基于區塊鏈技術的工業物聯網BCMP制造資源共享平臺探索

， ，

(1.太原師范學院 計算機系，山西 晉中 030619；2. 太原科技大學，山西 太原 030024)

0 引言

近年來，工業物聯網以其全面感知、智能處理、自組織與自維護的特點，在世界范圍內引起了一場“以工業物聯網為代表”的變革浪潮.在長期發展過程中，越來越多的物聯網應用場景需要跨主體、跨平臺、跨商家等多個實體或角色之間協作，此時，建立信任成本十分高昂.同時，物聯網設備有多種針對不同的應用場景的標準和協議，容易形成信息孤島，降低通信效率[1].于是，制造服務提供商之間越來越需要通過一個可靠的中介，來管理和協調各種制造資源.

隨著區塊鏈技術的成熟，越來越多的人開始嘗試通過區塊鏈為制造資源共享提供一個可靠的平臺，以實現機器之間的互信訪問，并且將傳統的、分散制造資源整合到一個共享平臺上，并接入云中，對外進行資源發布[2].Zhi等人[3]提出了基于區塊鏈和邊緣計算的跨企業的框架，該框架由客戶層、企業層、應用層、智能層、數據層和基礎設施層組成，實現了制造生態系統中知識和服務的共享；Bahga等人[4]提出了BPIIOT架構，整合了傳統設計設備到云環境中，實現了機器的自動維護，并且提供了了一個交易、資產和記錄的分布式共享賬本.Kshetri等人[5]將區塊鏈納入了物聯網的解決方案，物聯網設備通過智能合約進行自主交易，結合人工智能和大數據解決方案，解決了個人資產驗證和資產身份部署的問題.Sikorski J等人[6]介紹和討論了與工業4.0相關的區塊鏈技術的研究和應用前景，呈現了兩個電力生產商和一個電力消費者通過區塊鏈相互交易的場景；Khan M A等人[7]聚焦了物聯網的安全問題，概述了物聯網的安全要求以及現有的攻擊，威脅和最先進的解決方案，并通過區塊鏈的方式解決了以上安全問題.

本文分析了工業物聯網和區塊鏈的特點，將區塊鏈技術應用到工業物聯網中，提出了BCMP制造資源共享平臺.該平臺基于Internet網絡，將分在不同地域的制造商和需求用戶集中到BCMP平臺，既有工業物聯網物物相連的特點，又兼具了區塊鏈技術的去中心化、安全性高等優勢[8].需求用戶將自身需求在平臺發布需求列表，制造商們依據需求列表整合自身的制造能力，通過適配需求列表來爭取獲得列表中某一項或幾項環節的制造權，最終形成完整的生產線.生產的過程數據可依據區塊鏈的技術特點進行加密和共享，在保障數據安全的同時也實現了企業之間的制造資源共享.整個過程無需第三方中介的介入，實現了去中心化的制造企業間融合制造，加速了工業物聯網的發展.

1 BCMP平臺概念及其特點

1.1 工業物聯網

物聯網(Internet of Things)的核心是互聯網，但是用戶由人轉向了“物”，物與物之間可以進行信息交互.隨著德國工業4.0、中國制造“2025”、美國先進制造的提出，物聯網為智能制造的發展提供了基于Internet的開放標準以及解決方案[9].工業物聯網支持雙向通信，并與云結合，彌補了用戶想從任意時間或地點想從工廠機器或設備上收集數據的鴻溝，實現了實時計算和交付高價值信息.目前工業物聯網的應用主要在工業生產過程管理體系的優化，主要分為三點：1)通過物聯網傳感器技術，實現企業的原料采購、庫存管理、銷售，從而提高效率，降低成本.2)物聯網技術可以實現對生產過程的實時監測，實時數據采集，使得生產過程工藝優化.3)物聯網傳感技術與制造技術融合，對產品以及設備的實時情況進行記錄，并且可以遠程診斷故障設備，對產品設備進行監控[10].

根據IDC報告預測，未來物聯網將達到1 000億的傳感器設備與之相連[9].若一個中心化的服務器存儲如此龐大的數據，那么數據的安全性、控制安全、服務器的存儲需求、設備之間的信任度將成為巨大難題.工業物聯網以其高度適用于制造業的特性，正在快速發展，但是如何快速建立起工業互聯網的共享體系，對聯網設備的高效管理，成為工業互聯網發展迫在眉睫的問題.

1.2 區塊鏈

2008年化名為“中本聰”的學者發表了《比特幣:一種點對點電子現金系統》，首次提出了比特幣的概念.比特幣的成功引發了人們對其底層技術區塊鏈的關注.區塊鏈是一種去中心化的分布式數據庫，以密碼學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)，能夠安全存儲簡單的、有先后關系的、能在系統內驗證的數據[11，12].區塊鏈的底層網絡是P2P對等網絡結構，各個節點之間是對等關系，沒有主從之分，節點之間可以進行點對點通信，其結構如圖 1所示.

各個節點之間通過共識算法進行“挖礦”，根據時間順序將各個節點依次添加到鏈路末尾，形成鏈路結構，其結構如圖 2所示.每個節點存儲一個或者多個區塊，每個區塊包含兩個部分：區塊頭和區塊體.區塊頭存儲了上一區塊的Hash地址，時間戳等信息，區塊體存儲的是數據信息Transactions.

圖1 區塊鏈底層網絡

圖2 區塊鏈鏈路結構圖

區塊鏈數據的透明化，可追溯的特點幫助生產和制造更為有效，降低了企業運營成本.

區塊鏈優勢：

去中心化：由于區塊鏈采用的是去中心化的點對點通信模式，將計算和存儲需求分散到各個設備中，進行了去中心化的處理，設備之間可以通過區塊鏈的合約規則進行數字簽約，無需人員進行甄別真假，幫助設備進行自我維持，自我服務，實現了真正的智能化.

低成本高效率：區塊鏈具有無法篡改、抵賴和造假特性，通過建立共享數據，從而以高信任度降低參與者的交易、溝通成本.其P2P對等網絡特性，其數據由眾多參與方共同維護，無需第三方中心機構進行監督管理，使得交易處理更高效.

低風險更安全：雙方交易通過非對稱加密算法進行保障，多方參與記賬，保證了數據的準確性，建立多方信任關系，提高了數據交易過程的透明度，避免了參與者之間因為數據的不完整與不可靠導致參與者之間的信任危機.

2 BCMP制造資源共享平臺

2.1 BCMP平臺

BCMP(BlockChain Based Manufacture Platform)是一種基于區塊鏈的工業物聯網資源共享平臺.目前我國的傳統制造業所用物聯網是采用傳統的分層架構，把復雜問題逐一分層，每個層次解決一個問題，最后將其進行整合成為整體的系統，在系統整合的過程中不可避免的產生了信息孤島問題.所以，通過將中心化服務器進行去中心化處理，緩解和解決由此帶來的信息孤島問題是不可逆轉的需求趨勢.《中國區塊鏈技術和應用發展白皮書2016》中提到，區塊鏈技術為去中心化的物聯網自我治理提供了方式方法，可以幫助實現物聯網設備之間互相了解溝通，實現了分布式物聯網的去中心化控制.區塊鏈本身是P2P網絡平臺，幫助整合傳統車間設備到云環境中，實現了車間設備的自動維修、診斷、溝通、信息共享，促進了服務和各類制造資源的共享.

從前用戶想要制造某個設備，會在相關信息平臺發布所需制造產品的詳細參數信息，且一般生產需求用戶和制造企業的身份不可互相轉換.隨著區塊鏈技術的使用，工業物聯網平臺可以搭建在一個分散的、可靠的、對等的網絡平臺上，無需中介實現可靠的網絡交流.本文提出的BCMP資源共享平臺(如圖 3所示)，將各個企業的車間設備整合到云環境中，提供所有生產信息和庫存信息的分布式安全共享分類賬、提供高可靠性的數據存儲與追溯功能.在身份方面，制造企業和需求用戶之間二者身份可以相互轉換，制造企業可以做為需求用戶進行需求發布，同時需求用戶也可以根據自身的制造資源參與到制造企業用戶群中.該平臺的工作流程如下：a.制造商可以作為需求用戶發布生產需求，不同的是此時將需求整合為需求序列表，發布到共享平臺中.b.共享平臺中各個制造企業(Manufacture，M)作為網絡節點參與“挖礦”(根據自身制造能力爭取制造權)，根據各個企業的制造能力來綜合判斷是否有資格進行加工制造.經過需求匹配，依據需求序列表，依次按照滿足需求表的節點ID(包括匹配數據、能力數據、酬金數據等)依次添加到表尾，生成需求匹配表返回給需求用戶.c.需求用戶根據需求匹配表制定出適合自己的制造方案，選擇制造商根據需求序列進行順序制造，從而將參與制造的企業M形成一個鏈式結構，并將方案發送給所有參與制造的企業，制造企業間可以進行數據互訪.

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

在生產制造過程中，制造過程數據通過加密算法共享到各個參與節點中，參與節點可以根據過程數據調整自己的加工參數，在加工完成后，依據數據的重要性進行數據存儲并加密，做到關鍵數據多重備份，加工數據得來源頭有據可依.

2.2 BCMP平臺的特點

2.2.1 去中心化的管理模式

去中心化的管理模式是針對傳統的中心化的管理模式而提出的，它由一定規則將第三方中介的功能分散到各個節點上，每個節點各負責一項事務，當一個節點出現故障，其余節點繼續正常工作，互不干擾.同時各個參與制造的企業做為區塊鏈中的節點，既參與了制造，又參與了數據記錄，不僅記錄了自身的制造數據，同時也記錄了整個需求序列所對應的制造企業的制造數據，可以更好的根據整個系統中的制造數據來改進自身的加工方案[13].當某個節點(制造企業)出現故障，其余節點可以繼續進行加工，不受故障影響，并且記錄故障數據.

2.2.2 平臺數據安全性高

區塊鏈自身的加密算法，對其加工數據進行加密，使得只有參與需求序列的制造企業可以根據秘鑰來查看數據，未參與加工的企業無法獲取相關信息.

當需求用戶選定最終的需求序列表，需求列表中的節點成為一個鏈式結構，每個節點(制造企業)都參與到鏈式隊列中，無法使得第三方惡意用戶加入，從而對生產制造過程形成危害.

圖3 BCMP制造資源共享平臺

2.2.3 故障可追溯

區塊鏈本身就是一個賬本數據，選定的制造企業M之間互相知曉，可以互相溝通，且數據寫入依據時間順序寫入，并且制造企業所加工的數據根據數據重要性，會在各個節點中進行保存，所以故障可以互相追溯.

2.2.4 管道結構

具有制造能力的企業并非只有一個，但是根據需求序列進行匹配，可能只有其中之一符合其要求，或者某些能力整合起來可以符合其要求.BCMP平臺將需求列表排成管道結構，由生產企業將自身的制造力與之整合(如圖4)，整合后的平臺使制造企業可以根據實際需求進行自身匹配、挖掘，從而更好，更快的對應需求匹配，提升整個工業物聯網平臺的效率.

圖4 管道

3 展望

BCMP平臺目前僅在概念上予以給出，將來要做的工作仍有很多，如：若需求用戶不是專業制造企業，那么發布的需求列表可能并不適用，需要有第三方的機構幫助發布專業需求列表，如此，則現有的用戶類型需要進一步增加；制造企業通過制造能力匹配來獲得加工制造權，但是不同企業的匹配機制不同，最后給出的需求匹配表可能會有多種不同參數結構，造成需求匹配表無效，同時加工過程中不同企業給出的加工數據的參考體系也不同，會造成加工過程中數據互訪的無效，所以要構建共識機制；生產加工過程中，涉及到的軟件、設備不同，加工的層次不同，需要構建調度體系；為了保障數據訪問的安全性，需要對數據進行加密解密，那么需要建立數據的加密機制[14].

4 總結

本文以工業物聯網為背景，依據區塊鏈的原理，設計了一個新的BCMP制造資源共享平臺.該平臺具有區塊鏈的去中心化、高安全性、可追溯的特點，并具有其特定的管道結構特點，從而將各個企業的制造能力、設備共享到互聯網中.當某需求用戶發布需求時，該平臺的參與節點可以依據自身能力數據進行“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.該平臺為工業物聯網提供了應用共享平臺，為以后工業物聯網研究發展提供了重要思路.