摘 要 在我国制造业企业推进数字化转型的进程中,区块链技术引起了研究人员的广泛关注。总结了区块链技术国内外整体研究进展,给出了区块链技术在食品、军工产品供应链追踪和质量管理以及云制造等智能制造领域的应用案例。就区块链的存储问题、可扩展性问题、算力消耗问题和安全隐私问题提出了区块链与智能制造融合应用的建议,以期为后续的研究者提供有价值的研究思路。 关键词 智能制造;区块链;供应链;共识机制 0 引言 数字经济时代巨大的计算量带来的能源消耗问题始终是各界关注的问题之一。根据我国碳排放产业的分布情况,碳排放大部分来自发电和工业端,实现碳中和的路径可以拆分为两个部分:可避免的排放和不可避免的排放。在我国制造业企业推进数字化转型的进程中,智能制造相关产业需要兼顾效率、便捷、绿色节能等方面。 智能制造发展初期,智能化主要体现在生产过程中的各种设备通过物联网等技术互通,工业大数据仅在单一生产场景内部流转。随着互联网技术的发展,智能制造逐步迈入新时代。下一代智能制造是以产品的整个生命周期为对象,通过现代传感器、互联网、大数据、人工智能等手段实现的信息化生产制造过程。产品的生命周期包含原材料获取、生产流程、物流运输、市场营销以及售后服务等。 智能制造的发展过程中产生了大量需要在产业链中不同企业或个人之间流转和处理的数据,而中心化存储、简单的网络通信等传统处理方法难以确保数据快速、有效、安全地传输。为了解决上述问题,将区块链技术引入智能制造是有效的技术路径。区块链是一种具有去中心化、公开性、安全性、匿名性、不可修改等特性的分布式数据账本[1],近年来逐渐受到研究人员的关注。 区块链具有快速匿名交易、不可修改等优势,能够解决制造业中信息不对等、资源难以共享、交易费用高等问题。使用区块链技术搭建可信化平台,可以打通产业链上下游信息壁垒;使用区块链技术实现供应链追踪,能够提高信息的安全性和公开性;区块链技术的应用能够确保工业大数据快速安全地流转。 1 区块链研究背景及技术介绍 1.1 区块链研究历史 区块链技术起源于2008年Nakamoto S[2]发表的《比特币:一种点对点的电子现金系统》(Bitcoin: a peer-to-peer electronic cash system),文中提出了一种完全不依赖中心机构的点对点的电子现金系统。这种现金系统基于密码学而不是第三方信用中介,所以其不需要中转即可实现点对点支付。文中提出了区块链早期的共识机制——工作量证明(proof of work,PoW)。除非重新完成想要修改的区块及其之后所有区块的工作量证明,否则记录将不可修改。这种共识机制的问题在于如果要对区块链进行延长,需要投入大量的算力。这一时期被称为区块链1.0时代。 2014年,Vitalik B[3]提出的以太坊概念标志着区块链技术正式进入区块链2.0时代,其突出特点是加入了智能合约。智能合约是一套以数字形式定义的承诺,合约参与方可以在区块链上执行这些承诺的协议,该概念最早出现于1995年,但当时的技术手段难以保障智能合约的安全性[4]。区块链技术的发展解决了这一问题,并使其成为以太坊的核心。智能合约能减少合约以外的其他成本,使以太坊能够推广到更多金融领域。 此后区块链技术开始逐渐应用于物联网、农业生产、智能制造、医疗保健等领域。这也标志着区块链技术逐渐进入区块链3.0时代[5]。区块链技术能够在金融以外的其他领域应用的一个关键节点是Hyperledger项目[6]。Hyperledger Fabric是开源的企业级许可制分布式账本技术平台,该平台具有高度可定制性,为企业级开发提供便利[7]。Hyperledger Fabric采用许可制,与完全公开的区块链不同,网络的参与者已经对对方有了一定的了解,在牺牲一定去中心化特性的同时,增加了对有争议的网络协议或框架修改的可能性。 目前,区块链技术仍处于区块链3.0时代,区块链技术正在快速融入社会的各个领域。 1.2 区块链研究意义 区块链在金融领域已经取得了瞩目的研究成果。近来提出了Web3.0概念,Web3.0的突出特点是去中心化,将互联网由原本的平台管理变为用户管理,所产生的利益也由用户享有,通过固定的协议进行利益分配。以区块链为基础的网络金融迅速崛起,并以此为核心向诸多传统行业领域辐射[8]。但是由于区块链本身的发展还未完全成熟,区块链技术的应用仍存在一些亟待解决的问题。 (1)存储问题。区块链需要每个节点保存完整的链条以验证交易的合法性,而区块链会在交易中不断延长,所占用的存储空间也会不断增大[9]。区块链的响应速度和可扩展性难以满足智能制造供应链的需求。 (2)安全问题。区块链具备比传统网络更高的安全性,但这并不代表区块链不会被攻击,相反,区块链一直存在隐私保护的问题。区块链具有公开性,每个节点都保存整个链条,这导致了现有的加密方式仍难以做到完全按权限限制信息访问。 (3)部署问题。区块链在金融领域的部署已经趋于完善,但是区块链在其他领域的应用仍处于探索阶段。区块链在广义制造业中的作用基本停留在供应链管理层面而没有真正融入生产过程,其作用没有得到充分发挥。 (4)能源问题。区块链的延长往往需要大量的计算。目前,算力消耗过大带来的算力浪费和能源消耗将直接影响传统制造业的数字化转型。区块链技术的算力消耗与其采用的共识机制有关,这将在后面的内容中进行说明。 1.3 区块链技术介绍 成熟的区块链算法一般包括控制区块链延长规则的共识机制和实现所需功能的智能合约。目前主流的区块链平台有以太坊区块链、EOS区块链、Hyperledger区块链、Gochain区块链等,其中以太坊区块链更为常见。 区块链并不都是完全去中心化的,其基本构成逻辑与其参与成员的权限有关。在确定区块链的构成逻辑后,依据共识机制将所需数据打包形成的第一个区块称为创世区块,之后的区块都要以这个区块为首进行添加。区块的添加规则及准入规则都是共识机制的一部分。在构建好区块链之后,可以将需要实现的功能通过智能合约写入区块链。最后,在所有互联网技术投入实际应用之前,都需要对其安全性进行验证,这也是保障上述功能实现的关键因素。 1.3.1 权限划分 按照成员加入区块链的权限,可以将区块链分为公有链和许可链[10]。 公有链的特点是所有人都有访问区块链的权限,且能随时获取整条区块链的所有信息或进行去中心化的交易,因此公有链也被认为是完全去中心化的区块链[11]。 许可链的特点是参加到区块链中的所有节点都是受到许可的,只有受许可的节点才能参与网络[12]。在需要对内部信息进行保密的场景一般使用许可链。许可链并非完全去中心化,而是弱中心或多中心。许可链又可分为私有链和联盟链,二者区别为是否需要在网络建立之前确定节点的个数及身份。私有链并不允许所有人访问区块链,而是只允许区块链所有者或维护群体许可的节点加入[13]。联盟链是由若干个组织或机构共同参与管理和维护的区块链,每个参与的机构掌握一个或多个节点,并且在区块链开始运行时,成员的数量和身份就已经确定[14]。 1.3.2 共识机制 区块链的技术基础是一系列不需要第三方组织参与的共识机制算法。共识机制是指所有参与者全部认同并遵守的规则。在区块链上达成共识不需要第三方组织担保,而是以工作量或互相信任为前提[15-16]。 目前区块链中使用的共识机制主要分为两种:基于工作量的共识机制和基于信任的共识机制。工作量证明、委托权益证明(delegated proof of stake,DPoS)等都属于基于工作量的共识机制。基于信任的区块链在牺牲一定的去中心化特性的前提下,大幅度降低了增加区块的难度。 (1)基于工作量的共识机制 目前使用的基于工作量的共识机制均为PoW及其改进方案。PoW是所有共识机制中消耗算力和资源最多的共识机制[2]。PoW机制中最重要的部分是哈希运算,以SHA256算法为例,无论输入何种数据,最后都会返回大小为256 bit的哈希值。PoW机制主要用于公有链的搭建。 在这一共识机制下,区块链系统会给出一个目标哈希值,用户将想要记录的内容、时间戳、前一个区块的全部内容搭配一个随机数进行哈希运算,如果小于目标哈希值,便能成功将这些内容记录到区块链中,PoW区块链中单个区块的构建过程如图1所示。PoW机制最大的问题是需要消耗大量的时间和能源来完成记账,因此其难以在生产制造领域中推广。 图1 PoW区块链中单个区块的构建过程 DPoS旨在降低PoW机制下的能源成本,其核心思想与企业的运营模式类似。在DPoS机制下,需要通过见证人认可才能参与区块链网络[17]。经典的以DPoS为基础的EOS有21名见证人管理并进行记账[18]。DPoS机制一定程度上解决了PoW机制需要投入大量能源成本的问题[19]。在DPoS机制下只需要被选举的见证人进行哈希运算,符合企业级应用的管理逻辑,在生产制造过程中或与物联网结合的领域能够起到关键作用[20]。 (2)基于信任的共识机制 基于信任的共识机制主要是实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)算法及其改进算法,主要用于联盟链,在互相信任的企业联盟中有更好的应用。 […]
