基于工業互聯網的區塊鏈技術應用研究

于建秋，劉 榮，張 賓，崔保磊，呂 猛，張 帆

（國網電商科技有限公司，天津 300309）

0 引 言

隨著我國將“中國制造2025”上升到國家戰略層次，工業互聯網作為實現這一宏偉目標的主攻方向，已經開始引起越來越多人的關注。在工業互聯網的應用場景中，數據通過智能設備上傳到云端（數據庫），從而實現數據收集、共享、分析，以及提供決策方案等用于各個系統和設備之間的協作，對于工業互聯網而言，海量設備的接入以及大數據是支撐運營的基礎。

現如今在工業互聯網中，生產、制造及供應鏈等多個場景，往往涉及多家企業和工廠，需要不同的角色協作完成，正因如此，不同的角色之間存在著不信任和安全隱患，例如數據泄露、行業隱私等風險。為了防止數據信息不被惡意篡改，保證數據信息的流轉有著更高級別的安全性能，本文在此引用一項新興技術—區塊鏈。

1 工業互聯網

工業互聯網是傳統工業信息化、數字化、智能化的升級，區別主要體現在大數據分析，通過接入海量設備，對所采集、存儲的數據進行分析的服務體系，是支撐平臺運營、資源共享、高效供給的核心。工業互聯網的本質是構建精準、高效、實時的數據采集互聯體系，將設備、產線、企業、供應商、產品和客戶等所有資源緊密地連接起來。通過信息網絡化提高效率，共享工業中的各類要素資源；通過智能化的生產方式降低成本；通過數字化幫助工業制造業延長產業鏈，推動行業發展。

1.1 工業互聯網的架構

工業互聯網平臺是傳統工業平臺的拓展和升級，工業互聯網平臺共有三大核心層，分別是：邊緣層、平臺層（工業PaaS）、應用層。平臺升級的本質，其實是在傳統云平臺的基礎上疊加智慧物聯、大數據分析、人工智能等新興技術，建設集數據采集、存儲、分析、應用、管理于一體的多功能信息化平臺，建設工業技術、經驗共享的模型化知識庫。其中業務應用、功能軟件化和復用，成為工業互聯網創新的基礎，為平臺迭代、業務拓展提供支撐。而邊緣層通過大范圍數據采集，深度挖掘數據信息，并根據數據協議加以處理，形成工業互聯網平臺的數據基礎層。平臺基于大數據分析、工業微服務等創新功能，構建可擴展的功能應用，依賴于平臺層，平臺層則是提供基本的云服務，包括服務器、網絡架構、數據存儲等通用功能。三大核心層相輔相成，最終形成資源共享、高效協作、多方共贏的生態體系。

1.2 工業互聯網的局限性

工業互聯網其實就是將傳統工業融入互聯網中，打造面向工業領域的互聯網平臺。與民用領域的互聯網既相同也不同：相同之處在于民用領域的不少形態和場景在工業領域中同樣存在，比如商城、服務、硬件、移動APP等；不同之處在于工業的帶有明顯行業印記，用戶更細分，具備明顯的行業屬性。這就是工業互聯網的局限性：行業壁壘。它讓工業互聯網領域很難出現一家獨大的情形，就工業互聯網來講，尚未形成如民用領域中BAT這樣的局勢。由于工業互聯網每個行業的用戶關注點不同，導致功能很難標準化，做不到民用領域的統一。同時加上各行業獨有的標準、流程和工作習慣等差異，令定義標準變得難上加難。

1.3 工業互聯網的發展趨勢

工業互聯網應用涉及民生和社會經濟的方方面面，在現如今的信息時代，工業互聯網無處不在，應用領域主要有：制造、物流、能源、金融、安防、建筑、家居、零售和農業等多個領域。工業互聯網是傳統工業發展的下一個時代，也是第四次工業革命的基石。

區塊鏈技術作為現如今的新興技術，能推進工業互聯網的進步，能夠實現底層邏輯的革新，是未來的發展趨勢。兩者的融合有望在多個領域實現應用，也是未來的發展趨勢，憑借區塊鏈的高安全、共協作等技術優勢，剛好解決企業之間的不信任、數據安全、信息泄露等隱患，打破工業互聯網的行業壁壘，更好地推動工業互聯網發展。利用區塊鏈拓展應用，尤其是在信息確權、問題追責、支付交易等領域，有廣闊的應用前景，為實現工業互聯網信息化平臺的資源共享和服務體系提供了堅實的技術基礎。

工業互聯網的應用前景如圖1所示。

圖1 工業互聯網的應用前景

2 區塊鏈技術

2.1 區塊鏈技術簡介

區塊鏈技術的本質，是通過去中心化和去信任的方式，多節點集體維護一個可靠數據庫的技術。它并不是一種單一的新技術，而是多種現有技術的整合。所以從本質上看，區塊鏈是一個共享數據庫，用于存儲和處理區塊鏈中的數據和信息，具有“不可篡改、可以追溯、公開透明、集體維護”等特征。正是基于這些特征，才使得區塊鏈技術奠定了堅實的底層信任基礎，構造了可靠的安全機制。

2019年1月10日，國家互聯網信息辦公室發布《區塊鏈信息服務管理規定》。2019年10月24日，在中央政治局第十八次集體學習時，習近平總書記強調，“把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口”“加快推動區塊鏈技術和產業創新發展”。現如今，區塊鏈已走進大眾視野，成為社會的關注焦點。

2.2 區塊鏈技術原理

區塊鏈技術是由數據層、網絡層、共識層、激勵層、合約層和應用層這六大核心結構組成，區塊鏈技術的類型分為公有區塊鏈、聯合（行業）區塊鏈、私有區塊鏈。

區塊鏈技術通過“區塊+鏈”的方式，把數據分成不同的區塊，頭尾結合起來才能呈現一條完整的數據。依靠公開透明的特征，構建防偽與可追蹤溯源的數據結構，并利用分布式存儲，將數據信息可靠地記錄在區塊鏈中，從而實現數據安全加密、難以篡改的功能。

2.3 區塊鏈技術的影響

區塊鏈技術的首次出現是比特幣，應用于金融行業（貨幣），它是構建比特幣網絡數據傳輸與交易信息加密的基礎技術，影響了當時的交易模式。這正是利用區塊鏈隱私加密的優勢，基于安全加密原理，而不是基于信用，使區塊鏈上任何達成一致的雙方，均可以直接支付和交易，而不需要第三方中介的參與，可謂是成功的一次應用。

由此可見，區塊鏈技術的應用，已經不僅僅是一個想法或者停留在書面上的了。區塊鏈不僅對工業互聯網產生影響，還可能徹底改變經濟體系和生活模式。經濟方面，財產會變成數字，不再是實體貨幣；生活方面，沒有“中介”的生活背景，很多中間商都將面臨危機。但同時也給生活帶來了新的便利。

所以說，區塊鏈技術的影響是巨大的，它帶來了新的經濟體系和新的生活模式，將會顛覆整個社會體系，對傳統行業包括工業互聯網產生根本性的變革。

區塊鏈技術讓交易更透明、數據更安全、流程更規范，這不僅僅是在拓展行業領域，更是對互聯網底層邏輯的革新。區塊鏈技術可以應用于工業，也適用于其他的各行各業，未來更有望將互聯網從以通信為核心轉變為以數據存儲為核心。

3 工業互聯網與區塊鏈的融合

工業互聯網發展至今，已經不僅僅停留在生產制造的層面，以后更多的是如何精準地控制成本，如何快速地完成需求，如何安全地管理生產線，從而實現管理模式、營銷渠道的變革，大大增強市場競爭力，這要取決于兩者的融合。

將工業互聯網與區塊鏈技術融合，工業上的應用體現在“網絡化、智能化、數字化”以下三個方面：

（1）網絡化。設備入網實現網絡化應用，由于海量的設備接入，使身份鑒定、設備管理成為工業安全隱患。這些設備的身份辨識、身份管理、設備訪問控制等都是實現協作協同的基礎，也是工業互聯網安全交換設備信息的關鍵。當區塊鏈應用在工業互聯網時，對所有設備所采集上傳的信息進行處理，需要先對設備進行管理，從而為設備和數據綁定從屬關系，最終進行可信的、難以篡改的溯源查詢。

（2）智能化。根據區塊鏈的特征，實現工業互聯網智能化協作，在多主體多環節的供應鏈中尤為重要，因此提升信息共享和協同操作能力最為關鍵。信息共享有助于供需對接、快速生產、削減庫存、物流跟蹤、質量控制等。一個環節的生產和供應出現問題就可能影響全局，所以智能化應用是融合區塊鏈技術的必然產物。

（3）數字化。工業互聯網的提升，對標準和規范提出更高的要求，標準化生產及提供多種服務是發展的趨勢。

區塊鏈恰恰可以利用自己的特性，基于共享賬本和共識機制等技術優勢，建立規范的協作流程和技術標準，在工業互聯網的各領域中廣泛滲透和融合創新，提升工業各環節生產要素的優化配置能力，提高協作效率，降低成本，真正實現資源共享，以數字化標準，規范每個節點從而實現全流程管理。區塊鏈實現企業互信共享如圖2所示。

圖2 區塊鏈實現企業互信共享

3.1 融合的必要性

工業互聯網的發展需要新興技術的支撐，區塊鏈作為高效、安全、實時的一種數據存儲技術（分布式賬本），既能夠保證數據在網絡傳輸的安全性，又能夠控制訪問安全，確保數據上鏈后存儲一致、難以篡改。所以實現工業互聯網和區塊鏈的融合，是非常有必要的，融合后區塊鏈中的各參與方只需按照事先約定好的規則，共同存儲信息并達成共識。

工業應用中，為了提高產業鏈中所有節點的安全性，建立設備、企業、人三者之間的可信關系，需要實現從設備端開始，經過設備連接、數據采集、儲存分析、設計生產，到最后的運營全過程可信。由于區塊鏈的特征，在面向工業互聯網應用時，會對產業鏈各個層面的業務進行加強，從而實現工業數據的協作共享和防偽溯源，所以實現兩者的融合是非常有必要的。工業融合區塊鏈的架構如圖3所示。

3.2 融合的優勢

3.2.1 提高信息安全性

區塊鏈技術可以為工業互聯網提供一條安全系數極高的數據傳輸通道，有效地預防數據在傳輸過程中，可能出現的丟失、泄露、篡改等情況。通過提高信息安全性，使工業互聯網實現信息智能化管理，無需人工干預。提高信息安全的基礎是通過區塊鏈技術的共識機制實現的，也就是通過驗證每個個體與共識機制的一致性，判斷非法節點進行清除，最終通過嚴格的加密技術對數據信息進行保護。同時，區塊鏈是多節點實時同步數據信息的，這樣即使區塊鏈中的某個節點出現問題，其他節點也有備份，在最大程度上保障了信息安全性。

3.2.2 降低運行成本

（1）區塊鏈技術能夠為工業互聯網提供點對點計算，相對于通過中央服務器統一處理的傳統模式，點對點可以減輕中央服務器的運行壓力。

（2）區塊鏈技術可以充分利用空閑設備，延長服務器的使用壽命，降低成本損耗。

（3）區塊鏈技術可以通過預先制定的規則，使每個節點都能夠自我維護，這樣大大節省了維修費用。

（4）使用時間戳技術來識別和記錄每個事件，使數據可以被追蹤，責任可溯源，從而提高管理效率，大大降低了管理成本。

圖3 工業融合區塊鏈的架構

3.3 融合解決的問題

3.3.1 提高協同效率

工業生產制造階段涉及多個環節，這些環節由不同的個體參與，其間的協作關系通過系統集成完成，在協同過程中的問題和摩擦會降低協作和設計的效率。

通過區塊鏈技術，可以確保在工業互聯網平臺上的分析數據和模型的權屬，避免被分析數據和模型工業互聯網平臺隨意使用和共享，也可以通過區塊鏈讓這些分析數據和模型在跨平臺間進行共享，提高工作效率。

3.3.2 解決安全隱患

數據從設備端發送到云端以后，經過網關和數據處理，存放在指定的賬本里面。在這個過程中，數據可能被有意無意的篡改，這就需要有技術協議保障數據在進入賬本前不會被篡改或者刪除。

區塊鏈剛好能夠有效解決這一問題，從設備端發送的數據，在傳輸過程中的安全性通過區塊鏈的互信來完成，所有數據和信息全部記錄在區塊鏈上，利用區塊鏈的分布式存儲，實現數據不可篡改，以此解決安全隱患。

3.3.3 解決信息孤島

工業互聯網各行業內的數據能夠實現信息共享，對于整個行業而言，能夠起到資源復用、把握市場動態、優化配置生產資源等效果，有效地避免了資源浪費，為保證工業互聯網各企業間信息共享的安全性，所以必須建立完善的工業互聯網安全體系。不同于已經成熟的商業互聯網，工業互聯網的技術標準和行業規范還沒有形成，而系統安全又是重中之重，沒有可靠的安全體系作為支撐，信息共享、數據開放這一薄弱環節無法很好地在工業互聯網得到應用。

由于塊鏈技術具備分布式存儲、加密傳輸、不可篡改等特性，所以適合作為工業互聯網各實體之間實現數據可信交換的底層技術。通過在工業互聯網的產業鏈上下游企業間建立工業聯盟區塊鏈，企業的生產制造數據能以可控可信的方式存儲到區塊鏈上，并以訪問可控的方式對鏈上其他企業開放，從而極大地降低企業間信息共享的成本和信任問題，打通各企業間的信息孤島。

3.4 融合帶來的影響

一方面，區塊鏈推動工業互聯網快速發展。通過區塊鏈技術的特性，預先制定規則和協作過程，使得相關的文件數據上鏈過程中，實現全程透明、可溯源，從而提高協作效率。同時對于一些由外部參與的情況，完全可以組建一個更加開放的設計聯盟，從而提高整個設計的速率和質量。

另一方面，區塊鏈促使工業生產更加高效。利用區塊鏈技術的分布式、去中心化等特征，將生產過程改造成智能化、網絡化的生產模式，有望減少行業間壁壘，降低能耗，比傳統中心化的工業生產模式更高效。

4 區塊鏈在工業互聯網中的設想

當區塊鏈技術貫穿工業互聯網的全生命周期時，從數據采集、數據分析、數據存儲、系統集成、應用服務這5個層面進行迭代，結合5G、智能物聯、云計算等通信技術，從邊緣層、基礎設施IaaS層、功能集成PaaS層和工業應用SaaS層來搭建工業區塊鏈的技術架構體系。

區塊鏈技術支撐工業互聯網發展，不僅對工業有所提升，而且對各行各業都有一定程度的影響，如下：

（1）可以支撐金融行業建立供應鏈金融服務平臺，為供應鏈上下游企業提供高效便捷的金融服務，更好地服務于實體經濟。

（2）租賃行業依靠區塊鏈技術，使得信用租賃、融資租賃等服務可以提供完整一致的賬目，通過去中心化提高各參與方（廠商、出租方、承租方、銀行等）之間的信任度，提高執行效率，減少爭議和欺詐風險。

（3）工業品回收行業，一方面綠色環保，另一方面幫助相應的工業企業平衡原材料來源。通過區塊鏈技術在工業品回收的網絡中，可以對所有的回收商流、物流通過區塊鏈來進行不可篡改的刻畫，確保唯一。

區塊鏈在工業互聯網中的應用，類似行業的提升還有很多，在此不一一列舉。總體來說，通過區塊鏈技術積極提升產業的影響，實現加強技術模式創新、規范服務實體經濟等應用，才能加速工業互聯網的發展。

5 結 語

工業互聯網的核心是通過互聯網把工業設備、生產線、工廠、供應商、產品和客戶緊密地連接在一起，形成跨設備、跨系統、跨地區的互聯互通。對于企業而言，區塊鏈的核心價值在于通過技術手段全面地記錄下企業日常生產和經營活動的數據，為產品質量監督、產品銷售、活動配送等提供真實可信的數據支撐。

區塊鏈技術與工業互聯網平臺的融合，是實現供應鏈與智能制造深度融合的基礎，未來將實現產業鏈服務，面向能源產業上下游，結合實施“中國制造2025”和“互聯網+”，促進電工裝備制造產業轉型升級，實現資源的共享整合。開展“工業互聯網+區塊鏈”的相關研究，對促進我國工業互聯網數字化、網絡化和智能化轉型，以及推動實體經濟高質量發展，具有非常重要的意義。