：

P=（G1∧G2）↑L（4）

式（4）表示異構的基元形式化模型，其中符號“↑”表示對立關系;符號“↓”表示共存關系;∧表示可拓與運算。

2.1.2 轉換橋求解對立問題

定義 2：對P=（G1∧G2）↑L，如存在變換T=（TG1，TG2，TL）使得（TG1G1^TG2G2）↓TLL，那么T表示為P的解變換，從而使得G1、G2能夠共存。變化的對象稱作為轉換橋，用

B（G1，G2）=Z×J（5）

式（5）中，Z表示轉折部;J表示轉換通道。

根據上述的可拓轉換，則有

TG1=G′1=標簽，表現形式v11標識體系v′12標識v′13工業產品v14〗（6）

TG2=G′2=標簽，表現形式v21標識體系v′22標識v′23工業產品v24〗（7）

若變換后滿足P=（G1∧G′2）↓L，那么說明轉換后其表示體系滿足共存。

2.2 基于 QR Code 物聯碼標簽設計

2.2.1 物聯碼結構設計

物聯碼標簽構建的好壞，直接關系到能夠被識別系統識別和實時獲取。本文結合Denso 公司提出的 QR Code快速響應碼作為識別物聯碼結構設計方法，該響應碼具有信息存儲量大、糾錯和容錯能力強、成本低、防偽功能強等特點;其具體結構如圖2所示。

2.2.2 物聯碼編譯設計

在完成物聯碼的設計后，需要按照一定的規則和標準對標識代碼進行處理，從而生成物聯碼標簽，此過程就為物聯碼的編譯過程。在本研究中，首先確定標識字符的數據類型，然后對數據流進行分析，并選擇糾錯的等級、版本信息;最后通過編碼生成物聯網圖案。

3 共識算法設計

要實現圖1共識層需構建共識算法，以保證節點一致性。對分布式節點的一致性問題，人們提出拜占庭算法對區塊鏈管理進行優化;但拜占庭算法忽視一個問題，那就是在區塊鏈中節點是動態變化的。為解決該問題，提出兩點策略：一是考慮到共識節點是誠實的，因此不需要采用傳統拜占庭算法的三階段廣播來達成節點共識，而只需要采用二階段廣播的方式。這樣的目的是減少傳統的通信開銷;二是當有新的節點加入/退出的時候，通過投票確定主節點，從而降低視圖切換所觸發的頻率。然后打包其他的交易記錄，并向其他節點廣播。其具體流程如圖3所示。

另外，在分布式節點中需要每個節點都達成一致，那么每個節點的狀態需保持一致，同時原始區也需要保持一致。假設在信息追溯區塊鏈中，區塊鏈高度用H表示，區塊的Merkle樹和上個區塊的Hash值。因此，基于以上的分析，結合經典的拜占庭算法步驟，將改進共識算法的步驟設計為：

（1）客戶端發起交易請求，請求為M;

（2）推舉主節點和對應視圖，如有新節點加入，則對P、V重新編號;但不立即視圖切換，直到主節點出錯;

（3）主節點進行打包交易，并向備份節點廣播<Prepare，P，V，d>;

（4）備份節點驗證收到的廣播消息，并阿星主節點發送確認信息;

（5）主節點將交易打包成區塊，并將該打包的區塊全部轉發給所有的網絡備份節點，轉發格式為<Block，M，V，P>，如收到兩個以上的沖突相應，或者沒有收到，則轉到步驟（7）;

（6）備份節點驗證區塊，如驗證沒通過，則跳轉步驟（8）;

（7）通過改進拜占庭算法進行共識操作;

（8）主節點若故障，則觸發視圖變更協議，并跳轉到步驟（2）;

（9）節點發送反饋，此輪共識結束。

4 系統實現與測試

4.1 開發環境搭建

該系統開發主要涉及兩方面：頁面展示系統的開發。本文結合當前的開發語言，采用Java語言對系統頁面進行開發。而在開發中，包含PC端和Android界面開發;在區塊鏈部分，采用以太坊作為區塊鏈的底層開發技術。首先下載以太坊 geth安裝程序，設置環境參數，創建genesis.json 文件，然后在初始化后進入控制臺實現節點的添加。

硬件方面采用Intel（R）Core（TM）i5-7200u cpu，64位Linux操作系統，16 GBweb服務器，同時使用6臺虛擬作為后臺運行區塊鏈。

4.2 部分功能展示

物聯碼生成、識別與信息展示如圖7所示。

通過圖7的結果看出，再輸入工業塑料制品基本信息后，生成統一的標識，并通過轉換橋轉換為物聯碼標簽給客戶。客戶直接通過掃描對標識進行識別，并查詢相關信息。

4.3 數據真實性驗證

為驗證區塊鏈在防偽方面的效果，點擊生成指紋數據，進而區塊鏈對工業塑料制品信息進行哈希計算，得到新的數據指紋。將該數據指紋地址輸入到查詢框，可得到工業產品信息的原始數據指紋;最后將兩個指紋數據進行比對，就可以辨別真偽。

5 結語

研究看出，要實現統一的工業產品信息追溯，需要從以下幾個方面入手：第一是結合海量數據的結構搭建;第二是解決標識異構問題;第三是解決區塊鏈共識問題;第四是需要解決頁面開發問題。上述4個步驟都是實現工業產品全生命周期信息追溯的關鍵;但以上研究只是從宏觀監管的角度進行初步設計，在許多細節處理方面，還有待進一步深挖。

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