基于工业互联网的区块链技术应用研究

于建秋，刘 荣，张 宾，崔保磊，吕 猛，张 帆

（国网电商科技有限公司，天津 300309）

0 引 言

随着我国将“中国制造2025”上升到国家战略层次，工业互联网作为实现这一宏伟目标的主攻方向，已经开始引起越来越多人的关注。在工业互联网的应用场景中，数据通过智能设备上传到云端（数据库），从而实现数据收集、共享、分析，以及提供决策方案等用于各个系统和设备之间的协作，对于工业互联网而言，海量设备的接入以及大数据是支撑运营的基础。

现如今在工业互联网中，生产、制造及供应链等多个场景，往往涉及多家企业和工厂，需要不同的角色协作完成，正因如此，不同的角色之间存在着不信任和安全隐患，例如数据泄露、行业隐私等风险。为了防止数据信息不被恶意篡改，保证数据信息的流转有着更高级别的安全性能，本文在此引用一项新兴技术—区块链。

1 工业互联网

工业互联网是传统工业信息化、数字化、智能化的升级，区别主要体现在大数据分析，通过接入海量设备，对所采集、存储的数据进行分析的服务体系，是支撑平台运营、资源共享、高效供给的核心。工业互联网的本质是构建精准、高效、实时的数据采集互联体系，将设备、产线、企业、供应商、产品和客户等所有资源紧密地连接起来。通过信息网络化提高效率，共享工业中的各类要素资源；通过智能化的生产方式降低成本；通过数字化帮助工业制造业延长产业链，推动行业发展。

1.1 工业互联网的架构

工业互联网平台是传统工业平台的拓展和升级，工业互联网平台共有三大核心层，分别是：边缘层、平台层（工业PaaS）、应用层。平台升级的本质，其实是在传统云平台的基础上叠加智慧物联、大数据分析、人工智能等新兴技术，建设集数据采集、存储、分析、应用、管理于一体的多功能信息化平台，建设工业技术、经验共享的模型化知识库。其中业务应用、功能软件化和复用，成为工业互联网创新的基础，为平台迭代、业务拓展提供支撑。而边缘层通过大范围数据采集，深度挖掘数据信息，并根据数据协议加以处理，形成工业互联网平台的数据基础层。平台基于大数据分析、工业微服务等创新功能，构建可扩展的功能应用，依赖于平台层，平台层则是提供基本的云服务，包括服务器、网络架构、数据存储等通用功能。三大核心层相辅相成，最终形成资源共享、高效协作、多方共赢的生态体系。

1.2 工业互联网的局限性

工业互联网其实就是将传统工业融入互联网中，打造面向工业领域的互联网平台。与民用领域的互联网既相同也不同：相同之处在于民用领域的不少形态和场景在工业领域中同样存在，比如商城、服务、硬件、移动APP等；不同之处在于工业的带有明显行业印记，用户更细分，具备明显的行业属性。这就是工业互联网的局限性：行业壁垒。它让工业互联网领域很难出现一家独大的情形，就工业互联网来讲，尚未形成如民用领域中BAT这样的局势。由于工业互联网每个行业的用户关注点不同，导致功能很难标准化，做不到民用领域的统一。同时加上各行业独有的标准、流程和工作习惯等差异，令定义标准变得难上加难。

1.3 工业互联网的发展趋势

工业互联网应用涉及民生和社会经济的方方面面，在现如今的信息时代，工业互联网无处不在，应用领域主要有：制造、物流、能源、金融、安防、建筑、家居、零售和农业等多个领域。工业互联网是传统工业发展的下一个时代，也是第四次工业革命的基石。

区块链技术作为现如今的新兴技术，能推进工业互联网的进步，能够实现底层逻辑的革新，是未来的发展趋势。两者的融合有望在多个领域实现应用，也是未来的发展趋势，凭借区块链的高安全、共协作等技术优势，刚好解决企业之间的不信任、数据安全、信息泄露等隐患，打破工业互联网的行业壁垒，更好地推动工业互联网发展。利用区块链拓展应用，尤其是在信息确权、问题追责、支付交易等领域，有广阔的应用前景，为实现工业互联网信息化平台的资源共享和服务体系提供了坚实的技术基础。

工业互联网的应用前景如图1所示。

图1 工业互联网的应用前景

2 区块链技术

2.1 区块链技术简介

区块链技术的本质，是通过去中心化和去信任的方式，多节点集体维护一个可靠数据库的技术。它并不是一种单一的新技术，而是多种现有技术的整合。所以从本质上看，区块链是一个共享数据库，用于存储和处理区块链中的数据和信息，具有“不可篡改、可以追溯、公开透明、集体维护”等特征。正是基于这些特征，才使得区块链技术奠定了坚实的底层信任基础，构造了可靠的安全机制。

2019年1月10日，国家互联网信息办公室发布《区块链信息服务管理规定》。2019年10月24日，在中央政治局第十八次集体学习时，习近平总书记强调，“把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口”“加快推动区块链技术和产业创新发展”。现如今，区块链已走进大众视野，成为社会的关注焦点。

2.2 区块链技术原理

区块链技术是由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层这六大核心结构组成，区块链技术的类型分为公有区块链、联合（行业）区块链、私有区块链。

区块链技术通过“区块+链”的方式，把数据分成不同的区块，头尾结合起来才能呈现一条完整的数据。依靠公开透明的特征，构建防伪与可追踪溯源的数据结构，并利用分布式存储，将数据信息可靠地记录在区块链中，从而实现数据安全加密、难以篡改的功能。

2.3 区块链技术的影响

区块链技术的首次出现是比特币，应用于金融行业（货币），它是构建比特币网络数据传输与交易信息加密的基础技术，影响了当时的交易模式。这正是利用区块链隐私加密的优势，基于安全加密原理，而不是基于信用，使区块链上任何达成一致的双方，均可以直接支付和交易，而不需要第三方中介的参与，可谓是成功的一次应用。

由此可见，区块链技术的应用，已经不仅仅是一个想法或者停留在书面上的了。区块链不仅对工业互联网产生影响，还可能彻底改变经济体系和生活模式。经济方面，财产会变成数字，不再是实体货币；生活方面，没有“中介”的生活背景，很多中间商都将面临危机。但同时也给生活带来了新的便利。

所以说，区块链技术的影响是巨大的，它带来了新的经济体系和新的生活模式，将会颠覆整个社会体系，对传统行业包括工业互联网产生根本性的变革。

区块链技术让交易更透明、数据更安全、流程更规范，这不仅仅是在拓展行业领域，更是对互联网底层逻辑的革新。区块链技术可以应用于工业，也适用于其他的各行各业，未来更有望将互联网从以通信为核心转变为以数据存储为核心。

3 工业互联网与区块链的融合

工业互联网发展至今，已经不仅仅停留在生产制造的层面，以后更多的是如何精准地控制成本，如何快速地完成需求，如何安全地管理生产线，从而实现管理模式、营销渠道的变革，大大增强市场竞争力，这要取决于两者的融合。

将工业互联网与区块链技术融合，工业上的应用体现在“网络化、智能化、数字化”以下三个方面：

（1）网络化。设备入网实现网络化应用，由于海量的设备接入，使身份鉴定、设备管理成为工业安全隐患。这些设备的身份辨识、身份管理、设备访问控制等都是实现协作协同的基础，也是工业互联网安全交换设备信息的关键。当区块链应用在工业互联网时，对所有设备所采集上传的信息进行处理，需要先对设备进行管理，从而为设备和数据绑定从属关系，最终进行可信的、难以篡改的溯源查询。

（2）智能化。根据区块链的特征，实现工业互联网智能化协作，在多主体多环节的供应链中尤为重要，因此提升信息共享和协同操作能力最为关键。信息共享有助于供需对接、快速生产、削减库存、物流跟踪、质量控制等。一个环节的生产和供应出现问题就可能影响全局，所以智能化应用是融合区块链技术的必然产物。

（3）数字化。工业互联网的提升，对标准和规范提出更高的要求，标准化生产及提供多种服务是发展的趋势。

区块链恰恰可以利用自己的特性，基于共享账本和共识机制等技术优势，建立规范的协作流程和技术标准，在工业互联网的各领域中广泛渗透和融合创新，提升工业各环节生产要素的优化配置能力，提高协作效率，降低成本，真正实现资源共享，以数字化标准，规范每个节点从而实现全流程管理。区块链实现企业互信共享如图2所示。

图2 区块链实现企业互信共享

3.1 融合的必要性

工业互联网的发展需要新兴技术的支撑，区块链作为高效、安全、实时的一种数据存储技术（分布式账本），既能够保证数据在网络传输的安全性，又能够控制访问安全，确保数据上链后存储一致、难以篡改。所以实现工业互联网和区块链的融合，是非常有必要的，融合后区块链中的各参与方只需按照事先约定好的规则，共同存储信息并达成共识。

工业应用中，为了提高产业链中所有节点的安全性，建立设备、企业、人三者之间的可信关系，需要实现从设备端开始，经过设备连接、数据采集、储存分析、设计生产，到最后的运营全过程可信。由于区块链的特征，在面向工业互联网应用时，会对产业链各个层面的业务进行加强，从而实现工业数据的协作共享和防伪溯源，所以实现两者的融合是非常有必要的。工业融合区块链的架构如图3所示。

3.2 融合的优势

3.2.1 提高信息安全性

区块链技术可以为工业互联网提供一条安全系数极高的数据传输通道，有效地预防数据在传输过程中，可能出现的丢失、泄露、篡改等情况。通过提高信息安全性，使工业互联网实现信息智能化管理，无需人工干预。提高信息安全的基础是通过区块链技术的共识机制实现的，也就是通过验证每个个体与共识机制的一致性，判断非法节点进行清除，最终通过严格的加密技术对数据信息进行保护。同时，区块链是多节点实时同步数据信息的，这样即使区块链中的某个节点出现问题，其他节点也有备份，在最大程度上保障了信息安全性。

3.2.2 降低运行成本

（1）区块链技术能够为工业互联网提供点对点计算，相对于通过中央服务器统一处理的传统模式，点对点可以减轻中央服务器的运行压力。

（2）区块链技术可以充分利用空闲设备，延长服务器的使用寿命，降低成本损耗。

（3）区块链技术可以通过预先制定的规则，使每个节点都能够自我维护，这样大大节省了维修费用。

（4）使用时间戳技术来识别和记录每个事件，使数据可以被追踪，责任可溯源，从而提高管理效率，大大降低了管理成本。

图3 工业融合区块链的架构

3.3 融合解决的问题

3.3.1 提高协同效率

工业生产制造阶段涉及多个环节，这些环节由不同的个体参与，其间的协作关系通过系统集成完成，在协同过程中的问题和摩擦会降低协作和设计的效率。

通过区块链技术，可以确保在工业互联网平台上的分析数据和模型的权属，避免被分析数据和模型工业互联网平台随意使用和共享，也可以通过区块链让这些分析数据和模型在跨平台间进行共享，提高工作效率。

3.3.2 解决安全隐患

数据从设备端发送到云端以后，经过网关和数据处理，存放在指定的账本里面。在这个过程中，数据可能被有意无意的篡改，这就需要有技术协议保障数据在进入账本前不会被篡改或者删除。

区块链刚好能够有效解决这一问题，从设备端发送的数据，在传输过程中的安全性通过区块链的互信来完成，所有数据和信息全部记录在区块链上，利用区块链的分布式存储，实现数据不可篡改，以此解决安全隐患。

3.3.3 解决信息孤岛

工业互联网各行业内的数据能够实现信息共享，对于整个行业而言，能够起到资源复用、把握市场动态、优化配置生产资源等效果，有效地避免了资源浪费，为保证工业互联网各企业间信息共享的安全性，所以必须建立完善的工业互联网安全体系。不同于已经成熟的商业互联网，工业互联网的技术标准和行业规范还没有形成，而系统安全又是重中之重，没有可靠的安全体系作为支撑，信息共享、数据开放这一薄弱环节无法很好地在工业互联网得到应用。

由于块链技术具备分布式存储、加密传输、不可篡改等特性，所以适合作为工业互联网各实体之间实现数据可信交换的底层技术。通过在工业互联网的产业链上下游企业间建立工业联盟区块链，企业的生产制造数据能以可控可信的方式存储到区块链上，并以访问可控的方式对链上其他企业开放，从而极大地降低企业间信息共享的成本和信任问题，打通各企业间的信息孤岛。

3.4 融合带来的影响

一方面，区块链推动工业互联网快速发展。通过区块链技术的特性，预先制定规则和协作过程，使得相关的文件数据上链过程中，实现全程透明、可溯源，从而提高协作效率。同时对于一些由外部参与的情况，完全可以组建一个更加开放的设计联盟，从而提高整个设计的速率和质量。

另一方面，区块链促使工业生产更加高效。利用区块链技术的分布式、去中心化等特征，将生产过程改造成智能化、网络化的生产模式，有望减少行业间壁垒，降低能耗，比传统中心化的工业生产模式更高效。

4 区块链在工业互联网中的设想

当区块链技术贯穿工业互联网的全生命周期时，从数据采集、数据分析、数据存储、系统集成、应用服务这5个层面进行迭代，结合5G、智能物联、云计算等通信技术，从边缘层、基础设施IaaS层、功能集成PaaS层和工业应用SaaS层来搭建工业区块链的技术架构体系。

区块链技术支撑工业互联网发展，不仅对工业有所提升，而且对各行各业都有一定程度的影响，如下：

（1）可以支撑金融行业建立供应链金融服务平台，为供应链上下游企业提供高效便捷的金融服务，更好地服务于实体经济。

（2）租赁行业依靠区块链技术，使得信用租赁、融资租赁等服务可以提供完整一致的账目，通过去中心化提高各参与方（厂商、出租方、承租方、银行等）之间的信任度，提高执行效率，减少争议和欺诈风险。

（3）工业品回收行业，一方面绿色环保，另一方面帮助相应的工业企业平衡原材料来源。通过区块链技术在工业品回收的网络中，可以对所有的回收商流、物流通过区块链来进行不可篡改的刻画，确保唯一。

区块链在工业互联网中的应用，类似行业的提升还有很多，在此不一一列举。总体来说，通过区块链技术积极提升产业的影响，实现加强技术模式创新、规范服务实体经济等应用，才能加速工业互联网的发展。

5 结 语

工业互联网的核心是通过互联网把工业设备、生产线、工厂、供应商、产品和客户紧密地连接在一起，形成跨设备、跨系统、跨地区的互联互通。对于企业而言，区块链的核心价值在于通过技术手段全面地记录下企业日常生产和经营活动的数据，为产品质量监督、产品销售、活动配送等提供真实可信的数据支撑。

区块链技术与工业互联网平台的融合，是实现供应链与智能制造深度融合的基础，未来将实现产业链服务，面向能源产业上下游，结合实施“中国制造2025”和“互联网+”，促进电工装备制造产业转型升级，实现资源的共享整合。开展“工业互联网+区块链”的相关研究，对促进我国工业互联网数字化、网络化和智能化转型，以及推动实体经济高质量发展，具有非常重要的意义。