基于区块链的应急医学救援信息共享系统设计与实现

作     者：付珩 

作者单位：北京邮电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：高志鹏

授予年度：2022年

学科分类：12[管理学] 1201[管理学-管理科学与工程(可授管理学、工学学位)] 1001[医学-基础医学(可授医学、理学学位)] 10[医学] 

主      题：区块链 共识算法 应急救援 分布式存储 访问控制 

摘      要：应急救援是自然灾害等大型突发事件发生后,多个部门联合采取的针对民众生命和财产安全的保护措施。建立完善、高效的应急救援系统架构,可以减少人员伤亡、减轻财产损失。现阶段,应急救援流程中存在前方事故现场与后方医院等部门的信息隔离问题,各部门间缺少直接信息交互的透明通道和途径,无法及时进行伤者信息共享和医疗资源借调,影响救援效率。区块链技术具备去中心化、可溯源的特点,它颠覆了传统的中心化存储模式,为应急救援场景下前后方数据共享提供了新的可能性。本研究将区块链技术应用于应急救援信息共享架构,以解决救援全流程中各部门间信息隔离的问题。本文的主要工作和创新之处有:第一,为解决应急救援流程中存在的信息隔离、中心化依赖、低效率和医疗责任无法溯源等问题,建立了以区块链为基础的应急救援信息共享模型。该模型通过对资源信息和伤者信息的上链,为前后方、各部门间的资源和人员借调提供信息化支撑,为伤者的转移和治疗提供重要参考。为提升应急救援整体效率,在以上提出的模型的共识层,针对共识算法在算力浪费、单点依赖、吞吐量低等性能方面的瓶颈问题,提出了一种面向应急救援的拜占庭容错共识算法ERBFT。该算法结合了信誉模型、多签算法和可验证随机函数等技术设计实现。通过实验与PBFT算法进行对比,证实了本研究提出的算法在吞吐量和通信开销等方面表现更优,可有效提升应急救援信息共享系统的运行效率。为保证各医院分布式存储的医疗数据访问安全性,在以上提出的模型的合约层,引入了已有的基于智能合约-挑战应答的访问控制机制。该机制以角色认证和区块链为基础,能够实现跨组织跨部门的自动化访问控制,提升系统认证效率,保护个人数据隐私,保障伤者数据访问记录可被追溯。第二,基于以上提出的模型,本文设计并实现了基于区块链和分布式存储的应急救援信息共享原型系统。从对系统的需求分析入手,确定了业务流程和总体功能。然后完成了架构、功能模块、角色主体等系统总体详细设计,为应急救援提供了注册/登录、身份认证/权限管理、资源/人员借调、伤者信息共享、和开具凭证等功能,并且通过对系统页面的展示,对效果进行了简要介绍。综上所述,本文提出了一种为应急救援提供全链条信息化支撑的架构。提出了一种基于实用拜占庭容错算法的全新共识算法,并应用于架构共识层。在架构合约层引入了一种基于智能合约-挑战应答的数据访问控制机制。最后设计并实现了一个基于区块链的应急救援信息共享原型系统。