基于区块链的价值链上下游用电安全协同系统*

汤鑫，李秋爽，赵昕

（1.北京邮电大学 计算机学院（国家示范性软件学院），北京 100876；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250001）

0 引言

集团型制造企业是我国制造业的主体形态，各生产基地通过协作开展制造与经营活动，具有单个企业无法比拟的优势。但是，集团企业价值链运行过程中存在协作数据流通易失控、协作数据流通监管难、价值链协同过程中责权利不清晰等问题[1]，导致价值链上参与各方难以相互信任，阻碍价值链信息流通。集团公司难以凭借不对称的信息完成价值链上下游电力调配，导致部分生产基地的生产用电需求得不到满足，集团公司经济利益受损[2]。

区块链技术的发展为解决企业价值链数据监管难题提供了新机遇[3]。区块链是一个数字化、分散的分布式数据、资产和相关交易的分类账，在网络内的对等节点之间共享[4-5]。区块链技术使用数字签名、哈希算法等加密算法及分布式共识算法,所存储的数据极难被篡改、销毁或被抹除数据库操作日志，具有无中心、多方参与、可审计性、安全性等特点[6-8]。基于这些特点，区块链技术建立了可靠的合作机制，提高了企业价值链数据的安全性和隐私性[9]。

目前诸多文献提出的区块链平台中，文献[10]提出的系统实现了意愿数据共享与电子病历隐私保护，有利于高效获取患者的完整就医信息；文献[11]利用区块链技术保障数据的可信度，从而构建有效的信用评级体系；文献[12]利用区块链和智能合约完成了对数据的细粒度的访问控制，实现恶意用户问责。

本文提出的系统解决了价值链运行过程中多基地共同协作完成订单的任务分配问题，通过追踪订单产品的生命周期，高效完成订单协同数据的监管溯源，以区块链协同数据空间有效管理企业多基地价值链订单协作运行数据和基地用电负荷数据，为集团公司优化用电负荷管理、降低用电峰值负荷、提高系统运行经济性提供可靠依据[13]。

1 系统架构设计

本系统采用Fisco BCOS 区块链平台构建联盟区块链，将价值链中的各个组织以联盟链的形式连接起来。

系统将不同的业务封装成功能模块，主要包括数据存储模块、能力发布模块、订单管理模块、智能合约管理模块、电力调度模块、分派公平性评估模块[14]。架构如图1 所示。

图1 系统整体架构

数据存储模块负责管理区块链系统各主体的数据，系统内的数据既包含各生产基地的基本生产情况等共享数据，同时也包含通过公钥加密的内部生产数据。

能力发布模块由区块链系统上各个基地进行能力发布，主要包括向区块链网络中上传当前基地的库存和生产效率等生产数据。

订单管理模块负责订单的维护，当消费者或者经销商有订购产品的需求时，系统负责生成产品订单，满足消费者对订单产品的全生命周期溯源需求等。

智能合约管理模块中包含生命周期管理和模板管理两个子模块，生命周期管理模块负责维护智能合约的生命周期，包括合约的部署、运行、停止和更新等；模板管理模块负责将智能合约按照合约类型和功能列表进行管理。

电力调度模块主要是根据基地订单协作的实际情况和各个生产基地的用电历史数据，对价值链上生产基地进行用电安全保障。

分派公平性评估模块负责结合实际价值链交付情况判定所分配的任务达成度，并结合基地信用情况分析任务分派公正性[15]。

2 系统功能模块设计

2.1 数据存储模块

数据存储模块定义了区块链上数据的存储方式，区块链上的数据通过RocksDB 数据库进行存储。RocksDB 是Fisco BCOS 支持的一种数据库，其支持以JSON 格式在账本上建模数据并支持富查询以便查询实际数据内容，同时支持在智能合约代码中部署索引，以便高效查询和对大型数据集的支持。Fisco BCOS 还提供了创建私有通道的可能性，允许一组参与者创建一个分类账，其中交易完全私密地记录，只能由参与其中的组织节点查看，有效保障了数据的隐私[16]。

2.2 智能合约管理模块

智能合约是由价值链参与方达成共识并签名确认一致执行的通信交互协议。基于区块链的智能合约执行过程不可逆，能够保证计算过程数据无法删除、修改，只能新增，执行过程全流程上链，保证了执行记录的可追溯性，方便集团公司监管合约运行状态，有效遏制了不法分子的作恶行为，有效避免了有组织成员为了自身利益而在执行过程中更改合约的可能[17]。系统中智能合约管理模块分为智能合约的生命周期管理和模板管理两个子模块。

2.2.1 模板管理子模块

模板管理模块主要整理了适合嵌入系统的智能合约类型，依据价值链上订单生成、任务分派、生产、物流、价值链管理等流程，将智能合约根据不同的执行主体进行类型划分，为价值链上不同的组织提供智能合约，并对每一类的智能合约需要完成的功能列表进行管理。

2.2.2 生命周期管理子模块

生命周期管理子模块主要负责管理嵌入系统内的智能合约。智能合约在区块链的生命周期根据其运行机制可划分为开发、部署、运行、更新等几个步骤。区块链提供了管理智能合约生命周期的命令，包括打包、安装、实例化、更新等，当智能合约完成安装和实例化以后，就处于激活状态，可以被区块链系统随时调用和触发。

2.2.3 智能合约对价值链的运行支持

系统中的智能合约根据产品生命周期中的业务场景完成设计，实现了订单产品从基地生产到出售的全信息上链和查询功能，并能结合订单实际生产需求和各个基地的生产能力发布情况进行整合，能够完成产品状态的更改和数量的分配，从而有助于完成订单生产任务的分派和产品生命周期的溯源。智能合约管理模块的业务流程图如图2 所示，系统允许管理人员进行智能合约生命周期的管理，当经销商发布订单任务时，集团公司部署和启动智能合约，将订单数据上链，管理人员撮合产能数据和订单数据完成生产任务的分派，集团公司通过查询智能合约管理模块完成情况，可以了解生产任务的完成情况，并通过分派公平性评估模块了解各个基地的生产情况[18]。

图2 智能合约管理模块业务流程图

智能合约在系统中可以有效解决价值链运行中复杂的多方动态协调、协作数据共享有风险、产品追溯成本高且存在盲点的问题，通过将产品从生产到出售的全过程写入智能合约，实现高效安全的数据共享，价值链全链路具有实时可见性，产品生产过程可追溯，欺诈风险降低且运营成本低廉，有效地保障了价值链运行的可靠性和安全性。

2.3 能力发布模块

能力发布模块主要负责价值链上的生产基地发布产能信息。

系统结合订单信息中的生产任务构造完成订单任务的最小数据特征集合，在特征集合基础上构造元数据及元数据空间，形成价值链全链条数据空间。

区块链平台中部署的智能合约规范了接入价值链可进行信息交换的最小特征集合。各个生产基地根据实际情况选择最小集合或提供大于最小集合的特征集，参与价值链的数据交互。当生产基地能力信息发布时，智能合约自动触发生产基地能力信息上链函数，形成统一元数据，用于保障各个参与方的交互，消除各方内部数据格式的差异性。系统通过与区块链网络的生产基地节点连接，采用节点的身份证书文件，在区块链网络内进行共识、广播与验证过程，将传入合约的生产信息数据上链。能力发布模块业务流程图如图3 所示。

图3 能力发布模块业务流程图

完成信息上链后，系统将区块内的可信数据信息存储到本地数据库中协同备份。

2.4 分派公平性评估模块

分派公平性评估模块基于集团公司的评价指标体系，结合历史订单任务中产品的合格率、订单完成时间、用户满意度来综合评定生产基地的信用分数，系统结合基地信用分和订单任务带给基地的收益以此说明系统公平水平，系统设计基于订单完成质量的生产基地信用分计算算法伪代码如下。

算法1：基于订单完成质量的生产基地信用分计算算法

Input：订单数量n，数组Qunqualified代表未达标产品数量，数组Qwork代表订单产品总数量，数组Tovertime代表任务超时时间，数组Ttask代表任务要求完成时间，数组R代表订单消费者评价分数

Output:基地信用分C

1：定义产品合格指标分数Q，时间指标分数T，评价指标分数E，初始值为0。

2：for（i=1 ton）do

3：Qunqualified的值累加计入Qu

4：Qwork的值累加计入Qw

5：Tovertime的值累加计入To

6：Ttask的值累加计入Tt

7：R的值累加计入E

8：end for

9：计算产品合格指标分数：Q=100（1-Qu/Qw）

10：计算时间指标分数：T=100（1-To/Tt）

11：计算评价指标分数均值：E=E/n

12：定义分数权重a，b，c，其中a+b+c=1

13：返回信用分C=aQ+bT+cE

在价值链平台数据合理使用机理的基础上，系统根据历史交易数据完成各生产基地信用分计算。基于此，系统结合实际订单分派情况判定集团公司管理人员所分配的生产任务公正性，有利于集团公司了解价值链运行过程中各生产基地运行情况，保障各生产基地经济利益。

2.5 电力调度模块

电力调度是指在用电高峰时期或者系统可靠性存在风险时，公司根据价格信号或系统指令调整某时段用电负荷，对于存在电费开销高、用电负荷过重问题的集团型制造企业，系统提供了一个简单、有成本效益的解决方案。

系统针对工业典型行业中具有代表性的制造企业的负荷可调节潜力进行评估，对负荷的可调节潜力基准进行制定，并使用各个生产基地的生产负荷数据对制定的标准可泛用性进行评估确认。系统选择适应于工业用电的用电调控方法，通过实时采集生产基地的用电负荷数据，并结合生产基地的订单协作关系做出用电负荷预测，集团公司根据负荷预测制定发电计划，保障价值链上下游用电安全。

3 系统运行流程

在传统的企业价值链流程中，很难实现制造产品从生产到交付的全过程信息监控，效率极低，难度大。企业价值链中的信息高效流动是提高企业竞争力的重要手段。

本文设计了基于区块链的价值链上下游用电安全协同系统，优化工业产品从生产到交付的全价值链运营，从源头进行控制，实现订单信息、生产基地信息全数据上链，为集团公司监管价值链运行过程，完成价值链生产基地电力调配，保障价值链运行过程中价值链上下游用电安全提供数据依据。该系统主要由分销商、集团公司和生产基地等几大组织参与，系统运行流程图如图4 所示。

图4 价值链运行流程图

首先，消费者与集团公司签订订单，随后集团公司提取订单元数据，将订单中的生产信息通过系统中的订单管理模块调用智能合约完成信息上链，从重工业多基地企业的价值链运营场景中提取的消费者订单信息如表1 所示。

表1 订单信息示例

价值链中的所有生产基地都可以通过系统访问订单信息，并选择上传订单中产品需求的产能数据，如表2 所示。

表2 基地产能数据示例

之后，系统根据每个生产基地提供的消费者订单需求和产能数据给基地分配生产任务。系统可以判断生产任务分配是否不足，从而动态调整生产任务分配，保护某一基地的利益在价值链运行过程中不受到严重损害。公平分配评估结果如表3 所示。

表3 分派公平性评估结果

系统会根据给各生产基地分配的任务给对应基地的相关产品创建可追溯记录，所有订单相关的产品信息都存储在区块链分布式账本上，数据透明且安全。图5显示系统累计订单交易统计图。

图5 价值链订单交易统计

集团公司可以通过系统实时采集生产基地负荷数据、电量计数等数据。系统自动保存并记录各生产基地用电数据的各项指标数据，方便集团公司导出数据进行分析。系统可以根据价值链运行过程中订单的协作关系和用电数据进行用电负荷预测，计算生产基地的电力需求。集团公司可以根据结果对各生产基地进行精准电力调控，可以尽早发现超负荷用户，及早处理，保障用电安全，也可以设定优先满足符合的大客户订单，自主确定各基地的用电负荷水平。表4 为价值链电力协作关系的示例，显示了集团公司、生产基地以及生产订单之间的电力协作关系。

表4 价值链电力协作关系表

与传统价值链管理系统相比，本文提出的系统从区块链技术出发，通过统一的数字身份认证、链上信息存储、大数据信用评估等方式保证价值链数据的真实性和可靠性，提高企业间信息透明度，为集团公司提供了便捷的订单查询服务和电力调度服务，有利于在提升公司效益的同时保障价值链上下游的用电安全问题。

4 结论

本文设计的基于区块链的价值链上下游用电安全协同系统通过区块链技术追踪集团型制造企业订单中的产品生命周期，使消费者能够完整地访问订单中多个产品的生命周期，集团公司能更方便监管企业价值链运行，完成精准的用电需求调度，保障价值链上各生产基地平稳运行的同时，也为公司增添了收益。系统增强了链上组织之间的沟通并提高信息透明度，增加了利益相关者之间的信任。系统上数据的公开透明、不可更改和可溯源性，保证了订单数据的准确性[19]。智能合约的去中心化、可执行性和可验证性的特点使得合约条款能够在不受信任的各方之间执行，而无需受信任的权威机构的参与[20]，提高了价值链的运行效率。分派公平性评估方法有效地保障了链上各组织的利益，保障了价值链的高效运转，形成可信的价值链运行环境。电力调度模块综合考虑了生产基地工艺流程、订单协作关系等个性化因素，形成精细化的需求响应调控方案，有力支撑了源网荷电存储协调控制业务，为生产基地完成订单任务解决后顾之忧[21]。系统改善了集团公司电力调配过程中信息来源可信度的问题，属于管理机制与技术领域结合的融合创新。