区块链在智能工厂中的应用

黄忠义

摘   要：区块链技术的应用正引起一场新的技术和产业变革。智能工厂目前存在着设备管理维护不当和信息孤岛等诸多痛点。文章讨论了区块链技术在智能工厂领域的应用，利用区块链分布式、防篡改、可追溯等优势，设计了基于区块链的设备管理及工厂生态圈解决方案，有助于改善企业设备管理质量，整合工厂内部数据资源，提高企业审计和管理效率。

關键词：区块链;智能工厂;设备管理;工厂生态圈

中图分类号：TP309          文献标识码：C

Abstract： The application of  Blockchain technology is causing a new technological and industrial revolution. This paper discusses the application of block chain technology in intelligent factory because of so many pain points such as improper equipment management and maintenance and information island during the construction of smart factories currently. A solution about equipment management and factory ecosystem based on Blockchain is proposed， taking the natural advantage of  Blockchain， including distributed network， tamper-proof and traceability， that contributing to enhancing the quality of equipment management， integrating the internal data resources， improving the audit and management efficiency.

Key words： blockchain; smart factory; equipment management; factory ecosystem

1 引言

区块链和分布式账本技术是目前全球十大战略技术趋势之一，在国内外金融界、科技界受到高度关注。在国外，诸如R3、Hyperledger等各类机构纷纷成立，同时国内的各大科技巨头也争先抢占区块链领域，金联盟、ChinaLedger、中国区块链生态联盟也已快速发展。

区块链不是一项新技术，而是技术的创新组合。狭义来讲，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证不可篡改和不可伪造的分布式账本（分布式数据库）。广义来讲，区块链技术是利用块链式数据结构来验证与存储数据，利用分布式节点共识算法来生成和更新数据，利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全，利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。

智能工厂是在数字化工厂的基础上，利用物联网技术和监控技术加强信息管理和服务，提高生产过程可控性、减少生产线人工干预以及合理计划排程。同时，集智能手段和智能系统等新兴技术于一体，构建高效、节能、绿色、环保、舒适的人性化工厂，其本质是人机有效交互。智能工厂作为工业智能化发展的重要实践模式，已经引发行业的广泛关注。

本文重点讨论了如何借助区块链分布式账本优势，打造以工业互联网为基础，以生产管控为核心，以数据应用支撑管理为方向，加强生产管控业务的智能化、数字化、精益化的智能工厂，全方位地精益生产，构建智能体系。

2 智能工厂建设痛点

智能工厂（Smart Factory）作为智能制造的重要应用领域，近年来在工业4.0、工业物联网、人工智能以及大数据计算的热潮下突飞猛进。但在发展的过程中不可避免地出现了“大跃进”现象，究其原因，主要是智能工厂涵盖领域较多，系统繁琐复杂，企业缺乏深刻的理解，导致各类系统匆匆上线。本节概括了目前智能工厂建设存在的两点尖锐问题。

（1）忽略生产设备管理。生产设备没有得到充分利用，设备的健康状态未进行有效管理，常常由于设备故障造成非计划性停机，影响生产。企业缺少对生产设备故障预警机制，对设备的管理仍停留在实时的状态数据监测阶段。一直以来，企业对生产设备的维护都是“闭门造车”，尤其是对复杂设备的维护没有结合生产设备厂商以及专家各方意见，导致设备维护不当，寿命过短。

（2）信息孤岛问题。智能工厂建设涉及到智能装备、自动化控制、传感器、工业软件，如数据采集与监控系统（SCADA）、实时数据库系统（RTDB）、生产制造执行系统（MES）、产品生命周期管理软件（PLM）、企业资源管理系统（ERP）、先进生产排程（APS）、能源管理、质量管理等领域的供应商，集成难度很大。很多企业不仅存在诸多信息孤岛，也存在很多自动化孤岛，自动化生产线没有进行统一规划，生产线之间还需要中转库转运。各个系统间数据闭塞，企业只能通过传统的手段进行数据交互，增加质量隐患和无价值活动的浪费，导致生产效率低下，没有形成真正的自动化、智能化监管。

3 基于区块链技术的智能工厂解决方案

区块链技术的核心价值在于其分布式的对等网络结构（P2P）、不可篡改的数据信息以及基于密码学的身份证书。区块链在解决数据孤岛、建立多方信任方面具有天然优势，且区块链也可视为历史数据库，可以结合大数据技术进行深度的智能算法训练，为设备管理、智能排产、仓储管理等系统服务。

3.1 基于区块技术的生产设备管理解决方案

基于区块链技术进行企业生产设备的管理可以有效的监控生产设备核心参数并将数据共享到企业相关部门、设备生产商、政府监管部门等机构进行信息汇总和综合评价。同时，区块链技术其本质是分布式数据库，利用区块链技术可以存储重要生产设备的重要参数的历史数据，可以对设备进行故障诊断甚至是故障预警，提供设备的使用寿命。解决方案的具体架构如图1所示。

传统的工业信息化系统自下而上分为数据层、控制层、业务层以及应用呈现层四部分，这是所指的基于区块链技术生产设备管理系统应该位于控制层中数据采集监控系统（SCADA）与生产制造执行系统（MES）之间。设备管理系统通过与外部各个节点共享分布式数据库，实现设备的综合管理和智能管理。需要主要的是，现场的工业生产网络应该与实际办公网络进行隔离设置，如必要进行通信，可以允许开放相应端口进行限制性通信，设备管理系统的具体流程如图2所示。

在整个管理系统中配置了生产车间、生产调度办公室、企业生产管理办公室、设备厂商及政府监察机构五个节点。生产车间员工利用DAPP录入不同时段的生产设备重要参数，生产车间节点将广播录入请求并在全网实现一次共识才能将参数数据记录到分布式数据库中，其他各节点收到数据录入通知后，可以查看该时段生产设备的运行状况以及历史运行状况。

在这个过程中数据充分发挥了自身价值，对于生产调度来说，可以监控不同时段的生产设备状态，分发不同的指令给下属车间，不用依靠传统的电话查询，提高了工作效率。同时，有经验的生产调度，可以充分利用设备历史状态，结合当前状态对设备进行综合评估，做出更加合理、准确的判断。对于企业生产管理方，同样需要关注设备运行状况，以便统筹企业生产规划。

政府对于制药、石化炼化、化工等大型企业的工艺流程及环境监管，同样可以通过监控生产设备的重要参数实现。目前，普遍的监控方法是政府通过专门的系统进行数据采集和指标检测，明显地增加了成本开销。区块链技术采用分布式网络（P2P）架构，只需在政府监管部门设立节点，即可共享企业设备参数，监控企业生产，进行有效评估。设备厂商可以通过该系统配合企业共同维护设备，通过历史数据的反馈可以进一步优化设备，厂商可以给出更加专业的维护意见，延迟设备使用寿命。同时，共享设备参数可以作为生产厂商的一种设备测试数据以及销售佐证。

基于区块链技术的设备管理系统可以实现对设备的故障诊断。在故障诊断领域，缺少训练数据是最为突出的问题，区块链技术完美地解决了这一难题。区块链分布式数据库是一个天然的历史数据库，可以利用这些历史数据训练故障诊断算法，实现设备的故障诊断与预警。

3.2 基于区块链技术的工厂生态圈解决方案

工厂生态圈指的是工厂内部各系统之间的协同与互联，有效地解决了信息孤岛问题，充分利用数据，并提高了数据交互效率和各个部门协同办公的效率。区块链技术可以将生产控制、生产计划、企业管理、能源管理等各个系统信息融合，利用区块链的溯源和不可篡改特点，保证企业内部各部门的协同办公有迹可循，结合数字签名和智能合约的优势，为企业内部责任追究提供凭据，整体设计方案如图3所示。

整个方案的目的是将原有企业内部各个系统进行一次数据融合，企业资源管理系统（ERP）可以将采购信息、成本核算信息等重要信息录入区块链，生产制造执行系统（MES）可以将能源管理、计划排产信息录入区块链。最后，数据采集监控系统（SCADA）可以将重要设备数据以及工艺流程核心节点数据录入区块链。企业可以利用这个共享分布数据库进行更为合理的排产及产能预估模型。综合企业内部各部门数据，还可以有效调整产品价格和销售计划，提高企业收益。此外，区块系统还可以实现协同办公的作用，依靠区块链溯源和不可篡改的优势，实现有理有据的追责，提高工作生产效率。本文以采购流程为例，具体流程如图4所示。

生产主管收集各生产车间的物料采购信息形成采购清单，在签名后进行全网广播，获得共识后允许写入区块链，整个采购流程依次需要生产主管、采购部门主管、财务主管、总经理以及董事长签名上链。最后，董事长在签名进行广播后，采购部门主管确认采购订单进行物料采购。区块链技术对于整个采购流程提供完整的签名信息，为整个流程提供了溯源追责的凭据，同时也提高企业审计管理效率。

4 结束语

区块链技术是继互联网、无线通信、大数据、云计算之后计算技术的又一次颠覆性创新，目前区块链技术处在萌芽阶段。随着区块链技术体系不断完善，国内资本对区块链行业投融资力度逐步加大，区块链企业商业模式和场景逐步清晰，区块链技术应用落地速度加快，区块链市场将进入快速增长阶段，产业规模将引来爆发式增长。区块链技术因金融而生，但本文正在探索区块链系统优化甚至代替传统工业信息化、智能化建设的可能，利用了区块链分布式数据库、加密方法防篡改、可追溯等特点，将区块链与工业智能工厂相结合并给出方案，有助于改善传统智能工厂建设。

参考文献

[1] 刘权.区块链与人工智能：构建智能化数字经济世界[M].北京：人民邮电出版社，2019.

[2] 陈东敏.区块链技术原理及底层架构[M].北京：北京航空航天大学出版社，2017.4.

[3] 中国电子技术标准化研究院软件工程与评估中心.超级账本白皮书（1.0.1版）[EB/OL]. http：//www.360doc.com/content/16/0727/09/34350211_578683890.shtml.

[4] 王绍刚，刘海法.基于区块链的商城积分系统方法研究[J].网络空间安全，2017，（8）10-11：51-55.

[5] 聞向阳，王岩，梁进城，董香梅.“智能制造”探索研究[J].自动化技术与应用，2018，37（2）：139-142.

[6] 何小东，易积政，陈爱斌.区块链技术的应用进展与发展趋势[J].世界科技研究与发展，2018，40（6）：615-626.

[7] 张公明.流程行业的“智能化工厂”思考[J].化工设计，2019，29（2）：41-44.

[8] 徐元清，卓蔚.区块链技术在烟草系统工控安全中的应用[J].微型电脑应用，2019，35（3）：113-116.