劉思瀚，徐石成，何光宇

東軟集團(tuán)股份有限公司，技術(shù)與戰(zhàn)略發(fā)展事業(yè)部, 遼寧 沈陽 110179

引 言

中國現(xiàn)已成為世界上最大的新能源汽車生產(chǎn)國和銷售國，迫切需要有效應(yīng)對伴隨新能源汽車發(fā)展而產(chǎn)生的動力電池回收問題。2018年2月，工業(yè)和信息化部、科技部等七部委聯(lián)合發(fā)布了《新能源汽車動力電池回收利用管理暫行辦法》，其中包括動力電池的可追溯性。汽車生產(chǎn)公司應(yīng)將新能源汽車信息上傳到國家追溯平臺，包括動力電池生產(chǎn)、銷售、應(yīng)用、維修和更換等相關(guān)可追溯性信息。2018年7月，工業(yè)和信息化部甚至提出了《新能源汽車動力電池回收可追溯性管理暫行規(guī)定》，其中規(guī)定了每個責(zé)任對象上傳可追溯性信息的主要內(nèi)容、時間要求和步驟等。通過對動力電池進(jìn)行統(tǒng)一編號和信息收集與控制，追溯真實的電池來源，并對各節(jié)點進(jìn)行調(diào)節(jié)以實現(xiàn)特定的責(zé)任目標(biāo)，進(jìn)一步實現(xiàn)動力電池的可追溯性管理要求。同時，工業(yè)和信息化部牽頭創(chuàng)建了“新能源汽車國家監(jiān)測與動力電池回收與追溯綜合管理平臺”，有效地支持了動力電池追溯管理工作的進(jìn)展。[1]

為了使新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展更加長期健康，并實現(xiàn)綠色可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)，工業(yè)和信息化部與有關(guān)部門一道，全方位地推動了電動汽車電池的回收利用，公布了相關(guān)的管理方法并建立了動力電池可追溯性管理系統(tǒng)和框架。[2]本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的電動汽車動力電池溯源系統(tǒng)，以解決電動汽車動力電池溯源過程中遇到的一些問題。

1 電動汽車電池溯源體系存在的問題

1.1 假冒偽劣問題

電動車輛的電池壽命通常比車輛的電池壽命短，并且車主有必要更換電池。為了確保電池質(zhì)量，車主在更換電池時經(jīng)常選擇一些大品牌。但是，由于多地區(qū)固有的物流特性和供應(yīng)鏈管理中的長期跨度，難以阻止的假貨或翻新貨物在市場上流轉(zhuǎn)給車主造成了損失。

1.2 信息隱瞞問題

部分生產(chǎn)企業(yè)出于盈利目的常常隱瞞銷售渠道、縮小產(chǎn)品范圍，這就加大了電池召回的難度。與此同時，現(xiàn)有的溯源體系不能滿足電動汽車電池從投產(chǎn)到報廢全生命周期信息管理的要求，這就導(dǎo)致了當(dāng)電動汽車電池出現(xiàn)問題的時候，生產(chǎn)企業(yè)與監(jiān)管部門難以及時地、正確地定位電池的缺陷環(huán)節(jié)，增加了召回困難，降低了監(jiān)管效率，也浪費了人力和財力。

1.3 信息孤島問題

在電池生產(chǎn)過程中跟蹤物料使用信息，并在電池流通過程中跟蹤物流信息時會遇到困難。因為整個供應(yīng)鏈?zhǔn)怯稍S多參與者組成的，所以不同參與者之間必須有很多互動與合作。每個參與者都以封閉的方式存儲其生產(chǎn)和物流信息，破壞了信息流的透明度，特別是缺少位置信息。經(jīng)常不知道這些電池在哪里銷售，也不知道哪些消費者是他們的服務(wù)對象。即使商家保存銷售數(shù)據(jù)記錄，也時常有丟失或篡改的現(xiàn)象發(fā)生。當(dāng)供應(yīng)鏈各主體間出現(xiàn)糾紛時，舉證和追責(zé)均耗時費力。

1.4 消費者信息缺失問題

消費者在遭遇缺陷電池問題時，由于信息的不對稱，常常處于消極被動的地位，面臨維權(quán)難、維權(quán)慢的問題。[3]有缺陷的電池召回過程的時間、維修和更換的位置等通常由賣方指定。難以及時享受電池制造商的召回服務(wù)，導(dǎo)致消費者承擔(dān)電池的安全隱患。電池相關(guān)的質(zhì)量、價格、原材料、生產(chǎn)過程等方面的重要信息僅由電池的生產(chǎn)商掌握，生產(chǎn)商可自由地選擇隱瞞對其不利的信息，并放大將對其有利的信息。為了提高利潤并尋求最大程度地提高交易過程的收益，電池制造商可能會錯誤地使用某些不合適的材料制造電池，從而損害消費者的利益。在沒有第三方監(jiān)督機(jī)構(gòu)的直接介入，相關(guān)的數(shù)據(jù)庫由生產(chǎn)商和分銷商自行管理的情況下，若廠商對問題電池定位、維護(hù)、召回等措施采取消極態(tài)度，消費者仍然無法及時有效地主張自己因電池質(zhì)量受損的權(quán)益。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在溯源方面的優(yōu)勢

區(qū)塊鏈技術(shù)擁有四個主要特點：集體維護(hù)(collectively maintain)、 去 中 心 化(decentralized)、可靠數(shù)據(jù)(reliable database)、共識信任(consensus trust)。[4]第一，集體維護(hù)。系統(tǒng)中的所有對等節(jié)點共同維護(hù)賬本，并且單個節(jié)點的有效性不能決定整個系統(tǒng)的有效性，電動汽車溯源系統(tǒng)涉及的節(jié)點眾多，各節(jié)點的硬件性能和軟件系統(tǒng)都有差異，影響了系統(tǒng)的問題可用性。集體維護(hù)的賬本有助于屏蔽這種差異性，對用戶更為友好。第二，去中心化。整個網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點都會維護(hù)相同賬本數(shù)據(jù)，任何節(jié)點的損壞或丟失都不會影響整個系統(tǒng)的運行。電動汽車溯源系統(tǒng)的各個參與方通常處于不同的地理位置和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，這就容易帶來延遲高、訪問難的問題，去中心化的溯源系統(tǒng)具有更好的魯棒性，能夠降低系統(tǒng)的故障率。第三，數(shù)據(jù)可靠。哈希算法形成數(shù)據(jù)摘要，以確保數(shù)據(jù)不會被篡改，并且基于非對稱加密技術(shù)的數(shù)據(jù)簽名保證了數(shù)據(jù)記錄和傳輸?shù)恼鎸嵭?，并且不可否認(rèn)。系統(tǒng)的記帳權(quán)由參與節(jié)點共同維護(hù)。在大多數(shù)節(jié)點都是可信的前提下，不能惡意修改數(shù)據(jù)系統(tǒng)或上傳錯誤數(shù)據(jù)。溯源系統(tǒng)的記錄與各個廠商的利益、消費者的利益均密切相關(guān)，涉及賠償、訴訟等諸多問題，因此溯源系統(tǒng)時刻面臨著外部的網(wǎng)絡(luò)攻擊和內(nèi)部的惡意篡改，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)模型有著高度的安全性，與溯源系統(tǒng)的需求高度匹配。第四，共識信任。系統(tǒng)的操作規(guī)則是開放且透明的，所有數(shù)據(jù)內(nèi)容都是開放的，可供審計的。各節(jié)點之間的信任依賴于共識機(jī)制而不是權(quán)威中心的擔(dān)保，在大多數(shù)節(jié)點誠實的情況下，個別節(jié)點的不誠實行為無法修改賬本信息，因此可以以較低的成本獲得共識信任。[5]溯源平臺的各個參與方有著各自的利益訴求，缺乏互信的基礎(chǔ)，區(qū)塊鏈技術(shù)基于數(shù)學(xué)原理建立的共識機(jī)制可顯著地降低各參與方的互信成本。

3 應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建電動汽車電池溯源系統(tǒng)的方案設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

由于電動汽車電池可追溯性系統(tǒng)的參與角色多、數(shù)據(jù)類型復(fù)雜、數(shù)據(jù)量大的特點，分布式的存儲方式和分布式的計算架構(gòu)適用于該系統(tǒng)。如圖1 所示，終端設(shè)備和業(yè)務(wù)系統(tǒng)均通過部署在各個對等節(jié)點上的節(jié)點服務(wù)器和分布式數(shù)據(jù)庫獲取數(shù)據(jù)。

終端設(shè)備為射頻識別設(shè)備。射頻識別（Radio Frequency Identification, RFID）技術(shù)不需要在識別系統(tǒng)和特定目標(biāo)之間建立光學(xué)或機(jī)械接觸。[6]它只能通過無線電信號識別特定目標(biāo)并讀寫相關(guān)數(shù)據(jù)。它具有大量數(shù)據(jù)，使用壽命長，具有安全性高、識別速度快、適用范圍廣、易于閱讀、支持批量識別和難以偽造等優(yōu)點。為了確保可追溯性代碼的唯一性并消除假冒商品和竄貨的現(xiàn)象，本文使用RFID 電子標(biāo)簽存儲可追溯性數(shù)據(jù)。

考慮到業(yè)務(wù)需求，系統(tǒng)基于聯(lián)盟鏈進(jìn)行構(gòu)建。聯(lián)盟鏈系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)具有參與安全性高、用戶信息不可篡改、身份不同、權(quán)限不同的特點，且具有隔離不同賬本之間的信息，并進(jìn)行訪問授權(quán)驗證的功能，適合用于基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動汽車追溯系統(tǒng)的建設(shè)。為了減少開發(fā)難度并提高軟件平臺的可重用性和可伸縮性，該系統(tǒng)使用組件開發(fā)技術(shù)來分離和模塊化設(shè)計和開發(fā)中的元素。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)Fig.1 Total strcuture of system

在本系統(tǒng)中，由監(jiān)管部門來管理電池溯源平臺，包括平臺的數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器，CA(證書頒發(fā)機(jī)構(gòu))與網(wǎng)關(guān)，監(jiān)管部門通過CA 對接入的賬本節(jié)點進(jìn)行授權(quán)，并通過平臺對接入廠商和接入用戶進(jìn)行身份管理。接入的廠商共同維護(hù)區(qū)塊鏈賬本，各自部署自己的賬本節(jié)點，在有信息錄入需求的節(jié)點上部署RFID 設(shè)備的信息錄入接口。消費者只需要部署輕節(jié)點，不需要保存完整的賬本，在有身份查詢需求時可通過任一廠商提供的賬本查詢接口通過電池的特征碼進(jìn)行查詢，在有溯源需求的時候向監(jiān)管部門提出申請，由監(jiān)管部門調(diào)取相應(yīng)的信息并進(jìn)行結(jié)果反饋。

3.2 系統(tǒng)核心環(huán)節(jié)及協(xié)作溯源流程

電動汽車電池的可追溯性涉及多個環(huán)節(jié)。系統(tǒng)各個模塊之間的有效協(xié)作是電動汽車電池有效追溯的重要保證。[7]如圖2 所示，應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的電動汽車電池溯源系統(tǒng)包括六個核心環(huán)節(jié)的溯源，分別是：生產(chǎn)、裝配、銷售、維修、報廢、物流六個環(huán)節(jié)。[8]溯源環(huán)節(jié)如下：環(huán)節(jié)1 生產(chǎn)環(huán)節(jié)信息采集。制造商節(jié)點為生產(chǎn)的電動汽車電池配置唯一的RFID溯源碼，收集相關(guān)的生產(chǎn)與管理信息，包括企業(yè)主體、物料輸入、生產(chǎn)用途、交易記錄，并將上述信息上鏈備案。環(huán)節(jié)2 裝配環(huán)節(jié)信息采集。汽車生產(chǎn)商通過對待裝配電池信息進(jìn)行采集與管理，將企業(yè)主體備案、交易信息、電池的來源與狀態(tài)、電池的工作參數(shù)、裝配的車輛編號上鏈。環(huán)節(jié)3 銷售環(huán)節(jié)信息采集。通過信息管理和收集，電池零售商在流通過程中記錄企業(yè)的主體、電池的來源和流量、交易狀態(tài)和存儲狀態(tài)、產(chǎn)品質(zhì)量以及其他商品信息，并上傳上述數(shù)據(jù)。環(huán)節(jié)4 維修環(huán)節(jié)信息采集。電池維修廠通過信息管理和采集，將企業(yè)主體備案，電池來源入廠狀態(tài)、維修項目、維修后狀態(tài)備案，電池來源與流向備案，保存交易記錄，并將上述數(shù)據(jù)進(jìn)行上鏈。[9]環(huán)節(jié)5 報廢環(huán)節(jié)信息采集。報廢廠節(jié)點在獲得待報廢電池后，將企業(yè)主體備案、報廢電池來源備案、報廢工序備案、報廢電池的回收材料流向備案、保存交易記錄，并將上述數(shù)據(jù)上鏈。[10]環(huán)節(jié)6 物流環(huán)節(jié)信息采集。物流將物流企業(yè)的主體備案，收集記錄入庫信息、出庫信息、運輸信息、交付信息并上鏈。[11]

3.3 溯源系統(tǒng)數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)

在解決電動汽車電池溯源問題的同時，要充分地考慮隱私保護(hù)，商家需要上鏈的信息，有相當(dāng)多的敏感信息，諸如物料地使用、銷售的渠道、企業(yè)間的供應(yīng)關(guān)系等。如果簡單的將明文上鏈會對商家?guī)砭薮蟮膿p失。[12]同時，也不能將查閱權(quán)限局限于商家自身，那就不能充分保護(hù)消費者的利益。

如圖3 所示，系統(tǒng)采用了非對稱加密體系來解決這一問題，商家將明文記錄使用監(jiān)管部門的公鑰（公開密鑰，Public Key）進(jìn)行加密，得到密文記錄，并在添加基本產(chǎn)品信息后，使用商家的私鑰（私有密鑰，Private Key）進(jìn)行簽名后上傳到區(qū)塊鏈上。當(dāng)查詢者要進(jìn)行簡單的正品驗證時，只需要使用商家的公鑰解密，得到商家預(yù)留的基本產(chǎn)品信息。若消費者需要進(jìn)行電池溯源，就需要向監(jiān)管部門提出申請，監(jiān)管部門依次使用商家的公鑰和自己的私鑰解密，得到商家的明文記錄，并只將消費者應(yīng)當(dāng)獲取的溯源信息返回給消費者，避免了商家敏感信息的泄露。

圖3 溯源業(yè)務(wù)流程Fig.3 Tracing to business process

3.4 溯源系統(tǒng)的運行機(jī)制

在溯源系統(tǒng)中包括三種節(jié)點類型，監(jiān)管部門管理排序節(jié)點，監(jiān)管部門和參與廠商部署均保有完整賬本的全節(jié)點，消費者保留低負(fù)載的輕節(jié)點僅具有查詢功能。參與廠商通過智能合約發(fā)起信息上鏈請求后，各個全節(jié)點對該交易進(jìn)行背書，在經(jīng)過排序節(jié)點的排序后將結(jié)果同步到賬本的各個節(jié)點上，達(dá)到最終一致。在此過程中，廠商使用上述的隱私保護(hù)策略進(jìn)行敏感數(shù)據(jù)屏蔽，兼顧了隱私保護(hù)和監(jiān)管友好。出于節(jié)約能源，提高運行效率的考慮，溯源系統(tǒng)放棄了基于工作量證明（POW, Proof Of Work）和權(quán)益證明(POS, Proof Of Stake)的共識算法，而是采取了RAFT 算法來通過選舉領(lǐng)導(dǎo)者的形式達(dá)成共識，以獲得更高的讀寫效率。

3.5 溯源系統(tǒng)的可行性

目前，聯(lián)盟鏈系統(tǒng)已在食品溯源、農(nóng)產(chǎn)品溯源、藥品溯源等方向?qū)崿F(xiàn)了很多應(yīng)用成果，證明了區(qū)塊鏈技術(shù)在解決溯源問題上的可行性。聯(lián)盟鏈系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)到10 000 以上的每秒事務(wù)處理量（TPS, Transaction Per Second)，完全能夠滿足電池溯源系統(tǒng)的需求。以聯(lián)盟鏈來實施存證的政務(wù)服務(wù)平臺，在社保和司法方面都已有成功的應(yīng)用，具有成熟的權(quán)限管理技術(shù)和平臺與區(qū)塊鏈的交互技術(shù)。RFID 是很成熟的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在合理設(shè)計接口后能夠很容易的將數(shù)據(jù)傳輸給主機(jī)端?；诠借€體系的數(shù)據(jù)屏蔽技術(shù)是經(jīng)典的隱私數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，至今已成功應(yīng)用超過30年的時間。綜上所述，溯源系統(tǒng)的設(shè)計具有較高的可行性。

4 區(qū)塊鏈電動汽車電池質(zhì)量安全追溯體系的優(yōu)勢

4.1 高效穩(wěn)定的數(shù)據(jù)交互

由于傳統(tǒng)的溯源系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量眾多，中央平臺存在明顯的數(shù)據(jù)吞吐瓶頸，難以實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與中央平臺之間的數(shù)據(jù)交互。一旦中心平臺發(fā)生故障，就會為集中化管理的數(shù)據(jù)調(diào)用造成很大障礙，也會導(dǎo)致大量功能節(jié)點失效。[13]基于聯(lián)盟鏈的電池跟蹤可以通過證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（CA, Certificate Authority）認(rèn)證機(jī)制。收集物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)后，可以將其直接寫入數(shù)據(jù)塊并記錄到區(qū)塊鏈中，而無需被中心角色所識別，個別的節(jié)點故障也不會影響電池溯源業(yè)務(wù)系統(tǒng)的可用性。

4.2 統(tǒng)一有效的數(shù)據(jù)管理

每個節(jié)點數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)都依賴于區(qū)塊鏈來實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步和數(shù)據(jù)更新。使用者可以將任何節(jié)點作為接口來讀取數(shù)據(jù)來進(jìn)行溯源。在整個系統(tǒng)中，只有大多數(shù)節(jié)點批準(zhǔn)此交易，此交易才可以打包成塊，廣播到所有記帳節(jié)點，然后進(jìn)入分布式賬本。[14]在這種框架下，所有參與節(jié)點共同維護(hù)了電動汽車電池溯源系統(tǒng)，方便了消費者進(jìn)行信息驗證，也方便了商家進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，更方便了監(jiān)管部門對假冒偽劣商品的打擊，同時提高了溯源管理系統(tǒng)的安全性，對個別節(jié)點的攻擊和交易篡改并不能生效。

4.3 全新的監(jiān)管機(jī)制

區(qū)塊鏈創(chuàng)建了一種全新的信任機(jī)制，在密碼學(xué)可信的基礎(chǔ)上，采用單點上傳多點維護(hù)的業(yè)務(wù)架構(gòu)。實現(xiàn)電動汽車電池管理的記錄，負(fù)責(zé)人的記錄，生產(chǎn)過程的記錄，責(zé)任人的追溯，產(chǎn)品流程的追溯，隱患的識別，危害程度的識別評估，并且可以共享監(jiān)管信息。

4.4 明確的責(zé)任主體

分布式賬本保證了技術(shù)數(shù)據(jù)記錄過程是開放和透明的，并且消除了個別節(jié)點數(shù)據(jù)庫的損壞對系統(tǒng)可用性的影響以及個別節(jié)點數(shù)據(jù)庫異常對系統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性的影響。區(qū)塊鏈信息安全建立在密碼學(xué)安全的基礎(chǔ)上，具有可靠數(shù)據(jù)庫的特征，無法偽造區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。在電動汽車電池發(fā)生質(zhì)量問題時，不需要花費大量成本去驗證數(shù)據(jù)的真實性，通過溯源系統(tǒng)便可以直接定位造成問題的環(huán)節(jié)，省時省力。

4.5 從根本上阻止假貨流入市場

本系統(tǒng)使用了RFID 作為物聯(lián)網(wǎng)層面的輸入來阻止了復(fù)制標(biāo)簽這一非法行為。在數(shù)據(jù)庫層面，本系統(tǒng)具有單次交易被所有節(jié)點共同記錄的特點，任何人都沒辦法去篡改整條鏈的數(shù)據(jù)庫，保證從根本上阻止假貨流入市場。

5 結(jié)論與展望

本文在分析以往研究和實踐的基礎(chǔ)上，分析了電動汽車電池溯源的意義和可行性。在將區(qū)塊鏈技術(shù)與RFID 技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上，提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動汽車電池溯源系統(tǒng)構(gòu)建。該系統(tǒng)是基于聯(lián)盟鏈設(shè)計和開發(fā)的，它解決了中心化溯源平臺的性能瓶頸，并促進(jìn)了產(chǎn)品數(shù)據(jù)的統(tǒng)一性和有效性，建立新的業(yè)務(wù)信任機(jī)制，明確責(zé)任主體，降低溯源成本，從根本上阻止假貨流入市場。通過系統(tǒng)工作模式的研究與設(shè)計，實現(xiàn)了針對電動汽車電池生產(chǎn)、裝配、銷售、維修、報廢、物流六大環(huán)節(jié)的全方位監(jiān)管和溯源。[15]

同時，聯(lián)盟鏈技術(shù)具有開放性和可插拔性，為更多電動汽車電池的生產(chǎn)商、分銷商、服務(wù)提供商和消費者加入該追溯系統(tǒng)提供了方便。系統(tǒng)可以幫助生產(chǎn)商、分銷商、服務(wù)提供商、消費者和政府監(jiān)管機(jī)構(gòu)在內(nèi)的各方實現(xiàn)互利共贏。[16]

本文旨在為研究和構(gòu)建電動汽車電池溯源系統(tǒng)提供一種新的思路和方法。溯源系統(tǒng)仍然存在許多不足之處，需要改進(jìn)：系統(tǒng)的運行效率可以進(jìn)一步改善，系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計、定價策略、管理規(guī)則和功能設(shè)計有待進(jìn)一步完善，基于RFID 的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)也存在優(yōu)化的空間。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。