基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)BCMP制造資源共享平臺(tái)探索

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(1.太原師范學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，山西 晉中 030619；2. 太原科技大學(xué)，山西 太原 030024)

0 引言

近年來(lái)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以其全面感知、智能處理、自組織與自維護(hù)的特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)引起了一場(chǎng)“以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為代表”的變革浪潮.在長(zhǎng)期發(fā)展過(guò)程中，越來(lái)越多的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景需要跨主體、跨平臺(tái)、跨商家等多個(gè)實(shí)體或角色之間協(xié)作，此時(shí)，建立信任成本十分高昂.同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有多種針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議，容易形成信息孤島，降低通信效率[1].于是，制造服務(wù)提供商之間越來(lái)越需要通過(guò)一個(gè)可靠的中介，來(lái)管理和協(xié)調(diào)各種制造資源.

隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的成熟，越來(lái)越多的人開(kāi)始嘗試通過(guò)區(qū)塊鏈為制造資源共享提供一個(gè)可靠的平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器之間的互信訪問(wèn)，并且將傳統(tǒng)的、分散制造資源整合到一個(gè)共享平臺(tái)上，并接入云中，對(duì)外進(jìn)行資源發(fā)布[2].Zhi等人[3]提出了基于區(qū)塊鏈和邊緣計(jì)算的跨企業(yè)的框架，該框架由客戶層、企業(yè)層、應(yīng)用層、智能層、數(shù)據(jù)層和基礎(chǔ)設(shè)施層組成，實(shí)現(xiàn)了制造生態(tài)系統(tǒng)中知識(shí)和服務(wù)的共享；Bahga等人[4]提出了BPIIOT架構(gòu)，整合了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)設(shè)備到云環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器的自動(dòng)維護(hù)，并且提供了了一個(gè)交易、資產(chǎn)和記錄的分布式共享賬本.Kshetri等人[5]將區(qū)塊鏈納入了物聯(lián)網(wǎng)的解決方案，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過(guò)智能合約進(jìn)行自主交易，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)解決方案，解決了個(gè)人資產(chǎn)驗(yàn)證和資產(chǎn)身份部署的問(wèn)題.Sikorski J等人[6]介紹和討論了與工業(yè)4.0相關(guān)的區(qū)塊鏈技術(shù)的研究和應(yīng)用前景，呈現(xiàn)了兩個(gè)電力生產(chǎn)商和一個(gè)電力消費(fèi)者通過(guò)區(qū)塊鏈相互交易的場(chǎng)景；Khan M A等人[7]聚焦了物聯(lián)網(wǎng)的安全問(wèn)題，概述了物聯(lián)網(wǎng)的安全要求以及現(xiàn)有的攻擊，威脅和最先進(jìn)的解決方案，并通過(guò)區(qū)塊鏈的方式解決了以上安全問(wèn)題.

本文分析了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)和區(qū)塊鏈的特點(diǎn)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中，提出了BCMP制造資源共享平臺(tái).該平臺(tái)基于Internet網(wǎng)絡(luò)，將分在不同地域的制造商和需求用戶集中到BCMP平臺(tái)，既有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)物物相連的特點(diǎn)，又兼具了區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、安全性高等優(yōu)勢(shì)[8].需求用戶將自身需求在平臺(tái)發(fā)布需求列表，制造商們依據(jù)需求列表整合自身的制造能力，通過(guò)適配需求列表來(lái)爭(zhēng)取獲得列表中某一項(xiàng)或幾項(xiàng)環(huán)節(jié)的制造權(quán)，最終形成完整的生產(chǎn)線.生產(chǎn)的過(guò)程數(shù)據(jù)可依據(jù)區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行加密和共享，在保障數(shù)據(jù)安全的同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了企業(yè)之間的制造資源共享.整個(gè)過(guò)程無(wú)需第三方中介的介入，實(shí)現(xiàn)了去中心化的制造企業(yè)間融合制造，加速了工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展.

1 BCMP平臺(tái)概念及其特點(diǎn)

1.1 工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)的核心是互聯(lián)網(wǎng)，但是用戶由人轉(zhuǎn)向了“物”，物與物之間可以進(jìn)行信息交互.隨著德國(guó)工業(yè)4.0、中國(guó)制造“2025”、美國(guó)先進(jìn)制造的提出，物聯(lián)網(wǎng)為智能制造的發(fā)展提供了基于Internet的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)以及解決方案[9].工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)支持雙向通信，并與云結(jié)合，彌補(bǔ)了用戶想從任意時(shí)間或地點(diǎn)想從工廠機(jī)器或設(shè)備上收集數(shù)據(jù)的鴻溝，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)計(jì)算和交付高價(jià)值信息.目前工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用主要在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程管理體系的優(yōu)化，主要分為三點(diǎn)：1)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)傳感器技術(shù)，實(shí)現(xiàn)企業(yè)的原料采購(gòu)、庫(kù)存管理、銷售，從而提高效率，降低成本.2)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，使得生產(chǎn)過(guò)程工藝優(yōu)化.3)物聯(lián)網(wǎng)傳感技術(shù)與制造技術(shù)融合，對(duì)產(chǎn)品以及設(shè)備的實(shí)時(shí)情況進(jìn)行記錄，并且可以遠(yuǎn)程診斷故障設(shè)備，對(duì)產(chǎn)品設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控[10].

根據(jù)IDC報(bào)告預(yù)測(cè)，未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)將達(dá)到1 000億的傳感器設(shè)備與之相連[9].若一個(gè)中心化的服務(wù)器存儲(chǔ)如此龐大的數(shù)據(jù)，那么數(shù)據(jù)的安全性、控制安全、服務(wù)器的存儲(chǔ)需求、設(shè)備之間的信任度將成為巨大難題.工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)以其高度適用于制造業(yè)的特性，正在快速發(fā)展，但是如何快速建立起工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的共享體系，對(duì)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的高效管理，成為工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迫在眉睫的問(wèn)題.

1.2 區(qū)塊鏈

2008年化名為“中本聰”的學(xué)者發(fā)表了《比特幣:一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》，首次提出了比特幣的概念.比特幣的成功引發(fā)了人們對(duì)其底層技術(shù)區(qū)塊鏈的關(guān)注.區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，以密碼學(xué)方式保證的不可篡改和不可偽造的去中心化共享總賬(Decentralized shared ledger)，能夠安全存儲(chǔ)簡(jiǎn)單的、有先后關(guān)系的、能在系統(tǒng)內(nèi)驗(yàn)證的數(shù)據(jù)[11，12].區(qū)塊鏈的底層網(wǎng)絡(luò)是P2P對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是對(duì)等關(guān)系，沒(méi)有主從之分，節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示.

各個(gè)節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)共識(shí)算法進(jìn)行“挖礦”，根據(jù)時(shí)間順序?qū)⒏鱾€(gè)節(jié)點(diǎn)依次添加到鏈路末尾，形成鏈路結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖 2所示.每個(gè)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)一個(gè)或者多個(gè)區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊包含兩個(gè)部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體.區(qū)塊頭存儲(chǔ)了上一區(qū)塊的Hash地址，時(shí)間戳等信息，區(qū)塊體存儲(chǔ)的是數(shù)據(jù)信息Transactions.

圖1 區(qū)塊鏈底層網(wǎng)絡(luò)

圖2 區(qū)塊鏈鏈路結(jié)構(gòu)圖

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的透明化，可追溯的特點(diǎn)幫助生產(chǎn)和制造更為有效，降低了企業(yè)運(yùn)營(yíng)成本.

區(qū)塊鏈優(yōu)勢(shì)：

去中心化：由于區(qū)塊鏈采用的是去中心化的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式，將計(jì)算和存儲(chǔ)需求分散到各個(gè)設(shè)備中，進(jìn)行了去中心化的處理，設(shè)備之間可以通過(guò)區(qū)塊鏈的合約規(guī)則進(jìn)行數(shù)字簽約，無(wú)需人員進(jìn)行甄別真假，幫助設(shè)備進(jìn)行自我維持，自我服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了真正的智能化.

低成本高效率：區(qū)塊鏈具有無(wú)法篡改、抵賴和造假特性，通過(guò)建立共享數(shù)據(jù)，從而以高信任度降低參與者的交易、溝通成本.其P2P對(duì)等網(wǎng)絡(luò)特性，其數(shù)據(jù)由眾多參與方共同維護(hù)，無(wú)需第三方中心機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)督管理，使得交易處理更高效.

低風(fēng)險(xiǎn)更安全：雙方交易通過(guò)非對(duì)稱加密算法進(jìn)行保障，多方參與記賬，保證了數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，建立多方信任關(guān)系，提高了數(shù)據(jù)交易過(guò)程的透明度，避免了參與者之間因?yàn)閿?shù)據(jù)的不完整與不可靠導(dǎo)致參與者之間的信任危機(jī).

2 BCMP制造資源共享平臺(tái)

2.1 BCMP平臺(tái)

BCMP(BlockChain Based Manufacture Platform)是一種基于區(qū)塊鏈的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)資源共享平臺(tái).目前我國(guó)的傳統(tǒng)制造業(yè)所用物聯(lián)網(wǎng)是采用傳統(tǒng)的分層架構(gòu)，把復(fù)雜問(wèn)題逐一分層，每個(gè)層次解決一個(gè)問(wèn)題，最后將其進(jìn)行整合成為整體的系統(tǒng)，在系統(tǒng)整合的過(guò)程中不可避免的產(chǎn)生了信息孤島問(wèn)題.所以，通過(guò)將中心化服務(wù)器進(jìn)行去中心化處理，緩解和解決由此帶來(lái)的信息孤島問(wèn)題是不可逆轉(zhuǎn)的需求趨勢(shì).《中國(guó)區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書2016》中提到，區(qū)塊鏈技術(shù)為去中心化的物聯(lián)網(wǎng)自我治理提供了方式方法，可以幫助實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間互相了解溝通，實(shí)現(xiàn)了分布式物聯(lián)網(wǎng)的去中心化控制.區(qū)塊鏈本身是P2P網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，幫助整合傳統(tǒng)車間設(shè)備到云環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)了車間設(shè)備的自動(dòng)維修、診斷、溝通、信息共享，促進(jìn)了服務(wù)和各類制造資源的共享.

從前用戶想要制造某個(gè)設(shè)備，會(huì)在相關(guān)信息平臺(tái)發(fā)布所需制造產(chǎn)品的詳細(xì)參數(shù)信息，且一般生產(chǎn)需求用戶和制造企業(yè)的身份不可互相轉(zhuǎn)換.隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的使用，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)可以搭建在一個(gè)分散的、可靠的、對(duì)等的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上，無(wú)需中介實(shí)現(xiàn)可靠的網(wǎng)絡(luò)交流.本文提出的BCMP資源共享平臺(tái)(如圖 3所示)，將各個(gè)企業(yè)的車間設(shè)備整合到云環(huán)境中，提供所有生產(chǎn)信息和庫(kù)存信息的分布式安全共享分類賬、提供高可靠性的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與追溯功能.在身份方面，制造企業(yè)和需求用戶之間二者身份可以相互轉(zhuǎn)換，制造企業(yè)可以做為需求用戶進(jìn)行需求發(fā)布，同時(shí)需求用戶也可以根據(jù)自身的制造資源參與到制造企業(yè)用戶群中.該平臺(tái)的工作流程如下：a.制造商可以作為需求用戶發(fā)布生產(chǎn)需求，不同的是此時(shí)將需求整合為需求序列表，發(fā)布到共享平臺(tái)中.b.共享平臺(tái)中各個(gè)制造企業(yè)(Manufacture，M)作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)參與“挖礦”(根據(jù)自身制造能力爭(zhēng)取制造權(quán))，根據(jù)各個(gè)企業(yè)的制造能力來(lái)綜合判斷是否有資格進(jìn)行加工制造.經(jīng)過(guò)需求匹配，依據(jù)需求序列表，依次按照滿足需求表的節(jié)點(diǎn)ID(包括匹配數(shù)據(jù)、能力數(shù)據(jù)、酬金數(shù)據(jù)等)依次添加到表尾，生成需求匹配表返回給需求用戶.c.需求用戶根據(jù)需求匹配表制定出適合自己的制造方案，選擇制造商根據(jù)需求序列進(jìn)行順序制造，從而將參與制造的企業(yè)M形成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，并將方案發(fā)送給所有參與制造的企業(yè)，制造企業(yè)間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)互訪.

然而各個(gè)制造企業(yè)的制造能力以及設(shè)備并不單一，單個(gè)企業(yè)的制造能力及設(shè)備可以滿足不同的需求，如圖 3中所示，制造企業(yè)M5可以滿足需求3，制造企業(yè)M3可以滿足需求1與需求2，根據(jù)需求序列表進(jìn)行多企業(yè)交叉匹配，形成管道擬合，可以更好的為需求用戶提供多項(xiàng)制造需求匹配表，從而需求用戶可以制訂出更好的制造方案.

在生產(chǎn)制造過(guò)程中，制造過(guò)程數(shù)據(jù)通過(guò)加密算法共享到各個(gè)參與節(jié)點(diǎn)中，參與節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)過(guò)程數(shù)據(jù)調(diào)整自己的加工參數(shù)，在加工完成后，依據(jù)數(shù)據(jù)的重要性進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并加密，做到關(guān)鍵數(shù)據(jù)多重備份，加工數(shù)據(jù)得來(lái)源頭有據(jù)可依.

2.2 BCMP平臺(tái)的特點(diǎn)

2.2.1 去中心化的管理模式

去中心化的管理模式是針對(duì)傳統(tǒng)的中心化的管理模式而提出的，它由一定規(guī)則將第三方中介的功能分散到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)節(jié)點(diǎn)各負(fù)責(zé)一項(xiàng)事務(wù)，當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)故障，其余節(jié)點(diǎn)繼續(xù)正常工作，互不干擾.同時(shí)各個(gè)參與制造的企業(yè)做為區(qū)塊鏈中的節(jié)點(diǎn)，既參與了制造，又參與了數(shù)據(jù)記錄，不僅記錄了自身的制造數(shù)據(jù)，同時(shí)也記錄了整個(gè)需求序列所對(duì)應(yīng)的制造企業(yè)的制造數(shù)據(jù)，可以更好的根據(jù)整個(gè)系統(tǒng)中的制造數(shù)據(jù)來(lái)改進(jìn)自身的加工方案[13].當(dāng)某個(gè)節(jié)點(diǎn)(制造企業(yè))出現(xiàn)故障，其余節(jié)點(diǎn)可以繼續(xù)進(jìn)行加工，不受故障影響，并且記錄故障數(shù)據(jù).

2.2.2 平臺(tái)數(shù)據(jù)安全性高

區(qū)塊鏈自身的加密算法，對(duì)其加工數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，使得只有參與需求序列的制造企業(yè)可以根據(jù)秘鑰來(lái)查看數(shù)據(jù)，未參與加工的企業(yè)無(wú)法獲取相關(guān)信息.

當(dāng)需求用戶選定最終的需求序列表，需求列表中的節(jié)點(diǎn)成為一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)(制造企業(yè))都參與到鏈?zhǔn)疥?duì)列中，無(wú)法使得第三方惡意用戶加入，從而對(duì)生產(chǎn)制造過(guò)程形成危害.

圖3 BCMP制造資源共享平臺(tái)

2.2.3 故障可追溯

區(qū)塊鏈本身就是一個(gè)賬本數(shù)據(jù)，選定的制造企業(yè)M之間互相知曉，可以互相溝通，且數(shù)據(jù)寫入依據(jù)時(shí)間順序?qū)懭?，并且制造企業(yè)所加工的數(shù)據(jù)根據(jù)數(shù)據(jù)重要性，會(huì)在各個(gè)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行保存，所以故障可以互相追溯.

2.2.4 管道結(jié)構(gòu)

具有制造能力的企業(yè)并非只有一個(gè)，但是根據(jù)需求序列進(jìn)行匹配，可能只有其中之一符合其要求，或者某些能力整合起來(lái)可以符合其要求.BCMP平臺(tái)將需求列表排成管道結(jié)構(gòu)，由生產(chǎn)企業(yè)將自身的制造力與之整合(如圖4)，整合后的平臺(tái)使制造企業(yè)可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行自身匹配、挖掘，從而更好，更快的對(duì)應(yīng)需求匹配，提升整個(gè)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)的效率.

圖4 管道

3 展望

BCMP平臺(tái)目前僅在概念上予以給出，將來(lái)要做的工作仍有很多，如：若需求用戶不是專業(yè)制造企業(yè)，那么發(fā)布的需求列表可能并不適用，需要有第三方的機(jī)構(gòu)幫助發(fā)布專業(yè)需求列表，如此，則現(xiàn)有的用戶類型需要進(jìn)一步增加；制造企業(yè)通過(guò)制造能力匹配來(lái)獲得加工制造權(quán)，但是不同企業(yè)的匹配機(jī)制不同，最后給出的需求匹配表可能會(huì)有多種不同參數(shù)結(jié)構(gòu)，造成需求匹配表無(wú)效，同時(shí)加工過(guò)程中不同企業(yè)給出的加工數(shù)據(jù)的參考體系也不同，會(huì)造成加工過(guò)程中數(shù)據(jù)互訪的無(wú)效，所以要構(gòu)建共識(shí)機(jī)制；生產(chǎn)加工過(guò)程中，涉及到的軟件、設(shè)備不同，加工的層次不同，需要構(gòu)建調(diào)度體系；為了保障數(shù)據(jù)訪問(wèn)的安全性，需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密解密，那么需要建立數(shù)據(jù)的加密機(jī)制[14].

4 總結(jié)

本文以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)為背景，依據(jù)區(qū)塊鏈的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的BCMP制造資源共享平臺(tái).該平臺(tái)具有區(qū)塊鏈的去中心化、高安全性、可追溯的特點(diǎn)，并具有其特定的管道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，從而將各個(gè)企業(yè)的制造能力、設(shè)備共享到互聯(lián)網(wǎng)中.當(dāng)某需求用戶發(fā)布需求時(shí)，該平臺(tái)的參與節(jié)點(diǎn)可以依據(jù)自身能力數(shù)據(jù)進(jìn)行“挖礦”，形成需求匹配表提供給需求用戶，幫助需求用戶智能形成制造方案.該平臺(tái)為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供了應(yīng)用共享平臺(tái)，為以后工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)研究發(fā)展提供了重要思路.