區塊鏈技術在軌道交通制造業質量追溯中的應用

文/宋冠蕾

（中國中車股份有限公司 北京市 100036）

1 引言

近年來，國家先后推出“中國制造2025”、“大數據、互聯網+”等促進制造行業創新發展的相關戰略，并優先提出了“創新驅動”、“質量為先”等基本方針，由此可見，質量管控在制造行業創新發展過程中起到了非常重要的作用。在國家相關戰略驅動下，軌道交通行業作為制造業中不可或缺的專業領域，并成為國家“走出去”的排頭兵。其在歷經技術引進、消化吸收和自主創新等系列過程后，已經具備自主創新的能力，而在推進企業自主創新過程中，質量管控一直是企業經營管理中的重點和難點。通過利用人工智能、區塊鏈、云計算、大數據等技術，加快推動新技術賦能質量與管理融合，推進質量管理水平持續提升，為構建質量強國添磚加瓦。

質量追溯是指根據產品特點利用相應的標識方式，以實現產品標記，進而為產品設計、生產過程、使用情況等相關信息追溯提供支撐。在質量管控過程中通常采用質量履歷的方式對產品進行標識，以期方便快速追查其設計、生產制造、交付等情況，當出現異常問題時，能精準快速定位質量原因[1]。當前，軌道交通制造行業在質量追溯方面往往采用人工的方式，造成無法快速全面的掌控生產信息，使得質量追溯效果不佳。為解決以上問題，探索基于區塊鏈技術的軌道交通質量追溯管理系統，通過區塊鏈技術能夠檢查產品進貨、生產制造、運營的每個節點，匯聚企業設計、生產、制造等相關信息并構建質量履歷，形成一套完整的質量數據綜合體，從而加強產品質量追溯的各項管理和監督。

2 區塊鏈技術

從概念上講，區塊鏈（Block Chain）是將數據區塊按照時間邏輯順序依次相連而構成的一種類似于鏈條狀的數據結構，并運用了非對稱加密算法的不可被任意偽造、篡改的分布式賬本。簡單來講，區塊鏈技術是一種記賬方式，并且參與者不受限制，而具體實現方式是通過一個大數據庫來記錄所有參與者的賬本，而這個賬本由各自參與者分別記錄，每個參與者均有平等的機會。而系統根據各自參與者的記賬信息，自動判斷出時間最早，記錄最好的信息，并把相應的信息存儲到賬本，由數據庫統一管理。同時，把一定時間段的賬本信息統一分發給系統內所有參與者，其自行備份。這樣系統的參與者均保存一份完整的賬本，當賬本發生變化時要通知所有的參與者才予以認可。具體區塊鏈的技術實現流程如圖1所示。

從原理上看，區塊鏈應用主要分為公有鏈、私有鏈、聯盟鏈，公有鏈是當前應用比較普遍的，也是最具有代表性，比如比特幣、萊特幣等均是基于公有鏈而構建的。其主要的特點就是完全去中心化，不受專門機構控制，所有參與者均有權參與，從而具有訪問門檻較低、中心化、無法篡改數據等多項特點。而私有鏈是所有鏈中去中心化特征最弱的，這種方式僅僅使用技術中的總賬技術記賬，寫入權限被獨享。私有鏈通過犧牲去中心化的優勢，單保留分布式的特性，有利于提高交易效率和隱私保護，這種技術的特性決定了其更加適用于企業自身業務保密要求較高的相關應用。另外，去中心化程度處于公有鏈和私有鏈之間的屬于聯盟鏈，通過一定的權限來控制各參與者訪問進行相應的信息保護。在技術實現方面采用多中心化結構，具有高可擴展性。因而在質量追溯方面采用聯盟鏈的方式進行支持。這樣一方面保障質量數據受聯盟鏈中所有參與者的監管，也可有效控制參與者范圍。

圖1：區塊鏈技術實現流程

區塊鏈技術的具體特點如下：一是去中心化。在技術實現方面無需中央處理器，數據分散在整個P2P 網絡中，可以有效降低因中央數據庫崩潰造成的數據風險。二是不可篡改。區塊鏈在共識機制方面具有非常豐富的類型，可以顯著降低數據篡改及刪除的風險，提升數據安全。第三個特點是去信任化。在鏈中的數據內容采用分布式存儲，在運行過程中無需統一軟硬件操作處理。最后是可追溯性。鏈上數據以區塊形式進行封裝，通過鏈的形式實現塊數據的鏈接，系統自動記錄其時間戳、數據信息、更新人員、數據地址等信息，實現數據追溯。還能通過可編程的擴展，增加其他可供使用的數據信息[2]。

3 基于區塊鏈技術的質量追溯系統設計

3.1 質量追溯系統設計思路

以ISO-TS-22163為指導原則，借鑒區塊鏈技術分布式存儲、共享維護和高可靠性等特點，結合軌道交通制造產品的特有屬性構建系列化的質量履歷，詳盡記錄產品的構型、零部件、技術參數、設計工藝等相關信息，當發現質量異常時可以通過履歷快速精準定位所發生異常的問題所在，為質量追溯提供數據支持。

通過區塊鏈技術的技術優勢和特性，可以對存儲在鏈上的質量數據進行追溯，基于區塊鏈的信任機制實現業務操作并完成質量信息的存儲和記錄。在系統設計時無需專門設置集中式的管理核心，甚至可以無需構建服務器和投入大量的硬件平臺設施，極大的降低了成本的投入，依然能保持系統信息和質量數據的完整性和正確性。

3.2 整體架構

質量追溯系統采用分層分級的系統實現模式，確保數據、應用、功能等相互分離的系統架構確保系統的高可擴展性和靈活性。功能層面分為基礎功能、核心功能和交互功能三部分。其中，交互功能是指與使用者提供交互的應用層，是系統的前端；核心功能是指質量追溯系統的核心能力，分為合約層、共識層、網絡層三層結構；基礎模塊包括數據層、數據采集層、數據整合層。在該體系中所有網絡節點都是對等的，基于區塊鏈技術共識機制、加密技術的保證，所有節點參與人員均能獨立、平等地參與并管理追溯系統[3]。基于區塊鏈技術的質量追溯體系系統架構設計如圖2。

在系統架構設計方面采用分層分級的設計模式，分別將數據層和應用層分離，確保在應用需求發生變更時不對數據模型造成較大影響，同樣，數據模型發生變更時對應用的影響也降低到最小，無形中提升了需求變更的響應時效。

再者，數據應用構建是充分挖掘軌道交通制造行業的業務特性，構建具有行業特色的電子履歷，實現電子履歷從整車到零部件、從業務過程到最小作業單元層層遞進，從供貨到交付環環相扣，宏觀質量與微觀缺陷全覆蓋。

質量履歷信息主要包含以下質量信息：

（1）質量BOM范圍內裝車零部件的制造過程質量信息（含項目、列號、車輛號、產品名稱、物料編碼、序列號、數量、供應商、批次號、操作人員、檢驗人員、裝配位置、檢驗時間、責任部門、檢驗量具、檢驗條款、缺陷描述、質量問題處置狀態信息等）；

（2）整列出廠前開口項問題和所有不合格品使用情況；

（3）售后運營故障；

（4）維修檢驗信息；

（5）履歷中的動靜態技術參數等信息；

（6）隨車履歷中的技術改造記錄、破損記錄、特殊記錄、軟件清單等。

3.3 大數據+區塊鏈

在大數據中使用區塊鏈技術，可以確保數據不能被隨意添加、修改和刪除，讓更多數據被解放出來，進而保障質量數據真實、安全、可信，一旦質量數據受到不可抗因素破壞，數據庫中的災備機制能確保數據快速恢復[4]。但考慮到區塊鏈技術在時間和數據量處理上是有限度的，也就是實際的數據統計分析能力較弱，而大數據則可以對數據進行深度分析和挖掘，通過兩種技術的融合可以既保證數據的可信度，同時也能提升數據的應用價值和使用效能。

區塊鏈數據集合可以記錄數據變更的詳細信息，隨著其技術的發展及成熟，其數據也更加多樣化，不同業務場景的數據也更加豐富。由于其較強的追溯性可以確保數據產生、變更、消除等每一步操作均有詳細的記錄，并不可消除，從而確保數據對真實生產過程的反映，不可涂抹。同時，區塊鏈的自動化的“基于規則”的運營和管理功能可有效提高數據管理透明度，并節約管理成本。通過把大數據與區塊鏈相結合，能讓區塊鏈中的數據更有價值，也能讓大數據的預測落實為行動。

4 質量追溯應用設計

質量追溯是通過構建質量履歷實現車輛制造各環節、零部件、工藝、設計、檢修、調試等相關信息的詳細記錄，當發生質量問題時可以精準、快速定位異常原因，為解決質量問題提供數據支撐。因而質量追溯系統的應用必須從車輛構型出發，聚焦工藝流程和供應鏈信息進行構建，實現質量問題追溯有據可依、有章可查。

4.1 質量履歷層級設計

質量履歷層級分為整車履歷和關鍵零部件履歷，整車履歷是覆蓋車組級和車輛級相關信息，主要對車輛制造過程相關的數據留痕。關鍵零部件履歷是面向零部件的履歷信息留痕。通過整車到車輛，關鍵零部件的逐層細化，有效完善了履歷信息的從宏觀到圍觀的精準記錄。在信息維度方面，分為靜態履歷信息和動態履歷信息，靜態履歷主要包含基礎信息（配件名稱、系統分類、產品標識代碼、物料編碼、供應商、產品序列號等）、靜態技術參數等信息；動態履歷包含運用信息（總里程、運用時間等）、裝配記錄（裝配車號、按照位置碼、總裝時總走行里程等）。如圖3所示。

圖2：質量追溯體系系統架構圖

圖3：質量履歷層次結構圖

質量履歷可以實現以下應用能力：

（1）按項目號、裝備號管理各工藝流程質量信息：系統可以根據項目號、裝備號查找相應的列車編號，并以編號定位到相應的車輛，并結合該車生產過程，如：首檢、進貨、過程、調試、運營等不同階段的質量信息，從總體掌控質量概況；

（2）按BOM結構組織質量信息：以產品構型、或工序為基礎，組織制造、維修數據，便于質量管理人員快速、精準定位質量問題。

（3）按全壽命周期組織質量信息：從供貨、生產制造、運營、檢修等產品壽命階段進行質量信息整合，確保質量問題有據可查。

（4）按裝備號管理關鍵部件的質量信息、按裝備構型及追溯號管理關鍵部件的質量信息、關鍵零部件狀態及歷史信息管理等相關能力,確保每個零部件可以精準定位其質量問題所在，同時也可以根據批號查找存在質量問題批次的零部件所安裝到具體的車輛中。

通過以上幾種維度的履歷信息管理模式可以確保整車、關鍵零部件質量相關信息的全覆蓋、層次結構清晰，以期達到質量履歷的預期效果。

4.2 質量履歷應用愿景

質量溯源是質量控制的一個關鍵環節，也是質量持續改進的保障，在溯源方式上可分為包括正向溯源和反向溯源。正向追溯是指從零部件加工到產品生產交付正向過程的質量監控，按照相應的工藝流程逐步追溯其質量的關鍵環節，精準定位生產制造過程中質量缺陷問題。反向追溯是與正向相反的思路，從產品切入，逐步倒查生產工藝各環節的質量漏洞，為生產商精準定位質量問題根源提供決策依據。在實際質量管理過程中，管理者利用反向追溯產品制造各環節影響質量的因素，定位問題發生原因。在確定問題原因后，從零部件批號切入，利用正向追溯的方式定位存在相同問題的產品批次，并對批量零部件進行返修或召回，確保產品質量的零缺陷。質量追溯系統包含了生產過程中人、機、料、法、環、測等一系列的信息，具體包括：

（1）人員：在產品生產過程中每道工序操作人員的信息；

（2）設備：在產品生產過程中用到的設備、刀具、磨具及其參數等信息；

（3）物料：根據產品BOM結構記錄使用的各原材料的批次、規格、型號等信息；

（4）工藝：記錄產品生產過程中使用的工藝文件；

（5）環境：記錄產品生產過程中的環境參數，包括溫度、濕度等；

（6）檢測：產品生產過程中的質檢信息，具體包括檢驗人員、檢驗方式、檢驗結果、品質缺陷處理記錄等。

通過以上質量履歷信息的支撐，實現質量的正向追溯和反向追溯。

5 未來研究展望

質量管控是企業持續創新的源動力，而質量追溯是質量管控的關鍵關節，已經成為企業重點經營管理工作，本研究著眼于區塊鏈技術在質量追溯方面的應用，其主要作用是聚集了生產制造過程中的多方數據，為質量問題精準定位提供數據支持，但是具體的質量問題是否能切實改進還需現場生產提供必要的支撐。未來研究將延伸到質量改進支持，利用先進的技術手段詳細記錄質量改進的過程，并精準評價改進的效果，最終實現質量管理的閉環支撐。