基于區(qū)塊鏈的藥品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

摘要：由于假藥事件層出不窮，藥品的安全問題成為了公眾關(guān)注的重點(diǎn)。在傳統(tǒng)供應(yīng)鏈模式下，供應(yīng)鏈各主體相對(duì)獨(dú)立，沒有進(jìn)行信息交互，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在中心數(shù)據(jù)庫(kù)中，這導(dǎo)致了藥品數(shù)據(jù)不透明、中心數(shù)據(jù)被篡改等問題。文章針對(duì)傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)存在的問題，提出了基于區(qū)塊鏈的藥品供應(yīng)鏈系統(tǒng)，采用HyperledgerFabric作為聯(lián)盟鏈開發(fā)平臺(tái)。供應(yīng)鏈各主體作為聯(lián)盟鏈中的節(jié)點(diǎn)加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行藥品數(shù)據(jù)的上鏈以及區(qū)塊的共識(shí)操作；在藥品運(yùn)輸過程中采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，利用RFID標(biāo)簽對(duì)運(yùn)輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行雙重驗(yàn)證，確保了數(shù)據(jù)的安全性和真實(shí)性；在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面，引入IPFS文件系統(tǒng)，將上鏈數(shù)據(jù)存入IPFS，對(duì)返回的哈希值進(jìn)行上鏈，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的“鏈下存儲(chǔ)，鏈上索引”。關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈；聯(lián)盟鏈；物聯(lián)網(wǎng)；供應(yīng)鏈；藥品溯源系統(tǒng)0

引

言隨著人們生活質(zhì)量不斷提高，人們對(duì)健康方面的意識(shí)也在不斷提高，因此，與健康息息相關(guān)的藥品的市場(chǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大，導(dǎo)致了供應(yīng)鏈的快速增長(zhǎng)，涵蓋藥品的生產(chǎn)、流通、銷售等方面。藥品供應(yīng)鏈追蹤對(duì)保證藥品質(zhì)量有著至關(guān)重要的作用[1]，然而傳統(tǒng)藥品供應(yīng)鏈模式也暴露了信息流通不暢、缺乏可追溯性以及數(shù)據(jù)造假等問題，因此，國(guó)家和企業(yè)也在考慮采用先進(jìn)的技術(shù)來改善藥品供應(yīng)鏈的管理，以提高藥品的質(zhì)量和安全性。例如，引入?yún)^(qū)塊鏈、物聯(lián)網(wǎng)以及大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，這些技術(shù)經(jīng)過廣泛的應(yīng)用，提高了藥品的可追溯性和透明性，有助于減少藥品假冒、欺詐和流通等問題。在藥品供應(yīng)鏈方面，從一般供應(yīng)鏈到運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)再到運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，越來越多的學(xué)者針對(duì)如何加強(qiáng)藥品的安全性以及真實(shí)性做了研究，李詩(shī)楊等[2]構(gòu)建了藥品雙渠道供應(yīng)鏈模型分散式與集中式?jīng)Q策下的理論模型。黃莉娟等[3]將第三方物流服務(wù)商引入到藥品供應(yīng)商鏈系統(tǒng)，并對(duì)藥品供應(yīng)鏈的博弈進(jìn)行了分析。曹允春等[4]通過區(qū)塊鏈技術(shù)的特征定性分析藥品逆向供應(yīng)鏈的可行性，并結(jié)合系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法對(duì)藥品逆向供應(yīng)鏈構(gòu)建仿真模型。黃哲等[5]針對(duì)傳統(tǒng)供應(yīng)鏈流通環(huán)節(jié)冗余、供應(yīng)鏈主體間信息不能共享的問題提出基于SCOR模型的藥品供應(yīng)鏈評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，并與區(qū)塊鏈結(jié)合，解決了信息共享及資金流等問題。Alam等[6]通過區(qū)塊鏈技術(shù)與二維碼的結(jié)合來驗(yàn)證市場(chǎng)上的缺陷，增強(qiáng)了藥品安全性。Musamih等[7]利用智能合約和去中心化的鏈下存儲(chǔ)消除了對(duì)中介結(jié)構(gòu)的需求，提高了產(chǎn)品的可追溯性。1

相關(guān)理論介紹1.1

區(qū)塊鏈概述區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本技術(shù)，它將交易記錄以及其他數(shù)據(jù)以塊的形式鏈接在一起來實(shí)現(xiàn)安全、透明和不可篡改的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。每個(gè)數(shù)據(jù)塊都包含了前一個(gè)塊的哈希值，形成了一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。區(qū)塊鏈的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，最著名的是加密貨幣（比特幣）的底層技術(shù)，但它還可以應(yīng)用于數(shù)字交易、供應(yīng)鏈管理、身份驗(yàn)證等領(lǐng)域。由于其具有安全性和透明性，區(qū)塊鏈被認(rèn)為具有革命性的潛力，有助于提高交易效率、降低成本，并促進(jìn)可信的數(shù)據(jù)交換，因此受到企業(yè)，尤其是金融、供應(yīng)鏈等機(jī)構(gòu)的追捧[8]。1.2

相關(guān)技術(shù)1.2.1

HyperledgerFabricHyperledger是一個(gè)開源項(xiàng)目，由Linux基金會(huì)于2015年發(fā)起，旨在促進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)的進(jìn)步。它涵蓋了全球各個(gè)領(lǐng)域，包括金融、銀行、物聯(lián)網(wǎng)、供應(yīng)鏈、制造等行業(yè)，致力于建立一個(gè)開放的平臺(tái)，以滿足不同行業(yè)的需求，并簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)流程。本文在藥品供應(yīng)鏈主體之間利用Hyperledger搭建聯(lián)盟鏈，生產(chǎn)廠商、物流商以及銷售商作為聯(lián)盟鏈內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。1.2.2

IPFSIPFS是一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式文件系統(tǒng)，其目標(biāo)是建立一個(gè)全球性的、能夠通過內(nèi)容哈希地址訪問的文件儲(chǔ)存和傳遞系統(tǒng)。與傳統(tǒng)的基于中心服務(wù)器的Web架構(gòu)不同，IPFS采用分布式網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和技術(shù)，將文件分散儲(chǔ)存在網(wǎng)絡(luò)的多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，從而提高數(shù)據(jù)的可靠性和可用性。這意味著無論文件在何處，其內(nèi)容都是可驗(yàn)證和可訪問的，而且沒有單一故障點(diǎn)，為用戶提供更加去中心化和彈性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和訪問方式。本文在供應(yīng)鏈各主體數(shù)據(jù)上鏈時(shí)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到IPFS中，通過返回的哈希值經(jīng)過聯(lián)盟鏈內(nèi)節(jié)點(diǎn)共識(shí)后存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。1.2.3

RFIDRFID是一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，旨在追蹤、識(shí)別和有效管理物品、動(dòng)物或個(gè)人。它依賴射頻通信原理，允許數(shù)據(jù)的傳輸和接收，以實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的獨(dú)特標(biāo)識(shí)和跟蹤。這一技術(shù)可以幫助實(shí)現(xiàn)對(duì)物品的智能管理和監(jiān)控，而無需直接接觸它們，從而提高效率和安全性。本文在藥品出廠時(shí)貼上RFID標(biāo)簽，各供應(yīng)鏈主體將要上鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)至RFID標(biāo)簽內(nèi)，收貨方通過掃描RFID標(biāo)簽的內(nèi)容與上鏈數(shù)據(jù)對(duì)比，實(shí)現(xiàn)對(duì)藥品數(shù)據(jù)的雙重驗(yàn)證。2

供應(yīng)鏈系統(tǒng)的流程分析基于區(qū)塊鏈的藥品供應(yīng)鏈管理系統(tǒng)涉及3個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)：生產(chǎn)廠商（包括加工廠）、物流商以及銷售商（醫(yī)院或藥店），覆蓋了整個(gè)藥品供應(yīng)鏈的流程，從藥品的生產(chǎn)包裝到物流運(yùn)輸再到最后的醫(yī)院或藥店，覆蓋了整條供應(yīng)鏈流程，從而確保了藥品的可追溯性和安全性。在這個(gè)系統(tǒng)中，消費(fèi)者能夠使用藥品編號(hào)來溯源他們所購(gòu)買的藥品。如圖1所示，各個(gè)供應(yīng)鏈主體通過建立區(qū)塊鏈形成聯(lián)盟鏈，在這個(gè)聯(lián)盟鏈中，每個(gè)主體都被視為聯(lián)盟鏈中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，供應(yīng)鏈主體可以擁有多個(gè)節(jié)點(diǎn)，意味著生產(chǎn)廠商、物流商和醫(yī)院可以有多家參與者，他們負(fù)責(zé)將自己的數(shù)據(jù)通過智能合約上傳到聯(lián)盟鏈中，經(jīng)過各節(jié)點(diǎn)共識(shí)后形成區(qū)塊，最終保存在區(qū)塊鏈中。生產(chǎn)廠商：在藥品生產(chǎn)階段，生產(chǎn)廠商負(fù)責(zé)生產(chǎn)藥品，然后貼上RFID標(biāo)簽，將藥品存放在倉(cāng)庫(kù)中等待分發(fā)。在RFID標(biāo)簽上，生產(chǎn)廠商需要把上鏈的數(shù)據(jù)寫入標(biāo)簽內(nèi)，并附帶上自己的簽名，私密數(shù)據(jù)需要進(jìn)行加密處理。隨后，生產(chǎn)廠商將同樣的藥品數(shù)據(jù)通過節(jié)點(diǎn)客戶端打包，調(diào)用智能合約接口進(jìn)行藥品數(shù)據(jù)上鏈操作。物流商：物流商主要負(fù)責(zé)的是按照醫(yī)院和藥店的訂單需求進(jìn)行配送，當(dāng)物流到達(dá)指定地點(diǎn)或者中轉(zhuǎn)站時(shí)，對(duì)RFID標(biāo)簽進(jìn)行讀取，驗(yàn)證標(biāo)簽內(nèi)的數(shù)據(jù)是否與區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)一致，能夠保證源頭數(shù)據(jù)的真實(shí)性。同樣需要將物流信息寫入標(biāo)簽，同時(shí)要上鏈的信息通過節(jié)點(diǎn)客戶端調(diào)用智能合約接口進(jìn)行藥品數(shù)據(jù)上鏈操作。銷售商：銷售商也就是購(gòu)藥方，包括醫(yī)院和藥店，銷售商也是供應(yīng)鏈環(huán)節(jié)中的目的地，銷售商在拿到藥品后首先驗(yàn)證信息是否與鏈上數(shù)據(jù)一致，然后將藥品進(jìn)行存儲(chǔ)及出售。當(dāng)藥品出售后，銷售方需要對(duì)銷售信息以及用戶信息進(jìn)行上鏈操作，涉及到用戶的隱私信息時(shí)需要進(jìn)行加密處理。消費(fèi)者：消費(fèi)者是整個(gè)藥品溯源過程中的最終用戶，消費(fèi)者有權(quán)了解所購(gòu)藥品的基本信息和質(zhì)量。如果消費(fèi)者只是希望追溯藥品的來源和歷史，他們可以作為游客使用系統(tǒng)，輸入藥品編號(hào)來查詢相關(guān)數(shù)據(jù)；但如果消費(fèi)者希望對(duì)所購(gòu)買的藥品進(jìn)行反饋，則需要在用戶注冊(cè)后，登錄系統(tǒng)進(jìn)行藥品反饋操作。監(jiān)管部門：監(jiān)管部門作為系統(tǒng)中擁有最高權(quán)限的節(jié)點(diǎn)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控藥品的流通情況以及最終藥品的詳細(xì)交易信息，如果發(fā)現(xiàn)假冒偽劣的藥品或者在藥品流通過程中出現(xiàn)了違規(guī)情況，監(jiān)管部門人員可以及時(shí)通知消費(fèi)者，并收回有問題的藥品以保證消費(fèi)者的權(quán)益。3

區(qū)塊鏈藥品供應(yīng)鏈系統(tǒng)的設(shè)計(jì)3.1

架構(gòu)設(shè)計(jì)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)是復(fù)雜系統(tǒng)開發(fā)過程中一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。它不僅要考慮系統(tǒng)的整體組織和結(jié)構(gòu)，還需要將理論概念轉(zhuǎn)化為具體的設(shè)計(jì)方案，以滿足需求分析階段所確定的需求和目標(biāo)。這一階段的任務(wù)是將抽象的概念轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際可行的計(jì)劃，確保系統(tǒng)能夠以有效的方式滿足用戶的期望。因此，將系統(tǒng)的總體架構(gòu)分為用戶層、應(yīng)用層、合約層、區(qū)塊層和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層五層，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖2所示。其中，用戶層主要由生產(chǎn)廠商、物流商、銷售商、監(jiān)管部門和消費(fèi)者及系統(tǒng)管理員組成，他們根據(jù)各自的需求進(jìn)行相關(guān)的工作。應(yīng)用層是用戶與區(qū)塊鏈系統(tǒng)互動(dòng)的平臺(tái)，在使用系統(tǒng)之前，用戶需要完成注冊(cè)并進(jìn)行身份驗(yàn)證，管理員對(duì)系統(tǒng)中的用戶進(jìn)行管理及權(quán)限操作，供應(yīng)鏈的各主體可以進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳和溯源操作。合約層則是客戶端節(jié)點(diǎn)與區(qū)塊鏈交互的中介，供應(yīng)鏈各主體可以通過調(diào)用合約接口錄入信息，也可以調(diào)用查詢接口進(jìn)行溯源操作。在區(qū)塊鏈中選用HyperledgerFabric聯(lián)盟鏈作為底層平臺(tái)支撐，每個(gè)供應(yīng)鏈主體都是聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，完成數(shù)據(jù)的上鏈、共識(shí)等操作。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)層包含支撐業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)的Mysql數(shù)據(jù)庫(kù)、聯(lián)盟鏈內(nèi)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)以及存儲(chǔ)上鏈數(shù)據(jù)的IPFS文件系統(tǒng)。3.2

系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)根據(jù)對(duì)系統(tǒng)需求的分析，將系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)分為3個(gè)模塊，分別是系統(tǒng)管理模塊、信息上鏈模塊和信息查詢模塊，見圖3。3.2.1

系統(tǒng)管理模塊設(shè)計(jì)系統(tǒng)管理模塊包括用戶管理和權(quán)限管理，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，用戶必須經(jīng)過授權(quán)才能加入網(wǎng)絡(luò)并執(zhí)行相關(guān)操作。用戶在注冊(cè)完成后，系統(tǒng)管理員會(huì)進(jìn)行初步審核，審核通過后調(diào)用智能合約，請(qǐng)求聯(lián)盟鏈中的成員進(jìn)行共識(shí)驗(yàn)證。一旦驗(yàn)證成功，系統(tǒng)會(huì)為該用戶分配一個(gè)唯一的地址，這個(gè)地址將作為該用戶的唯一標(biāo)識(shí)，同時(shí)，該用戶也將被添加為新的節(jié)點(diǎn)，成為聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)的一部分。3.2.2

信息上鏈模塊設(shè)計(jì)信息上鏈模塊由藥品生產(chǎn)廠商、物流商以及銷售商根據(jù)不同的業(yè)務(wù)需求在系統(tǒng)內(nèi)錄入信息；當(dāng)有信息錄入時(shí)，各供應(yīng)鏈主體首先進(jìn)行身份認(rèn)證，登錄藥品系統(tǒng)，然后調(diào)用智能合約接口，傳入需要上鏈的數(shù)據(jù)。生產(chǎn)廠商需要上鏈的信息主要包括藥品編號(hào)、藥品詳細(xì)信息（如生產(chǎn)日期、批次號(hào)、出庫(kù)時(shí)間、相關(guān)質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告、負(fù)責(zé)人信息）以及企業(yè)的工商信息等；物流商需要上鏈的信息主要包括藥品編號(hào)、物流信息（包括拿到藥的時(shí)間、中轉(zhuǎn)地點(diǎn)、藥品批次號(hào)、負(fù)責(zé)人信息等）和企業(yè)工商信息等；銷售商上鏈的數(shù)據(jù)包括藥品編號(hào)、藥品信息（包括藥品批次號(hào)、拿到藥的時(shí)間、銷售時(shí)間、銷售地點(diǎn)、負(fù)責(zé)人信息、購(gòu)買人）、銷售商工商信息等。3.2.3

信息查詢模塊設(shè)計(jì)藥品系統(tǒng)中各供應(yīng)鏈主體將各自的數(shù)據(jù)上傳后，系統(tǒng)將所有上鏈信息進(jìn)行整合。由于角色的不同，擁有的溯源權(quán)限也不同，監(jiān)管部門擁有全部的溯源權(quán)限，可以查看上傳的隱私信息以及購(gòu)藥用戶的加密信息，溯源的主體主要為消費(fèi)者，可以通過唯一的藥品編號(hào)查詢藥品的整個(gè)流通信息。3.3

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)計(jì)藥品供應(yīng)鏈系統(tǒng)中涉及大量的溯源數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)去中心化的賬本，需要對(duì)每個(gè)交易和數(shù)據(jù)塊進(jìn)行永久存儲(chǔ)。隨著時(shí)間的推移，這將導(dǎo)致存儲(chǔ)成本逐漸增加，并給區(qū)塊鏈系統(tǒng)帶來巨大的存儲(chǔ)壓力。為了緩解存儲(chǔ)壓力，引入了IPFS文件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的“鏈下存儲(chǔ)，鏈上索引”。存儲(chǔ)模式如圖4所示。3.4

智能合約設(shè)計(jì)智能合約是一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的自動(dòng)化合同，它們是一系列編程代碼的規(guī)則和條件，智能合約的代碼在事先定義的條件得到滿足時(shí)會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，無需中介或第三方干預(yù)，在去中心化應(yīng)用中扮演重要角色，供應(yīng)鏈中的節(jié)點(diǎn)通過部署智能合約鏈碼與區(qū)塊鏈進(jìn)行交互。在本系統(tǒng)中，鏈碼主要有兩種功能，主要實(shí)現(xiàn)藥品數(shù)據(jù)的上鏈和查詢操作，客戶端節(jié)點(diǎn)通過調(diào)用已經(jīng)部署在通道內(nèi)的鏈碼進(jìn)行相關(guān)的操作，調(diào)用的流程圖如圖5所示。由圖5可知，需要調(diào)用發(fā)布合約接口的有生產(chǎn)廠商、物流商和銷售商，他們需要將各自的數(shù)據(jù)通過合約接口上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過聯(lián)盟鏈內(nèi)的節(jié)點(diǎn)共識(shí)后形成區(qū)塊，永久保存在區(qū)塊鏈上。而調(diào)用查詢合約接口包含藥品生產(chǎn)信息、物流信息、銷售信息以及查詢?nèi)啃畔?。在供?yīng)鏈系統(tǒng)中，供應(yīng)鏈主體、監(jiān)管部門以及消費(fèi)者，他們可以通過唯一的藥品編號(hào)對(duì)指定的藥品進(jìn)行溯源查詢。3.5

聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)業(yè)務(wù)的需求，系統(tǒng)采用Fabric搭建聯(lián)盟鏈平臺(tái)，環(huán)境部署在Docker容器中，采用java語言編寫智能合約鏈碼。首先生成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過配置模板信息定義組織成員的結(jié)構(gòu)，根據(jù)聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)規(guī)則編寫網(wǎng)絡(luò)配置文件，用于生成創(chuàng)世區(qū)塊和通道。把配置好的節(jié)點(diǎn)加入到通道中，節(jié)點(diǎn)由order節(jié)點(diǎn)和peer節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)供應(yīng)鏈主體對(duì)應(yīng)一個(gè)組織且一個(gè)組織內(nèi)有一個(gè)節(jié)點(diǎn)，因此該節(jié)點(diǎn)同時(shí)充當(dāng)背書節(jié)點(diǎn)、記賬節(jié)點(diǎn)和錨節(jié)點(diǎn)的角色，不同組織間通過錨節(jié)點(diǎn)進(jìn)行交互。每個(gè)供應(yīng)鏈主體需要根據(jù)各自的業(yè)務(wù)需求在通道內(nèi)部署智能合約鏈碼，進(jìn)行藥品數(shù)據(jù)的上鏈以及查詢操作。在部署智能合約鏈碼時(shí)，通道中的成員需要對(duì)鏈碼的參數(shù)進(jìn)行投票，決定是否通過鏈碼，當(dāng)鏈碼安裝完成后，節(jié)點(diǎn)客戶端就可以通過javasdk調(diào)用鏈碼的功能。聯(lián)盟鏈中的節(jié)點(diǎn)配置如表1所示。4

總結(jié)與展望本文先對(duì)傳統(tǒng)的供應(yīng)鏈系統(tǒng)所存在的問題進(jìn)行了分析，針對(duì)存在的不足提出了基于區(qū)塊鏈的藥品供應(yīng)鏈系統(tǒng)，并對(duì)此系統(tǒng)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，在藥品運(yùn)輸過程中引進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)藥品供應(yīng)鏈、區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合。其中區(qū)塊鏈的去中心化和防篡改的特性為藥品供應(yīng)鏈系統(tǒng)帶來了高度的透明性，使各方能夠?qū)崟r(shí)