CN110852595A - 一种基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，包括电力物资全寿命周期管理流程和电力物资全寿命周期管理平台，其特征在于，所述电力物资全寿命周期管理平台的技术框架包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层六个层级。所述数据层，负责电力物资生产、包装、仓储、运输、使用、运检等数据信息的采集；信息采集后，通过特定的哈希函数将各类信息转化成固定长度的数学进制的数值。本发明提出的联盟链保留了部分中心化控制的功能，可以针对不同机构和人员，设置不同权限，根据不同应用场景来决定开放程度，适用于大型企业对动态数据的存储、管理、授权和监控。
Description
技术领域
本发明属于电力物资管理，具体涉及一种基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制。
背景技术
电力物资的管理水平，决定了物资供应的安全性、稳定性、时效性，对应对突发状况、保障电网安全运行等方面，具有重要意义。但电力物资供应渠道多变、物资品类繁多、物资数量庞大、运输方式多样等特点，不利于实现从物资采购、仓储管理、物流配送、运维管理到报废处理的全寿命周期的管理。同时，为了保障电网安全稳定运行，国家电网公司区分了内网(含4个大区)和外网，实行物理隔离，使得内外网络流通不畅；同时各部门系统多样化，数据标准不统一，导致数据在企业内部共享性较差，对物资管理效率存在一定的制约。
探索将区块链技术应用于电力物资管理体系，有助于打破国家电网现有的数据管理模式，打通数据流通存在的壁垒，为电力物资管理探索新的方向。
区块链技术发展现状：
1）区块链技术发展脉络，区块链技术起源于2008年，由化名为“中本聪”(Satoshinakamoto)的学者在密码学邮件组发表的奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》。工信部《2018年中国区块链产业白皮书》，对狭义区块链和广义区块链进行了定义。狭义上讲，区块链是一种按照时间顺序经数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本；广义上讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式来保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。
按照目前区块链技术的发展脉络，区块链技术将会经历以可编程数字加密货币体系为主要特征的区块链1.0模式、以可编程金融系统为主要特征的区块链2.0模式和以可编程社会为主要特征的区块链3.0模式（参考文献《Swan M. Blockchain: Blueprint for aNew Economy. USA: O’Reilly Media Inc., 2015.》）。
区块链技术更多地被应用在金融领域，已在货币结算、电子商务、互联网金融等领域取得多项成果。作为引领信息时代变革的新技术，区块链技术在医疗、能源等数据安全性要求较高领域取得了一定的研究成果，电力行业也借助区块链技术进行创新，并取得了一系列突破。然而仍然有许多领域还未进行区块链技术应用方面的探索,尤其是在军事、气象、地理等对数据安全性要求较高的领域还存在着很大的研究空间。
2）区块链分类：
根据节点分布情况，区块链技术可分为三种类型，即公有链(Public blockchain)、联盟链(Consortium blockchain)和私有链(Private blockchain)。公有链面向公共网络开放，所有人员都可以进行访问并参与到区块链的共识机制中；专有链是一种完全被某个机构控制并使用的区块链系统，没有区块链去中心化、分布式等主要特征。
表1-1 公有链、联盟链及私有链对比分析
| 属性 | 公有链 | 联盟链 | 私有链 |
| 参与者 | 任何人自由进出 | 联盟成员 | 个体或公司内部 |
| 共识机制 | POW/POS/DPOS | 分布式一致性算法 | 分布式一致性算法 |
| 记账人 | 所有参与者 | 联盟成员协商确定 | 自定义 |
| 激励机制 | 需要 | 可选 | 不需要 |
| 中心化程度 | 去中心化 | 多中心化 | (多)中心化 |
| 突出特点 | 信用的自建立 | 效率和成本优化 | 透明和可追溯 |
| 承载能力 | 3-20笔/秒 | 1000-1万笔/秒 | 1000-10万笔/秒 |
| 典型场景 | 虚拟货币 | 支付、结算等 | 企业内部审计 |
3）区块链技术特点：
区块链技术具有去中心化、透明性、开放性、自治性、信息不可篡改和匿名性等特点。
(1) 去中心化：区块链技术使用分布式核算和存储，不存在中心化的硬件或管理机构，任意节点的权力和义务都是均等的，系统中的数据由整个系统中具有维护功能的节点来共同维护。
(2) 透明性：区块链的数据记录对全网节点是透明的，数据记录的更新操作也是透明的。
(3) 开放性：除了数据直接相关各方的私有信息被加密外，区块链的数据可以对所有人公开。
(4) 自治性：区块链采用基于协商一致的规范和协议，任何人为的干预都不起作用。
(5) 信息不可篡改：区块链系统的信息一旦添加至区块链后，就会永久储存，难以更改。区块链是一个P2P的对等网络结构软件，没有服务器，每个节点都会存储一份完整数据，某个节点修改数据都需要得到其他节点的承认，更改某个区块的数据，后续区块数据都需要修改，篡改难度大。
(6) 匿名性：区块链的匿名性指每个人在区块链上只需要一个与真实身份无关的虚拟身份。
电力物资管理现状：
国家电网的电力物资管理实现了采购、储运和运检的互相分离。这样的管理模式虽然有利于物资管理的明确分工以及相互制约，但也导致了各部门之间的数据存在交互壁垒，电力物资的管理缺少一体化和完整性。随着“三型两网”战略的持续深化，电网的发展进入了新的阶段，电力物资管理也暴露出一些新的问题。
(1) 实物ID推行尚需时间
目前，国网公司正在大力推行实物ID，配网物资仅涉及两种，短时间内实物ID难以覆盖全品类的电力物资。同时，大部分物资由国家电网物资部仓库工作人员现场赋码，物资不能从源头(供应商)开始追溯，只能获取物资入库以后的信息，难以实现电力物资全寿命周期的可追溯。
(2) 仓储配送体系有待完善
仓储体系逐步完善，但各级仓库建设水平存在差异，且配送体系尚未建立。根据各工程的实际情况，目前物资配送主要由供应商直接配送、各级仓库外包配送等，配送过程难以实时管控。
(3) 物资运维数据缺乏互联
国家电网物资部负责通过物资需求计划，保障电力物资的供给，而运维检修部负责电力物资后期的使用、检修、报废等过程，部门间的数据交互存在壁垒，物资部难以实现电力物资全寿命周期管理。
发明内容
本发明主要针对现有电力物质管理存在的问题，发明了一种基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，所提出的联盟链保留了部分中心化控制的功能，可以针对不同机构和人员，设置不同权限，根据不同应用场景来决定开放程度，适用于大型企业对动态数据的存储、管理、授权和监控。
本发明的上述技术问题是通过以下技术方案得以实施的：一种基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，包括电力物资全寿命周期管理流程和电力物资全寿命周期管理平台，其特征在于，所述电力物资全寿命周期管理平台的技术框架包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层六个层级。
所述数据层，负责电力物资生产、包装、仓储、运输、使用、运检等数据信息的采集；信息采集后，通过特定的哈希函数将各类信息转化成固定长度的数学进制的数值；将电力物资的信息和交易代码封装至加盖有时间戳(Timestamp)的区块内；通过非对称加密技术，生成区块的私钥、密文和公钥；通过Merkle tree技术，完成区块的签名加密与登录认证功能，形成新的区块节点。
所述网络层，封装有分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等要素，采用P2P网络的组网方式，所有节点以扁平拓扑结构相互连通，每个节点既承担数据传输，又承担区块信息认证。
所述共识层，封装网络节点的共识算法，解决区块共识与信任的问题，保障各节点高效地对区块数据的有效性达成共识。
所述激励层，将经济因素集成到区块链技术体系中，其功能是提供一定的激励措施，鼓励节点参与区块链中安全验证工作，并将经济因素纳入区块链技术体系中，激励遵守规则参与记账的节点，并惩罚不遵守规则的节点。
所述合约层，封装区块链系统的各类脚本代码、算法以及由此生成的更为复杂的智能合约，是建立在区块链虚拟机之上的商业逻辑和算法，是实现区块链系统灵活编程和操作数据的基础。
所述应用层，封装有各种应用场景，也是电力物资信息交互式处理平台；通过应用层实现各类物资数据信息流在部门之间高效运转，进而保证电力物资供应的正常运行。
作为优选，所述数据层，包括用于采集数据的数据区块、用于信息处理的哈希函数、用于封装电力物质信息和交易代码的时间戳区块、用于生成私钥或者密文或者公钥的非对称加密技术、用于区块签名加密和登录认证的Merkle tree技术。
作为优选，所述网络层，包括P2P网络、承担数据传输的传播机制、承担区块数据信息认证的验证机制。
作为优选，所述共识层，包括工作量证明法、权益证明法、瑞波共识算法、股权代理人共识、Pool验证池等多种共识机制，其组合应用可以实现区块链平台在最短时间内达成节点共识，保证整个链式结构不被非法数据攻击和破坏。
作为优选，所述激励层，包括经济激励的发行机制、经济激励的分配机制。
作为优选，所述合约层，包括脚本代码、算法机制、智能合约；所述智能合约具有自我管理、智能运行的特点，可以不受人为参与和外界因素的干扰，按照程序代码自动触发编程来执行，保障合约层公正性、提升了数据处理的效率。
作为优选，所述应用层，包括物资需求计划应用场景、仓储系统优化应用场景、车辆路径规划应用场景。
综上所述，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明的联盟链保留了部分中心化控制的功能，可以针对不同机构和人员，设置不同权限，根据不同应用场景来决定开放程度，极大地提高了数据安全性，适用于大型企业对动态数据的存储、管理、授权和监控；本发明在确保数据安全的情况下，运用联盟链技术，对电力物资管理过程中的各个节点进行全程跟踪和永久记录，确保数据的准确性、唯一性和可追溯性；参与者通过智能合约进行认证、审计，并自发进行电力物资“交易”，以应对不断增加的电力物资品类、数量及其全寿命周期的各个节点数据采集；由此实现电力物资在供货、检测、入库、配送、运检、报废等过程的全寿命周期可追溯。
附图说明
图1是电力物资全寿命周期管理流程图；
图2是电力物资全寿命周期管理平台的整体框架；
图3是基于联盟链的电力物资全寿命周期管理应用路径。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
实施例1：
联盟链运用于电力物资全寿命周期管理可行性分析：国家电网对于数据的安全性有很高的要求，但一般在区块链上传输和存储的数据都是公开可见的，只进行一定的隐私保护，不符合国家电网的业务规则和监管要求。而联盟链保留了部分中心化控制的功能，可以针对不同机构和人员，设置不同权限，根据不同应用场景来决定开放程度，极大地提高了数据安全性，适用于大型企业对动态数据的存储、管理、授权和监控。
区块链系统是通过多种密码学原理进行数据加密及隐私保护，用于解决联盟链隐私问题的重要技术包括同态加密、环签名和零知识证明等，用于联盟链的非对称加密算法主要有RSA、Elgamal、ECC(椭圆曲线加密算法)和ECDSA(椭圆曲线数字签名算法)等。
其中，同态加密，参考文献《Van Dijk M, Gentry C, Halevi S, VaikuntanathanV. Fully homomorphic encryption over the integers. In: Proc. of the AnnualInt’l Conf. on the Theory and Applications of Cryptographic Techniques.Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2010. 24−43.》。
环签名，参考文献《Noether S, Mackenzie A. A note on chain reactions intraceability in cryptonote 2.0. Research Bulletin MRL-0001. Monero ResearchLab., 2014. 1−8.》。
零知识证明，参考文献《Bitansky N, Canetti R, Chiesa A, Tromer E. Fromextractable collision resistance to succinct non-interactive arguments ofknowledge, and back again. In: Proc. of the 3rd Innovations in TheoreticalComputer Science Conf. ACM Press, 2012. 326−349.》。
联盟链运用于电力物资全寿命周期管理可行性分析如下表所示。
表1-2 联盟链运用于电力物资全寿命周期管理可行性分析
| 特点 | 安全性需求 | 特定权限设置需求 | 数据可靠性需求 | 数据共享需求 |
| 电力物资全寿命周期管理的需求 | 电力物资相关数据涉及国家机密，泄密可能导致电网数据勒索、电网运行瘫痪等事故，所以安全性是第一要务。 | 在电力物资全寿命周期管理的过程中，需要针对的特定管理人员进行开放，并且分专业、管理层级来设定权限。 | 在电力物资全寿命周期管理的过程中，需要及时发现存在的问题，制定电力物资仓储配送计划等，对数据信息的可靠性要求较高。 | 在电力物资全寿命周期管理的过程中需要与其他专业进行数据的交互，实现交流的畅通和信息的共享。 |
| 联盟链的适用特性 | 联盟链采用非对称加密技术，可将电网数据转换为密文、公钥和私钥，在没有密钥的情况下，无法对密文进行解密，可以保证电网数据存储及应用的安全性。 | 联盟链采用分布式存储，信息处理功能强大，且可拓展性较强；还可以通过设置系统访问权限，有效地控制数据平台的开放性。 | 数据打包进区块后，更改某个区块的数据，后续区块数据都需要修改，篡改难度大。电网企业大多数员工没有修改数据的权限，发生的概率极小。 | 联盟链是扁平化的分布式网络，采用P2P网络进行数据传输，能够保证节点之间电网数据的互联性。 |
联盟链的电力物资全寿命周期管理体系整体架构：如图1所示的电力物资全寿命周期管理流程，在保障电力物资供应的前提下，探索通过整合目前电力物资管理中涉及的各个部门的业务实践，提升完善物资订单管理系统、供应商管理系统、物资仓储配送管理系统、设备运检管理系统等四个子系统的职能，以联盟链技术为底层架构，打破电力物资数据在国网内外部之间的交互壁垒，实现电力物资从需求计划、生产供应、仓储配送、运行使用、运维检修直到回收再用处置的全寿命周期管理过程。
如图2所示的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理平台整体框架，基于联盟链的电力物资全寿命周期管理平台的技术框架共数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层六个层级。各层之间相互配合，共同构成电力物资全寿命周期管理平台的基本框架。
如图1、2所示，一种基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，包括电力物资全寿命周期管理流程和电力物资全寿命周期管理平台；电力物资全寿命周期管理平台的技术框架包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层六个层级。
① 数据层
数据层负责电力物资生产、包装、仓储、运输、使用、运检等数据信息的采集，是电力物资全寿命周期管理平台的基础。信息采集后，通过特定的哈希函数将各类信息转化成固定长度的数学进制的数值；将电力物资的信息和交易代码封装至加盖有时间戳(Timestamp)的区块内；通过非对称加密技术，生成区块的私钥(private key)、密文和公钥(publickey)；通过Merkle tree技术，完成区块的签名加密与登录认证功能，形成新的区块节点。
② 网络层
网络层封装了分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等要素，采用P2P网络的组网方式，所有节点以扁平拓扑结构相互连通，每个节点既承担数据传输，又承担区块信息认证。
③ 共识层
共识层主要封装网络节点的各类共识算法，解决区块共识与信任的问题，使得分的去中心化系统中，保障各节点高效地对区块数据的有效性达成共识。电力物资全寿命周期管理平台的共识层包含POW(工作量证明法)、POS(权益证明法)、RPCA(瑞波共识算法)、DPOS(股权代理人共识)、Pool验证池等多种共识机制，其组合应用可以实现区块链平台在最短时间内达成节点共识，保证整个链式结构不被非法数据攻击和破坏。
④ 激励层
激励层将经济因素集成到区块链技术体系中，主要包括经济激励的发行制度和分配制度，其功能是提供一定的激励措施，鼓励节点参与区块链中安全验证工作，并将经济因素纳入区块链技术体系中，激励遵守规则参与记账的节点，并惩罚不遵守规则的节点。
⑤ 合约层
合约层封装区块链系统的各类脚本代码、算法以及由此生成的更为复杂的智能合约，是建立在区块链虚拟机之上的商业逻辑和算法，是实现区块链系统灵活编程和操作数据的基础。智能合约具有自我管理、智能运行等特点，可以不受人为参与和外界因素的干扰，按照程序代码自动触发编程来执行，保障合约层公正性、提升了数据处理的效率。
⑥ 应用层
应用层封装了物资需求计划、仓储系统优化、车辆路径规划等各种应用场景，也是电力物资信息交互式处理平台。通过应用层可实现各类物资数据信息流在部门之间高效运转，进而保证电力物资供应的正常运行。
如图3所示的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理应用路径。
(1) 电力物资全寿命周期可追溯
电力物资管理过程中涉及国家电网内部物资、运检等多个部门，以及供应商、物流企业、工程建设企业等外部机构，参与者较多。在庞大的电力系统中，传统的集中式管理方式不仅成本过高，对电力物资数据的采集也存在局限，难以实现电力物资全寿命周期的可追溯。
在确保数据安全的情况下，运用联盟链技术，对电力物资管理过程中的各个节点进行全程跟踪和永久记录，确保数据的准确性、唯一性和可追溯性。参与者通过智能合约进行认证、审计，并自发进行电力物资“交易”，以应对不断增加的电力物资品类、数量及其全寿命周期的各个节点数据采集。由此实现电力物资在供货、检测、入库、配送、运检、报废等过程的全寿命周期可追溯。
(2) 特定权限开放
基于联盟链的电力物资全寿命周期管理的过程中，可以根据数据的保密要求，例如适当电力物资供货、配送、报废等节点进行数据公开，方便与供应商、物流公司、回收企业等外部机构的数据对接和交互，而对电力物资的检测、入库、运检等节点过程则进行数据加密，对国家电网特定部门员工进行开放，有权限的员工可以共享电网区块链中的数据信息。
(3) 信息数据共享
电力物资管理过程中的场景化服务是以数据资源共享为基础的，联盟链技术背景下，各个区块节点的数据一致，有利于激发各个节点的数据共享，通过对共享数据资源的在线可视化分析，深度挖掘和利用电力物资数据的价值，以满足物资需求计划、仓储体系优化、车辆路径规划等不同场景的综合运用。通过P2P方式进行数据传输，可以增强抗劫持能力，极大地提升了数据共享过程中的安全性。
近几年区块链技术发展突飞猛进，应用领域也在不断扩张。随着“三型两网、世界一流”战略目标的提出，坚强智能电网与泛在电力物联网建设的不断深化，电力系统也对区块链技术的应用越来越重视。
目前，电力系统对于区块链技术的应用尚处于初级阶段，区块链的适用性有待探讨和验证。本申请通过联盟链在国家电网电力物资管理中的应用研究和探讨，为区块链技术在电力系统的进一步实践提供依据，也为区块链技术在除电力系统外的其它专业领域的研究提供一定参考。
文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (7)
1.一种基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，包括电力物资全寿命周期管理流程和电力物资全寿命周期管理平台，其特征在于，所述电力物资全寿命周期管理平台的技术框架包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层六个层级；
所述数据层，
负责电力物资生产、包装、仓储、运输、使用、运检等数据信息的采集；信息采集后，通过特定的哈希函数将各类信息转化成固定长度的数学进制的数值；将电力物资的信息和交易代码封装至加盖有时间戳(Timestamp)的区块内；通过非对称加密技术，生成区块的私钥、密文和公钥；通过Merkle tree技术，完成区块的签名加密与登录认证功能，形成新的区块节点；
所述网络层，
封装有分布式组网机制、数据传播机制和数据验证机制等要素，采用P2P网络的组网方式，所有节点以扁平拓扑结构相互连通，每个节点既承担数据传输，又承担区块信息认证；
所述共识层，
封装网络节点的共识算法，解决区块共识与信任的问题，保障各节点高效地对区块数据的有效性达成共识；
所述激励层，
将经济因素集成到区块链技术体系中，其功能是提供一定的激励措施，鼓励节点参与区块链中安全验证工作，并将经济因素纳入区块链技术体系中，激励遵守规则参与记账的节点，并惩罚不遵守规则的节点；
所述合约层，
封装区块链系统的各类脚本代码、算法以及由此生成的更为复杂的智能合约，是建立在区块链虚拟机之上的商业逻辑和算法，是实现区块链系统灵活编程和操作数据的基础；
所述应用层，
封装有各种应用场景，也是电力物资信息交互式处理平台；通过应用层实现各类物资数据信息流在部门之间高效运转，进而保证电力物资供应的正常运行。
2.根据权利要求1所述的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，其特征在于，所述数据层，包括用于采集数据的数据区块、用于信息处理的哈希函数、用于封装电力物质信息和交易代码的时间戳区块、用于生成私钥或者密文或者公钥的非对称加密技术、用于区块签名加密和登录认证的Merkle tree技术。
3.根据权利要求1所述的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，其特征在于，所述网络层，包括P2P网络、承担数据传输的传播机制、承担区块数据信息认证的验证机制。
4.根据权利要求1所述的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，其特征在于，所述共识层，包括工作量证明法、权益证明法、瑞波共识算法、股权代理人共识、Pool验证池等多种共识机制，其组合应用可以实现区块链平台在最短时间内达成节点共识，保证整个链式结构不被非法数据攻击和破坏。
5.根据权利要求1所述的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，其特征在于，所述激励层，包括经济激励的发行机制、经济激励的分配机制。
6.根据权利要求1所述的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，其特征在于，所述合约层，包括脚本代码、算法机制、智能合约；所述智能合约具有自我管理、智能运行的特点，可以不受人为参与和外界因素的干扰，按照程序代码自动触发编程来执行，保障合约层公正性、提升了数据处理的效率。
7.根据权利要求1所述的基于联盟链的电力物资全寿命周期管理机制，其特征在于，所述应用层，包括物资需求计划应用场景、仓储系统优化应用场景、车辆路径规划应用场景。
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