基于区块链技术的区域统一号源池的设计和研究

摘要：为消除集合、共享医院各类号源的技术壁垒和信任疑虑，实现对预约号源和挂号订单进行统一管理，立足区块链的受信任、可追溯、防篡改、可编程等特性，设计基于区块链技术的区域统一号源池（简称“号源链”），研究号源链网络架构、医院节点架构、多维号源链架构、单维子链体系架构；设计基于区块链的共享数据库及智能合约将号源平台与医院业务系统进行共享链接，并利用智能合约将各医院和平台全部号源和订单上链管控，设计以医院为单位的号源链节点分布式架构，保证数据可信、共识存储和可溯源性，达到深圳市预约挂号真正的号源池统一。

关键词：区块链；多维链；单维子链；智能合约；预约挂号；号源池

 

Abstract: In order to eliminate technical barriers and credibility doubts when collecting and sharing all kinds of hospital registration sources, and realize unified management of appointment registration sources and documents, benefiting from the characteristics of blockchain such as credibility, traceability, tamper resistance, and programmability, we design a unified regional registration source pool (registration source chain) based on blockchain, in order to research source chain network, hospital nodes, multi-dimensional registration source chain, and one-dimensional sub-chain system architectures. Database sharing and smart contracts based on blockchain are designed, forming a shared chain between the registration source platform and hospital business system. All registration sources and documents of each hospital and platform are managed and controlled on-chain by smart contracts, and a distributed registration source chain node architecture with hospitals as units is designed to ensure the reliability, consensus storage, and traceability of data, achieving true unification of appointment registration source pools in Shenzhen.

Keywords: Blockchain; Multi-dimensional chain; One-dimensional sub-chain; Smart contract; Appointment registration; Registration source pool

1 研究背景
 

互联网时代的医院信息服务已得到广泛使用，为广大病员提供了预约挂号等高效、便捷的在线医疗服务。但每个医院预约系统拥有各自的登录地址或手机客户端，导致服务入口分散，用户操作极其不便；另一方面，各医院信息部门能力参差不齐，对号源的管理不统一，大多数医院将号源向社会多渠道开放，经常出现同一号源被重复预定的情况，为医患关系的良好发展带来极大障碍。
 

为了改善医疗资源数据割裂的现状，增强对号源的统一管理，提升政府的监管能力，各城市陆续建设全市预约挂号统一号源池平台，通过医院使用平台在线排班、医院推送排班信息，以及医院维护自身号源池并向平台推送号源信息等方式，实现全市号源在平台号源池上的信息共享。基于医院维护自身号源池的情况，医院的号源数据并未真正存放到平台的数据库中，医院上传的仅仅是号源相关的索引信息。当平台号源池接收到各渠道的号源预约请求后，将请求转发给医院，由医院完成预约挂号，此时平台仅仅起到一个号源渠道的作用，未能真正达到数据的汇聚收集和统一管理。
 

区块链技术以其分布式、数据可信、共识存储等特色，能促进深圳市实现预约挂号真正的号源池统一。借助区块链技术，消除了集合、共享医院各种类型号源的技术壁垒和信任疑虑，实现对预约号源和挂号订单进行统一管理，为整个行业信息化、数字化，并进一步智能化创建信任的大数据基础。

 

2  号源链架构

基于区块链技术的区域统一号源池（简称“号源链”）的构建，立足区块链的受信任、可追溯、防篡改、可编程等特性，能保证数据一致性、系统高健壮性，还能达到受监管、更安全、高性能及易定制。

号源链作为提供信任机制的分布式系统，由多个医院对等节点构成。每个节点拥有自己的公、私钥对表示身份，在加入网络之前须向号源链管理方提出申请，经审批后加入网络，参与数据操作的验证及操作结果的共识。号源链平台的网络架构由 1 个中心管理节点和多个医院对等节点构成。

 

相对于庞大的公链网络，号源链的 P2P 网络采用网格（Mesh）结构，即任何两个对等节点间直接互联，可快速传播消息，减少了消息到达不同节点时，因时间差而出现的同步问题和安全风险，也极大提升了消息处理的速度和系统的整体性能。

图 1 的中心管理节点并不参与数据的验证与共识，但作为网络的管理者，增强了整个系统的安全性。这体现在两个方面：一方面，节点身份可控、可信任，即使其产生异常、非法操作也能被跟踪追责；另一方面，通过管理节点部署智能合约，避免了在链上运行具有安全隐患的合约业务。

所以，号源链为中心管理节点配套了管理工具，执行节点入网审核、智能合约部署等管理功能。构建区块链网络时，由管理员审核申请者身份，将节点添加到号源链的网络中。节点被添加到区块链网络中后，管理员可通过管理工具查看节点列表的详细信息，并能为每个节点下载证书。

 

医院节点加入网络后，要执行与其他医院节点通信、启动智能合约验证数据操作的合法性、对操作结果共识存储等工作，图 2 的分层设计图展示了一个节点的体系架构。

 

基础层提供上层所依赖的基础功能，包括分布式 P2P 网络组网及消息传播机制、数据库存储、密码算法等几个方面。

链上数据层包含区块链账本的数据结构，号源链的设计将合约链与数据链分离、链上数据与链下数据分离，链上数据以链式结构存放数据 Hash 值，作为一个公证记录，由多节点共同维护，确保数据不被篡改。该 Hash 值对应的数据明文，在链下数据库中存放。

核心层实现节点重要功能：共识和虚拟机（VM）支持。从区块链上启动智能合约运行，满足合约与号源链、业务系统的交互需求；此外，合约运行的操作结果 Hash 值通过共识模块在多节点间达成一致。连接外部系统的应用层提供号源链的对外接口，包括合约部署、调用，数据上链、查询的接口 API 等。

传统的区块链 P2P 网络，网络规模没有限制，例如比特币公链的网络规模至今已多达 7000 多个节点，联盟链和私链的网络规模较小，但也能达到数十个或上百个节点。这样大的网络规模，在对性能要求高的应用场景中并不适用，特别是针对政府或医疗等部门的数据交换中心，数据仅要求在上、下级单位之间共享，因此只需构造两者之间的小规模区块链网络即可。基于号源链打造多维链模式，单维子链的架构可支持最小三节点规模的网络，网络规模小，消息传播速度快，既能满足系统高性能的需求，又能符合区块链的基本特色。

 

3 号源链设计和实现
 

基于区块链技术，可有效地满足深圳市号源统一管理、应用和监督需求。通过号源链定义并实现与医院的各类接口规范，构造底层的区块链基础平台存放共享数据，可实现号源链拥有完整的号源数据、订单数据。其次，区块链自身的共识特性和智能合约，本质上保证了数据的一致性，简化了与医院的对接复杂度，使医院在数据共享的过程中，原有系统无须经过大的改造，减轻了对接的负担和屏障。

构建统一号源池的底层区块链平台，号源平台要与各个医院相联，直观方案是每个医院提供一个节点构成单一的区块链网络。但此方案网络节点数多、网络规模较大，势必影响系统性能，并且由于号源数据并不需要在各个医院间共享，只需在号源平台与医院之间共享，所以我们的设计采用了多维号源链的小规模多维链架构。

统一号源池业务系统及各医院信息系统接收来自多渠道的号源发布、预约等请求，这些请求通过向关联的区块链节点发送调用智能合约的命令，进行号源及订单的上链操作，达到数据的一致性共享。进一步设计的单维子链体系架构，区块链作为底层基础设施，通过区块链的共享数据库及智能合约将号源平台与医院业务系统进行共享链接。用户通过号源平台业务系统或者医院业务系统的多渠道均可进行预约挂号等相关业务操作。

 

▲图 4 单维子链体系架构
 

上图架构分为三层：

1. 统一号源池业务系统、医院业务系统

实现各自的用户界面及特定的业务功能，在需要数据上传时，触发智能合约调用，与区块链基础平台交互。

2. 共享数据库和智能合约

响应合约调用命令，执行与号源相关的业务逻辑验证，存放共享的号源数据和预约订单数据。

3. 号源链基础平台

启动、运行智能合约，对号源操作结果 Hash 值共识存储。

 

号源数据及订单数据在底层区块链基础平台的各个节点上都拥有一个数据备份，并达成了共识存储，实现了统一号源池数据共享及一致性的目标。因此，医院业务系统和统一号源池业务系统需要将号源及订单数据上链，上述过程可简单地通过调用区块链基础平台上相应的智能合约完成。
 

号源链基础平台的智能合约由 Go 语言编写，事先部署到区块链上，返回平台认定的 ID，提供给业务系统的接口包含如下四个参数：
Chaincode ID：向号源链基础平台指示待启动运行的智能合约 ID；

Business ID：向号源链基础平台指示智能合约中上链数据所属的业务 ID；

命令：向待启动运行的智能合约指示将要执行的操作。

命令参数：为智能合约操作命令提供执行时所需的输入参数。

号源链设计三个关键智能合约包括号源发布、医院侧号源预约、平台侧号源预约，各自的时序流程如下图所示。

 

 

4 总结
 

综上所述，在推进深圳市所有医院全部号源统一管理过程中，面临“机构多、系统多、号源和订单分散、业务过程复杂”等问题，通过引入区块链技术建立多维模式号源链，利用智能合约将各医院和平台全部号源和订单在业务过程中上链管控，实现以医院为单位的号源链节点分布式架构，保证数据可信、共识存储和可溯源性，达到深圳市预约挂号真正的号源池统一。目前基于区块链技术的深圳市统一号源池已经试运行 10 个月，累计为全市居民提供 223337 人次预约挂号服务。

[1] 沈鑫，裴庆祺，刘雪峰 . 区块链技术综述 [J]. 网络与信息安全学报，2096-109x.2016.00107.

[2] 薛腾飞，傅群超，王枞，等 . 基于区块链的医疗数据共享模型研究 [J]. 自动化学报，2017，43(9): 1555-1562.

[3] 马琳，褚德龙 . 区块链在医疗领域应用技术研究 [J]. 智能计算机与应用，2019，9(4): 286-287.

[4] 刘青 . 医院门诊预约挂号平台的构建与实施 [J]. 中国数字医学，2016，11(7): 97-99.

[5] 仲晓伟，盛志华 . 基于区域卫生信息平台的医院实时预约挂号系统的设计与实现 [J]. 中国医疗设备，2016，(1): 99-101.

[6] 熊熊，张瑾怡 . 区块链技术在多领域中的应用研究综述 [J]. 天津大学学报（社会科学版），2018，20(3): 193-201.

[7] 丁腊春，王译 . 基于区块链技术的健康管理探讨 [J]. 医学信息学杂志，2018，39(9): 12-15.

[8] 赵杰，马嘉潜 . 区块链技术在居民电子健康档案中的应用 [J]. 现代医院，2019，19(2): 227-229.

[9] 袁玉堂，李晓森，刘智勇 . 基于区块链技术电子健康档案信息系统设计的探讨 [J]. 中国卫生信息管理杂志，2018，15(2): 161-165.

[10] 李秋月 . 基于区块链技术对医疗领域信用体系建设的研究 [D/OL]. 苏州 ：苏州大学，CNKI:CDMD:2.1018.231585.

[11] 雷叔格，雷志斌，袁克虹 . 院外医疗服务中的区块链技术应用场景 [J]. 中国医院院长，2018，(10): 76-77.

[12] 戴菲 . 基于区块链的电子处方签名的思考 [J]. 电脑知识与技术，2018，14(08): 25-26.

[13] YAORONG GE, DAVID K AHN, BHAGYASHREE UNDE, et al. Patient-controlledsharing of medical imaging data across unaffiliated healthcare organizations[J]. Journal of the American Medical Informatics Association, 20(1):157-163, 2013.

[14]AMIT P SHETH. Changing focus on interoperability in information systems: From system,syntax, structure to semantics[c]. In Interoperating Geographic Information Systems, pages5-29. Springer, 1999.

[15]A BEGOYAN. An overview of interoperability standards for electronic health records[c].USA: Society for Design and Process Science, 2007.15.

[16]M CROSBY, V KALYANARAMAN. Blockchain Technology: Beyond Bitcoin[J]. AppliedInnovation Review, 2016, 7(2): 6-19.

[17] 康宁 . 基于区块链的医疗数据共享模型设计 [J]. 电脑知识与技术，2021，17(7): 30-33.

[18] 李岳海，薛福旗，董世新 . 基于区块链应用的电子健康卡系统 [J]. 信息技术与信息化，2021，(6): 150-153.

[19] 孙国福 . 基于区块链技术的智慧病历服务系统 [J]. 电子技术，2020，49(9): 134-135.

[20] 马国炬，余张杰，李云霄，等 . 应用区块链技术构建全民健康信息平台研究 [J]. 中国卫生信息管理杂志，2021，18(4): 460-464.

本文作者：郑静 ，王爽 ，靳淑雁 ，姚克勤