区块链智能合约技术在供应链中的应用研究

王栋，石欣，陈智雨，吕梓童

[1.国网电子商务有限公司(国网雄安金融科技集团)，北京100053;2.国家电网电力金融与电子商务实验室，北京100053;3.国家电网有限公司信息通信分公司，北京100761]

1 引言

近年来，区块链作为一种新技术，各个行业领域开启了对区块链技术的探索应用，包括金融、物联网、社会公益、供应链等，目前已有部分应用得到了具体的落地。区块链技术在金融领域被用于解决信任问题，物联网方面解决产品溯源问题，供应链方面解决上下游间的协同[1]。

随着各行业相关应用的展开，为了加强对区块链技术应用的规范，推广区块链技术健康发展，相关标准工作也已展开。区块链标准化方面，许多国内外标准组织包括ISO、ITU-T、IETF、IEEE 等均已开展区块链及其与物联网融合的标准化工作。ISO TC 307区块链和分布式账本技术委员会开展区块链制定，目前已经有8项标准项目正在开展。IETF 讨论区块链的互联互通标准，IEEE 建立了区块链应用在物联网下的框架标准[2]。2018年4月中国信息通信研究院已牵头联合158家企业，正式启动可信区块链推进计划，加快构建可信区块链标准体系。截止2018年10月已有225家企业加入。

供应链概念的核心就是各主体间建立信任，围绕产品的设计、原材料采购、生产、运输、销售、交易各环节上的相关上下游企业形成链条，把链上信息收集整合。虽然供应链上涉及企业越来越多，不同企业间信息共享有限，无法做到整个链条上的完全的信息对称透明，可能存在虚假信息和篡改历史信息的风险。随着区块链技术的兴起，区块链技术具备的不可篡改、交易透明等特点，为解决这些供应链这些问题提供了可靠的支撑。本文研究将区块链技术应用于供应链，可提高供应链上交易双方交易效率，降低成本的同时保证交易的安全性。本文将从区块链技术介绍、现代供应链管理现状、选取供应链中智能合约环节研究区块链技术在供应链智能合约中的应用三部分展开。

2 区块链技术

2.1 区块链原理

区块链是一种分布式账本，通过去中心化、去信任的方式集体维护一个可靠数据库的技术方案。该方案将区块有序的链接起来形成的一种链式数据结构，构成一种几乎不可能被更改的分布式数据库。区块链是这里的“分布式”不仅体现为数据的分布式存储，也体现为数据的分布式记录（即由系统参与者共同维护）。区块链上的每个节点里都存储了整个区块链的全部信息，链条上的每个节点都可以理解为整体数据的备份节点。各节点的数据由所有参与者共同拥有、管理和监督，所有参与者都可更新数据库并进行确认。去中心化、自治性、开放性、不可篡改性是区块链最核心的优势和特点，可以有效减少参与者之间的信任成本。

每个区块由区块头和区块主体组成，是内含相关信息和记录数据的集合。区块头的作用是保证各区块间的链接，区块主体用于记录数据信息。区块链网络是基于密码学原理而不基于信用的点到点网络，没有中心服务器和管理机构，网络中每个节点地位对等，同时作为客户端和服务器端。各区块中除了交易数据信息之外，还包含了区块ID、时间戳、与上一区块的链接关系等信息，形成一条包含整个网络所有已交易信息的链条。这些数据块被实时广播到整个网络中共享，一旦通过确认并加入到链条之后便具有不可抵赖、难以篡改的特点， 从而保证了整个数据库的透明性和可靠性[3]。图1和图2分别描述了区块链的结构和区块链结构的详细信息。

2.2 区块链特点

区块链技术无需中心调度，并且能够有效保障数据的真实可信，可以促进供应链上各参与者的数据协同和数字信任体系构建，实现新型的上下游企业管理架构。区块链形成的链式账本结构，极大地提高了数据的验证和存储性能。区块链技术通过多方用户共同参与制定一份智能合约，使用编程语言实现并公示给各个节点，共同完成交易后通过共识算法将交易状态保存到区块链中。共识算法和密码算法的采用是为了维护节点的一致性和数据传输及访问的安全性。智能合约包含了双方的权利和义务，触发的条件以及触发后的执行的动作。

区块链技术的应用具有四个主要特点：去中心化、开放性、防篡改性、自治性。

（1）去中心化：区块链技术是基于P2P模式（异构多活网络）的系统结构。网络中不存在中心节点，各节点地位、权利和义务均等，互为备份，数据库具有很强鲁棒性。

（2）开放性：区块链系统对所有参与者开放，可以自由参与成为节点。除被加密的节点隐私信息之外所有数据参与者公开，整个网络运行规则高度透明。

（3）防篡改性：区块链通过链式结构、数字加密和共识算法等技术保证了区块链数据不可虚构、不可伪造、不可篡改及不可删除等特点，有效保证数据稳定可靠、安全且可追溯。

（4）自治性：区块链通过共识算法和智能合约等技术实现所有节点自主运维，保证了系统无需信任背书或第三方监督也能正确执行及自行运转。

图1 区块链结构

2.3 区块链运行机制及应用

图3 描述了区块链网络正常运行，区块头和区块主体需要包含的各项信息。版本号是用来标示软件及协议的相关版本信息。为了每个区块首尾相连组成了区块链，后一个区块采取引用区块链中父区块头中哈希值的方式，并且这个值对区块链的安全性起到了至关重要的作用。Merkle根是由区块主体中所有交易的哈希值再逐级两两哈希计算出来的一个数值，主要用于检验一笔交易是否在这个区块中存在。时间戳是用来记录该区块产生的时间，单位精确到秒。随机数(Nonce)记录了解密该区块相关数学题的答案值[4]。通过对区块链技术的分析，可以从六个维度分析该技术的技术架构，如图4所示。

3 供应链现状

3.1 现状

图2 区块头详细信息（举例）

如图5所示，在核心企业主导的供应链上，核心企业只对直接交易的一级供应商和下级客户的信息有所掌控，无法进行在下一级的信息掌握，除非供应商直接将他的上一级供应商信息主动加入链中。总之，核心企业无法保证整个链上交易信息的完整性和真实性。

例如，当国网公司作为核心企业时，公司的电商平台负责招投标信息的发布，无法对中标后合约执行及约定款项及时支付做到掌控。供应商直接发货给具体的项目需求单位，由项目需求单位各自独立仓储，造成了一定资源上的浪费。

图3 区块链运行机制

图4 区块链技术体系

对于淘宝等电商平台作为核心企业时，在平台上进行信息和资金的传递，对于物流信息实际上由卖方直接发货给买方，平台上只引入快递公司的物流信息，对于物流信息的真实性无法100%保证。

我国一些大型企业的电商平台事实上只是起到了采购需求发布、产品展示宣传的一个媒介，电商平台没能发挥应有的效用，企业也没发挥其作为供应链上核心企业的职能。虽然获得直接相关的上下游的数据信息，但无法真正利用这些数据的价值，或者把这些数据进行进一步传递和公开，传统供应链交易效率低下、供需信息不对称的问题仍然没有得到解决。

供应链存在的关键在于解决信息透明和对称的问题，传统供应链很长，涉及环节众多，每个环节都需要上一环节的确认，速度慢需要时间长，重心更多的在于对物流信息的把控，交易效率不高。现在供应链强调资金流、物流、信息流三流的统一，解决上下游企业间的信息透明和共享，增强上下游的协作[5]。目前，供应链主要存在三个问题。

（1）数据孤岛问题

随着信息化的发展，上下游企业各自建立自己内部的信息平台，不同的企业间的信息各自维护，彼此信息不透明，供应链上核心企业只能对上一级供应商和客户的情况大致了解，且了解的途径单一，信息了解有限。不同企业间物资、财务等数据无法直接集成共享，对账清算异常繁琐；另一方面各企业担心自己的数据资产隐私受到侵害，不愿意共享数据，数据孤岛问题突出。

（2）数据信任问题

图5 以核心企业为主的供应链流程

目前，网络安全形势严峻，数据欺诈事件频发，供应链上下游企业在数据交换过程中面临着数据信任之痛：一方面数据资产缺乏有效的确权机制，数据价值保护能力不足；另一方面数据交互参与方身份的真实性、不可否任性，数据的完整性、不可篡改性缺乏有效保障；再一方面数据的信任无法连续传递，阻碍了商品流、资金流、信息流、物流的统一，供应链生态全过程信息传递不畅。

（3）履约保障问题

数据缺乏共享、信任无法传递，以及商品流、资金流、信息流、物流的不统一，导致供应链上下游企业间按照合同约定的结算无法自动完成，很容易出现拖款、违约等情况，涉及多级供应商结算时，难以有效监管资金挪用、违规分包等情况。

3.2 目标

现实供应链中面临这严重的交易信用问题，虽然随着大数据技术的发展，交易双方可以借助大数据技术遍历对方交易数据以获取对方交易数据信息的证明。但由于有时数据来源受限，导致无法获取完善的交易信用证明数据，同时由于数据源及数据信息的独立性，大数据技术也为不法分子修改、破坏、盗窃、交易数据提供了更高的可能，所以从根本上来说，大数据技术仍然不能彻底解决交易的数据证明问题[6]。

区块链、大数据、人工智能、物联网等新一代信息技术的发展推动传统供应链向数字化、智能化的转型，更好地将信息流、资金流、物流整合分析，建立动态信用评价体系，从而实现交易双方的信息透明，提高交易效率。

3.3 供应链管理新框架

考虑到企业运营需要与供应链上的各方进行数据交互，传统的数据信息的安全交换依赖一个中心机构，通过中心机构对信息数据进行管理，保障各方信息数据（订单、合同、交易和行为等）的真实性、完整性、不可篡改性以及私密性。

为了完善传统数据交互机制的不足，进一步提升供应链上各参与方的协同数据能力，本文提出凭借区块链技术实现供应链上智能合约，每位参与者都可以看到供应链的进展情况，智能合约确保交易可追踪，交易信息的透明性，避免合同欺诈确保交易的安全可控。

根据区块链应用的技术特点，提出方法可以有效解决参与方的身份论证、数字化资产确权和交易规则统一等问题。基于区块链技术的企业供应链协同了上下游各企业完成交易，多方的协同工作促进产业生态链向更真实、更透明和更智能的方向发展。由于区块链技术的协同性，保障了企业合约能够按照约定公正的，无干扰的自动执行。同时，资产数字化使资产价值具备了可确权、可传递和可拆分等特点，有效提高了数字资产的流动性。因为所有的交易都是生态链上各方共同参与完成，各方都具有完整的交易信息，进而可以保证合同和订单等信息的真实性，并且基于密码学的机制确保了交易无法抵赖和破坏。区块链技术的应用，对于交易流程中的各节点的身份论证有着严格的要求，可以解决参与方的身份真实性问题。

以区块链系统为依托，可有效解决企业在供应链协同发展中面临的数字身份、数据资产等私有数据的互联互通与可信共享、有序协同等问题，提升企业互联网的协同效率，降低协同成本，打通信用、资金、业务等的多级传递问题，是构建适应于新商业文明下协同生态的重要基础。如图6所示，利用区块链技术构建的供应链金融全链协同运转流程，可以有效解决传统金融供应链的问题。

（1）嵌入区块链智能合约，对接金融机构和银行支付通道，可对链条上的企业资金清算路径进行固化，有效管控了违约风险。

（2）提供了可信的融资凭证，使核心企业信用基于可拆分、可流转的类商票凭证在供应链中流动，缓解中小企业融资的难题。

（3）使用区块链记账，形成共享账本，实现了“商流”+“信息流”+“资金”+“物流”的统一。

（4）信任随着信息流和资金流流转逐级传递，实现了信任的轻松传递。

图6 供应链金融全链协同运转流程

4 区块链技术在供应链中的应用

4.1 区块链应用案例

京东将区块链技术运用到供应链场景中防伪追溯，消费者能够在移动端、PC 端看到重要商品的全程追溯和监管过程。目前，京东的这项部署，链上数据超过4亿条，有大概10亿个追溯码，实现超过50万次的查询[7]。

例如，零售巨头沃尔玛与IBM和清华大学合作，通过区块链追踪猪肉制品的流通情况。沃尔玛采用Linux 基金会的 Hyperledger Project(超级账本项目)开发的区块链技术，用区块链工具存储 Linux操作系统的代码，其中的区块链是沃尔玛、IBM和清华大学共同开发的私有数据库，记录猪肉制品在完整商业周期中流转情况，包括养殖、加工、批发、零售、消费等，具体将食品来源信息、工厂数据、保质期、存储温度、运输等信息存储于区块链，有效防止和发现诈骗及错误本文重点研究区块链在供应链中智能合同环节的应用[8]。

4.2 区块链在供应链智能合约中的应用

区块链技术在智能合约中的应用可以保证买方付款的情况下，货物肯定会被发出，或者货物发出的情况下，卖方肯定可以收到资金。资金的结算和物流通过智能合约的约定，一旦满足条件立即被触发，借助区块链上其他企业共同对这笔交易形成有效的监管，整个交易信息透明，一旦其中一方违约，整个链上都会获取到这个消息，该企业将会被加入黑名单并提出黑名单。智能合约拥有可以大大减少许多商业交易欺诈和执法成本的潜力。同时使用区块链去中心化技术，智能合约减少中介和交易对手的风险[9,10]。智能合约包括合约主体、数字签名、合约条款及区块链平台四个要素。

（1）合约主体：智能合约必须具备合约主体，才能实现自动锁定、解开合约中的相关商品及服务。

（2）数字签名：链上所有参与者通过私钥进行认证后，合约才能启动。

（3）合约条款：智能合约条款涉及所有操作顺序，须由所有参与者认同并签署后才可执行。

（4）区块链平台：由于区块链技术去中心化的特性，智能合约被放入去中心化的区块链平台，去除第三方干扰，增强网络的去中心化，并分布于各个节点之间，等待执行合约。

4.2.1 传统合约和智能合约区别

传统合约基于合同法制定，通过双方对合同文本达成共识进行约束，受法律约束，且由于合约双方各自企业流程，签署效应等影响响应时间慢。

智能合约基于软件代码实现，但需要在合约模板写入区块链时考虑全面，模板一旦下发或者合约一旦生成，不可篡改。但智能合约暂时没有法律的监管。如果交易在区块链上进行，在合同执行的阶段，可以很清楚地看到，交易双方是否执行各自义务、是否进行付款，是否准时交付产品等。

区块链上智能合约一旦双方对合约内容达成共识完成，完成合同签署，按照合约约定条件自动履行合约，其中一方发出货物或者另一方发出货立即自动打出货款。有助于提高交易效率，减轻供应商资金压力，便于销售方加快资金回款，更好执行下轮生产计划。

传统合约优点在于对于条款审查较细，缺点在于审批流程需要经手各个部门，审核周期长，效率低。智能合约优点在于标准合约，合约各项内容早已写入链上，审核较快，且在满足条件的情况下合约自动执行；合约内容经由算法加密并加时间戳后存储在在各个节点网络，不可更改和逆转，也不会被遗失，而且没有中介机构参与，确保交易的安全性，降低成本；缺点在于固定文本，一旦初始模板有问题无法撤回修改，而且所有交易信息都在区块链上，区块链资金均为现实资产转化的数字通证（Token），可能存在问题。

如图8所示对于各个交易体内部合约流程私有化部署，内部所有数据上链（隐私保密信息经公钥加密后上链），企业内部流程涉及人员发放个人数字印章，借助个人数字印章和区块链协同完成企业内部合约的快速流转。在企业内部合约流程完成后，单位数字印章持有者完成本单位涉及部分的合约签署生成。由于智能合约被提前写入区块链中各节点，各个节点企业完成合约条款无误后使用单位数字印章签署，合约生成。生成的电子合约信息存储在交易相关的节点网络，包括公司名称、地址等公开数据和随机生成的隐私数据。链上涉及的交易方、监管机构、司法机构等可以凭借私钥访问公开数据和隐私数据等完成的合约数据，其他交易方公共机构只能访问公开数据。

通过运用区块链技术，各企业内部签署流程全部在内部私有区块链上存储，可保证本地数据的安全性，提高签署效率，个人数字印章只有持有者掌握，可确保全部流程本人参与；对于联盟链上交易双方，合同一旦满足条件自动生效。

现有供应链条件下，合约履行依靠交易双方完成，对于供应商而言，存在结算周期偏长，资金到账时间长的问题。通过智能合约自动结算现实资产对应的数字通证，有效缩短财务结算周期，便于合同的结算，有助于供应商加快资金回笼，更好的优化订货和批量生产。对于买方企业，有助于提升整个交易流程效率，保证货物的时效性。不论企业内部私有链还是外部联盟链，所有数据均存储在区块链上，构建签约全程的证据链，一旦交易出现问题，对内企业私有链便于企业内部追责，对外联盟链上有所有交易均在相关监管机构做备份，链上信息可作为司法举证。交易在区块链网络上是安全的、无须信任和分布式的。

图7 区块链交易流程

图8 基于区块链的供应链智能合约

4.2.2 区块链智能合约流程

区块链智能合约流程如图9所示，A企业为买方企业，B企业为卖方企业即供应商。智能合约业务流程包含合约的签订、执行、资金支付、直至交易结束才算完成整个合约的全生命周期。合约从一开始签订到最后履约完毕生成一个个区块，区块按时间戳顺序相连形成完整的区块链。具体流程分为几步。

AB企业完成各自内部签署流程即双方签订合约后，双方将合约信息广播至被称作节点的P2P网络，节点网络利用特定算法验证合同信息和用户状态，在信息被验证通过后，该合约信息和其他交易结合生成新的区块数据，合约校验码保存在区块中，该区块信息被链上其他企业记录。

合约执行环节B企业进行交易请求发出货物，协同链上物流企业发布物流信息广播至网络中，节点网络验证后连同其他信息生成区块，物流信息保存在区块中，新区块被永久增加到已有的区块链。

A企业一旦收到货，在链上操作，满足合约条款付款条件时自动履行支付功能，并将资金支付中可公开的信息广播，B企业收到资金验证后，生成区块，并将相关信息写入区块链。

整个交易完成后，AB分别进行此次交易完成信息的确认并广播至网络中，同样生成区块增加到已有区块链，整个交易完成，生成完整的区块链。链上其他交易主体企业完成整个交易的记账，并且在所有区块生成过程，由于区块链时间戳的特性，整个区块生成生效后永久存储在链上，可追踪不可逆转，确保了此次交易的真实性。

区块链技术在供应链上智能合约中应用，基于智能合约的交易可追踪，自动，不可逆转，一旦添加到区块链就不能被操纵。由于供应商、销售商是动态变化的，可以防止共谋形成。

图9 区块链智能合约流程

5 结束语

本文分析了区块链技术原理，区块链特点和运行机制及应用，同时对传统供应链和当前供应链进行了分析，总结了区块链在供应链中已经落地应用的案例，重点分析了区块链在供应链智能合约中的应用。区块链技术特有的去中心化、规则透明的特点可以真正实现智能合约，解决实际供应链管理中供需双方信息不对称和不透明引发的缺乏信任、追溯困难、隐私保护问题。