基于区块链技术的中药材质量追溯研究与体系构建

徐科，梁泽华，孙媛

（1.中南民族大学计算机科学学院，武汉430074；2.湖北中医药大学药学院，武汉430065；3.湖北中医药大学科学技术处，武汉430065）

0 引言

2018年2月2日，国家食品药品监督管理总局发布《关于65批次中药饮片不合格的通报》，61家企业生产的中药饮片检验不合格，包括北京同仁堂、时珍堂、健生源等乏国内知名的药企。中药材是我国中医药行业发展的物质载体，其质量直接影响药材的有效性和安全性。中药质量溯源体系，构建中药材“从种苗、种植、加工、流通到消费者”全过程质量跟踪，是保障中药质量、安全性和有效性的重要途径。2013年10月9日，国家食品药品监督管理总局和国家中医药管理局等八部委联合下发了《关于进一步加强中药材管理的通知》，对中药材种植养殖、产地初加工、专业市场、中药饮片生产经营全链条管理提出明确要求。基于区块链的中药材质量可追溯体系，采用大数据技术，提高中药材流通的现代化水平，是增强中药材质量安全保障能力的有效手段。

1 中药材质量追溯研究现状

近年来，国家政府部门相继出台各种政策和意见支持中药材质量追溯体系建设。2012年，商务部推动中药材流通追溯体系建设试点工作。2015年，国家多个部委联合颁发《中药材保护和发展规划（2015～2020年）》，提出“建立覆盖主要中药材品种的全过程追溯体系，完善中药材质量检验检测体系”。2016年，国务院发布《中医药发展战略规划纲要》（2016～2030年），指出“实施中药材质量保障工程，建立中药材生产流通全过程质量管理和质量追溯体系”，政府高度重视中药材质量溯源体系建设。

中药材质量追溯主要利用物联网技术和信息化手段，监管流通的各个环节，以保障中药质量的安全性和有效性。2010年11月，在成都召开的第三届中医药现代化国际科技大会上，有学者提出有关中药材质量可追溯的概念[1]。中药质量追溯体系的建设是未来中药发展的一个重要方向[2]。文献[3]基于供应链视角，提出构建中药材质量可追溯体系的方法。齐耀东等借鉴国内外食品和农产品领域可追溯体系的基础上，提出了中药材质量可追溯体系的构建方案[4]。文献[5]探索基于二维码的中药质量可追溯系统[5]。施明毅等探讨中药质量溯源体系研究中的问题，并提出解决方案[6]，并指出中药质量追溯体系需要集成物联网传输、中药质量控制、中药汤剂数字化等关键技术[7]。文献[8]结合中药材质量溯源相关政策，从中药质量鉴定与评价、质量溯源信息化等方面进行分析，为中药材质量追溯系统构建提供参考意见。

2 区块链技术在追溯系统中的应用

区块链技术具有去中心化、共识信任、集体维护和可靠数据库等方面的优势，已应用于智能合约、医疗档案管理、金融交易、农产品溯源和安全身份验证等领域。区块链为物联网设备的交易、安全和管理等环节提供了新的解决方案[9]。文献[10]将区块链技术用于数字教育资源流通中，促进数字资源在供需双方之间的流转，既能保护资源提供者的合法权益，还能实现对流通资源的管理和监控。孙志国等阐述区块链技术在农业物联网、食品安全、粮食安全、农业生产及电子商务、农业资源和生态环境保障以及农业大数据方面的应用[11]，探讨在食品安全溯源体系中引入区块链技术，可以低成本高效率地解决食品安全领域存在的信任难题，实现安全可信任的食品追溯[12]。文献[13]阐述将物联网技术和区块链技术应用在农资质量安全追溯领域的优势。杨洋等探讨了区块链技术在农业物联网应用中面临的挑战[14]。文献[15]综述了我国农产品质量安全追溯体系的发展现状，分析了分布式台帐、信任共识、集体维护和去中心化等技术的优势，提出以区块链技术重构农产品质量安全追溯体系。苏芮提出基于私有区块链的校园消防管理模型，解决校园消防管理的弱信任问题和数据孤立不可靠问题[16]。

3 基于区块链的中药材追溯关键技术

中药材追溯系统通过物联网采集和传输信息、中药材统一编码、快速检验、分析验证技术，建立中药材溯源服务平台，将种植、加工、流通、交易和使用等环节的信息相关联，并把药材品质数据、企业诚信情况、交易记录数据等关键信息进行统一编码、实时校验，从而实现中药材全过程质量动态跟踪。区块链技术可以解决中药材追溯中的信息安全难题，采用区块链的共享加密特性，结合防伪编码技术，可以杜绝虚假数据源；运用区块链的分布式架构，可以保障平台安全性。采用区块链技术进行中药材追溯，让溯源的数据存储和分享更加迅捷和透明，提高安全性和信用等级。

3.1 中药材品质信息采集

通过传统和现代科学技术对中药材进行基原鉴定和品质评价，将中药材的指纹图谱、DNA信息等这些检测信息集成数字化，是中药材质量可追溯的前提基础。目前，主要有两种集成中药材品质信息的形式：①条形码技术，通过数学算法采用图形方式存储信息。二维码储存容量大、成本低廉、应用灵活，可通过扫码进行追溯查询。②RFID射频识别技术，RFID电子标签可以用来记录中药材整个流通过程中的各项信息，为中药质量溯源提供数据保障。无线射频技术更具优越性，有耐水、耐高温、可加密、高效率等优点，但成本相对较高。

3.2 交易数据的分布式存储

中药材的交易记录存储在区块链的分布式节点上，交易数据会被加密并记录，追溯平台的所有参与成员会获得数据的备份。区块链技术保证了追溯数据不可篡改和不可逆，提供更高的数据质量和可信度。

3.3 交易合约的自动生成

中药材交易的电子签约，签约双方采用合法有效的CA证书进行电子签名，在预定时间节点合同内容和条款自动生成和完成，具有可靠性强和不可篡改的优点。

4 基于区块链技术的中药材质量追溯体系构建方案

4.1 追溯体系构建思路

针对当前中药材溯源体系建设亟待解决的问题，例如，药材标识不统一，流通信息及交易记录关联性不强等。本小节提出一种中药材追溯体系构建的基本思路，具体如下：

（1）建立中药材标识的统一编码，记录药材在各环节的流通信息，实现溯源信息共享，避免流通记录碎片化和信息传输错误，保证药材信息的完整性和安全性。

（2）追溯平台要具有开放性、透明性、自治化和去中心化的特点，能够引导药材种植商、药材加工商、药材销售商、质检机构、监管方参与追溯体系建设、管理和使用，并能够保护中药材供应方和需求方的合法权益。

（3）中药材的流通渠道和交易体系要具备严密性和合法性，可精准追踪流通信息、透明交易定价和降低流通成本。

（4）中药材的流通、交易和支付等环节能够实现自动结算和隐私保护，可跟踪查询流通信息和交易记录，保证交易数据不可被篡改。

（5）中药材的流通过程可随时被职能部门和质检机构监督及审查，保证药材质量可靠和用药安全。

4.2 基于区块链技术的中药材质量追溯体系

基于区块链的中药材追溯系统，具有共享加密和公开透明的特点，采用防伪技术对中药材进行编码，保证数据源的真实性。中药材在生产、流通和交易等环节涉及的物品和人员及参与行为等信息都被存储、查询和溯源，采用多点备份机制，增强流通信息的透明度和提高信任等级。本文构建一种基于区块链的中药材追溯体系，见图1所示。

图1 基于区块链技术的中药材追溯体系架构

中药材追溯体系采用六层架构，分为基础、核心和交互等三大模块。交互模块包含应用层，提供用户接口；核心模块包含合约层、共识激励层和网络层；基础模块包含数据层和数据采集层。

（1）数据采集层，中药材信息采集数据，涵盖药材种植生产、品质检测、加工包装、运输流通、销售交易和消费使用等环节的完整生命周期的信息记录，中药材的品质信息采集是基础数据。

（2）数据层，按照“区块头+区块体”数据块格式进行封装，对数据记录进行加密并加入时间戳写入区块链中。基于安全性和政策性风险考虑，本方案的数据层密码算法采用国密算法SM2加密技术进行处理。

（3）网络层，建立在IP通信协议和P2P网络的基础上，采用分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制。每一个节点都可收发信息，通过共同维护的区块链保持联络。每一个节点生成的新区块以广播方式通知其他节点，共同对这个区块进行验证。

（4）共识激励层，是区块链技术的核心，规定记账者选择方式，影响整个系统的安全性和可靠性。本方案引入中药材种植企业、加工企业、第三方之间机构、政府监管部门和消费者等产业链参与方作为成员节点加入区块链。

（5）合约层，在区块链中内置参与方事先拟定合约内容和触发机制等形式化规则，加载触发条件，合约自动执行，屏蔽外界干扰。本方案将有关中药材质量的政府监管条例、法律法规和质量标准等内容以智能合约形式嵌入区块链，实现药材质量的规范化和标准化管理。

（6）应用层，集成中药材信息采集、流通、交易和监管等应用场景，是信息交互的接口，向药材生产商、加工商、销售商、质检机构、监管方法和消费者提供信息查询和质量追溯等服务。

本方案基于区块链的技术架构，构建一个透明、可靠、去中心化和去信用的追溯平台，可实时查看状态、降低流通成本、追溯药材质量。

4.3 中药材质量追溯平台主要功能实现

在本文的中药材追溯平台，各种参与主体通过线上交易，交易信息确认后，存入区块链中并广播通知网络中各个节点成员。当需要查询药品来源时，遍历区块链结构，追踪流通信息和初始交易记录，实现中药材质量追溯。具体实现步骤如下：

（1）追踪历史交易记录，根据药品供应方在区块链中登记和存储的药品交易信息，通过计算哈希散列值从当前区块回溯先前区块，从交易记录中的前一条交易编号进行溯源。

（2）定位交易记录，通过交易编号查询该笔交易的所属区块，当包含多笔交易记录时，需由人工对当前交易进行确认和定位；同时，根据区块链结构依次向前追踪前一笔交易记录。

（3）重复第（2）步的处理过程，回溯到初始交易，实现交易记录溯源。本方案对药品追溯的核心代码，如算法1所示。

算法1中药材溯源算法

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 平台试验结果分析

本文的追溯平台采用香港浸会大学的中药材图像数据库[17]作为追溯平台的中药材基础数据来源，中药材类别包含根及根茎类、藤木类、皮类、叶类、花类、果实及种子类、全草类、菌藻类、树脂类、动物类、矿物类、其他类等类型。中药材交易和流通环节的交易记录采用模拟仿真试验产生数据。本文实验环境采用6个计算节点，随着区块中交易记录数量的不断增长，计算区块的时间开销越来越大，平台的性能要求主要由处理交易的速度而决定。试验主要从交易处理响应时间、区块包括的交易数量等方面探讨追溯的查询效率。

本文选取针对交易记录的处理速度作为衡量追溯平台性能的指标[18]，定义处理交易速度的计算方法如下：

平均交易速度=每个区块计算所消耗时间的总和/所有区块包含的交易数量

峰值交易速度=max（第i个区块计算所消耗的时间/第i个区块所包含的交易数量）

图2 处理交易的响应时间

图3 区块中包含交易数量的变化情况

本文实验验证了区块处理交易的速度及包含交易数量的变化情况，如图2和图3所示，以区块高度在100至200之间的处理响应时间和交易数量为例，区块处理交易记录的平均速度为562条/秒，峰值处理速度为每秒6019条，吞吐量可支撑查询毫秒级时间响应，可以提供高效的溯源服务。

5 结语

基于区块链技术的中药材质量追溯体系，可以避免传统溯源系统存在的成本高、效率低和数据不安全等问题。在本文方案中，中药材的基础数据运用物联网技术采集和传输，采用分布式记账和共识奖励机制等方法将数据写入区块链来实现溯源。利用区块链技术的去中心化、去信任化、集体维护和可靠数据库等优势，建立覆盖中药材生产、流通和消费等环节的质量追溯体系。区块链在中药材质量溯源领域的应用，有利于保障用药安全，提升我国中医药的现代化水平。