區(qū)塊鏈在智能工廠中的應(yīng)用

黃忠義

摘? ?要：區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用正引起一場新的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)變革。智能工廠目前存在著設(shè)備管理維護(hù)不當(dāng)和信息孤島等諸多痛點(diǎn)。文章討論了區(qū)塊鏈技術(shù)在智能工廠領(lǐng)域的應(yīng)用，利用區(qū)塊鏈分布式、防篡改、可追溯等優(yōu)勢，設(shè)計(jì)了基于區(qū)塊鏈的設(shè)備管理及工廠生態(tài)圈解決方案，有助于改善企業(yè)設(shè)備管理質(zhì)量，整合工廠內(nèi)部數(shù)據(jù)資源，提高企業(yè)審計(jì)和管理效率。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;智能工廠;設(shè)備管理;工廠生態(tài)圈

中圖分類號：TP309? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：C

Abstract： The application of? Blockchain technology is causing a new technological and industrial revolution. This paper discusses the application of block chain technology in intelligent factory because of so many pain points such as improper equipment management and maintenance and information island during the construction of smart factories currently. A solution about equipment management and factory ecosystem based on Blockchain is proposed， taking the natural advantage of? Blockchain， including distributed network， tamper-proof and traceability， that contributing to enhancing the quality of equipment management， integrating the internal data resources， improving the audit and management efficiency.

Key words： blockchain; smart factory; equipment management; factory ecosystem

1 引言

區(qū)塊鏈和分布式賬本技術(shù)是目前全球十大戰(zhàn)略技術(shù)趨勢之一，在國內(nèi)外金融界、科技界受到高度關(guān)注。在國外，諸如R3、Hyperledger等各類機(jī)構(gòu)紛紛成立，同時(shí)國內(nèi)的各大科技巨頭也爭先搶占區(qū)塊鏈領(lǐng)域，金聯(lián)盟、ChinaLedger、中國區(qū)塊鏈生態(tài)聯(lián)盟也已快速發(fā)展。

區(qū)塊鏈不是一項(xiàng)新技術(shù)，而是技術(shù)的創(chuàng)新組合。狹義來講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證不可篡改和不可偽造的分布式賬本（分布式數(shù)據(jù)庫）。廣義來講，區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲數(shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點(diǎn)共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)，利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全，利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。

智能工廠是在數(shù)字化工廠的基礎(chǔ)上，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)加強(qiáng)信息管理和服務(wù)，提高生產(chǎn)過程可控性、減少生產(chǎn)線人工干預(yù)以及合理計(jì)劃排程。同時(shí)，集智能手段和智能系統(tǒng)等新興技術(shù)于一體，構(gòu)建高效、節(jié)能、綠色、環(huán)保、舒適的人性化工廠，其本質(zhì)是人機(jī)有效交互。智能工廠作為工業(yè)智能化發(fā)展的重要實(shí)踐模式，已經(jīng)引發(fā)行業(yè)的廣泛關(guān)注。

本文重點(diǎn)討論了如何借助區(qū)塊鏈分布式賬本優(yōu)勢，打造以工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，以生產(chǎn)管控為核心，以數(shù)據(jù)應(yīng)用支撐管理為方向，加強(qiáng)生產(chǎn)管控業(yè)務(wù)的智能化、數(shù)字化、精益化的智能工廠，全方位地精益生產(chǎn)，構(gòu)建智能體系。

2 智能工廠建設(shè)痛點(diǎn)

智能工廠（Smart Factory）作為智能制造的重要應(yīng)用領(lǐng)域，近年來在工業(yè)4.0、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、人工智能以及大數(shù)據(jù)計(jì)算的熱潮下突飛猛進(jìn)。但在發(fā)展的過程中不可避免地出現(xiàn)了“大躍進(jìn)”現(xiàn)象，究其原因，主要是智能工廠涵蓋領(lǐng)域較多，系統(tǒng)繁瑣復(fù)雜，企業(yè)缺乏深刻的理解，導(dǎo)致各類系統(tǒng)匆匆上線。本節(jié)概括了目前智能工廠建設(shè)存在的兩點(diǎn)尖銳問題。

（1）忽略生產(chǎn)設(shè)備管理。生產(chǎn)設(shè)備沒有得到充分利用，設(shè)備的健康狀態(tài)未進(jìn)行有效管理，常常由于設(shè)備故障造成非計(jì)劃性停機(jī)，影響生產(chǎn)。企業(yè)缺少對生產(chǎn)設(shè)備故障預(yù)警機(jī)制，對設(shè)備的管理仍停留在實(shí)時(shí)的狀態(tài)數(shù)據(jù)監(jiān)測階段。一直以來，企業(yè)對生產(chǎn)設(shè)備的維護(hù)都是“閉門造車”，尤其是對復(fù)雜設(shè)備的維護(hù)沒有結(jié)合生產(chǎn)設(shè)備廠商以及專家各方意見，導(dǎo)致設(shè)備維護(hù)不當(dāng)，壽命過短。

（2）信息孤島問題。智能工廠建設(shè)涉及到智能裝備、自動(dòng)化控制、傳感器、工業(yè)軟件，如數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)（RTDB）、生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）、產(chǎn)品生命周期管理軟件（PLM）、企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）、先進(jìn)生產(chǎn)排程（APS）、能源管理、質(zhì)量管理等領(lǐng)域的供應(yīng)商，集成難度很大。很多企業(yè)不僅存在諸多信息孤島，也存在很多自動(dòng)化孤島，自動(dòng)化生產(chǎn)線沒有進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，生產(chǎn)線之間還需要中轉(zhuǎn)庫轉(zhuǎn)運(yùn)。各個(gè)系統(tǒng)間數(shù)據(jù)閉塞，企業(yè)只能通過傳統(tǒng)的手段進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，增加質(zhì)量隱患和無價(jià)值活動(dòng)的浪費(fèi)，導(dǎo)致生產(chǎn)效率低下，沒有形成真正的自動(dòng)化、智能化監(jiān)管。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能工廠解決方案

區(qū)塊鏈技術(shù)的核心價(jià)值在于其分布式的對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（P2P）、不可篡改的數(shù)據(jù)信息以及基于密碼學(xué)的身份證書。區(qū)塊鏈在解決數(shù)據(jù)孤島、建立多方信任方面具有天然優(yōu)勢，且區(qū)塊鏈也可視為歷史數(shù)據(jù)庫，可以結(jié)合大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行深度的智能算法訓(xùn)練，為設(shè)備管理、智能排產(chǎn)、倉儲管理等系統(tǒng)服務(wù)。

3.1 基于區(qū)塊技術(shù)的生產(chǎn)設(shè)備管理解決方案

基于區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行企業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的管理可以有效的監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備核心參數(shù)并將數(shù)據(jù)共享到企業(yè)相關(guān)部門、設(shè)備生產(chǎn)商、政府監(jiān)管部門等機(jī)構(gòu)進(jìn)行信息匯總和綜合評價(jià)。同時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)其本質(zhì)是分布式數(shù)據(jù)庫，利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以存儲重要生產(chǎn)設(shè)備的重要參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)，可以對設(shè)備進(jìn)行故障診斷甚至是故障預(yù)警，提供設(shè)備的使用壽命。解決方案的具體架構(gòu)如圖1所示。

傳統(tǒng)的工業(yè)信息化系統(tǒng)自下而上分為數(shù)據(jù)層、控制層、業(yè)務(wù)層以及應(yīng)用呈現(xiàn)層四部分，這是所指的基于區(qū)塊鏈技術(shù)生產(chǎn)設(shè)備管理系統(tǒng)應(yīng)該位于控制層中數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）與生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）之間。設(shè)備管理系統(tǒng)通過與外部各個(gè)節(jié)點(diǎn)共享分布式數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的綜合管理和智能管理。需要主要的是，現(xiàn)場的工業(yè)生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該與實(shí)際辦公網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離設(shè)置，如必要進(jìn)行通信，可以允許開放相應(yīng)端口進(jìn)行限制性通信，設(shè)備管理系統(tǒng)的具體流程如圖2所示。

在整個(gè)管理系統(tǒng)中配置了生產(chǎn)車間、生產(chǎn)調(diào)度辦公室、企業(yè)生產(chǎn)管理辦公室、設(shè)備廠商及政府監(jiān)察機(jī)構(gòu)五個(gè)節(jié)點(diǎn)。生產(chǎn)車間員工利用DAPP錄入不同時(shí)段的生產(chǎn)設(shè)備重要參數(shù)，生產(chǎn)車間節(jié)點(diǎn)將廣播錄入請求并在全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)一次共識才能將參數(shù)數(shù)據(jù)記錄到分布式數(shù)據(jù)庫中，其他各節(jié)點(diǎn)收到數(shù)據(jù)錄入通知后，可以查看該時(shí)段生產(chǎn)設(shè)備的運(yùn)行狀況以及歷史運(yùn)行狀況。

在這個(gè)過程中數(shù)據(jù)充分發(fā)揮了自身價(jià)值，對于生產(chǎn)調(diào)度來說，可以監(jiān)控不同時(shí)段的生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)，分發(fā)不同的指令給下屬車間，不用依靠傳統(tǒng)的電話查詢，提高了工作效率。同時(shí)，有經(jīng)驗(yàn)的生產(chǎn)調(diào)度，可以充分利用設(shè)備歷史狀態(tài)，結(jié)合當(dāng)前狀態(tài)對設(shè)備進(jìn)行綜合評估，做出更加合理、準(zhǔn)確的判斷。對于企業(yè)生產(chǎn)管理方，同樣需要關(guān)注設(shè)備運(yùn)行狀況，以便統(tǒng)籌企業(yè)生產(chǎn)規(guī)劃。

政府對于制藥、石化煉化、化工等大型企業(yè)的工藝流程及環(huán)境監(jiān)管，同樣可以通過監(jiān)控生產(chǎn)設(shè)備的重要參數(shù)實(shí)現(xiàn)。目前，普遍的監(jiān)控方法是政府通過專門的系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和指標(biāo)檢測，明顯地增加了成本開銷。區(qū)塊鏈技術(shù)采用分布式網(wǎng)絡(luò)（P2P）架構(gòu)，只需在政府監(jiān)管部門設(shè)立節(jié)點(diǎn)，即可共享企業(yè)設(shè)備參數(shù)，監(jiān)控企業(yè)生產(chǎn)，進(jìn)行有效評估。設(shè)備廠商可以通過該系統(tǒng)配合企業(yè)共同維護(hù)設(shè)備，通過歷史數(shù)據(jù)的反饋可以進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)備，廠商可以給出更加專業(yè)的維護(hù)意見，延遲設(shè)備使用壽命。同時(shí)，共享設(shè)備參數(shù)可以作為生產(chǎn)廠商的一種設(shè)備測試數(shù)據(jù)以及銷售佐證。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的設(shè)備管理系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的故障診斷。在故障診斷領(lǐng)域，缺少訓(xùn)練數(shù)據(jù)是最為突出的問題，區(qū)塊鏈技術(shù)完美地解決了這一難題。區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)庫是一個(gè)天然的歷史數(shù)據(jù)庫，可以利用這些歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練故障診斷算法，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的故障診斷與預(yù)警。

3.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工廠生態(tài)圈解決方案

工廠生態(tài)圈指的是工廠內(nèi)部各系統(tǒng)之間的協(xié)同與互聯(lián)，有效地解決了信息孤島問題，充分利用數(shù)據(jù)，并提高了數(shù)據(jù)交互效率和各個(gè)部門協(xié)同辦公的效率。區(qū)塊鏈技術(shù)可以將生產(chǎn)控制、生產(chǎn)計(jì)劃、企業(yè)管理、能源管理等各個(gè)系統(tǒng)信息融合，利用區(qū)塊鏈的溯源和不可篡改特點(diǎn)，保證企業(yè)內(nèi)部各部門的協(xié)同辦公有跡可循，結(jié)合數(shù)字簽名和智能合約的優(yōu)勢，為企業(yè)內(nèi)部責(zé)任追究提供憑據(jù)，整體設(shè)計(jì)方案如圖3所示。

整個(gè)方案的目的是將原有企業(yè)內(nèi)部各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行一次數(shù)據(jù)融合，企業(yè)資源管理系統(tǒng)（ERP）可以將采購信息、成本核算信息等重要信息錄入?yún)^(qū)塊鏈，生產(chǎn)制造執(zhí)行系統(tǒng)（MES）可以將能源管理、計(jì)劃排產(chǎn)信息錄入?yún)^(qū)塊鏈。最后，數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)（SCADA）可以將重要設(shè)備數(shù)據(jù)以及工藝流程核心節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)錄入?yún)^(qū)塊鏈。企業(yè)可以利用這個(gè)共享分布數(shù)據(jù)庫進(jìn)行更為合理的排產(chǎn)及產(chǎn)能預(yù)估模型。綜合企業(yè)內(nèi)部各部門數(shù)據(jù)，還可以有效調(diào)整產(chǎn)品價(jià)格和銷售計(jì)劃，提高企業(yè)收益。此外，區(qū)塊系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)協(xié)同辦公的作用，依靠區(qū)塊鏈溯源和不可篡改的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)有理有據(jù)的追責(zé)，提高工作生產(chǎn)效率。本文以采購流程為例，具體流程如圖4所示。

生產(chǎn)主管收集各生產(chǎn)車間的物料采購信息形成采購清單，在簽名后進(jìn)行全網(wǎng)廣播，獲得共識后允許寫入?yún)^(qū)塊鏈，整個(gè)采購流程依次需要生產(chǎn)主管、采購部門主管、財(cái)務(wù)主管、總經(jīng)理以及董事長簽名上鏈。最后，董事長在簽名進(jìn)行廣播后，采購部門主管確認(rèn)采購訂單進(jìn)行物料采購。區(qū)塊鏈技術(shù)對于整個(gè)采購流程提供完整的簽名信息，為整個(gè)流程提供了溯源追責(zé)的憑據(jù)，同時(shí)也提高企業(yè)審計(jì)管理效率。

4 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)是繼互聯(lián)網(wǎng)、無線通信、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算之后計(jì)算技術(shù)的又一次顛覆性創(chuàng)新，目前區(qū)塊鏈技術(shù)處在萌芽階段。隨著區(qū)塊鏈技術(shù)體系不斷完善，國內(nèi)資本對區(qū)塊鏈行業(yè)投融資力度逐步加大，區(qū)塊鏈企業(yè)商業(yè)模式和場景逐步清晰，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用落地速度加快，區(qū)塊鏈?zhǔn)袌鰧⑦M(jìn)入快速增長階段，產(chǎn)業(yè)規(guī)模將引來爆發(fā)式增長。區(qū)塊鏈技術(shù)因金融而生，但本文正在探索區(qū)塊鏈系統(tǒng)優(yōu)化甚至代替?zhèn)鹘y(tǒng)工業(yè)信息化、智能化建設(shè)的可能，利用了區(qū)塊鏈分布式數(shù)據(jù)庫、加密方法防篡改、可追溯等特點(diǎn)，將區(qū)塊鏈與工業(yè)智能工廠相結(jié)合并給出方案，有助于改善傳統(tǒng)智能工廠建設(shè)。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉權(quán).區(qū)塊鏈與人工智能：構(gòu)建智能化數(shù)字經(jīng)濟(jì)世界[M].北京：人民郵電出版社，2019.

[2] 陳東敏.區(qū)塊鏈技術(shù)原理及底層架構(gòu)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2017.4.

[3] 中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院軟件工程與評估中心.超級賬本白皮書（1.0.1版）[EB/OL]. http：//www.360doc.com/content/16/0727/09/34350211_578683890.shtml.

[4] 王紹剛，劉海法.基于區(qū)塊鏈的商城積分系統(tǒng)方法研究[J].網(wǎng)絡(luò)空間安全，2017，（8）10-11：51-55.

[5] 聞向陽，王巖，梁進(jìn)城，董香梅.“智能制造”探索研究[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2018，37（2）：139-142.

[6] 何小東，易積政，陳愛斌.區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展與發(fā)展趨勢[J].世界科技研究與發(fā)展，2018，40（6）：615-626.

[7] 張公明.流程行業(yè)的“智能化工廠”思考[J].化工設(shè)計(jì)，2019，29（2）：41-44.

[8] 徐元清，卓蔚.區(qū)塊鏈技術(shù)在煙草系統(tǒng)工控安全中的應(yīng)用[J].微型電腦應(yīng)用，2019，35（3）：113-116.