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        《電子技術應用》
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        【工業互聯網專題】區塊鏈促進工業互聯網創新發展

        2021-03-11
        來源:黃銳
        關鍵詞: 區塊鏈 工業互聯網

          2021年1月13日,工業和信息化部對外發布了關于印發《工業互聯網創新發展行動計劃(2021-2023年)》的通知,這是繼2018年發布《工業互聯網發展行動計劃(2018-2020年)》以來,又一個工業互聯網三年規劃。

          是我國全面實現中國制造2025過程中承上啟下的關鍵性行動計劃,也是深入貫徹落實黨的十九大精神,深化“互聯網+先進制造業”的具體行動。

          工業互聯網是通過構建網絡、平臺、安全三大功能體系,打造人、機、物全面互聯的新型網絡基礎設施,形成智能化發展的新業態和新模式,是推進制造強國和網絡強國建設的重要基礎[2]。

          工業互聯網發展工程在過去三年中(起步發展期),帶動總投資近700億元,遴選4個國家級工業互聯網產業示范基地和258個試點示范項目,打造了一批高水平的公共服務平臺,培育了一批龍頭企業和解決方案供應商。

          網絡基礎、平臺中樞、數據要素、安全保障作用進一步顯現,工業互聯網新型基礎設施不斷夯實,新模式新業態創新活躍,產業生態不斷壯大,各地方、產業各界共識不斷凝聚,積極性不斷提升,為下一步發展打下堅實基礎。

          本文通過分析區塊鏈技術優勢,以及在工業互聯網創新發展行動計劃中的重點任務,從“創新、融合、可信”角度,重點總結了未來三年的工業互聯網創新發展行動中,如何充分利用區塊鏈技術的產業分布式協同優勢,挖掘優化生產關系潛能,為實現中國制造2025提供創新解決方案。

          一、工業互聯網創新發展行動計劃(2021-2023年)關注重點

          工業互聯網創新發展未來三年的行動計劃中,著力解決工業互聯網發展中的深層次難點、痛點問題,推動產業數字化,帶動數字產業化。

          提出了在:基礎設施建設、深化融合應用、強化技術創新、壯大產業生態、提升安全保障水平五個主要方面,11項重點行動和10大重點工程計劃[3]。它們分別是:

          1. 新型基礎設施建設

          在新型基礎設施方面,繼續推進工業互聯網平臺化的互聯互通,重點打造5G連接工廠樣板;積極推進工業互聯網標識解析體系從頂層基礎設施和標準建設,到底層標識解析應用發展。

          重點建設二級節點、企業節點和遞歸節點;繼續推進工業互聯網平臺化建設,打造具備行業、區域和綜合服務平臺;推動數據按區域或行業的多中心化發展,實現區域級、中央級的數據協同共享。

          2. 深化融合應用

          在融合應用方面,推進工業互聯網在智能制造、網絡協同、個性化定制、制造業服務化、柔性化生產和數字化管理等新模式和新業態的創新。加速發展產業大中小融通、123產業融通,實現基于全面跨企業、行業、平臺和產業的數字化協同保障。

          3. 強化技術創新

          在技術創新方面,重點強化關鍵基礎性技術和卡脖子技術的軟硬件研發,推動技術產品化和技術融合化發展;深化基礎設施標準、技術標準、應用標準和評估標準等體系化標準化制定,占領技術發言權和制高點。

          4. 壯大產業生態

          在壯大產業生態方面,通過繼續培育產業龍頭、小巨人企業,用主體協作帶動產業可持續、健康發展;持續打造產業生態圈,利用產業集群、產業基地的示范和規模效應,在區域構建多邊、開放、包容的政商環境,鼓勵區域產業在新模式新業態方面優先試行。

          5. 提升安全保障

          在提升安全保障方面,推進工業互聯網安全監測評估,完善網絡安全分類分級管理制度,打造“兩庫一機制”,即:國家工業互聯網安全漏洞庫,基礎資源庫和健全完善監測預警、信息共享、協同處置等閉環工作機制。

          見下圖:

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          2021-2023創新發展行動計劃重點示意

          二、區塊鏈在工業互聯網發展中的顯性角色

          接下來,我們把目光重新聚焦到區塊鏈來,在本次《工業互聯網創新發展行動計劃(2021-2023年)》中直接包含區塊鏈內容的共有5處、7個關鍵字匹配,分別是:

          在完善標識解析體系建設中的“完善標識解析體系建設。建設兼容開放、服務全球的標識解析服務系統,推動標識解析與區塊鏈、大數據等技術融合創新,提升數據綜合服務能力,增強對域名等網絡基礎資源的支撐能力”。

          在專欄2工業互聯網標識解析體系增強工程中的“構建基于標識解析的區塊鏈基礎設施,支持各地部署不少于20個融合節點,提供基于區塊鏈的標識資源分配、 管理、互操作等基礎服務”。

          在平臺體系壯大行動中的“提升平臺技術供給質量。加強平臺設備接入、知識 沉淀、應用開發等支持能力。突破研發、生產、管理等基礎 工業軟件,加速已有工業軟件云化遷移,形成覆蓋工業全流程的微服務資源池。推動基礎工藝、控制方法、運行機理等 工業知識的軟件化、模型化,加快工業機理模型、知識圖譜 建設。深化”平臺+5G“”平臺+人工智能“”平臺+區塊鏈“等技術 融合應用能力?!?/p>

          在新型模式培育行動中的“拓展服務化延伸。支持裝備制造企業搭建產品互聯網絡與服務平臺,開展基于數字孿生、人工智能、區塊鏈等技術的產品模型構建與數據分析,打造設備預測性維護、裝備能效優化、產品衍生服務等模式”。

          在技術能力提升行動中的“突破新型關鍵技術與產品。支持領先企業加快網絡、 標識、平臺與安全的關鍵技術與產品研發。推動邊緣計算、 數字孿生、區塊鏈等與工業互聯網的融合技術研究,加強融合產品及其解決方案的測試驗證和商業化推廣”。

          通過與2018-2020行動計劃對比(2018-2020行動計劃中區塊鏈只出現1處、1個關鍵字匹配)不難發現,在上一個行動計劃中區塊鏈只是作為一種新型前沿技術,僅出現在核心技術標準突破中,而現在區塊鏈技術已經在作為工業互聯網融合性應用在技術型產品、平臺、新模式、標識解析應用廣泛出現,重要性已不可同日而語。

          接下來我將重點分析區塊鏈在行動計劃中的具體任務:

          1、區塊鏈與工業互聯網標識解析

          工業互聯網的應用核心是通過對人、機、物全面連接,變革傳統制造模式、生產組織方式和產業形態。

          這里的人、機、物全面連接,除了網絡互聯互通基礎設施外,最重要的就是標識解析體系,工業互聯網標識解析體系無論是過去三年還是未來三年一直是行動計劃的重中之重。

          目前標識解析體系主要分為:經典DNS體系、DNS改良型和革新路徑體系,目前我國工業互聯網標識解析體系采用基于革新路徑體系的DOA技術為核心、兼容Handle、OID、Ecode、GS1等主流標識技術的融合型方案,其架構由國際根節點、國家頂級節點、二級節點、企業節點和遞歸節點等要素組成[4]。

          目前,我國工業互聯網標識解析的北京、上海、廣州、武漢、重慶五大國家頂級節點穩定運行,南京、貴陽兩個災備節點啟動建設,上線運行二級節點達93個,覆蓋22個省級行政區、包含船舶、集裝箱、汽車、石化、食品、醫療器械等33個行業,接入企業突破1萬家,標識注冊量已超100億。

          在2021-2023年行動計劃中雖然提到了區塊鏈的應用,但并未提供具體的應用路徑。我們可以這樣理解區塊鏈和工業互聯網標識解析體系的關系:基于分布式賬本技術的標識解析和基于標識解析的區塊鏈應用。

          1)基于分布式賬本技術的標識解析

          目前國內外關于標識解析研究才剛剛起步,國際標準組織相關標準也呈現多條技術路徑并進的現象。

          我國工業互聯網標識解析體系采用基于DOA技術為核心的兼容方案,由國際根節點、國家頂級節點、二級節點、企業節點和遞歸節點組成,分別兼容以Handle為代表的二級解析架構、以DNS為基礎的傳統或改良型樹形解析架構。

          同時國際上也在研究基于區塊鏈去中心化的解析體系,例如:W3C 的Decentralized Identifiers (DIDs) v1.0就是采用類似區塊鏈分布式賬本、Hash算法和非對稱加密體系,目的是建立一種去中心化的標識創建、解析和應用的網絡,通過數字簽名技術保證解析數據的安全性,實現不依賴某個中心節點的全網標識唯一解析[6]。

          但完全去中心化的標識解析體系對目前工業互聯網建設和市場監督管理都提出了不小的挑戰,所以可以將區塊鏈分布式一致性和密碼學驗證優勢應用在工業互聯網標識二級節點或者企業節點集群中,建立基于分布式賬本的標識注冊、同步、解析的扁平化區塊鏈網絡。特別是針對供應鏈網絡中人、企業、設備、產品的聯動標識解析和跨行業、跨企業一次性標識解析。

          見下圖:

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          基于區塊鏈標識解析示意圖

          2)基于標識解析的區塊鏈行業應用

          工業互聯網標識解析的作用在于對產品生產、流通、消費、回收等環節的全生命周期和基于產品的加工、組裝、分裝等生產要素,實現基于對象化的全球唯一標識識別管理。工業互聯網標識是生產要素的身份證,也是打造高質量發展供應鏈和安全消費市場的前提。

          就像互聯網IP地址一樣,雖然通過DNS的域名解析,可唯一解析出該IP地址,但無法識別此地址的真實用途。

          工業互聯網標識解析體系也只能證明生產要素以什么名義注冊,卻無法深入認證該要素的真偽、信用、質量、評價等業務視圖。所以從某種角度上看,基于標識解析的區塊鏈行業應用比基于區塊鏈的標識解析更急需。

          區塊鏈可作為工業互聯網標識到工業APP之間的連接紐帶,實現生產要素識別到認證的高可信網絡,例如:航天信息承建的工信部2020 年工業互聯網創新發展工程:“基于區塊鏈的工業產品防偽溯源平臺”本質上就是一種基于工業互聯網標識的區塊鏈行業應用。

          見下圖:

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          基于標識解析的區塊鏈行業應用

          2. 區塊鏈與工業互聯網平臺融合

          “平臺+區塊鏈”的融合應用,本質是平臺集約化技術和區塊鏈分布式技術的融合應用,也是目前我們討論利用區塊鏈技術解決工業互聯網“連而不互”和“互聯不網”問題的主要方向。

          “連而不互”和“互聯不網”是形容在工業產業鏈中,缺少垂直和橫向產業的信息共享和交互,工業互聯網平臺的建設很容易成為各個平臺企業獨自為戰的“信息孤島”缺少垂直和橫向產業的信息共享和交互,工業互聯網平臺的建設很容易成為各個平臺企業獨自為戰的“信息孤島”  。

          我國目前各類型工業工業互聯網平臺數量總計已有數百家之多,具有一定區域、行業影響力的平臺數量超過了50多家,而這50多家平臺主要由傳統工業技術解決方案企業轉型和大型制造企業內部孵化而來。

          它們都有共同的優劣勢,即:依托原有工業制造兩化領域方面的系統沉淀,可快速導入已有客戶資源和應用;但也由于這些平臺缺乏互聯網基因,在產業鏈生態搭建,形成垂直產業鏈和跨行業企業協作方面乏善可陳。

          區塊鏈與工業互聯網平臺的融合應該是兼容、調和,而非替代。由于區塊鏈本質是一種融合性技術,是基于加密學、分布式共識、點對點通信、鏈式數據結構、博弈論等基礎技術或理論上的融合,并可在跨網絡、平臺、操作系統間靈活部署。

          融合點可以是:

          工業互聯網平臺邊緣層融合:通過基于工業互聯網邊緣層設備的接入,可以高效、便捷地解決區塊鏈入鏈設備數據的協議適配難和數據實時性問題。在工業智能物聯設備、傳感器、DCS、PLC等設備中,通過集成區塊鏈的SDK、API,實現物聯設備的輕節點。

          工業互聯網平臺IaaS層融合:利用工業互聯網云平臺主機虛擬化、彈性伸縮、高可用、負載均衡、資源利用率高、易維護的優勢,將區塊鏈底層網絡、存儲和計算需求部署到IaaS層,穩定、高效地實現區塊鏈的底層技術需求。

          工業互聯網平臺PaaS層融合:利用工業互聯網平臺層服務化優勢,將加密算法、共識算法、區塊管理、節點管理、數據安全處理、智能合約、數字身份、交易、存證、分布式賬本應用和分布式CA、運維和監控等區塊鏈基礎應用能力封裝為平臺PaaS服務,低成本地實現BaaS化的區塊鏈應用,提供給產業鏈上下游企業快速集成。

          工業互聯網平臺SaaS層融合:利用工業互聯網平臺應用層能力開放優勢,提供標識防偽、產品溯源、生產品控、質檢管理、采購、質量信用、物流、售后、保險、金融和行業監管等分布式的區塊鏈行業應用。

          3. 基于區塊鏈的融合性技術和產品創新

          區塊鏈是技術還是產品,一直以來業界都有不小的爭議。

          中本聰在“Bitcoin- A Peer-to-Peer Electronic Cash System”論文中介紹的比特幣,并未提及“Block Chain”一詞(只提到了block和chain of hash-based proof-of-work),更未對“Block Chain”給出相關定義,中本聰更多的是介紹了一種安全的點對點電子現金支付方案或產品。

          很難說區塊鏈是某種技術,更多的具備分布式證明特性的可信交易網絡,這里的分布式的證明根據共識協議不同可分為:間接證明和直接證明,而產業應用推薦采用的聯盟鏈共識協議(Raft、PBFT)一般是直接證明。

          所以我更愿意把區塊鏈看為是一種產品,通過融合了共識算法、數據結構、密碼學、P2P傳輸和博弈論等技術和理論的分布式協作方案或產品。

          而以比特幣為代表的數字貨幣的點對點交易從本質上就是一種去中心化的多方安全協作過程。因此,區塊鏈在工業互聯網創新發展的融合性技術和產品,主要關注具備分布式協作需求的場景。

          例如:在產品供應、生產、流通、消費環節中,跨企業、跨平臺、跨行業的分布式供應鏈異構協作場景。

          見下圖:

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          在分布式協作機制中,共識協議已經被分布式地部署在協作方內(故上圖用虛線表示),雖然依然存在協調工作,但已經沒有中心化的協調系統了。

          點對點的交易,需要用分布式共識協議保障安全可靠的協調工作,還要密碼學控制多方狀態,分布式的協作更關注狀態一致性,而非流程和事務一致性。

          具備創新性、融合性的分布式協作場景需要具備如下幾個特點:

          可實現商業協作在時間、空間的動態一致性和繼承性證明;

          可實現靈活的商業規則和交叉銷售協作能力;

          可在控制權分散的實體間建立基于“原子主義”的可信交易環境;

          可提高商業協作創新的整體網絡效能;

          在原子主義的協作環境下,更有利于保護商業機密和個人隱私;

          可降低自律性、混合監管的監測、監管成本。

          4. 區塊鏈與工業互聯網新模式

          傳統制造業模式是以產品研發驅動的商業模式,產品研發、制造、銷售、售后過程被傳統供應鏈阻隔為相對獨立的環節,傳統供應鏈中產品供應、制造、流通和銷售雖然實現了價值交換但并未實現價值傳遞。

          例如:企業制造的產品,企業并不關心被誰購買了,使用情況如何?而工業互聯網新模式是以需求和訂單驅動,普遍認為利用互聯網技術構建產品供給側與消費側融通,是未來產業升級的新模式。

          智能化制造、網絡化協同、個性化定制、服務化延伸、柔性化生產,數字化管理等場景,則被認為是工業互聯網新模式的重點方向。

          從宏觀上看,區塊鏈具有優化生產關系,構建可信交易網絡的優勢,有利于傳統制造業產業鏈向消費市場延伸和跨行業協同;

          從微觀看,區塊鏈技術在分布式記賬、數據防篡改、分布式狀態一致性方面的技術特性,對網絡化協同、制造業服務化、柔性生產方面具備應用優勢。區塊鏈雖然不是解決數據傳遞和匯聚效率問題的最優方式,但卻是建立新型自主、共享、協作型商業模式的有效技術路徑。

          1)新模式一:區塊鏈技術助力制造業服務化

          制造業服務化通常有兩個層面的理解,一個是制造中間投入的服務化;一個是制造業產出的服務化。

          但無論在OECD(經濟合作與發展組織)的制造投入產出樣本數據中顯示,制造業中間投入出現服務化趨勢,還是像IBM和GE這樣的全球巨頭的產出服務性收入占比已經超過一半,都預示全球制造業的服務化是已是大勢所趨。

          區塊鏈技術可以在分布式的數據環境下建立可信交易網絡,這一優勢在金融服務化已經充分體現。

          制造業相比金融行業具備更分散的產業鏈,例如:一輛汽車大約有三萬多個零部件,至少由幾百家供應商構成。區塊鏈公開透明的記賬模式在分散的不同經營實體間,建立可信的服務化收費模式,提供了基礎環境。

          2)新模式二:區塊鏈技術助力構建智能制造產業生態圈

          利用區塊鏈技術在聯盟內的數據透明,交易可信、數據安全方面的優勢。

          通過分布式節點,聯合裝備制造企業、通信設備制造商、電子信息制造商,軟件服務企業、工業自動化公司、系統集成企業、科研院所,ICT運營商,金融和保險服務機構等,建立跨行業的涵蓋技術研發、產品制造、技術服務、系統集成和金融服務等功能在內的智能制造產業生態圈,避免企業陷入單打獨斗的困境,為我國智能制造產業升級,提供安全可信的營商環境。

          3)新模式三:區塊鏈技術助力構建協同協作型生產環境

          就目前工業自動化生產線來講,已經可以通過生產線和廠區的邊緣計算中心實現生產線內的設備協同。但在生產線之間、廠區之間、上下游企業之間的實時協同就需要更靈活和低成本的協同網絡。

          通過在區塊鏈應用層構建供應鏈、生產線、質檢、售后、運維等環節的業務流程和數據模型,利用分布式任務協同節點,將業務流程和數據模型的狀態在全網實時更新和同步,從而實現跨生產線、廠區和上下游企業的生產協同。

          三、區塊鏈在工業互聯網發展中的協同角色

          在《工業互聯網創新發展行動計劃(2021-2023年)》中除了以上直接提及的區塊鏈顯性應用場景外,還涉及供應鏈協同、平臺協同、數據協同、產業協同和網絡化協同等發展行動規劃,其實從區塊鏈協同特性的角度看,筆者認為區塊鏈在更長的產業鏈協同和“123”產業融合層面更具創新意義。

          在《工業互聯網創新發展行動計劃(2021-2023年)》中,涉及“協同”一詞的共有11處、18個關鍵字匹配??梢娫谖磥砣甑墓I互聯網發展中對協同的重視。

          產業協同根據參與方不同可分為:內部單一協同和外部多方協同。

          內部單一協同指對單一經營實體內部開展基于流程的強相關協作和事務的一致性同步;外部多方協同則是指在多個經營實體間開展基于狀態的弱相關協作和一致性同步。

          另外,根據協同內容不同還可分為:流程協同、無狀態協同和狀態協同。

          流程協同指利用流程/規則預定義、任務自動同步、信息強一致性特點,建立基于自動化流程推進的持續協同機制,企業常用的ERP、OA、CRM等系統都屬于流程協同;無狀態協同則是采用異步、接口標準化方式的一次性協同機制,目前大多數的產品交接都屬于無狀態協同;狀態協同是圍繞多協同方抽象后狀態機制實現可持續同步保障。

          而在工業產業鏈中,又具有鏈條長、環節多、涉及企業或平臺復雜、多方業務目標不一致等特點。如果采用流程協同就必然會需要基于一個中心化的第三方企業或平臺,統一產業鏈全部的業務流程和規則,這顯然不現實。

          現實中,工業產業鏈中的資源供應、產品制造、產品流通和銷售的多環節協同中往往都采用“無狀態協同”機制,即:利用物流、訂單等單據交接實現一次性價值交換,而并未持續關注產品或訂單狀態。

          例如:生產企業通過供應鏈將產品流通到銷售企業中,最后到達消費者,依托的是產品一次性的價值交換,生產企業無法獲取產品最終的使用體驗狀態。

          利用區塊鏈狀態一致性同步機制則可在“123”產業融合、產品供應鏈、商品供應鏈之間和多方經營實體之間建立高可信的狀態一致性維護機制;依托區塊鏈防篡改的數據結構和時間序列,可將傳統供應鏈體系中的價值交換轉變為價值傳遞;建立供應到消費端到端產業協同場景。

          見下圖:

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          產業協同示意圖

          四、總結

          目前,工業互聯網創新發展已進入快速發展階段,在深化新型基礎設施建設、發展新模式新業態、實現123產業融通、關鍵技術創新、搭建產業生態發展環境和加固安全保障等方面提出了全新要求。

          其中,區塊鏈作為一種發布式協同框架,可充分發揮其在網絡對等、平臺互信、數據校驗與證明分離、狀態協同等方面的優勢,促進工業互聯網創新發展。

          區塊鏈的應用價值研究目前還處于初期,在協同動力、模型協議化、狀態密碼化方面還有待更深入的研究,相信隨著更多學界、產業界朋友的共同努力,挖掘區塊鏈相關技術在分布式產業結構融合、協同方面的巨大潛能,把區塊鏈作為工業互聯網平臺化、集約化的網絡協調器,為全面實現中國制造2025提供基礎性保障。

          

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