区块链技术驱动的电力设计多元融合管理模型设计研究

李志强LI Zhi-qiang；丁小蔚DING Xiao-wei；高旦GAO Dan；杨一鸣YANG Yi-ming

（①浙江华云电力工程设计咨询有限公司，杭州 310000；②上海企源科技股份有限公司，上海 200433）

0 引言

随着信息技术的快速发展，电力设计不断朝着数智化方向迈进，利用数字技术优化设计环境、提升协同效率、保障设计质量更是全面铺开。而从设计全生命周期的管控角度来看，仍存在着设计关键版本记录不全、审图后汇总问题需修改而跟踪困难、设计变更存证缺失、版权管理无序及存档数据安全等亟待解决的一系列问题。

区块链作为前沿信息技术，已被广泛应用于金融、政务等要求高信任基础的商业领域。而其他领域的研究及应用相对较少，特别是具备较强独立性的电力工程设计领域。如：朱兴雄、张毅等探索如何利用区块链技术解决链主信用背书、治理与服务创新等难题[1][2]。郭珊珊针对供应链商品交易存储及溯源问题，利用区块链的去中心化、防篡改等技术提供针对性解决方案并设计其实现机制[3]。申玉民等设计了一种基于区块链的建筑信息模型协同创作系统，采用链下链上协同的存储方式，存储创作过程中修正的图纸信息，保证图纸的版本清晰，为权益划分提供依据，进一步提升图纸信息数据的安全性[4]。而在电力领域，完整的设计过程管控对工程设计、施工、运行、维护都具有极其重要的意义，但全过程研究却较少。在国外，Yasuaki Nakamura和Hiroyuki Dekihara等提出了一种MVR+树的空间数据结构，可排除冗余副本，减少存储容量[5]。Autodesk公司借助CAD实现工程图数据提取、自动赋值、图纸转换工具的定制开发等[6]。完善图纸设计的电子签名及属性信息的读取和入库将极大地提升图档的数字化管理[7]，打造基于网络和数据库技术的设计图纸管理系统方法[8]，便利图档信息的及时更新、整理和维护，以确保其准确性[9]。

上述研究肯定了数字化赋能设计的作用，却鲜少研究如何跟踪、记录设计的演进变化、问题处置、设计变更、工作量确认以及版权管理等方面。而本文提出区块链技术驱动的数字化电力设计多元融合管理体系的创新方法，探索如何优化中心化管理方式，以“区块链+”的形式完成设计信息的提交-传阅-校对-审核-批注-会签-变更-发布-存储-交易端到端管理流程，为数字化电力工程设计多元融合管理提供上链存证溯源服务，实现节点共同维护，推动数字化电力工程设计质量全面提升。

1 模型构建的基础理论

1.1 区块链理论概述

区块链是融合点对点传输、分布式数据存储、共识机制、加密算法等多学科技术的数据管理技术，在节点无需信任的分布式网络中实现基于去中心化信用的点对点交易[10]。在区块链中，区块链数据以区块Bi（i=1，2，…，n）的方式永久储存，其形式化定义如式（1）所示：

其中：区块包含区块头和区块体。区块头存储结构化的数据P，包括版本号、前一区块Hash值、Merkle根、时间戳、区块复杂度、随机数；区块体记录区块产生对应的交易信息T和包含的其他所有信息Q，且核心功能都由区块头实现[11]。

区块链的状态化处理机制，会对状态变化进行确认、记录生成区块，区块记录了创建期间发生的所有交易信息，并按时间顺序连接成链，进而确保所有操作均处于记录链条中且不被篡改。

1.2 智能合约

智能合约作为由计算机处理的、可自动执行合约条款的交易协议[12-13]，以其突出的智能化、功能即服务的方式呈现而备受各方重视。合约涵盖事务处置和保存，以及用于接收和处理各种智能合约的完备状态机，确保保存和处理均在链上完成。预设条件，触发执行，经区块链网络节点验证，链接同步，同步监控部署合约，触发状态机判断并执行合约。

2 模型架构的技术思路

数字化电力工程设计多元融合管理模型，是以区块链作为核心存储机制为基础，创建交易、构造区块、验证合法性、链接区块等步骤实现数字化电力工程设计全生命周期中信息登记、评审、修改、校验、下载、流通等一系列的管理模式。具体模型架构的设计如图1所示。

2.1 用户节点上链机制

2.1.1 交易发起

本文所述用户节点包括：业主、设计总师、设计人员、评审专家、校验人员。用户节点的操作请求可视为交易（数据），区块链节点将交易数据提交区块链中部署智能合约状态机，待触发智能合约算法时，实现数字化电力工程设计信息的登记、校验、评审、修改、下载以及查证等一系列功能。

在多元融合管理区块链中，设计人员依据规则对设计图纸进行专属认证及共享登记，节点立即向区块链网络发起一个请求T1，智能合约算法将自动执行一次请求T6，遍历区块链网络，确认为真，立即向全网广播，登记信息写入新区块，并加盖时间戳，信息数据将不可篡改，且每次操作信息、流向数据均会按照时间顺序以添加记录的形式添加至区块体中，T2~T6同上。

2.1.2 交易处理

出块资格由节点决定，而最终出块资格由共识机制决定。假如现有顺序产生的数据块B1，B2，B3……，计算Hash头的定义如式（2）所示：

式（2）中，‖表示链接，Nonce是随机数。当节点接收交易请求后，数字化电力工程设计多元融合管理区块链网络中形成共识机制，会在本地节点进行数字运算来获取记账权，并计算当前最新的Hash的头部，符合要求后，新的数字化电子工程设计的登记信息区块产生，新区块全网节点广播，当超过50%节点确认，登记信息方可写入区块链中存储[13]。

2.2 区块链P2P网络实现机制

数字化电力工程设计多元融合管理的区块链网络是由所有参与者节点共同构建的分布式P2P网络。

2.2.1 交易信息存储共识机制的优化

在电力设计多元融合管理区块链网络中，采用节点验证组合及POW收益集合的共识机制达成全网共识[14-16]，该共识机制可以使共识区块自身来计算其最大化收益，以保障交易数据存储的有效性和安全性。

在构建新区块的计算过程中，当所有节点都有待提交验证信息时，基于自身收益考量，每一区块都不会改变对别的区块的验证结果[17]。而其数学形式描述即为：B={B1，B2，…，Bn}为节点集合。例如：节点Bi运算后构造信息的区块得到节点验证组合和POW收益，可用集合Gi={Vil，…Vin：ui}来表示。那么节点B i构造信息区块组成的各节点验证组合（Vil，…Vin）Bi∈B中，任何一个参与验证的节点Bj提交给节点Bi的验证结果为Vij，并满足式（3）-（5）：

那么依据这一轮交易信息区块记账权，分情况取得Hash运算的最佳区块。

2.2.2 执行共识机制构建区块链接

网络中任一节点，需要3个要素——区块、难度值、工作量证明函数方可生成一个新交易信息区块并写入区块链。构造新区块过程当中通过同步来取得下一区块的记账权，在此期间网络中没能确认的交易进行收集T={T1，T2，…，Tn}。数字化电力工程设计交易区块难度值决定产生新区块需要进行的Hash运算，新区块头的难度值Hd用于设定下一步的目标（Target）。在交易执行和验证过程中，可对交易的数字签名和合法性进行验证，结果为真的交易会通过SHA256（SHA256（））计算获得哈希值，记录在区块头Merkle根。此外，会根据数字化电力设计管理区块所包含的重要信息进行计算和收集，形成交易信息数据列表，记录在区块体的交易信息处，区块信息如图2所示。

由此，构造出不包含随机数Nonce的交易信息区块Bi，再执行共识算法构建数字化电力工程设计区块B。根据Bi区块头的难度值Hd，定义这一区块的难度系数为Target，Target=2256/Hd，会相应地生成一个随机数Nonce，然后通过POW函数运算得到FinalHash值，如果FinalHash＜Target，那么构建数字化电力设计管理区块B成功。该构建区块过程形式表示如式（6）所示：

其中，F为符合条件的FinalHash值，POW表示工作量共识算法函数，Hi为Bi的区块头，Tx为数字化电力工程设计多元融合管理区块B中确认交易的Hash值，Nonce为随机数，datatorrent为这一区块伪随机种子产生的数据集。

构造出新的数字化电力工程设计区块后，全域广播，各节点验证，真则同步新区块至数字化电力设计多元融合管理区块链上。其他环节，如电力设计更改、上传等同理。数字化电力工程设计区块链接的形式化表示如式（7）所示：

式（7）中，区块B产生于t+1时刻，其确认的交易有n次（T1，T2，…，Tn）；S为区块B链接的数字化电力设计管理区块链状态转换函数；η为单次交易产生的状态转换函数；Ct是在t时刻区块链状态；Ct+1是添加了新区块B之后的区块链状态；通过了全网的验证与链接，交易被确认且永久地记录到数字化电力工程设计管理区块链上，且永远无法修改。

2.2.3 电力工程设计区块存储体系结构

在融合管理模式下，区块链网络存储体系多采用多级访问控制模式。从设计、补充信息录入、评审、修改、更新上传到查询下载再到其他节点使用数字化电力工程设计图纸请求，完成电力工程设计流转的全过程且实现交易数据记录动态上链存储。动态数据对应的是电力设计图纸登记和使用权的转移。下面分析相邻区块进行数据交互。

电力工程设计管理区块链网络为链上各节点生成密匙对（PKi，SKi），确保允许相邻的区块进行通信。从Bi→Bi+1，区块Bi产生的动态交易信息数据编码为Si。通信采用散列迭代的方式，通过式（8）运算得到消息认证码（HMac）：

式（8）中，PKi为发送方公钥，Si为所要发送的信息，H为散列函数，⊕表示异或，‖表示链接，odata与idata表示事先指定的字符串。

在数字化电力设计管理区块链中，新区块B可用四元数组（a，b，c，d）表示，a为区块序号，b为区块链中不同区块交易信息类型，c为新区块中这一交易信息长度，d为动态交易信息数据编码格式。

2.3 电力工程设计管理模型智能合约设计

新模型下需要建立覆盖任务分派、登记、修改会签、设计查询、版权确认等方面的多个数字化电力设计智能合约，以实现设计全生命周期管理。其中：

①组件登记智能合约凸显签证信息，注册登记的同时在链上部署组件登记智能合约，通过初始化注册函数构造合约拥有者群组，以权限触发合约调用。若登记成功，返回由该数据特征值提取的Hash值，作为这一数字化电力工程设计组件的唯一标识和产权标识。

②修改确认类智能合约覆盖所有修改确认信息。新模型建立的修改会签确认类智能合约是按照问题重要程度进行设计，当有用户发出修改请求时，确认用户在接受到请求后，会调用修改确认智能合约协议，触发本次确认，如修改规格符合合约要求，则通过，反之，则不通过。

③查询权限类智能合约具有较高的灵活性，依据查询权限智能合约，查询请求会调用智能合约中的查询权限协议，触发本次交易。相关查询或使用次数与版权使用费用标准挂钩，合约自动计算版权方的收益（Token）。

3 数字化电力设计分布式存储及激励机制

3.1 数字化电力工程设计分布式存储

中心化数据库存储有利于管理，但效率低且有数据安全问题。从前节可知，链上区块只记录交易信息、智能合约、摘要备注等信息和文件小于256k的数据，需要规避较大数据直接存储上链而导致存储超负荷。区块链为解决大数据存储，采用星际文件存储系统，其拥有分布式数据分发协议，能够将所有具有相同文件管理模式的计算设备连接在一起。星际文件存储系统会自动将大的数据文件拆分区划为多个小数据文件，小数据块文件分布存储到众多节点电脑上。同时为了保证数据的安全性和可靠性，区块链星际文件存储系统分布式存储协议会将每份数字化设计图档复制3份以上，分散存储。区块链用户节点可以分为两类，一类是轻节点，诸如设计人员，能够构成区块、完成智能合约、验证区块等，实现数字化电力设计多元融合管理区块链的维护、登记、查询、下载等操作；而另一类是全节点，可进行轻节点的所有操作之外，还能贡献出一定的存储空间来存储数据。

设计成果被上传到星际文件存储系统节点后，名称由数据内容衍生的加密Hash值得到，任意修改Hash值均会出现较大差异。同时，星际文件存储系统会计算全网星际文件存储系统节点数量，将数字化电力设计及副本分成若干个数据块存储于各个星际文件存储系统节点，并通过分布式Hash表查找对应Hash值，快速检索对应设计数据节点，彻底改变了数字化设计图纸的存储、修改确认、版本管控以及查询方式等。

3.2 数字化电力工程设计多元融合管理区块链共识激励机制

共识机制是引导各方参与设计区块链的核心准则，是各方贡献以及获取权益的证明[17]。通过建立智能合约，形成全网节点共识，创造出区块链上Trustless记账机构，保证数字化电力工程设计相关材料的各次上传、校验、审核、下载、检索、浏览等所有操作在所有记账节点上的一致性及按贡献获得代币（Token）激励。

通过借鉴国内外基于区块链的内容型社区币乎的激励机制，设计领域的激励机制思路如下：电力工程设计资源建设池（总量60%）每年释放所属池余额的10%，奖励给提供电力工程设计校验的用户；电力工程设计价值奖励池（占20%），每年释放所属池余额的10%，按电力工程设计利用率奖励给设计者；数据存储安全维护池（占15%）每年释放所属池余额的10%，奖励给提供存储空间的星际文件存储系统节点用户；电力工程设计区块链网络运行和推广池（5%）分配给辅助性运行推广者。

4 结语

本文针对电力工程设计领域的众多核心问题，提出基于区块链技术的数字化电力工程设计多元融合管理体系模型，解析了区块链数字化电力工程设计交易信息存储机制；建立了智能合约算法分类协议以实现协同；借鉴星际文件存储系统P2P分布式存储实现数字化电力工程设计信息的安全存储和有效管理。本文仅对区块链技术解决数字化电力工程设计多元融合管理问题领域做了初步的探索，尚未触及底层区块链平台选型、客户端开发、智能合约编写等问题，结合电力设计行业特点，探索“区块链+设计”将带来不可估量的应用价值。