基于“雙鏈”模式的石油物資多級質控體系構建

張瀟元，王 鵬

（中國石油西南油氣田物資分公司，四川成都 610021）

我國石油物資的種類繁多，油氣田區塊地質以及生產情況不同所涉及的技術指標、產品制造工藝等也都有所出入，且用戶個性化需求較多，因此很多石油物資無法事先進行標準化生產，只能根據需要量身定制，但不同生產廠家制造水平不一，其過程控制和標準也有所差異，物資的質量性能不能僅僅聽取廠家的一家之言，因此由管理部門、監造單位、檢測機構、生產廠家共同組成的物資質控體系應運而生。經過數十年的發展，我國石油物資質控體系已日趨完善，但仍存在生產信息真實性低、管理靈活性差等問題，而這些問題的最終答案可能就藏匿在區塊鏈中。區塊鏈作為一種具有分布式記賬功能的前沿技術［1］，一經提出后便受到了各國金融監管機構和歐洲中央銀行、比利時歐洲清算銀行有限公司、交易金融服務公司（DTCC）等國際金融組織的高度重視。2019 年，習近平總書記在中共中央政治局就區塊鏈技術發展現狀和趨勢的第十八次集體學習中強調，區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起著重要作用，要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展［2］。目前區塊鏈技術已應用于多個行業：在金融方面，有學者從融資方式的選擇入手,構建出了“區塊鏈+供應鏈”融資平臺［3］；在農業方面，有學者如鄭開濤等［4］、楊信廷等［5］借助區塊鏈建立了能夠適應我國農產品的質量安全方法，還有學者同時結合Java 2 平臺企業版（J2EE）技術研究出了農產品產業鏈柔性溯源模型［6］，為我國農產品的食品安全提供了可行方案；此外，在與石油物資相關聯的供應鏈領域，也有學者如于凱［7］、建亨等［8］、梁雯等［9］也提出了用區塊鏈實現信息共享披露模型以及“區塊鏈+物流”的新型供應模式等創新成果。但目前，區塊鏈技術在石油物資質量控制方面的研究仍是一片空白，經梳理區塊鏈的原理和技術優勢后發現，石油物資質控體系與區塊鏈的技術優勢在多方面存在耦合，可用來解決石油物資在生產過程中存在的信息閉塞、扁平化管理、質量追溯等管控痛點，對我國石油物資增強過程透明度、提高產品質量、降低管控成本具有積極意義。

1 我國石油物資質控體系運行模式現況

目前，我國石油物資的質控體系主要由質控管理部門、生產廠家、監造單位、檢測機構共同參與。其中，生產廠家按產品的生產流程制定每個環節對應的質控措施，實現初步控制；監造單位安排監造人員對整改生產環節進行監督，確保廠家使用的設備、工藝方法、人員資質等符合合同或技術協議要求，對產品質量實施再控制；檢測機構是質控方式的補充，作為第三方對物資的重要理化性能進行驗證，如抗腐蝕試驗、抗擠毀試驗、無損探傷等；質控管理部門則負責對產品整個質控環節的全局把控，對生產廠家的產品質量、監造單位、檢測機構的執行情況開展再監督。可以看出，我國石油物資質控體系呈現“一中心、多節點、全覆蓋”特點，質控管理部門作為中心實施總體把控，生產單位、監造單位和檢測機構作為節點，共同保證產品的質量。然而在這種模式下，各類數據往往在同一單位內部流通，跨單位信息傳遞時間長且渠道不固定，難以保證發生質量問題時信息傳遞的及時性和可靠性，“信息孤島”現象嚴重；同時也存在部分廠家、監造單位等鉆社會誠信體系漏洞的情況，如對外購原材料低質低價、把控不嚴，生產監督不嚴格或故意選擇性“失明”等。以出廠后發現油套管抗腐性能不合格的案例來說，根據已發現的質量問題為導向，通過魚骨圖分析法列出質控各環節引起該問題的所有可能（見圖1），但生產廠家、監造單位、檢測機構在應對質控管理部門的調查時，為了自保，可能翻新過程資料來應付檢查，導致質量事故追責走入“死胡同”。此外，質量事件從發生到收集材料需要從多渠道提報，上報信息的準確度和完整度受到人為的干擾因素較大，且上報時需要單位內部逐級審核，透明性不足，應對產品質量事件缺乏真實有效的信息共享且方法單一。

圖1 油套管抗腐蝕性能不合格的原因分析

總的來說，我國現階石油物資質控體系運行模式很難應對質量問題事件，不能很好滿足信息的快速響應，也很難實現跨單位之間的真實信息共享。因此，需要改變傳統的石油物資質控體系，建立更加安全高效、資訊可信的石油物資質控體系，打破各層級單位之間的信息壁壘，保證質量問題處理的效率及追責精確定位到責任人。

2 區塊鏈技術與石油物資質量控制融合的可行性分析

2.1 底層架構搭建與推行的可行性

基于Bicakci 等［10］、Buterin［11］的研究，現有區塊鏈的應用場景，按機制構架可以將區塊鏈分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈。公有鏈可以完全實現去中心化，然而因其參與節點過多、網絡臃腫，數據傳遞速度過慢、存儲效率不高，不適合應用在石油物資多級質控體系這種涉及大量產品生產數據的系統中；而私有鏈與聯盟鏈因其半開放性或部分開放性，可負荷的數據吞吐量大、讀寫速度快，對數據量大的應用場景的兼容性好，同時兼顧較高的安全性和隱私性，因此采取私有鏈及聯盟鏈結合的“雙鏈”模式作為石油物資多級質控體系中的底層架構在技術上具體可行性（見圖2）。另一方面，與傳統石油物資信息數據存儲方式不同，鏈上數據的維護更新舍棄了中心統一機構執行的傳統方式，改由區塊鏈所有參與主體協作完成。石油物資質控領域是由質量管理部門、生產廠家、監造單位和檢測機構共同構成，以往質量管理部門推行信息共享系統遭到各方明面或私下的抵制，主要原因就是參與單位的互不信任，比如監造單位負責上傳生產廠家、檢測機構的工作日志，生產廠家、檢測機構對監造單位履職情況進行反饋，各單位都擔心對方利用職權上傳不利于自身的信息。而區塊鏈具有去中心化特征，各主體對鏈上信息維護具有相同的權責，可共同參與石油物資質控信息資源的分布式管理中，實現信息的公開透明，消除彼此隔閡，也進一步減小了“雙鏈”模式的底層區塊鏈架構搭建推廣難度。

圖2 基于“雙鏈”模式的石油物資質控體系底層架構

2.2 區塊鏈上交易實現機制的可行性

質量管理部門、生產廠家、監造單位和檢測機構在區塊鏈上設立分布式節點，可按照區塊的鏈式結構達成共識，進而形成可存儲質控信息并不斷延伸的鏈條，具有不可篡改性、高隱私性、高容錯性等特點。

（1）不可篡改性。區塊鏈包含有隨機數、時間戳、哈希（Hash）值、Merkle 根等信息［12］，不同且孤立的區塊通過Hash 值串聯起來組成一條不穩定且有序的鏈式結構［13］。隨著技術的發展，Bayer 等［14］、Haber 等［15-16］學者還通過密碼學算法實現了區塊間的快速鏈接。若有人對數據進行修改，勢必會造成區塊Hash 值的改變［17］，從而導致整條鏈的崩潰，鏈條的不穩定性恰恰可以讓任何的修改痕跡顯形。以往處理石油物資質量事故時，經常發生生產廠家、監造單位和檢測機構質疑彼此提供的資料、數據，認為對方出于自保或某些原因修改了數據，而區塊鏈的不可篡改性剛好可以解決這個問題。

（2）高隱私性。區塊鏈通常是通過不斷新生成隨機地址、環簽名技術等方法防止入侵者對用戶的交易行為進行分析破解，避免對用戶進行畫像，進而隱藏用戶的個人信息，實現身份隱匿，如Liao等［18］、Bonneau 等［19］、Rivest 等［20］、Bergan 等［21］的研究，以及Monero［22］、Boolberry［23］、Bytecoin［24］等的實踐經驗。用戶特別是監造單位人員上傳監督情況信息時，區塊鏈可隱藏保護用戶信息，生產廠家與檢測機構無法得知具體操作人員，減少了后期生產廠家與檢測機構介入監督環節的可能性。

（3）高容錯性。區塊鏈中的數據依靠共識算法保證節點的信息優勢一致，鏈上節點共同參與共識，任意節點都允許隨時加入或離開，且都不會對區塊鏈的穩定運行造成影響，區塊鏈對單點故障具有較高的抵抗力。在“雙鏈”模式石油物資多級質控體系建立后，質量管理部門可以定期考核各單位參與節點，剔除運行不穩或故障頻發的節點，保證鏈上參與節點的穩定可靠。另外在后期系統推廣期，新加入單位可以設置節點輕松接入“雙鏈”中，對新用戶具有較高的友好性，投入成本低，也有益于后期推廣。

針對石油物資質量控制各參與主體間存在的多重復雜交易問題，可借助區塊鏈技術的去中心化信任機制實現真實記賬和交易校驗，并降低或消除質量管理部門、生產廠家、監造單位和檢測機構間因缺乏信任導致的機會成本。由此可知，各參與主體在區塊鏈上的交易是可以實現的，如圖3 所示。

圖3 交易行為在區塊鏈上的實現機制

2.3 智能合約的可行性

石油物資質控管理存在多方參與主體，涉及領域多且事務繁雜，而區塊鏈具有一個完備的狀態機，結合事件處理和保存機制，可及時處理鏈上多種智能合約，完成事務事件保存和狀態處理的銜接。有關石油物質質控信息上傳至智能合約后，管理者可修改合約信息庫中的資源狀態，更新狀態機對智能合約的判斷機制，通過一系列的智能合約實現對石油物資質控信息的自動處理，還能避免干擾因素影響合約正常執行，兼顧成本效率優勢。可見，區塊鏈的智能合約技術可以很好地應用在石油物資質控管理上，如圖4 所示。

圖4 智能合約自動處理石油物資質控信息的過程

3 “雙鏈”模式下石油物資多級質控體系的信息共享

3.1 角色權限分配

針對現階段石油物資質控體系中不同角色/單位之間生產信息無法共享、質量問題追溯效率低下的問題，設計基于“雙鏈”模式的石油物資多級質控體系（以下簡稱“多級質控體系”），如圖5 所示，通過建立多層級的私有鏈（側鏈）共享模型，降低聯盟鏈（主鏈）的數據吞吐量，提高生產信息的共享效率。對負責質量控制的管理部門而言，產品原材料信息、監造報告、關鍵技術指標涉及的生產環節證明資料、腐蝕和抗壓試驗結果等是重點關注內容，因此考慮將生產、監造、檢測的關鍵質控信息流存儲在主鏈上，用于產品過程信息共享和質量問題的追溯；生產廠家、監造單位和檢測機構各自的側鏈則用于收集和存儲各單位履職的過程信息，再通過哈希指針與主鏈相連，同時通過每一層級側鏈之間的數據交換，完成關鍵信息從各個單位上傳至主鏈。

圖5 基于“雙鏈”模式的石油物資多級質控體系數據共享模型

在生產廠家私有鏈中，設置有操作節點（PC）和三級驗證節點（P3）。操作節點負責生產廠家自身的當天生產信息、日常管理情況的錄入和上傳；驗證節點負責對鏈中需上傳至監造單位私有鏈的信息進行審核背書，并兼有操作節點的功能。操作節點上傳的日常生產和管理數據在生產廠家私有鏈中儲存，僅向監造單位私有鏈上傳生產的摘要信息。與生產廠家不同，檢測機構僅在資質審查、產品抽樣、最終檢測報告審核環節接受監造單位的監督，期間的試驗過程可以不受其監管。為保證信息的可追溯性，在檢測機構私有鏈中設置操作節點（PC）、二級驗證節點（P2）及一級驗證節點（P1）。操作節點負責在私有鏈中錄入從檢測機構資質審查到檢測報告全過程的信息；二級驗證節點負責審核需要上傳至檢測機構私有鏈及監造單位私有鏈的信息，檢測單位可進一步篩選出試驗過程重要信息，再通過一級驗證節點背書直接傳至聯盟鏈。與檢測機構類似，在監造單位私有鏈中設置操作節點、二級驗證節點和一級驗證節點。不同生產廠家及檢測機構上傳的履職過程信息都匯集到該側鏈中，監造單位結合自身監造過程記錄的信息，通過二級驗證節點對生產廠家、檢測機構以及監造單位內部的運作和管理信息進行審核和背書，梳理整合各單位主要的生產情報信息，通過一級驗證節點上傳至聯盟鏈。

在聯盟鏈中，設置有主驗證節點（P0）。經私有鏈逐級傳遞的數據通過主驗證節點的最終審核上傳至聯盟鏈。除驗證節點具有的功能以外，聯盟鏈中主驗證節點還負責對私有鏈中驗證節點的身份進行審核授權，通過智能合約賦予私有鏈中各節點的權限，驗證通過的節點可以在聯盟鏈瀏覽、下載以及分析相關產品的生產過程信息。聯盟鏈的主驗證節點由質控管理部門、采購單位、業主單位構成，整個聯盟鏈的日常維護工作也由主節點負責完成。

區塊鏈是由多個區塊按一定順序鏈接構成，每個區塊作為數據的載體，承載了各類生產信息，雖然區塊鏈可以防止數據篡改，但無法判斷初始數據的真實性，即無法防止生產廠家偽造原材料、生產過程、廠家內部檢測等信息，因此通過多級驗證節點對上傳資料信息進行審核確認，確保信息的真實性。

3.2 信息結構

對于某石油物資，生產廠家所生成的生產制造信息包括但不限于產品名、產品編號、制造過程信息、自檢信息、負責人簽名及生產制造信息的Hash 值；檢測單位所生成的檢測信息包括但不限于抽樣時間、檢測項目、依據標準、檢測結論、負責人簽名及檢測信息的Hash 值；監造單位所生成的監造信息包括但不限于監造單位對生產廠家和檢測機構提供信息的驗證、監造履職情況、發現問題、負責人簽名及監造信息的Hash 值。為了保證數據的可靠，上述3類信息還要交由質量管理部門進行最終審核，審核無誤后得到審核人員簽名及審核意見，最終生產制造信息、檢測信息、監造信息、審核信息構成該質控體系中的一筆完整交易。如果數據被惡意篡改，可以利用Hash 函數強敏感性以及區塊鏈易崩潰的特性迅速發現，各單位相關負責人可以通過快速簽名的方式阻止產品的繼續生產或發放。

3.3 信息的上傳與共享

石油物資多級質控體系架構由石油物資信息共享平臺、多級質控體系聯盟鏈和各單位私有鏈3 個部分構成。各級單位的本地操作平臺的應用程序接口（API）向石油物資信息共享平臺提供質控所需的產品制造過程原始數據，原始信息通過共享平臺上傳至私有鏈，這些單位之間的私有鏈關鍵信息驗證后打包上傳至聯盟鏈。

用戶在本地平臺上發起交易，經共享平臺處理后，由對應的節點向私有鏈網絡發出請求，經過背書、排序后生成一定順序的多個區塊進行記賬。如圖6 所示，生產信息上傳至私有鏈之后，交易節點會發起交易申請，之后交易節點進入“休眠”。而背書節點在接收請求之后，將執行模擬執行交易的動作，驗證信息的合法性，如請求驗證格式正確性、簽名有效性、請求發起者的讀寫權限、請求次數等。驗證合法性后，背書節點按照智能合約初始化時設置的背書策略生成讀寫集并簽名，之后將智能合約運行結果反饋給交易節點，在獲取到背書節點的反饋后，交易節點被激活，對來自背書節點的信號進行簽名驗證后開始執行正式交易，提交包含背書和執行的結果至排序節點，數據經排序節點排序后被打包生成區塊，并將區塊信息告知給主節點。主節點把共識后的信息廣播到本地超級賬本網絡中，而記賬節點主要用于維持本地賬本的數據完整，最終實現數據在私有鏈上的存儲，每條私有鏈又可以將主要信息上傳至聯盟鏈，完成“雙鏈”模式下石油物資生產信息的上傳、共享。為了降低成本，本體系中的背書節點不進行單獨設置，而是通過記賬節點共享而來，當得到交易請求時，事先設定的智能合約被觸發，只有被智能合約指定的記賬節點才能進行背書，完成背書行為后便又恢復成普通的記賬節點。

圖6 石油物資多級質控體系的私有鏈數據儲存原理

4 多級質控體系的質量問題追溯

私有鏈中數據量大，為提高工作效率，沒有必要在聯盟鏈中保存全部信息，只儲存主要的信息數據，但是依靠這些摘要信息可能無法完全滿足質量問題的追溯需要。為解決該問題，除以上提到的主要制造過程信息外，將各單位私有鏈中每個區塊的區塊頭Hash 值也儲存在聯盟鏈中，當區塊頭Hash值經各級驗證節點審核通過后，聯盟鏈中記賬節點將其儲存下來。這樣不僅能夠保證了傳輸共享的效率，同時借助Hash 函數與哈希樹（Hash tree）的特性，追溯過程中所需要的信息能夠實現“一對一”地快速定位，不會發生信息定位偏差的情況。如圖7 所示，聯盟鏈中區塊的區塊頭包括前一級當前區塊Hash 值、默克爾根（Merkle root）、時間戳等數據，區塊體僅儲存私有鏈中用于定位的頭部Hash 值。

圖7 “一對一”快速定位方式下的聯盟鏈與私有鏈數據結構

傳統的石油物資質量問題追溯仍傾向于“人對人”，要求生產廠家、監造單位、檢測單位相關負責人提供資料，即使不談資料的可靠性、真實性，人員收集資料往往需要一天乃至數天時間，且由于人員業務能力參差不齊，提供的資料可能出現錯誤、遺漏等情況。相比于傳統質量問題追溯方式，多級質控體系在效率、便捷性等方面有了極大提升，在出現質量問題后，管理部門可以快速調取儲存在聯盟鏈上的本地數據，節約了大量查找資料的時間，且數據的真實性和可靠性得到了保證。若依靠儲存在聯盟鏈上主要生產制造信息無法還原整個質量事故，便可以依靠存有的私有鏈中的區塊頭Hash 值，定位抓取生產廠家、監造單位、檢測單位私有鏈中記錄的相關信息，幫助完成質量問題的追溯，對相關單位實施追責（見圖8）。

圖8 石油物資多級質控體系下的質量問題追溯雙線路

5 結論與展望

5.1 研究結論

我國石油物資生產需求周期不固定且技術標準個性化突出，廠家無法事先進行標準化生產，同時生產過程涉及多單位參與，存在多方參與協通、生產過程動態變化、信息量龐大等復雜性特點，因此，保證生產信息的真實性、可追溯性以及共享的實時性是建立以區塊鏈為基礎的質控體系關鍵支撐點。本研究設計的基于“雙鏈”模式多級質控體系主要有以下作用：

（1）信息上傳和審核。操作節點是私有鏈所有關于生產制造過程的信息源頭，通過石油物資信息共享平臺收集相關信息，并提出上傳至私有鏈的申請，對應私有鏈的驗證節點對信息的可靠性和來源進行審核與背書。值得注意的是，各單位日常性、程序性的信息保存在私有鏈上，重要的生產信息則上傳至聯盟鏈。

（2）鏈上信息共享。聯盟鏈及私有鏈在存儲各操作節點的上傳信息后，再對網絡中有信息獲取權限的節點進行廣播，現實應用中，任一取得權限的節點可以通過石油物資信息共享平臺查詢到對應的摘要信息。（3）質量問題追溯。管理部門可以快速調取儲存在聯盟鏈上的本地數據，還可以依靠存儲在私有鏈中的區塊頭Hash 值，“一對一”地快速定位到儲存在私有鏈中的信息記錄，由于鏈上的每項信息都與Merkle tree 關聯綁定，管理部門可以驗證溯源信息是否有被篡改。此外，由于區塊鏈技術無法避免人為的信息作假，因此在質控體系中引入了第三方監造單位的驗證審核，大幅度提高了生產廠家的作假門檻；同時，利用區塊鏈的不可篡改性，質量管理部門可以將實際生產情況真實還原，從深層次而言是幫助用戶購買到更優質可靠的產品，避免因為產品的質量問題導致油氣田的生產受到影響。

5.2 未來展望

區塊鏈技術在石油物資質控領域具有廣闊的應用前景，但引入區塊鏈技術會打破原有質控管理模式，不僅需要多個行業相關單位的支持，還需要對實施過程進行更為嚴謹的論證。未來區塊鏈技術在石油物資質控體系中的研究應用還可以從以下幾方面開展：

（1）處理效率。雖然聯盟鏈與私有鏈結合的方式可以減輕區塊鏈的負擔、提高處理效率，但隨著加入廠家數量、數據吞吐量和處理量的不斷增加，系統對設備的硬件與寬帶承載能力的要求越來越高，加之區塊大小、產生間隔和工作量證明機制等諸多因素都會拖累區塊鏈的工作效率。最初的區塊鏈只能處理大約7 個交易數（TPS）［25］，在2017 年年底，比特幣用戶想要立即完成交易必須額外支付大約28美元［26］。雖然目前區塊鏈的處理效率取得了巨大提升，如開源項目量子鏈聲稱，他們的企業版區塊鏈“QtumX”每秒處理超過10 000 個TPS［27］，但也只有在延遲足夠低的理想狀態下才能實現，與實際有較大出入。因此，探索出適合實際應用的區塊鏈信息快速處理方法是我國石油物資質量管理與區塊鏈結合面臨的重要難題。

（2）成本問題。石油物資質控管理方式與其他行業不同，涉及不同層面的單位/部門，屬于一種新興框架，開發技術難度大，且缺乏成熟的應用實例可以借鑒，而生產廠家、建造單位等在初期建設中難免會遇到各類不同問題，雖然可以解決，但無疑增加了試錯成本。

（3）儲存容量。隨著越來越多廠家、監造單位、檢測機構的并入，多級質控體系網絡規模不斷擴大，無論是聯盟鏈還是私有鏈錄入的信息也會無限增長，臃腫的信息占用量將對整個區塊鏈的網絡吞吐造成沉重負擔，如同公路上行駛的車輛越來越多，對處理效率會有負面影響，同時也會消耗新用戶較多的同步時間。

（4）利益分配。區塊鏈對石油物資生產廠商、監造單位、檢測單位而言是一片未踏足的領域，他們可能會在心理上產生排斥，因此，管理部門未來可以將區塊鏈技術納入對這些單位的考核方法中，對融合區塊鏈開展質量管理后的石油物資成本及收益協調等進行分析研究，對區塊鏈技術推廣過程中表現良好的單位給予獎勵，如滿足合規的前提下，在次年采購計劃中體現一定傾向性或增加采購的份額。