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区块链保障的智能制造应用综述

发布时间:2021-02-23区块链应用评论
文章基本信息:??JiewuLeng,ShideYe,ManZhou,J.LeonZhao,QiangLiu,WeiGuo,WeiCao,andLeijieFu.Blockchain-securedsmartmanufactu

文章基本信息:

??JiewuLeng,ShideYe,ManZhou,J.LeonZhao,QiangLiu,WeiGuo,WeiCao,andLeijieFu.Blockchain-securedsmartmanufacturinginIndustry4.0:Asurvey.IEEETransactionsonSystems,Man,andCybernetics:Systems.(2020)DOI:10.1109/TSMC.2020.3040789.

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???导读

区块链是推动商业和工业创新的新一代安全信息技术之一。许多学者针对工业4.0中区块链驱动的智能制造资源组织和系统运行关键使能技术开展了研究。本文讨论了区块链系统如何克服制造系统潜在的信息安全障碍,总结了制造系统中8个信息安全问题。本研究揭示了文献中如何研究这些信息安全问题,并从系统安全及效能优化角度定义了应用区块链于智能制造系统的10个优势。基于分析中获得的见解,提出了针对受区块链保障的智能制造未来研究方向。

关键词:区块链,智能制造,智能合约,信息安全,工业4.0。

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?一、简介

??在工业4.0蓝图中,智能、个性化和可持续产品需求催生了新的智能制造范式出现(例如信息物理融合生产系统、云制造、社群化制造)。在工业4.0蓝图中,具有交互能力的机器将通过工业互联网实现相互协作,大规模的制造数据将被持续交换;机器将能够自主地进行局部决策,这必将影响整个制造过程。如何应对这些新兴的工业4.0制造范式的信息安全问题是一大挑战。当前的工业控制系统常常存在制造数据及指令可能被攻击或篡改的安全问题。错误和被篡改的数据将导致错误的控制与决策,对相互关联的复杂制造系统构成重大威胁。目前的制造管控系统通常依赖于一个集中化的平台,缺乏对信息的追溯,对应对系统故障的鲁棒性较弱。

??解决上述信息安全问题的一种方法是使用区块链,区块链作为一种创新的计算范式,为系统的安全和效率提供了一种新的底层使能技术。作为分布式账本的基础,区块链在商业和工业领域提供了一种透明和分散的交易机制(即计算信任)。通过智能合约,区块链可以避免来自第三方无法增值的干预,从而降低交易成本。区块链的透明度和可追溯性特征增强了交易中的信任,它有望提升制造系统中的信息安全水平。二、制造系统中的信息安全问题

??信息安全是制造业的紧迫问题。表1对信息安全问题进行了总结和编号(CI1-CI8)。所有这些信息安全问题(CIs)都可以通过现有的技术与工具来解决(例如用于处理CI5的RESTful服务)。区块链是解决这些信息安全问题的新工具;通过引入区块链技术,有望解决如表1所示的八大问题(例如增强了崩溃容错的鲁棒性)。

表1.制造系统中的信息安全问题三、区块链及其在制造系统中的优势

A、区块链计算范式

??区块链混合使用了链式存储数据结构、共识算法、密码学技术以及智能合约技术。它由分散更新的数据块组成。每个数据块包括一个时间戳以及上一个块的链接。区块链包含完整的历史数据,因此数据库中的每个事务都可以追溯到源。区块链被誉为一种新的安全、可共享计算范式。区块链提供了一组分布式数据结构、交互机制和计算范例,这提供了一种额外的安全方法来交换信息、服务或产品。制造业中区块链的实现通常是基于主流区块链平台提供的基础架构开发的,如表2所示。

表2.主流区块链平台列表

B、采用区块链的优势

??表3从系统安全及效能优化角度定义了概述了在制造系统中使用区块链的四类十大优势,即信息安全(包括数据防篡改和数据溯源)、决策架构(包括分布式决策、协同优化和系统柔性)、系统性能(包括节省成本、系统的可持续性和系统抗风险能力)和信任增强(包括网络透明度和声誉提升)。这些优势的编号从M1到M10。

表3.制造中使用区块链的十大优势

四、区块链保障下智能制造系统参考架构

??基于国际自动化学会实施的企业与控制系统集成国际公认标准ISA95,图1给出了一个将四层区块链计算架构映射到制造系统的参考架构。

图1.区块链保障下智能制造系统参考架构

??边缘/雾计算和物联网的最新进展技术驱动了学者重新考虑制造系统运行方式。采用区块链作为分散的点对点通信系统,通过将计算扩展到分布式网络设备,可以有效地防止系统中任何单个节点或传输通道被黑客攻破时整个网络崩溃。表4概述了各种智能制造模式的区块链安全架构(如信息物理融合生产系统和社群化制造)。网络协同制造模型(例如云制造和社群化制造)中分布式制造商之间的数据保护至关重要;而区块链和智能合约可以增强分布式智能制造环境中的数据安全。分布式智能制造环境中的数据安全可以分为数据完整性、数据机密性和数据可用性。

表4.各种智能制造模式的区块链安全架构概述五、区块链保障智能制造的关键使能技术

??智能制造系统包括了众多工具和系统,例如工业物联网、数字孪生、制造执行系统、作业调度系统和企业资源计划系统。集成具有透明性特征的区块链可解决上述系统中信息安全问题,也可提高系统性能。图2概览了区块链保障智能制造的关键使能技术。

图2.区块链保障下智能制造的使能技术A、区块链保障下的工业物联网

??智能制造系统中工业物联网(IIoT)用于收集数据并支持运营决策。智能制造系统在IIoT中获取的数据量和种类不断增加,然而,由于缺乏安全对策,IIoT容易受到隐私信息泄露和网络攻击。传统的集中式IIoT体系结构对于单个节点的故障鲁棒性不强,随着节点数量的增加,导致网络和数据服务不可靠。

??在这种情况下,区块链的可审计和透明的点对点交易特性可以帮助消除传统IIoT架构的安全劣势,并保护数据免受盗窃、损坏和网络攻击。在由区块链和智能合约支持的分布式IIoT中,设备在无干预交换和分析数据方面具有更大的自主权。设备可以互相验证,以确保传送数据的完整性,并防止恶意用户使用。区块链可以通过提供具有不可篡改性、数据冗余、透明性、可审核性和操作弹性来增强IIoT。B、区块链保障下的制造执行系统

??智能制造的制造执行系统(MES)是生产任务的本地在线编排。区块链为MES计算和联网提供了统一的模型,使MES数据可以及时、高效地在靠近终端设备的本地进行处理。然而,在许多区块链驱动的MES解决方案中,部署在分布式机器上的边缘计算算法及主动决策服务会导致更多的业务摩擦,因为分布在边缘的本地操作决策需要符合智能制造系统的整体管控目标。因此,需要一种协调整体优化和分布式自组织的机制。C、区块链增强的制造系统数字孪生

??数字孪生可以显示加工设备的即时状态,并通过学习和利用行为模式来分析制造环境,从而预测加工设备的性能,反馈调整物理实体。通过工业互联网进行的数字孪生通信受到信息安全和信任问题的困扰。解决这些问题的一个办法是引入区块链作为数字孪生系统的一个新的数字孪生体,从而使控制和指令更安全。区块链、多个信息系统和物理系统之间孪生的关键使能技术是制造数据的即时同步(如图3所示)。它可以分为两个步骤:1)通过工业互联网在机器之间建立即时通信;2)从分布式机器收集并哈希制造数据上传到区块链中。

图3.区块链与其他信息物理系统的同步D、智能合约使能的作业调度

??多代理系统(MAS)是由一组主动决策Agent交互和协商,在动态和不可预测的环境中协调一组制造任务,MAS具有高度的灵活性、可扩展性、自主性、适应性、并发性和开放性。MAS可用于具有不确定性和分布式特点的智能制造系统作业调度。区块链可以被纳入MAS模型中,以帮助分布式智能制造系统的调度决策过程。

??如图4所示,该双层ManuChain系统将区块链与基于数字孪生的整体优化算法集成在一起,以消除制造计划和执行之间的不平衡。在系统的下层,嵌入在智能网关中的智能合约可协调各个机器组之间个性化制造任务的执行,并将决策和执行结果上传到上层数字孪生系统中,进而调整粗粒度的整体计划。在系统底层的自组织中,智能网关允许机器与工件交互,并且每项加工任务都基于智能合约主动与一台合适的加工机床相匹配。

图4.集成区块链与数字孪生的作业调度E、区块链保障下的企业资源计划

??企业资源计划(即ERP)可以详细管理制造商的需求、资源、供应、制造、物流和产能。区块链可以支持跨集团公司ERP系统;区块链保障的ERP系统具有可共享和安全的分布式账本,并运用共识算法来验证和记录决策。利用区块链的好处在于提供高质量ERP数据(即经过验证和标准化的数据),可进一步提升数据分析能力及决策质量,可将其用于优化算法中以提高ERP的效率。F、区块链保障下的产品数据管理

??消费者个性化需求驱动的分布式制造网络使每个参与者都可以参与产品的设计、开发和制造,从而颠覆了传统的产品制造范式。表5概述了产品数据管理中(例如计算机辅助设计和知识共享)的区块链安全模型。

表5.产品数据管理的区块链安全模型概述六、研究方向

??尽管使用区块链具有透明度和弹性等重要优点,但其缺点是缺乏私密性、标准化、黑箱效应和低效率。与团队前期提出的业务-数据-基础设施模型(PDI)相对应,图5总结了区块链保障的智能制造系统未来研究方向。

图5.工业4.0中区块链安全智能制造的未来研究方向文章基本信息:

??JiewuLeng,ShideYe,ManZhou,J.LeonZhao,QiangLiu,WeiGuo,WeiCao,andLeijieFu.Blockchain-securedsmartmanufacturinginIndustry4.0:Asurvey.IEEETransactionsonSystems,Man,andCybernetics:Systems.(2020)DOI:10.1109/TSMC.2020.3040789.查看完整论文:

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编辑:叶仕德;审核:冷杰武。

冷杰武:jwleng@gdut.edu.cn

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