區塊鏈技術在產品質量監管中的應用研究

吳行惠　康篤剛　梁娜　房立鎮

摘 要：為了解決目前質監大數據中缺乏產品質量追溯數據的問題，進一步完善質監大數據企業畫像和企業畫像功能，對區塊鏈技術在質監領域內的應用做了進一步研究，結合我國產品質量監管的特點，設計出一套全新的面向產品質量監管的聯盟鏈+混合鏈的架構模式；并對應用效果全面分析研判。對產品質量追溯、提高政府監管能力、促進質量提升有重要意義。

關鍵詞：區塊鏈；產品質量；企業畫像；產品畫像；質量監管

中圖分類號：F274；TP311.13 文獻標識碼：A

Abstract： In order to solve the problem of lack of product quality traceability data in the large quality supervision data， further improve the function of the picture image and enterprise portrait of the quality supervision and management， further research the application of block chain technology in the field of quality supervision， and design a new set of product quality oriented to the quality supervision of our country. The mode of alliance chain and mixed chain structure is supervised， and the application effect is comprehensively analyzed and judged. It has great significance for product quality tracing， improving government supervision ability and promoting quality improvement.

Key words： block chain； product quality； enterprise portrait； product portrait； quality supervision

1 引言

2016年12月15日國務院下發了《關于印發“十三五”國家信息化規劃的通知》（國發〔2016〕73號），將物聯網、云計算、大數據、人工智能、機器深度學習、區塊鏈、生物基因工程等列為重點加強的戰略性前沿技術。區塊鏈已成為國家信息化規劃的重要組成部分。隨著區塊鏈技術的迅速發展，在電子政務中的發揮的作用也越來越受到人們的重視[1]。2017年9月5日，由中共中央國務院發布了《中共中央國務院關于開展質量提升行動的指導意見》，將質量強國戰略放在更加突出的位置。實現產品質量的全過程追溯，加強產品全過程質量監管，是全面提升我國產品質量水平的有效途徑。然而，質監大數據系統目前缺少產品全過程數據，不能滿足產品質量全過程追溯的要求，區塊鏈技術可追溯、去中心化和去信用化的特點恰好可以使這些問題迎刃而解。

2 產品質量監管的現狀分析

我國自2003年開始推行金質工程，全國各省積極響應，先后建成了質量領域的行政許可、監督檢查、檢驗檢測、綜合執法等多個信息化應用系統，對推動質量管理，提高我國的產品質量起到了重要作用。黨的十八大以來，對政府監管職能提出了更高的要求，一方面要求政府“放、管、服”，減輕企業的負擔，另一方面又要求提高對產品質量的有效監管，實施質量提升工程。依靠傳統的監管模式，已不能適應社會發展的要求，采用大數據、區塊鏈等新技術，實施新的監管模式，勢在必行。

2.1 單一信息化系統下產品質量監管

在大數據手段采用之前，利用單一信息化系統進行產品質量管理的情況下，只能通過“工業產品監督管理系統”進行采集，數據采集不但來源單一，并且數據采集之后沒有經過加工和治理，造成數據重復和冗余現象非常嚴重，數據的質量也不高。從日常監管和專項整治等監督檢查工作來看，造成底數不清，情況不明，給監管機構的產品質量監督管理工作帶來很大的困擾。從國抽、省抽、市抽等監督抽查工作來看，造成企業抽樣不精準，產品抽樣不科學，造成了一定的監管盲區，導致影響產品質量的“釘子戶”一直存在。

2.2 大數據環境下產品質量監管

大數據環境下的產品質量監管主要利用采集相關數據，通過對生產企業以及產品的畫像來實現。以山東省建立的質量大數據應用平臺為例，該平臺利用大數據手段建立組織機構、人員、產品、設備、標準五個主標識的關聯關系，把數據分為法規標準、行政許可、行政執法、檢驗檢測、舉報自報、輿情信息六個層次。按照統一社會誠信碼（或企業組織機構代碼）把所有與企業相關的數據，包括行政許可、監督檢查、檢驗檢測、綜合執法、輿情信息、企業官網數據和工商、稅務、安監、環保等外部共享的數據有機結合，對各類的數據進行清洗、核對、歸類等數據治理措施，形成企業畫像，為產品質量監管提供產業的多方面、多維度數據如圖1所示。

利用大數據技術的企業畫像，極大地提高了產品質量監管工作水平。但是由于各方面的因素，沒能采集生產加工環節的產品數據，尤其是產品進入流通環節之后的銷售數據使企業畫像和產品畫像不能進一步精準。采用區塊鏈技術，將原材料采購、產品制造、運輸、銷售等環節的信息，分別由相應的區塊子鏈來提供，可有效彌補上述數據，完善產品的全過程追溯和監管。

3 面向產品質量監管的區塊鏈模型設計

3.1 總體設計

本文結合區塊鏈技術去中心化、去信任、集體維護及數據可靠的特點，針對質監業務，重新設計了符合質監需求的“質量鏈”，并將改造過的區塊鏈與質監大數據結合起來實現了對產品質量的“全過程監管”，并借助大數據分析能力，對區塊鏈中的數據以企業畫像和產品畫像的形式展示給使用者。模型采用“聯盟鏈+混合鏈”的組織形式，主要包括兩個部分。

3.1.1 區塊鏈

區塊鏈部分采用由山東省質監局發起的“聯盟鏈”的組織形式，在為大數據系統提供強信任、可追溯的數據的同時，從根本上杜絕了當前市面上某些個人和商業組織利用區塊鏈搞“偽信任”的欺詐情形。模型中產品的設計、生產、銷售、運輸及消費者都作為區塊鏈中的終端節點，每一個終端節點的加入都必須經過質監局認證授權中心的認可，同時分配鏈中獨一無二的數字簽名。區塊鏈系統的“核心數據賬本”記錄每個終端節點的所有產品相關數據，每個產品信息數據都需要由所有節點所認可的數字簽名結合時間戳進行加密后才能夠寫入“核心數據賬本”，以保障數據的真實性，并使得數據可以被追溯。

此外，為了使更多的小企業加入到區塊鏈中，模型還支持以區塊鏈網關的形式實現用戶以B/S架構的形式參與到區塊鏈中，也就是傳統的共識節點和B/S區塊鏈網關節點共同組成的“混合鏈”形式。在混合鏈中超級節點和普通節點都可以上傳產品的數據，而普通節點也可以通過超級節點來寫入區塊鏈的“核心數據賬本”。

3.1.2 大數據系統

大數據系統以現有的山東質監大數據系統作為基礎，將大數據系統也作為鏈中的終端，一方面可以從區塊鏈系統中獲取部分交易數據，另一方面也為區塊鏈提供分布式存儲及形式多樣的數據挖掘服務，形成更加完備的企業畫像和產品畫像，使得大數據和區塊鏈各自發揮其優勢并最終為使用者提供良好的服務。

在模型的設計中，還需要在質監局監管下建立數字化產品庫及統一的授權控制中心，數字化產品庫為每一個產品都在模型中分配唯一的標識信息，包括其身份標識ID及其它的必須的參數信息。授權控制中心是對產品信息的修改維護等權限進行統一的管理和控制，一方面授權中心可以控制只有產品的生產者或提供者才能維護相應的產品信息，另一方面在授權維護時，需要為該產品信息加互斥鎖，防止數據因同時修改而造成系統錯誤，這樣的設計避免了因產品生產、加工、變更等因素造成的任何溯源信息割裂問題，當信息修改完成后，授權中心還要及時收回其權限并做好日志記錄，這樣可以實現系統有序、嚴謹、全面地維護和跟蹤產品信息。此外，系統還需要對大數據系統中的相關信息查詢進行權限控制。系統部署架構圖如圖3所示。

3.2 “質量鏈”體系層次

針對以以太坊為代表的區塊鏈產品在應用過程中所發現的問題，并且滿足產品全過程監管的需求，模型在設計時采用數據層、網絡層、共識合約層和應用層四層體系架構。而應用層和共識合約層為模型設計的重點。體系層次圖如圖4所示。

3.2.1 應用層

應用層包括對外提供產品信息記錄及查詢的API服務、權限控制、區塊鏈網關等模塊。

（1）區塊鏈網關：區塊鏈網關實現利用公共Sass服務進行質量數據上傳、質量數據溯源的功能，可以使小的市場主體無需在本地部署認證節點的情況下也能接入到區塊鏈中。區塊鏈網關在設計時采用一種輕量的Web網關系統，提供功能包括幾個方面：一是私鑰管理——為使用公共區塊鏈服務的企業、檢驗機構、消費者等參與方提供區塊鏈密鑰保管功能；二是區塊鏈服務——需要實現區塊鏈P2P協議與TCP協議之間的相互轉換，并實現以服務的形式對區塊鏈進行查詢上傳等操作；三是大數據服務調用——實現使用者對大數據服務進行調用。

區塊鏈網關在設計時采用springBoot+dubbox+ActiveMQ的微服務架構，將私鑰管理、協議轉換、大數據服務調用和區塊鏈操作服務，利用springBoot技術作為服務發布到dubbox的服務治理平臺供Web前端應用調用。針對一些訪問量較大的網關節點，Web前段入口可以利用Nginx負載均衡技術提高系統的訪問速度，同時也可以利用Dubbox服務治理平臺來實現服務的分布式部署與治理。當用戶需要上傳產品相關數據時首先調用私鑰管理獲取區塊鏈用戶對應的私鑰，然后調用區塊鏈服務生成要傳播的產品相關數據并將這些數據寫入到區塊鏈中。當用戶調用大數據查詢服務時，如果請求的內容已經存在Varnish緩存中則返回，如果沒有緩存內容，則調用大數據相應的接口獲取數據。網關使用ActiveMQ結合緩存技術一方面可以及時處理系統運行時的異常情況，另一方面也可以處理區塊鏈記賬與高速Web服務之間速度不匹配所帶來的性能問題。同時，網關采用多種監控機制，避免區塊鏈賬本之間出現不匹配的信息。具體架構圖如圖5所示。

（2）權限控制：權限控制是針對不同的使用主體分配不同的信息查詢及記錄策略，用于保證數據的安全，每個參與者可以對自己的信息進行有選擇性的公開，在滿足監管的同時，保障了企業的核心數據。

（3）API服務：應用層提供了信息查詢和產品信息記錄的API用以屏蔽區塊鏈底層復雜的邏輯，供大數據服務及網關調取和記錄數據，API接口必須與權限控制相結合保障數據的安全性。

3.2.2 共識合約層

共識合約層主要包括智能合約的設計是模型設計的另一個重點。利用智能合約，可以按照不同的參與主體類型將整個區塊鏈劃分為六個虛擬的子鏈，即原材料子鏈、加工制造子鏈、銷售流通子鏈、檢驗檢測子鏈、消費子鏈及監管子鏈。這六個虛擬子鏈通過“中繼鏈”進行連接。當有產品信息需要記錄時，參與者以各自的數字證書做出簽署，通過P2P網絡在區塊鏈節點之間進行傳播，并觸發智能合約的執行。虛擬子鏈間的產品信息數據只需要在子鏈內部得到“共識”即可被確認，并且根據智能合約，子鏈外的節點無需記錄該該產品信息（監管子鏈除外）。而虛擬子鏈之間的產品信息數據則需要向“中繼鏈”節點提交提案，根據不同的業務需求將產品信息進行共識后得到確認，這樣可以使系統的效率大大提高，從根本上解決了區塊鏈在處理產品信息數據時的性能問題。此外，為了滿足相關部門的監管需求，監管子鏈一方面要記錄監管部門的行政許可、監督檢查、檢驗檢測及綜合執法“四位一體”的數據，另一方面還需要對其它子鏈進行完整的數據備份。

智能合約的整體運行示意圖如圖7所示：區塊鏈網關通過restfulAPI接口將相關數據傳送至區塊鏈節點，節點向智能合約虛擬執行環境EVM輸入合約參數，EVM通過判斷預制響應條件來決定是否執行，如果確定執行則調用預制響應規則調用相關函數進行執行，最后通過驗證后將運算結果寫入到區塊數據中。

根據以上描述，共識合約層的設計重點有幾個方面。

（1）實現方式：合約層要設計智能合約虛擬執行環境EVM，EVM封裝了對底層數據存儲和P2P網絡的所有操作細節，以接口的形式對外提供，并利用類Java語言的執行環境來實現復雜的智能合約。一般來說，智能合約包含產品相關方的地址、產品ID三個成員變量以及構造器、校驗器、調用成功與失敗這四個基本的函數方法。

（2）設計規則：該部分通過EVM的預制響應條件和預制響應規則來實現，具體規則有幾個方面：一是當產品信息的變化只發生在子鏈內部時，確保合約在每一個參與業務主體的節點在各自的子鏈上被一致的執行，并得到一致的結果，用來保障數據一致性；二是當產品信息的變化發生在兩個不同的子鏈時，確保合約在每個子鏈完成一致執行后反饋到兩個子鏈結合的網關，并進行一致性結果的確認；三是確保每個子鏈中合約執行過程的每一個步驟都被準確地記錄下來；四是確保合約執行過程完成后將數據備份到監管子鏈，并設計心跳機制對監管子鏈中的數據與其他子鏈的數據進行一致性檢查。

（3）設計要求：確保每一個子鏈中的產品相關主體對各自的產品信息記錄及結果進行數字簽名，并結合交易發生的時間戳，利用SHA-256哈希算法對數據進行加密，確保產品信息記錄在確定后都不可抵賴。

3.2.3 網絡層

網絡層采用點對點（P2P）的組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等。這是目前區塊鏈中普遍采用的一種組網及傳播機制。

3.2.4 數據層

數據層在封裝傳統區塊鏈技術中底層數據區塊的鏈式結構的基礎上，模型利用大數據技術中的HDFS分布式文件存儲系統，支持文件存儲節點動態加入和退出，在解決了區塊鏈數據存儲的瓶頸的同時也可以提高文件系統的穩定性和高可用性。

4 區塊鏈技術在質量管理領域創新應用的效果探討

根據上文描述，模型在實際應用中將為提高質監監管、提升企業產品質量和提高公眾滿意度等方面具有重要的意義，具體來說主要體現在幾個方面。

（1）對質監相關部門來說，該模型提供了產品原料、生產過程、消費流通等過程的數據，豐富和充實了質監大數據企業畫像和產品畫像的數據來源，使得監管方對企業行為的管理更加細致，對產品質量的監管更加精準。

（2）該模型給聯盟鏈中的所有用戶提供了產品從原料提供、制造、流通、檢驗檢測到消費的全過程數據，實現了產品所有數據的可追溯性。

（3）系統本身具有天然的容災性。傳統的中心化系統由于數據都集中在中心節點，數據的丟失、泄露、損壞的可能性較高，而區塊鏈由于在系統生態中，所有成員將同時獲得產品信息記錄的備份，數據不丟失、不泄露、公開追溯，具有天然容災性。

（4）對于參與的企業來說，借助區塊鏈技術，一方面可以有效打擊品牌的“假冒”行為保障企業的利益和品牌的口碑，另一方面鏈中的企業可以借助系統更好的開展PDCA質量循環工作，幫助企業實現更高層次的產品質量管理[5]。

（5）對于消費者來說，一方面借助該模型可以在消費時查看某個產品從原料到商場的所有環節數據，使消費者放心的購買產品，另一方面也為社會公眾參與質量監管提供了有效的渠道，改變了傳統的政府單一監管方式，把產品監督檢查工作從政府機關延伸到全社會，形成了政府主導、行業管理、企業參與、群眾監督的監管新模式。

5 結束語

本文通過對我國質量監管現狀分析，面對質量領域的信息化管理存在的不足，大膽引入區塊鏈應用技術，并與大數據的企業畫像、產品畫像相融合，應用到了產品質量監管中。文章給出了系統的整體架構、體系結構以及數據的處理過程，該模型的設計是區塊鏈技術在質監領域內的一次全新嘗試，將會在加強政府對產品監管的精細度、提高企業參與系統積極性以及提升社會公眾滿意度等方面發揮重要的作用。

參考文獻

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