胡悦嫣^1,2, 黄敏^1,2, 贾大宇^1,2, 高哲明^1,2
1. 东北大学 信息科学与工程学院，辽宁 沈阳 110819;
2. 东北大学 流程工业综合自动化国家重点实验室，辽宁 沈阳 110819
收稿日期：2021-12-19
基金项目：国家重点研发计划项目(2021YFB3300900，2020YFB1712802，2020AAA0109203)；国家自然科学基金重点国际合作研究资助项目(71620107003)；辽宁省"兴辽英才计划"项目(XLYC1802115)；辽宁省高校创新团队支持计划资助项目(LT2016117)。
作者简介：胡悦嫣(1998-), 女, 辽宁沈阳人, 东北大学硕士研究生;
黄敏(1968-), 女, 福建长乐人, 东北大学教授, 博士生导师。

摘要：钢铁企业全流程数据的有效管理是实现实时决策的保障.现有全流程数据管理系统中心化严重，导致容灾性和安全性弱、效率低.本文利用区块链技术，对其账户机制进行改进，设计了钢铁全流程数据管理方案.首先，描述了全流程数据管理的业务需求和难点；其次，采用实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance，PBFT)共识机制和智能合约技术，设计了基于联盟链的全流程数据管理系统结构模型；然后，针对传统区块链账户只有一种资产的弊端，提出了一种新的资产账户管理机制——多种资产账户，进而提出了相应的账户内资产转化算法和账户间资产交易算法；最后，对系统特征和效率进行了对比分析.结果表明，该系统与传统的中心化系统相比，安全性和容灾性较强，效率较高.
关键词：钢铁全流程数据管理联盟链多种资产账户账户内资产转化算法账户间资产交易算法
Whole Process Data Management of Iron and Steel Enterprises Based on Blockchain Technology
HU Yue-yan^1,2, HUANG Min^1,2, JIA Da-yu^1,2, GAO Zhe-ming^1,2
1. School of Information Science & Engineering, Northeastern University, Shenyang 110819, China;
2. State Key Laboratory of Synthetical Automation for Process Industries, Northeastern University, Shenyang 110819, China
Corresponding author: HUANG Min, E-mail: mhuang@mail.neu.edu.cn.

Abstract: The effective management of whole process data in iron and steel enterprises guarantees the realization of real-time decision-making. The centralization of the existing whole process data management systems is serious, resulting in weak disaster recovery and security and low efficiency. Using blockchain technology to improve its account mechanism, a scheme of iron and steel whole process data management is designed. Firstly, the business requirements and difficulties of whole process data management are described. Secondly, practical Byzantine fault tolerance(PBFT)consensus mechanism and smart contract technology are adopted to design the structural model of the whole process data management system based on the alliance chain. Thirdly, in view of the disadvantage that traditional blockchain accounts have only one kind of asset, a new account mechanism—multiple asset account is designed, then the corresponding asset conversion algorithm in the account and asset transaction algorithm between accounts are proposed. Finally, the characteristics and efficiency of the system are compared and analyzed. The results show that compared with the traditional centralized system, the system has stronger security, stronger disaster tolerance and higher efficiency.
Key words: iron and steel whole process data managementalliance chainmultiple asset accountasset conversion algorithm in the accountasset transaction algorithm between accounts
钢铁企业全流程数据的有效管理，是全流程一体化调度的基础，是实现基于生产工况进行实时决策的保障.而钢铁企业的生产过程错综复杂，从炼铁、炼钢到轧制，生产工序较多；且各种产品由于生产工艺不同，其需要经过的工序也不同^[1].要实现钢铁企业全流程数据管理，必须协同各个生产工序，这对系统的性能提出了要求.
当前，在钢铁生产全流程数据管理系统中，数据存储在不同的数据表里，由不同部门独立管理，数据维护的效率无法达到用户的要求；用户篡改数据的成本较低，其安全性无法保证^[2].另外，这些系统中心化的问题严重，所有业务均依靠一个中心系统完成，其负荷较大，效率较低^[3]；且容灾性较低，数据丢失将无法恢复，进而影响系统的正常运行^[4].
从物料采购开始、到产品交付为止的钢铁全流程过程，其步骤较多，各部门独立管理其数据，如物料料场管理员管理物料数据，炼铁设备管理员管理炼铁生产数据等.由于中心化系统缺乏监督和数据备份机制，安全性和容灾性较弱，如果发生系统故障或人为不当操作等而造成关键数据丢失无法恢复，或某部门用户在管理数据时出于自身利益进行篡改的情况，对生产过程影响较大，甚至可能导致业务停滞，给企业带来难以预计的经济损失.
另外，钢铁企业为避免经济损失和保证生产效率，各工序的生产机器持续高速运转，一般情况下不停机，因此，短时间内产生的数据量较大，数据的维护操作较频繁.例如，烧结车间进行烧结生产时，物料从物料料场传输至烧结车间，此时系统需要更新物料料场和烧结车间相应物料的库存信息；然后，物料被生产为烧结原料，系统更新烧结车间消耗的物料和新产的原料的库存信息.当多次执行类似过程时，系统耗时较长，效率无法满足需求.
为了解决上述问题，提出了基于区块链技术的钢铁企业全流程数据管理.在新方法中，采用区块链技术，并对只能存储单一类型资产的传统区块链账户^[5]进行改进，设计多种资产账户，从而引入去中心化机制，令各节点共同完成数据管理并备份数据，有效解决了安全性和容灾性较弱的问题；同时，利用区块链技术中智能合约技术与多种资产账户相结合的方式，实现了不同类型的物资在账户内的转化和账户间的交易，从而解决了上述低效的问题.
本文介绍了当前钢铁企业全流程数据管理系统存在的问题及其相关研究；分析了钢铁企业生产全流程和全流程数据管理的业务需求，并提出了其中的技术难点；设计了系统整体结构和一种新的资产账户管理机制——多种资产账户；描述了一种账户内资产转化新算法和一种两个账户间交易新算法；分析了系统与传统中心化系统相比的优势，包括安全性和容灾性增强、效率提高.
1 文献综述近些年，国内外****针对钢铁全流程数据管理开展了广泛的研究.张伟等^[6]设计和开发了一种面向钢铁生产过程数据处理的数据集成平台软件系统，帮助钢铁企业实现生产数据的集中管理与应用，支撑钢铁企业数据中心和行业数据中心的建设，有助于促进以数据为基础的应用创新.邵健等^[7]以数据平台为基础，实现了钢铁生产过程质量一贯制管理，解决了长期以来上下游工序质量窗口模糊、客户需求和系统对接不紧密、数据孤岛、多维影响因素难以辨别等痛点问题.Bo等^[8]针对企业制造资源的特点，提出了基于BOMR(bill of manufacturing resources)模型的钢铁企业制造资源数据管理方法，该方法克服了传统BOM(bill of material)、BOC(bill of competitiveness)单独使用时的信息不对称问题，为钢铁企业的资源管理提供了数据集成框架.然而，上述研究较少同时解决安全性、容灾性和数据管理效率问题，且大多没有细化至钢铁企业内部的各生产环节.
人们基于区块链技术对安全性、容灾性和数据管理效率问题进行了相关研究.Kaur等^[2]针对当前电子健康记录面临的数据篡改、数据泄露等安全威胁，提出了一种基于区块链的医疗保健系统，该框架使用Hyperledger Fabric提供安全、高效的电子健康记录存储、共享和查询功能.Muhammd等^[4]提出了一个容灾的IOV(internet of vehicles)分布式消息传递框架，从而避免传统系统因中心化服务器故障或硬件停止工作而干扰车辆通信的弊端，并且提高了车辆平均速度，降低了拥堵率.信俊昌等^[9]提出了一种容量可扩展的区块链查询方法，其在模型响应数据查询请求时，优先访问超级节点，在保证数据安全的前提下，提高了数据查询效率.
另外，关于区块链技术在钢铁行业的应用，Yang等^[10]为解决传统供应链模式中交易信息不透明、信息共享难度大等问题，基于区块链技术，分析了供应链中物流信息资源的管理，并将改进的PBFT算法应用于钢铁企业物流交易系统.Cao等^[11]鉴于当前钢铁产品信息溯源的透明度低以及信息孤岛的缺陷，开发了基于区块链的钢铁物联网质量溯源系统，为促进钢铁行业的转型升级提供了有效的方案.Sotchenko^[12]采用联盟链模式和新的数字区块链平台，开发了基于区块链的钢铁智能合约支付技术质量可追溯系统，有效跟踪钢铁产品的质量，为促进现代钢铁产业的转型升级提供了有效的支付方案.但是，区块链技术在钢铁全流程数据管理领域的研究仍欠缺.
综上所述，钢铁全流程数据管理领域的研究中，同时解决安全性、容灾性和效率问题的研究较少；而关于区块链的技术研究和应用研究已较为广泛，但仍欠缺其在钢铁全流程数据管理领域的应用.本文基于区块链技术，设计并实现了钢铁企业全流程数据管理系统.
2 问题描述2.1 钢铁全流程钢铁全流程表示从物料采购到产品交付的流程，每个流程不同部门间的物流结构如图 1所示.
图 1(Fig. 1)

图 1 钢铁全流程物流结构Fig.1 The logistics structure of iron and steel whole process

在中心化系统中，各流程的数据没有备份，一旦丢失将无法恢复；且各部门用户独立管理自身数据，篡改成本较低.为此，系统引入区块链技术，通过分布式账户实现了去中心化，增强了数据的容灾性和安全性.另外，由于钢铁全流程过程中，进行流动的物资包括物料(物料采购、烧结生产、球团生产、炼焦生产)、原料(原料入场和炼铁)、铁水(转炉)、钢水(精炼、连铸)、铸坯(轧制)和产品(产品入库、产品交付)等多种，而传统区块链只能储存一种资产^[5]，这种账户机制不适用于钢铁全流程数据管理.因此，本文设计了一种新的资产账户管理机制——多种资产账户，根据用户输入和接收到的消息，更新账户下的资产.
2.2 全流程数据管理钢铁企业全流程数据管理包括数据浏览和数据维护，其中，数据维护发生在钢铁全流程的各个步骤中.
图 2以烧结生产为例，展示了数据维护的操作流程.如图 2所示，进行烧结生产时，物料从物料料场运输至烧结车间，系统查询该物料库存信息，将其在物料料场的库存量减少相应数量，并将其在烧结车间的库存量增加相应数量；然后，烧结车间将物料生产为烧结原料，系统查询该物料在烧结车间的库存信息，减少相应数量的库存量，再查询该原料在烧结车间的库存信息，增加相应数量的库存量.
图 2(Fig. 2)

图 2 烧结生产数据维护流程Fig.2 The flow of sinter production data maintenance

而钢铁全流程步骤较多，容易发生数据维护操作量较大的情况.在中心化系统中，这相当于短时间内进行大量数据库的查询及更新操作，其耗时较长，难以满足系统的效率需求.为此，系统利用多种资产账户相关的智能合约，通过两种新算法分别进行账户内资产转化和账户间资产交易，实现了钢铁企业全流程数据维护.
3 系统设计3.1 基于区块链的全流程数据管理系统结构根据区块链准入机制分类，系统采用联盟链，共分为数据层、网络层、共识层、合约层、应用层五层；并利用链下数据库存储部分数据.其结构如图 3所示.
图 3(Fig. 3)

图 3 基于区块链的全流程数据管理系统结构Fig.3 The system structure of whole process data management based on blockchain

1) 数据层：用于保存交易数据，结构为由区块组成的链表.区块链存储是指用区块链激励构建的去中心化存储系统，是区块链和存储系统的有效结合.该层级将账户数据和交易数据(包括物料/原料交易、生产交易和产品交易)整合到一起，确保数据的安全性、透明性和可追溯性，实现钢铁全流程系统数据的安全存储与维护.
2) 网络层：包括P2P(Peer-to-Peer networking)组网方式、数据验证机制(通过区块头中的Merkle树根节点Hash值)及数据传播协议(广播)等技术，实现各节点的信息交互.其间，同类型信息组成具有拓扑结构的信息区块，区块与区块之间建立起无障碍交流机制.但区块节点受公钥制约，未被授予公钥的节点(如网络攻击者)不能实现信息共享，这就确保了单一交易节点信息破坏将不会波及其他交易节点，防范了信息恶意篡改行为.
3) 共识层：该层内置了整个系统的共识算法，是保证区块链去中心化特性、确保网络中数据不被恶意节点攻击篡改的核心机制，保证交易数据安全可靠的流转.钢铁全流程系统采用的共识机制为实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance，PBFT)机制^[13]，其适用于联盟链，优势是算法复杂度和通信复杂度较低，吞吐量和效率较高，安全性与稳定性较强.
4) 合约层：为区块链可编程的基础，包括各种脚本、代码、算法机制及智能合约.其中智能合约基于密码学原理，以合约脚本代码的形式，嵌入区块链中，在开发和部署后，无需外加人为干预，一旦触发条件，合约自动执行，因此节省了大量资源，提高了处理速度.在钢铁全流程系统中，智能合约包括数据基础管理的合约、多种资产账户相关的合约(包括账户内资产转化算法和账户间资产交易算法).其中，多种资产账户及其算法的具体设计将在后续章节进行描述.
5) 应用层：即展示层.各节点通过应用层实现了各种功能，包括：利用消息通道接收消息，返回确认消息，并处理接收到的消息；然后，调用合约层的多种资产账户合约，发起账户内的资产转化和账户间的交易；与用户进行交互，以实现全流程数据管理.
6) 链下数据库：系统通过数据采集器采集工艺数据，并将其存入链下数据库.另外，基础数据也存储在链下数据库中.
根据全流程中各部门间多种物资流动的需求，针对传统区块链账户只有一种资产的弊端^[5]，系统在合约层设计了一种新的资产账户管理机制——多种资产账户.
3.2 多种资产账户系统将图 1中的节点作为数据链的节点，每个部门或设备下各有一个多种资产账户，其中，供应商与采购商为钢铁企业外部因素，但为了系统的完整性，将其视为企业内部部门，并为之建立了虚拟账户.
系统账户参考Hyperledger Fabric平台账户，仍采用分布式账本技术^[14]，并创建了智能合约存储账户信息和完成转账.而参与系统交易的资产类型有多种，一种资产又包括不同的资产名称及其数量，故系统对账户进行了资产类型的区分，每个账户下可具有多种资产类型，且每种资产类型对应一个余额属性，其格式为资产名称和资产数量的键值对集合.
具体而言，系统账户包括节点名称、资产类型、资产信息和当前工序信息4个属性.
1) nodeName：节点名称，包括供应商(supplier)、物料料场(materialYard)、烧结车间(sinter)、球团车间(pellet)、炼焦车间(coke)、原料料场(bulkYard)、n号炼铁设备(n#iron, n为整数)、n号转炉设备(n#converer)、n号精炼设备(n#refine)、n号连铸设备(n#billet)、n号轧制设备(n#roll)、产品仓库(warehouse)、采购商(purchaser).
2) assetType：资产类型，其中供应商节点和物料料场节点的资产类型为物料(material)；烧结车间、球团车间、炼焦车间既有物料，也有原料(bulk)；原料料场的资产类型为原料；炼铁设备的资产类型有原料和铁水(iron)；转炉设备的资产类型有铁水和钢水(steel)；精炼设备的资产类型为钢水；连铸设备的资产类型为钢水和铸坯(billet)；轧制设备有铸坯和产品(product)；产品仓库和采购商的资产类型为产品.
3) asset：资产信息，在一个账户中，每种资产类型均对应一个资产信息字符串，格式为map，例如烧结车间物料类型的资产为{"黑鹰山精矿"，90.0, "四烧高返"，50.0, "氧化铁粉"，10.0, …}.
4) status：当前工序信息，炼铁、转炉、精炼、连铸设备节点利用该属性，储存设备当前生产的工序信息，如温度、质量、成分等，格式为map，例如精炼设备为{"weight": 100, "temperature": 1000, "component": "{‘C’: 0.141, ‘Mn’: 0.433, ‘S’: 0.024, …}", …}.
多种资产账户的功能包括创建账户、转化账户内的资产和账户间资产交易.账户间的交易记录和账户存储的设备当前状态为钢铁全流程数据管理提供了数据.
4 多种资产账户算法设计4.1 账户内资产转化算法具有两种资产的账户，存在其中一种类型的若干资产经过某道工序转化为另一种类型的若干资产的现象.多种资产账户合约中，此类操作由转化账户内资产的算法实现.
账户内资产转化算法流程如下：首先，查找发生资产转化的账户名下的资产；然后，遍历资产，若资产类型为转化前的资产类型，则减少相应数量的资产；若为转化后的资产类型，则增加相应数量；最后，更新该账户的资产信息，并输出更新结果.以烧结车间(sinter)为例，当其将物料生产为烧结原料后，相应的物料(material)类型的资产转化为原料(bulk)，如图 4所示，其中画框部分为进行转化的资产.
图 4(Fig. 4)

图 4 账户内资产转化算法示例Fig.4 The example of asset conversion algorithm in the account

4.2 账户间资产交易算法多种资产账户合约中，账户间资产交易算法实现了两个账户间的资产转移.
账户间资产交易算法流程如下：首先，查找并遍历交易发起账户的资产，如果资产类型为进行交易的资产类型，则减少相应数量的资产；接着，查找并遍历交易接收账户的资产，如果资产类型为进行交易的资产类型，则增加相应数量的资产；最后，更新数据表中两个账户的资产信息，并输出更新结果.例如烧结车间(sinter)生产出烧结原料后，将其传输至原料料场(bulkYard)，烧结车间账户即与原料料场的账户进行了原料(bulk)类型的资产交易，如图 5所示，其中画框部分为进行交易的资产.
图 5(Fig. 5)

图 5 账户间资产交易算法示例Fig.5 The example of the asset transaction algorithm between accounts

5 系统特征分析系统使用区块链技术，实现了去中心化，提高了系统的安全性和容灾性.
1) 安全性.在钢铁企业从物料采购至产品交付的全流程中，区块链的每个节点均有一个多种资产分布式账户，保存着其物料、原料、铁水、产品等资产信息，每个节点都是独立的、地位等同的，在不获取其他节点的资产信息的前提下，共同监督资产交易的执行.因此解决了在中心化系统中，不同部门管理自身数据，而出于自身利益进行篡改的问题，并保障了数据隐私，符合法律、道德及计算机系统等诸多要求，提高了数据的安全性.
2) 容灾性.在多种资产账户机制中，账户内资产转化和账户间资产交易由多个节点共同完成，每个节点都保存着完整的账户操作记录，具有监督和数据备份机制.从而避免了由于系统故障或人为不当操作等造成关键数据丢失无法恢复的情况，提高了钢铁企业全流程数据的容灾性.
6 系统效率分析为进一步验证系统效率，以账户间资产交易算法为例，进行了如下多种资产账户和传统中心化模式的效率对比实验.
1) 实验环境.实验环境为Windows7系统、Intel Core i7-5600 2.60 GHz的CPU和16.0 GB内存的PC机，并在VMware Workstation 15.5.6上安装了内存4 GB、硬盘40 GB的Ubuntu 18.04虚拟机系统.
依照图 3所示的系统模型，借助Hyperledger Fabric v2.2.0平台，搭建起分别具有4, 8, 16, 24个节点的区块链，且由于该平台为传统区块链模式，其账户机制只能存储单一资产^[14]，为满足业务需求，使用go 1.15.7语言，实现了多种资产账户的智能合约；而对照实验采用中心化模式，通过MySQL 5.7.23数据库存储数据，并使用Java 1.8.0语言，实现了对数据库数据的查询和更新操作.
两组实验共用一组原始数据，其由系统随机生成，大小为1 MB，记录了各部门的物料或原料的库存信息，数据结构为部门名称(包括物料料场、烧结车间、球团车间、炼焦车间、原料料场和炼铁设备)、物料/原料名称、物料/原料数量.
实验中，以烧结生产时物料从物料料场至烧结车间的运输环节为例，在多种资产账户和中心化模式上，分别进行运输后物料料场和烧结车间的库存信息更新操作.该操作为系统中比较典型的操作，为对比多种资产账户和传统中心化模式的效率，选用该操作执行时间为性能评价指标^[10-11].
另外，为测试区块链节点数对多种资产账户的影响，分别将账户部署在具有4, 8, 16, 24个节点的区块链进行实验，其中，每个节点都保存着账本和智能合约的副本，共同维护账户数据.
2) 实验结果与分析.令具有4, 8, 16, 24个节点的区块链多种资产账户和使用MySQL数据库的中心化系统分别执行100, 1 000, 10 000次物料从物料料场运输至烧结车间后，对两部门的库存信息更新操作，所需处理时间如图 6所示.
图 6(Fig. 6)

图 6 多种资产账户与中心化模式效率对比Fig.6 The comparison of efficiency between multiple asset accounts and centralized pattern

由实验结果可知，在同一实验环境下，处理时间随操作次数的增加而增加，且在中心化模式下的增幅明显大于多种资产账户，这是由于二者的处理流程有所不同——多种资产账户调用智能合约，通过账户间资产交易算法进行转账；而中心化模式操作MySQL数据库，查询部门名称为物料料场、物料/原料名称为相应物料的数据，减少相应的物料/原料数量，再查询部门名称为烧结车间、物料/原料名称为相应物料的数据，增加相应的物料/原料数量.在程序调用智能合约或数据库等固定操作的时间相近的情况下，多种资产账户的处理时间比中心化模式受操作次数的影响小.
在操作次数相同时，区块链的节点数越多，处理时间少量增加，因为随着节点数增多，节点间通信次数和数据同步需求增加，但增长幅度较小，说明区块链节点数对系统效率影响较小；而中心化模式与之相比，尤其是当执行1 000次和10 000次操作时，耗时明显大于区块链.其原因是智能合约机制减少了人为操作和中间环节，故针对多种资产账户的转账过程，包括查询和更新资产的操作，在效率上高于MySQL数据库查询和更新数据的过程，即多种资产账户相对于中心化模式具有效率优势.
在钢铁企业实际生产过程中，由于对生产效率的要求较高，系统短时间内操作量较大.本系统相较于中心化系统，更能够满足效率需求，且使人工成本及时间成本降低.
7 结语针对当前钢铁全流程数据管理系统效率低下、安全性和容灾性较弱的问题，本文设计了基于区块链技术的钢铁企业全流程数据管理系统.系统主体为数据层、网络层、共识层、合约层、应用层五层结构的联盟链，采用PBFT共识机制和智能合约技术，并设计了一种新的资产账户管理机制——多种资产账户，实现了钢铁企业从原料采购到产品发运的全流程数据管理.通过分析与实验对比，系统具有安全性和容灾性增强、效率提高的优势.
本文提出的基于区块链的钢铁企业全流程数据管理方案，解决了传统中心化系统数据安全性无法保证、数据容灾性差的问题；并对区块链账户进行改进，设计了多种资产账户，进而设计了新的账户相关操作——账户内资产转化算法和账户间资产交易算法，提高了系统效率.
在区块链上，每个节点都保存着完整账户操作记录，且执行数据操作时，节点间需要进行共识机制，来共同监督资产交易的执行.因此，随着系统区块链规模和数据量不断增多，数据管理效率将受到影响^[15].在后续研究中，将针对上述问题，重点研究区块链的存储可扩展性，例如链上链下数据协同技术，以期提出大量数据高效管理的解决方案.
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