工业制品追溯中的标识异构问题研究

郑忠斌 刘皓若 王霞

摘 要：針对工业塑料制品信息追溯问题，提出一种基于区块链的追溯系统。首先引入可拓学原理中的转换桥方法解决低层区块链数据采集的表示异构问题;其次采用改进的拜占庭算法建立共识，以此保证区块链节点的一致性;最后以C语言和以太坊geth区块链作为基础，对该区块链追溯系统进行开发，并给出部分信息追溯展示和区块链数据防伪验证界面。本研究的创新在于从宏观角度实现了工业塑料制品信息追溯，并引入防篡改的区块链技术，从而为工业塑料制品质量安全提供了新的借鉴途径和方式。

关键词：可拓转换;产品追溯;工业互联网;标识异构;区块链

中图分类号：TQ067       文献标识码：A文章编号：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

随着工业塑料制品的增多，如何加强对这些有机塑料产品的追溯，减少工业塑料产品的污染，是当前制造产商思考的重点。但目前在工业塑料制品方面，产品可追溯主要存在以下几个问题：一是传统的工业塑料制品追溯依赖于权威机构对数据进行统一管理，且不同供应节点上的追溯数据由企业自行管理。这种局面就造成两个问题：首先企业可以自行篡改追溯数据，其次是不同工业塑料制品节点上的企业在追溯数据共享方面存在很大制约;二是工业塑料制品的标识体系种类繁多，“一物多标识”或“一标识多物”的现象频发，而识别方式往往比较单一，这就造成不同标识之间存在异构的问题。为解决以上问题，有学者提出借助区块链技术在分布式、去中心化、不可篡改和可追溯的特点，提出基于区块链的信息追溯系统，并将该系统应用到农产品追溯中[1];针对提出区块链的管理策略[2];对产品标识异构问题，提出可拓学的转换思路[3]。本研究则提出一种基于区块链的工业塑料制品全生命周期信息追溯系统，并重点解决区块链技术应用和标识异构问题。

1 基于区块链的信息追溯整体设计

本研究提出的工业塑料制品信息追溯系统是以传统的链式追溯方式为主，并结合分布式处理技术、区块链技术进行全生命周期的信息追溯，整体方案如图1所示。

具体是将工业塑料制品制造、销售、物流、售后和回收等环节信息全部录入到数据库当中，然后通过将采集溯源信息的哈希值分布式存储在区块链中;这些信息在存储后，会形成一个时间戳，使得工业塑料制品在都有一个时间标记，且不可篡改。各环节参与者都有对应的区块链节点，如想查询某工业塑料制品的信息，则可以通过持有的私钥进行查询和产品的真实性验证。

作业层主要负责通过标签完成基础产品信息采集，并解决标识异构问题;数据层采用分布式存储方式，将工业塑料制品的相关信息存储在Merkle树中，并通过加密算法计算哈希值写入区块链中，以此形成时间戳;网络层主要实现通信，共识层主要是通过共识机制让整个工业塑料制品制造、使用等环节的成员作为节点加入区块链。

2 標识异构转换与物联码生成

2.1 基于可拓元的标识异构转换

2.1.1 可拓元转换原理

在实际应用场景中，异构问题随处可见，如塑料零部件制品通常则包含国家物联网标识体系（Ecode）

和Handle 标识体系。在这两种标识体系下，就形成了异构标识体系。同时识别系统则采用的是EPC二维码识别管理，这种识别系统无法对上述两种标识体系进行识别。因此，就需要对这两种标识体系进行可拓转换。

定义 1：假设P表示因为多种表示体系共存所产生的异构识别问题，n维基元G1、G2表示在Ecode 标识体系、Handle 标识体系下产品标识的目标物元，L则为在特定情况下的识别解析机制条件。在上述的塑料零部件制品标识体系中，用c11、c21来表示标签的表现形式;用c12、c22来表示Ecode 标识体系和Handle 标识体系两种标识体系;用c13、c23表示标识;用c14、c24表示工业塑料产品。用上述的基元作为属性参数，结合可拓学的原理，可以得到：

G1=标签，表现形式v11标识体系v12标识v13工业产品v14（1）

G2=标签，表现形式v21标识体系v22标识v23工业产品v24（2）

式（1）和式（2）中，v11、v21表示为二维码;v12、v13表示Ecode 标识体系与代码;v22、v23表示Handle 标识体系与代码;v14、v24表示工业塑料产品名称。

由于L表示单一识别机制，则有：

L=识别，解析方式vL1对象vL2工具vLn〗

（3）

式（3）中，vL1、vL2、vL3分别表示Ecode 解析方式、物联码、物联码识读器。

假设在特定的L识别条件下，G1、G2如不能同时实现，那么则认为：

P=（G1∧G2）↑L（4）

式（4）表示异构的基元形式化模型，其中符号“↑”表示对立关系;符号“↓”表示共存关系;∧表示可拓与运算。

2.1.2 转换桥求解对立问题

定义 2：对P=（G1∧G2）↑L，如存在变换T=（TG1，TG2，TL）使得（TG1G1^TG2G2）↓TLL，那么T表示为P的解变换，从而使得G1、G2能够共存。变化的对象称作为转换桥，用

B（G1，G2）=Z×J（5）

式（5）中，Z表示转折部;J表示转换通道。

根据上述的可拓转换，则有

TG1=G′1=标签，表现形式v11标识体系v′12标识v′13工业产品v14〗（6）

TG2=G′2=标签，表现形式v21标识体系v′22标识v′23工业产品v24〗（7）

若变换后满足P=（G1∧G′2）↓L，那么说明转换后其表示体系满足共存。

2.2 基于 QR Code 物联码标签设计

2.2.1 物联码结构设计

物联码标签构建的好坏，直接关系到能够被识别系统识别和实时获取。本文结合Denso 公司提出的 QR Code快速响应码作为识别物联码结构设计方法，该响应码具有信息存储量大、纠错和容错能力强、成本低、防伪功能强等特点;其具体结构如图2所示。

2.2.2 物联码编译设计

在完成物联码的设计后，需要按照一定的规则和标准对标识代码进行处理，从而生成物联码标签，此过程就为物联码的编译过程。在本研究中，首先确定标识字符的数据类型，然后对数据流进行分析，并选择纠错的等级、版本信息;最后通过编码生成物联网图案。

3 共识算法设计

要实现图1共识层需构建共识算法，以保证节点一致性。对分布式节点的一致性问题，人们提出拜占庭算法对区块链管理进行优化;但拜占庭算法忽视一个问题，那就是在区块链中节点是动态变化的。为解决该问题，提出两点策略：一是考虑到共识节点是诚实的，因此不需要采用传统拜占庭算法的三阶段广播来达成节点共识，而只需要采用二阶段广播的方式。这样的目的是减少传统的通信开销;二是当有新的节点加入/退出的时候，通过投票确定主节点，从而降低视图切换所触发的频率。然后打包其他的交易记录，并向其他节点广播。其具体流程如图3所示。

另外，在分布式节点中需要每个节点都达成一致，那么每个节点的状态需保持一致，同时原始区也需要保持一致。假设在信息追溯区块链中，区块链高度用H表示，区块的Merkle树和上个区块的Hash值。因此，基于以上的分析，结合经典的拜占庭算法步骤，将改进共识算法的步骤设计为：

（1）客户端发起交易请求，请求为M;

（2）推举主节点和对应视图，如有新节点加入，则对P、V重新编号;但不立即视图切换，直到主节点出错;

（3）主节点进行打包交易，并向备份节点广播<Prepare，P，V，d>;

（4）备份节点验证收到的广播消息，并阿星主节点发送确认信息;

（5）主节点将交易打包成区块，并将该打包的区块全部转发给所有的网络备份节点，转发格式为<Block，M，V，P>，如收到两个以上的冲突相应，或者没有收到，则转到步骤（7）;

（6）备份节点验证区块，如验证没通过，则跳转步骤（8）;

（7）通过改进拜占庭算法进行共识操作;

（8）主节点若故障，则触发视图变更协议，并跳转到步骤（2）;

（9）节点发送反馈，此轮共识结束。

4 系统实现与测试

4.1 开发环境搭建

该系统开发主要涉及两方面：页面展示系统的开发。本文结合当前的开发语言，采用Java语言对系统页面进行开发。而在开发中，包含PC端和Android界面开发;在区块链部分，采用以太坊作为区块链的底层开发技术。首先下载以太坊 geth安装程序，设置环境参数，创建genesis.json 文件，然后在初始化后进入控制台实现节点的添加。

硬件方面采用Intel（R）Core（TM）i5-7200u cpu，64位Linux操作系统，16 GBweb服务器，同时使用6台虚拟作为后台运行区块链。

4.2 部分功能展示

物联码生成、识别与信息展示如图7所示。

通过图7的结果看出，再输入工业塑料制品基本信息后，生成统一的标识，并通过转换桥转换为物联码标签给客户。客户直接通过扫描对标识进行识别，并查询相关信息。

4.3 数据真实性验证

为验證区块链在防伪方面的效果，点击生成指纹数据，进而区块链对工业塑料制品信息进行哈希计算，得到新的数据指纹。将该数据指纹地址输入到查询框，可得到工业产品信息的原始数据指纹;最后将两个指纹数据进行比对，就可以辨别真伪。

5 结语

研究看出，要实现统一的工业产品信息追溯，需要从以下几个方面入手：第一是结合海量数据的结构搭建;第二是解决标识异构问题;第三是解决区块链共识问题;第四是需要解决页面开发问题。上述4个步骤都是实现工业产品全生命周期信息追溯的关键;但以上研究只是从宏观监管的角度进行初步设计，在许多细节处理方面，还有待进一步深挖。

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