基于物联网和联盟链的电力物资全寿命周期管理系统

姜强　刘海涛　刘可可

关键词：电力物资; 全寿命周期; 电子标签; 联盟链; 可信存证

中图分类号：F252.24 文献标识码：A 文章编号：2096-7934（2023）05-0048-06

一、引言

电力物资全寿命周期管理是指电力物资从采购需求的提出到投运后形成电力资产，再到资产退役处置的全過程信息可追溯可跟踪。实现电力物资全寿命周期管理对于电网中单体价值高、质量重要程度高的设备尤为重要。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［1-2］。

为了实物与线上信息做到一一对应，文章采用RFID和二维码标签技术灵活结合的方式实现电力物资“实物流”和“信息流”的绑定。依靠区块链去中心化、信息不可篡改的特点，由电力物资的各个利益相关方共同组成的联盟链可以实现电力物资“信息流”的多方共识可信存证。

二、电力物资管理现状

电力物资全寿命周期主要涉及电力物资供应商、电力施工企业和电力项目业主方，三方之间有实物流、信息流和资金流的交互，如图1所示。电力物资全寿命周期分为工程建设阶段和电网运维阶段，其中工程建设阶段的物资管理又包括计划提报、招标采购、合同履约、仓储管理、物资结算、供应商评价六大环节。电网运维阶段的物资管理（一般称为设备管理、资产管理）包括设备例行试验检修维护、设备处缺抢修、设备大修改造，以及设备的退役报废处置。

图1 物资全寿命周期三方三流线

通常工程建设阶段的物资管理和电网运维阶段的物资管理归属于不同的部门，有时候物资出库前和出库后的物资管理也归属于不同的部门。这样一种管理职责的划分虽然分工明确但两者之间的信息互通共享不够充分，电力物资全寿命周期的实物流和信息流，有可能出现信息的部分丢失或出错［3］。

三、电力物资全寿命周期物资ID

全寿命周期管理本质上是通过信息流真实反馈实物流的过程，依靠信息的呈现去追踪实物以及相关供应链活动的情况，这就要求实物与线上信息必须一一对应，否则会存在溯源对象与结果错乱的问题。因此，实物与信息的唯一稳定绑定是实现全寿命周期管理最底层的逻辑关键。

文章通过物资ID建立实物与线上信息不可变更的唯一关联关系。物资ID的编码规则为：

1位类型码+10位物料编码+3位供应商代码+8位日期+3位流水号+1位校验码。

类型码：0—不可拆分单体物资，例如配电变压器；1—可拆分批量物资，例如电缆。

在物资管理系统内向供应商下采购订单或排产单环节，由系统自动生成物资ID编码并通知供应商。由供应商负责按照编码规则制作标签并在设备出厂前固定在物资表面明显位置。

市场上比较常用的物联网标签有条形码、二维码、数字隐码、电子墨水标签、ＲFID 标签、NFC 标签等。本文综合考虑各种标签的优缺点，对于柱上变压器、开闭器、环网柜、柱上断路器等设备采用RFID标签［4］。RFID标签应固定牢固，防水防腐蚀，表面应同时印制编码的二维码形式。其余物资采用不干胶标签，表面印制物资名称、数量、生产厂家和编码的二维码形式。可拆分批量物资只需将标签粘贴到外包装上或其中某一件物资表面，不重复粘贴。

四、物资ID与现有物资管理系统的结合

（一）物资出库前物资ID与信息系统绑定

物资ID作为线上线下物资的唯一识别编码，首先要解决的是物资ID生成机制的问题。为此需要对现有物资管理系统进行改造，增加物资ID生成模块并将物资ID嵌入全业务流程中，如图2所示。

图2 物资ID嵌入全业务流程

在物资入库阶段，供应商送货需要从物资管理系统中打印出带有条形码的采购订单，库管员使用PDA扫描条形码，核对PDA显示信息、纸质采购订单信息、送货实物状态三者一致后，使用PDA逐项扫描物资的标签并确认，全部扫描确认后入库操作完成。

在物资退库阶段，施工负责人在物资管理系统上发起工程结余物资退库申请，审批通过后打印出带有条形码的退库申请单，库管员使用PDA扫描条形码，核对PDA显示信息、纸质采购订单信息、送货实物状态三者一致后，使用PDA逐项扫描物资的标签并确认，全部扫描确认后入库操作完成。考虑到退库物资表面的不干胶标签可能已污损，允许库管员使用PDA补打标签后粘贴到退库物资上。

在物资出库阶段，领料人持带有条形码的领料单联系库房领料，库管员使用PDA扫描条形码，核对PDA显示信息、纸质领料单信息，核对无误后将待出库物资移至出库理货区，使用PDA逐项扫描物资的标签并确认，全部扫描确认后出库操作完成。

（二）物资出库后物资ID与信息系统绑定

为了实现电力物资全寿命周期管理的目标，需完成物资出库后，也就是电力建设以及物资成为资产后电网运维阶段的物资ID与信息系统绑定。此时涉及以物资ID为纽带的多系统信息交互，如图3所示。

图3 以物资ID为纽带的多系统信息交互

施工关键信息不仅包括施工过程中与物资ID绑定的各类试验报告，还包括施工关键环节的影像资料以及来自现场的物资质量评价。并且运维关键信息也包括了设备运维阶段的各类试验报告，巡视检修记录以及来自现场的物资质量评价。

（三）物资管理系统软件体系结构

实现电力物资全寿命周期管理的物资管理系统需要一套专门设计的软件体系结构，包括统一的应用界面，统一的用户、岗位、权限、认证体系，可靠易用的数据接口和强大的数据库支撑，同时还应支持基于联盟链的多利益主体间物资关键信息的可信存证（如图4所示）。

图4 物资管理系统软件体系结构

五、区块链技术与现有物资管理系统的结合

（一）区块链实现方案的对比分析

区块链和物联网技术结合在一起将形成一种全新的信任基础设施［5］。目前，区块链技术主要包括公有链、私有链和联盟链三种形式［6］，三种形式在面向的主体、参与的形式方面均存在差异，如表 1 所示。其中，公链具有典型的完全开放的特點，参与主体可随意加入或退出，进行数据记录与读取; 私链则与公链相反，是由个体组织或个人控制并选择性开放的; 联盟链则是介于公链与私链之间的一种技术形式，是以联盟体形式进行数据记录与发送的，具有半开放、可信度高、成本低的特征，能够从源头上对参与者身份进行验证，非全网开放，能够增强互信、降低交易成本，并发挥联盟各方的相互监督作用，提升可信度。通过分析电力物资管理业务的各利益主体，无疑采取联盟链的形式是最合适的。

文章构建了以电力工程项目的业主方、施工方、监理方、供应商以及电力公司为参与方的物资管理联盟链。在具体实施阶段本文开展了3种不同实现方案的实验研究。第一种方案是上述各参与方分别以各自拥有的本地主机作为全量节点以VPN方式互联构建联盟链网络。我们在物理主机上安装部署了当前流行的开源联盟链Fabric网络［7］。第二种方案是将各参与方的本地主机改为分别租用云服务器的方式实现Fabric网络。第三种方案是直接采用知名互联网公司的区块链服务平台。本文对以上3种联盟链的实现方案从自主可控、可靠性、效率、成本等多个维度进行了对比分析，如表1所示。

表1 3种联盟链实现方案对比分析

经过对比分析可以发现，采用知名互联网公司较为成熟的区块链服务平台在当前是一种快速、低成本搭建联盟链应用的实现方案。文章最终采用了该方案实现物资关键数据的上链存证。

（二）关键数据上链过程

为了满足系统易用性的同时发挥区块链的技术优势，文章设计实现了“单点上链，多点验证”的技术方案。具体来说，“单点上链”指的是在物资管理系统的服务器端，通过区块链服务平台提供的软件开发工具包（SDK）将物资业务关键数据本地存储的同时实时地上链存证。上链数据分为两类，短文本数据通过联盟各方事先约定的对称加密算法和密钥加密后上链存证，文件数据提取文件Hash值上链存证。系统展示的上链过程如图5所示。

“多点验证”指的是物资管理的所有参与方均可以通过物资管理系统提供的交易Hash值或相应的二维码自主的提取区块链服务平台上的关键数据，由于区块链上链存证数据的不可篡改性，保护了物资业务各参与合作方的利益。关键数据验证的示例如图6所示。

由于对称加密算法和密钥为联盟各方事先约定，通过链上数据可以非常容易的解密出原文，同时很好的保护了公司商业秘密。如果上链数据无需保密，可以不采用对称加密算法，直接以明文方式上链，这样获取信息验证信息更为便捷。

六、结论与展望

通过联盟区块链技术和物联网技术对传统电力物资管理系统进行改造，实现了电力物资全寿命周期管理。文章实践证明， 在深入分析现有物资管理软件技术的基础上，充分考虑系统易用性，发挥联盟区块链技术和物联网技术的优势，能够实现电力物资全寿命周期中的关键信息上链存储，依靠智能合约和共识机制实现多利益主体间物资关键信息的可信存证，解决当前物资管理的数据连通模式存在的短板。文章设计实现的系统并非传统电力物资管理系统与区块链和物联网技术结合的最优方案。电力物资全寿命周期管理不光要解决关键数据的可追溯、防篡改，还要解决上链数据的来源真实可信的问题［8］。而文章采用的物资电子标签技术仅仅保证了一小部分的数据来源真实可信。随着区块链和物联网技术基础理论和实践的发展，电力物资管理系统还将不断迭代升级，更好的实现电力物资全寿命周期管理。

参考文献：

［1］王延海. 基于区块链与物联网标签技术的电网物资追踪溯源体系构建研究 ［J］. 供应链管理， 2022， （7）：26-36.

［2］范江东， 高瞻， 袁康培，等. 基于联盟链的电力物资全寿命周期管理体系研究 ［J］. 信息系统， 2020， （4）：57-60.

［3］冯翠香. 区块链技术在电力物资供应管理中的应用 ［J］. 企业管理，2020，  （5）：108-111.

［4］吴缙峰， 龚结龙. 一种基于无源 RFID 的智能仓库物联网关设计 ［J］. 物联网技术，2019， （1）： 44-45.

［5］大卫.弗隆， 克里斯托夫.乌聚罗.区块链的真正商机 ［M］. 杭州：浙江教育出版社，2020.

［6］FLOC. 用Python編程和实践！区块链教科书 ［M］. 北京：中国水利水电出版社，2021.

［7］杨保华， 陈昌. 区块链原理、设计与应用 ［M］. 北京：机械工业出版社，2020.

［8］SIDRAM， VOLKAN D. Trust chain：trust management in block chain and IOT supported supply chains. ［J］. IEEE international conference on block chain， 2019： 184-193.

Total Life Cycle Management System for Power

Supplies Based on IoT and Consortium Chain

JIANG Qiang1， LIU Hai-Tao1， LIU Ke-Ke2

（1.State Grid Beijing Electric Power Company， Beijing 100031）

（2.China Electric Power Research Institute， Beijing 100192）

Abstract： Total life cycle management for power supplies refers to the traceability of the whole process information of power supplies from the proposal of purchasing demand to the formation of power assets after operation， and then to the disposal of assets. Achieving total life cycle management for power supplies is particularly crucial for high-value and highly important equipment in the power grid. Implementing total life cycle management using the current electric material management method is challenging. In this paper， RFID and two-dimensional code label technology are deeply integrated to realize the labeling and coding of the power supplies and documents. It can identify power supplies at any time by scanning code with PDA. In this paper， the key information in the whole life cycle of power supplies is stored on the chain by means of consortium chain. The credible storage of key information among multi-stakeholders is realized depending on intelligent contract and consensus mechanism. This approach resolves the limitations of the current supply managements data connectivity mode， thus paving the way for a new direction in power material management. It explores a new direction for power material management.

Keywords： power supplies; total life cycle; electronic tag; consortium chain; trusted storag