基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 袁夢(mèng)思賈子彥Summary：為了解決工業(yè)數(shù)字化、自動(dòng)化進(jìn)程中的生產(chǎn)信息安全問題，保障生產(chǎn)質(zhì)量，提高系統(tǒng)自動(dòng)化運(yùn)轉(zhuǎn)的能力，提出了區(qū)塊鏈與工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)深度融合的概念。通過區(qū)塊鏈的去中心化、可信協(xié)作、不可篡改等固有優(yōu)勢，利用Hyperledger Fabric平臺(tái)搭建一個(gè)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，采用Raft算法以及智能合約實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)共識(shí)以及流程設(shè)定，打造一個(gè)可信的第三方交流平臺(tái)，讓企業(yè)聯(lián)盟之間實(shí)現(xiàn)信息互通互聯(lián)。Key：區(qū)塊鏈;工業(yè)互聯(lián)網(wǎng);智能合約;鏈碼：TP311.1 ：A：1009-3044（2022）09-0083-031 引言隨著全球范圍內(nèi)新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的蓬勃興

2、起，以人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)為標(biāo)志的新產(chǎn)業(yè)革命正在改變傳統(tǒng)制造業(yè)的運(yùn)營模式和知識(shí)技術(shù)創(chuàng)新方式1-3。作為新一代信息技術(shù)與制造業(yè)深度融合的平臺(tái)，工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)成為未來制造業(yè)發(fā)展的新引擎。所謂工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，就是通過開放的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，將原料供應(yīng)商、生產(chǎn)線、倉庫、產(chǎn)品和客戶緊密地聯(lián)系起來，共享工業(yè)生產(chǎn)流程中的部分信息資源，以減少人力資源的應(yīng)用，提升產(chǎn)品生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。然而，現(xiàn)階段在同一條制造產(chǎn)業(yè)鏈上的企業(yè)的生產(chǎn)管理系統(tǒng)并不能實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，產(chǎn)業(yè)鏈上下游數(shù)據(jù)不能共享。區(qū)塊鏈擁有可追溯和不可篡改等特點(diǎn)，具有可信協(xié)作以及隱私保護(hù)等技術(shù)優(yōu)勢，能夠較好地實(shí)現(xiàn)上下游廠商之間數(shù)據(jù)的互聯(lián)互通，有效

3、的保證工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)安全。因此，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通過Hyperledger Fabric平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)搭建、共識(shí)算法設(shè)計(jì)以及智能合約的制定，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的數(shù)據(jù)共享，解決工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)引發(fā)系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)安全、隱私泄露、架構(gòu)僵化、資源調(diào)度等多方面的問題4。2 區(qū)塊鏈技術(shù)簡介區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N數(shù)據(jù)以區(qū)塊為單位產(chǎn)生和存儲(chǔ)，并按照時(shí)間順序首尾相連形成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，具有不可篡改、匿名性、去中心化、可追溯和無需信任基礎(chǔ)等特點(diǎn)5-7。其自帶的哈希算法和非對(duì)稱加密算法8也有效地保證了工業(yè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和安全性。各節(jié)點(diǎn)之間通過共識(shí)算法保證賬本的一致性，通過智能合約執(zhí)行計(jì)算機(jī)協(xié)議，實(shí)現(xiàn)流水化操作。按照開放程

4、度，區(qū)塊鏈可以劃分公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。其中，公有鏈的開放程度最高，任何人都可以加入公有鏈參與節(jié)點(diǎn)共識(shí)，成為公證人、參與者、使用者9-10。私有鏈不對(duì)外開放，僅供企業(yè)內(nèi)部的人員使用，加入私有鏈的節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行注冊(cè)和身份認(rèn)證11。只有特定的聯(lián)盟成員才能加入聯(lián)盟鏈，共享利益和資源12-13。本文是為了上中下游產(chǎn)業(yè)鏈之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流通，屬于企業(yè)間的資源共享，故采用聯(lián)盟鏈來進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)。3 系統(tǒng)框架設(shè)計(jì)3.1 框架設(shè)計(jì)本系統(tǒng)主要涉及原材料供應(yīng)商、生產(chǎn)廠家以及零售商三個(gè)方面的用戶。每個(gè)參與方在區(qū)塊鏈中都以一個(gè)組織的形式存在，可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置若干節(jié)點(diǎn)，每個(gè)組織至少設(shè)置一個(gè)節(jié)點(diǎn)。同時(shí)，本系統(tǒng)引入了政府監(jiān)測

5、組織，可以實(shí)現(xiàn)高危（重點(diǎn)）行業(yè)的生產(chǎn)信息監(jiān)測，比如對(duì)化工行業(yè)的原材料把控等。如圖1所示，本文所涉及的組織之間通過不同的通道進(jìn)行信息傳達(dá)與交流。政府監(jiān)測組織始終參與區(qū)塊鏈的共識(shí)，活躍于每一條通道中。原材料供應(yīng)商將商品種類、生產(chǎn)日期以及庫存儲(chǔ)備數(shù)量等信息上傳到區(qū)塊鏈中，政府監(jiān)測組織與生產(chǎn)廠家可以在通道1中查詢相關(guān)信息，生產(chǎn)廠家根據(jù)其需要的材料種類以及數(shù)量等進(jìn)行產(chǎn)品選購。在采購協(xié)議達(dá)成一致之后，商家?guī)齑鎯?chǔ)備量以及生產(chǎn)廠家的原料儲(chǔ)備量都會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，交易信息上傳至區(qū)塊鏈。與此類似，生產(chǎn)廠家將成品的相關(guān)信息上傳到區(qū)塊鏈中，政府監(jiān)測組織與零售商在通道2中查詢有關(guān)信息，零售商也能夠根據(jù)生產(chǎn)廠家成品的類型

6、以及數(shù)量進(jìn)行產(chǎn)品選購，交易信息上傳至區(qū)塊鏈。通道3是政府監(jiān)測組織與零售商的一個(gè)單獨(dú)交流通道，可以查詢零售商商品信息的實(shí)時(shí)變化。3.2 軟件架構(gòu)根據(jù)上文所述系統(tǒng)框架，軟件架構(gòu)可以分為基礎(chǔ)層、數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層三個(gè)部分，如圖2所示。基礎(chǔ)層是Hyperledger Fabric的框架，主要是由一些底層代碼組成，編寫了區(qū)塊鏈的基本機(jī)構(gòu);數(shù)據(jù)層主要包括了分布式賬本數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)，節(jié)點(diǎn)權(quán)限的管理以及共識(shí)算法和智能合約的部署;應(yīng)用層則是對(duì)鏈碼功能的調(diào)用，包括賬本初始化、賬本讀取、賬本更新、交易信息錄入等。各方參與者通過不同的API接口接入?yún)^(qū)塊鏈，向應(yīng)用層發(fā)起請(qǐng)求，應(yīng)用層將請(qǐng)求轉(zhuǎn)發(fā)至數(shù)據(jù)層，查詢節(jié)點(diǎn)權(quán)限，根據(jù)智能合約

7、設(shè)定的流程讀取并更新賬本，完成區(qū)塊鏈的交互工作。4 基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)本文采用Hyperledger Fabric平臺(tái)來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)搭建，以STM32單片機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)為例進(jìn)行工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)。4.1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32單片機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)為例，對(duì)工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于STM32屬于普通商品，不需要政府部門進(jìn)行監(jiān)測，因此在該例證中不引入政府監(jiān)測組織。區(qū)塊鏈的參與方分別為原材料供應(yīng)商（Org1）、單片機(jī)系統(tǒng)生產(chǎn)商（Org2）以及產(chǎn)品零售商（Org3）。每一個(gè)組織下設(shè)3個(gè)節(jié)點(diǎn)來模擬賬本的錄入、更新以及查詢等。在本系統(tǒng)中，Org1、Org2、Org3之間通過2個(gè)不同的通

8、道進(jìn)行信息交互。通道1中部署鏈碼chaincode1，主要負(fù)責(zé)Org1、Org2之間的信息交互;通道2中部署鏈碼chaincode2，負(fù)責(zé)Org2、Org3之間的業(yè)務(wù)交流。通道1中的信息涉及原材料采購的問題。STM32單片機(jī)的生產(chǎn)主要涉及30種原材料，包括6款普通電阻、1款線繞電阻、2款鉭電容、3款陶瓷電容、3款二極管、2款LED燈、1款電感、2款晶振、1款電池、1款液晶屏以及8款芯片。因此，在通道1中部署的鏈碼chaincode1需要將以上30個(gè)參數(shù)融入賬本設(shè)計(jì)中。具體而言，chaincode1需要實(shí)現(xiàn)以下幾種功能：1）initAsset（）：該功能是對(duì)區(qū)塊鏈賬本的一個(gè)初始化，原材料供應(yīng)商錄

9、入不同倉庫存放的材料數(shù)量，同時(shí)自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。2）readAsset（）：該功能是對(duì)賬本信息的一個(gè)讀取，通過唯一標(biāo)識(shí)的參數(shù)（本系統(tǒng)中為倉庫地點(diǎn)）對(duì)應(yīng)到具體的賬本信息。readAsset（）函數(shù)執(zhí)行過程中沒有數(shù)值輸出，一般都與updateAsset（）、transferAsset（）等函數(shù)聯(lián)合調(diào)用，不單獨(dú)使用。3）updateAsset（）：該功能是對(duì)賬本的一個(gè)更新，原材料供應(yīng)商將一段時(shí)間內(nèi)原材料生產(chǎn)的數(shù)量錄入到賬本中，生成對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。4）transferAsset（）：該功能是對(duì)商品交易的賬本記錄，根據(jù)客戶需求，調(diào)撥相應(yīng)的產(chǎn)品，如果產(chǎn)品數(shù)量不足，則會(huì)產(chǎn)生報(bào)警，交易無效;交易成功則將交易

10、后的產(chǎn)品余量以及交易對(duì)象一同錄入到區(qū)塊鏈中，并生成對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。5）queryAssets（）：該功能是對(duì)賬本信息的查詢，針對(duì)輸入的參數(shù)，輸出給定對(duì)應(yīng)的查詢結(jié)果。如輸入?yún)?shù)為Address1，則返回Address1對(duì)應(yīng)的賬本信息。鏈碼chaincode2與chaincode1類似，與之不同的是存儲(chǔ)的賬本信息分別為STM32單片機(jī)系統(tǒng)的生產(chǎn)信息以及零售信息。此外，chaincode2還對(duì)transferAsset（）函數(shù)做了一些改變，將transferAsset（）分為了購入transferinAsset（）和售出transferoutAsset（）兩個(gè)部分：1）transferinAsset（

11、）：該功能是產(chǎn)品購入時(shí)的交易記錄，在庫存少于一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)則發(fā)送通知提醒材料購入。購入成功后，產(chǎn)品數(shù)量會(huì)發(fā)生相應(yīng)的改變，同時(shí)記錄購入的廠家名稱，并生成對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。2）transferoutAsset（）：該功能是產(chǎn)品售出時(shí)的交易記錄，在產(chǎn)品庫存少于一定數(shù)量時(shí)，系統(tǒng)則會(huì)發(fā)送信息提醒補(bǔ)入;當(dāng)客戶購入數(shù)量超過庫存數(shù)量時(shí)，則交易不成功，產(chǎn)生報(bào)警;若是交易成功，則產(chǎn)品數(shù)量自動(dòng)改變，連同客戶名稱一起記錄到區(qū)塊鏈中，生成對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。4.2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測系統(tǒng)的測試在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測平臺(tái)搭建成功之后，在通道1、2中分別部署chaincode1、chaincode2，并對(duì)其功能進(jìn)行測試。運(yùn)行腳本文件，并創(chuàng)建

12、名稱為channel1、channel2的兩個(gè)通道，將3個(gè)組織（Org1、Org2、Org3）分別加入不同的通道中，啟用couchdb數(shù)據(jù)庫來存儲(chǔ)賬本信息。鏈碼1是針對(duì)Org1（原料生產(chǎn)商）和Org2（生產(chǎn)公司）編寫的智能合約。在通道1中部署鏈碼1，并將鏈碼安裝到Org1的管理者節(jié)點(diǎn)上，讓其他節(jié)點(diǎn)同意該鏈碼的定義，方便共識(shí)工作展開。鏈碼安裝完成之后，對(duì)鏈碼進(jìn)行初始化，以通道中某節(jié)點(diǎn)的身份去啟動(dòng)鏈碼，調(diào)用鏈碼中的相關(guān)函數(shù)，完成交易以及賬本信息的查詢。圖3是對(duì)賬本信息的初始化，以杭州為例，上傳倉庫地址及其存儲(chǔ)的各類原材料數(shù)量;圖4是對(duì)倉庫中材料數(shù)量更新的查詢，結(jié)果無誤;圖5是對(duì)原材料的交易，對(duì)比交

13、易前后的原材料數(shù)量變化可知，交易成功。鏈碼2是針對(duì)Org2（產(chǎn)品生產(chǎn)商）、Org3（產(chǎn)品零售商）編寫的智能合約，部署在通道2中，安裝在Org2的管理者節(jié)點(diǎn)上。在其他節(jié)點(diǎn)上認(rèn)證鏈碼2的定義并提交鏈碼定義至通道，完成初始化，為區(qū)塊鏈賬本的正常運(yùn)行提供前期保障。在鏈碼2初始化完成之后，以O(shè)rg2管理者節(jié)點(diǎn)的身份進(jìn)行賬本信息初始化、交易信息記錄以及鏈碼信息查詢。如圖6所示，對(duì)賬本信息進(jìn)行初始化，錄入生產(chǎn)者倉庫地點(diǎn)、剩余原材料數(shù)量以及產(chǎn)品庫存數(shù)量;圖7是對(duì)原材料購買信息的錄入和驗(yàn)證，包括材料購入數(shù)量和購入品牌名稱等信息，查詢可知，賬本信息無誤;圖8和圖9分別對(duì)應(yīng)的是產(chǎn)品的售出與生產(chǎn)信息，對(duì)比產(chǎn)品前后庫存

14、可知查詢結(jié)果正確無誤，系統(tǒng)工作正常。本文經(jīng)過多次重復(fù)測試，系統(tǒng)均未發(fā)生錯(cuò)誤，始終保持正常工作，具備高效性和可行性。5 結(jié)束語本系統(tǒng)針對(duì)目前工業(yè)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟之間的信任機(jī)制問題，提出了一種基于區(qū)塊鏈的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，利用Hyperledger Fabric平臺(tái)進(jìn)行了系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計(jì)，完成了系統(tǒng)的實(shí)際搭建，并對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了模擬測試。根據(jù)測試所得結(jié)果，本系統(tǒng)能夠滿足工業(yè)聯(lián)盟之間信息互聯(lián)互通的問題，有效解決企業(yè)之間信息孤島的問題，保證了數(shù)據(jù)的安全性、有效性和不可篡改性。Reference：1 王一晨.運(yùn)用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)推動(dòng)中國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)J.中州學(xué)刊，2019（4）：26-30.2 Wan J F，Yin B

15、X，Li D，et al.An ontology-based resource reconfiguration method for manufacturing cyber-physical systemsJ.ASME Transactions on Mechatronics，2018，23（6）：2537-2546.3 Wan J F，Tang S L，Li D，et al.Reconfigurable smart factory for drug packing in healthcare industry 4.0J.IEEE Transactions on Industrial Info

16、rmatics，2019，15（1）：507-516.4 Fernandez-Carames T M，F(xiàn)raga-Lamas P.A review on the application of blockchain to the next generation of cybersecure industry 4.0 smart factoriesJ.IEEE Access，2019，7：45201-45218.5 龔寧.區(qū)塊鏈技術(shù)在供應(yīng)鏈金融中的應(yīng)用研究D.成都：電子科技大學(xué)，2020.6 黃俊飛，劉杰.區(qū)塊鏈技術(shù)研究綜述J.北京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)，2018，41（2）：1-8.7 Wan J F，L

17、i J P，Imran M，et al.A blockchain-based solution for enhancing security and privacy in smart factoryJ.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2019，15（6）：3652-3660.8 Huh S，Cho S，Kim S.Managing IoT devices using blockchain platformC/2017 19th International Conference on Advanced Communication Techn

18、ology （ICACT）.February 19-22，2017.Pyeongchang，Kwangwoon Do，South Korea.IEEE，2017.9 包慶華.面向分布式存儲(chǔ)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)的研究D.武漢：華中科技大學(xué)，2019.10 Chekired D A，Khoukhi L，Mouftah H T.Industrial IoT data scheduling based on hierarchical fog computing：a key for enabling smart factoryJ.IEEE Transactions on Industrial Informatics，2018，14（10）：4590-4602.11 李保東，葉春明.基于區(qū)塊鏈的汽車供