劉世章，戴松霖，王歌

昆侖數(shù)智科技有限責(zé)任公司

0 引言

由于燃?xì)夥N類的多樣性及不同介質(zhì)的存儲(chǔ)特性，城鎮(zhèn)燃?xì)饪刹捎霉艿馈⒉圮?chē)、鋼瓶等多種供應(yīng)方式。燃?xì)鈽I(yè)務(wù)場(chǎng)景涉及銷售、使用環(huán)境檢驗(yàn)與建設(shè)、發(fā)貨、收款、后期運(yùn)維等諸多復(fù)雜環(huán)節(jié)，參與主體眾多、歷時(shí)較長(zhǎng)，存在著需求響應(yīng)不便、信息共享與追溯困難、業(yè)務(wù)協(xié)同效率低及紙質(zhì)材料電子化程度低等問(wèn)題。

隨著國(guó)家石油天然氣管網(wǎng)集團(tuán)有限公司的成立，天然氣銷售與管輸分離，天然氣市場(chǎng)變得更加公平和開(kāi)放，競(jìng)爭(zhēng)也更加激烈。同時(shí)，發(fā)改價(jià)格〔2021〕689號(hào)《關(guān)于“十四五”時(shí)期深化價(jià)格機(jī)制改革行動(dòng)方案的通知》、安委〔2020〕3號(hào)《全國(guó)安全生產(chǎn)專項(xiàng)整治三年行動(dòng)計(jì)劃》等燃?xì)庀嚓P(guān)政策的密集出臺(tái)，促使燃?xì)膺\(yùn)營(yíng)朝著更為安全、規(guī)范的方向發(fā)展。為了保障燃?xì)庑袠I(yè)的健康發(fā)展，在信息技術(shù)不斷革新的時(shí)代機(jī)遇下，將數(shù)字化技術(shù)與燃?xì)鈽I(yè)務(wù)相結(jié)合，推動(dòng)燃?xì)庑袠I(yè)的智能化轉(zhuǎn)型已成為燃?xì)馄髽I(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的重要手段。

區(qū)塊鏈技術(shù)起源于2008年中本聰?shù)恼撐摹侗忍貛牛阂环N點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》［1］。作為一種去中心化的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，區(qū)塊鏈憑借著去中心化、數(shù)據(jù)透明、防篡改、可追溯等特點(diǎn)在促進(jìn)數(shù)據(jù)共享、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、提高協(xié)同效率等方面具有重要作用，目前已在金融、物流、醫(yī)療、信息安全等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在能源領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外正積極探索區(qū)塊鏈在石油、天然氣、可再生能源及電力產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用模式。中國(guó)國(guó)家能源局在《2021年能源工作指導(dǎo)意見(jiàn)》［2］中指出要“探索北斗系統(tǒng)、5G、區(qū)塊鏈等新技術(shù)新裝備在能源領(lǐng)域的推廣應(yīng)用”，2022年8月國(guó)家能源局發(fā)布的國(guó)能綜通法改〔2022〕45號(hào)《國(guó)家能源局2022年深化“放管服”改革優(yōu)化營(yíng)商環(huán)境重點(diǎn)任務(wù)分工方案》中亦提出要推動(dòng)建設(shè)基于區(qū)塊鏈等技術(shù)應(yīng)用的交易平臺(tái)。

本文基于區(qū)塊鏈原理，針對(duì)當(dāng)前國(guó)內(nèi)燃?xì)鈽I(yè)務(wù)中的痛點(diǎn)與需求，探討了燃?xì)饴?lián)盟鏈平臺(tái)在燃?xì)庑枨箜憫?yīng)建設(shè)、鋼瓶溯源、燃?xì)鈭?bào)裝、管網(wǎng)建設(shè)信息共享等4個(gè)典型場(chǎng)景的應(yīng)用。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)及應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈由存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的“區(qū)塊”和連接區(qū)塊的“鏈”組成。存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的“區(qū)塊”包括“區(qū)塊頭”和“區(qū)塊體”兩部分，其中，“區(qū)塊頭”存儲(chǔ)版本號(hào)、前一區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、目標(biāo)哈希等信息，用于鏈接前一區(qū)塊并保證數(shù)據(jù)的完整性；“區(qū)塊體”存儲(chǔ)了經(jīng)過(guò)多方驗(yàn)證的交易數(shù)據(jù)信息。運(yùn)行一定周期的數(shù)據(jù)以區(qū)塊為單位存儲(chǔ)后，按照區(qū)塊生成的時(shí)間順序排列連接從而形成單向的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，具體見(jiàn)圖1。廣義來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈技術(shù)是利用加密鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來(lái)生成和更新數(shù)據(jù)，利用自動(dòng)化腳本代碼（智能合約）來(lái)編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)與分布式計(jì)算范式［3］。

圖1 區(qū)塊鏈存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈的工作流程主要包括生成區(qū)塊、共識(shí)驗(yàn)證和賬本維護(hù)3個(gè)步驟［4］。新的交易會(huì)在區(qū)塊鏈所有節(jié)點(diǎn)中傳播，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可將交易寫(xiě)入?yún)^(qū)塊并在新區(qū)塊上尋找工作量證明解。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)找到工作量證明解時(shí)，該節(jié)點(diǎn)將其記錄的數(shù)據(jù)區(qū)塊廣播至全網(wǎng)，全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)接收區(qū)塊并進(jìn)行順序共識(shí)和內(nèi)容檢驗(yàn)，當(dāng)新區(qū)塊得到全網(wǎng)多數(shù)節(jié)點(diǎn)的認(rèn)可時(shí)被鏈接至區(qū)塊鏈。鏈上賬本全網(wǎng)同步，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)維護(hù)和管理。總體來(lái)看，區(qū)塊鏈技術(shù)具有5個(gè)主要特點(diǎn)：去中心化、數(shù)據(jù)開(kāi)放透明、難以篡改與可追溯、合約執(zhí)行自動(dòng)化和匿名公平［5-6］。

（1）去中心化。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的P2P（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)中互為備份，由多個(gè)節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，不存在中心化的設(shè)備和管理機(jī)構(gòu)。當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障或自由加入和退出網(wǎng)絡(luò)時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能維持正常運(yùn)行。因此，基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存具有較高的可靠性和魯棒性。

（2）數(shù)據(jù)開(kāi)放透明。在協(xié)商一致的規(guī)范和協(xié)議下，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的所有節(jié)點(diǎn)能夠在去信任的環(huán)境安全地交換數(shù)據(jù)，并在權(quán)限允許的情況下查看和記錄鏈中的完整數(shù)據(jù)。整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運(yùn)作對(duì)于節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)都是公開(kāi)透明的。

（3）難以篡改與可追溯。時(shí)間戳及鏈?zhǔn)降拇鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)保證了區(qū)塊內(nèi)數(shù)據(jù)的不可逆性和可追溯性。除非能夠同時(shí)控制整個(gè)系統(tǒng)中超過(guò)51%的節(jié)點(diǎn)，否則系統(tǒng)中單個(gè)或少數(shù)節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)修改是無(wú)效的。

（4）合約執(zhí)行自動(dòng)化。區(qū)塊鏈中的智能合約技術(shù)能通過(guò)代碼的形式規(guī)定合約中每一方需要履行的義務(wù)和執(zhí)行條件，節(jié)點(diǎn)根據(jù)觸發(fā)條件自動(dòng)履行義務(wù)。

（5）匿名公平。區(qū)塊鏈中采用了非對(duì)稱加密算法來(lái)保護(hù)用戶節(jié)點(diǎn)的身份信息，用戶對(duì)外公布的只是加密后的哈希地址，而其他用戶無(wú)法從該地址中讀取任何有效信息，從而為用戶提供了隱私安全保障。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

區(qū)塊鏈1.0時(shí)代的代表技術(shù)為分布式賬本，代表應(yīng)用為比特幣系統(tǒng)。比特幣是使用分布式賬本技術(shù)的領(lǐng)先加密貨幣，為那些對(duì)“貨幣互聯(lián)網(wǎng)”感興趣的人充當(dāng)分散式互聯(lián)網(wǎng)支付系統(tǒng)。他們創(chuàng)建了一種簡(jiǎn)單而安全的方式來(lái)執(zhí)行金融交易，從而無(wú)需依賴任何第三方機(jī)構(gòu)。

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的迭代和更新，2014年由Vitalik Buterin開(kāi)發(fā)的以太坊（Ethereum）誕生，成為了區(qū)塊鏈2.0時(shí)代的里程碑。在以太坊中有一些新的技術(shù)豐富了區(qū)塊鏈技術(shù)生態(tài)，如智能合約［4］等。智能合約是自動(dòng)執(zhí)行的計(jì)算機(jī)程序，無(wú)需第三方即可驗(yàn)證、促進(jìn)和執(zhí)行合同協(xié)議的履行。

區(qū)塊鏈3.0時(shí)代衍生到應(yīng)用平臺(tái)，包括物聯(lián)網(wǎng)［7］和智慧醫(yī)療［8］等。區(qū)塊鏈3.0是去中心化應(yīng)用程序的概念，更廣為人知的是DApps。DApps是一種應(yīng)用程序，其后端代碼是在去中心化的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)上而不是集中式服務(wù)器上運(yùn)行。該技術(shù)允許在沒(méi)有中央授權(quán)或服務(wù)中斷的情況下進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。區(qū)塊鏈3.0通過(guò)使用智能合約和革新任務(wù)來(lái)提高應(yīng)用程序的效率、可擴(kuò)展性和安全性。

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)正在經(jīng)歷劃時(shí)代的變革，區(qū)塊鏈4.0時(shí)代致力于建立可信任生態(tài)體系，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于各行各業(yè)中，如文化娛樂(lè)、通信設(shè)施等領(lǐng)域［9］。區(qū)塊鏈4.0充分考慮了與工業(yè)4.0的結(jié)合，重點(diǎn)關(guān)注區(qū)塊鏈技術(shù)與自動(dòng)化、企業(yè)資源規(guī)劃等系統(tǒng)的集成，其中分布式賬本和智能合約技術(shù)等為工業(yè)4.0建立可信任的技術(shù)體系。區(qū)塊鏈4.0使企業(yè)和行業(yè)能夠確保其數(shù)據(jù)安全，并在數(shù)字化流程的各方之間建立信任。此外，區(qū)塊鏈4.0為著手進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型的公司提供了更好的可擴(kuò)展性和隱私控制的可能性。

1.3 區(qū)塊鏈應(yīng)用現(xiàn)狀

1.3.1 能源交易

能源行業(yè)是區(qū)塊鏈最具應(yīng)用前景的領(lǐng)域之一［10］。區(qū)塊鏈的參與不僅有利于構(gòu)建一個(gè)高效、公平、安全的交易環(huán)境，其實(shí)時(shí)更新的特性也有助于實(shí)現(xiàn)集中式和分布式之間的實(shí)時(shí)信息共享，提高供需響應(yīng)速度，減小能源供給系統(tǒng)的浪費(fèi)［11］。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)區(qū)塊鏈在能源交易領(lǐng)域的應(yīng)用已有廣泛研究。Yang等［12］基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電力數(shù)據(jù)的共享，提高了電力需求響應(yīng)的效率。邰雪等［13］利用智能合約存儲(chǔ)交易信息并自動(dòng)執(zhí)行資金轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了去中心化的電力交易。王健等［14］提出一個(gè)基于區(qū)塊鏈和連續(xù)雙向拍賣(mài)機(jī)制的微電網(wǎng)交易模型，分布式電源和用戶分別向市場(chǎng)提交報(bào)價(jià)和交易電量，市場(chǎng)可根據(jù)雙方報(bào)價(jià)自動(dòng)進(jìn)行匹配。尤宏亮等［15］設(shè)計(jì)了一個(gè)電力需求響應(yīng)交易機(jī)制，將需求響應(yīng)交易相關(guān)的身份認(rèn)證、定價(jià)算法、結(jié)算及監(jiān)管等與區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行融合，優(yōu)化了需求響應(yīng)的交易流程與效率。

1.3.2 區(qū)塊鏈溯源

區(qū)塊鏈溯源是指將區(qū)塊鏈不可篡改的分布式賬本記錄特性與物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)相結(jié)合，對(duì)產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)產(chǎn)、儲(chǔ)、運(yùn)、銷全流程信息的追蹤與回溯［16］。通過(guò)溯源，消費(fèi)者可以查詢產(chǎn)品的詳細(xì)信息，提升產(chǎn)品信任度與消費(fèi)體驗(yàn)；當(dāng)產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量安全事故時(shí)，處理部門(mén)也能迅速了解責(zé)任相關(guān)方。在外貿(mào)商品領(lǐng)域，Lee等［17］將區(qū)塊鏈應(yīng)用于電子商務(wù)系統(tǒng)中，為商品賦予認(rèn)證標(biāo)簽并在物流各節(jié)點(diǎn)設(shè)置數(shù)據(jù)收集接口，使商品信息安全地共享至最終客戶，避免了信息不確定性和不對(duì)稱性。在食品安全領(lǐng)域，李明佳等［18］以火腿腸供應(yīng)鏈為應(yīng)用場(chǎng)景，分析食品供應(yīng)鏈中參與的角色與信息流，構(gòu)建一個(gè)基于區(qū)塊鏈的食品安全溯源系統(tǒng)，說(shuō)明了區(qū)塊鏈溯源對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)管力度的作用。在以石油、天然氣等化工產(chǎn)品為代表的危化品物流中，馮琳琳等［19］通過(guò)構(gòu)建聯(lián)盟鏈將危化品生產(chǎn)方、銷售方、運(yùn)輸方、儲(chǔ)存方、使用方和各級(jí)有關(guān)監(jiān)管部門(mén)串聯(lián)在一起，實(shí)現(xiàn)了危化品生產(chǎn)、儲(chǔ)存、經(jīng)營(yíng)、運(yùn)輸、使用到廢棄全流程的信息管理。胡松等［20］、徐春波等［21］也指出?；仿?lián)盟鏈的構(gòu)建能有效地對(duì)產(chǎn)品運(yùn)輸過(guò)程進(jìn)行監(jiān)管，提高事故后追查環(huán)節(jié)的效率。

1.3.3 工程管理

施工流程信息的碎片化與項(xiàng)目參與方之間的溝通不暢是工程管理過(guò)程中碰到的主要問(wèn)題，區(qū)塊鏈技術(shù)使工程施工中的信息管理和溝通協(xié)調(diào)工作獲得了高效安全的提升途徑。胡晶等［22］將填報(bào)、審批等操作數(shù)據(jù)與其他文件信息都作為交易信息寫(xiě)入?yún)^(qū)塊鏈，規(guī)范同一交易的記錄內(nèi)容，通過(guò)交易參與方的私鑰簽名保證交易內(nèi)容的可靠性，推動(dòng)施工過(guò)程的無(wú)紙化和信息化。胡祥科等［23］利用區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)水利工程電子檔案存證，結(jié)合倒排索引構(gòu)建技術(shù)提升文檔檢索的效率。朱力等［24］分析了區(qū)塊鏈在鐵路工程文檔審批、工程管理與施工、合同執(zhí)行與結(jié)算、鐵路改造升級(jí)等多場(chǎng)景下的應(yīng)用前景，并構(gòu)造鐵路區(qū)塊鏈平臺(tái)系統(tǒng)驗(yàn)證其高效性與安全性。

1.3.4 數(shù)據(jù)共享

作為一個(gè)不可篡改的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，區(qū)塊鏈?zhǔn)箶?shù)據(jù)兼具透明性和可靠性，能夠安全地共享。蔣家昊等［25］基于區(qū)塊鏈探索了部門(mén)與部門(mén)間的細(xì)粒度訪問(wèn)控制，細(xì)化了聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)的訪問(wèn)能力。牛淑芬等［26］研究了區(qū)塊鏈在電子病歷數(shù)據(jù)共享中的應(yīng)用，醫(yī)院用私有鏈存儲(chǔ)患者病例，在聯(lián)盟鏈上存儲(chǔ)關(guān)鍵字的安全索引，使電子病例在醫(yī)院間共享的同時(shí)保證了患者隱私。能源領(lǐng)域，劉合等［27］分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在石油勘探開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)共享中應(yīng)用的可行性以及典型場(chǎng)景，提出了石油勘探開(kāi)發(fā)數(shù)據(jù)共享的整體解決方案。

1.4 區(qū)塊鏈在燃?xì)忸I(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在石油天然氣領(lǐng)域已有初步應(yīng)用，相關(guān)應(yīng)用案例見(jiàn)表1。從表1可見(jiàn)，交易管理、供應(yīng)鏈管理與溯源、信息管理和安全運(yùn)維是區(qū)塊鏈在該領(lǐng)域的重要應(yīng)用場(chǎng)景，解決了跨組織業(yè)務(wù)場(chǎng)景的分布式信任、數(shù)據(jù)溯源和數(shù)據(jù)共享難題。

表1 區(qū)塊鏈技術(shù)在油氣領(lǐng)域中的典型應(yīng)用案例

2 燃?xì)饴?lián)盟鏈架構(gòu)及共識(shí)機(jī)制

區(qū)塊鏈根據(jù)其使用范圍和功能實(shí)現(xiàn)主要分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。

公有鏈?zhǔn)且环N完全去中心化的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都是獨(dú)立的，任何人都可以加入該網(wǎng)絡(luò)，并共同參與其管理和維護(hù)。在公有鏈中，每個(gè)用戶都可以向區(qū)塊鏈中添加交易記錄，并通過(guò)共識(shí)算法確保交易的正確性和不可篡改性。公有鏈的應(yīng)用場(chǎng)景主要是數(shù)字貨幣，其中比特幣是最著名的公有鏈。

私有鏈?zhǔn)且环N由特定組織或企業(yè)管理和維護(hù)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，只允許授權(quán)的節(jié)點(diǎn)參與其中。私有鏈通常具有更高的性能和隱私保護(hù)能力，因?yàn)閰⑴c節(jié)點(diǎn)的數(shù)量較少且在更加密閉的環(huán)境中運(yùn)作。私有鏈的應(yīng)用場(chǎng)景主要是企業(yè)內(nèi)部信息管理、數(shù)據(jù)共享和產(chǎn)業(yè)資產(chǎn)的數(shù)字化管理。

聯(lián)盟鏈?zhǔn)且环N由多個(gè)組織或企業(yè)共同協(xié)作管理和維護(hù)的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，使用共識(shí)算法進(jìn)行交易確認(rèn)和賬本維護(hù)。聯(lián)盟鏈不像公有鏈那樣去中心化，也不像私有鏈那樣完全由單個(gè)實(shí)體控制。聯(lián)盟鏈的應(yīng)用場(chǎng)景主要是能源供應(yīng)鏈、金融交易、醫(yī)療保健等領(lǐng)域。

燃?xì)饴?lián)盟鏈基于自主可控的底層區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建面向燃?xì)忸I(lǐng)域的聯(lián)盟鏈。在底層區(qū)塊鏈平臺(tái)架構(gòu)中增加了一個(gè)監(jiān)管層，實(shí)現(xiàn)對(duì)聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)功能的劃分，在安全性、去中心化和共識(shí)機(jī)制方面，根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景靈活設(shè)置。

2.1 燃?xì)饴?lián)盟鏈平臺(tái)架構(gòu)

燃?xì)饴?lián)盟鏈平臺(tái)底層基于自主可控的國(guó)產(chǎn)基礎(chǔ)聯(lián)盟鏈平臺(tái)構(gòu)建，內(nèi)置了智能合約監(jiān)管的執(zhí)行引擎、國(guó)家商用密碼算法（簡(jiǎn)稱國(guó)密算法）等自研核心技術(shù)，具有內(nèi)生安全、高效擴(kuò)展、自主可控等特點(diǎn)，整體架構(gòu)在邏輯上可分為“網(wǎng)絡(luò)層—監(jiān)管層—計(jì)算層—應(yīng)用層”4個(gè)層次。燃?xì)饴?lián)盟鏈平臺(tái)總體架構(gòu)見(jiàn)圖2。

圖2 燃?xì)饴?lián)盟鏈平臺(tái)總體架構(gòu)

第一層為網(wǎng)絡(luò)層，提供高可信的網(wǎng)絡(luò)通信及身份管理服務(wù)，全面支持國(guó)密算法。

第二層為監(jiān)管層，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景支持可插拔的共識(shí)機(jī)制，通過(guò)監(jiān)管合約可實(shí)現(xiàn)對(duì)成員節(jié)點(diǎn)的監(jiān)管，通過(guò)“合約級(jí)”隔離通道保障數(shù)據(jù)安全，提供支持互操作的跨鏈通信服務(wù)。

第三層為計(jì)算層，提供隱私優(yōu)先的可信計(jì)算環(huán)境，支持智能合約計(jì)算的虛擬機(jī)等，支持高級(jí)編程語(yǔ)言編寫(xiě)智能合約，支持“函數(shù)級(jí)”數(shù)據(jù)加密與訪問(wèn)控制，提供數(shù)據(jù)全周期監(jiān)控能力。

第四層為應(yīng)用層，基于成員節(jié)點(diǎn)幫助用戶快速構(gòu)建區(qū)塊鏈應(yīng)用，并可與已有大數(shù)據(jù)系統(tǒng)及微服務(wù)架構(gòu)無(wú)縫對(duì)接，為用戶提供眾多區(qū)塊鏈應(yīng)用方案。

2.2 燃?xì)饴?lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)類型與共識(shí)機(jī)制

燃?xì)饴?lián)盟鏈平臺(tái)包含共識(shí)節(jié)點(diǎn)與成員節(jié)點(diǎn)兩種類型節(jié)點(diǎn)，兩種節(jié)點(diǎn)具備不同權(quán)限及功能，可以提高數(shù)據(jù)流通效率、計(jì)算性能及存儲(chǔ)安全性。

共識(shí)節(jié)點(diǎn)通常由監(jiān)管機(jī)構(gòu)、管理部門(mén)或主要發(fā)起者部署和維護(hù)，邏輯上包括網(wǎng)絡(luò)層和監(jiān)管層，也可提供計(jì)算層與應(yīng)用層的服務(wù)。共識(shí)節(jié)點(diǎn)具有平臺(tái)全部數(shù)據(jù)，負(fù)責(zé)驗(yàn)證成員節(jié)點(diǎn)計(jì)算內(nèi)容的遠(yuǎn)程證明，并對(duì)寫(xiě)入數(shù)據(jù)賬本的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序、共識(shí)和同步。

成員節(jié)點(diǎn)通常由從業(yè)機(jī)構(gòu)、業(yè)務(wù)部門(mén)或參與者維護(hù)，邏輯上包括網(wǎng)絡(luò)層、計(jì)算層和應(yīng)用層。成員節(jié)點(diǎn)不參與聯(lián)盟鏈的共識(shí)過(guò)程，數(shù)據(jù)依賴于從一個(gè)或多個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行“合約級(jí)”同步，不需要同步數(shù)據(jù)賬本的全部數(shù)據(jù)。成員節(jié)點(diǎn)需具備可信硬件，負(fù)責(zé)智能合約的計(jì)算過(guò)程，并通過(guò)可信硬件實(shí)現(xiàn)“函數(shù)級(jí)”數(shù)據(jù)加密與訪問(wèn)控制。成員節(jié)點(diǎn)在計(jì)算完成后通過(guò)加密通道向共識(shí)節(jié)點(diǎn)出具計(jì)算內(nèi)容和遠(yuǎn)程證明，再由共識(shí)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證并寫(xiě)入數(shù)據(jù)賬本。成員節(jié)點(diǎn)只需要存儲(chǔ)和計(jì)算與用戶自身相關(guān)的數(shù)據(jù)，因此大大降低了用戶的存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)壓力。

區(qū)塊鏈平臺(tái)的去中心化機(jī)制導(dǎo)致其性能和數(shù)據(jù)流通效率通常受到共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的影響，隨著共識(shí)節(jié)點(diǎn)數(shù)的增加，整個(gè)系統(tǒng)性能和數(shù)據(jù)流通效率不斷降低。燃?xì)饴?lián)盟鏈將共識(shí)與計(jì)算過(guò)程分離，在成員節(jié)點(diǎn)中計(jì)算，在共識(shí)節(jié)點(diǎn)間完成共識(shí)。在燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的應(yīng)用場(chǎng)景中，燃?xì)饴?lián)盟鏈不需要全部節(jié)點(diǎn)參與共識(shí)，僅在共識(shí)節(jié)點(diǎn)間完成共識(shí)和數(shù)據(jù)復(fù)制即可保證數(shù)據(jù)的一致性，以此提高數(shù)據(jù)流通效率，降低交易確認(rèn)時(shí)間。其中智能合約僅需在一個(gè)成員節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行一次計(jì)算即可，不需要其他節(jié)點(diǎn)通過(guò)重新執(zhí)行來(lái)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的正確性，因此用戶可根據(jù)自身實(shí)際情況彈性部署，大幅節(jié)約計(jì)算成本。整個(gè)平臺(tái)的計(jì)算壓力也通過(guò)這種方式分配到各個(gè)成員節(jié)點(diǎn)，在滿足數(shù)據(jù)一致性的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了高性能的分布式計(jì)算。

燃?xì)饴?lián)盟鏈為共識(shí)節(jié)點(diǎn)提供了可插拔的共識(shí)算法，包括PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，實(shí)用拜占庭容錯(cuò)算法）等，用戶可根據(jù)信任模型、硬件條件、性能需求等，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)際需求進(jìn)行自由選擇。在共識(shí)算法的選擇上，如果共識(shí)節(jié)點(diǎn)具有強(qiáng)信任關(guān)系（無(wú)惡意節(jié)點(diǎn)），則可選擇Raft類領(lǐng)導(dǎo)者選舉的共識(shí)協(xié)議以達(dá)到最好性能；如果可能存在惡意節(jié)點(diǎn)，則需要根據(jù)硬件條件和性能需求選擇PBFT等多輪共識(shí)算法。

燃?xì)饴?lián)盟鏈通過(guò)部署不同類型節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建由共識(shí)節(jié)點(diǎn)和成員節(jié)點(diǎn)組成的聯(lián)盟鏈，可以根據(jù)業(yè)務(wù)參與方的角色和權(quán)責(zé)不同，以及業(yè)務(wù)復(fù)雜程度，增加一些輔助系統(tǒng)機(jī)制，降低完全去中心化的建設(shè)成本。

3 燃?xì)饴?lián)盟鏈的業(yè)務(wù)場(chǎng)景應(yīng)用

3.1 燃?xì)饴?lián)盟鏈的需求響應(yīng)場(chǎng)景應(yīng)用

目前中國(guó)天然氣消費(fèi)市場(chǎng)處于“冬季高、夏季少”的局面，冬季的用氣量增速遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非采暖季，致使天然氣消費(fèi)量變化呈明顯的“U”字型特征，未來(lái)天然氣消費(fèi)峰谷更為明顯，面臨的峰谷差問(wèn)題愈加嚴(yán)峻，調(diào)峰需求越來(lái)越大。在燃?xì)馀l(fā)銷售業(yè)務(wù)中，燃?xì)夤?yīng)商往往通過(guò)制定資源采購(gòu)計(jì)劃購(gòu)買(mǎi)氣源，并基于計(jì)劃分配各區(qū)域銷售量，以實(shí)現(xiàn)供給側(cè)的進(jìn)銷平衡。但計(jì)劃預(yù)估的燃?xì)庑枨笈c實(shí)際需求之間往往存在差異，因此無(wú)法達(dá)到真正的供需平衡，容易產(chǎn)生“壓氣”和“缺氣”兩級(jí)分化現(xiàn)象［28］。此外，供需雙方的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)類型多樣，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)格式也不一致，供需匹配信息無(wú)法得到及時(shí)傳遞與響應(yīng)。

針對(duì)以上問(wèn)題，燃?xì)饴?lián)盟鏈為燃?xì)怃N售企業(yè)的各級(jí)區(qū)域公司和大型工商用戶提供一個(gè)智能的燃?xì)忭憫?yīng)和交易平臺(tái)，不僅能保障區(qū)域公司間需求信息安全、及時(shí)地共享，亦能提高需求響應(yīng)的效率。在燃?xì)饴?lián)盟鏈中，參與方包括各區(qū)域公司銷售部門(mén)、工商燃?xì)庥脩?、?cái)務(wù)結(jié)算部門(mén)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)。監(jiān)管機(jī)構(gòu)是用戶資格的審核方，同時(shí)負(fù)責(zé)交易規(guī)則與智能合約的轉(zhuǎn)換和管理，對(duì)交易的過(guò)程及鏈上信息進(jìn)行監(jiān)管。區(qū)域公司銷售部門(mén)和工商燃?xì)庥脩羰紫刃枰匆笞?cè)并填寫(xiě)賬戶信息，經(jīng)審核后參與鏈上燃?xì)饨灰?。圖3為基于某燃?xì)饴?lián)盟鏈的需求響應(yīng)流程圖，燃?xì)夤?yīng)方和需求方將燃?xì)庑畔l(fā)布到燃?xì)饴?lián)盟鏈上，交易雙方既可在場(chǎng)外確定交易量、價(jià)格等合同內(nèi)容，在鏈上觸發(fā)智能合約完成供用氣合同的簽訂與結(jié)算，也可由系統(tǒng)競(jìng)價(jià)，匹配出最適合的供需雙方并發(fā)起交易，雙方在商榷并確定合同內(nèi)容真實(shí)無(wú)誤后完成簽訂與結(jié)算。

圖3 基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的需求響應(yīng)業(yè)務(wù)流程

3.2 基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的鋼瓶流轉(zhuǎn)溯源

鋼瓶供氣是LPG（液化石油氣）零售中的主要供給方式。LPG儲(chǔ)配站利用專用灌裝機(jī)具將液化石油氣灌裝到鋼瓶里，并經(jīng)供應(yīng)站或直接銷售給用戶。LPG易燃易爆，危險(xiǎn)性強(qiáng)，提高瓶裝用氣的安全保障是穩(wěn)定瓶裝LPG銷量的有效措施。因此，加強(qiáng)鋼瓶在灌裝、流通、使用、維修、報(bào)廢各環(huán)節(jié)的全生命周期管理，實(shí)現(xiàn)鋼瓶溯源迫在眉睫。區(qū)塊鏈能實(shí)現(xiàn)多方共同記錄溯源信息，使鏈路可追溯，溯源信息被記錄后不可篡改，有利于鋼瓶流轉(zhuǎn)全過(guò)程的規(guī)范管理。同時(shí)，鋼瓶事故發(fā)生時(shí)有助于查找事故原因。

燃?xì)饴?lián)盟鏈平臺(tái)針對(duì)家庭常用的LPG鋼瓶，運(yùn)用電子標(biāo)簽和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在灌裝環(huán)節(jié)改變傳統(tǒng)人工識(shí)別、手工紙記錄的方式，采用數(shù)字網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對(duì)每個(gè)鋼瓶安裝可掃描識(shí)別的數(shù)字化標(biāo)識(shí)，并利用區(qū)塊鏈建立氣瓶電子檔案。按照“一瓶一碼、一瓶一檔、掃描識(shí)別、自動(dòng)記錄”的原則和方法，對(duì)氣瓶實(shí)行全過(guò)程溯源管理，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上鏈，使液化氣瓶管理規(guī)范化，杜絕了非法氣瓶充裝，保障了市民用氣安全。

目前，LPG鋼瓶在流轉(zhuǎn)過(guò)程中主要經(jīng)過(guò)空瓶質(zhì)檢、鋼瓶灌裝、車(chē)輛運(yùn)輸、鋼瓶售出與回收利用5個(gè)環(huán)節(jié)。鋼瓶出廠時(shí)，綁定基于區(qū)塊鏈的唯一產(chǎn)品ID，建立數(shù)字身份，由質(zhì)檢站對(duì)合格鋼瓶貼碼激活并上傳鋼瓶生產(chǎn)信息?；谌?xì)饴?lián)盟鏈的鋼瓶溯源系統(tǒng)，以電子二維碼為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)鋼瓶流轉(zhuǎn)全過(guò)程的信息記錄、追蹤與溯源，其溯源流程見(jiàn)圖4。在空瓶質(zhì)檢環(huán)節(jié)，主要節(jié)點(diǎn)為質(zhì)檢中心，由質(zhì)檢人員上傳質(zhì)檢和空瓶入庫(kù)信息；在鋼瓶灌裝環(huán)節(jié)，節(jié)點(diǎn)為充氣站，由充氣站員工上傳充氣和鋼瓶入庫(kù)信息；物流公司在質(zhì)檢中心與充氣站、充氣站與供應(yīng)門(mén)店間起連接作用，由物流工作人員上傳空瓶出庫(kù)或鋼瓶入庫(kù)、鋼瓶運(yùn)輸信息；在鋼瓶售出環(huán)節(jié)，由配送員向終端用戶配送鋼瓶并上傳供應(yīng)門(mén)店鋼瓶出入庫(kù)、訂單和用氣設(shè)施檢驗(yàn)與回收信息。

圖4 基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的鋼瓶溯源業(yè)務(wù)流程

3.3 基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的燃?xì)鈭?bào)裝管理

對(duì)普通居民而言，燃?xì)鈭?bào)裝業(yè)務(wù)涉及報(bào)裝受理、現(xiàn)場(chǎng)勘察、方案設(shè)計(jì)、方案反饋、合同簽訂與繳費(fèi)、上門(mén)施工、中間與竣工檢查、通氣受理等多個(gè)階段。全流程具有部門(mén)跨度大、關(guān)聯(lián)人員多、審批環(huán)節(jié)繁瑣的特點(diǎn)，無(wú)法確保不同階段的參與方即時(shí)參與填報(bào)或?qū)徟?，?duì)接和反饋的滯后直接影響了整體施工項(xiàng)目的效率。

通過(guò)對(duì)普通居民燃?xì)鈭?bào)裝業(yè)務(wù)流程進(jìn)行梳理，結(jié)合聯(lián)盟鏈的去中心化和數(shù)據(jù)透明安全的特點(diǎn)，在平臺(tái)上重新架構(gòu)后的燃?xì)饴?lián)盟鏈居民燃?xì)鈭?bào)裝業(yè)務(wù)管理流程見(jiàn)圖5。流程中區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)主要分為報(bào)裝客戶、銷售部門(mén)、建設(shè)部門(mén)和監(jiān)理方在居民燃?xì)鈭?bào)裝業(yè)務(wù)流程中，各節(jié)點(diǎn)按規(guī)定格式上傳報(bào)裝申請(qǐng)、設(shè)計(jì)、施工、驗(yàn)收、結(jié)算合同等信息，可信環(huán)境下的信息記錄減少了簽字和蓋章環(huán)節(jié)，提升項(xiàng)目完工效率的同時(shí)也保障了全流程信息的完整性。當(dāng)燃?xì)忭?xiàng)目后期出現(xiàn)安全問(wèn)題或需要改造時(shí)，相關(guān)數(shù)據(jù)能被快速檢索，從而保證了居民燃?xì)鈭?bào)裝流程中的質(zhì)量控制和安全管理。

圖5 基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的居民燃?xì)鈭?bào)裝管理業(yè)務(wù)流程

3.4 基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的管網(wǎng)建設(shè)信息共享

燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)是實(shí)現(xiàn)管道通氣的基本條件，也是城燃企業(yè)成功發(fā)展客戶的前提之一。盡管信息化的推動(dòng)使得管道通氣業(yè)務(wù)的線上辦理得以快速發(fā)展，但在集中式的管理模式下，數(shù)據(jù)庫(kù)若出現(xiàn)故障或遭到惡意攻擊，所有燃?xì)夤艿罃?shù)據(jù)將面臨丟失、泄露、篡改的風(fēng)險(xiǎn)，安全風(fēng)險(xiǎn)較高。同時(shí)，數(shù)據(jù)的不透明性也使得工程相關(guān)方有機(jī)會(huì)偽造、篡改、后補(bǔ)管道建設(shè)數(shù)據(jù)，不利于工程質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)督和事后追責(zé)。此外，施工勘察與設(shè)計(jì)資料、用氣合同等文件的電子化程度較低，都會(huì)增加材料的保存與管理成本，當(dāng)出現(xiàn)管道改裝需要或工程糾紛時(shí)，相關(guān)資料的提取效率不高［28］。

此外，燃?xì)夤芫W(wǎng)的建設(shè)還需考慮區(qū)域地理狀況、現(xiàn)存管網(wǎng)、在建管網(wǎng)、其他現(xiàn)存或計(jì)劃建設(shè)工程等多個(gè)方面，諸多數(shù)據(jù)信息涉及政府管理方、公司管理方和施工方。鑒于此，基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的燃?xì)夤芫W(wǎng)建設(shè)信息共享系統(tǒng)，可以高效地將政府、管道運(yùn)營(yíng)企業(yè)及施工方的相關(guān)數(shù)據(jù)共享，有利于優(yōu)化管網(wǎng)路徑，避免管網(wǎng)跨越交叉、安全距離不足、同一地域重復(fù)開(kāi)挖、部分地域保護(hù)等沖突［29］。如圖6所示，在燃?xì)饴?lián)盟鏈管網(wǎng)建設(shè)信息共享架構(gòu)中，區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)主要分為施工方、公司管理方和政府管理方。施工方受公司委托，負(fù)責(zé)燃?xì)夤艿赖目碧脚c規(guī)劃、建設(shè)與維修保養(yǎng)，向數(shù)據(jù)共享鏈提供管道建設(shè)全生命周期的所有數(shù)據(jù)；公司管理方是燃?xì)夤艿澜ㄔO(shè)的發(fā)起和擁有者，負(fù)責(zé)向數(shù)據(jù)共享鏈提供該公司已建管道、改造管道及新建管道等相關(guān)信息；政府管理方負(fù)責(zé)提供城市建設(shè)與未來(lái)規(guī)劃中會(huì)對(duì)管道布局產(chǎn)生影響的相關(guān)工程信息，包括綠化施工、公路道路施工、鐵路道路施工等。燃?xì)饴?lián)盟鏈管網(wǎng)建設(shè)信息共享平臺(tái)對(duì)燃?xì)夤艿朗┕べ|(zhì)量、后期管網(wǎng)維護(hù)、未來(lái)管網(wǎng)的規(guī)劃甚至下游燃?xì)馐袌?chǎng)的發(fā)展規(guī)劃都會(huì)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

圖6 基于燃?xì)饴?lián)盟鏈的管網(wǎng)建設(shè)信息共享架構(gòu)

4 結(jié)束語(yǔ)

基于燃?xì)鈽I(yè)務(wù)的運(yùn)行特點(diǎn)與存在問(wèn)題，燃?xì)饴?lián)盟鏈以區(qū)塊鏈技術(shù)作為底層邏輯，構(gòu)建了高效、透明、安全的業(yè)務(wù)管理平臺(tái)，使企業(yè)的運(yùn)行與管理模式更加高效，提高了燃?xì)馄髽I(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力。

本文研究了燃?xì)饴?lián)盟鏈的平臺(tái)架構(gòu)及應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)燃?xì)怃N售業(yè)務(wù)中供需響應(yīng)不便、瓶裝供氣溯源難及燃?xì)夤こ坦芾硇实腿髥?wèn)題，提供了區(qū)塊鏈技術(shù)在燃?xì)庑枨箜憫?yīng)建設(shè)、鋼瓶溯源、燃?xì)鈭?bào)裝、管網(wǎng)建設(shè)信息共享等4個(gè)場(chǎng)景的應(yīng)用解決方案，拓寬了區(qū)塊鏈在燃?xì)庑袠I(yè)的應(yīng)用范圍和實(shí)踐途徑，可為燃?xì)馄髽I(yè)精細(xì)化、科學(xué)化經(jīng)營(yíng)提供參考。