燃气联盟链技术在燃气业务场景中的应用

刘世章，戴松霖，王歌

昆仑数智科技有限责任公司

0 引言

由于燃气种类的多样性及不同介质的存储特性，城镇燃气可采用管道、槽车、钢瓶等多种供应方式。燃气业务场景涉及销售、使用环境检验与建设、发货、收款、后期运维等诸多复杂环节，参与主体众多、历时较长，存在着需求响应不便、信息共享与追溯困难、业务协同效率低及纸质材料电子化程度低等问题。

随着国家石油天然气管网集团有限公司的成立，天然气销售与管输分离，天然气市场变得更加公平和开放，竞争也更加激烈。同时，发改价格〔2021〕689号《关于“十四五”时期深化价格机制改革行动方案的通知》、安委〔2020〕3号《全国安全生产专项整治三年行动计划》等燃气相关政策的密集出台，促使燃气运营朝着更为安全、规范的方向发展。为了保障燃气行业的健康发展，在信息技术不断革新的时代机遇下，将数字化技术与燃气业务相结合，推动燃气行业的智能化转型已成为燃气企业转型发展的重要手段。

区块链技术起源于2008年中本聪的论文《比特币：一种点对点电子现金系统》［1］。作为一种去中心化的数据库系统，区块链凭借着去中心化、数据透明、防篡改、可追溯等特点在促进数据共享、优化业务流程、提高协同效率等方面具有重要作用，目前已在金融、物流、医疗、信息安全等领域得到广泛应用。在能源领域，国内外正积极探索区块链在石油、天然气、可再生能源及电力产业中的应用模式。中国国家能源局在《2021年能源工作指导意见》［2］中指出要“探索北斗系统、5G、区块链等新技术新装备在能源领域的推广应用”，2022年8月国家能源局发布的国能综通法改〔2022〕45号《国家能源局2022年深化“放管服”改革优化营商环境重点任务分工方案》中亦提出要推动建设基于区块链等技术应用的交易平台。

本文基于区块链原理，针对当前国内燃气业务中的痛点与需求，探讨了燃气联盟链平台在燃气需求响应建设、钢瓶溯源、燃气报装、管网建设信息共享等4个典型场景的应用。

1 区块链技术及应用现状

1.1 区块链技术

区块链由存储数据的“区块”和连接区块的“链”组成。存储数据的“区块”包括“区块头”和“区块体”两部分，其中，“区块头”存储版本号、前一区块哈希值、时间戳、目标哈希等信息，用于链接前一区块并保证数据的完整性；“区块体”存储了经过多方验证的交易数据信息。运行一定周期的数据以区块为单位存储后，按照区块生成的时间顺序排列连接从而形成单向的链式存储结构，具体见图1。广义来说，区块链技术是利用加密链式区块结构来验证与存储数据，利用分布式节点共识算法来生成和更新数据，利用自动化脚本代码（智能合约）来编程和操作数据的一种全新的去中心化基础架构与分布式计算范式［3］。

图1 区块链存储结构

区块链的工作流程主要包括生成区块、共识验证和账本维护3个步骤［4］。新的交易会在区块链所有节点中传播，每个节点都可将交易写入区块并在新区块上寻找工作量证明解。当某个节点找到工作量证明解时，该节点将其记录的数据区块广播至全网，全网节点接收区块并进行顺序共识和内容检验，当新区块得到全网多数节点的认可时被链接至区块链。链上账本全网同步，由多个节点维护和管理。总体来看，区块链技术具有5个主要特点：去中心化、数据开放透明、难以篡改与可追溯、合约执行自动化和匿名公平［5-6］。

（1）去中心化。区块链网络是由多个节点构成的P2P（点对点）网络，数据在节点中互为备份，由多个节点共同维护，不存在中心化的设备和管理机构。当某个节点出现故障或自由加入和退出网络时，整个系统能维持正常运行。因此，基于区块链的数据储存具有较高的可靠性和鲁棒性。

（2）数据开放透明。在协商一致的规范和协议下，区块链系统中的所有节点能够在去信任的环境安全地交换数据，并在权限允许的情况下查看和记录链中的完整数据。整个区块链系统的运作对于节点来说都是公开透明的。

（3）难以篡改与可追溯。时间戳及链式的存储结构保证了区块内数据的不可逆性和可追溯性。除非能够同时控制整个系统中超过51%的节点，否则系统中单个或少数节点上的数据修改是无效的。

（4）合约执行自动化。区块链中的智能合约技术能通过代码的形式规定合约中每一方需要履行的义务和执行条件，节点根据触发条件自动履行义务。

（5）匿名公平。区块链中采用了非对称加密算法来保护用户节点的身份信息，用户对外公布的只是加密后的哈希地址，而其他用户无法从该地址中读取任何有效信息，从而为用户提供了隐私安全保障。

1.2 区块链技术发展趋势

区块链1.0时代的代表技术为分布式账本，代表应用为比特币系统。比特币是使用分布式账本技术的领先加密货币，为那些对“货币互联网”感兴趣的人充当分散式互联网支付系统。他们创建了一种简单而安全的方式来执行金融交易，从而无需依赖任何第三方机构。

随着区块链技术的迭代和更新，2014年由Vitalik Buterin开发的以太坊（Ethereum）诞生，成为了区块链2.0时代的里程碑。在以太坊中有一些新的技术丰富了区块链技术生态，如智能合约［4］等。智能合约是自动执行的计算机程序，无需第三方即可验证、促进和执行合同协议的履行。

区块链3.0时代衍生到应用平台，包括物联网［7］和智慧医疗［8］等。区块链3.0是去中心化应用程序的概念，更广为人知的是DApps。DApps是一种应用程序，其后端代码是在去中心化的对等网络上而不是集中式服务器上运行。该技术允许在没有中央授权或服务中断的情况下进行数据操作。区块链3.0通过使用智能合约和革新任务来提高应用程序的效率、可扩展性和安全性。

目前，区块链技术正在经历划时代的变革，区块链4.0时代致力于建立可信任生态体系，将区块链技术应用于各行各业中，如文化娱乐、通信设施等领域［9］。区块链4.0充分考虑了与工业4.0的结合，重点关注区块链技术与自动化、企业资源规划等系统的集成，其中分布式账本和智能合约技术等为工业4.0建立可信任的技术体系。区块链4.0使企业和行业能够确保其数据安全，并在数字化流程的各方之间建立信任。此外，区块链4.0为着手进行数字化转型的公司提供了更好的可扩展性和隐私控制的可能性。

1.3 区块链应用现状

1.3.1 能源交易

能源行业是区块链最具应用前景的领域之一［10］。区块链的参与不仅有利于构建一个高效、公平、安全的交易环境，其实时更新的特性也有助于实现集中式和分布式之间的实时信息共享，提高供需响应速度，减小能源供给系统的浪费［11］。国内外学者对区块链在能源交易领域的应用已有广泛研究。Yang等［12］基于区块链技术实现了电力数据的共享，提高了电力需求响应的效率。邰雪等［13］利用智能合约存储交易信息并自动执行资金转移，实现了去中心化的电力交易。王健等［14］提出一个基于区块链和连续双向拍卖机制的微电网交易模型，分布式电源和用户分别向市场提交报价和交易电量，市场可根据双方报价自动进行匹配。尤宏亮等［15］设计了一个电力需求响应交易机制，将需求响应交易相关的身份认证、定价算法、结算及监管等与区块链技术进行融合，优化了需求响应的交易流程与效率。

1.3.2 区块链溯源

区块链溯源是指将区块链不可篡改的分布式账本记录特性与物联网等技术相结合，对产品实现产、储、运、销全流程信息的追踪与回溯［16］。通过溯源，消费者可以查询产品的详细信息，提升产品信任度与消费体验；当产品出现质量安全事故时，处理部门也能迅速了解责任相关方。在外贸商品领域，Lee等［17］将区块链应用于电子商务系统中，为商品赋予认证标签并在物流各节点设置数据收集接口，使商品信息安全地共享至最终客户，避免了信息不确定性和不对称性。在食品安全领域，李明佳等［18］以火腿肠供应链为应用场景，分析食品供应链中参与的角色与信息流，构建一个基于区块链的食品安全溯源系统，说明了区块链溯源对提高产品质量监管力度的作用。在以石油、天然气等化工产品为代表的危化品物流中，冯琳琳等［19］通过构建联盟链将危化品生产方、销售方、运输方、储存方、使用方和各级有关监管部门串联在一起，实现了危化品生产、储存、经营、运输、使用到废弃全流程的信息管理。胡松等［20］、徐春波等［21］也指出危化品联盟链的构建能有效地对产品运输过程进行监管，提高事故后追查环节的效率。

1.3.3 工程管理

施工流程信息的碎片化与项目参与方之间的沟通不畅是工程管理过程中碰到的主要问题，区块链技术使工程施工中的信息管理和沟通协调工作获得了高效安全的提升途径。胡晶等［22］将填报、审批等操作数据与其他文件信息都作为交易信息写入区块链，规范同一交易的记录内容，通过交易参与方的私钥签名保证交易内容的可靠性，推动施工过程的无纸化和信息化。胡祥科等［23］利用区块链实现水利工程电子档案存证，结合倒排索引构建技术提升文档检索的效率。朱力等［24］分析了区块链在铁路工程文档审批、工程管理与施工、合同执行与结算、铁路改造升级等多场景下的应用前景，并构造铁路区块链平台系统验证其高效性与安全性。

1.3.4 数据共享

作为一个不可篡改的分布式数据库，区块链使数据兼具透明性和可靠性，能够安全地共享。蒋家昊等［25］基于区块链探索了部门与部门间的细粒度访问控制，细化了联盟链节点的访问能力。牛淑芬等［26］研究了区块链在电子病历数据共享中的应用，医院用私有链存储患者病例，在联盟链上存储关键字的安全索引，使电子病例在医院间共享的同时保证了患者隐私。能源领域，刘合等［27］分析了区块链技术在石油勘探开发数据共享中应用的可行性以及典型场景，提出了石油勘探开发数据共享的整体解决方案。

1.4 区块链在燃气领域应用现状

目前，区块链技术在石油天然气领域已有初步应用，相关应用案例见表1。从表1可见，交易管理、供应链管理与溯源、信息管理和安全运维是区块链在该领域的重要应用场景，解决了跨组织业务场景的分布式信任、数据溯源和数据共享难题。

表1 区块链技术在油气领域中的典型应用案例

2 燃气联盟链架构及共识机制

区块链根据其使用范围和功能实现主要分为公有链、私有链和联盟链。

公有链是一种完全去中心化的区块链网络，每一个节点都是独立的，任何人都可以加入该网络，并共同参与其管理和维护。在公有链中，每个用户都可以向区块链中添加交易记录，并通过共识算法确保交易的正确性和不可篡改性。公有链的应用场景主要是数字货币，其中比特币是最著名的公有链。

私有链是一种由特定组织或企业管理和维护的区块链网络，只允许授权的节点参与其中。私有链通常具有更高的性能和隐私保护能力，因为参与节点的数量较少且在更加密闭的环境中运作。私有链的应用场景主要是企业内部信息管理、数据共享和产业资产的数字化管理。

联盟链是一种由多个组织或企业共同协作管理和维护的区块链网络，使用共识算法进行交易确认和账本维护。联盟链不像公有链那样去中心化，也不像私有链那样完全由单个实体控制。联盟链的应用场景主要是能源供应链、金融交易、医疗保健等领域。

燃气联盟链基于自主可控的底层区块链技术构建面向燃气领域的联盟链。在底层区块链平台架构中增加了一个监管层，实现对联盟链节点功能的划分，在安全性、去中心化和共识机制方面，根据应用场景灵活设置。

2.1 燃气联盟链平台架构

燃气联盟链平台底层基于自主可控的国产基础联盟链平台构建，内置了智能合约监管的执行引擎、国家商用密码算法（简称国密算法）等自研核心技术，具有内生安全、高效扩展、自主可控等特点，整体架构在逻辑上可分为“网络层—监管层—计算层—应用层”4个层次。燃气联盟链平台总体架构见图2。

图2 燃气联盟链平台总体架构

第一层为网络层，提供高可信的网络通信及身份管理服务，全面支持国密算法。

第二层为监管层，根据不同应用场景支持可插拔的共识机制，通过监管合约可实现对成员节点的监管，通过“合约级”隔离通道保障数据安全，提供支持互操作的跨链通信服务。

第三层为计算层，提供隐私优先的可信计算环境，支持智能合约计算的虚拟机等，支持高级编程语言编写智能合约，支持“函数级”数据加密与访问控制，提供数据全周期监控能力。

第四层为应用层，基于成员节点帮助用户快速构建区块链应用，并可与已有大数据系统及微服务架构无缝对接，为用户提供众多区块链应用方案。

2.2 燃气联盟链节点类型与共识机制

燃气联盟链平台包含共识节点与成员节点两种类型节点，两种节点具备不同权限及功能，可以提高数据流通效率、计算性能及存储安全性。

共识节点通常由监管机构、管理部门或主要发起者部署和维护，逻辑上包括网络层和监管层，也可提供计算层与应用层的服务。共识节点具有平台全部数据，负责验证成员节点计算内容的远程证明，并对写入数据账本的数据进行排序、共识和同步。

成员节点通常由从业机构、业务部门或参与者维护，逻辑上包括网络层、计算层和应用层。成员节点不参与联盟链的共识过程，数据依赖于从一个或多个共识节点进行“合约级”同步，不需要同步数据账本的全部数据。成员节点需具备可信硬件，负责智能合约的计算过程，并通过可信硬件实现“函数级”数据加密与访问控制。成员节点在计算完成后通过加密通道向共识节点出具计算内容和远程证明，再由共识节点验证并写入数据账本。成员节点只需要存储和计算与用户自身相关的数据，因此大大降低了用户的存储和网络压力。

区块链平台的去中心化机制导致其性能和数据流通效率通常受到共识节点数量的影响，随着共识节点数的增加，整个系统性能和数据流通效率不断降低。燃气联盟链将共识与计算过程分离，在成员节点中计算，在共识节点间完成共识。在燃气业务的应用场景中，燃气联盟链不需要全部节点参与共识，仅在共识节点间完成共识和数据复制即可保证数据的一致性，以此提高数据流通效率，降低交易确认时间。其中智能合约仅需在一个成员节点中进行一次计算即可，不需要其他节点通过重新执行来验证计算结果的正确性，因此用户可根据自身实际情况弹性部署，大幅节约计算成本。整个平台的计算压力也通过这种方式分配到各个成员节点，在满足数据一致性的基础上实现了高性能的分布式计算。

燃气联盟链为共识节点提供了可插拔的共识算法，包括PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错算法）等，用户可根据信任模型、硬件条件、性能需求等，结合应用场景的实际需求进行自由选择。在共识算法的选择上，如果共识节点具有强信任关系（无恶意节点），则可选择Raft类领导者选举的共识协议以达到最好性能；如果可能存在恶意节点，则需要根据硬件条件和性能需求选择PBFT等多轮共识算法。

燃气联盟链通过部署不同类型节点，构建由共识节点和成员节点组成的联盟链，可以根据业务参与方的角色和权责不同，以及业务复杂程度，增加一些辅助系统机制，降低完全去中心化的建设成本。

3 燃气联盟链的业务场景应用

3.1 燃气联盟链的需求响应场景应用

目前中国天然气消费市场处于“冬季高、夏季少”的局面，冬季的用气量增速远远高于非采暖季，致使天然气消费量变化呈明显的“U”字型特征，未来天然气消费峰谷更为明显，面临的峰谷差问题愈加严峻，调峰需求越来越大。在燃气批发销售业务中，燃气供应商往往通过制定资源采购计划购买气源，并基于计划分配各区域销售量，以实现供给侧的进销平衡。但计划预估的燃气需求与实际需求之间往往存在差异，因此无法达到真正的供需平衡，容易产生“压气”和“缺气”两级分化现象［28］。此外，供需双方的数据管理系统类型多样，数据的存储格式也不一致，供需匹配信息无法得到及时传递与响应。

针对以上问题，燃气联盟链为燃气销售企业的各级区域公司和大型工商用户提供一个智能的燃气响应和交易平台，不仅能保障区域公司间需求信息安全、及时地共享，亦能提高需求响应的效率。在燃气联盟链中，参与方包括各区域公司销售部门、工商燃气用户、财务结算部门和监管机构。监管机构是用户资格的审核方，同时负责交易规则与智能合约的转换和管理，对交易的过程及链上信息进行监管。区域公司销售部门和工商燃气用户首先需要按要求注册并填写账户信息，经审核后参与链上燃气交易。图3为基于某燃气联盟链的需求响应流程图，燃气供应方和需求方将燃气信息发布到燃气联盟链上，交易双方既可在场外确定交易量、价格等合同内容，在链上触发智能合约完成供用气合同的签订与结算，也可由系统竞价，匹配出最适合的供需双方并发起交易，双方在商榷并确定合同内容真实无误后完成签订与结算。

图3 基于燃气联盟链的需求响应业务流程

3.2 基于燃气联盟链的钢瓶流转溯源

钢瓶供气是LPG（液化石油气）零售中的主要供给方式。LPG储配站利用专用灌装机具将液化石油气灌装到钢瓶里，并经供应站或直接销售给用户。LPG易燃易爆，危险性强，提高瓶装用气的安全保障是稳定瓶装LPG销量的有效措施。因此，加强钢瓶在灌装、流通、使用、维修、报废各环节的全生命周期管理，实现钢瓶溯源迫在眉睫。区块链能实现多方共同记录溯源信息，使链路可追溯，溯源信息被记录后不可篡改，有利于钢瓶流转全过程的规范管理。同时，钢瓶事故发生时有助于查找事故原因。

燃气联盟链平台针对家庭常用的LPG钢瓶，运用电子标签和物联网技术，在灌装环节改变传统人工识别、手工纸记录的方式，采用数字网络技术对每个钢瓶安装可扫描识别的数字化标识，并利用区块链建立气瓶电子档案。按照“一瓶一码、一瓶一档、扫描识别、自动记录”的原则和方法，对气瓶实行全过程溯源管理，数据实时上链，使液化气瓶管理规范化，杜绝了非法气瓶充装，保障了市民用气安全。

目前，LPG钢瓶在流转过程中主要经过空瓶质检、钢瓶灌装、车辆运输、钢瓶售出与回收利用5个环节。钢瓶出厂时，绑定基于区块链的唯一产品ID，建立数字身份，由质检站对合格钢瓶贴码激活并上传钢瓶生产信息。基于燃气联盟链的钢瓶溯源系统，以电子二维码为基础实现钢瓶流转全过程的信息记录、追踪与溯源，其溯源流程见图4。在空瓶质检环节，主要节点为质检中心，由质检人员上传质检和空瓶入库信息；在钢瓶灌装环节，节点为充气站，由充气站员工上传充气和钢瓶入库信息；物流公司在质检中心与充气站、充气站与供应门店间起连接作用，由物流工作人员上传空瓶出库或钢瓶入库、钢瓶运输信息；在钢瓶售出环节，由配送员向终端用户配送钢瓶并上传供应门店钢瓶出入库、订单和用气设施检验与回收信息。

图4 基于燃气联盟链的钢瓶溯源业务流程

3.3 基于燃气联盟链的燃气报装管理

对普通居民而言，燃气报装业务涉及报装受理、现场勘察、方案设计、方案反馈、合同签订与缴费、上门施工、中间与竣工检查、通气受理等多个阶段。全流程具有部门跨度大、关联人员多、审批环节繁琐的特点，无法确保不同阶段的参与方即时参与填报或审批，对接和反馈的滞后直接影响了整体施工项目的效率。

通过对普通居民燃气报装业务流程进行梳理，结合联盟链的去中心化和数据透明安全的特点，在平台上重新架构后的燃气联盟链居民燃气报装业务管理流程见图5。流程中区块链节点主要分为报装客户、销售部门、建设部门和监理方在居民燃气报装业务流程中，各节点按规定格式上传报装申请、设计、施工、验收、结算合同等信息，可信环境下的信息记录减少了签字和盖章环节，提升项目完工效率的同时也保障了全流程信息的完整性。当燃气项目后期出现安全问题或需要改造时，相关数据能被快速检索，从而保证了居民燃气报装流程中的质量控制和安全管理。

图5 基于燃气联盟链的居民燃气报装管理业务流程

3.4 基于燃气联盟链的管网建设信息共享

燃气管道建设是实现管道通气的基本条件，也是城燃企业成功发展客户的前提之一。尽管信息化的推动使得管道通气业务的线上办理得以快速发展，但在集中式的管理模式下，数据库若出现故障或遭到恶意攻击，所有燃气管道数据将面临丢失、泄露、篡改的风险，安全风险较高。同时，数据的不透明性也使得工程相关方有机会伪造、篡改、后补管道建设数据，不利于工程质量的实时监督和事后追责。此外，施工勘察与设计资料、用气合同等文件的电子化程度较低，都会增加材料的保存与管理成本，当出现管道改装需要或工程纠纷时，相关资料的提取效率不高［28］。

此外，燃气管网的建设还需考虑区域地理状况、现存管网、在建管网、其他现存或计划建设工程等多个方面，诸多数据信息涉及政府管理方、公司管理方和施工方。鉴于此，基于燃气联盟链的燃气管网建设信息共享系统，可以高效地将政府、管道运营企业及施工方的相关数据共享，有利于优化管网路径，避免管网跨越交叉、安全距离不足、同一地域重复开挖、部分地域保护等冲突［29］。如图6所示，在燃气联盟链管网建设信息共享架构中，区块链节点主要分为施工方、公司管理方和政府管理方。施工方受公司委托，负责燃气管道的勘探与规划、建设与维修保养，向数据共享链提供管道建设全生命周期的所有数据；公司管理方是燃气管道建设的发起和拥有者，负责向数据共享链提供该公司已建管道、改造管道及新建管道等相关信息；政府管理方负责提供城市建设与未来规划中会对管道布局产生影响的相关工程信息，包括绿化施工、公路道路施工、铁路道路施工等。燃气联盟链管网建设信息共享平台对燃气管道施工质量、后期管网维护、未来管网的规划甚至下游燃气市场的发展规划都会产生深远的影响。

图6 基于燃气联盟链的管网建设信息共享架构

4 结束语

基于燃气业务的运行特点与存在问题，燃气联盟链以区块链技术作为底层逻辑，构建了高效、透明、安全的业务管理平台，使企业的运行与管理模式更加高效，提高了燃气企业在市场中的竞争力。

本文研究了燃气联盟链的平台架构及应用场景，针对燃气销售业务中供需响应不便、瓶装供气溯源难及燃气工程管理效率低三大问题，提供了区块链技术在燃气需求响应建设、钢瓶溯源、燃气报装、管网建设信息共享等4个场景的应用解决方案，拓宽了区块链在燃气行业的应用范围和实践途径，可为燃气企业精细化、科学化经营提供参考。