基于区块链的疫情信息共享网络及必要性分析

赵利霞， 叶春明

(上海理工大学 管理学院, 上海 200093)

在突发公共卫生事件情况中，疫情防控一方面需要对人员进行管控，包括人员的输入输出、风险人群排查，即有效记录人员流动信息；另一方面也需要对疫情信息进行管控，提高疫情信息传播的准确性与时效性。区块链是一个公开的分布式账本[1]，信息以点对点广播的形式分布于网络中的每一个节点[2]，众多节点共同监管链上数据与交易，并且所有数据与交易都以加密形式永久性地记录在区块上，可以有效解决信息失真的问题和数据溯源问题[3]。由此，本文将建立基于区块链技术的疫情信息共享网络并从理论方面分析其必要性。

1 以区块链为技术支持的疫情信息网络

以区块链为技术支持的网络可防止数据篡改，可追溯信息源头，还有相应的激励机制。本文将疫情信息进行上链处理，可以有效减少疫情信息失真并提高人员轨迹追踪效率。

1.1 以区块链为技术支持的疫情信息网络架构

目前部分人员轨迹记录方式引入了大数据、人工智能、互联网等技术，可以大量、快速记录人员信息，但是对于信息的监管和追踪还需要不断完善。将区块链技术应用到疫情信息传播网络中，疫情信息上链，并与人工智能、大数据等技术相结合[4]，构建完整的防篡改、可追溯、节点共治的疫情信息网络。应用区块链技术的疫情信息共享网络从下至上由环境层、区块链层及应用层组成[5]，构架如图1所示。环境层基于一些其他高新技术以收集信息与数据，区块链层则进行信息的验证与传播，用户在应用层进行操作，例如信息查询。

图1 区块链下疫情信息共享网络构架

1.2 基于区块链的疫情信息溯源系统

为适应及满足疫情信息网络中不同用户的角色与需求，将基于区块链技术的信息溯源系统分为6个模块[6]，包括管理授权、创建信息码、链上查询、对公转账、信息录入、溯源转移，如图2所示。

图2 基于区块链的信息溯源系统

1.2.1 管理授权

管理授权模块的节点为超级管理员，拥有区块链疫情信息网络的最高权限，可对网络中其他节点进行业务授权。经授权后，普通用户节点可以选择性公开自身非隐私信息，并查看其他节点的公开信息；企业节点可以获取用户节点公开信息，并记录和上传用户节点相关位置信息和体温信息，医疗机构还要上传公众的医疗检测信息。本文中政府机构为超级管理员。

1.2.2 创建信息码

创建信息码是指为每位公众生成唯一的信息码。超级管理员拥有生成或注销人员信息码的权限。信息码中包括人员的基本信息、溯源信息。首先，超级管理员为“人口普查”系统中所有登记在册的人员及入境人员生成信息码；其次，普通用户通过客户端，通过身份认证后即可领取对应的唯一信息码，用户通过认证后，可以丰富个人基本信息并决定是否共享自己的新添数据[7]。

1.2.3 链上查询

根据信息码中信息的分类，链上信息查询分为基本信息查询与溯源信息查询。基本查询对应人员基本信息，指人员身份信息；溯源查询对应溯源信息，指医疗检测结果、活动轨迹及对应的体温记录。

1.2.4 对公转账

疫情信息传播中伴随资金的流动转移，例如信息失真后政府对公众的补偿、失职企业缴纳的罚金、矿工奖励等，在基于区块链的信息网络中，对公转账模块借助代币实现支付功能，解决资金流动效率低下、债务追责困难等问题。

1.2.5 溯源转移

人员流动对疫情传播有重大影响。疫情的溯源往往是依据人员接触情况和人员流动轨迹展开。企业依据时间线记录公众信息，溯源转移则以逆向时间线为轴，随公众位置的改变不停变更疫情信息追溯的方向，最终查找到实际源头或追寻疑似病例。

1.2.6 信息录入

由于公众是自由个体，会在一定范围内产生不同的移动轨迹。目前，大部分公共场合采购了智能设备进行体温测量。理想情况下，企业引入可自动识别身份并同时测量体温的人工智能设备，以时间线为基轴，记录人员的位置与体温；人工智能设备与区块链中的智能合约交互，在一段时间内所有数据检测正常的情况下，将该时段内的流动人员信息打包发送到疫情信息共享网络；若检测到异常数据，人工智能设备将会立即发生警报，将异常信息上传网络并触发智能合约预设的预警机制，提高疫情防控的效率。

2 从理论角度分析疫情信息上链的必要性

2.1 疫情信息传递影响因素分析

2.1.1 基础模型

构建包含i个企业、政府和公众的3级信息传递模型，如图3所示。企业利用现有技术或设备收集信息，包括人员的位置信息、体温信息、医疗检测信息，信息过滤后传递给政府，政府进行信息验证并整合后传递给公众。为便于计算，将传递的信息数量标准化为一单位。信息传递过程中，信息失真可能源于企业或政府；假设信息接收者具有追踪信息来源的能力，此能力可概括为成功追踪到上级中引起信息失真的主体的概率，即追踪方向为公众追责政府，政府追责企业。

图3 简化的疫情信息传递模型

2.1.2 基本假设

根据上述模型构建设置参数，见表1。

表1 模型参数设置

基于上述参数设置及说明，做出如下假设。

假设1：当企业和政府在保障信息及时准确传递时投入的努力程度越大，则相应的成本越大，信息失真概率越小，即成本是努力程度的单调递增函数[8]，信息失真的概率是努力程度的单调递减函数，由此可得出C′fi(Efi)>0，C′g(Eg)>0，O′fi(Efi)<0，O′g(Eg)<0。

假设4：在各企业初始努力投入程度为Efi与政府初始努力程度为Eg的情况下，企业和政府传递信息环节均可能有问题，则公众接收到信息时失真的概率为O(Efi,Eg)，O(Efi,Eg)=Of+Og(Eg)-OfOg(Eg)=Ofi(Efi)+Og(Eg)-Ofi(Efi)Og(Eg)。

假设5：由政府最终向公众提供信息，当出现信息失真情况时，政府对公众的补偿金额多余企业向政府缴纳的罚金，即Ih>Dfi。

2.1.3 模型构建

在信息失真情况下，政府可获最大期望利润Rg为

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

(1)

式中，ThIhO(Efi,Eg)为信息失真情况下，政府向公众赔付的补偿金额。

在信息失真情况下，企业i可获最大期望利润Rfi为

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

Og(Eg)]Ofi(Efi)ThTgiDfi

(2)

式中，[1-Og(Eg)]Ofi(Efi)ThTgDfi为信息失真情况下，政府追溯到企业i的责任，企业i向政府缴纳的罚金。

分别对企业和政府的努力程度Efi、Eg求偏导，得

O′g(Eg)Ofi(Efi)ThTgiDfi

(3)

(4)

令

代入假设2，得出政府和企业收益最大时的最优努力水平为

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

(5)

2bEfi-EgThTgiDfi=0

(6)

两式联立，得出政府和企业i的最优努力程度为

(7)

(8)

根据政府与企业i的努力程度需要满足0≤Eg≤1，0≤Efi≤1，可得

2.2 影响因素分析

根据上文，影响企业和政府投入保障信息及时准确传递的努力程度的因素包括公众对政府信息传递的追踪能力Th、政府对企业信息传递的追踪能力Tgi、信息失真发生时政府对公众的补偿Ih以及信息失真时政府追溯到企业责任时企业向政府缴纳的罚金Dfi。

2.2.1 追踪能力对企业和政府保障信息的努力程度的影响

2.2.1.1 公众对政府信息传递的追踪能力Th的影响

(9)

(10)

根据假设5，Ih>Dfi，可知Ih>TgiDfi，可得

2.2.1.2 政府对企业信息传递的追踪能力Tgi的影响

(11)

(12)

可得

因此，提升公众对政府信息传递的追踪能力或政府对企业信息传递的追踪能力，均会提升政府保障信息的努力程度和企业保障信息的努力程度，最终提升信息传递的及时性与准确性，减少信息失真。可知信息传播中，节点的追踪能力对信息传递有非常重要的影响。

2.2.2 赔偿金额对企业和政府保障信息的努力程度的影响

2.2.2.1 信息失真发生时政府对公众的补偿Ih的影响

(13)

(14)

由此可得

2.2.2.2 信息失真时政府追溯到企业责任时企业向政府缴纳的罚金Dfi

(15)

(16)

由此可得

因此，提高政府对公众的补偿或企业向政府缴纳的罚金，均会提升政府保障信息的努力程度和企业保障信息的努力程度，最终提升信息传递的及时性与准确性，减少信息失真。

综上，提升信息共享网络中节点的追踪能力或者加强对造成信息失真节点的处罚力度，均可以提高信息传递中各个环节对保障信息及时准确的努力程度，从而提高信息的时效性，较少信息失真。而区块链技术可以精确完整溯源并且有完善的激励机制，由此，建立基于区块链的疫情信息传播网络有一定的现实意义。

3 以区块链为技术支持的疫情信息传播网络模型

基于区块链的疫情信息传播模型与普通的疫情信息传播模型有所不同，如图4所示。可知，区块链疫情信息网络是由公有链、联盟链、私有链组成的混合系统[9]，不同职能节点分布在不同的链上，包括普通用户所在公有链、企业所在联盟链、政府机构所在私有链；信息并非单一方向传播，可在联盟链中循环流动[10]。

图4 基于区块链的疫情信息传播网络模型

3.1 激励机制

在以区块链为技术支持的信息网络中，由于信息本身具有价值，所以系统的激励分为两个方面。

3.1.1 共享激励

加入区块链信息网络的企业，通过协商后，可以形成链上联盟圈，即形成特定的信息共享渠道[11]，一些非隐私数据可以合法流通，利于企业进行数据分析，以此促进各企业间的交流，实现合作共赢。由于共享信息涉及非单方利益，因此，对参与信息共享的企业形成了无形牵制，促使企业重视所收集信息的真实性与时效性。由此，企业内部之间的信息共享利于企业节点共同维护区块链信息网络系统的安全[12]。

3.1.2 奖惩制度

在区块链疫情信息网络中仍要明确奖惩措施，避免出现信息严重失真的情况。对于造成信息失真的节点进行“节点处罚”。其中，罚金的对公转账由对应的智能合约自动执行，其可分为两部分：额定份额用于系统的运转与维护，包括矿工挖矿的奖金、矿工打包交易的佣金以及节点参与检举的奖励；剩余部分则直接转入指定节点账户。例如企业所受罚金，一部分用于矿工激励、节点奖励，另一部分则直接汇给政府节点。

3.2 追踪溯源

区块链的追踪溯源对应上文理论分析中的“节点追踪能力”。

3.2.1 传统信息传递系统痛点分析

1)传统的信息传递中各方的信任感缺失，需要具有公信力的中立方或者工具进行全面消息验证，工程量大、效率低下且易遗漏性大。

2)信息在多级传递过程中，数据首先存储在各自不同的平台上，由于各方主体的利益冲突，可能会出现篡改信息已以加大自身利益的现象，增大了追踪真实源头的难度。

3)目前的疫情信息网络中，对于人员的轨迹信息收录可能存在较大的疏漏，尤其某些小型公共场合，缺乏线上的信息记录，甚至某些场合无人员信息登记措施，导致信息收录不完善，为疫情信息追踪造成较大困难。

3.2.2 区块链溯源技术特点

1)区块链中的节点可在无信任基础下实现去中心化的强信任背书能力，提升各方信任度。

2)区块链可被看作是分布式网络，网络中采取共识机制，所有节点进行信息验证确认后才可将信息真正记录到数据库中，有效解决信息失真问题。

3)区块链的交易信息以迈克尔树的形式存放到区块中，其中保存了上一个区块哈希值与当前区块的哈希值[13]。每个交易或说数值对应的哈希值是唯一的，则链上任何一个交易的哈希值变化都会导致整个区块的哈希发生变化。区块链上的信息几乎不可能被篡改。

4)结构化P2P网络。结构化P2P网络在纯分布式网络(随机网络)的基础上，将网络中的节点进行有序组织，实现在分布式环境下快速而准确的路由、定位数据[14]。由此，解决了信息传递过程中长时间的停滞问题，提高了信息的时效性；同时对数据的追踪溯源奠定了一定的基础。

4 结论

区块链为技术支持的网络可追溯信息、防篡改信息，还有较完善的激励机制。建立基于区块链的疫情信息共享网络不仅可以提高疫情信息的时效性、准确性，加强对信息、人员的追踪溯源能力，也可以形成具有正向影响的信息共享网络，同时可以运用到其他情景的信息传递中，为信息传递系统提供强有力的保障。