基于物聯(lián)網(wǎng)和聯(lián)盟鏈的電力物資全壽命周期管理系統(tǒng)

姜強(qiáng)　劉海濤　劉可可

關(guān)鍵詞：電力物資; 全壽命周期; 電子標(biāo)簽; 聯(lián)盟鏈; 可信存證

中圖分類號：F252.24 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-7934（2023）05-0048-06

一、引言

電力物資全壽命周期管理是指電力物資從采購需求的提出到投運(yùn)后形成電力資產(chǎn)，再到資產(chǎn)退役處置的全過程信息可追溯可跟蹤。實現(xiàn)電力物資全壽命周期管理對于電網(wǎng)中單體價值高、質(zhì)量重要程度高的設(shè)備尤為重要。電力物資供應(yīng)渠道多變、物資品類繁多、物資數(shù)量龐大、運(yùn)輸方式多樣等特點(diǎn)，不利于實現(xiàn)從物資采購、倉儲管理、物流配送、運(yùn)維管理到報廢處理的全壽命周期的管理［1-2］。

為了實物與線上信息做到一一對應(yīng)，文章采用RFID和二維碼標(biāo)簽技術(shù)靈活結(jié)合的方式實現(xiàn)電力物資“實物流”和“信息流”的綁定。依靠區(qū)塊鏈去中心化、信息不可篡改的特點(diǎn)，由電力物資的各個利益相關(guān)方共同組成的聯(lián)盟鏈可以實現(xiàn)電力物資“信息流”的多方共識可信存證。

二、電力物資管理現(xiàn)狀

電力物資全壽命周期主要涉及電力物資供應(yīng)商、電力施工企業(yè)和電力項目業(yè)主方，三方之間有實物流、信息流和資金流的交互，如圖1所示。電力物資全壽命周期分為工程建設(shè)階段和電網(wǎng)運(yùn)維階段，其中工程建設(shè)階段的物資管理又包括計劃提報、招標(biāo)采購、合同履約、倉儲管理、物資結(jié)算、供應(yīng)商評價六大環(huán)節(jié)。電網(wǎng)運(yùn)維階段的物資管理（一般稱為設(shè)備管理、資產(chǎn)管理）包括設(shè)備例行試驗檢修維護(hù)、設(shè)備處缺搶修、設(shè)備大修改造，以及設(shè)備的退役報廢處置。

圖1 物資全壽命周期三方三流線

通常工程建設(shè)階段的物資管理和電網(wǎng)運(yùn)維階段的物資管理歸屬于不同的部門，有時候物資出庫前和出庫后的物資管理也歸屬于不同的部門。這樣一種管理職責(zé)的劃分雖然分工明確但兩者之間的信息互通共享不夠充分，電力物資全壽命周期的實物流和信息流，有可能出現(xiàn)信息的部分丟失或出錯［3］。

三、電力物資全壽命周期物資ID

全壽命周期管理本質(zhì)上是通過信息流真實反饋實物流的過程，依靠信息的呈現(xiàn)去追蹤實物以及相關(guān)供應(yīng)鏈活動的情況，這就要求實物與線上信息必須一一對應(yīng)，否則會存在溯源對象與結(jié)果錯亂的問題。因此，實物與信息的唯一穩(wěn)定綁定是實現(xiàn)全壽命周期管理最底層的邏輯關(guān)鍵。

文章通過物資ID建立實物與線上信息不可變更的唯一關(guān)聯(lián)關(guān)系。物資ID的編碼規(guī)則為：

1位類型碼+10位物料編碼+3位供應(yīng)商代碼+8位日期+3位流水號+1位校驗碼。

類型碼：0—不可拆分單體物資，例如配電變壓器；1—可拆分批量物資，例如電纜。

在物資管理系統(tǒng)內(nèi)向供應(yīng)商下采購訂單或排產(chǎn)單環(huán)節(jié)，由系統(tǒng)自動生成物資ID編碼并通知供應(yīng)商。由供應(yīng)商負(fù)責(zé)按照編碼規(guī)則制作標(biāo)簽并在設(shè)備出廠前固定在物資表面明顯位置。

市場上比較常用的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)簽有條形碼、二維碼、數(shù)字隱碼、電子墨水標(biāo)簽、ＲFID 標(biāo)簽、NFC 標(biāo)簽等。本文綜合考慮各種標(biāo)簽的優(yōu)缺點(diǎn)，對于柱上變壓器、開閉器、環(huán)網(wǎng)柜、柱上斷路器等設(shè)備采用RFID標(biāo)簽［4］。RFID標(biāo)簽應(yīng)固定牢固，防水防腐蝕，表面應(yīng)同時印制編碼的二維碼形式。其余物資采用不干膠標(biāo)簽，表面印制物資名稱、數(shù)量、生產(chǎn)廠家和編碼的二維碼形式。可拆分批量物資只需將標(biāo)簽粘貼到外包裝上或其中某一件物資表面，不重復(fù)粘貼。

四、物資ID與現(xiàn)有物資管理系統(tǒng)的結(jié)合

（一）物資出庫前物資ID與信息系統(tǒng)綁定

物資ID作為線上線下物資的唯一識別編碼，首先要解決的是物資ID生成機(jī)制的問題。為此需要對現(xiàn)有物資管理系統(tǒng)進(jìn)行改造，增加物資ID生成模塊并將物資ID嵌入全業(yè)務(wù)流程中，如圖2所示。

圖2 物資ID嵌入全業(yè)務(wù)流程

在物資入庫階段，供應(yīng)商送貨需要從物資管理系統(tǒng)中打印出帶有條形碼的采購訂單，庫管員使用PDA掃描條形碼，核對PDA顯示信息、紙質(zhì)采購訂單信息、送貨實物狀態(tài)三者一致后，使用PDA逐項掃描物資的標(biāo)簽并確認(rèn)，全部掃描確認(rèn)后入庫操作完成。

在物資退庫階段，施工負(fù)責(zé)人在物資管理系統(tǒng)上發(fā)起工程結(jié)余物資退庫申請，審批通過后打印出帶有條形碼的退庫申請單，庫管員使用PDA掃描條形碼，核對PDA顯示信息、紙質(zhì)采購訂單信息、送貨實物狀態(tài)三者一致后，使用PDA逐項掃描物資的標(biāo)簽并確認(rèn)，全部掃描確認(rèn)后入庫操作完成。考慮到退庫物資表面的不干膠標(biāo)簽可能已污損，允許庫管員使用PDA補(bǔ)打標(biāo)簽后粘貼到退庫物資上。

在物資出庫階段，領(lǐng)料人持帶有條形碼的領(lǐng)料單聯(lián)系庫房領(lǐng)料，庫管員使用PDA掃描條形碼，核對PDA顯示信息、紙質(zhì)領(lǐng)料單信息，核對無誤后將待出庫物資移至出庫理貨區(qū)，使用PDA逐項掃描物資的標(biāo)簽并確認(rèn)，全部掃描確認(rèn)后出庫操作完成。

（二）物資出庫后物資ID與信息系統(tǒng)綁定

為了實現(xiàn)電力物資全壽命周期管理的目標(biāo)，需完成物資出庫后，也就是電力建設(shè)以及物資成為資產(chǎn)后電網(wǎng)運(yùn)維階段的物資ID與信息系統(tǒng)綁定。此時涉及以物資ID為紐帶的多系統(tǒng)信息交互，如圖3所示。

圖3 以物資ID為紐帶的多系統(tǒng)信息交互

施工關(guān)鍵信息不僅包括施工過程中與物資ID綁定的各類試驗報告，還包括施工關(guān)鍵環(huán)節(jié)的影像資料以及來自現(xiàn)場的物資質(zhì)量評價。并且運(yùn)維關(guān)鍵信息也包括了設(shè)備運(yùn)維階段的各類試驗報告，巡視檢修記錄以及來自現(xiàn)場的物資質(zhì)量評價。

（三）物資管理系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

實現(xiàn)電力物資全壽命周期管理的物資管理系統(tǒng)需要一套專門設(shè)計的軟件體系結(jié)構(gòu)，包括統(tǒng)一的應(yīng)用界面，統(tǒng)一的用戶、崗位、權(quán)限、認(rèn)證體系，可靠易用的數(shù)據(jù)接口和強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫支撐，同時還應(yīng)支持基于聯(lián)盟鏈的多利益主體間物資關(guān)鍵信息的可信存證（如圖4所示）。

圖4 物資管理系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)

五、區(qū)塊鏈技術(shù)與現(xiàn)有物資管理系統(tǒng)的結(jié)合

（一）區(qū)塊鏈實現(xiàn)方案的對比分析

區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合在一起將形成一種全新的信任基礎(chǔ)設(shè)施［5］。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)主要包括公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈三種形式［6］，三種形式在面向的主體、參與的形式方面均存在差異，如表 1 所示。其中，公鏈具有典型的完全開放的特點(diǎn)，參與主體可隨意加入或退出，進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與讀取; 私鏈則與公鏈相反，是由個體組織或個人控制并選擇性開放的; 聯(lián)盟鏈則是介于公鏈與私鏈之間的一種技術(shù)形式，是以聯(lián)盟體形式進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄與發(fā)送的，具有半開放、可信度高、成本低的特征，能夠從源頭上對參與者身份進(jìn)行驗證，非全網(wǎng)開放，能夠增強(qiáng)互信、降低交易成本，并發(fā)揮聯(lián)盟各方的相互監(jiān)督作用，提升可信度。通過分析電力物資管理業(yè)務(wù)的各利益主體，無疑采取聯(lián)盟鏈的形式是最合適的。

文章構(gòu)建了以電力工程項目的業(yè)主方、施工方、監(jiān)理方、供應(yīng)商以及電力公司為參與方的物資管理聯(lián)盟鏈。在具體實施階段本文開展了3種不同實現(xiàn)方案的實驗研究。第一種方案是上述各參與方分別以各自擁有的本地主機(jī)作為全量節(jié)點(diǎn)以VPN方式互聯(lián)構(gòu)建聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)。我們在物理主機(jī)上安裝部署了當(dāng)前流行的開源聯(lián)盟鏈Fabric網(wǎng)絡(luò)［7］。第二種方案是將各參與方的本地主機(jī)改為分別租用云服務(wù)器的方式實現(xiàn)Fabric網(wǎng)絡(luò)。第三種方案是直接采用知名互聯(lián)網(wǎng)公司的區(qū)塊鏈服務(wù)平臺。本文對以上3種聯(lián)盟鏈的實現(xiàn)方案從自主可控、可靠性、效率、成本等多個維度進(jìn)行了對比分析，如表1所示。

表1 3種聯(lián)盟鏈實現(xiàn)方案對比分析

經(jīng)過對比分析可以發(fā)現(xiàn)，采用知名互聯(lián)網(wǎng)公司較為成熟的區(qū)塊鏈服務(wù)平臺在當(dāng)前是一種快速、低成本搭建聯(lián)盟鏈應(yīng)用的實現(xiàn)方案。文章最終采用了該方案實現(xiàn)物資關(guān)鍵數(shù)據(jù)的上鏈存證。

（二）關(guān)鍵數(shù)據(jù)上鏈過程

為了滿足系統(tǒng)易用性的同時發(fā)揮區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢，文章設(shè)計實現(xiàn)了“單點(diǎn)上鏈，多點(diǎn)驗證”的技術(shù)方案。具體來說，“單點(diǎn)上鏈”指的是在物資管理系統(tǒng)的服務(wù)器端，通過區(qū)塊鏈服務(wù)平臺提供的軟件開發(fā)工具包（SDK）將物資業(yè)務(wù)關(guān)鍵數(shù)據(jù)本地存儲的同時實時地上鏈存證。上鏈數(shù)據(jù)分為兩類，短文本數(shù)據(jù)通過聯(lián)盟各方事先約定的對稱加密算法和密鑰加密后上鏈存證，文件數(shù)據(jù)提取文件Hash值上鏈存證。系統(tǒng)展示的上鏈過程如圖5所示。

“多點(diǎn)驗證”指的是物資管理的所有參與方均可以通過物資管理系統(tǒng)提供的交易Hash值或相應(yīng)的二維碼自主的提取區(qū)塊鏈服務(wù)平臺上的關(guān)鍵數(shù)據(jù)，由于區(qū)塊鏈上鏈存證數(shù)據(jù)的不可篡改性，保護(hù)了物資業(yè)務(wù)各參與合作方的利益。關(guān)鍵數(shù)據(jù)驗證的示例如圖6所示。

由于對稱加密算法和密鑰為聯(lián)盟各方事先約定，通過鏈上數(shù)據(jù)可以非常容易的解密出原文，同時很好的保護(hù)了公司商業(yè)秘密。如果上鏈數(shù)據(jù)無需保密，可以不采用對稱加密算法，直接以明文方式上鏈，這樣獲取信息驗證信息更為便捷。

六、結(jié)論與展望

通過聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對傳統(tǒng)電力物資管理系統(tǒng)進(jìn)行改造，實現(xiàn)了電力物資全壽命周期管理。文章實踐證明， 在深入分析現(xiàn)有物資管理軟件技術(shù)的基礎(chǔ)上，充分考慮系統(tǒng)易用性，發(fā)揮聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)電力物資全壽命周期中的關(guān)鍵信息上鏈存儲，依靠智能合約和共識機(jī)制實現(xiàn)多利益主體間物資關(guān)鍵信息的可信存證，解決當(dāng)前物資管理的數(shù)據(jù)連通模式存在的短板。文章設(shè)計實現(xiàn)的系統(tǒng)并非傳統(tǒng)電力物資管理系統(tǒng)與區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)結(jié)合的最優(yōu)方案。電力物資全壽命周期管理不光要解決關(guān)鍵數(shù)據(jù)的可追溯、防篡改，還要解決上鏈數(shù)據(jù)的來源真實可信的問題［8］。而文章采用的物資電子標(biāo)簽技術(shù)僅僅保證了一小部分的數(shù)據(jù)來源真實可信。隨著區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)基礎(chǔ)理論和實踐的發(fā)展，電力物資管理系統(tǒng)還將不斷迭代升級，更好的實現(xiàn)電力物資全壽命周期管理。

參考文獻(xiàn)：

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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