基于區塊鏈的重大突發疫情防控系統共識機制探析

史 磊，李林峰

(山西省信息產業技術研究院有限公司技術中心，太原 030012)

重大突發疫情可造成公眾生命健康的損害，極大地影響社會的正常運行。從2002年的“非典”、2009年的新型H1N1流感、2014年的埃博拉病毒以及2019新冠COVID-19等等事件可以看出，重大突發疫情事件主要有如下特點：一是傳播的快速性、廣泛性。尤其是當今時代下，交通非常便利，人員跨區域流動頻繁，使得疫情多地區、全球性的傳播極為容易；二是危害的嚴重性。這類事件不但對人的生命健康有嚴重影響，而且對全球的經濟、政治、文化都會產生嚴重的影響；三是治理的復雜性。疫情治理需根據國情綜合考量，既要盡快控制疫情，又要盡可能保障社會、經濟的穩定運行。因此，研究及時有效的應對策略及實施方法是非常必要的。傳統的信息系統對于已發生過的疫情能起到預警作用[1]，而新的病毒由于在小樣本時臨床識別困難，臨床與臨床、科研與臨床交互不足，很容易失去控制的最佳窗口時間，因此需要構建一個有效共識機制來應對重大突發疫情事件。

1 新疫情控制因素及需求分析

對于已經發生過的疫情，由于病毒的特征、病毒的防治手段已被人們了解并掌握，臨床醫師比較容易識別和應對，能夠詳實填報疫情數據表，審核也會很快通過，數據分析信息系統很快能得出結果，決策部門對于防控的部署也就有把握。而新的病毒則反之，疫情發生初期上述各種情況均不明晰，各個醫院之間也存在信息溝通不暢的現象。一方面，醫師或醫院為避免誤報就需要積累一定量的病例。上報后，上級部門需組織專家實地調研，進行毒株的獲取、基因組測序分型等一系列科學研究過程；另一方面隨著病毒傳播速度指數級的增長，疫情控制決策的難度也就越來越大。

從2002年廣東有力抗擊“非典”和2014年肆虐非洲的埃博拉病毒等經驗可以分析出抗擊疫情成功的要素：1) 確定疫情首例發生地；2) 臨床醫生敏銳發覺異常、及時隔離病患及追蹤密切接觸者；3) 專家、學者、臨床醫師及時地交流并達成共識；4) 及時發出有影響力的預警。由上述分析可知，疫情始發地的一線臨床醫生，對于異常病例的專業性判斷，捕獲首個病例起著非常重要的作用。同時專家的及時跟進和權威性判斷以及主管部門對于疫情防控的把握都是關鍵性因素。因此，面對突發疫情需要解決的問題是，當異常病例在任何地方的醫院或醫療機構被發現時，需要有一個足夠權威的專家團隊，可以在新病毒始發地達成遠程共識，足以引起醫療、衛生界同步的重視，使疫情危害降到最低。該系統要使臨床醫師、相關專家學者、衛生界決策者在起始時刻即行協作，判斷病毒的類型、來源，探討控制方法，并貫穿始終。

目前已有的疫情防控系統，主要基于病例大樣本的數據分析。在疫情初發期，由于樣本數據不完善或樣本數不足，并且其識別過程中專家、臨床科研缺乏在線的互動，疫情遏制時機不好把握。而突發疫情的防控，僅有單純性的信息技術系統是不易達到預期的目的。

區塊鏈將是繼互聯網之后的又一次新的信息化革命，并在一定程度上可改變現有的生產關系。2019年習近平在主持政治局學習時強調，要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口[2]。至此，區塊鏈上升為國家重大戰略。本研究整體運用區塊鏈技術，引入分布式存儲技術，充分發揮共識機制作用，可讓廣大的臨床醫師、專家學者以及決策者參與在一個共識系統中，這就相當于在任何疫情始發地均有一支強有力專業團隊在及時控制、把握著局面。

2 區塊鏈的發展及系統技術特征分析

區塊鏈發展目前經歷了三個階段：1) 比特幣為代表的貨幣區塊鏈技術為1.0；2) 以太坊為代表的合同區塊鏈技術為2.0；3) 實現完備權限控制和安全保障的Hyperledger項目、EOS等代表3.0.比特幣是由系列概念和技術作為基礎構建的數字貨幣態系統。以太坊將數字貨幣與智能合約相結合，對金融領域更廣泛的場景和流程進行優化的應用。現階段區塊鏈的應用領域擴展到人類生活的方方面面。袁勇等[3]對區塊鏈技術的各個層面以及智能合約做了詳盡的研究。高政風等[4]對區塊鏈共識算法進行了比較研究。目前，區塊鏈在醫療方面的應用，大多是在現有技術系統上，利用區塊鏈進行局部的改進，而且主要應用于已有固定樣本數據的溯源，如基于區塊鏈的檔案管理，部分原因是沒有解決大量數據的存儲問題。目前利用區塊鏈共識機制對突發疫情的不明病例進行交互式判斷尚處于前期階段。

2.1 區塊鏈關鍵技術[5]

由區塊鏈改變生產關系的本質特點可知，區塊鏈技術可以將人與事、人與人緊密地聯系在一起，并且產生一種信任關系，而這種信任關系，正是及時準確地把控重大疫情時所迫切需要的。系統基本架構如圖1所示。

圖1 系統基本架構Fig.1 System architecture

2.1.1共識機制

共識機制是系統的核心要素。區塊鏈具有去中心化、不可篡改、價值傳遞的特點，分布在不同區域的節點共同參與決策并形成交易，在一定時間內，多個交易信息形成一個數據塊，通過密碼學將數據塊關聯起來，而這些決策規則的核心就是共識機制[6]，示意圖如圖2所示。區塊鏈的分布式結構可改變業務的協作關系，所有業務都是由相關參與方共同進行驗證、協調和同步的，保證各節點數據的一致性和準確性。

圖2 區塊及區塊鏈結構示意圖Fig.2 Block and blockchain structure

2.1.2數據不可篡改

系統信任傳遞數據是由數據的一致性與不可篡改來保障的。非對稱加密和哈希算法保證不可篡改。在區塊鏈網絡上，節點采用共識算法來維持數據層的一致性，也就是分布式數據庫的數據的一致性；采用密碼學中的非對稱加密和哈希算法，來確保這個分布式數據庫的不可篡改和可追溯性。

2.1.3可追蹤溯源

系統的時間戳技術用于可追蹤溯源。在疫情辨識達成共識時，可以準確地追溯到首例患者而便于疫情控制。同時，利用時間戳技術可以公正、透明地獎勵有功人員，便于激勵機制的實行。在系統中，每一個新區塊生成時，都會被打上時間戳，包括文件的摘要日期和時間、數字簽名。當需要追蹤溯源時，因為每個區塊對用戶都是可見的，根據時間戳就可很方便找到首例病例及發布人。

2.1.4數據文件存儲

系統采用IPFS可解決數據存儲難題。數據存儲是區塊鏈的重要技術，區塊鏈的中的每一個區塊的大小只有幾MB，鏈上的數據傳輸越來越多，會導致區塊數量快速增加，而這樣可能造成交易堵塞，全節點存儲整個區塊的數據需要巨大的存儲空間。同時，在系統中，評審病患癥狀及病毒相關數據文件以達成共識是必備要素。因此，媒體內容、前端頁面及區塊數據存儲問題的解決是系統正常運行的必備條件。設計采用默克爾樹(Merkle Tree)構建的IPFS分布式存儲來存儲數據文件[7]。Merkle Tree可以快速歸納和檢驗大規模數據的完整性，其樹狀的完整數據結構，在其葉頂點中有來自數據塊的哈希值，只要樹中的任一個節點被篡改，根節點哈希值就會變化而不匹配，從而可以達到校驗目的。存儲在IPFS網絡節點上的數據是被切分成若干的數據塊并且經過加密后，再分散到不同的節點中進行存儲，這樣就保證了系統中數據的安全。

2.2 區塊鏈基本類型

區塊鏈的類型基本分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈等，具體特征如表1所示。公有鏈上全網公開，無用戶授權機制，高度去中心化。私有鏈只有一個組織機構能控制其寫入、讀取以及查詢交易權限。聯盟鏈的各個節點通常有與之對應的通過授權的實體機構組織。

表1 區塊鏈基本類型及比較Table 1 Basic types and compare of blockchain

2.3 區塊鏈主要共識機制

在區塊鏈系統當中，共識機制能夠解決區塊鏈在分布式場景下達成一致性的問題。共識機制有：工作量證明機制(PoW)，代表工作越多收益越大；股權證明機制(PoS)，按照持有資產來進行分配；委托股權證明機制(DPoS)，選舉出一些節點做為代表來記賬。

3 防控系統共識機制分析

根據上述分析，疫情防控需要建立一個由臨床醫師、專家學者、決策者等同時參與的互動系統，使得在疫情初期，即使個別醫院的小樣例，也能夠通過分布式網絡匯集大量專業人員發現異常的病例，快速啟動初步反應機制，使在疫情爆發前就能采取協調配合的專業行動；同時，對于各地臨床醫師提供的不完整的病患樣例，通過共識機制，形成完整的特異樣例特征，且容易得到一定數量的樣本，消除了單個醫療機構的信息孤島現象，再加上專家的分析、科研的配合，在區塊鏈上迅速綜合起來判定是否突發疫情。系統基于區塊鏈可實現去中心化分布式系統,為加快反應速度以及安全性考慮，采用聯盟鏈作為區塊鏈主干，如圖3所示。考慮到臨床醫療發現異常病例的重要性，以臨床醫師、專家、醫衛主管人員為一個交互群體建立一支主鏈，大學、科研單位為科學研究團隊通過跨鏈技術與主鏈交換信息。側鏈的關鍵是雙向錨定機制，在鏈內是由共識機制來達成交易，在鏈之間由智能合約作為對接的要素。本文研究以主鏈展開分析。

圖3 系統拓撲圖Fig.3 System topology

3.1 共識機制選用

從公平和節約能源的考量，共識機制方面選用DPoS.在DPoS共識機制下，為保證運算的效率，并不是每個人都能參與記賬的。PoW和DoS雖然名義上是完全去中心化的，但實際上還是少數的幾個超大型礦池基本包攬了它們大部分的算力。在公眾認可的公鏈中，前21個超級礦池基本包攬了他們各自97%左右的算力。同時，奇數個數的生產者能夠保證最長鏈只有一條，所以DPoS共識機制出于去中心化和性能之間的平衡的考量，通過設置21個超級節點、49個備用節點，從而達到整體系統效率的提升。

3.2 共識算法分析

系統采用委托股權證明(DPoS)機制的石墨烯技術。在目前已知的去中心化共識算法中，只有該算法經證明可以滿足區塊鏈上應用程序的性能要求。該算法可以精確地每0.5 s產生一個區塊，每秒處理交易數(TPS)可達到2 000，并且在任意時間僅有一個生產者獲權生產區塊。如果在預定的時間沒有產生區塊，則跳過該塊。21個區塊生產者(超級節點)，每一輪都有一個特定的生產者負責生產6個區塊，即一輪為63 s，共產生126個區塊。如果一個生產者錯過生產一個區塊，并且在過去24 h均未產生過區塊，則會被從區塊生產者名單中剔除，用這種方式排除不可靠生產者，從而確保網絡的順暢運行。因為生產者生產區塊的方式是合作而非競爭，因此通常不會產生分叉。如果出現分叉，則共識算法的處理方式是自動切換到最長的鏈上。

為了增強系統的可靠性，引入帶有異步拜占庭容錯機制的DoPS共識算法。添加了aBFT-DPoS共識算法，需要所有區塊生產者簽名所有區塊，但禁止同一個區塊生產者簽名兩個時間戳或高度相同的區塊。一旦一個區塊被15個區塊生產者簽名，那么這個區塊就可以被視為不可逆。一旦任何區塊生產者簽名了兩個相同時間戳或相同區塊高度的區塊，這種不誠信行為就會留下密碼學證據。在這一模型下，不可逆的共識將在1 s內達成。

3.3 系統進程關聯分析

參與系統運行的節點由臨床醫師、專家、高級別專家、決策者組成。在不同階段，由具有不同權限的節點達成相應的共識。決策者全程參與，密切關注整個預警過程，對于事情的發生、發展、嚴重性、病毒傳播速度有一個完整的認識，為線下采取的部署方式打下良好基礎。

系統運行可分為相互關聯的7個進程，各個進程由智能合約觸發，智能合約由相應權限節點達成的共識啟動，智能合約驅動下的系統運行機制如圖4所示。

圖4 智能合約驅動下的系統運行機制 Fig.4 System operation mechanism driven by smart contract

第一進程：不明病例上報。

當主鏈上某個臨床醫療機構或臨床醫師發現可疑病例，盡管上報數據不全面、特征不詳盡，但可以以廣播的方式及時在主鏈上發布不明病例。

第二進程：疫情識別。

主鏈上的臨床醫師和專家在確認的區塊上看到疑似病例時，就可以進行分析，用投票的方式發出自己的判斷，隨著同一節點或不同節點相近病例的增加，逐步達成初步共識。設定在線節點具有投票權的臨床醫師或專家有51%以上達成疫情共識，啟動專家組進行疫情確認。這時自動啟動臨床醫師警示，以廣播的方式發出臨床醫療衛生內部線上預警。醫療部門的醫師可以立即加強防護，避免醫護人員的感染。疫情達成共識后，可以根據區塊鏈時間戳及可篡改技術追溯到首個病例及始發地，迅速隔離病患，并追蹤隔離與病患密切接觸的所有人員，盡快從源頭上遏制病毒的傳播。這個過程中，管理部門決策者只是密切關注，并不影響專業人員的判斷過程。

第三進程：疫情再確認。

專家組進行疫情級別判定，設定在線節點具有投票權的專家51%以上達成疫情確認共識，啟動科研側鏈。臨床提取的毒株供專門機構病毒分型、基因測序分析，進行基因比對，以盡快發現病毒中間宿主，找到病毒來源，控制病毒的發散路徑。科學研究組提取毒株、基因測序、病毒分型后，得出嚴重性結論后，通過智能合約反饋到專家級，專家組共識判斷嚴重，區塊鏈自動向所有節點發出一級預警。這一過程中，管理部門決策者繼續關注，線上不輕易發表意見，以免干擾專家組的判斷。

第四進程：警示級別確認。

高級別專家組和管理部門決策者進行疫情警示級別確認，設定在線節點具有投票權的專家和管理者各51%以上，達成疫情級別確認共識，觸發科研側鏈全方位支持主鏈。

第五進程：疫情管控。

高級別專家組和管理部門決策者進行管控投票，設定在線節點具有投票權的專家和管理者各80%以上，則向社會發布，實施相應級別管控。

第六進程：主側鏈互動。

主鏈側鏈在病毒分型和基因測序的過程中不斷互動，形成疫情控制動態共識，同時側鏈進入疫苗研發階段。

第七進程：激勵機制。

在疫情發生或剛剛過去時，人們警覺性和參與防疫的積極性較高，但隨著時間的推移，再加上參與人員新老迭代，對于疫情的警惕性就逐漸降低。這時根據區塊鏈不可更改的有時間序列的記錄，可以自動追溯到“吹哨人”以及所有對疫情控制有功的人，由智能合約能公平、透明、及時地給予線內有功人員晉升和獎勵，保障了系統長期有效運行。

第七進程：“穿透式”監督和決策共識。

系統中的疾控行政管理人員全程參與，從首個異常病例出現到醫師、專家以專業性的共識和預警持續觀察，容易對專業人員預警達成共識，對決策共識過程實現穿透式監督和業務諳熟。

3.4 投票機制操作過程

交易是一組操作的集合，投票也是一種交易。投票通過使用已安裝和解鎖的客戶端來簽署。每個客戶端分配一個賬戶，賬戶擁有Owner權限和Avtive權限，對應的都是一串公鑰，如果此公鑰有對應的私鑰則有對應的操作權限。錢包是保護和利用密鑰的客戶端。投票機制及運行安全通過通證(Token)來維持。通證是一種可流通的加密數字權益證明，其作用是保證了一個區塊鏈項目的安全性，增加作惡成本。在這里利用通證作為激勵手段，獎勵踴躍提供異常病例、投票達成共識以及維持系統運行的節點。賬戶和錢包的關系如圖5所示。

圖5 賬戶與錢包的關系Fig.5 Relationship between account and wallet

在系統運行中，常見的操作是異常病例廣播交易和投票機制。投票發起人可在客戶端發起投票，任何人都可以公開查詢投票的結果。異常病例廣播交易是某節點在發現異常病例時，就信任的主節點發起病例數據交易申請，進行全網廣播，最接近的主節點依次進行交易驗證，達到主節點數15個以上則交易確認，交易成不可逆。這時，每個節點根據形成的區塊都得到了該異常病例的數據。然后據此可以進行投票。投票機制是區塊鏈為每個節點創建一個數字錢包，某個節點就信任的主節點發起投票申請，其他經過授權的用戶如果同意，就用其錢包向該主節點傳送一個Token，區塊鏈記錄并確認這筆交易，該主節點進行投票統計。投票的結果超過51%則觸發智能合約。智能合約實現了一個自動化且透明的投票應用。

3.5 智能合約部署

智能合約是一種計算機協議，旨在以數字方式促進、驗證或執行合同的談判或履行。智能合約允許在沒有第三方的情況下執行可信交易。系統的運行機制中智能合約相當于現實中的法律。智能合約是自動化的程序合同，智能合約包含了有關交易的所有信息，反過來說，交易本身其實就是目前使用最廣的智能合約，符合設置的程序條件后觸發自動執行。

本系統達成共識的主要智能合約(即交易)如下：

合約1：臨床醫師有獨立發表不明病例的權利，信息發布后系統內的所有人均能查看。

合約2：系統內臨床主任醫師及專家以上的人有投票權，如果對于某一類似的異常病例有超過51%的人投票，則形成新疫情共識。

合約3：專家組成員對新疫情進行審核性判定，有超過51%的人投票，則形成內部預警共識，聯動疾控上報系統。

合約4：疾控管理者與高級別專家80%以上達成共識，向主管部門發出預警，觸發科研跨鏈。

合約5：提供異常病例并被確認的臨床醫師可在系統內晉升為具有投票權醫師；參與捕捉異常病例并成功的參與者均可獲得獎勵。

其中，合約1的發布形成了一個交易，被記錄在區塊鏈中。當發布的交易形成突發疫情所具有的特征(包括從數量上和特征一致性上)，專家發起針對具備此特征的交易(疫情)投票，投票節點數超過一半，則形成交易1，同時觸發第二進程，其它進程同理。

為了保證合約1的數據被第二進程合約2使用，引入智能合約數據庫。同樣，在第三進程中也使用智能合約數據庫，以保證前面投票的結果可以為此進程所用，以此類推。智能合約數據庫用于持久化的場景需求。一個操作在執行時會有上下文變量出現，包括事務機制的處理，這些內容會使用鏈上分配的內存資源，而如果沒有持久化技術，當執行超過作用域時，就會丟掉這些上下文數據。在智能合約被執行完畢后所占用的內存會被釋放。程序中所有的變量都會丟失。如果智能合約中要持久地記錄信息，就需要將數據存儲到智能合約數據庫中。

智能合約[8]的使用過程包括：構建、部署、輸入、執行。智能合約的構建包括實現的假設條件、輸入參數、執行邏輯、輸出結果等內容。部署將構建的智能合約代碼部署在分布式共識系統中。輸入作為智能合約代碼執行的基本信息源。根據合約邏輯執行基于輸入的智能合約代碼并反饋正確可信的執行結果。智能合約寫在區塊鏈上的程序中，由超級節點來運行。智能合約還定義了接口以及實現接口的代碼。這些智能合約代碼被編譯成字節碼形式超級節點來執行。區塊鏈保存了所有智能合約的記錄。每一個智能合約必須實現李嘉圖合約，從而綁定法律相關條款。李嘉圖合約指的是人與機器都能讀懂的合同，相當于一份法律文件，規定與智能合約發出的每個操作相關的被法律約束的行為。這樣就構建了一個可讀的文檔，帶有可驗證的數字簽名以及與每條記錄鏈接的不可偽造的標識符，可以保證描述的內容是否確實經過簽約各方的同意，并且是當事人簽署的，這使得每個可能的操作都關聯，增加了共識的可靠性[9]。

智能合約并不強調不可更改性，主要強調的是鏈上的發布和出塊節點執行。對智能合約的更新只需要使用重置合約命令再發布一次即可。區塊鏈上的爭議由核心仲裁法庭機制執行，可以對錯誤或者有問題的賬戶進行凍結[10]。

部署合約時就產生一筆交易。每筆交易都存儲在區塊鏈上。這些交易每個人都可以看到并進行驗證。智能合約會定期逐條遍歷每個合約內包含的狀態機、事務以及觸發條件；滿足的事務被推送到待驗證的隊列中，等待共識[11]。共識時每一個驗證節點首先進行簽名驗證，確保事務的有效性；驗證通過的事務會進入待共識集合，等大多數驗證節點達成共識后，事務會成功執行并通知用戶。事務執行成功后，狀態機會將合約的狀態標記為完成，并從最新的區塊中移除該合約[12]。智能合約是“執行合約條款的計算機交易協議”。區塊鏈上的所有用戶都可以看到基于區塊鏈的智能合約。但是，這會導致包括安全漏洞在內的所有漏洞都可見，并且可能無法迅速修復。運行前的形式化驗證是解決智能合約安全問題的重要手段,形式化驗證是指利用精確的數學手段和強大的分析工具在合約的設計、開發、測試過程中驗證智能合約是否滿足公平性、正確性、可達性、有界性和無二義性等預期的關鍵性質，提高合約的可靠性和執行力，在合約上鏈前進行形式化驗證可避免一些常見的安全漏洞。

4 討論

在共識機制下，區塊鏈技術的安全性、可信性、可回溯性的特點將事件發展的進程實時地展現在相關專業人員面前，使他們能夠積極地密切跟蹤、相互配合、同步跟進，所以極大地縮短了判斷疫情的周期，提高了判斷的精準性，具體表現在：

1) 疫情不明時群策群力的共識；

2) 在毒株獲取、病毒分析溯源時的臨床與科研的線上交互；

3) 在疫情確認后的追蹤溯源。這種新技術比傳統技術系統具有速度更快、準確度更高的優勢。本預警區塊鏈與科學研究區塊鏈可進一步形成跨鏈深入互動，下一步也可與傳統疫情信息系統進行銜接，并與大數據協同，形成疫情防控分布式多維網絡，使得防控決策把控性大大增強，有利于開展針對突發重大疫情的專業化行動，及時保護醫護人員和廣大民眾的生命安全，維護社會穩定。