基于區塊鏈的藥品供應鏈系統的分析與設計

張國榮 周琪云

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注的重點。在傳統供應鏈模式下，供應鏈各主體相對獨立，沒有進行信息交互，數據存儲在中心數據庫中，這導致了藥品數據不透明、中心數據被篡改等問題。文章針對傳統的供應鏈系統存在的問題，提出了基于區塊鏈的藥品供應鏈系統，采用Hyperledger Fabric作為聯盟鏈開發平臺。供應鏈各主體作為聯盟鏈中的節點加入區塊鏈網絡，進行藥品數據的上鏈以及區塊的共識操作；在藥品運輸過程中采用物聯網技術，利用RFID標簽對運輸的數據進行雙重驗證，確保了數據的安全性和真實性；在數據存儲方面，引入IPFS文件系統，將上鏈數據存入IPFS，對返回的哈希值進行上鏈，實現數據的“鏈下存儲，鏈上索引”。

關鍵詞：區塊鏈；聯盟鏈；物聯網；供應鏈；藥品溯源系統

中圖分類號：F274；F49文獻標志碼：ADOI：10.13714/j.cnki.1002-3100.2024.10.027

Abstract： Due to the endless incidents of counterfeit drugs， the safety of drugs has become an important issue of public concern. In the traditional supply chain model， each main body of the supply chain is relatively independent， there is no information interaction， and the data is stored in a central database， which leads to problems such as drug data being opaque and central data being tampered with. In view of the existing problems of the traditional supply chain system， this article proposes a blockchain-based pharmaceutical supply chain system， using Hyperledger Fabric as the alliance chain development platform. Each main body of the supply chain joins the blockchain network as a node in the alliance chain to upload drug data and perform consensus operations on the block; during the drug transportation process， Internet of Things technology is used， and RFID tags are used to double verify the transported data to ensure the security and authenticity of the data; in terms of data storage， the IPFS file system is introduced， the on-chain data is stored in IPFS， and the returned hash value is uploaded to the chain to achieve "off-chain storage and on-chain indexing" of data.

Key words： blockchain；alliance chain；Internet of Thing；supply chain；drug traceability system

0? ? 引? ? 言

隨著人們生活質量不斷提高，人們對健康方面的意識也在不斷提高，因此，與健康息息相關的藥品的市場規模不斷擴大，導致了供應鏈的快速增長，涵蓋藥品的生產、流通、銷售等方面。藥品供應鏈追蹤對保證藥品質量有著至關重要的作用[1]，然而傳統藥品供應鏈模式也暴露了信息流通不暢、缺乏可追溯性以及數據造假等問題，因此，國家和企業也在考慮采用先進的技術來改善藥品供應鏈的管理，以提高藥品的質量和安全性。例如，引入區塊鏈、物聯網以及大數據分析等技術，這些技術經過廣泛的應用，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。

在藥品供應鏈方面，從一般供應鏈到運用物聯網技術再到運用區塊鏈技術，越來越多的學者針對如何加強藥品的安全性以及真實性做了研究，李詩楊等[2]構建了藥品雙渠道供應鏈模型分散式與集中式決策下的理論模型。黃莉娟等[3]將第三方物流服務商引入到藥品供應商鏈系統，并對藥品供應鏈的博弈進行了分析。曹允春等[4]通過區塊鏈技術的特征定性分析藥品逆向供應鏈的可行性，并結合系統動力學方法對藥品逆向供應鏈構建仿真模型。黃哲等[5]針對傳統供應鏈流通環節冗余、供應鏈主體間信息不能共享的問題提出基于SCOR模型的藥品供應鏈評價指標體系，并與區塊鏈結合，解決了信息共享及資金流等問題。Alam等[6]通過區塊鏈技術與二維碼的結合來驗證市場上的缺陷，增強了藥品安全性。Musamih等[7]利用智能合約和去中心化的鏈下存儲消除了對中介結構的需求，提高了產品的可追溯性。

1? ? 相關理論介紹

1.1? ? 區塊鏈概述

區塊鏈是一種去中心化的分布式賬本技術，它將交易記錄以及其他數據以塊的形式鏈接在一起來實現安全、透明和不可篡改的數據存儲。每個數據塊都包含了前一個塊的哈希值，形成了一個鏈式結構。區塊鏈的應用領域非常廣泛，最著名的是加密貨幣（比特幣）的底層技術，但它還可以應用于數字交易、供應鏈管理、身份驗證等領域。由于其具有安全性和透明性，區塊鏈被認為具有革命性的潛力，有助于提高交易效率、降低成本，并促進可信的數據交換，因此受到企業，尤其是金融、供應鏈等機構的追捧[8]。

1.2? ? 相關技術

1.2.1? ? Hyperledger Fabric

Hyperledger是一個開源項目，由Linux基金會于2015年發起，旨在促進區塊鏈技術的進步。它涵蓋了全球各個領域，包括金融、銀行、物聯網、供應鏈、制造等行業，致力于建立一個開放的平臺，以滿足不同行業的需求，并簡化業務流程。本文在藥品供應鏈主體之間利用Hyperledger搭建聯盟鏈，生產廠商、物流商以及銷售商作為聯盟鏈內的一個節點加入區塊鏈網絡。

1.2.2? ? IPFS

IPFS是一種點對點的分布式文件系統，其目標是建立一個全球性的、能夠通過內容哈希地址訪問的文件儲存和傳遞系統。與傳統的基于中心服務器的Web架構不同，IPFS采用分布式網絡協議和技術，將文件分散儲存在網絡的多個節點上，從而提高數據的可靠性和可用性。這意味著無論文件在何處，其內容都是可驗證和可訪問的，而且沒有單一故障點，為用戶提供更加去中心化和彈性的數據存儲和訪問方式。本文在供應鏈各主體數據上鏈時將數據存儲到IPFS中，通過返回的哈希值經過聯盟鏈內節點共識后存儲在區塊鏈網絡中。

1.2.3? ? RFID

RFID是一項自動識別技術，旨在追蹤、識別和有效管理物品、動物或個人。它依賴射頻通信原理，允許數據的傳輸和接收，以實現對物品的獨特標識和跟蹤。這一技術可以幫助實現對物品的智能管理和監控，而無需直接接觸它們，從而提高效率和安全性。本文在藥品出廠時貼上RFID標簽，各供應鏈主體將要上鏈的數據存儲至RFID標簽內，收貨方通過掃描RFID標簽的內容與上鏈數據對比，實現對藥品數據的雙重驗證。

2? ? 供應鏈系統的流程分析

基于區塊鏈的藥品供應鏈管理系統涉及3個關鍵環節：生產廠商（包括加工廠）、物流商以及銷售商（醫院或藥店），覆蓋了整個藥品供應鏈的流程，從藥品的生產包裝到物流運輸再到最后的醫院或藥店，覆蓋了整條供應鏈流程，從而確保了藥品的可追溯性和安全性。在這個系統中，消費者能夠使用藥品編號來溯源他們所購買的藥品。如圖1所示，各個供應鏈主體通過建立區塊鏈形成聯盟鏈，在這個聯盟鏈中，每個主體都被視為聯盟鏈中的一個節點，供應鏈主體可以擁有多個節點，意味著生產廠商、物流商和醫院可以有多家參與者，他們負責將自己的數據通過智能合約上傳到聯盟鏈中，經過各節點共識后形成區塊，最終保存在區塊鏈中。

生產廠商：在藥品生產階段，生產廠商負責生產藥品，然后貼上RFID標簽，將藥品存放在倉庫中等待分發。在RFID標簽上，生產廠商需要把上鏈的數據寫入標簽內，并附帶上自己的簽名，私密數據需要進行加密處理。隨后，生產廠商將同樣的藥品數據通過節點客戶端打包，調用智能合約接口進行藥品數據上鏈操作。

物流商：物流商主要負責的是按照醫院和藥店的訂單需求進行配送，當物流到達指定地點或者中轉站時，對RFID標簽進行讀取，驗證標簽內的數據是否與區塊鏈上的數據一致，能夠保證源頭數據的真實性。同樣需要將物流信息寫入標簽，同時要上鏈的信息通過節點客戶端調用智能合約接口進行藥品數據上鏈操作。

銷售商：銷售商也就是購藥方，包括醫院和藥店，銷售商也是供應鏈環節中的目的地，銷售商在拿到藥品后首先驗證信息是否與鏈上數據一致，然后將藥品進行存儲及出售。當藥品出售后，銷售方需要對銷售信息以及用戶信息進行上鏈操作，涉及到用戶的隱私信息時需要進行加密處理。

消費者：消費者是整個藥品溯源過程中的最終用戶，消費者有權了解所購藥品的基本信息和質量。如果消費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，輸入藥品編號來查詢相關數據；但如果消費者希望對所購買的藥品進行反饋，則需要在用戶注冊后，登錄系統進行藥品反饋操作。

監管部門：監管部門作為系統中擁有最高權限的節點，能夠實時監控藥品的流通情況以及最終藥品的詳細交易信息，如果發現假冒偽劣的藥品或者在藥品流通過程中出現了違規情況，監管部門人員可以及時通知消費者，并收回有問題的藥品以保證消費者的權益。

3? ? 區塊鏈藥品供應鏈系統的設計

3.1? ? 架構設計

總體架構設計是復雜系統開發過程中一個至關重要的環節。它不僅要考慮系統的整體組織和結構，還需要將理論概念轉化為具體的設計方案，以滿足需求分析階段所確定的需求和目標。這一階段的任務是將抽象的概念轉變為實際可行的計劃，確保系統能夠以有效的方式滿足用戶的期望。因此，將系統的總體架構分為用戶層、應用層、合約層、區塊層和數據存儲層五層，系統架構圖如圖2所示。

其中，用戶層主要由生產廠商、物流商、銷售商、監管部門和消費者及系統管理員組成，他們根據各自的需求進行相關的工作。應用層是用戶與區塊鏈系統互動的平臺，在使用系統之前，用戶需要完成注冊并進行身份驗證，管理員對系統中的用戶進行管理及權限操作，供應鏈的各主體可以進行數據上傳和溯源操作。合約層則是客戶端節點與區塊鏈交互的中介，供應鏈各主體可以通過調用合約接口錄入信息，也可以調用查詢接口進行溯源操作。在區塊鏈中選用Hyperledger Fabric聯盟鏈作為底層平臺支撐，每個供應鏈主體都是聯盟鏈網絡內的一個節點，完成數據的上鏈、共識等操作。數據存儲層包含支撐業務流轉的Mysql數據庫、聯盟鏈內狀態數據庫以及存儲上鏈數據的IPFS文件系統。

3.2? ? 系統功能設計

根據對系統需求的分析，將系統的功能設計分為3個模塊，分別是系統管理模塊、信息上鏈模塊和信息查詢模塊，見圖3。

3.2.1? ? 系統管理模塊設計

系統管理模塊包括用戶管理和權限管理，在區塊鏈網絡中，用戶必須經過授權才能加入網絡并執行相關操作。用戶在注冊完成后，系統管理員會進行初步審核，審核通過后調用智能合約，請求聯盟鏈中的成員進行共識驗證。一旦驗證成功，系統會為該用戶分配一個唯一的地址，這個地址將作為該用戶的唯一標識，同時，該用戶也將被添加為新的節點，成為聯盟鏈網絡的一部分。

3.2.2? ? 信息上鏈模塊設計

信息上鏈模塊由藥品生產廠商、物流商以及銷售商根據不同的業務需求在系統內錄入信息；當有信息錄入時，各供應鏈主體首先進行身份認證，登錄藥品系統，然后調用智能合約接口，傳入需要上鏈的數據。生產廠商需要上鏈的信息主要包括藥品編號、藥品詳細信息（如生產日期、批次號、出庫時間、相關質量檢驗報告、負責人信息）以及企業的工商信息等；物流商需要上鏈的信息主要包括藥品編號、物流信息（包括拿到藥的時間、中轉地點、藥品批次號、負責人信息等）和企業工商信息等；銷售商上鏈的數據包括藥品編號、藥品信息（包括藥品批次號、拿到藥的時間、銷售時間、銷售地點、負責人信息、購買人）、銷售商工商信息等。

3.2.3? ? 信息查詢模塊設計

藥品系統中各供應鏈主體將各自的數據上傳后，系統將所有上鏈信息進行整合。由于角色的不同，擁有的溯源權限也不同，監管部門擁有全部的溯源權限，可以查看上傳的隱私信息以及購藥用戶的加密信息，溯源的主體主要為消費者，可以通過唯一的藥品編號查詢藥品的整個流通信息。

3.3? ? 數據存儲設計

藥品供應鏈系統中涉及大量的溯源數據，區塊鏈是一個去中心化的賬本，需要對每個交易和數據塊進行永久存儲。隨著時間的推移，這將導致存儲成本逐漸增加，并給區塊鏈系統帶來巨大的存儲壓力。為了緩解存儲壓力，引入了IPFS文件系統，實現了數據的“鏈下存儲，鏈上索引”。存儲模式如圖4所示。

3.4? ? 智能合約設計

智能合約是一種基于區塊鏈技術的自動化合同，它們是一系列編程代碼的規則和條件，智能合約的代碼在事先定義的條件得到滿足時會自動執行，無需中介或第三方干預，在去中心化應用中扮演重要角色，供應鏈中的節點通過部署智能合約鏈碼與區塊鏈進行交互。在本系統中，鏈碼主要有兩種功能，主要實現藥品數據的上鏈和查詢操作，客戶端節點通過調用已經部署在通道內的鏈碼進行相關的操作，調用的流程圖如圖5所示。

由圖5可知，需要調用發布合約接口的有生產廠商、物流商和銷售商，他們需要將各自的數據通過合約接口上傳至區塊鏈網絡，經過聯盟鏈內的節點共識后形成區塊，永久保存在區塊鏈上。而調用查詢合約接口包含藥品生產信息、物流信息、銷售信息以及查詢全部信息。在供應鏈系統中，供應鏈主體、監管部門以及消費者，他們可以通過唯一的藥品編號對指定的藥品進行溯源查詢。

3.5? ? 聯盟鏈網絡結構設計

根據業務的需求，系統采用Fabric搭建聯盟鏈平臺，環境部署在Docker容器中，采用java語言編寫智能合約鏈碼。首先生成網絡拓撲結構，通過配置模板信息定義組織成員的結構，根據聯盟鏈網絡的設計規則編寫網絡配置文件，用于生成創世區塊和通道。把配置好的節點加入到通道中，節點由order節點和peer節點組成，每個供應鏈主體對應一個組織且一個組織內有一個節點，因此該節點同時充當背書節點、記賬節點和錨節點的角色，不同組織間通過錨節點進行交互。每個供應鏈主體需要根據各自的業務需求在通道內部署智能合約鏈碼，進行藥品數據的上鏈以及查詢操作。在部署智能合約鏈碼時，通道中的成員需要對鏈碼的參數進行投票，決定是否通過鏈碼，當鏈碼安裝完成后，節點客戶端就可以通過java sdk調用鏈碼的功能。聯盟鏈中的節點配置如表1所示。

4? ? 總結與展望

本文先對傳統的供應鏈系統所存在的問題進行了分析，針對存在的不足提出了基于區塊鏈的藥品供應鏈系統，并對此系統進行了分析與設計，在藥品運輸過程中引進物聯網技術，實現藥品供應鏈、區塊鏈和物聯網的結合。其中區塊鏈的去中心化和防篡改的特性為藥品供應鏈系統帶來了高度的透明性，使各方能夠實時查看和驗證藥品的流動和狀態，這有助于防止假藥、偽造和濫用情況的出現，提高了藥品的安全性；通過引入無線射頻技術，在接收方收到貨時通過掃描RFID標簽上的內容與鏈上的數據對比，可以對藥品信息進行雙重驗證，從而實現藥品數據的真實性。在數據存儲方面通過引入IPFS文件系統，對藥品數據進行鏈下分布式存儲，減輕了區塊鏈的存儲壓力。在未來的日子里，筆者將在系統分析與設計的基礎上，進行以下兩部分工作：第一，結合實際需求，完成系統的實現工作；第二，對聯盟鏈內的pbft共識算法進行優化，通過減少節點間的通信量加快上鏈數據的共識速度，提高系統的用戶體驗。

參考文獻：

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