CN112529596A - 一种基于区块链的电池溯源系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的电池溯源系统和方法。该系统包含管理电池交易信息的多个区块链节点，其特征在于，根据区块链节点间的交易关系构建解释结构模型，并将区块链共识节点划分为多个层级，进而建立区块链共识节点分层体系；以及对分层后的区块链共识节点进行分块，划分为多个参与网络共识的子节点集群，并根据多中心子节点集群分块进行共识的结果来确定是否将电池交易信息上链。本发明解决了传统共识算法中的网络堵塞问题，减少了区块链网络广播资源浪费，并降低了区块链共识通信成本，在保证区块链共识安全的同时，提升了通信和共识效率。

Description

一种基于区块链的电池溯源系统和方法

技术领域

本发明涉及电子信息技术领域，更具体地，涉及一种基于区块链的电池溯源系统和方法。

背景技术

经过近年来的爆发式增长，目前，新能源汽车动力蓄电池将进入规模化退役期。预计到2020年，我国退役电池累计约为25GWh。如此数量的电池退役，如果不实施有效的管控，势必将造成严重的环境污染和资源浪费。

目前，电动汽车电池组电压、电流和温度等监控技术已较为成熟，但难点在于电池全生命周期供应链上的数据溯源。因为一个电池产品在全生命周期环节上涉及多家公司(如电池生产企业、汽车制造商、材料处理公司、电网、电动自行车、电池租赁商、物流公司、仓储公司等)，这些链条上各个公司的数据整合交换非常复杂。没有数据的整合，就无法实现溯源。区块链对于溯源数据记录来说，可信度非常高。可信任的数据成为提升整个供应链效率的关键。区块链技术应用在全生命周期电池管理系统上可以解决数据的真实性问题。尤其是电池流向问题影响环境问题，只要存在区块链上，这些数据就不得修改。由于有了真实数据，能够降低合作伙伴之间的协同成本。但区块链在现有电池溯源系统的应用中，存在着溯源场景节点众多、区块链网络负载大、网络延时较长等问题。

传统的溯源系统要么使用中心化账本模式，要么由各个市场参与者分散孤立地记录和保存，是一种信息孤岛模式。例如，对于传统的汽车零配件的溯源系统，商品溯源的问题有时不光要从生产方作为源头，甚至还要再往前追溯，最好能够将该商品的生产环境也给纪录下来。

经分析，现有技术所解决的商品溯源问题存在一个很大的弊端，即中心化系统监控，这种中心化系统，使得主导某一商品的一方可以对现有信息进行篡改，此外，由于数据大多存储于普通的数据库中，容易遭受黑客攻击，导致数据受损或丢失。从而使得整个商品流通环节的信息真实性变得不可靠。

目前主流的商品溯源系统在整个供应链中还存在一个重要问题，即孤岛问题，通常情况下整个商品供应链会存在多个信息系统，而这些信息系统之间是很难进行交互，导致信息核对流程相对繁琐，并导致需要大量的线下核对及重复检查才能弥补系统交互问题，另外，由于支付和账期问题造成的重复审计成本也特别高。

此外，现有的电池溯源主要集中在采用RFID、编码等技术的数据采集和区块链分布式记账等，通过利用最新的识别技术，数据捕获技术和区块链技术为电池提供定制的数字身份(即Battery Passport)。通过智能标签解决方案，锂离子电池可以与Everledger区块链平台无缝连接，从而在记录不可更改和保证隐私的基础上实现更高的安全性。利益相关者可以全面了解电池的位置，使用情况以及哪些金属可以回收再用于新电池中。然而，目前为止，还不存在专门针对电池溯源系统，解决其溯源场景节点众多、区块链网络负载大、网络延时较长等弊端的技术方案。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于区块链的电池溯源系统和方法。

根据本发明的第一方面，提供一种基于区块链的电池溯源系统。该系统包含管理电池交易信息的多个区块链节点，其中，根据区块链节点间的交易关系构建解释结构模型，并将区块链共识节点划分为多个层级，进而建立区块链共识节点分层体系；以及对分层后的区块链共识节点进行分块，划分为多个参与网络共识的子节点集群，并根据多中心子节点集群分块进行共识的结果确定是否将电池交易信息上链。

根据本发明的第二方面，提供一种基于区块链的电池溯源方法。该方法响应于电池交易请求，通过以下步骤执行共识：

根据区块链节点间的交易关系构建解释结构模型；

根据区块链共识节点在节点交易中的地位进行节点分层；

以节点探寻方式对区块链共识节点进行节点分块；

子节点集群验证共识，如验证成功，则由共识中心节点轮询验证共识，在经共识中心节点验证成功后，共识完成，进而将区块上链。

与现有技术相比，本发明的优点在于，基于区块链技术采用分布式记账的方式，区块存储着动力电池的每个操作记录，区块与区块有序连接在一起，保证动力电池操作记录的完整性和可追溯；引入解释结构模型分层思想，对联盟区块链中常用的传统实用拜占庭容错共识机制(PBFT)进行优化，改善现有区块链溯源系统中存在的溯源场景节点众多、区块链网络负载大、网络延时较长等问题。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的基于区块链的电池溯源系统的电池区块链示意图；

图2是根据本发明一个实施例的基于解释结构模型优化后PBFT算法流程图；

图3是根据本发明一个实施例的区块链节点分层效果图；

图4是根据本发明一个实施例的改进PBFT共识方法原理图；

图5是根据本发明一个实施例的基于区块链的电池溯源系统的应用示例；

图6是本发明与现有技术的吞吐量对比图；

图7是本发明与现有技术的共识耗时对比图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

参见图1所述，本发明采用区块链技术整合电池全生命周期(包括新出厂电池、正常使用电池、退役电池和报废电池等)供应链上的数据，其中交易环节涉及多种类型的公司，例如，电池生产企业、汽车制造商、材料处理公司、电网、电动自行车、电池租赁商、物流公司、仓储公司等。在基于区块链的分布式电池溯源系统中，区块存储着动力电池的每个操作记录，区块与区块有序连接在一起，以保证动力电池操作记录的完整性和可追溯性。利用本发明的电池溯源系统可针对多个环节，追溯相关对象的信息，参见下表1。

表1追溯对象与追溯信息

针对电池溯源场景节点众多、区块链网络负载大、网络延时较长的问题，本发明引入解释结构模型(ISM)分层思想，对区块链共识节点进行分层处理，并优化例如传统实用拜占庭容错(PBFT)共识算法，实现多中心子节点集群分层分块共识，其中实用拜占庭容错协议是一种采用许可投票、少数服从多数来选举领导者进行记账的共识机制。下文将具体介绍本发明的思想。

一、基于解释结构模型优化的实用拜占庭容错共识机制。

首先，通过区块链节点间的交易关系构建解释结构模型，对区块链共识节点进行分层。例如，由下而上展开，以底层节点为共识中心节点，以次底层节点为共识一级节点，以此类推，定义区块链共识节点分层机制，建立区块链共识节点分层体系。然后，以探寻法对分层后的区块链共识节点进行分块，划分为多个参与共识的子节点集群，以多中心子节点集群分块进行PBFT共识。最后，共识中心节点将共识结果提交区块，实现总体共识。

具体地，参见图2所示，优化的PBFT共识过程包括：通过区块链节点间的交易关系构建解释结构模型；根据区块链共识节点在节点交易中的地位进行节点分层；以节点探寻方式对区块链共识节点进行节点分块；子节点集群验证共识，如验证成功，则由共识中心节点轮询验证共识，在经共识中心节点验证成功后，共识完成，进而将区块上链。

二、基于解释结构模型的共识节点分层

为改变区块链网络中全部节点同时参与共识所造成的网络堵塞的情况，最有效地方法是对节点进行分层处理，全网节点分开共识，可减少网络资源占用情况、节省通信成本、提高共识效率。区块链各节点在复杂的网络交易中关系错杂，且同处于一个区块链交易网络系统，考虑到这种特征，本发明引入解释结构模型的分层思想，根据区块链节点间的交易关系对区块链共识节点进行分层。

具体地，为了实现节点分层更好地服务区块链共识机制，如图3，由下而上展开式建立区块链节点分层体系，其中示意了底层节点层、一级节点层和二级节点层。在区块链共识节点分层中，参与节点在整个区块链交易关系中的地位随着分层体系的层级上升而下降。由于底层节点在区块链节点间的交易关系中占据主要地位，故以底层节点为共识中心节点(例如，标记为K1，K2，......，Ki，i为共识中心节点个数)。同理，以次底层节点为共识一级节点(例如，标记为A1，A2，......，Aj，j为共识一级节点个数)，类似地，二级节点可标记为B1、B2和B3等。由此，区块链共识节点依据节点在交易关系中的重要地位建立起分层体系。

综上，本发明通过区块链节点间的交易关系构建解释结构模型，对区块链共识节点进行分层，建立区块链共识节点分层体系，然后对分层后的区块链共识节点进一步进行分块，划分多个参与网络共识的子节点集群，再以多中心子节点集群分块进行PBFT共识。

三、区块链共识节点分块

实用拜占庭容错算法被认为是解决拜占庭问题的最佳算法之一。PBFT算法需要各节点共同维护系统状态，以解决带拜占庭问题的分布式一致性难题。具有拜占庭问题的P2P网络中存在的恶意节点，即拜占庭节点。具有较高容错性的PBFT算法，一条交易请求从客户端发起，至就近区块链网络节点处，然后向全网进行广播交易，主节点打包交易之后经过预准备(pre-prepare)—准备(prepare)—提交(commit)三大阶段，形成协议共识流程。该共识机制可容忍例如小于1/3的恶意或无效节点，实现有效共识。

区块链共识节点分层是实现分块共识的基础，为了使ISM更好地服务分层分块式共识，进一步对ISM模型进行改进。参见图4所示，区块链共识节点按交易关系中的重要地位实现分层后，补充节点分块步骤。区块链分层节点中，由底层节点向上层逐层探寻，如出现分叉，则该节点与分叉后节点划入一个共识节点子集群。交易量高且在复杂交易中起重要作用的节点划入共识中心节点集群，然后以共识节点分层结合探寻分块划分子共识节点集群。区块链全网参与共识节点的分层分块构建了多个参与区块链共识的多中心节点集群，各共识集群互不干扰、相辅相成，共同作用。

本发明结合基于区块链的电池溯源系统和解释结构模型的特点，设计了分层、分块的共识机制，可用于各种场景的电池信息溯源。例如，图5是对智能终端设备中正常使用电池的进行交易管理的框架，可追溯电池使用者的相关信息。

为进一步验证本发明的效果，进行了仿真实验。参见图6所示，对比了本发明(标记为优化后的PBFT算法)和传统PBFT算法的吞吐量。吞吐量指在PBFT共识算法下整个区块链系统在单位时间内处理的交易量，代表着系统的负载强度，用于表征系统性能。区块链的吞吐量随着区块容量的增大而提高，但区块链的吞吐量与区块容量并不存在正相关关系。区块容量会对区块链系统造成负载，所以当区块容量到达一定水平后，吞吐量不增反减。由图6可以看出，本发明在不同共识节点个数下，吞吐量均显著优于传统方法。

图7是本发明和传统方法在不同实验次数下的共识耗时对比图。共识时延是以时间为标准衡量共识算法运行速度的重要指标，共识时延越小说明交易确认速度快，相应地，区块链安全性越高。通过30次重复独立节点共识耗时对比实验，可计算出传统PBFT单次共识平均耗时为568.6ms，而优化后PBFT单次共识平均耗时为478.2ms，总体上区块链共识节点单次共识耗时平均缩短15.89％。

综上所述，本发明针对区块链在电池溯源系统的应用中，存在着溯源场景节点众多、区块链网络负载大、网络延时较长等问题，引入解释结构模型(ISM)分层思想，对区块链共识节点进行分层处理，优化传统实用拜占庭容错(PBFT)共识算法，实现多中心子节点集群分层分块共识，从而解决了传统PBFT算法中网络堵塞问题，减少了区块链网络广播资源浪费，并降低了区块链共识通信成本，在保证区块链共识安全的同时，提升了通信和共识效率。本发明提供的基于区块链分布式记账的电池溯源方法可用于新能源汽车动力电池溯源、智能终端装备的电池溯源等。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种基于区块链的电池溯源系统，该系统包含管理电池交易信息的多个区块链节点，其特征在于，根据区块链节点间的交易关系构建解释结构模型，并将区块链共识节点划分为多个层级，进而建立区块链共识节点分层体系；以及对分层后的区块链共识节点进行分块，划分为多个参与网络共识的子节点集群，并根据多中心子节点集群分块进行共识的结果确定是否将电池交易信息上链。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述将区块链共识节点划分为多个层级包括：根据参与共识节点在整个区块链交易关系中的地位随着分层体系的层级上升而下降的机制建立分层体系。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，对分层后的区块链共识节点进行分块包括：在区块链分层节点中，由底层节点向上层逐层探寻，在出现分叉的情况下，则将该节点与分叉后节点划入一个共识节点子集群。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，基于实用拜占庭容错协议进行共识，包括：接收到交易请求的区块链节点向全网广播交易，子节点集群验证共识，如验证成功，则由共识中心节点轮询验证共识，在经共识中心节点验证成功后，共识完成，进而将区块上链。

5.根据权利要求1所述的系统，所述电池交易关系涉及电池的生产环节、仓储环节、运输环节和使用环节。

6.一种基于区块链的电池溯源方法，该方法响应于电池交易请求，通过以下步骤执行共识：

根据区块链节点间的交易关系构建解释结构模型；

根据区块链共识节点在节点交易中的地位进行节点分层；

以节点探寻方式对区块链共识节点进行节点分块；

子节点集群验证共识，如验证成功，则由共识中心节点轮询验证共识，在经共识中心节点验证成功后，共识完成，进而将区块上链。

7.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求6所述方法的步骤。

8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求6所述方法的步骤。

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