基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

張銀利

（金航數(shù)碼科技有限責(zé)任公司 陜西省西安市 710082）

對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)而言，其主要優(yōu)勢(shì)在于依照現(xiàn)實(shí)需求提供服務(wù)，有著極高的推廣應(yīng)用價(jià)值。而就當(dāng)前的情況來看，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)整體運(yùn)行效率難以達(dá)到理想水平。因此，提出一種技術(shù)先進(jìn)的、功能全面的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)具有極高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值，實(shí)踐中，區(qū)塊鏈技術(shù)的引入極具優(yōu)勢(shì)，值得重點(diǎn)探究與應(yīng)用。

1 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)的背景分析

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的今天，信息技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的融合已然成為必然發(fā)展趨勢(shì)，將其工業(yè)制造行業(yè)也受到重點(diǎn)關(guān)注。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在工業(yè)制造行業(yè)中的深入應(yīng)用，物聯(lián)網(wǎng)制造新模式逐步形成，推動(dòng)著整個(gè)行業(yè)不斷向著云計(jì)算工業(yè)制造行業(yè)的方向發(fā)展，此時(shí)，需要更新的服務(wù)平臺(tái)作為支撐。對(duì)于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)來說，在該平臺(tái)內(nèi)引入了信息技術(shù)以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠根據(jù)不同用戶的差異性需求安排資源，平臺(tái)整體具備極強(qiáng)的服務(wù)性功能。綜合來看，以往的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)雖然可以滿足相關(guān)企業(yè)對(duì)小型物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的需求，但是無法滿足當(dāng)前及未來行業(yè)發(fā)展的現(xiàn)實(shí)需求。在這樣的大背景下，設(shè)計(jì)一種可以滿足工業(yè)制造業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)需求的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系迫在眉睫[2]。

2 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)的方案設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

在該工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)中，存在于同盟鏈中的各個(gè)組織綜合構(gòu)成一個(gè)實(shí)體，且各個(gè)組織之間可以自由的完成多種業(yè)務(wù)建立（業(yè)務(wù)與業(yè)務(wù)之間相互隔離）。該架構(gòu)整體可以細(xì)化為四個(gè)層級(jí)，具體包括控制層、標(biāo)識(shí)層、數(shù)據(jù)層以及應(yīng)用層。其中，對(duì)于該體系架構(gòu)的控制層來說，主要承擔(dān)著管理標(biāo)識(shí)層、數(shù)據(jù)層以及應(yīng)用層的任務(wù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)另三層活動(dòng)的約束；對(duì)于該體系架構(gòu)的標(biāo)識(shí)層來說，其主要為組織在生產(chǎn)中所形成的產(chǎn)品提供唯一的標(biāo)識(shí)，以此作為相應(yīng)產(chǎn)品或服務(wù)的身份，并在數(shù)據(jù)層組織的數(shù)據(jù)記錄中保存；對(duì)于該體系架構(gòu)的數(shù)據(jù)層來說，其主要承擔(dān)著管理組織中各種數(shù)據(jù)信息的任務(wù)，并為上層業(yè)務(wù)應(yīng)用提供有力的支持；對(duì)于該體系架構(gòu)的應(yīng)用層來說，其主要為基于數(shù)據(jù)層的具體應(yīng)用模式。本次研究中設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1 所示。

2.2 主要功能層級(jí)設(shè)計(jì)

2.2.1 控制層

對(duì)于該體架構(gòu)的控制層來說，其位于整個(gè)體系架構(gòu)的最底層，在維護(hù)同盟鏈安全方面發(fā)揮著重要作用。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，如果某一組織（企業(yè)）申請(qǐng)進(jìn)入同盟鏈中，由于該平臺(tái)內(nèi)具備企業(yè)準(zhǔn)入功能，所以要求著該組織進(jìn)行注冊(cè)并登記組織信息，同時(shí)為該組織分配公私鑰，標(biāo)識(shí)組織身份。因此，存在于該同盟鏈中的組織均需要完成身份認(rèn)證操作，以此保證其操作的合法程度。對(duì)于權(quán)限管理而言，其主要承擔(dān)著管理組織對(duì)同盟鏈中數(shù)據(jù)獲取、編輯權(quán)限的任務(wù)，并確定出不同業(yè)務(wù)的準(zhǔn)許參與程度。在該工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)內(nèi)的同盟鏈中，所有組織可以使用自由結(jié)合的方式形成多種業(yè)務(wù)，且各個(gè)業(yè)務(wù)之間處于相互隔離的狀態(tài)，具體而言，就是只有參與該業(yè)務(wù)、與該業(yè)務(wù)有關(guān)的組織具備調(diào)取、查詢相應(yīng)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)及進(jìn)度的權(quán)限，而未參與該業(yè)務(wù)的組織無法獲取相應(yīng)業(yè)務(wù)信息數(shù)據(jù)。

2.2.2 標(biāo)識(shí)層

結(jié)合總體設(shè)計(jì)內(nèi)容能夠了解到，對(duì)于該體系架構(gòu)的標(biāo)識(shí)層來說，其主要為組織在生產(chǎn)中所形成的產(chǎn)品提供唯一的標(biāo)識(shí)，是數(shù)據(jù)層的基礎(chǔ)。在標(biāo)識(shí)層中，主要對(duì)產(chǎn)品、設(shè)備進(jìn)行標(biāo)識(shí)，其中，對(duì)于產(chǎn)品的標(biāo)識(shí)一般被應(yīng)用于產(chǎn)品溯源；對(duì)于設(shè)備的標(biāo)識(shí)一般被應(yīng)用于持續(xù)優(yōu)化組織生產(chǎn)方面或是賬務(wù)審計(jì)工作中。

在該標(biāo)識(shí)層中，主要操作如下所示：

（1）標(biāo)識(shí)規(guī)則，即重點(diǎn)保持“唯一性”并盡可能簡(jiǎn)潔，針對(duì)不同組織（企業(yè)）的產(chǎn)品或是設(shè)備，必須要應(yīng)用差異性的標(biāo)識(shí)前綴。

（2）標(biāo)識(shí)注冊(cè)，當(dāng)組織完成某一產(chǎn)品的生產(chǎn)后，主動(dòng)落實(shí)注冊(cè)操作，并在實(shí)現(xiàn)相應(yīng)產(chǎn)品信息的登記后，該平臺(tái)（標(biāo)識(shí)編碼服務(wù)）自動(dòng)生成產(chǎn)品標(biāo)識(shí)。

（3）標(biāo)識(shí)編碼，在標(biāo)識(shí)規(guī)則的支持下抽取產(chǎn)品信息，并展開編碼，最終生成產(chǎn)品標(biāo)識(shí)。

（4）標(biāo)識(shí)解析。針對(duì)某一產(chǎn)品標(biāo)識(shí)，在區(qū)塊鏈內(nèi)進(jìn)行相應(yīng)產(chǎn)品信息的提取。

2.2.3 數(shù)據(jù)層

在該體系架構(gòu)的數(shù)據(jù)層中，主要完成了兩類數(shù)據(jù)的保存，具體如下：

（1）組織生產(chǎn)數(shù)據(jù)。此類型數(shù)據(jù)一般由組織自行完成上傳操作，如原材料數(shù)量、設(shè)備標(biāo)識(shí)、產(chǎn)品合格率、采購數(shù)據(jù)、能耗數(shù)據(jù)、銷售數(shù)據(jù)等等。實(shí)踐中，數(shù)據(jù)層主要對(duì)這一類型的數(shù)據(jù)實(shí)施加密及保存處理。此時(shí)，一般生產(chǎn)數(shù)據(jù)直接利用區(qū)塊鏈智能合約完成存儲(chǔ)，而對(duì)于一些隱私性相對(duì)較高的數(shù)據(jù)信息來說，主要在完成加密處理后使用區(qū)塊鏈智能合約實(shí)施存儲(chǔ)。當(dāng)組織上傳的某種生產(chǎn)數(shù)據(jù)量相對(duì)較大時(shí)，先應(yīng)用加密存儲(chǔ)保存至云服務(wù)器內(nèi)，隨后將相應(yīng)數(shù)據(jù)的哈希值傳輸至區(qū)塊鏈中完成保存。依托這樣的方式，組織可以對(duì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)展開全平臺(tái)共享，也能夠控制相應(yīng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)在某些組織之間共享。

（2）組織參與同盟鏈活動(dòng)時(shí)形成的數(shù)據(jù)。此類數(shù)據(jù)普遍由平臺(tái)直接生成，不需要企業(yè)自行上傳，主要包括資產(chǎn)數(shù)據(jù)、信用數(shù)據(jù)，旨在為組織的資產(chǎn)管理與信用管理提供支持。

2.2.4 應(yīng)用層

對(duì)于該體架構(gòu)的應(yīng)用層來說，其位于整個(gè)體系架構(gòu)的最上層，主要功能如下所示：

（1）數(shù)據(jù)交易。在該工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)內(nèi)，存在于同盟鏈中的組織均可以對(duì)自己具備的數(shù)據(jù)信息展開售賣操作，或是向其他存在于同盟鏈中的組織購買信息數(shù)據(jù)。換言之，數(shù)據(jù)信息在該工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)內(nèi)屬于流通的生產(chǎn)要素，依托機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的落實(shí)，能夠促進(jìn)組織的生產(chǎn)效率效果增強(qiáng)。

（2）協(xié)作生產(chǎn)。在該同盟鏈中，依托數(shù)據(jù)信息的公開透明，能夠搭建起復(fù)雜性相對(duì)較高的供應(yīng)網(wǎng)（企業(yè)）。各個(gè)組織在尋找合作伙伴的過程中，可以參考自身的現(xiàn)實(shí)情況與需求在同盟鏈內(nèi)選取合適的合作組織，同時(shí)，在相應(yīng)的合作行為中，會(huì)生成組織信用數(shù)據(jù)，也能夠?yàn)榻M織挑選合作伙伴提供參考。

（3）供應(yīng)鏈優(yōu)化。組織生產(chǎn)數(shù)據(jù)的公開、共享為監(jiān)管部門的工作提供了更好支持，促使監(jiān)管部門可以完成對(duì)組織生產(chǎn)全過程的有效管，推動(dòng)供應(yīng)鏈整體實(shí)現(xiàn)優(yōu)化。同時(shí)，在組織生產(chǎn)數(shù)據(jù)公開與共享的支持下，組織之間的縱向、橫向?qū)Ρ瘸蔀楝F(xiàn)實(shí)，各個(gè)組織能夠迅速、精準(zhǔn)確定組織本身在經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)活動(dòng)中是否存在異常情況，并快速完成對(duì)行業(yè)市場(chǎng)變化的感知及響應(yīng)，推動(dòng)組織經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)工作的升級(jí)。

（4）聯(lián)邦學(xué)習(xí)。在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下，各個(gè)組織對(duì)于數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)更為關(guān)注，且希望可以獲取更多用于組織機(jī)器學(xué)習(xí)訓(xùn)練的數(shù)據(jù)，而應(yīng)用聯(lián)邦學(xué)習(xí)就可以滿足上述要求[3]。對(duì)于存在于同盟鏈中的組織來說，其在生產(chǎn)中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)具備極高的相似性，可以實(shí)現(xiàn)橫向聯(lián)邦學(xué)習(xí)；而對(duì)于同盟鏈中位于供應(yīng)鏈上下游的組織來說，其樣本身份具備更高的重疊度，相對(duì)應(yīng)的，數(shù)據(jù)特征的重疊度偏低，因此可以實(shí)現(xiàn)豎向聯(lián)邦學(xué)習(xí)。

（5）賬務(wù)審計(jì)。存在于同盟中的組織會(huì)將組織在經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)活動(dòng)中產(chǎn)生的賬務(wù)數(shù)據(jù)上傳至工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)層中，并保存在區(qū)塊鏈中。此時(shí)，一旦組織之間產(chǎn)生交易行為，或是相關(guān)監(jiān)管部門對(duì)該組織的賬務(wù)存疑時(shí)，能夠直接在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中調(diào)取相關(guān)組織的賬務(wù)信息，并將其與同盟內(nèi)其他同類組織在經(jīng)營(yíng)生產(chǎn)中產(chǎn)生的賬務(wù)信息展開對(duì)比，以此實(shí)現(xiàn)組織賬務(wù)審查。例如，A 企業(yè)由于B企業(yè)均使用同一型號(hào)的設(shè)備，但是兩者輸入產(chǎn)出卻存在較大差異，這就表明該項(xiàng)數(shù)據(jù)存在問題，需要重點(diǎn)分析。該工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的賬務(wù)審計(jì)應(yīng)用如圖2 所示。整個(gè)審查過程使用“人工智能+人工審查”的混合審查法方式，以此保證審查工作的精細(xì)程度。

圖1：基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)

圖2：基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)賬務(wù)審計(jì)應(yīng)用示意圖

2.3 其他功能設(shè)計(jì)

2.3.1 數(shù)據(jù)安全防護(hù)

在基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，數(shù)據(jù)安全的防護(hù)占據(jù)著重要地位，實(shí)踐中，必須要著重維護(hù)平臺(tái)數(shù)據(jù)層中所有數(shù)據(jù)信息的完整性與安全性，防止數(shù)據(jù)信息泄露、被惡意篡改等問題的發(fā)生[4]。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，在本次平臺(tái)設(shè)計(jì)中，主要在該工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的數(shù)據(jù)層、控制層中引入了區(qū)塊鏈技術(shù)，使得采集到的數(shù)據(jù)信息、交際記錄等均在區(qū)塊賬本保存，提升數(shù)據(jù)信息的篡改難度，達(dá)到維護(hù)平臺(tái)內(nèi)數(shù)據(jù)信息安全性的效果。同時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)身份的限制，避免數(shù)據(jù)采集設(shè)備隨意接入平臺(tái)（即為所有組織的設(shè)備配置身份證明），大幅降低數(shù)據(jù)信息泄露問題的發(fā)生概率。

2.3.2 供應(yīng)鏈金融

依托同盟鏈與銀行區(qū)塊鏈之間的無縫銜接，能夠衍生出供應(yīng)鏈金融。實(shí)踐中，同盟組織在設(shè)備交易、設(shè)備租賃等操作中，可以使用智能合約展開抵押代幣。此時(shí)，在合約到期且沒有觸發(fā)特定條件時(shí)，代幣能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)入收款方的賬戶中。通過這樣的方式的，同盟中的組織不需要去銀行申請(qǐng)擔(dān)保，也保證了整個(gè)過程的公開透明。即便在后續(xù)需要實(shí)施對(duì)違法活動(dòng)的追責(zé)與舉證，這種供應(yīng)鏈金融的形成也能夠使得相應(yīng)工作的便捷程度提升。

2.3.3 分布式存儲(chǔ)

在傳統(tǒng)的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)中，普遍與應(yīng)用了中心式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)形式，如果中心服務(wù)器受到攻擊，則會(huì)產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息泄露或被篡改的問題，情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)引發(fā)整個(gè)平臺(tái)的癱瘓。為了規(guī)避上述問題，在本次工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)中，主要應(yīng)用了分布式存儲(chǔ)形式，保證所有服務(wù)器節(jié)點(diǎn)中均保存一份完整設(shè)數(shù)據(jù)備份，并在區(qū)塊鏈中完成加密數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，保證數(shù)據(jù)的完整性以及平臺(tái)的安全性。

3 總結(jié)

綜上所述，現(xiàn)階段，設(shè)計(jì)一種技術(shù)先進(jìn)的、功能全面的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)體系架構(gòu)具有極高的現(xiàn)實(shí)價(jià)值。通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，結(jié)合對(duì)控制層、標(biāo)識(shí)層、數(shù)據(jù)層以及應(yīng)用層的構(gòu)建，以及數(shù)據(jù)安全防護(hù)、供應(yīng)鏈金融、分布式存儲(chǔ)等功能的實(shí)現(xiàn)，搭建起了高數(shù)據(jù)安全性及數(shù)據(jù)共享的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)，為工業(yè)制造業(yè)的更好發(fā)展及經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定增長(zhǎng)提供支持。