钢材区块链质保书研发及供应链应用

杨英杰 ,秦 钢 ,陈淑刚 ,尹芙蓉 ,张 召 ,金澈清

（1.欧冶云商股份有限公司 数智供应链研发中心,上海 201999;2.华东师范大学 数据科学与工程学院,上海 200062）

0 引 言

产业互联网逐步渗透到各行各业,在不同领域出现了领先的产业互联网平台.钢铁行业规模大,下游分散,信息化基础相对较好.钢铁产业互联网头部效应显著,形成了少数综合平台和部分垂直平台共存的市场格局,在平台上实现了信息流、商流、物流、资金流的“四流合一”,为产业链和供应链参与者提供资讯、供需匹配以及从交易到交付全流程的生态服务.

区块链是核心技术自主创新的重要突破口,在新的技术革新和产业变革中起着重要作用[1-4].为解决钢铁生态圈多方协作效率低、信用体系不健全等问题,可以利用区块链技术驱动生产、交易、仓储、运输等环节关键业务数据上链,建设可信交易和物流服务体系,联合钢厂在钢铁流通领域探索和落地钢材区块链质保书[5-6],提供安全可靠、防篡改、易于获取、可查验真伪的电子化质保书,显著降低各方的质保书打印、寄送、保存、查验成本.

1 业务分析

1.1 问题分析

钢材质保书是钢厂对每批交货产品检验合格所附的证明材料,包括产地、订货单位、收货单位、客户订单号、合同号、品种、标准、牌号、规格、捆包号、数量、重量、炉号、化学成分、力学性能、检验批号等内容.钢材质保书是供方对产品检验结果的确认和保证,也是需方进行复验和使用的依据,是购销活动中重要的技术文件,不仅产品出厂时应提供质量证明书,在经销商销售或发出钢材时也需要随料发出质保书.

传统纸质钢材质保书存在的问题: ①钢厂仅向一级经销商出具质保书,不能为后续钢材分销的下游经销商和最终用户出具质保书;② 钢材流通环节中大量使用质保书复印件,存在篡改和伪造问题;③纸质的质保书文件需要专门保存,管理工作量大、成本高.

1.2 解决思路

利用区块链、互联网等新一代信息技术,将传统纸质的钢材质保书转化为电子化质保书,把原有的质保书数据转化为用户的“数据资产”,通过产业互联网平台提供在线质保书服务,为平台用户提供快速高效服务的同时,借助区块链技术保证质保书的真实可信与可追溯,满足钢材多级经销流转的实际情况.创新产品和服务理念,重构钢铁行业质保书服务体系,有效提升平台为交易客户提供服务的能力,对于不在平台交易的客户也提供钢厂授权范围内的质保书相关服务,为平台精准引流,提升平台在钢铁行业内的公信力.

目前,钢厂是在发货时为直接订货客户提供纸质盖章的钢材质保书,同时很多钢厂也通过自有质保书系统为直接订货客户提供电子质保书文件下载服务,但都不为分销过程的用户提供质保书打印和文件下载服务,流通环节大量使用纸质复印件,不能体现交易流转后的真实收货用户.区块链质保书基于钢厂一手质保书数据,结合平台交易订单,为分销过程的经销商和终端用户提供之前无法获取的钢材质保书,并保障质保书真实性和可追溯.与带有光栅防伪、激光防伪等物理防伪技术的纸质钢材质保书相比,区块链质保书不需要专用的打印设备和查验设备,也更易于分发和存档保管.与钢厂质保书系统的电子质保书文件相比,区块链质保书支持经销商和终端用户在多级分销过程中按需分拆、转让和生成质保书,并保障钢材质量数据真实不被篡改,能够可信地追溯到原厂数据和原厂质保书.

2 钢材区块链质保书设计和实现

2.1 系统设计

联合钢厂建立区块链联盟,钢厂使用自己的区块链数字身份向质保书中心提供第一手权威、不可篡改的质保书源数据,支持经销商和终端用户为已购钢材在线生成和下载质保书,也可由经销商用户指定收货单位后由收货单位在线生成和下载质保书.经销商将钢材分拆销售后,可撤销原有区块链质保书,然后为客户分拆生成新的区块链质保书.用户可以扫码查验区块链质保书真伪,全面推广钢材产成品质保书电子化.图1 给出了钢材区块链质保书的总体功能流程.

图1 钢材区块链质保书的总体功能流程Fig.1 Main function flow of blockchain-based steel inspection certificates

钢材区块链质保书的总体功能流程如下.

(1) 钢厂提供质保书源数据: 钢厂申请区块链数字身份,使用自己的数字身份将质保书源数据上链,确保质保书源数据不可否认、不可篡改.钢厂质保书源数据在区块链上加密存储,可防止数据泄露给业务无关方.

(2) 用户在线自助生成质保书: 用户可通过质保书中心为自己名下已购钢材在线生成区块链质保书.用户也可以根据实际交易行为指定质保书的新收货单位,将相应质保书的在线生成权限转让给新收货单位.

(3) 用户在线撤销和分拆质保书: 用户具备将自己名下的质保书撤销的权限,撤销后的质保书数据可以根据实际交易行为拆分生成多张质保书,且每张质保书上显示的都是实际交易行为中的真实收货用户.

(4) 用户扫码查验: 如图2 所示,用户可扫码查验区块链质保书真伪,以及在保护数据隐私的前提下查看脱敏的质保书生成和流转履历.

图2 钢材区块链质保书扫码查验Fig.2 Scanning to verify blockchain-based steel inspection certificates

2.2 平台架构

规划建设了区块链服务平台,对区块链技术和应用进行整合,更好地支撑钢铁生态圈的业务需求和服务创新.图3 给出了区块链服务平台的系统架构.

图3 区块链服务平台的系统架构Fig.3 System architecture of blockchain service platform

区块链服务平台包括3 个层次: 区块链底层平台、区块链中台和区块链应用.

(1) 区块链底层平台: 提供云资源和运维服务,快速高效地部署和运营区块链底层平台.

(2) 区块链中台: 基于钢铁产业链核心场景与服务,提炼共性因素和核心模型,形成共享服务能力,支撑区块链应用的快速构建.区块链中台的基础服务提供智能合约管理、数字身份管理、区块链事件管理、图片/文件对象的链外存储、安全管理、区块链数据管理等功能.区块链中台的业务服务提供存证中心、业务中心、资产中心、监管中心等功能.

(3) 区块链应用: 基于区块链中台的共享服务,为钢铁行业提供全方位多场景业务创新应用,吸引钢厂、用钢企业、经销商、仓储、运输、加工、监管等合作伙伴加入钢铁生态圈进行高效协作和价值交换.

2.3 关键问题和关键技术

钢材区块链质保书面临下列关键问题和挑战.

(1) 钢厂质保书数据隐私保护

钢厂要求保护自己的质保书,只有买家购买后才能获取质保书,其他钢厂、经销商和用户不能随意获取质保书.如图4 所示,通过区块链实现钢厂的原厂数据真实和不可篡改,链上数据通过加密形式保存,未经钢厂授权不得使用.钢厂质保书文件在分布式文件存储中加密保存,在区块链中只保存文件哈希值,通过质保书文件与区块链上文件哈希值锚定,解决质保书文件的大数据量存储和防篡改问题,控制区块链上交易记录的数据量和保障区块链的交易性能.

图4 钢厂质保书隐私保护流程Fig.4 Flow chart of steel quality data security guarding

(2) 质保书权限控制

钢厂要求一件产品只能有一份有效的质保书,不允许有多份有效的质保书,防止产品造假和质保书造假.如图5 所示,在区块链平台完整记录钢材产品从钢厂出厂开始的交易流转履历,每件产品的当前持有者才能生成下载该产品的质保书,也可在产品销售后将质保书权限转让给下游买家用户.当一件产品发生质保书权限转让后,其所在质保书的状态会变为转让后失效.通过控制一件产品在每个时刻只能有一个持有人,保证一件产品只能属于一份当前有效的区块链质保书.对于螺纹钢、盘螺、圆钢以及线材等按重量而不是数量来计量销售的钢材品种,支持按重量将一张质保书分拆为多张质保书,满足钢材分销业务的需求.

图5 钢材区块链质保书权限控制流程Fig.5 Flow chart of permission control in blockchain-based steel inspection certificates

(3) 质保书电子签章

很多用户和业务要求电子质保书能与纸质盖章件拥有相同法律效力.如图6 所示,基于区块链技术,提供实名认证、数字证书、在线签署、全程存证、签署证明出具等全流程电子签章平台化服务,形成完整证据链条,可满足《中华人民共和国电子签名法》《中华人民共和国民法典》等法律规定,确保电子签章安全、合法、合规.钢厂对电子质保书进行电子签章,可赋予电子质保书与纸质盖章件相同法律效力,满足质保书相关业务管理和合规需求.

图6 钢材区块链质保书电子签章流程Fig.6 Flow chart of electronic stamping for blockchain-based steel inspection certificates

(4) 区块链数据管理组件

区块链是新兴技术,技术难度大,对开发人员要求高.区块链数据管理组件对区块链底层内核的交易数据和状态数据的操作进行封装,为区块数据添加关系语义[7-9],支持通过SQL 语句操作区块链数据,并对区块数据进行关系化缓存,支持复杂灵活的业务查询,有效降低了钢材区块链质保书应用开发的技术难度,减少了工作量.

区块链数据管理组件功能包括: 数据上链与同步、链上数据可配置同步、链上数据加密与分享、群组协作与密钥管理、数据上链规则与校验、状态数据管理.组件提供异步可靠上链机制,在组件本地持久化记录业务系统的交易数据上链请求,当出现组件、网络等问题导致数据上链失败时,组件采取重试补偿措施确保上链请求数据可最终上链成功,并在上链完成后回调通知业务系统.

2.4 详细功能流程设计

钢材区块链质保书的目标是提供安全可靠防篡改、便于客户获取、便于查验真伪的质保书服务,推动质保书电子化,推进质保书分拆流转,有效节省质保书打印、寄送、保存、查验的成本.图7 给出了钢材区块链质保书的详细功能流程.

图7 钢材区块链质保书的详细功能流程Fig.7 Flow chart of blockchain-based steel inspection certificates

(1) 钢厂使用合约功能1 注册区块链用户,以自己的区块链身份使用合约功能2 把钢材资源信息和质保书信息 (含原厂质保书文件) 发送到区块链平台加密上链.

(2) 钢厂/卖家 (经销商) 在电商交易平台挂货,平台使用合约功能3 查询获取钢材质保信息,买家可以在线浏览钢材并查看钢材质保信息.

(3) 买家在电商交易平台下单购买了卖家的钢材后,平台使用合约功能4 将订单号order_code 和订单信息order_info 加密上链,并通过智能合约自动实现订单销售钢材的质保书权限 (生成/转让) 从卖家流转到买家.

(4) 卖家在线下或其他渠道销售钢材后,也可在质保书中心使用合约功能5 将自己名下钢材的质保书权限转让给买家,然后买家拥有了所购钢材的质保书生成和转让权限.

(5) 电商交易平台在买家提出质保书申请后,要求质保书中心使用合约功能6 按照订单信息order_info 从区块链上获取质保信息quality_info,用于生成和打印质保书电子文件.

(6) 区块链质保书的防伪二维码内置质保书编号和查验网址.买家手机扫描质保书的二维码后,可查验质保书电子数据和质保书履历,实现质保书防篡改、防伪造.

3 应用效果

2021 年3 月,钢材区块链质保书在八一钢铁首发上线,覆盖了全部钢材品类,实现了质保书在线生成、分拆、流转、查验,满足钢材交易多级流转的实际情况.借助区块链质保书在八一钢铁的良好示范效应,陆续上线了马钢、宝钢德盛、华菱涟钢等钢厂的区块链质保书应用,为更多经销商和终端用户提供在线电子化质保书服务.截至2022 年4 月,原厂质保书上链70 多万张,钢材上链总重量超过2 300 万t,服务全国各地用户900 多家.

钢材区块链质保书对钢厂、经销商和终端用户均有显著的降本效应,可以有效减少与质保书管理工作相关的人力成本,节省打印和邮寄成本,也大幅降低了纸质质保书文件的保管成本,符合绿色低碳发展理念.按1 年上链70 万张原厂质保书、每张质保书打印成本0.5 元测算,可以节约打印成本约35 万元;若其中10%需要邮寄,按单笔10 元测算,可以节约邮费约70 万元;涉及质保书打印、分发及保管的钢厂、经销商和用钢企业人员工作量,按每张质保书节省0.1 工时,每工时20 元测算,可以节约人力成本约140 万元.综合降本约245 万元.随着覆盖更多的钢厂,每年的整体降本将更加显著.

基于区块链技术的钢材质保书中心还将开展以下工作: ①为平台交易提供增值服务,包括挂货资源信息校验、资源精准搜索和精准推送服务;② 为其他第三方大宗交易平台提供区块链质保书能力输出服务;③将区块链质保书与制造环节、流通环节的碳标签相结合,形成带有碳标签的区块链质保书.

4 系统实验验证

4.1 实验环境和配置

(1) 实验环境

软硬件配置: 4 核CPU/8 GB 内存/512 GB 磁盘的服务器5 台,操作系统Ubuntu 16.04,国产开源联盟区块链CITA (Cryptape Inter-enterprise Trust Automation)[10].按需在服务器配置区块链数据管理组件服务.

节点网络部署: 4 个区块链节点部署在两个网段,其中两个节点部署在10.57 网段,两个节点部署在10.70 网段;网络使用百兆以太网.

(2) 参数配置

CITA 区块链出块间隔3 s.

4.2 实验结果与分析

实验主要评测3 个指标: 交易请求确认时间、交易上链完成时间和系统可用性.在交易请求确认时间和交易上链完成时间的测试中,对客户端每秒交易请求次数为1、5、10、20、30、40、50 的情况分组进行实验,每组进行10 次测试,取测试结果均值作为该组实验的最终结果.

(1) 交易请求确认时间

交易的平均请求确认时间如图8 所示,随着每秒交易请求次数的增加,请求确认所需时间会缓慢增加.目前生产环境中,每日原厂质保书上链约5 000 张,对应钢材总重量约10 万t,加上质保书生成和流转,日交易笔数约为20 000 笔,业务繁忙时每秒交易请求TPS (Transaction Per Second)的均值为2,TPS 峰值为10.由图8 可知,TPS 峰值10 的平均请求确认时间约为100 ms,满足生产应用的需求.对于每秒交易请求次数大于10 的情况也进行了测试,当每秒交易请求次数为50 时,交易的平均请求确认时间约为150 ms,能够满足未来两年业务翻两番的发展需求.

图8 交易请求确认时间Fig.8 Request confirmation time of transactions

(2) 交易上链完成时间

交易的平均上链完成时间如图9 所示,随着每秒交易请求次数的增加,交易池中等待打包的交易数量增加,区块打包时间增加,交易上链完成时间缓慢增加.实验中CITA 区块链出块间隔设置为3 s,共识执行时间至少为3 s (不包含交易在交易池中等待以及交易打包的时间),所以交易上链完成时间都大于3 s.目前生产应用环境中每秒交易请求TPS 峰值为10,由图9 可知,交易的平均上链完成时间约为6 s,能够满足生产应用的需求.当每秒的交易请求次数为50 次时,交易的平均上链完成时间约为8.8 s,能够满足未来两年业务发展需求.

图9 交易上链完成时间Fig.9 Completion time of transactions

(3) 系统可用性

对系统进行压力测试,生产环境每日9:00—11:00 和13:00—15:00 为业务繁忙时段,因此设置压力测试的时长为2 h.目前业务繁忙时段的每秒交易请求TPS 峰值为10,考虑到未来两年业务量翻两番的规划,以及更长远发展的需求,在压力测试中设计每秒并发交易请求次数为10、50、100、500、1 000的5 组测试,压力测试时长为2 h.压力测试结果如表1 所示,系统能够平稳运行,随着每秒交易请求次数的增加,平均交易请求确认时间和交易上链完成时间的增长在业务可用范围内,上链成功率100%.

表1 压力测试结果Tab.1 Results of the stress test

区块链数据管理组件运行在分布式环境中,可能因软硬件故障与数据库或CITA 断连.断连测试参考业界认可的区块链容错性测试方法[11],通过命令行人为地让数据库或CITA 宕机,模拟真实生产环境中数据管理组件与数据库或CITA 断连情况.按照不同系统故障等级,分别对组件与数据库或CITA 断连时间为1 h、4 h、24 h 的情况进行测试,断连后系统输出断连日志,并尝试重新连接;连接恢复后,已确认收到的交易请求通过重试补偿上链,成功完成上链.断连测试结果如表2 所示,与数据库的平均重连时长不超过60 s,与CITA 的平均重连时长不超过30 s,且均可重连成功.

表2 断连测试结果Tab.2 Results of the disconnection test

5 结 论

利用联盟区块链及智能合约技术,可保证钢厂质保书数据的真实、可信、不可篡改,保护质保书数据的隐私,控制质保书的生成和转让权限,实现质保书在线生成、分拆、流转、查验,实现质保书电子化,支持快捷生成和分发,为各级经销商和用钢企业提供高效便捷的钢材质保书服务,显著降本增效.钢材区块链质保书后续将向更多钢厂大力推广,建设行业级数字质量认证中心.钢材区块链质保书能够证明产品和质量数据的原厂真实性,未来可结合仓储、运输、交易、加工等环节数据上链,形成钢材全流程可信数字履历,提供更可信和更高效的交易、物流、数据服务,构建钢铁生态圈新型信用体系.