大数据环境下智能制造区块链平台架构研究

郑桂龙，孟玉丽，徐建萍，吴燕红 ZHENG Guilong， MENG Yuli， XU Jianping， WU Yanhong

（1. 贵州大学，贵州 贵阳550025；2. 重庆理工大学 化学化工学院，重庆400054）

0 引 言

制造业作为我国第二大产业，在国民经济体系中占有及其重要的比重，制造业的发展与转型对国民经济的增长具有十分重要的意义。在2013 年汉诺威工业博览会上，德国为了提高本国工业的竞争力提出了“工业4.0”，通过建立物联信息系统（CPS） 把生产过程涉及到的采购、制造及销售等相关信息集成化、智能化，从而使制造出的产品达到高效率个性化的目的[1]。在2015 年3 月15 日，李克强总理提出“中国制造2025”计划，旨在将信息技术应用到制造设备，使得制造行业进入智能制造模式，力求在2025 年重点领域的制造业可以全面进入智能化生产，将公司运营成本、产品生产周期、产品不合格率降至原来的50%。当今，国际贸易壁垒日益严重，我国制造业企业必须充分利用现代化信息技术加速完成智能制造的转型，向提高产品质量、降低成品不合格率、减少企业运营成本、缩短交货期、增加客户满意度方向前进，提高我国制造企业在国际上的竞争力[2]。

1 我国智能制造发展现状

1.1 智能制造发展缓慢，普及程度很低

目前，我国制造业企业数量已达上万家，在中国制造业前500 强企业中，高端制造业中已经开始注重智能制造生产，并且取得很好的成果，如上海汽车集团股份有限公司、中国航空工业集团有限公司、联想集团有限公司等大型制造业企业，但是很多小型制造业企业由于技术与领导人观念问题依旧停留在传统的制造模式上，这无疑提高了中小企业的生产成本，降低了企业的竞争力。

1.2 智能制造信息技术薄弱，利用率较低

信息技术作为现代化技术中的核心技术，尤其是随着大数据技术的发展，信息技术取得了飞速的突破，但是在制造业中并没有对信息技术起到足够的重视。一方面，由于制造中生产者的文化素养不高；另一方面，很多制造业企业只是简单的将数据进行收集，并没有深度分析数据背后带来的信息[2]。

1.3 消息传输链过长，信息存在滞后性

由于我国制造业信息技术发展时间较短，很多企业内部各部门之间信息不能实现实时共享，各部门管理人员需要经过交流来确保消息的流通性，极大地增加了信息的传递时间。企业与企业间在信息上也难以及时进行交流，相互探讨，使得各企业间不能相互分享智能制造的实施经验，由于各方面信息丧失了实时透明性，严重阻碍了企业整体智能制造的推进。

1.4 企业管理模式老旧，增加企业运营成本

在大数据信息技术的应用下，智能制造发展的极为迅速，但是在企业的管理上，依旧是按照原本的模式施行管理，并没有充分意识到数据能够带来的监管作用，比如在很多企业会设置监管职务部门，生产稽查部门来充分监视企业的运转状况。在智能制造的推进过程中，这无疑会增加企业运营成本，增加了产品的额外成本[3-6]。

2 大数据环境下智能制造区块链

2.1 区块链概述

区块链作为当今依托计算机处理的现代化信息技术，在本质上可以将它看成去中心化分布式数据库，主要是通过数据块构成，每个数据块都包含着一个特定时间的信息数据，同时利用密码学的知识对这些数据块进行加密。如今很多金融企业为了实现信息实时共享，建立彼此之间的信任度，去中心化保护信息的安全性，都已经开始逐步采用了区块链技术，尤其是国际银行，其业务区块链流程主要如图1 所示。在2008 年，一个化名叫中本聪的学者曾经提出一种去中心数字货币——比特币，随后相关学者发现了基于比特币的区块链技术还能够传送信息，并且在此过程中不需要任何中介，也不需要用户间彼此信任。此后又有很多学者将区块链技术延伸至制造业中，以便更好地推进制造业的智能化进程，如Zhi Li、Ali Vatankhah Barenji、劭奇峰等国内外学者[7]。

图1 国际金融行业区块链流程图

2.2 区块链的应用

在国外，已经开始了进行区块链技术相关的研究与应用，尤其在金融行业、企业供应链中使用区块链技术取得了极大的成就，为企业带来了良好的便利性与丰富的利润。如美国花旗银行、巴克莱银行、瑞士银行通过采用区块链技术实现去中心化和智能合约，实现了全局性多方共享单一账本，消除了各银行之间涉及的多余工作。在我国，区块链作为信息技术方面的新兴领域，对其的研究与应用得到了政府的支持与各个企业的拥抱[7]。如百度公司正在打造超级节点架构、链内DNG 并行技术、可回归侧链技术和平行链管理等相关区块链业务技术；东软公司在开展“区块链+边缘计算”融合架构设计技术；截止到2019 年6月，政府出台关于区块链方面的政策已达到12 项，根据区块链研究院统计数据表明，我国已有超过700 家企业投入区块链方向，由此可见区块链技术在未来正在成为新兴技术发展的焦点，也将是智能制造向前跨越的重要平台。

2.3 智能制造应用区块链技术的意义

智能制造是通过人类专家与智能机器共同组合的智能系统——人机一体化系统，利用该智能系统在制造生产过程中可以进行快速准备的分析、判断、决策等智能操作。在“中国制造2025”中表明，我国制造业推进智能制造工程可以有效地将企业运营成本、产品生产周期、产品不合格率降至原来的50%。针对智能制造的发展，将区块链理论知识和技术融入到平台架构中，可以打破各部门、各领导、各工作人员之间的交流限制，整合企业中各方面的信息数据，使企业信息逐步走向透明化实时共享，促进采购商、企业、销售商、用户之间的紧密联系，能够高效率地控制与管理公司的实时生产计划，减少企业在生产过程中的额外费用，切实提升企业的应变能力、创新能力与核心竞争力，使企业智能制造的应用发展得到进一步的升华[8-10]。

3 大数据下智能制造区块链平台架构

3.1 大数据下智能制造区块链平台结构模型

随着科学技术的发展和经济全球化的加深，全球各行业之间的市场竞争愈演愈烈，各企业也迫切希望通过新的技术来实现自己的产业升级，从而保证自己在市场上具有一席之地。大数据技术的发展推动企业向智能制造方向转型，而区块链技术的发现，进一步加速了企业走向智能制造的进程，优化了企业的信息处理功能，让企业能够获得更快的发展和获得更多的利润。在此基础上，本文基于现有的传统制造业正在向智能制造转移，提出了一种大数据环境下智能制造区块链平台架构，推进了制造业向智能制造的进一步转移，如图2 所示。

（1） 传感层

传感层是通过不同类型的传感器来获取信息与搜集各方面的信息，将所有的信息以数据的形式存储到数据库中。

（2） 管理中心层

图2 智能制造区块链平台总体框架

管理中心层对数据库中的数据进行预处理，然后分析数据并且对数据进行加密，将数据以块的形式打包储存在数据库中。通过这些数据并根据生产调度的计划来操纵各台生产设备，准时生产客户所需产品，满足客户的需求。

（3） 信息存储层

信息存储层是实现智能制造最基础的一个层，该层主要是保护数据和区块链记录，防止数据篡改与丢失，并实现数据实时透明化。

（4） 应用层

应用层主要是为企业各种人员提供其所需对应的服务，如对领导人提供实时监控服务、对工作员工提供故障预测服务，对销售人员提供卖家需求服务等。

（5） 固件层

固件层主要是对采集的信息进行有效分析利用，它与每个层都息息相关，是其他层能够实现功能作用的基础保障。

图3 区块链环境下智能制造的业务运行模型

3.2 智能制造区块链平台业务运营模型

基于区块链环境下的智能制造反应更加迅速，消息共享更加及时。供应商、董事会、管理者、生产者可以通过区块链得到自己想要的信息，客户也可以将自己的使用状况及需求反映在区块链中，以便各部门人员实时进行自己的决策。

区块链环境下智能制造的业务运行如图3 所示，在供应链中通过利用区块链技术向供应商反馈本企业实时财务状况，利用智能合约不需要经由第三方公司验证及担保，能够为制造中在供应链环节中节省大量的中间费用，同时也可以使得公司选取高品质的供应商，满足公司正常的生产运营。区块链的信息实时透明性可以让企业的董事会、经理、生产者之间实时掌握企业的动态信息，并且管理者可以实时监测企业的生产运营状况，节省了额外的监督费用。客户通过区块链进行反馈产品信息及需求信息又可以使企业领导人、生产者、供应商对信息进行实时了解，从而快速地做出相应的策略来满足消费者。

4 总 结

区块链技术是一种集信息共享、去中心化、防篡改等功能于一体的信息化技术，为加快制造业面向智能制造的转型提供了新的方向与思路。本文主要是通过将区块链技术融入到智能制造中，提出了大数据环境下智能制造区块链平台架构。在先进的信息技术引领下，通过区块链平台进行智能制造生产，有助于企业信息传递及时性、信息实时透明性，节省公司的运营成本，提升公司的信息化水平，使得企业能够更好的持续发展。