基于區塊鏈的工業互聯網標識公共服務應用初探

王麗娟，劉佳，王姝 ，郭志斌，周園春

中國科學院計算機網絡信息中心，北京100190

引 言

隨著物聯網和智能制造的不斷發展，工業互聯網作為全球產業發展的大趨勢，已經成為各國家、地區以及行業和企業提升自身競爭力的關鍵[1]。工信部在2020年3月20日發布《關于推動工業互聯網加快發展的通知》，將“加快新型基礎設施建設”作為工業互聯網發展的首條任務。因此，作為“新基建”中的重要一員，工業互聯網將進入高速發展期。為實現工業互聯網各領域、各行業以及各環節的互聯互通，需要對涉及的人、物、物理及虛擬對象等進行統一標識分配，利用標識對各對象進行自動識別[2-3]，同時，基于標識解析體系創建行業應用，從而實現更具價值的新型工業互聯網生態。

目前，我國工業互聯標識解析體系正在全面建設和實施中，基于該標識解析體系的公共服務和行業應用已經成為發展工業互聯網應用的重要抓手。其中，工業互聯網標識公共服務應用（以下簡稱標識公共服務應用）解決了目前各工業系統數據編碼不統一，各工業系統、產業、企業或行業等數據共享困難，產業上下游企業協作困難等問題，具備服務共享、應用共享、數據共享等能力，為工業互聯網跨行業和行業內的公共服務提供了統一的解決方案，降低了各工業企業開發工業互聯網應用的門檻。但是，隨著工業互聯網規模的不斷擴大，各工業企業對數據共享安全、數據追溯要求也隨之提升[4]，因此亟需一種新的技術方案來解決目前標識公共服務應用建設過程中遇到的如上問題。

區塊鏈技術是一種去中心化的分布式數據庫（賬本）技術，同時也是融合了 P2P 技術、共識機制、密碼學等的綜合應用的新型模式，上鏈的數據信息具有“不可偽造、不可篡改、可全程追溯、公開透明、安全可靠”等特征[5-6]。基于這些特征，區塊鏈為眾多對數據安全有要求的應用場景提供了解決方案[7]。本文針對目前標識公共服務應用建設過程中遇到的數據安全需求，提出了一種基于區塊鏈技術的解決方案，解決標識公共服務應用中數據共享安全和數據追溯等問題。對應用中涉及的各類對象、數據模型、數據及數據間的關系進行標識，通過區塊鏈對各類數據進行存儲和可信共享，從而實現對標識公共服務應用相關數據的追溯，打通各工業生產系統、企業以及產業鏈上下游之間的信息壁壘，提升數據共享安全性，為各方安全協作提供技術保證[8-9]。簡言之，本文欲通過構建一個區塊鏈網絡來打造可信的工業互聯網，在分布式的區塊鏈網絡上不可篡改地處理標識公共服務應用涉及的主數據模型、知識圖譜模型、關鍵主數據。這不僅可以保護信息不受非法修改的影響，還可以防止由于集中服務器的物理損壞而造成的意外損失，從而為跨行業和行業內的公共服務應用提供更加安全可信的標識服務。

1 工業互聯網標識公共服務應用

1.1 概述

工業互聯標識公共服務應用來源于“2019年工業互聯網創新發展工程—標識解析公共服務支撐平臺項目”，基于國家工業互聯網標識解析體系建設。該公共服務應用可以對接國際頂級節點、國家節點、各行業和區域二級節點、企業應用節點等，支持服務共享、數據管理、智能計算和應用支撐等能力。同時，依托這些基本能力提供了標識支撐、主數據模型、知識圖譜等數據共享服務，并在此之上提供多個基于標識服務的行業典型應用場景，補齊跨行業、跨領域、跨企業邊界、跨異構系統、跨地域的應用短板。

1.2 技術架構

標識公共服務應用包括基礎資源層、共享服務層、應用層以及企業接入層四部分。

基礎資源層提供底層的網絡、計算、存儲資源；共享服務層基于容器環境創建，提供標識支撐、主數據模型、知識圖譜等數據服務能力；應用層提供基于標識服務的行業典型公共應用，企業接入層負責接入企業數據。

1.3 共享服務介紹

標識公共服務應用為跨行業及行業內典型應用提供了通用的多種共享服務能力。

1.3.1 標識支撐服務

標識支撐服務是標識公共服務應用共享服務的核心組成部分，為上層公共應用涉及的所有對象如企業設備資源、企業主數據、數據關系等提供標識注冊、標識解析、標識管理等服務。同時，所有標識接入國家工業互聯網標識解析體系，為行業公共服務應用提供數據標識服務。

1.3.2 主數據模型服務

圖1 標識公共服務應用架構Fig.1 Architecture of public service applications of identifications

數據是企業的核心，企業主數據是對企業核心關鍵業務數據的描述，包括員工、企業客戶、產品、物料、設備、供應商等的基礎數據，這些數據也是行業應用涉及的關鍵數據。但目前行業或企業數據來源眾多，數據結構不一致，沒有統一標準。主數據模型服務通過聯合行業內多家相關企業機構對同行業企業主數據的分析，建立行業主數據標準，從而抽取出通用的行業主數據模型，為行業公共服務應用提供數據支持。

1.3.3 知識圖譜服務

所有數據都不是孤立存在的，通過主數據建模的方式創建主數據模型的關系，從而抽取行業知識圖譜模型。待各模型的數據完成標識注冊后，可以完成行業主數據關系數據的創建。建立完成的主數據關系通過圖譜的方式展示，可以清晰的看到各對象間的關系。同時，這些關系數據也可以同主數據一起，為行業公共服務應用提供數據支持的同時，也可以為外部標識應用提供服務。

2 基于區塊鏈的工業互聯網標識公共服務應用

2.1 技術架構

引入區塊鏈技術之前，原有的標識公共服務應用架構分為基礎資源層、共享服務層、應用層以及企業接入層四部分，引入區塊鏈技術之后，區塊鏈成為標識公共服務應用的服務支撐層，為整個標識公共服務應用提供去中心化的基礎設施。在依據工業互聯網各行業規范及標準，遵守企業間協定的前提下，通過區塊鏈的共識機制、智能合約、共享賬本、隱私保護等為企業間的數據共享提供支撐服務。每條行業鏈上都可以有該行業的相關監管機構加入，企業與監管機構的這種連接方式把對企業的正常生產影響降到最低。同時，每一次將共享數據保存于區塊鏈上都會有一個時間戳記錄，讓每一次數據保存的時間點有據可查。

圖2 基于區塊鏈的標識公共服務應用架構Fig.2 Architecture of public service applications of identification based on blockchain

圖3 區塊鏈節點部署方式Fig.3 Deployment of blockchain node

區塊鏈節點的部署，可以部署在云端，也可以部署在企業私有云或企業本地，為公共服務應用支撐提供多種數據存儲方式。

2.2 標識公共服務應用聯盟鏈介紹

根據參與方訪問權限的不同，區塊鏈可以分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈[4]。公有鏈任何實體都可參與；私有鏈只對單獨實體開放，一般為公司內部使用；聯盟鏈是在一群有身份認證的參與者之間建鏈，對特定組織團體開放。標識公共服務應用涉及多方參與，需要根據應用場景的業務使多方參與的企業或用戶完成業務數據的安全可信共享，從而進一步完成數據追溯。同時，聯盟鏈方便進行權限控制，能夠提供更好的隱私保護[10]。根據這一需求特點，本研究選擇聯盟鏈技術作為底層基礎設施。

Hyperledger Fabric 被建設為一個模塊化的、支持可插拔組件的基礎聯盟鏈框架，適合在復雜的企業內和企業間搭建聯盟鏈[11-12]。本研究底層采用Fabric 聯盟鏈作為其網絡基礎設施來創建標識公共服務應用聯盟鏈，形成整個標識公共服務應用的服務支撐層。

圖4 標識公共服務應用共享鏈和行業鏈Fig.4 Sharing chain and industry chain of public service applications of identification

標識公共服務應用聯盟鏈包括多條行業鏈和一條共享鏈。由于不同行業應用的差異較大，而每個行業都有不同于其他行業的數據及數據共享需求，因此，針對每個行業創建自己行業的行業鏈。同時，不同行業對標識公共服務應用也會存在共性需求，按照領域可以分為如供應鏈、防偽溯源、產品全生命周期管理、生產協同等，針對不同行業的共性需求，建立共享鏈，參與者在將數據上傳到行業鏈的同時，可以選擇將一部分上傳數據上傳到共享鏈。

2.3 關鍵數據上鏈

不管是跨行業還是行業內的標識公共服務應用，應用涉及的主要數據都主要為行業主數據模型、知識圖譜模型、關鍵主數據三類，此三類數據為標識公共服務應用提供核心數據支持。為保證數據的共享安全和追溯，需要將各應用場景的這三類關鍵數據上鏈。

（1）主數據模型

主數據模型為主數據提供了行業規范，是主數據管理和服務的基礎。所有制定和使用主數據模型的相關參與方需統一遵循主數據模型規范，根據各方的需求管理和維護，并約定在各自的異構系統中參照執行，從而保證數據互通的準確、完整、可理解。因此，主數據模型有不被篡改，安全可信共享的需求，需要進行上鏈。由于主數據模型屬于文件模型，數據量較小，可以將模型的原始數據直接上鏈。

（2）知識圖譜模型

標識公共服務應用的行業知識圖譜模型通過數據的抽取和建模構建[13]，也可以基于行業主數據模型創建，為行業主數據關系提供依據，對企業來講，和主數據模型一樣，有不被篡改、安全可信共享的需求，需要進行上鏈。同樣，由于知識圖譜模型也屬于文件模型，數據量較小，可以將原始數據直接上鏈。

（3）關鍵主數據

由于主數據較多，為遵守相關監管機構的規定，更為確保數據安全，可以用區塊鏈去中心化的方式來保護和管理主數據。同時，因為區塊鏈上的數據不僅是不可變的，而且對所有認證的參與者都是透明和可見的，這樣可以確保更流暢的數據審計和檢查。但由于主數據的數據量較大、文件較多，雖然主數據有安全管理的需求，但不適合直接將原始數據上鏈。由于所有主數據都基于標識公共服務應用的標識支撐服務進行標識注冊，在數據的有效期內提供唯一的標識服務。因此，可以將原始數據保存在企業本地，選擇將數據標識、數據名稱、數據摘要、數據所有者、數據文件校驗簽名值如MD5 值或SHA256 值等元數據信息上鏈。

數據可通過客戶端、移動端、接口等多種方式進行上鏈。

2.4 數據共享機制

區塊鏈技術的核心在于信任機制，基于信任機制進行數據共享[14]。上鏈數據的類型主要為以上三類，但根據不同應用需求，數據上鏈的方式又可以分為以下兩種。

（1）企業只允許部分數據上鏈或數據只對部分參與者開放，根據數據的共享權限設置，在一定范圍內實現數據可信共享。同時，所有數據都可以被加密，用密碼學和智能合約保證數據的不可篡改性和不可偽造。

（2）企業允許數據對聯盟鏈所有參與者公開共享，實現在整個聯盟鏈范圍內的數據可信共享。

2.5 智能合約

智能合約也叫智能合同，通過事件驅動，用計算機語言描述合同條款、交易的條件、交易的業務邏輯等[4]。智能合約的一種情景或業務對應一組規則和邏輯,是部署在區塊鏈上可信共享的代碼[15]。智能合約根據預設條件自動執行，實現數據“有邏輯的上鏈”。在區塊中包含有該區塊的時間戳，通過時間戳和智能合約機制[15]進行交易的生成和驗證。智能合約的管理應包括智能合約部署、更新瀏覽等。由于不同行業應用差異較大，每個行業的行業鏈可包含一個或多個智能合約，跨行業的共享鏈也可包含一個或多個智能合約，具體合約的內容根據不同應用的業務進行編寫。

3 典型應用場景詳述

基于以上的底層共享服務，標識公共服務應用可以對接企業各自的工業應用，簡化企業應用開發及多個企業的協同流程。

圖5 數據上鏈流程Fig.5 Process of data to the blockchain

標識公共服務應用不同行業或不同應用場景的數據上鏈和使用流程是相似的，只需根據不同應用的需求，編寫不同的智能合約，提供符合需求的主數據模型、知識圖譜模型、關鍵主數據上鏈，為各應用場景提供更加安全可信的標識公共服務。因此，本章節的典型應用場景，不是詳細的應用使用場景的介紹，而是側重于描述典型應用場景下為該應用的哪些數據提供可信共享通道與追溯。

3.1 行業主數據模型及主數據上鏈場景

如下以非煤礦山行業應用場景的主數據模型及主數據上鏈為例進行應用探索，詳細介紹需要上鏈的具體數據。

3.1.1 需求及問題

非煤礦山行業產品的全生命周期包括地勘、測量化驗、采礦（采準、采礦、運輸）、選礦、冶煉多個環節，簡稱“地、測、采、選、冶”。目前各個生產環節的數據是獨立的，缺乏生產跟蹤數據，而且信息化程度較低，數據大部分為紙質的靜態數據或電子表格。

通過標識公共服務的標識支撐服務，可以為產品生產過程提供標識注冊和關聯，實現對象標識與該標識相關的多個標識之間的映射，向各個環節提供標識服務，以通過各個生產環節的標識獲取全生命周期信息，使復雜、多樣的生產工業和過程變得簡單化、高效化，并覆蓋產品生產的全生命周期。同時，標識公共服務應用集成非煤礦山行業的主數據模型，為生產數據全生命周期溯源、生產協同等具體應用場景提供底層數據共享支撐。

但如引言中提到的，雖然標識公共服務應用解決了非煤礦山行業應用場景數據的統一標識服務與數據互通，但是依然無法做到真實溯源和可信共享。而各環節均有大量重要生產數據，這些數據的真實性也是礦山生產安全的重要保證。因此，通過提供更加安全可信的標識公共服務，可以實現非煤礦山行業各環節生產數據的全生命周期管理，做到數據真實不可更改，來源有據可查。

3.1.2 數據上鏈

非煤礦山行業應用場景中，我們基于標識公共服務應用建立行業主數據模型，對應主數據模型的實際生產數據標識進行上鏈，通過區塊鏈技術為礦山生產數據全生命周期管理提供不可篡改和可信共享保證。同時，礦山企業的上下游企業，如設計企業、設備生產企業、監管機構、其他服務商等也加入到非煤礦山行業鏈，通過區塊鏈技術完成數據可信共享和協作。

圖6 非煤礦山行業應用場景Fig.6 Application scenarios of non-coal mining industry

在非煤礦山行業應用場景中，上鏈機構包括但不限于礦山企業、設計企業、設備生產企業、監管機構、其他服務商，均在非煤礦山行業鏈進行認證。上鏈的數據主要為非煤礦山行業主數據模型，基于主數據模型的礦山生產數據。由于主數據模型是行業應用的核心數據，為保證數據的可信共享和全流程追溯，通過非煤礦山行業鏈提供底層數據共享服務。同時，為保證礦山產品的全生命周期管理，關鍵生產數據也需要上鏈。

（1）行業主數據模型

通過標識公共服務應用，聯合礦山企業、設計企業、設備生產企業、監管機構、其他服務商等制定行業主數據模型標準，建立行業主數據模型。非煤礦山行業主數據模型，包含但不限于如下數據。

具體到“地、測、采、選、冶”各階段的主數據模型，由于傳感器類型和各設備類型的屬性類似，統一合并為“設備”主數據模型，其他類型差異較大暫不合并。同時，由于只是模型文件不屬于大文件，直接采用原始數據上鏈方式。每個主數據模型包括序號、元素名稱、元素英文名稱、可選性（可選或必須）、唯一性（唯一、可重復）、格式（文本、數字等）、注釋多個屬性。由于各環節主數據模型較多（如圖7）且每個主數據模型的屬性較多，以下針對各環節給出了主數據模型示例，示例只列出部分關鍵屬性。地勘階段的主數據模型示例見表1。

表1 鉆機（部分數據）Table 1 Drilling rig (partial data)

圖7 非煤礦山行業主數據模型Fig.7 Master data model for non-coal mining industry

測量化驗階段的主數據模型示例見表2。

表2 經緯儀Table 2 Theodolite

采礦、選礦、冶礦階段的主數據模型示例見表3。

表3 設備（部分數據）Table 3 Equipment (partial data)

（2）礦山生產數據

在生產過程中，將礦山生產的關鍵生產數據上鏈，涉及企業包括設計企業、礦山企業、設備生產企業。由于生產包括“地、測、采、選、冶”多個環節，每個環節都包含大量生產數據，通過數據標識方式上鏈。礦山生產數據示例見表4，其中部分敏感信息用“*”代替。

進行認證授權后，礦山企業可以授權查詢非煤礦山行業鏈上設計企業和設備生產企業的數據，監管機構和其他服務商可以授權查詢非煤礦山行業鏈上的礦山生產數據。通過向外部服務商有條件地開放企業生產數據，提高服務效率和質量。所有數據真實不可篡改，為實現非煤礦山生產數據的全生命周期管理提供了安全保證。

表4 設備（部分數據）Table 4 Equipment (partial data)

3.2 知識圖譜模型上鏈場景

如下以氧化鋁行業應用場景的知識圖譜模型上鏈為例進行應用探索，詳細介紹需要上鏈的具體數據。

3.2.1 需求及問題

氧化鋁是鋁的穩定氧化物，化學式為Al2O3。在礦業、制陶業和材料科學上又被稱為礬土。氧化鋁的上游企業是鋁土礦企業，下游企業是電解鋁企業。上游企業鋁土礦企業為氧化鋁行業提供原材料，氧化鋁行業為下游電解鋁行業提供生產原材料-氧化鋁粉。氧化鋁行業設備及備件管控難、數據價值實現難。并且，氧化鋁生產工藝復雜，數據模型包括材料域、管理域、工藝流程操作域等多個環節，流程繁瑣復雜且數據與數據之間關聯較多。根據這些復雜的數據在標識公共服務應用中形成了氧化鋁行業的知識圖譜模型。同時，氧化鋁行業的知識圖譜模型也可為其上下游企業提供行業數據參考。因此，為提供更加安全可信的標識公共服務，將氧化鋁行業的知識圖譜模型進行上鏈。

3.2.2 數據上鏈

該場景下（如圖8），上鏈機構包括但不限于氧化鋁企業、鋁土礦企業、電解鋁企業、監管機構、其他服務商，均在氧化鋁行業鏈進行認證。

氧化鋁行業知識圖譜模型基于數據模型建立，以材料域、管理域、工藝流程操作域、產品域、設備域、動力域展開，各知識域存在著相互關聯關系，具體的數據模型如圖9 所示。

圖8 氧化鋁行業應用場景Fig.8 Application scenarios of alumina industry

圖9 氧化鋁行業知識圖譜模型圖Fig.9 Alumina industry knowledge graph model diagram

進行認證授權后，氧化鋁企業聯合鋁土礦企業、電解鋁企業、監管機構和其他服務商都可以授權查詢氧化鋁行業鏈上氧化鋁行業的知識圖譜模型。通過向外部服務商有條件地開放企業生產數據，提高服務效率和質量。所有數據真實不可篡改，實現了氧化鋁行業知識圖譜模型的可信共享。

4 展望與下一步工作

依據本文所述的應用探索，通過將工業互聯網標識公共服務應用涉及行業的主數據模型、知識圖譜模型、基于主數據模型和知識圖譜模型的關鍵主數據上鏈，為跨行業和行業內的公共服務應用提供安全可信的數據共享及數據追溯，提升了數據共享的安全和協作效率，為優化公共服務應用提供了可靠的數據服務支撐。

在下一步工作中，我們將嘗試為更多行業應用場景提供區塊鏈服務，如食品加工、水泥制品、電力、物流、石油加工、計算機設備制造等行業的應用場景，通過區塊鏈的數據不可篡改、可信共享和可追溯等特點，為各應用場景提供更加安全可信的標識公共服務，從而為工業互聯網標識公共服務應用提供更加完善的解決方案。

利益沖突聲明所有作者聲明不存在利益沖突關系。