鄭忠斌 劉皓若 王霞

摘 要：針對工業(yè)塑料制品信息追溯問題，提出一種基于區(qū)塊鏈的追溯系統(tǒng)。首先引入可拓學原理中的轉(zhuǎn)換橋方法解決低層區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)采集的表示異構(gòu)問題;其次采用改進的拜占庭算法建立共識，以此保證區(qū)塊鏈節(jié)點的一致性;最后以C語言和以太坊geth區(qū)塊鏈作為基礎(chǔ)，對該區(qū)塊鏈追溯系統(tǒng)進行開發(fā)，并給出部分信息追溯展示和區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)防偽驗證界面。本研究的創(chuàng)新在于從宏觀角度實現(xiàn)了工業(yè)塑料制品信息追溯，并引入防篡改的區(qū)塊鏈技術(shù)，從而為工業(yè)塑料制品質(zhì)量安全提供了新的借鑒途徑和方式。

關(guān)鍵詞：可拓轉(zhuǎn)換;產(chǎn)品追溯;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);標識異構(gòu);區(qū)塊鏈

中圖分類號：TQ067?????? 文獻標識碼：A文章編號：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

隨著工業(yè)塑料制品的增多，如何加強對這些有機塑料產(chǎn)品的追溯，減少工業(yè)塑料產(chǎn)品的污染，是當前制造產(chǎn)商思考的重點。但目前在工業(yè)塑料制品方面，產(chǎn)品可追溯主要存在以下幾個問題：一是傳統(tǒng)的工業(yè)塑料制品追溯依賴于權(quán)威機構(gòu)對數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一管理，且不同供應(yīng)節(jié)點上的追溯數(shù)據(jù)由企業(yè)自行管理。這種局面就造成兩個問題：首先企業(yè)可以自行篡改追溯數(shù)據(jù)，其次是不同工業(yè)塑料制品節(jié)點上的企業(yè)在追溯數(shù)據(jù)共享方面存在很大制約;二是工業(yè)塑料制品的標識體系種類繁多，“一物多標識”或“一標識多物”的現(xiàn)象頻發(fā)，而識別方式往往比較單一，這就造成不同標識之間存在異構(gòu)的問題。為解決以上問題，有學者提出借助區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式、去中心化、不可篡改和可追溯的特點，提出基于區(qū)塊鏈的信息追溯系統(tǒng)，并將該系統(tǒng)應(yīng)用到農(nóng)產(chǎn)品追溯中[1];針對提出區(qū)塊鏈的管理策略[2];對產(chǎn)品標識異構(gòu)問題，提出可拓學的轉(zhuǎn)換思路[3]。本研究則提出一種基于區(qū)塊鏈的工業(yè)塑料制品全生命周期信息追溯系統(tǒng)，并重點解決區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用和標識異構(gòu)問題。

1 基于區(qū)塊鏈的信息追溯整體設(shè)計

本研究提出的工業(yè)塑料制品信息追溯系統(tǒng)是以傳統(tǒng)的鏈式追溯方式為主，并結(jié)合分布式處理技術(shù)、區(qū)塊鏈技術(shù)進行全生命周期的信息追溯，整體方案如圖1所示。

具體是將工業(yè)塑料制品制造、銷售、物流、售后和回收等環(huán)節(jié)信息全部錄入到數(shù)據(jù)庫當中，然后通過將采集溯源信息的哈希值分布式存儲在區(qū)塊鏈中;這些信息在存儲后，會形成一個時間戳，使得工業(yè)塑料制品在都有一個時間標記，且不可篡改。各環(huán)節(jié)參與者都有對應(yīng)的區(qū)塊鏈節(jié)點，如想查詢某工業(yè)塑料制品的信息，則可以通過持有的私鑰進行查詢和產(chǎn)品的真實性驗證。

作業(yè)層主要負責通過標簽完成基礎(chǔ)產(chǎn)品信息采集，并解決標識異構(gòu)問題;數(shù)據(jù)層采用分布式存儲方式，將工業(yè)塑料制品的相關(guān)信息存儲在Merkle樹中，并通過加密算法計算哈希值寫入?yún)^(qū)塊鏈中，以此形成時間戳;網(wǎng)絡(luò)層主要實現(xiàn)通信，共識層主要是通過共識機制讓整個工業(yè)塑料制品制造、使用等環(huán)節(jié)的成員作為節(jié)點加入?yún)^(qū)塊鏈。

2 標識異構(gòu)轉(zhuǎn)換與物聯(lián)碼生成

2.1 基于可拓元的標識異構(gòu)轉(zhuǎn)換

2.1.1 可拓元轉(zhuǎn)換原理

在實際應(yīng)用場景中，異構(gòu)問題隨處可見，如塑料零部件制品通常則包含國家物聯(lián)網(wǎng)標識體系（Ecode）

和Handle 標識體系。在這兩種標識體系下，就形成了異構(gòu)標識體系。同時識別系統(tǒng)則采用的是EPC二維碼識別管理，這種識別系統(tǒng)無法對上述兩種標識體系進行識別。因此，就需要對這兩種標識體系進行可拓轉(zhuǎn)換。

定義 1：假設(shè)P表示因為多種表示體系共存所產(chǎn)生的異構(gòu)識別問題，n維基元G1、G2表示在Ecode 標識體系、Handle 標識體系下產(chǎn)品標識的目標物元，L則為在特定情況下的識別解析機制條件。在上述的塑料零部件制品標識體系中，用c11、c21來表示標簽的表現(xiàn)形式;用c12、c22來表示Ecode 標識體系和Handle 標識體系兩種標識體系;用c13、c23表示標識;用c14、c24表示工業(yè)塑料產(chǎn)品。用上述的基元作為屬性參數(shù)，結(jié)合可拓學的原理，可以得到：

G1=標簽，表現(xiàn)形式v11標識體系v12標識v13工業(yè)產(chǎn)品v14（1）

G2=標簽，表現(xiàn)形式v21標識體系v22標識v23工業(yè)產(chǎn)品v24（2）

式（1）和式（2）中，v11、v21表示為二維碼;v12、v13表示Ecode 標識體系與代碼;v22、v23表示Handle 標識體系與代碼;v14、v24表示工業(yè)塑料產(chǎn)品名稱。

由于L表示單一識別機制，則有：

L=識別，解析方式vL1對象vL2工具vLn〗

（3）

式（3）中，vL1、vL2、vL3分別表示Ecode 解析方式、物聯(lián)碼、物聯(lián)碼識讀器。

假設(shè)在特定的L識別條件下，G1、G2如不能同時實現(xiàn)，那么則認為：

P=（G1∧G2）↑L（4）

式（4）表示異構(gòu)的基元形式化模型，其中符號“↑”表示對立關(guān)系;符號“↓”表示共存關(guān)系;∧表示可拓與運算。

2.1.2 轉(zhuǎn)換橋求解對立問題

定義 2：對P=（G1∧G2）↑L，如存在變換T=（TG1，TG2，TL）使得（TG1G1^TG2G2）↓TLL，那么T表示為P的解變換，從而使得G1、G2能夠共存。變化的對象稱作為轉(zhuǎn)換橋，用

B（G1，G2）=Z×J（5）

式（5）中，Z表示轉(zhuǎn)折部;J表示轉(zhuǎn)換通道。

根據(jù)上述的可拓轉(zhuǎn)換，則有

TG1=G′1=標簽，表現(xiàn)形式v11標識體系v′12標識v′13工業(yè)產(chǎn)品v14〗（6）

TG2=G′2=標簽，表現(xiàn)形式v21標識體系v′22標識v′23工業(yè)產(chǎn)品v24〗（7）

若變換后滿足P=（G1∧G′2）↓L，那么說明轉(zhuǎn)換后其表示體系滿足共存。

2.2 基于 QR Code 物聯(lián)碼標簽設(shè)計

2.2.1 物聯(lián)碼結(jié)構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)碼標簽構(gòu)建的好壞，直接關(guān)系到能夠被識別系統(tǒng)識別和實時獲取。本文結(jié)合Denso 公司提出的 QR Code快速響應(yīng)碼作為識別物聯(lián)碼結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，該響應(yīng)碼具有信息存儲量大、糾錯和容錯能力強、成本低、防偽功能強等特點;其具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2.2 物聯(lián)碼編譯設(shè)計

在完成物聯(lián)碼的設(shè)計后，需要按照一定的規(guī)則和標準對標識代碼進行處理，從而生成物聯(lián)碼標簽，此過程就為物聯(lián)碼的編譯過程。在本研究中，首先確定標識字符的數(shù)據(jù)類型，然后對數(shù)據(jù)流進行分析，并選擇糾錯的等級、版本信息;最后通過編碼生成物聯(lián)網(wǎng)圖案。

3 共識算法設(shè)計

要實現(xiàn)圖1共識層需構(gòu)建共識算法，以保證節(jié)點一致性。對分布式節(jié)點的一致性問題，人們提出拜占庭算法對區(qū)塊鏈管理進行優(yōu)化;但拜占庭算法忽視一個問題，那就是在區(qū)塊鏈中節(jié)點是動態(tài)變化的。為解決該問題，提出兩點策略：一是考慮到共識節(jié)點是誠實的，因此不需要采用傳統(tǒng)拜占庭算法的三階段廣播來達成節(jié)點共識，而只需要采用二階段廣播的方式。這樣的目的是減少傳統(tǒng)的通信開銷;二是當有新的節(jié)點加入/退出的時候，通過投票確定主節(jié)點，從而降低視圖切換所觸發(fā)的頻率。然后打包其他的交易記錄，并向其他節(jié)點廣播。其具體流程如圖3所示。

另外，在分布式節(jié)點中需要每個節(jié)點都達成一致，那么每個節(jié)點的狀態(tài)需保持一致，同時原始區(qū)也需要保持一致。假設(shè)在信息追溯區(qū)塊鏈中，區(qū)塊鏈高度用H表示，區(qū)塊的Merkle樹和上個區(qū)塊的Hash值。因此，基于以上的分析，結(jié)合經(jīng)典的拜占庭算法步驟，將改進共識算法的步驟設(shè)計為：

（1）客戶端發(fā)起交易請求，請求為M;

（2）推舉主節(jié)點和對應(yīng)視圖，如有新節(jié)點加入，則對P、V重新編號;但不立即視圖切換，直到主節(jié)點出錯;

（3）主節(jié)點進行打包交易，并向備份節(jié)點廣播<Prepare，P，V，d>;

（4）備份節(jié)點驗證收到的廣播消息，并阿星主節(jié)點發(fā)送確認信息;

（5）主節(jié)點將交易打包成區(qū)塊，并將該打包的區(qū)塊全部轉(zhuǎn)發(fā)給所有的網(wǎng)絡(luò)備份節(jié)點，轉(zhuǎn)發(fā)格式為<Block，M，V，P>，如收到兩個以上的沖突相應(yīng)，或者沒有收到，則轉(zhuǎn)到步驟（7）;

（6）備份節(jié)點驗證區(qū)塊，如驗證沒通過，則跳轉(zhuǎn)步驟（8）;

（7）通過改進拜占庭算法進行共識操作;

（8）主節(jié)點若故障，則觸發(fā)視圖變更協(xié)議，并跳轉(zhuǎn)到步驟（2）;

（9）節(jié)點發(fā)送反饋，此輪共識結(jié)束。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)與測試

4.1 開發(fā)環(huán)境搭建

該系統(tǒng)開發(fā)主要涉及兩方面：頁面展示系統(tǒng)的開發(fā)。本文結(jié)合當前的開發(fā)語言，采用Java語言對系統(tǒng)頁面進行開發(fā)。而在開發(fā)中，包含PC端和Android界面開發(fā);在區(qū)塊鏈部分，采用以太坊作為區(qū)塊鏈的底層開發(fā)技術(shù)。首先下載以太坊 geth安裝程序，設(shè)置環(huán)境參數(shù)，創(chuàng)建genesis.json 文件，然后在初始化后進入控制臺實現(xiàn)節(jié)點的添加。

硬件方面采用Intel（R）Core（TM）i5-7200u cpu，64位Linux操作系統(tǒng)，16 GBweb服務(wù)器，同時使用6臺虛擬作為后臺運行區(qū)塊鏈。

4.2 部分功能展示

物聯(lián)碼生成、識別與信息展示如圖7所示。

通過圖7的結(jié)果看出，再輸入工業(yè)塑料制品基本信息后，生成統(tǒng)一的標識，并通過轉(zhuǎn)換橋轉(zhuǎn)換為物聯(lián)碼標簽給客戶?？蛻糁苯油ㄟ^掃描對標識進行識別，并查詢相關(guān)信息。

4.3 數(shù)據(jù)真實性驗證

為驗證區(qū)塊鏈在防偽方面的效果，點擊生成指紋數(shù)據(jù)，進而區(qū)塊鏈對工業(yè)塑料制品信息進行哈希計算，得到新的數(shù)據(jù)指紋。將該數(shù)據(jù)指紋地址輸入到查詢框，可得到工業(yè)產(chǎn)品信息的原始數(shù)據(jù)指紋;最后將兩個指紋數(shù)據(jù)進行比對，就可以辨別真?zhèn)巍?/p>

5 結(jié)語

研究看出，要實現(xiàn)統(tǒng)一的工業(yè)產(chǎn)品信息追溯，需要從以下幾個方面入手：第一是結(jié)合海量數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)搭建;第二是解決標識異構(gòu)問題;第三是解決區(qū)塊鏈共識問題;第四是需要解決頁面開發(fā)問題。上述4個步驟都是實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)品全生命周期信息追溯的關(guān)鍵;但以上研究只是從宏觀監(jiān)管的角度進行初步設(shè)計，在許多細節(jié)處理方面，還有待進一步深挖。

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