区块链视域下的汽车制造业供应链技术策略

祝梓惟，王少华，梁 箫

（西南交通大学机械工程学院，四川 成都 610031）

1 前言

目前汽车行业的主要供应链条的组成为：零部件制造供应商、物流服务商、各级服务商、4S店及各类销售商，以及最终的消费者。链条内各个角色成员间具有大量的协作和交流。但是整个汽车供应链运行过程中，各类信息的产生和交互都散落在各个环节自己的系统内。导致信息交互出现不透明。并且在汽车的销售过程中，零部件的采购、汽车的组装生产、物流运输、销售等环节的数据信息完全割裂。没有统一的规范和平台对如此庞大复杂的信息流进行整合分析。这样使得整个行业需要消费大量的财力人力来处理这些信息，不利于信息的储存。

区块链技术具备透明化、去中心化、溯源性强等特点，将区块链引入汽车供应链的管理系统内，建立统一的信息管理平台。在汽车制造行业内形成统一的联盟，将物流信息、信息流、资金流信息等储入区块链系统。从而实时跟踪信息变化，以实现协同化工作。这样不但能够减少数据的人工核实，也会节约很多不必要的投入。尽管区块链技术出现的时间不长，但已经被较为广泛的设想应用在各个行业各个领域中。如果在知网中按年份检索关键词“区块链”与“供应链”，得出的数据，如图1所示。可见，区块链与汽车制造供应链的结合，更是一个全新的命题。

图1 区块链相关文献调查Fig.1 Literature Review on Block Chain

2 传统汽车供应链侧的模式分析

2.1 汽车供应链的发展现状

汽车供应链是以制造汽车的企业为核心，具体的构成主要包括：上下游供应商、物流服务商、汽车制造企业、服务商以及诸多售后汽修服务等组成的一个整体网络。它包含了从源头到结尾—从原材料的采购、装配再到销售、消费者使用以及中间物流运转的一切相关的过程［1］。比如说原材料的购入采集、中途的仓货管理、以及相关订单的核实处理、销售环节，运输过程及其入库等等。汽车供应链条的当前情况是：汽车制造装配的主要零部件和各种原材料主要是由固定的各级供应商来提供，在转运的过程中其物流管理服务则是由不同的物流服务商负责。经销商则负责汽车的销售、备用零件、汽车保险、维护、金融贷款的服务。汽修厂提供相应的维修服务以及相应的维护。OEM厂商则专注于汽车的制造层面。汽车供应链的典型结构，如图2所示。

图2 汽车供应链的典型结构Fig.2 Typical Structure of the Automobile Supply Chain

2.2 汽车行业中无限射频识别技术的应用

无线射频识别，一般缩写为RFID。也就是一般所谓的电子标签。作为自动识别技术的一个重要环节，RFID 是基于射频原理基础上，实现的一种非接触式技术，它采用射频信号对需要甄别的目标进行自动识别和筛选，采集相应的技术数据。其不同于其他识别技术之处在于，该技术对于环境的适应性要求很低。与此同时由具有一定的高灵敏度。对于电子标签的识别感知较为敏锐和准确。该技术具有自动识别高速移动和静止两种不同状态目标的能力，自动、敏锐、且高效。与此同时还具有可以实现批量识别电子标签的能力［2］。因此RFID技术可以有效地解决发生频繁识别读取的问题。其对目标信息的采集便捷精确又迅速。

虽然相对于其他工业体系，汽车供应链相对从理论上较为更容易的组织，然而其信息的准确度和能见度方面仍不尽完美。虽然近年来，各类汽车制造商在汽车制造的供应链上以及投入了很多的预算，以使得整个链条更加的灵活透明。而RFID技术的特性使得它在物料和产品跟踪领域发挥着积极地用途。据不同市场研究报告，RFID技术的发展将很大程度上取决于汽车行业的应用于推动，是几个主要推动其发展的动力行业之一。RFID技术在汽车制造业和相关供应链上应用上主要包括车体识别、跟踪管理和相关零部件采购配备，特定资产的跟踪和管理、整车物流管理与跟踪等［3］。

2.2.1 整车生产中的车体跟踪识别

车体识别系统（AVI），主要是指汽车在汽车工厂各条流水线上生产时，采集数据进行实时的数据信息。传送给相应的监督、管控、生产部门。诸如供应链上的物料管理、质量监督、生产调控、及相应的各个部门等。以此来更好地实现整条链条上的材料供应、生产调控、质量监督、售后服务、以及产品的维护记录等等。在该技术采用前，一般采取的措施是在车体上粘贴储存相关信息的条形码。这种方法的优点有很多：配置灵活、系统成本低、车身信息储存在PLC或PMC的相关数据库中。但实际应用中是要求对于网络的速度和可靠性高。因此需要相关高性能的PLC和大容量的高性能PMC。

一般采用该技术以后，电子标签一般是安装于车体滑撬上。并且始终伴随着工件的转移而运行，这样就可以看成一个随着车体的加工的移动而移动的独特数据块。在生产过程中存在这样一个智能车体。这样企业就可以根据生产、工艺的不同需要，在不同的部分诸如：涂装车间的出入口处、重要的工艺生产过程中、工件物流的具体分叉处、设置读/写器。读/写站的功能实现，具体是由过程中的位置检测开关、电子标签读/写装置、通信接口模块和人机交互界面组成。整个基本实现过程为：在检测开关察觉到车体就位以后，相关的读写装置开始自动识别并读取安装在滑撬上的电子标签所蕴含的数据信息。并将数据信息传达到PLC，与此同时，把相关数据显示在人机交互界面上，在通过具体的PLC将这些数据上传，上传至负责监控的PMC上。进行下一步具体的运算过程。这样就实现了对整个车间生产链条上的物流跟踪与生产控制过程。

并且在车企工厂，具体的流水线上，企业也采用该技术。不需要链接所有的读写装置在主数据库上。这样主数据库一旦出现故障，也不会导致严重的事故。譬如大规模的停产。当经过具体工位以后，还可以对标签进行写入，更新、修正数据。这样就使得整个生产过程更加完善、所以RFID的技术的应用今后会在车辆车体识别系统中越来越多，越加广泛。

2.2.2 汽车生产中的零部件的跟踪管理

一辆汽车由数量众多的零部件组成。因此做好汽车零部件的跟踪管理成为了汽车生产中的重中之重。为了提高质量管理水平对于这一系统的完善也是不可或缺的，当前对于这一问题的方法主要是两种：（1）零部件的标签贴在零部件上面，将其称之为硬链接。例如，把RFID技术应用在汽车轮胎的跟踪上。这种方式一般应用于高价值、高安全的零部件上。这类零件还具有容易混淆的特点。所以采用该技术可以有效规避这种风险。（2）将跟踪标签贴在具体的载体上，譬如说包装与货架等载体上。如此可以减少费用。但应该在相应载体、集装箱中与数据库保持连接。这种方式称之为链接［4］。

具体对于零部件的管理追踪的思想与具体方式方法。同样可以应用于管理固定资产上。比如物流中的集装箱和运输载具，以及大量的原材料部件上。这样可以减少丢失和混淆等状况的发生。

2.2.3 整车物流管理

在RFID电子标签上写有相关车辆的智能标签。可以帮助实现车企的整车生产、仓储管理和销售方面的诸多问题。进而实现整车物流的信息化。其中（VIN）也就是车辆识别代号。相当于汽车在流通中一个固定的身份编码。这个代号在写入车体的电子标签后。可以帮助实现汽车电子数字牌照的相关管理。过程中相关方可以识别标签内的相关信息。来获取所需要的数据。提高了管理的准确性和工作效率。这样就可以很方便的解决汽车售后、产品追踪的相关一系列问题。

2.2.4 在汽车供应链全过程中的应用

RFID技术正在逐步突破他们在生产工厂内的诸多限制。比如：丰田汽车正在计划建立一个完整的汽车供应链跟踪系统。它第一步打算通过可回收利用的电子标签，再生产环节实现实时监控。第二步则使用可抛弃式的标签在中途转运中来跟踪监控产品的相关数据和信息。第三步则是在具体销售领域，丰田汽车已经计划将RFID标签永久植入汽车内，从而记录汽车是用生命中的相关数据。包括汽车参数和顾客信息等。另外RFID技术还可以在各种防伪标识上起到相应的作用。诸如汽车轮胎、发动机、悬架、安全气囊等要害零件上。这样可以记录它们的有效信息。用于防伪、保密方面，可以在需要的时候找到负责方。从而保证消费者的合法权益。另外还可以进一步将该技术应用在相关车辆的气瓶上。将该电子标签置于气瓶上收集并储存此类信息：出厂日期、具体使用时间、使用寿命、具体充气次数，以及相关的气压安全数据等。通过全方位的数据显示来监控。从而减少安全事故的发生。

2.3 总结

由于汽车的零部件数量大、汽车产业的供应链上的供应商数量也是多如牛毛，并且各个企业间的关系错综复杂，想要把如此多的企业之间的联系协调好，这对于供应链发展起步晚、体系尚有欠缺的我国汽车工业来说还很艰难。首先想要提升供应链的效率。就要进行相关协作预测和预期计划、和补货（CFPR）方式。这样供应链条上的每一个关键节点的信息都是十分重要的。这也就要求运用通信网络来进行综合管理。用现代信息技术进行对供应链中的庞大复杂的物流、仓储、信息与资金的监控与捕获。并且同时提供给供应链条上的每一个有需求的成员。进而实现产、供、销各方的协调［5］。但仅靠现有的供应链技术难以实现此种功能，不能满足汽车企业发展的需求。因此，为了使RFID技术能够得到更好的应用，并解决现有汽车制造供应链存在的诸多问题，将区块链技术应用在汽车供应链条上。

3 区块链与汽车制造供应链耦合分析

3.1 区块链的数据结构

区块链最早被人们所熟知，作为一个单独的概念受到大众关注，是作为比特币的一种相关技术。大众所熟知的比特币已经成为了当今最成功的区块链应用。虽则当今学术界尚未形成成熟且受公认的定义。但是区块链技术的发展正在不断地影响着如今的现实生活。狭义上的说，区块链技术是一种密码学上的概念，是一种具有不可篡改和伪造的共享总账数据。他的数据区块是通过时间顺序所进行组合的链式结构。从广义上分析，区块链则是利用加密的链式结构进行数据的验证和存储，利用分布式节点与共识算法实现数据的生成更新。同时自动化的智能代码编写并操作相关数据的一种去中心化的架构及分布式计算方式［6］。

简单的说，区块链就是移除了通用中心化和去信任的方式，需要全部的参与者一起进行维护，同时它具有及高可靠性的数据库。它具有可以避免局部被破解从而流失数据、产生错误数据的优势［7］。当然不同的系统具有不同的结构。一般的区块链结构设计，如图3所示。

图3 区块链的数据结构Fig.3 Data Structure of the Block Chain

区块链的数据结构有一个显著特点：它是一种独特的链式结构。这种链式结构使得每一独立的区块内存储有之前一个相关区块的信息数据。并且本区块内也存储有下一区块的相关信息数据。非对称的密钥系统以及智能合约则是安全性的保证。使得他无法通过恶意攻击来篡改数据。这样就实现了整个系统中数据的独立性和真实性。因此可以说，区块链并不仅仅是一种分布式的共享总账，他是可编程的基础架构与计算范式。正是它具有这种特点。使得它可以在分散资源、供需自适应分配、去中心化、自动交易执行作为主要特征的经济系统中具有很好的可适性［8］。这些特性将为解决现有的汽车制造供应链中存在的重点问题提供基础。

3.2 区块链的技术特点

区块链去中心化。是指的整个系统中不存在一个传统的控制中心。所以在这个系统中。它所有的网络节点的地位是相同。这也意味着它们所具备的权利和义务是相同的。在数据储存过程中。区块链网络中的参与数据存储的节点都会互相备份。这就是代表着即便是参与数据存储的某一个独立的节点出现问题，他储存的数据发生损毁或者丢失，但是因为每个节点独立，即便数据发生损毁或者丢失，整个系统仍然会正常运转。同时没有中心控制单元，数据也不会受到强制性控制。能够保证汽车制造供应链中数据信息的独立与可靠性，在信息的存储上具有相当大的优势。

区块链具有透明化。这是因为整个区块链技术的规则透明性。在系统中多个节点记录数据，这也就是说数据具有多个备份。同时数据的更新也必须由多个节点共同认证。其原因主要是因为区块链中所有的节点都是互相联系信任的。这样可以避免汽车制造供应链发生数据欺骗的现象。并且由于所有节点的存储都相同，汽车制造供应链中数据的交互也就不会出现错误。

区块链具有可追溯性。系统中所储存的信息被永远保存。并且相关的交易信息与交易者信息都会被一一记录。交易的传递路线和传递方向都被记录下来。并且这些信息记录都无法被恶意篡改、损毁。这样不仅能保证了汽车制造供应链数据信息的准确，同时也方便对每笔交易的数据进行追踪回溯。

区块链技术有能够自动执行合约的优势。是指系统中存在带软件代码的智能合约，对相关每一方所要履行的义务，以及合约中指定的具体规则有明确的判断方式和相关规定［9］。这样就可以在具体判断中清晰的选择所要执行的合约。如果满足相关的条件那么则自动判定可以执行。这时相关的条款才会被执行。这个特点能够有效地提高汽车制造供应链的运转效率，同时能够使供应链中各方在没有第三方监督下，稳定执行合约。

4 模型

为了解决汽车制造核心企业中存在着的对于供应链控制能力差、供应链溯源能力、信息孤岛、信任机制匮乏等问题，提出了一种全新的区块链理论模型，用以针对汽车制造供应链的诸多问题，并相对应的提出了该模型共识机制的算法。

4.1 模型介绍

提出构建的汽车区块链供应链可追溯系统，主要依靠的是RFID技术。在汽车区块供应链的生产、维护、仓储、运输以及销售环节上。初步实现相关数据的采集、监控。并与上下游企业共享流通。除此之外，使用了区块链技术的特性，来保证整个系统中信息的真实性、可靠性。这种区块链系统的可追溯性不仅覆盖了汽车区块链中的上下游企业。并且还包括了一些中立的、官方的质量检测机构。诸如政府的相应部门以及独立的第三方机构。这样政府部门就可以随时抽检车辆，检测他们的安全状态，以及资质参数。也有效的应对了安全事故的发生，在防止事故方面有着显著的优势。

这里所提出的汽车区块供应链，从基本的理论体系架构上可以大致分为三个不同的层次，分别是：智能终端层，区块链层，应用层，如图4所示。

图4 区块供应链的理论体系架构Fig.4 Theoretical Framework on Block-Supply Chain

汽车区块供应链的智能终端层主要负责的任务，使读取产品的电子标签。诸如二维码、RFID 码，从而获得该产品的相关信息。通过RS-232接口或者蓝牙将所获的信息上传至区块链服务器上。区块链层则是由安装了以太坊平台的区块链服务器构成。当服务器接收到了相关的信息数据后。调动部署在汽车区块链服务器中的智能合约将这些数据信息打包。之后广播到整个区块链中。多个交易的信息可以被存储于同一块区内。应用层则主要是通过终端应用来实现，管理平台与区块链层完成双向的交互。管理平台可以通过交易哈希地址来精确的查询到任何一件产品的信息。通过Node.js环境执行事件触发的JavaScript 脚本以及自动执行的智能合约函数。从而完成区块链内存储的数据主动提交到管理平台。实现相关的产品分类、数量统计等具体的管理操作。完成汽车行业区块链的技术方案，如图5所示。

图5 汽车行业区块供应链的技术理论方案Fig.5 Technological Strategy for Block-Supply Chain in Automobile Industry

4.2 共识算法的实现

由于区块链缺乏中心化的记账机构，因而从汽车区块链建立到每一次更新储存数据，都需要利用共识算法完成一次运算，称之为完成所有节点的“｛一致性过程”。因此区块链的核心技术是它的共识算法。它是区块链技术的核心结构，同时也是其公信力的有效保证。因为公有区块链具有：参与节点众多、信息量大等特点。因此一般采用工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）和授权股份证明（DPoS）等共识算法［10］。

考虑到PoW机制算量巨大，根据PoS共识算法，提出了一种全新的考虑权重方式，方便快速并且相对简洁，同时也比较适用于汽车产业的应用。算法流程图，如图6所示。

图6 POS共识机制流程图Fig.6 Mechanism Diagram on POS Algorithm

具体实现算法的伪代码如算法1所示：

算法1

代码的运行结果，如图7～图10所示。结果显示，这里提出的基于POS算法的共识算法能够完整地完成记账过程，能够应用到汽车区块供应链中，但也当然仍存在许多值得扩展和改进的部分。

图7 生成三个合法的区块Fig.7 Generation of Three Legal Block

图8 区块1完成记账Fig.8 Account Accomplishment of Block-1

图9 区块2完成记账Fig.9 Account Accomplishment of Block-2

图10 区块3完成记账Fig.10 Account Accomplishment of Block-3

5 总结

这里所提出的将区块链技术引入汽车制造供应链管理系统。相对于传统的管理拥有很多优势。诸如：汽车区块链管理体系高度透明化，因为区块链具有去中心化的特点，使得整个系统更加安全。在生产过程中能够相对独立。并且整个系统在没有中央机构的协调下可以完成协作，是他更加可信的原因。从而使汽车制造供应链中的企业更加互信。以技术代替人工协调，减少了企业的该项支出。统一的交易储存平台与图灵完备的智能合约，能够实现产品在具体各个流程中实现信息的标准化，规范化。这样可以方便整个汽车制造供应链的管理追踪。因为区块链技术具有不可篡改性和较强的可追溯性，这样就加强了汽车制造相关企业之间的协调与信任，同时也增加了企业与消费者之间的理解与信任。在出现问题时有据可循，实现了溯源追踪的功能。并且，依托区块链技术建立的体系，既可以实现汽车制造业上下游企业之间的各种服务与区域信息共享。又可以保证消费者权益、产品信息、隐私安全的保证。从而有效的产生一种以新技术为主导的方式方法，并且为打破传统行业中一些不便的技术壁垒提供了相当有效的启发与借鉴。