区块链技术在钢铁供应链中的应用研究

申 培，顾文琦

(河钢数字技术股份有限公司,河北 石家庄 050035)

0 引言

钢铁作为重要的基础原材料行业，在建筑、机械、能源、汽车等多产业结构协同发展中起到支撑作用，是反映国家经济发展、工业化水平和国防实力的代表性指标。钢铁行业对于我国建设制造强国意义重大，其发展水平直接影响着制造业发展的质量和效益[1]。目前，国内钢铁行业正处于新旧动能转换和数字化转型的关键时期，由数量时期的“减量阶段”向高质量时期的“过渡阶段”不断推进，对化解过剩产能、能源结构优化、实现超低排放改造和低碳转型等诸多方面提出更高要求。其中，构建高质量供应链体系、将供应链打造成价值链和创效链，是钢铁行业提质增效和转型升级的重要战略突破口。

然而，钢铁传统供应链体系信息传递效率低，商流、物流、信息流、资金流四流难以整合，存在由于信息孤岛而造成的库存冗余、资金链更新不及时、业务数据不透明以及相互间缺乏可信机制等多种痛点问题，导致企业多方协同难以实现、供应链数据真实性难以保证，通过传统手段难以得到彻底解决。

区块链技术是一种不依赖第三方、通过自身分布式节点进行网络数据的存储、验证、传递和交流的新型技术方案。其去中心化、公开透明、防篡改、可追溯等技术特性，能有效破解钢铁供应链之困，为资源优化配置、行业降本增效、产业结构升级提供有效支撑。随着供应链全球化的国际形势日益严峻，以及国家政策层面不断强调要“以区块链作为核心技术自主创新突破口，加快推进区块链技术和产业创新发展”，将区块链技术应用于钢铁供应链现代化和智能化将成为未来的一个重要发展趋势。

1 钢铁供应链发展制约因素

钢铁工业产业链长且不均衡，其中钢厂与终端用户占据强势地位，与代理商、分销商等中间流通环节以松散型方式联结，容易造成信息不透明、高成本、低效率等弊端，导致“博行情”等无序竞争行为时有发生。如，钢厂方受信息时间差的影响，无法从代理方获取及时、准确的市场信息，从而无法有效指导生产；物流层面则面临车辆空驶和客户发货无车可用同时存在的资源浪费矛盾；此外，由于钢材是大宗商品需要垫付大量资金，一些中小钢贸企业不仅随时面临资金链断裂的高风险，同时因融资难而缺乏议价能力和价格优势，在钢厂与终端客户之间受两面夹击。具体来说，钢铁供应链普遍存在以下问题。

1.1 产能分散导致信息壁垒

产业集中度是影响市场平稳和供需关系平衡的一个重要因素，对产能结构优化和产量控制以及相关资源共享协同至关重要。产能过于分散将大幅削弱钢铁供应链的资源配置、集约经营以及原材料买方市场谈判能力。加之我国钢铁企业属于典型的资源依托型布局，远离消费市场，呈现“东多西少、北重南轻”的分布特点，导致供应链空间离散性、割裂性强。且大多关联产业间缺少信息交流和共享，钢铁企业无法准确掌握上游供货能力和下游需求规模，包括采购信息和供应信息在内的众多数据系统没有实现有效链接[3]。因此供应链上的节点企业在决定自身库存时各自为政、各行其道，容易出现企业之间竞相降价的内耗情况，无序的竞争环境严重制约供应链整体高效、稳定发展。同时，供应链上无法实现存货互通有无和转运调拨，造成企业生产计划缺乏整体性和客观性，只能各自持有高额库存，占用大量资金。并且许多企业的信息系统相容性很差，无法很好地集成起来，信息的不统一、不公开反之又加大了行业自治和监管难度[4]。

1.2 产品质量管理与追溯难

钢材的生产和使用在化学成分、力学性能、工艺性能、变形性能和表面状态都有严格标准。若钢材的某个性能达不到标准,就有可能导致施工不便、工程质量不合格,甚至发生工程事故[5]。钢铁产品质量管理包括两方面：可追溯性是指当产品在供应链中出现质量问题时，可以沿着制造链和供应链从下游到上游进行定位；追踪是指能够沿着供应链追踪产品的走向，并在制造链出现问题时及时召回[6]。传统钢铁质量溯源体系一般使用中心化账本模式，由供应链节点参与企业分散、孤立地记录和保存，仍处于信息孤岛和流转不畅的模式。在该模式下，从生产、运输、仓储、交易到下游应用的整个供应链上的要素缺少全流程监控以及信息可信记录，导致钢材信息不对等。并且无论是钢企还是中间环节经销商，在质量信息影响自身利益时，可以自行篡改相关钢铁产品质量信息，从而在面对质量问题时很难召回和追责[7]。因此，如何建设一套基于产品全生命周期的全员、全方位、全过程的质量管理与质量追溯机制是当今钢铁行业面临的重要且亟需解决的问题。

1.3 供应链金融风险大

供应链金融风险一方面体现在企业融资难、运营成本上升。我国钢铁行业是典型的重资产、高负债行业，存在大量融资难、融资贵、去杠杆困难等问题。尤其以涉钢供应链中的小微企业为代表，受其经营规模、资产结构、偿债能力等因素影响，大都还停留在纯贸易的阶段，在目前的银行风控体系下，很难获得银行融资，只能通过小贷公司、网贷平台等融资成本较高的途径进行融资，因而面临重大运营风险。另一方面，贸易“信用危机”同样显著。目前钢铁市场出现疲软现象，钢材的价格不断下降导致钢铁贸易企业背负着较重的资金压力，而这些资金压力正逐渐转化为信用危机。早在多年前国内的钢材仓储领域就出现了严重的重复质押、违约等信贷问题，风险事件频发，导致国有资产流失时有发生。此外，传统供应链中的信用证结算包括申请、开证、通知、交单、议付、寄单、偿付、审单等环节[8]，牵涉到的单据量大、手续繁复、机构冗杂，容易导致出错和返工，导致交易周期长、流转慢，严重拖累交易方资金周转，无形中加剧了贸易的机会成本。

2 区块链技术应用方向

区块链在钢铁供应链中的可行应用方向主要包括物流数据采集追踪、数据共享、数据安全、共识协议、联盟链构建五大方面。

2.1 供应链领域区块链关键技术研究

2.1.1 基于物联网和人工智能的钢铁物流数据采集追踪技术

应用基于物联网和人工智能的钢铁物流数据采集追踪技术，满足钢铁供应链对物流流转中数据采集、追踪、分析挖掘和可视化展示的需求。包括海量异构数据处理技术、人工智能物流追踪检测技术，区块链数据分析挖掘与可视化技术等，并形成钢铁物流自动化采集追踪框架。

2.1.2 端到端架构区块链数据隐私保护共享技术

端到端架构区块链数据隐私保护共享技术，可有效针对钢铁供应链行业对数据安全防护、隐私保护、供应链内共享的迫切需求。包括区块链的可验证计算技术、区块链的点对点访问授权技术和区块链的数据非对称加密技术等，构建能够同时保证端到端区块链支撑平台授权共享、数据加密与安全防护的保障平台。

2.1.3 端到端架构区块链数据信任的智能合约技术

针对钢铁供应链生产流通过程中的商流、信息流、物流等关键信息的完整、准确、可信要求，可应用区块链智能合约生成技术。包括区块链零知识证明技术、基于承诺的智能合约架构设计和符合承诺协议的验证执行协议等内容，设计实现一套基于承诺的区块链智能合约框架，有效支撑智能合约的生成，利用区块链防篡改特性，确保上传数据的完整、准确、可信。

2.1.4 能耗最优的区块链共识协议与算法

针对现有以POW工作量证明为共识机制的区块链应用普遍存在能源消耗大和双花攻击等缺点，可利用能耗最优的区块链共识协议与算法，包括PBFT实用拜占庭容错算法、基于投票授权的DPOS委任权益证明算法、基于PBFT和DPOS混合共识算法、基于贡献值的POC证明算法等，设计区块链平台共识协议，并实现对应的共识算法。

2.1.5 端到端联盟区块链构建技术

端到端联盟区块链平台整体架构可应对钢铁供应链行业整体需求，得以设计实现平台的核心模块，突破系统隐私保护、共识算法和智能合约等关键技术，掌握侧链技术，分片技术等可扩展性技术，构建一个面向供应链的端到端联盟区块链平台。

2.2 区块链实际应用过程存在的关键问题

2.2.1 区块链平台数据隐私保护共享问题

在区块链数据共享方面，存在的数据隐私和数据共享的矛盾问题，数据信息的可复制性和易传播性使分享无法追踪使用情况。从区块链隐私角度出发，主要围绕基于区块链的可验证计算、区块链数据隐私和区块链数据共享等三个问题。在可验证计算方面，同态秘密分享和安全多方计算存在通信轮数多和通信量大的问题，降低平台运行效率，增加节点验证负担。

2.2.2 智能合约的空间开销大、隐私性不足、人为错误问题

现有的智能合约技术需要在节点上运行复杂、有状态的智能合约程序，这赋予了节点过多的权力，在空间开销、隐私性方面都将产生严重问题，并且在人为错误发生后不可逆转，不可修改。该项目通过设计实现一套基于承诺的区块链智能合约框架，有效支撑智能合约的生成，确保数据的准确、可信、完整。

2.2.3 高效低能耗共识算法设计与区块链拥堵问题

联盟链中的大部分共识算法要求参与节点获得事先授权才能加入，不利于联盟新成员灵活、便捷的加入网络，算法的使用场景受限，半中心化结构存在多节点联合作恶问题。典型的算法虽有效解决了能耗高性能低的问题，但对区块间隔时间和区块体积大小有所限制，因此可处理的交易数量不足以支撑高并发的应用。

3 基于区块链技术的钢铁智能供应链平台

针对存在的库存冗余、资金链更新不及时、业务数据不透明以及数据失真等问题，结合区块链的层次结构、工作原理和技术特征，本研究提出一个基于区块链技术的总体架构(如图1所示)。依托该技术架构，钢铁行业智能供应链平台技术方案通过多个模块在解决数据隐私、智能合约的隐私和空间开销大、智能合约漏洞、区块链应用存在共识效率低、能源消耗大、系统吞吐量低、区块容量小等方面形成关键能力体系。

图1 技术架构

3.1 平台技术方案

采用基于物联网IOT数据采集终端、基于区块链的存储网络节点，基于密钥策略的属性加密技术(KP-ABE)和Shamir门限密钥保护方法，通过整合优化，构建高可用、高性能、稳定安全、隐私共享的安全存储方案，综合各种区块链技术的优势来解决供应链上下游企业间数据真实和追溯与共享时所面临的多种问题，提高运行效率和时效性，降低企业互信成本，并为上层应用提供完整支撑。技术方案如图2所示。

图2 区块链技术方案

3.1.1 物流采集上传模块

由物联网IOT数据采集终端实时收集供应链上的物流信息，经基站中转，发送至区块链联盟链节点，如图3所示。

图3 物流信息采集流

3.1.2 供应链信息填写模块

供应链上下游企业将供应链上的货品需求、电子签章、发票等信息通过系统录入，进入区块链联盟链节点。示意图如图4。

图4 供应链信息填写示意图

3.1.3 信息加密模块

使用基于密钥策略的属性加密(KP-ABE)技术，配置合适的共享策略，将物流采集模块上传的物流数据和供应链企业填写的各种信息进行加密，数据信息采用密文存储，提高信息安全，防止数据泄露。

3.1.4 密钥保护模块

运用Shamir门限方法来保护密钥，采用一轮通信可验证一阶乘法同态的秘密分享方案(NVHSS)，将信息加密过程中使用的密钥进行保护，防止密钥被获得。

3.1.5 节点储存模块

节点存储模块，采用基于委托权益授权算法和实用拜占庭容错算法(DPoS+PBFT)的混合共识机制和对应算法，将 DPoS的授权机制应用于 PBFT 中实现动态授权，通过 DPoS 联盟内拥有投票权的节点动态投票选择记账节点，使用 PBFT 记账节点轮流记账，记账后投票通过，将信息加密后的数据进行存储，完成节点存储的同时，有效提高共识效率，减少共识带来的能源消耗。引入了侧链框架体系，解决主链联盟链主链区块大小不足，使得存储容量可以水平扩展，提高系统的可靠性和访问性能。如图5所示。

图5 去中心化的节点储存

3.1.6 信息共享模块

利用拉格朗日插值算法找到Shamir门限方法来保护的密钥，使用支持高效同态乘法的去中心化外包计算机制(DOC)，可以在数据密文上执行任意阶同态乘法运算；反馈值的验证不再需要昂贵的双线性映射，进而显著提高验证反馈值的效率；显著缩小验证密钥的长度；使用密钥解析加密数据密文，恢复数据，实现供应链上下游企业间数据共享。该机制在保障数据隐私的前提下，可大幅减少服务器节点的数据验证负担和存储空间。如图6所示。

图6 信息共享数据流转示意图

3.1.7 智能合约模块

使用基于承诺的非交互式智能合约协议，包括基于承诺树的合约表示方式、与零知识证明承诺验证机制。智能合约程序的执行结果将由若干复合承诺兑现与否来决定，每个承诺的兑现与否将由第三方节点来计算，分离节点的记账和智能合约程序执行，为密钥保护模块和信息共享模块提供验证承诺能力。有效保护平台功能的安全性。

3.2 关键能力体系

本方案与传统供应链系统相比，解决了供应链上下游企业的数据安全防护加密存储和数据实时透明共享的矛盾问题，有效降低了数据管理方面的成本，增强了企业间数据互信与企业获取真实有效及时的信息，同时提高了整个供应链系统运行的效率。数据流转架构如图7所示。

图7 数据流转架构

通过物联网loT数据采集终端和系统录入可以支持海量供应链数据信息采集，使用基于密钥策略的属性加密(KP-ABE)技术，可以将数据进行加密，增强数据安全，使用Shamir门限方法来保护的数据加密的密钥，防止密钥破解，采用联盟链主链和区块链侧链技术，DPoS+PBFT混合共识机制进行数据的存储与溯源，可以适应数据扩展和持续增长，提高系统的可靠性、可扩展性。当使用数据时，使用智能合约确认使用者权限，利用拉格朗日插值算法找到密钥，解析加密数据密文，恢复数据，实现共享。整个系统，围绕供应链的数据隐私和共享搭建成型，满足了供应链上下游企业对数据的查看实时性要求，数据安全的私密存储要求，数据真实的可溯源查找要求。

4 智能供应链平台应用场景探讨

4.1 钢铁产品质量认证与追溯平台

基于智能供应链平台，钢铁企业与上下游企业及物流服务商多方共同记账，将原料采购、生产加工、产品检验、物流运输的全过程流转信息写入区块链，可有效实现钢铁行业的产品防伪和质量监管。通过共识机制保证每个节点数据存储的一致性，每根钢材经过“一物一码”的标识，拥有独特、安全、透明的 “产品质量认证书”， 使每根钢材的来源可查、去向可追。由于这种唯一性，造假商品很难具备合乎特定规则的商品标识，因而可以快速高效识伪防伪。同时，每一个环节的主体都以自己的身份(私钥)将信息签名写入区块链，信息不可篡改、身份不可抵赖，并以联盟节点身份授予认证和监管机构审查权限。一旦出现纠纷，能够快速定位问题环节，进行举证和追责。

4.2 钢铁供应链金融服务平台

钢铁行业未来的融资模式必然需要经营数据的可量化、动态化与一定程度的透明化，只有这样才能更好地纳入金融机构的采信中，让企业获得更低成本的资金支持，争取更大的技术创新、产品创新投入。而通过钢铁区块链平台，金融服务机构更容易沿着钢铁供应链在上下游找到希望对接的服务主体，使得辐射范围进一步扩大。除提供基本的融资服务之外，平台还可提供更多较之于普通金融机构的增值服务，包括专业化的风险管理咨询服务、钢铁物流配送方案输出以及配套的加工能力。由此，通过大宗商品区块链平台和相关区块链技术，可打破传统钢企管理边界，推动要素资源自由流动，促进产业的一体化发展[9]。

4.3 供应链节点企业信用评价服务

可通过进一步开发基于区块链技术的在实体产业内流通、以信用为核心的数字凭证，脱虚向实、融入实体后，钢铁供应链上的信用点连接成链、成网，开始形成一种以信用为基础的生态圈，因而形成自证闭环，极大提升贸易效率[10]。在此生态中，区块链信用证帮助实现了各方数据实时更新和实时共享，对链上每一笔数据形成难以伪造、难以篡改的记录某一方面允许企业通过企业密钥对供应链上其他企业资质进行追溯，对其诚信状况进行评价；另一方面，也为监管机构、金融服务机构等第三方全面了解交易、快速识别风险，实现“穿透式监管”提供了可能。

4.4 供应链协同与物流流程优化

基于区块链技术，钢铁智能供应链平台同时可提供数据实时共享机制，帮助企业掌握其他参与者供给(库存)与需求(订单)信息，并基于此及时调整生产、采购与库存管理与决策，优化供应链管理，降低成本。而基于区块链技术和电子签名技术，物流单证也向电子化转变，保证单证流和信息流统一，促进物流主体间信息共享、依靠智能合约进一步优化流程，将进一步提升企业间交互自动化程度和便捷度，赋能区块链上下游企业协同效率的提升[11]。

5 总结

河北省委书记王东峰在2020年省委专题会上强调全面提升产业链供应链创新链物流链现代化水平，为创新发展绿色发展高质量发展提供有力支撑。区块链技术涵盖的共享账本、机器共识、智能合约和权限隐私等技术优势，可以有效实现钢铁工业数据互信、互联、共享，而其分布式部署方式则能够根据钢铁供应链不同状况提供分行业、分地域、分阶段、分步骤的理性建设和发展路径。通过进一步优化、完善基于区块链技术的钢铁智能供应链平台架构，将大幅加快供应链体系流转速度，提升河北钢铁行业产业链供应链创新链物流链现有水平，为钢铁企业提供强有力的竞争优势。