基于区块链技术的工业物联网BCMP制造资源共享平台探索

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(1.太原师范学院 计算机系，山西 晋中 030619；2. 太原科技大学，山西 太原 030024)

0 引言

近年来，工业物联网以其全面感知、智能处理、自组织与自维护的特点，在世界范围内引起了一场“以工业物联网为代表”的变革浪潮.在长期发展过程中，越来越多的物联网应用场景需要跨主体、跨平台、跨商家等多个实体或角色之间协作，此时，建立信任成本十分高昂.同时，物联网设备有多种针对不同的应用场景的标准和协议，容易形成信息孤岛，降低通信效率[1].于是，制造服务提供商之间越来越需要通过一个可靠的中介，来管理和协调各种制造资源.

随着区块链技术的成熟，越来越多的人开始尝试通过区块链为制造资源共享提供一个可靠的平台，以实现机器之间的互信访问，并且将传统的、分散制造资源整合到一个共享平台上，并接入云中，对外进行资源发布[2].Zhi等人[3]提出了基于区块链和边缘计算的跨企业的框架，该框架由客户层、企业层、应用层、智能层、数据层和基础设施层组成，实现了制造生态系统中知识和服务的共享；Bahga等人[4]提出了BPIIOT架构，整合了传统设计设备到云环境中，实现了机器的自动维护，并且提供了了一个交易、资产和记录的分布式共享账本.Kshetri等人[5]将区块链纳入了物联网的解决方案，物联网设备通过智能合约进行自主交易，结合人工智能和大数据解决方案，解决了个人资产验证和资产身份部署的问题.Sikorski J等人[6]介绍和讨论了与工业4.0相关的区块链技术的研究和应用前景，呈现了两个电力生产商和一个电力消费者通过区块链相互交易的场景；Khan M A等人[7]聚焦了物联网的安全问题，概述了物联网的安全要求以及现有的攻击，威胁和最先进的解决方案，并通过区块链的方式解决了以上安全问题.

本文分析了工业物联网和区块链的特点，将区块链技术应用到工业物联网中，提出了BCMP制造资源共享平台.该平台基于Internet网络，将分在不同地域的制造商和需求用户集中到BCMP平台，既有工业物联网物物相连的特点，又兼具了区块链技术的去中心化、安全性高等优势[8].需求用户将自身需求在平台发布需求列表，制造商们依据需求列表整合自身的制造能力，通过适配需求列表来争取获得列表中某一项或几项环节的制造权，最终形成完整的生产线.生产的过程数据可依据区块链的技术特点进行加密和共享，在保障数据安全的同时也实现了企业之间的制造资源共享.整个过程无需第三方中介的介入，实现了去中心化的制造企业间融合制造，加速了工业物联网的发展.

1 BCMP平台概念及其特点

1.1 工业物联网

物联网(Internet of Things)的核心是互联网，但是用户由人转向了“物”，物与物之间可以进行信息交互.随着德国工业4.0、中国制造“2025”、美国先进制造的提出，物联网为智能制造的发展提供了基于Internet的开放标准以及解决方案[9].工业物联网支持双向通信，并与云结合，弥补了用户想从任意时间或地点想从工厂机器或设备上收集数据的鸿沟，实现了实时计算和交付高价值信息.目前工业物联网的应用主要在工业生产过程管理体系的优化，主要分为三点：1)通过物联网传感器技术，实现企业的原料采购、库存管理、销售，从而提高效率，降低成本.2)物联网技术可以实现对生产过程的实时监测，实时数据采集，使得生产过程工艺优化.3)物联网传感技术与制造技术融合，对产品以及设备的实时情况进行记录，并且可以远程诊断故障设备，对产品设备进行监控[10].

根据IDC报告预测，未来物联网将达到1 000亿的传感器设备与之相连[9].若一个中心化的服务器存储如此庞大的数据，那么数据的安全性、控制安全、服务器的存储需求、设备之间的信任度将成为巨大难题.工业物联网以其高度适用于制造业的特性，正在快速发展，但是如何快速建立起工业互联网的共享体系，对联网设备的高效管理，成为工业互联网发展迫在眉睫的问题.

1.2 区块链

2008年化名为“中本聪”的学者发表了《比特币:一种点对点电子现金系统》，首次提出了比特币的概念.比特币的成功引发了人们对其底层技术区块链的关注.区块链是一种去中心化的分布式数据库，以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享总账(Decentralized shared ledger)，能够安全存储简单的、有先后关系的、能在系统内验证的数据[11，12].区块链的底层网络是P2P对等网络结构，各个节点之间是对等关系，没有主从之分，节点之间可以进行点对点通信，其结构如图 1所示.

各个节点之间通过共识算法进行“挖矿”，根据时间顺序将各个节点依次添加到链路末尾，形成链路结构，其结构如图 2所示.每个节点存储一个或者多个区块，每个区块包含两个部分：区块头和区块体.区块头存储了上一区块的Hash地址，时间戳等信息，区块体存储的是数据信息Transactions.

图1 区块链底层网络

图2 区块链链路结构图

区块链数据的透明化，可追溯的特点帮助生产和制造更为有效，降低了企业运营成本.

区块链优势：

去中心化：由于区块链采用的是去中心化的点对点通信模式，将计算和存储需求分散到各个设备中，进行了去中心化的处理，设备之间可以通过区块链的合约规则进行数字签约，无需人员进行甄别真假，帮助设备进行自我维持，自我服务，实现了真正的智能化.

低成本高效率：区块链具有无法篡改、抵赖和造假特性，通过建立共享数据，从而以高信任度降低参与者的交易、沟通成本.其P2P对等网络特性，其数据由众多参与方共同维护，无需第三方中心机构进行监督管理，使得交易处理更高效.

低风险更安全：双方交易通过非对称加密算法进行保障，多方参与记账，保证了数据的准确性，建立多方信任关系，提高了数据交易过程的透明度，避免了参与者之间因为数据的不完整与不可靠导致参与者之间的信任危机.

2 BCMP制造资源共享平台

2.1 BCMP平台

BCMP(BlockChain Based Manufacture Platform)是一种基于区块链的工业物联网资源共享平台.目前我国的传统制造业所用物联网是采用传统的分层架构，把复杂问题逐一分层，每个层次解决一个问题，最后将其进行整合成为整体的系统，在系统整合的过程中不可避免的产生了信息孤岛问题.所以，通过将中心化服务器进行去中心化处理，缓解和解决由此带来的信息孤岛问题是不可逆转的需求趋势.《中国区块链技术和应用发展白皮书2016》中提到，区块链技术为去中心化的物联网自我治理提供了方式方法，可以帮助实现物联网设备之间互相了解沟通，实现了分布式物联网的去中心化控制.区块链本身是P2P网络平台，帮助整合传统车间设备到云环境中，实现了车间设备的自动维修、诊断、沟通、信息共享，促进了服务和各类制造资源的共享.

从前用户想要制造某个设备，会在相关信息平台发布所需制造产品的详细参数信息，且一般生产需求用户和制造企业的身份不可互相转换.随着区块链技术的使用，工业物联网平台可以搭建在一个分散的、可靠的、对等的网络平台上，无需中介实现可靠的网络交流.本文提出的BCMP资源共享平台(如图 3所示)，将各个企业的车间设备整合到云环境中，提供所有生产信息和库存信息的分布式安全共享分类账、提供高可靠性的数据存储与追溯功能.在身份方面，制造企业和需求用户之间二者身份可以相互转换，制造企业可以做为需求用户进行需求发布，同时需求用户也可以根据自身的制造资源参与到制造企业用户群中.该平台的工作流程如下：a.制造商可以作为需求用户发布生产需求，不同的是此时将需求整合为需求序列表，发布到共享平台中.b.共享平台中各个制造企业(Manufacture，M)作为网络节点参与“挖矿”(根据自身制造能力争取制造权)，根据各个企业的制造能力来综合判断是否有资格进行加工制造.经过需求匹配，依据需求序列表，依次按照满足需求表的节点ID(包括匹配数据、能力数据、酬金数据等)依次添加到表尾，生成需求匹配表返回给需求用户.c.需求用户根据需求匹配表制定出适合自己的制造方案，选择制造商根据需求序列进行顺序制造，从而将参与制造的企业M形成一个链式结构，并将方案发送给所有参与制造的企业，制造企业间可以进行数据互访.

然而各个制造企业的制造能力以及设备并不单一，单个企业的制造能力及设备可以满足不同的需求，如图 3中所示，制造企业M5可以满足需求3，制造企业M3可以满足需求1与需求2，根据需求序列表进行多企业交叉匹配，形成管道拟合，可以更好的为需求用户提供多项制造需求匹配表，从而需求用户可以制订出更好的制造方案.

在生产制造过程中，制造过程数据通过加密算法共享到各个参与节点中，参与节点可以根据过程数据调整自己的加工参数，在加工完成后，依据数据的重要性进行数据存储并加密，做到关键数据多重备份，加工数据得来源头有据可依.

2.2 BCMP平台的特点

2.2.1 去中心化的管理模式

去中心化的管理模式是针对传统的中心化的管理模式而提出的，它由一定规则将第三方中介的功能分散到各个节点上，每个节点各负责一项事务，当一个节点出现故障，其余节点继续正常工作，互不干扰.同时各个参与制造的企业做为区块链中的节点，既参与了制造，又参与了数据记录，不仅记录了自身的制造数据，同时也记录了整个需求序列所对应的制造企业的制造数据，可以更好的根据整个系统中的制造数据来改进自身的加工方案[13].当某个节点(制造企业)出现故障，其余节点可以继续进行加工，不受故障影响，并且记录故障数据.

2.2.2 平台数据安全性高

区块链自身的加密算法，对其加工数据进行加密，使得只有参与需求序列的制造企业可以根据秘钥来查看数据，未参与加工的企业无法获取相关信息.

当需求用户选定最终的需求序列表，需求列表中的节点成为一个链式结构，每个节点(制造企业)都参与到链式队列中，无法使得第三方恶意用户加入，从而对生产制造过程形成危害.

图3 BCMP制造资源共享平台

2.2.3 故障可追溯

区块链本身就是一个账本数据，选定的制造企业M之间互相知晓，可以互相沟通，且数据写入依据时间顺序写入，并且制造企业所加工的数据根据数据重要性，会在各个节点中进行保存，所以故障可以互相追溯.

2.2.4 管道结构

具有制造能力的企业并非只有一个，但是根据需求序列进行匹配，可能只有其中之一符合其要求，或者某些能力整合起来可以符合其要求.BCMP平台将需求列表排成管道结构，由生产企业将自身的制造力与之整合(如图4)，整合后的平台使制造企业可以根据实际需求进行自身匹配、挖掘，从而更好，更快的对应需求匹配，提升整个工业物联网平台的效率.

图4 管道

3 展望

BCMP平台目前仅在概念上予以给出，将来要做的工作仍有很多，如：若需求用户不是专业制造企业，那么发布的需求列表可能并不适用，需要有第三方的机构帮助发布专业需求列表，如此，则现有的用户类型需要进一步增加；制造企业通过制造能力匹配来获得加工制造权，但是不同企业的匹配机制不同，最后给出的需求匹配表可能会有多种不同参数结构，造成需求匹配表无效，同时加工过程中不同企业给出的加工数据的参考体系也不同，会造成加工过程中数据互访的无效，所以要构建共识机制；生产加工过程中，涉及到的软件、设备不同，加工的层次不同，需要构建调度体系；为了保障数据访问的安全性，需要对数据进行加密解密，那么需要建立数据的加密机制[14].

4 总结

本文以工业物联网为背景，依据区块链的原理，设计了一个新的BCMP制造资源共享平台.该平台具有区块链的去中心化、高安全性、可追溯的特点，并具有其特定的管道结构特点，从而将各个企业的制造能力、设备共享到互联网中.当某需求用户发布需求时，该平台的参与节点可以依据自身能力数据进行“挖矿”，形成需求匹配表提供给需求用户，帮助需求用户智能形成制造方案.该平台为工业物联网提供了应用共享平台，为以后工业物联网研究发展提供了重要思路.