區(qū)塊鏈在協(xié)同制造領(lǐng)域的應(yīng)用探討

李廣橋，喬運(yùn)華，班玉榮，周文坤，張應(yīng)剛

（1.北京機(jī)械工業(yè)自動(dòng)化研究所有限公司，北京 100120；2.機(jī)械科學(xué)研究總院集團(tuán)有限公司，北京 100044）

0 引言

隨著新興信息通信技術(shù)的廣泛應(yīng)用，制造業(yè)正在進(jìn)入一個(gè)能夠動(dòng)態(tài)響應(yīng)系統(tǒng)狀態(tài)、客戶需求和供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)變化的全集成自主環(huán)境即智能制造的新時(shí)代。智能制造系統(tǒng)將在最少的人力參與下協(xié)同工作，以優(yōu)化操作，實(shí)現(xiàn)更大的生產(chǎn)靈活性和產(chǎn)品可變性[1]。其中龐大的數(shù)據(jù)在一個(gè)開放的網(wǎng)絡(luò)流動(dòng)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)的安全和隱私問題會(huì)存在較大的隱患。企業(yè)自身與客戶對(duì)數(shù)據(jù)的來源關(guān)注度也越來越高。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)眾多技術(shù)集合而成的新興技術(shù)體—分布式賬本。區(qū)塊鏈技術(shù)具有處理各種安全攻擊的潛力。網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行發(fā)起交易和通過Merkle哈希樹（MHT）和橢圓曲線加密（ECC）驗(yàn)證，并以加密的形式存儲(chǔ)所有節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，通過共識(shí)機(jī)制和時(shí)間戳進(jìn)一步保證了數(shù)據(jù)的私密性和安全性。鏈上每一個(gè)交易的信息都會(huì)有一個(gè)唯一對(duì)應(yīng)的地址，提供了數(shù)據(jù)追溯的可行性。區(qū)塊鏈技術(shù)的特殊的數(shù)據(jù)維護(hù)方式，提供了一種可以不依賴第三方機(jī)構(gòu)的信任機(jī)制。這也成就了這項(xiàng)技術(shù)在協(xié)同優(yōu)化領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)。

1 區(qū)塊鏈特點(diǎn)以及適用場景

1.1 區(qū)塊鏈的特點(diǎn)

根據(jù)文獻(xiàn)[2～6]的分析，區(qū)塊鏈具有以下的特點(diǎn)：

去中心化：所有的數(shù)據(jù)及其操作部署在多個(gè)節(jié)點(diǎn)上，鏈上的數(shù)據(jù)都由這些節(jié)點(diǎn)來公共維護(hù)。

數(shù)據(jù)透明性：節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)后的數(shù)據(jù)在它的生命周期中都是可見、可追溯的。

不變性：區(qū)塊鏈通過在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)加入時(shí)間戳來保證其不變性。

不可逆性：一旦發(fā)起鏈上交易，交易記錄會(huì)被存到每個(gè)區(qū)塊上。

自主開放性：鏈上之間的節(jié)點(diǎn)是平等關(guān)系，任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以進(jìn)行數(shù)據(jù)操作。區(qū)塊鏈允許任何人加入網(wǎng)絡(luò)成為新的節(jié)點(diǎn)。

匿名性：節(jié)點(diǎn)之間作信息交互時(shí)，不會(huì)涉及節(jié)點(diǎn)的身份信息。

唯一性：鏈上的信息都會(huì)有一個(gè)加密后的唯一哈希碼，即地址。

可追溯性：鏈上的交易信息都可以通過信息的唯一地址進(jìn)行追溯。

1.2 區(qū)塊鏈適用場景分析

結(jié)合文獻(xiàn)[6，7]的分析以及區(qū)塊鏈本身的特點(diǎn)來看，區(qū)塊鏈有以下常見的應(yīng)用場景：

多方參與的交易中的信任問題，由于信息不對(duì)稱而導(dǎo)致。多方參與的交易中，容易出現(xiàn)某一方為了獲得更高的利益而故意夸大或隱瞞一些關(guān)鍵信息，常見的解決方法是通過第三方機(jī)構(gòu)來驗(yàn)證或進(jìn)行交易，過度依賴第三方機(jī)構(gòu)的可信度，而區(qū)塊鏈本身去中心化的特點(diǎn)，所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)鏈上數(shù)據(jù)成了解決信任問題新方案。

強(qiáng)調(diào)數(shù)據(jù)公開透明可追溯的業(yè)務(wù)場景。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)天然具備這些特性，公益事業(yè)、工業(yè)常用可以通過這中特性做到對(duì)各個(gè)事項(xiàng)的監(jiān)控和追蹤。

強(qiáng)調(diào)用戶的隱私保護(hù)。人們的日常信息下潛伏著的是人們的行為習(xí)慣信息，這部分?jǐn)?shù)據(jù)對(duì)于用戶來說是相當(dāng)私密的，例如淘寶用戶的購物信息如果泄露，就會(huì)有一些商家利用這些信息推測出該用戶的喜好，最終導(dǎo)致用戶被強(qiáng)制廣告及電話推銷的騷擾。而區(qū)塊鏈對(duì)數(shù)據(jù)的加密使得數(shù)據(jù)在鏈上可用但是對(duì)外部不具備可讀和可用性。

2 區(qū)塊鏈的協(xié)同制造中的應(yīng)用案例分析

2.1 案例：基于區(qū)塊鏈的服裝產(chǎn)業(yè)協(xié)同制造溯源研究

服裝產(chǎn)業(yè)的制造過程主要包括：服裝公司負(fù)責(zé)服裝訂單分包，設(shè)計(jì)公司負(fù)責(zé)服裝設(shè)計(jì)，供應(yīng)商提供原材料，最后是服裝生產(chǎn)。各個(gè)過程的狀態(tài)獨(dú)立，通過第三方建立起來的一個(gè)協(xié)同生產(chǎn)平臺(tái)仍然存在數(shù)據(jù)被篡改的問題，很難建立相互之間的信任關(guān)系。與此同時(shí)，服裝生產(chǎn)制造過程與消費(fèi)者隔離，當(dāng)消費(fèi)者希望了解所購產(chǎn)品的來龍去脈時(shí)，需要耗費(fèi)大量時(shí)間和金錢，代價(jià)高昂。

區(qū)塊鏈特殊的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)（Merkle Tree）和存儲(chǔ)方式配合上點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)以及gossip算法，通過共識(shí)算法使的鏈上的節(jié)點(diǎn)就交易達(dá)成了一致，成就了其去中心化，數(shù)據(jù)可靠和數(shù)據(jù)不可篡改的特性。故區(qū)塊鏈對(duì)解決上述問題有著天然的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[8]中研究并提出一個(gè)基于區(qū)塊鏈的服裝產(chǎn)業(yè)協(xié)同制造的溯源系統(tǒng)如圖1。系統(tǒng)將服裝制造生產(chǎn)過程中的參與者各自作為一個(gè)節(jié)點(diǎn)，分為鏈上和鏈下兩種存儲(chǔ)方式，鏈上存儲(chǔ)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的重要信息，鏈下存儲(chǔ)著對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)地址，例如：服裝公司節(jié)點(diǎn)的訂單信息（加密后存在區(qū)塊中），鏈下存儲(chǔ)著加密后訂單信息的地址；并返回一個(gè)成敗信息，當(dāng)前節(jié)點(diǎn)根據(jù)這一個(gè)信息絕對(duì)是否與流程下一個(gè)節(jié)點(diǎn)簽訂協(xié)議（執(zhí)行預(yù)置好的智能合約）。節(jié)點(diǎn)的信息源為區(qū)塊鏈系統(tǒng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有著從訂單、設(shè)計(jì)、原料到生產(chǎn)的所有數(shù)據(jù)。根據(jù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的消息廣播機(jī)制會(huì)將經(jīng)過驗(yàn)證加密后的交易數(shù)據(jù)同步到各個(gè)節(jié)點(diǎn)。故服裝制造生產(chǎn)過程中的數(shù)據(jù)難以被篡改。交易的地址能快速的追溯到交易的雙方，并根據(jù)雙方的地址信息進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)溯源。這并非一個(gè)中心化機(jī)構(gòu)，而是一個(gè)所有節(jié)點(diǎn)一起維護(hù)的系統(tǒng)。故進(jìn)一步加強(qiáng)了服裝生產(chǎn)制造過程的協(xié)同。

圖1 區(qū)塊鏈下服裝協(xié)同生產(chǎn)制造系統(tǒng)的架構(gòu)圖

2.2 案例：基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的智能工廠運(yùn)行平臺(tái)

智能工廠主要包括四部分：一是智能基礎(chǔ)設(shè)施，目的是做數(shù)據(jù)采集，是包括芯片、傳感器等數(shù)據(jù)采集設(shè)備在內(nèi)構(gòu)成的物理設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。二是數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）。管理和監(jiān)控基礎(chǔ)設(shè)施采集到的數(shù)據(jù)。三是數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)。顧名思義，用作數(shù)據(jù)傳輸。四、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)部分。主要由企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）和制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）組成。有根據(jù)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行決策、監(jiān)管工廠設(shè)備，保證生產(chǎn)以及穩(wěn)定性的作用[9]。

智能工廠面臨的問題：物理設(shè)備采集數(shù)據(jù)，容易受到環(huán)境的影響產(chǎn)生異常數(shù)據(jù)；網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)安全問題，一是數(shù)據(jù)源眾多例如二維碼、傳感器等，二是數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)多樣，三是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)的崩壞會(huì)產(chǎn)生蝴蝶效應(yīng)，牽連其余節(jié)點(diǎn)，導(dǎo)致連續(xù)異常數(shù)據(jù)產(chǎn)生。

針對(duì)智能工廠的特點(diǎn)和面臨的問題文獻(xiàn)[9]提出了一個(gè)基于物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的智能工廠運(yùn)行平臺(tái)其架構(gòu)圖如圖2所示。結(jié)合區(qū)塊鏈特點(diǎn)，不僅能對(duì)智能工廠進(jìn)行一個(gè)優(yōu)化還能解決上述面臨的問題。區(qū)塊鏈在智能工廠的具體應(yīng)用場景如表1。區(qū)塊鏈的鏈上交易數(shù)據(jù)的開放性，利用這個(gè)特點(diǎn)將產(chǎn)品設(shè)計(jì)的相關(guān)數(shù)據(jù)上鏈，每個(gè)用戶都能夠查詢到產(chǎn)品相關(guān)信息，多個(gè)用戶可以參與到設(shè)計(jì)中來，保證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的公正開放。點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，保證了各個(gè)節(jié)點(diǎn)的獨(dú)立性，單節(jié)點(diǎn)的崩壞不會(huì)影響到其余節(jié)點(diǎn)的產(chǎn)品研發(fā)。區(qū)塊鏈具有匿名性，區(qū)塊鏈允許用戶使用一個(gè)虛擬的身份，但用戶本身在鏈上的動(dòng)作卻是透明可見的，這使得供應(yīng)鏈上的節(jié)點(diǎn)可以將關(guān)注點(diǎn)集中到各個(gè)用戶的產(chǎn)能、信用等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息上。（共識(shí)使用pow的前提下）由于區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)綁K狀結(jié)構(gòu)，且數(shù)據(jù)都是通過哈希算法算出來哈希值，要想偽造和篡改數(shù)據(jù)就必須計(jì)算出比當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)更長的鏈塊，算力至少要大于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的半數(shù)節(jié)點(diǎn)，即51%算力，成本高昂且隨著區(qū)塊長度的增加而增加，正好可以應(yīng)用到mes系統(tǒng)中，用于降低少數(shù)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)污染對(duì)整個(gè)生產(chǎn)的影響。鏈上的數(shù)據(jù)是共享的，生產(chǎn)管理中每個(gè)過程的都能根據(jù)這些數(shù)據(jù)即使響應(yīng)協(xié)同生產(chǎn)。區(qū)塊鏈上的用戶、交易都會(huì)有相應(yīng)的地址信息，交易中還存放著交易雙方的地址信息，根據(jù)這些地址信息可以幫助庫存管理實(shí)現(xiàn)跟蹤、監(jiān)控和溯源。

圖2 物聯(lián)網(wǎng)區(qū)塊鏈智能工廠架構(gòu)圖

表1 區(qū)塊鏈的特點(diǎn)及其在智能工廠的應(yīng)用場景

2.3 案例：基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)智能制造系統(tǒng)信任機(jī)制

隨著智能制造過程日益成為數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的[10]，在整個(gè)制造生命周期中收集了大量的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)是利益相關(guān)者的財(cái)富，因?yàn)樗涗浟酥圃煲氐臓顟B(tài)和活動(dòng)。數(shù)據(jù)目前存儲(chǔ)在本地?cái)?shù)據(jù)庫中，在該數(shù)據(jù)庫中執(zhí)行分析以診斷現(xiàn)有問題、預(yù)測新出現(xiàn)的問題，并提高操作效率。然而，數(shù)據(jù)所有者對(duì)他們的數(shù)據(jù)將如何被使用的知識(shí)有限，他們關(guān)心自己的權(quán)益。此外，被篡改的數(shù)據(jù)會(huì)導(dǎo)致診斷和預(yù)測的錯(cuò)誤決策[11]。因此，在基于物聯(lián)網(wǎng)的智能制造系統(tǒng)中，所提供和獲得的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性和可信度是信任的關(guān)鍵部分。

在設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、產(chǎn)品和服務(wù)的整個(gè)生命周期中，制造協(xié)作發(fā)生在制造商與客戶、政府、供應(yīng)商、分銷商、服務(wù)提供商和其他制造商之間。由于利益相關(guān)者是分散的、不熟悉的，很難在他們之間建立信任。目前，制造商別無選擇，只能容忍不可信的合作帶來的額外成本。例如，如果制造商不信任其供應(yīng)商，現(xiàn)場檢查和外部認(rèn)證等活動(dòng)將產(chǎn)生額外的成本。如果一個(gè)制造商不被政府信任，將要求經(jīng)常檢查，以保證法律法規(guī)的遵守。幾乎每個(gè)行業(yè)的制造商都是通過獲得一定的認(rèn)證來與客戶建立最初的信任，因?yàn)榭蛻舳际敲嫦蚣榷ㄆ放坪屯獠空J(rèn)證的。然而，獲得認(rèn)證是一個(gè)昂貴、耗時(shí)和迭代的過程[12]。

為了解決這一系列的信任問題，需要了解區(qū)塊鏈的特性，首先區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是由多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，對(duì)外部節(jié)點(diǎn)的加入沒有限制，即不受信節(jié)點(diǎn)也可以加入，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過共識(shí)機(jī)制達(dá)成一致。其次，數(shù)據(jù)上鏈后，公開可見，最后，通過智能合約可以利用鏈上的數(shù)據(jù)進(jìn)行多方協(xié)作。文獻(xiàn)[12]提出了一種基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)智能制造系統(tǒng)信任機(jī)制。通過非對(duì)稱加密，將任務(wù)信息、服務(wù)信息、身份數(shù)據(jù)、交易數(shù)據(jù)、資產(chǎn)數(shù)據(jù)、合同數(shù)據(jù)等不可信要素的數(shù)字信息封裝成塊。它被集成到區(qū)塊鏈中以滿足安全性需求和所有權(quán)驗(yàn)證需求。已驗(yàn)證的塊將被附加到區(qū)塊鏈。廣播后將被所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)，并在最新區(qū)塊鏈上達(dá)成共識(shí)。如果區(qū)塊鏈產(chǎn)生一個(gè)臨時(shí)分叉，較短的鏈將被丟棄。區(qū)塊鏈找到了一個(gè)安全數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，可以支持制造商之間的協(xié)作。智能合約可以提供一種協(xié)作機(jī)制，讓不受信任的參與實(shí)體可以與受信任的實(shí)體一起工作。

3 區(qū)塊鏈在協(xié)同制造中的應(yīng)用難點(diǎn)分析

協(xié)同制造領(lǐng)域中涉及到的系統(tǒng)龐大且種類多，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)集。具有自身原業(yè)務(wù)場景多，擴(kuò)展業(yè)務(wù)的需求繁雜和數(shù)據(jù)種類多且量大等特點(diǎn)。要將區(qū)塊鏈技術(shù)融入其中會(huì)有以下難點(diǎn)：

從安全性上來看，為了保證聯(lián)盟鏈的安全性，不僅需要考慮到節(jié)點(diǎn)之間、節(jié)點(diǎn)與客戶端之間的通信安全，還需要融入一系列的安全解決方案，包括網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)入，不同業(yè)務(wù)場景（不同鏈）之間數(shù)據(jù)的隔離性、以及用戶權(quán)限和私鑰的管理機(jī)制，系統(tǒng)越大，消耗的成本越高。從可維護(hù)性上來看，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)鏈上所有的數(shù)據(jù)，并且數(shù)據(jù)隨著鏈上的節(jié)點(diǎn)和交易數(shù)的增加而不斷增加，對(duì)單節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)資源要求變高，數(shù)據(jù)膨脹的同時(shí)數(shù)據(jù)的遷移復(fù)雜度也將變得十分的復(fù)雜。

從可拓展性上來看，數(shù)據(jù)膨脹導(dǎo)致數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的拓展始終受限于節(jié)點(diǎn)的存儲(chǔ)空間；鏈上的計(jì)算與鏈塊的順序相關(guān)，串行的計(jì)算模式同樣影響了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的可拓展性。

從性能上來看，要實(shí)現(xiàn)一個(gè)高吞吐量，低延遲、可拓展性且去中心化程度很高的區(qū)塊鏈系統(tǒng)目前很難，隨著區(qū)塊的增加，吞吐量（單位時(shí)間的交易量）就會(huì)變低，同時(shí)延時(shí)就會(huì)變高，性能就會(huì)下降，要保持一個(gè)高吞吐量，低延遲，其中一個(gè)方向是對(duì)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的有一定的控制，相對(duì)的，就會(huì)導(dǎo)致去中心化程度降低；反之，去中心化程度越高，性能就越低即吞吐量低、延遲高。

4 結(jié)語

協(xié)同制造領(lǐng)域的關(guān)鍵是將一系列串行的活動(dòng)轉(zhuǎn)化成并行的活動(dòng)，通過分布式的網(wǎng)絡(luò)為企業(yè)提供更靈活的協(xié)同操作機(jī)會(huì)[13]。區(qū)塊鏈技術(shù)能提供一個(gè)安全可靠的分布式網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)在保證數(shù)據(jù)安全性的情況允許通過編寫智能合約的形式進(jìn)行業(yè)務(wù)操作。故區(qū)塊鏈技術(shù)在協(xié)同制造領(lǐng)域中具有很大的潛力。由于協(xié)同制造領(lǐng)域的系統(tǒng)的數(shù)量的龐大與種類的繁多，在區(qū)塊鏈技術(shù)落地之前需要根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行分析和評(píng)估。本文通過3個(gè)案例來分析區(qū)塊鏈?zhǔn)侨绾稳诤系絽f(xié)同領(lǐng)域中的業(yè)務(wù)場景中，并且在業(yè)務(wù)場景中都利用了區(qū)塊鏈的特性能解決哪些問題。同時(shí)從安全性、可拓展、性能3個(gè)維度去分析限制區(qū)塊鏈在協(xié)同制造領(lǐng)域落地應(yīng)用的原因。區(qū)塊鏈技術(shù)的未來不僅需要技術(shù)上的突破，還有區(qū)塊鏈應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范的建立和統(tǒng)一，技術(shù)的突破降低應(yīng)用落地的門檻，而標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范則是用于給應(yīng)用定性。這項(xiàng)技術(shù)更多的潛力仍有待人們不斷的研究和探討。