基于智能家居供应链管理的智能合约设计研究

摘要

科技在发展，时代在进步，随着物联网、大数据、5G技术等信息技术的飞速发展，智能家居等以柔性化生产为主的产业发展尤为迅速，但是其供应链的上下游结构变得日益复杂，因此将会导致的供应链上出现首尾信息难以一致、关键决策延迟等情况，长此以往便带来了难以预估的蝴蝶效应。不仅如此，供应链中流通的信息还存在可靠性问题和存储问题，没有可靠的、可追溯的信息将会导致出现追溯困难、追责困难的情况，从而也使得其供应链管理陷入了瓶颈。

然而，区块链的出现带来了新的机遇，因其具有多节点信息同步、信息数字化加密、信息可追溯查询、区块中的内容不可篡改等特点，并且可以与智能合约这一代替人为自动执行的合约模式相结合的性质，可以实现一个完美优化供应链体系的系统构架——智能合约系统。其数据的来源是在区块链链上，而且执行的操作在链上，最终输出的结果在区块链上，可以完美适用于本文智能家居供应链柔性化生产的场景中，能为其供应链管理提供优化提升的作用。本文基于此，针对智能家居供应链设计智能合约系统优化方案，达到优化供应链管理的目的。

关键词：柔性化生产；区块链；智能合约系统；供应链管理优化方案

第一章引言

1.1研究背景与意义

科技在发展，时代在进步，在当今这个物联网、大数据、5G技术等信息技术飞速发展的背景下，智能家居这一发展迅速的产业也逐步引起人们的关注。根据前瞻产业研究院在今年的统计结果显示[即前瞻产业研究院发布的《中国智能家居设备行业市场前瞻与投资策略规划报告》。]，2017年全球智能家居市场规模就已经达到了357亿美元，从近几年的未来来看，2018-2023年间的年均增长率（复合增长率）将达到26.9%，预计到2023年将可以达到1506亿美元。从国内的发展数据来看，2016年中国智能家居市场规模就已经达到2608.5亿元，2017年更是达到3342.3亿元，同比增长了24.8%。[1]预计在2020年年末，其市场规模将达到5000亿元以上，这也就意味着在未来3-5年的时间内，其市场将保持为25%以上的增长率。

供应链作为一种代表了现代生产技术发展的产物，具体的概念是指其围绕着核心企业，从上游供应商配套零件开始，设计产品、制成中间产品以及最终的成品，最后通过销售网络和物流渠道把产品送到消费者手中，是一个将供应商、制造商、分销商和物流商直到消费者连成一个整体的功能性网链结构。具体来说，其围绕着采购、产品设计、生产、运输、销售、交易等环节上相关的企业形成了一个链条，这也是一个综合了供需信息的可循环的链条。日益增长的智能家居产业拥有着其独有的供应链体系，分别由上游的电子元器件及集成电路零部件供应商、中游的设备制造商和网关制造商以及下游的系统集成商、服务提供商、以及终端用户构成。其中，由于家电制造企业和是房地产开发商最贴近终端用户，所以系统集成商与服务提供商在大多数情况下是由他们担当，这也导致了智能家居产业的主要发展动力来源于他们，正是如此，智能家居产品的生产企业主要是根据客户的需求而进行生产的，这就对中游的设备、网关制造商有了可柔性生产的要求。

柔性化生产意味着智能家居产业需要一个多节点数据一致性增强信息共享的系统，它的作用在于可以改善信息沟通交流不一致，拥有可靠的地跟踪交易状况和对上下游企业间交易合作进行管理的能力，加强上下游企业间的协同，保证时效完成定制化的产品。

除此之外，智能家居行业与大多数传统行业不同，其供应链上涉及不同种类的企业，不同企业间信息共享有限，传统的供应链管理技术和概念已不能再适应现代的供应链管理，无法做到整个链条上信息的透明，存在虚假信息以及被篡改历史信息的风险。[9]

区块链的特征是具有多方共同维护、数据不可篡改、信息可以追溯，因为其是一种通过以密码学方式将数据进行链式存储的结构。而这些特殊的能力正好与供应链运作管理中的需求相符合，例如需要多方共同协作以及需要拥有可靠透明的信息共享的需求，所以被认为是一种解决供应链管理难题的技术手段。具体来说，将区块链用于供应链可以总结为以下几个方面，首先是可以提升供应链整体的安全性，其次是可以通过解决供应链中的信息孤岛问题，从而增强供应链成员间的合作效率、协作能力和信息互通，最后是区块链的多节点信息一致性，该特点将可以解决供应链过去信息不一致导致的产品生产监管问题和信息追溯问题。

在区块链技术的发展中，智能合约的应用也得到了相应的拓展。具体来说，智能合约是一个由代码组成的系统程序，这个程序通过合约的代码化后形成，它允许我们在不需要第三方机构参与的情况下，执行交易，与过往不同，这次交易不仅可追溯、不可逆转而且还是十分安全可信的，这也正是区块链和智能合约应用拓展的好处之一。由于区块链可以去中心化的重要原因，在区块链网络使用的智能合约可以被比喻为一个使用自动售货机的过程。智能合约与自动售货机类比：如果你向自动售货机（类比分类账本[类比分类账本，即通过类比分类的方法将矿工挖矿成功挖出的块(数据块)进行记账，并把交易信息填充到数据块里面，这就算记账成功了，矿工将会获得收益。

其收益由两部分组成：奖励+手续费。奖励，是找到区块的报酬；手续费是记录交易信息的辛苦费。]）转入加密的货币，一旦输入的要求和转入的货币满足智能合约所设置的代码要求和账户验证，它将会自动执行合约中双方事先约定好的义务和权限。[3]

本文旨在利用区块链和智能合约技术针对智能家居供应链多节点、信息不对称以及信息可追溯等问题构建一个智能合约系统，为供应链智能治理的研究提供一定的研究范例。具体的意义体现在：

（1）为智能家居产业供应链设计智能合约系统，可增强信息共享功能的，加强上下游间的协同，适应柔性化生产的需要；

（2）利用区块链的数字签名验证机制以及数据不可篡改性质可以防止智能家居供应链上假冒产品的流通的发生，保证信息是真实可信的，也可以解决物联网产品溯源问题；

（3）利用该智能合约系统，减少商业交易欺诈和执法成本等潜在问题，基于区块链技术的智能合约对于合约交易的各方来说成本和效率是非常高的，更能够实现对合约执行过程中的人为变更的规避；

（4）使用该智能合约系统，减少第三方中介机构成本，并由于拥有数字签名验证机制，可以避免交易对手知晓商业机密的风险；

（5）为了使供应链向可信的方向发展，通过智能合约系统合理评估企供应链行为信誉，规范企业行为，为其他企业决策提供参考。具体来说，是通过对企业在过往每一次供应链活动中累积的行为数据并进行信息的存储，依照对应的计算方法，对企业的信誉进行计算，存储到企业的信息中，作为供应链企业选择合作的一个参考。

1.2国内外智能合约的研究现状

在互联网诞生之初，智能合约由于缺乏可编程的技术支持，一直没有得到很好的应用，直到元编程技术的发展和区块链的出现，智能合约才拥有了快速的发展，区块链可以提供可信的执行环境而编程技术的发展也为其提供了技术支持。在这十年里，智能合约以及区块链的研究和应用实践也在不断的被推动。经历了以数字货币为代表的1.0阶段，以融资等金融业务和智能合约为代表的2.0阶段和已经融入进全社会生活各领域的3.0阶段，从纳资融资到审计审核，从物流控制到医疗医药等等，未来将会渗透进人们的方方面面里。下表1.1所示列举了全球发展靠前的智能合约项目：

本文将在现有发展的基础上对基于区块链和智能合约的智能家居产业供应链进行更为综合的优化方案设计，以满足其供应链柔性化生产的需要。

1.3本文主要工作

本文通过分析智能合约模型设计和研究的特点与智能家居供应链管理中存在的问题，攥写出基于以太坊智能合约的智能家居供应链新框架的优化方案。在进行不断地学习只是以及对实习所在的智能家居公司需求分析和调研之后，完成了以下任务：

（1）根据笔者在智能家居企业实习中对其供应链及其管理的分析，对此类型企业的供应链存在的问题进行分析和概述，并提出解决措施；

（2）引用智能合约应用于供应链的案例进行阐述和分析，总结出供应链中的问题以及智能合约为供应链带来的优化和改良。总结出的针对SN技术有限公司做出，进行深入的需求分析，找到总体业务需求、系统角色功能需求、安全性需求等等；最后，整理提出具体的解决方案并进行方案的设计；

（3）通过网课学习Solidity语言，明白了如何通过使用进行智能合约的数据存储结构设计和业务逻辑设计；学习了如何进行服务器端的逻辑开发，设计了系统所需要的功能和模块。

本论文的创新点有：

（1）根据智能家居供应链存在的问题以及特点针对性的构建智能合约系统的框架，让供应链更适应柔性化的生产，以充分发挥信息技术在供应链管理中的创新作用；

（2）根据现有供应链中存在无法判断未知企业信誉水平的问题，设计了供应链中企业的信誉评估方案，根据历史数据分析其信誉并进行评分，以促进供应链健康发展。

第二章相关基础知识

本章对本文涉及到的以核心企业为主导的供应链、以太坊、区块链以及智能合约这四个知识点进行概念的介绍以及技术的阐述，为后续内容做铺垫。

2.1以核心企业为主导的供应链

由前文可知，目前智能家居企业的供应链类型是以核心企业为主导的供应链体系，形成这样的供应链体系目的是在于适应激烈的市场竞争环境以及更好地迎合市场需求，同时，相比过去的各企业“单枪匹马”面对融资难的问题时，也更能受到银行的青睐从而获得融资。但是，在该类型的供应链中，正是因为企业数量（中小型企业）相对较多，容易出现信息传递不及时以及信息不完整、不真实的情况，核心公司只能控制与其交易的第一级供应商以及下级客户的信息，无法得到下一级以下的信息，除非企业主动将其上级供应商信息添加到本文所述的区块链中。简而言之，这类型的供应链是不能保证链上交易信息及时性、完整性和真实性的。[4]如图2.1所示：

除此之外，以核心企业SN智能家居有限公司为例，其以房地产开发商的定制为主要销售目标，Amazon等淘宝电子商务平台为二级销售平台，信息和资金在平台上转移，然而对于物流信息，卖方实际上将货物直接交付给买方的过程，真实情况是各节点发布的快递公司的物流信息，真实性以及及时性不能得到100％的保证。

现在，供应链强调了资金流、物流流和信息流三个流的统一，这解决了上下游企业之间的信息透明和共享，增强了上下游企业之间的协作。实际上，中国一些大型企业的电子商务平台仅用作发布采购要求以及产品展示和促销的媒介。电子商务平台未能发挥其应有的作用，企业没有发挥其在供应链中的核心企业的作用。尽管获得了直接相关的上游和下游数据信息，但是这些数据以及数值无法得到真正使用，更不必说可以进一步的传输和公开这些数据了。传统的以核心企业为主导的供应链体系交易效率低下以及供求信息不对称的问题仍未解决，需要使用优化方案来解决这个难题。

供应链中的关键问题是解决信息的真实性、透明度和对称性问题。传统的供应链非常长，涉及很多环节，而且它花费的时间很长，并且重点更多地放在物流信息的控制上，实际上整个供应链的交易效率以及运作效率不高。[6]

2.2区块链

区块链技术发展至今的已有十年，其最早被“中本聪”先生提出和描述为：区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合成特定数据结构，并以密码学方式保证的不篡改和不可伪造的去中心化共享总账。[11]区块链的共识算法的理论基础是拜占庭容错方法[拜占庭将军问题（Byzantinefailures），是由莱斯利·兰伯特提出的点对点通信中的基本问题。含义是在存在消息丢失的不可靠信道上试图通过消息传递的方式达到一致性是不可能的。因此对一致性的研究一般假设信道是可靠的，或不存在本问题。]。同时，区块链技术可以通过其分布式数据库、数字加密技术和独特的共识算法解决去中心化系统的双重支付问题，并且建立在了在不需要第三方信用机构的前提下，如此便可以形成了一个去中心化的无需信任单个节点的系统。

区块链同时也是一个各节点共享系统中的数据账本，区块结构如图2.2所示。每个块分为一个块头和一个块主体，涉及默克尔树[Merkletree（默克尔树（Merkletree））是一种哈希二叉树，由HundredRalphMerkle于1979年发明，数据存储在树结构的叶节点度中，并通过data（KnowHash）操作确保数据不会被篡改。叶子节点数据中的任何更改将被传到前一个节点，并最终响应树根的更改。比特币区块里面的每一笔答交易就是通过默克尔树结构进行存储的。]、链式结构、Hash算法[Hash算法将任意长度的二进制值映射为zd度的较短的固定长度二进制值。这个小的二进制值称为哈希值版本。哈希值是数据的唯一且极其紧凑的数字表示形式。如果您对纯文本段落进行哈希处理，甚至仅更改该段落的一个字母，则后续的哈希将产生不同的值。]和时间戳[timezd，时间戳是使用一串数字来表示当前时间，例如：1553102157秒表反馈2019-03-2101:15:57。]等新的技术元素。

图2.2区块结构

其本质是建立了一种分布式的标准，具体来说就是可以将发生在供应链上的数字事件在分布式数据库上创建成无法被篡改的记录，这也就使得位于本区块链中的所有对象可以及时的知晓到新发生的数字事件，且该事件无法被篡改。[2]

综上所述，我们将会利用区块链拥有的去第三方、去中心化、集体维护、不可篡改、规则透明、交易透明等特性，攥写出适合于智能家居供应链的适用于智能合约系统的优化方案。

2.3以太坊

以太坊是一个主旨在于提供去中心化应用开发的智能合约平台，其自由设计和开发智能合约的功能吸引了许许多多的开发者和企业，以太坊提供了具有图灵完备的智能合约多样化去中心化应用开发的平台，这也是其最受人欢迎的原因之一。拓展知识，以太坊的账户实际上只是以太坊的用户和合约的标识，它是一段长度有160位的数字，一般用40位的十六进制数表示，以目前的技术是无法将其破解的。[4]

区块链的发展正如日中天，但是目前最主流的应用和研究的区块链平台只有三家，分别是以太坊、超级账本和比特币。下表对其进行了对比阐述和分析：

本文主要分析其在共识机制方面的差别，以选择适合的区块链平台进行智能合约的开发。超级账本使用了拜占庭一致性协议PBFT，虽然能消耗较低，但是其安全性过于依赖失效节点数量的限制（不得高于全链的三分之一）。但是当遭遇sybil攻击[一种网络中的少数节点控制多个虚假身份，从而利用这些身份控制或影响网络的大量正常节点的攻击方式。]时，失效节点高于全链的三分之一是常有的情况，从而也不是很实用。比特币和以太坊前期都是POW的共识机制，POW共识机制是一种消耗能大但是安全性高的机制，所以不是很实用。然而，在共识机制上与POW对比，POS的共识机制不仅能消耗较低，还能在安全性上与POW相当，是很实用的一种共识机制。[9]在智能合约的支持性方面，虽然以太坊和超级账本都对智能合约有支持，但是超级账本的智能合约部署相比之下较为繁杂，而以太坊还拥有EVM这一安全性能极高的虚拟机系统，并且还拥有开发代币的功能，更为实用。[6]

综上所述，选择以太坊作为本文智能合约研究使用的平台，具体优势在于：1.部署方式简单；2.共识机制相比之下更胜一筹；3.可以进行代币的开发；4.发展成熟，拥有众多优质用户。

2.4智能合约

“智能合约就是执行合约条款的可计算交易协议”，智能合约被这样定义道。具体来说，智能合约的实质就是用程序代码表示各种商业的行为和繁琐的算法，把一切可以被代码程序化的行为进行程序化了。从实质来说，智能合约只是一个计算机协议，一旦这个协议被部署就能实现全自动执行和验证。起初它的应用范围仅仅局限于金融领域，但是发展至今已经拓展到了许许多多的领域了，例如本文就会将其应用与供应链管理的情境中去。

类似于传统的合约，智能合约的生命周期是根基于传统合约而设计出来的，它的全生命周期包括了：合约生成、合约发布、合约执行这3个部分，如图2.3所示：

第三章SN智能家居公司的现状及其供应链管理

3.1智能家居的发展现状和趋势展望

智能家居，顾名思义“智能”，即是利用了现今先进智能的技术来代替人类做一些人类能够做到但是需要花费时间去做的居家日常行为（综合布线、网络通信、人工智能等），以家居为起点，构建一个相对传统家居更高效环保的居住环境。是未来人类生活环境智能化递进过程的产物，是近年来移动互联的技术、思路、工具和方法对家电行业带来了前所未有的冲击，同时也是未来以核心企业为主导的柔性化供应链的典范之一。

智能家居是物联网的发展产物之一。智能家居通过物联网技术将家中的音视频设备、照明系统、窗帘控制、空调控制、安防系统、数字影院系统、影音服务器、影柜系统、网络家电等连接到一起，提供家电控制、照明控制、电话远程控制、室内外遥控、防盗报警、环境监测、暖通控制、红外转发以及可编程定时控制等多种功能和手段。[3]

与普通家居相比，智能家居供应链有以下特点：

（1）智能家居产业链广，产品多样化。但同时这也会涉及到一个物流问题——库存权衡问题：智能家居的产品具有多样化的特点，不同种类和型号，导致了一个企业内的SKU多达4000种，这样仓库将需要储存较多种类的产品，这也使得其供应链管理十分困难，尤其是库存管理。库存管理成本的上升，品种多而且产品量小也导致了运输成本的提升，从而最终导致了制造和创造的效率下降，这对于智能家居这种需要柔性化生产的企业来说是致命性的难题。

（2）智能家居的供应链以顾客为导向，故其生产将需要柔性化的供应链。与传统家具企业不同，智能家具企业需要根据用户以及线下销售渠道的反馈对生产的产品进行升级改造，这些反馈实际上就是提供了生产新产品的需求，智能家居制造商将根据这些需求及时的生产出成本低、易用性高的产品。由此我们可以知道，智能家居产业的供应链如同大多数的柔性化产业供应链，其供应链驱动模式需要具备很及时的信息传递功能，产品需要根据用户的需求不断改进。同时这也导致了行业内竞争激烈，市场占有率更加取决于其是否能更先找到用户需求，这对供应链柔性的要求更大了，同时这对于传统家电行业来说便更是困难了。发展智能家居产品必须学习和融入新的元素，云计算、大数据以及新的供应链管理技术和方法都是非常重要的创新点，新技术的开发，客户需求的把握，产品数据的挖掘都更能彰显出本文撰写的拥有改善信息不畅，让各方更好地跟踪交易状况、对上下游企业间交易合作进行管理，加强上下游间协同的智能合约设计是大势所趋。

（3）物流环节范围广，大型家电企业固定投入大。产品种类以及销售渠道的多样化，对物流网络的配套也有了更多的要求。

（4）与传统家电供应链相比，智能家居供应链的供应商增多。由于通信技术以及加工技术的不断更新换代，消费者的需求也随之与时俱进，由原材料供应商、家电生产商和家电线下加盟销售商组成的传统家电行业供应链已经不能够满足这些新生代的生产需求了，智能家居供应链相比传统家电供应链在企业组成上更加丰富，其供应链中的企业不仅有传统家电供应链中的企业，还有可以提供无线通信技术的通信公司、可以满足线上销售的互联网企业、可以提供软件支持的系统供应商等等。

（5）传统家居和智能家居企业供应商上游相对少且产业链不复杂，但智能家居企业对库存管理水平要求更高。与传统家具供应链相似，智能家居供应链的上游原材料供应商主要由钢铁原材、塑料原材、电子元件等组成，其供应链下游主要由线上线下自营、渠道分销商和售后组成。智能家居相比之下的不同点主要在于智能家居企业需要不断地进行产品的创新生产，这也意味着其库存管理水平要求更高。在当前智能家具高速发展的阶段，大多数智能家居企业都是中小型创新型企业，这就意味着这些企业的公司实力不会很大，所以这些企业往往只专注于某一种品类、某一种产品的开发生产；加之现在的智能家居发展环境就十分需要“有卖点”，否则将会被市场所淘汰，所以他们对自己所钻研的品类不断地进行开发和生产，新型产品的不断开发生产意味着其相应的零部件和技术也更迭迅速，原材料必须与新产品一一对应，这就直接对其供应链上游的库存管理及下游的生产线柔性化有了更高的要求；与传统家具供应链不同，这些中小型智能家具企业更重视“效率”，故其对上游供应商并没有“大牌效应”这一要求，在供应商的选择上往往不会选择大型知名供应商，也并不会采购大批原材料，反而这些企业更注重的是拥有新型技术的企业，以适应其需要不断开发新产品的市场需求。

（6）供应链下游销售以大批量定制销售为主，零售分销渠道多元化。我国智能家居销售渠道多种多样，大致可以分为：大型商场销售、品牌加盟店销售、国内外线上互联网平台销售及客户定制销售组成。从销售额统计可知：大型商场约占2成左右，海内外线上销售平台约占据了零售量的30%，其中海外零售量与国内零售量比例为7：3，剩余的零售渠道和商场销售仅为18%和更少，最多的是占据了3成的客户定制销售。

2020年以后智能家居产业将进入爆发期，目前各大厂商已开始密集布局智能家居，尽管从产业来看，还没有特别成功、特别能代表整个行业的案例显现，这预示着行业发展仍处于探索阶段，但越来越多的厂商开始介入和参与已使得外界意识到，智能家居未来已不可逆转，智能家居企业如何发展自身优势、领域内的资源整合以及研究更适合其发展现状的供应链管理模式，成为企业乃至行业的“站稳”所必备的要素。[8]

3.2SN智能家居公司供应链的关键问题总结及预期解决方法

（1）问题1：供应链上游柔性化生产库存权衡问题

解决办法：智能家居的产品具有多样化的特点，拥有多种不同种类和型号，这种多样化大大增加了供应链管理的复杂性。同时，由于消费态势的升级发展，客户对产品的需求更加趋向于定制化、个性化，这也激发了SN公司对于新产品创新开发的动力。除此之外，公司的发展也需要扩大中高端产品的市场，所以将需要适当的调整产品种类结构，及时发现并调整供应链上游企业的生产计划、采购计划以及推广计划，削减低端的盈利能力相对较弱的产品，注重生产和研发更高性能、高能效、大容量的智能家居产品，设计一个拥有多节点数据一致性增强信息共享功能的智能合约系统，随需生产高端、健康、精品中坚力量，改善信息不畅，让供应链中各方更好地跟踪交易状况、对智能家居产业上下游企业间交易合作进行管理，加强上下游间的协同，适应柔性化生产的需要。

（2）问题2：供应链下游定制化生产问题

解决办法：智能家居产业平台服务商以亚马逊、京东的零售为主，结合上文的数据对比之下可知，智能家居企业的主要市场是渠道服务商，其渠道服务商除了房地产企业、互联网电商渠道之外还有传统家电企业，渠道服务商不仅与SN公司进行大批量的产品定制，还参与协助经销商进行市场推广、日常维护以及根据市场的变化及时的提出对应策略，对SN公司的帮助远不止于市场，并且在如今传统家具智能化的趋势下，智能家具企业与传统家具企业合作，不断提供新型控制器等技术，就是渠道商的典型良好合作之一，而渠道商之一的房地产行业都是以大批量定制产品为主的，故综上所述，应对该问题，SN智能家具公司需要一个拥有多节点数据一致性增强信息共享功能的智能合约系统，增加信息传递速度，适应柔性化生产的需要。

（3）问题3：产品溯源安全问题

解决办法：可以利用区块链数据不可篡改的特性，并加以数字签名验证的机制，实现防止智能家居供应链上假冒产品的流通、遏制假冒行为的发生，当消费者、监管部门或者供应链中的任何一方企业有查询中某个产品的追溯信息需求时，能保证这个信息是真实可信的，这可以解决物联网方面产品溯源这一问题；

（4）问题4：供应链商业纠纷问题

解决办法：通过设计的智能合约系统将可以做到大大减少商业交易欺诈和执法成本的潜在问题，区块链的去中心化使得智能合约在没有中心管理者参与的情况下，可同时运行在全网所有节点，任何机构和个人都无法将其强行停止。因而，基于区块链技术的智能合约对于合约交易的各方来说成本和效率是非常高的，能够实现对合约执行过程中的人为变更的规避，确保供应链上中下游的安全运行。

（5）问题5：第三方机构商业机密及成本问题

解决办法：智能家居企业使用智能合约，可以减少第三方中介机构的成本，并且由于拥有数字签名验证机制，可以避免交易对手知晓商业机密的风险。

（6）问题6：企业行为规范及信誉问题

（6）解决办法：通过智能合约系统合理评估企供应链行为信誉，规范企业行为，为其他企业决策提供参考。具体来说，是通过对企业在过往每一次供应链活动中累积的行为数据并进行信息的存储，依照对应的计算方法，对企业的信誉进行计算，存储到企业的信息中，作为供应链企业选择合作的一个参考，以促进供应链的健康发展。

第四章针对SN公司供应链的智能合约改良方案设计

4.1方案需求分析

需求分析是方案设计业务进行必不可少的步骤，良好合理的需求分析有助于方案设计和实现的正确高效开展。本节将结合第三章分析的问题综述以及SN公司供应链实际情况，对本文研究的“基于智能家居供应链管理的智能合约设计研究”进行需求分析。

4.1.1总体需求

本方案目的在于设计一个基于SN公司现有的ERP系统、区块链系统和智能合约的供应链改良方案，方案旨在为SN公司供应链上企业设计一个方便高效的协作环境。在提供协作环境的同时，还不断记载着各企业的信誉值，为建立良好的供应链运作环境。最后利用区块链的不可篡改、可追溯等特性以及智能合约的自动执行机制增强供应链内信息的可靠性，满足了监管部门、消费者和其他链上企业监管和查询的需求。

4.1.2角色分工及其功能需求

角色具体功能如图4.1：

ERP系统中重要的数据以及设计规划好的智能合约将会被存放于以太坊区块链中，又因为前文所讲述的区块链拥有其独有的特性，所以以上的各个角色及其功能是可以被安全的存放于其中的，ERP系统的信息掌控能力及区块链的特征相结合，将足以进行本方案智能合约系统的构建。

4.1.3区块链系统非功能需求

方案设计一个综合了ERP信息与区块链的系统将会面临一些特别需求，特别是因为其需要使用到区块链系统[智能合约的开发不同于一般应用程序的开发，除了要注意基本的开发问题外，还有一些需要特殊考虑的地方。比如安全性以及智能合约gas消耗的程度等。由于智能合约系统的设计是本文的重要工作，所以此处的非功能需求主要针对智能合约的非功能需求进行详细描述。[9]

4.2方案主体设计

在对方案设计的系统进行需求分析之后，本节将对设计的系统从架构设计、功能流程设计、智能合约与数据库设计等方面对系统的设计展开介绍。

4.2.1系统架构设计

系统架构的设计将会从系统采用的物理架构和智能合约开发时需要的使用的逻辑架构进行设计，具体介绍系统的组建结构、运作方式和逻辑模块之间的调用顺序。

4.2.1.1物理架构

由于本方案设计的系统总体上将采用基于区块链的分布式架构[分布式架构就是指分布在不同计算机上，通过网络来共同完成一项任务的架构，更广义上理解“分布”，除了应用程序，还包括数据库等，分布在不同计算机，完成同一个任务。]，每个成员负责运行一个以太坊区块链的共识节点。

物理运行模型如下图4.2所示：

据图，其形成了一个由区块链共识网络（联盟链），各企业都拥有其自己的节点。需要注意的是，消费者仅拥有查询的功能，因为其没有权限。

4.2.1.2系统逻辑架构

应用层实际上就是一个对外的给予用户和数据的入口，无论是用户的行为数据还是ERP的物流数据等等都将从这里进行录入，最终为数据层提供源源不断的数据。本质而言应用层是为了给用户提供一个登录界面和录入接口，可以完成数据的初步收集。

合约层的功能在于存放智能合约，无论是编写的程序化准则还是应用层收集的数据都会在这里与以太坊区块链的进行直接的交互。具体而言，本文是采用了Solidity[Solidity是一种智能合约高级语言，运行在Ethereum虚拟机（EVM）之上。]来编写智能合约，通过Solidity对智能合约的编写能实现直接对区块链的一些状态进行读取，例如时间戳、块信息、ERP录入至区块链系统的信息等，同时考虑到了Solidity还提供了内置的密码学相关函数，故可以用来对数据进行验证等。[7]

根据上文我们可以得知，以太坊区块链实际上并不能同时读取和存储大量的数据，所以为了解决这个问题本方案将会设计一个单独的部分——数据库存储部分。数据库用来配合区块链实现量较大的数据的存储，这样可以在合理安排资源的同时，也可以让系统访问的性能、质量得到提高。

4.2.2方案系统模块与功能设计

依照需求分析中的陈述，本方案在这一节将会详细讲述如何进行各个模块的功能设计。模块的总体结构图如图4.4所示：

可以看出，必须先做好角色管理和认证，因为这是整个系统正常运行的重要基础。系统中各成员必须在进行角色权限认证之后才可以使用其他功能，例如跟踪追溯模块。除此之外，信誉管理模块也是本文的一个创新之一，该模块可以根据企业在流程管理活动中积累的数据，通过计算评估其信誉值，可以作为供应链成员日后选择合作的参考。

4.2.2.1管理模块

本模块主要陈述的是管理员的功能，管理员的权限主要集中为对成员的管理以及在系统上公共信息的功能。具体系统的管理模块的功能及流程设计如下表：

4.2.2.2跟踪追溯模块

跟踪追溯模块顾名思义，功能在于为所有的系统用户提供产品货物的生产信息、物流信息及流转信息的查询功能，同时还会将有关产品货物的每个环节操作行为记录至区块链中，保证了其数据的真实可靠性和不可篡改性。

在跟踪模块中，它具体提供的功能是信息的录入和信息的查询功能。具体的链接包括：原材料供应链接信息注册，加工链接信息注册，检验链接信息注册，运输链接信息注册，销售链接信息注册。[9]每个链接都有其自己的关键参数索引，并且在将数据上传到链之前，数据需要由注册者签名，以便可以验证数据的真实性。信息追踪是建立逐步在供应链中记录信息的效果。促进成员，消费者和监管机构的查询和控制，以及实施问责制监督。

该链接中最重要的是在供应链的链接中注册每个成员的信息。本方案设计了录入内容的模板和验证方法。在区块链存储的基础上还添加了数据库，与之相辅相成。

如上图所示，在执行登记动作时，首先由用户在页面填写货物详细的供应链登记信息，通过页面发送一个ajax[AJAX是创建交互式网页应用的网页开发技术的一种。]请求将表单信息传到Node服务器，再接着Node服务器调用web3.js接口库中的sign()函数[是一种符号函数，功能是取某个数的符号（正或负）：当x≥0，sign(x)=1;当x<0，sign(x)=-1。]对传来的信息进行签名，生成签名结果，该签名结果通过自定的addSign()方法保存到以太坊区块链上。保存成功之后，Node将会收到一个由智能合约发送的event通知，然后Node将继续把详细信息录入数据库中，最终将结果返还至前端。

根据登记时序图，设计了录入信息的内容表格，如下表所示：

在注册时，Solidity的修改器功能（反射机制）用于控制输入功能的执行。当企业调用输入功能时，智能合约确定当前调用方是否有权执行该功能。如果已注册，则可以注册，否则可以注册，并返回错误。另外，由于权限判断是在区块链上的智能合约中完成的，因此注册时必须先将信息存储在区块链中，然后再存储在数据库中。[10]

4.2.2.3流程管理模块

本方案设计了流程管理模块，本模块可提供的功能有：订单管理、收交货管理及财务管理。本模块的设计将整合供应链中各流程的行为，统一进行协作式的管理，与区块链进行交互，提高信息的可靠性，最终加强供应链上下游的管理。

[1]订货流程

订货过程总体流程如图4.7所示。

下面详细介绍各个步骤的实施过程：

[2]收发货登记模块

该子模设计成了供应链中的企业在接收上游发送的商品或将商品发送到下游的商品时需要执行的注册操作，包括收货注册和装运注册两种类型。在执行注册操作时，智能合约将自动记录当前时间并将其与相应时间进行比较，以确定供应商是否正常运行。

以收据登记流程为例，如图4.8所示，当收货人输入货物的名称，数量等信息时，系统将自动处理订单中约定的信息以及区块链的当前状态信息。系统（例如时间）进行比较以确定托运人是否已正确执行了订购协议。因此，本文将采用如下办法：

发货与收货登记类似，差别只是在输入发送货物的信息的同时还要输入合作的物流商的地址以及付给物流商的费用值，然后便可以一次性完成对物流商的转账操作。

[3]资金管理

基于以太坊的资金余额管理需要设计其专有的代币，具体是通过令牌提供的接口来实现余额查询和转账，可以实现支付的透明化。[9]

支持代币定义是以太坊的一个很方便的特征功能，本文基于以太坊ERC20标准[ERC（EtherumRequestforComments）表示以太坊开发者提交的协议提案，而20表示的是议案的编号。ERC20表示的是一个合约接口标准，设计初衷是为以太坊中的Token合约提供一套常见的功能和接口，任何基于ERC20标准的Token都能立即兼容以太坊钱包，同时支持共享和交换。]设计本系统需要的代币样板。设计可以被以太坊钱包MIST识别的指定代币的名称、总量，并设计其交易接口，只有被协议认可的代币放可以使用，以上要求都必须基于ERC20协议所规定的标准，本方案设计的代币模板定义参数如下：

4.2.2.4信誉管理模块

前面提到，本文将设计一个信誉机制，通过数据库记录的各企业每一次行为和交易的第二方评分，进行累积和计算，最终显示出该企业的信誉值。这是基于历史数据和智能合约控制的一种方式，不仅具有很可靠的信誉评估能力还不可以被篡改。企业可以查询自己和其他企业的信誉，从而进行是否合作的判断。

表4.7信誉管理模块设计表

4.2.3智能合约与系统数据存储设计

本方案前面提到将设计区块链和数据库相互存储的机制，部分数据放在区块链上，部分数据放在数据库上，本方案使用的是传统关系的数据库MySQL，在本节的后半部分，将会通过表格的形式将设计好的数据库进行展示。区块链上的数据被嵌入到智能合约的相关数据结构设计中。所以本方案首先设计智能合约的数据，其次设计了智能合约方法，因为智能合约数据还需要智能合约方法才可以使用。

4.2.3.1智能合约的数据设计

本方案结合了企业信息的哈希和签名结果以及业务相关的信息，目的在于确保每个部分的关键信息不会被篡改，同时也为了可以使智能合约的信誉评估系统顺利进行，将声誉和其他信息以结构体和mapping映射图的形式存储在区块链的storage状态存储中，以便得到永久保存。

4.2.3.2智能合约方法设计

基于以上对智能合约数据结构结构的设计，系统中主要智能合约方法设计如下：

4.2.3.3数据库E-R图设计

根据本文案的需要，设计了该数据库，目的在于存储监管者发布的信息、环节登记与注册的详细信息、订单数据以及一些重要数据的备份。下面将通过E-R图展示设计的系统数据库逻辑模型。

4.2.3.4数据库数据表设计

根据上节数据库的设计，进行数据表的细致规划。所有数据表设计如下：

4.3本方案的模拟实操流程指引

本方案设计的方案虽然是针对智能家居的供应链进行的，但类似于智能家居的制造型企业或需要柔性化生产的行业也有许多，故本方案可适用于大多数制造型供应链，

如图4.10所示，A为交易内的买方企业，B为交易内的卖方企业，业务流程依次为合约签订、合约执行、资金支付和合约完成四个部分。与传统交易不同，传统合约是当企业资金执行支付完毕后就已经完成全生命周期了，但是本方案设计的是基于区块链和智能合约技术的供应链智能合约流程，每一支付和每一行为都将生成区块并增加至已有链，目的在于达到交易流程的不可篡改、交易透明、永久可追溯等功能。具体而言，本合约从合约签订到最后履约完成都将生成新的区块，新的区块又将按时间戳顺序进行排序，最终形成一个完成的区块链。

具体流程分为如下几步：

1.AB通过协商确定好纸质合同，专业人员对纸质合同通过合约程序化将其录入为进智能合约系统，即合约签订完成。完成后，合约签署的信息将会被广播至ERP信息系统和区块链系统中，各节点通过上文所述的算法对合同的信息、程序化的准确度以及用户的信息和状态进行验证，验证通过后将会把AB企业的合同与交易结合在一起并形成一个新的区块，合约的校验码会被保存在这个新的区块中，这个区块也会同时被链上的其他企业记录着，作用之一也就是防止违约和诈骗的出现。

2.合约签订结束后，B企业作为卖方会发起“企业交易请求”程序，请求发出货物，在合同内已设置了“企业交易请求”的数量和时间自动审核、自动执行环节，所以将会在检验后自动执行，B企业会将物流信息通过联盟链中的协同链组织物流企业发布出去，AB企业以外的企业也将收到并记录该信息，物流企业的节点在验证货物并通过后将其生成为一个新的区块，其中，通过ERP信息系统不停更新的物流信息也会被保存在这个新的区块中，这个新的区块也将永久的被保存至已有区块链中，可供用户查询和监管机构监督。[12]

3.在B企业发货后若干天内，A企业的仓库将会收到货物，并进行验收操作，验收完毕后会进行区块链上的操作，验收结果满足合约内所规定的付款条件后将操作点击通过按钮，通过后智能合约系统将会自动触发“A企业资金执行”功能，也就是完成了与传统合约一样的的资金支付功能，然后资金交易的这个信息将会被广播至ERP信息系统和区块链系统中，B企业在这时将会进行“资金验收”操作，验证通过收到款项之后将会自动生成一个新的区块，这个新的区块将会包含A企业验收和B企业验收等操作信息和交易信息，然后会自动被增加到已有链中去，可供用户查询和监管机构监督。

4.最后一步也是本方案设计的智能合约系统中比较传统合约更“智能”的一个模块——合约完成模块。系统会认证AB企业在资金支付模块完成并确认后的本次交易的信息整合并广播至ERP信息系统和区块链系统中，同时也会将这些信息自动地生成一个新的区块至已有链中，完成本次的交易，然后生成一个完整的区块链。处于联盟链上的各个交易主体都将收到和存储这次交易的区块链，包含了这次交易的区块生成过程、时间、数量等等，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。这个模块针对柔性化的智能家居供应链中众多企业的性质，由于众多企业的原因可能出现的共谋、篡改记录和违约等问题，都将被智能合约系统和区块链系统的特性所防止。

5.特别地，在本文还设计了信誉评估系统，在本次交易结束后，系统将会根据时间戳的效率、数量和AB企业对另一方的评分进行计算并最终记录在AB企业所对应的联盟链内的账户上，链上企业可以查询到自己和其他企业的信誉。拥有订单评价、信誉计算和信誉查询功能的信誉评估系统将会使智能家居供应链管理拥有良好的生态环境，在做到规范各企业行为的同时也可以为其他企业决策和选择合作商是提供参考。

4.4本章小结

本章对SN公司的智能合约+区块链+ERP信息系统进行了粗略的方案设计。

本方案详细总结分析内容见下表：

第五章总结与展望

5.1论文工作总结

智能合约作为当前代表人工智能技术融入制造业供应链的典范，是非常值得我们进行研究和深入学习的本文就现阶段智能家居供应链面临着供应链成员之间信息难及时共享、难以适应智能家居柔性化生产、供应链环节信息追溯不便、信息可靠性不高以及不同企业间信誉无从知晓的问题，设计本方案，本方案的主旨是结合智能合约特性及区块链不可篡改、信息透明等特性，让其成为突破智能家居柔性化生产供应链问题的可靠新思想起点。本方案通过使用以太坊平台、智能合约技术、Solidity方法、Node服务等技术，共同完成了基于以太坊区块链的智能合约系统的智能家居供应链优化方案设计。

本文的主要完成的成果如下：

1.进行了对智能家居供应链的分及其解决方式的阐述：

首先，以SN公司为例，对其进行了市场分析、生产制造分析、供应链管理效率分析及物流信息利用率分析，总结出其存在以下问题：供应链上游柔性化生产库存权衡问题、供应链下游定制化生产问题、产品溯源安全问题、供应链商业纠纷问题、第三方机构商业机密及成本问题、企业行为规范及信誉问题，并对此提出了解决措施。

2.完成了SN公司智能家居柔性化生产供应链智能合约系统设计方案的攥写：

首先，对，本系统的需求进行了全面的分析。其次，对本系统的物理架构和逻辑架构进行了设计，使用了多节点组联盟链方法和Node四层Dapp架构。然后，针对供应链中的功能需求，设计了成员管理、产品追溯、过程管理、信誉管理等不同功能，特别地，设计了针对供应链企业的合作信誉评价机制。最后，设计了智能合约的相关存储数据结构和方法以及数据库的表结构。

3.分析并总结了对使用智能合约系统解决智能家居供应链问题的阐述：

首先，介绍了我国区块链及智能合约应用于供应链体系的发展现状。其次，详细分析和总结了使用传统合约与智能合约的区别，得出智能合约将可以解决本文上述智能家居供应链中的问题。最后，详细阐述了智能合约系统应用于供应链的步骤流程。

5.2展望

本系统仍可以在以下方面进行改进和作进一步研究：一、详细将本文所述的智能合约系统设计应用于供应链中，将系统的实现过程和测试结果用于真实的供应链管理构建提升中；二、研究更好区块链共识机制，以以太坊为基础进行公式层次的改进，提升用户的使用性能以及智能合约的拓展研发；三、扩展本方案设计的系统的功能，可以尝试增加供应链金融或者研发更大的核心企业主导的系统设计业务，发挥区块链优势的同时满足多种多样的使用者的更多需求；四、加强与ERP信息系统、物联网、仓管系统和物流企业的联系，共同开发联盟链，拓展应用范围，例如开发可以直接由物联网传感器、RFID到区块链系统的通信方法，使数据采集更方便，直接采集到可靠客观的数据，进一步减少人为干预和人为操控的可能。

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