基于區(qū)塊鏈技術(shù)的制造社群去中心化構(gòu)建方法

本文來源：冷杰武, 江平宇, 劉加軍, 陳慶新, & 劉強. (2017). 區(qū)塊鏈技術(shù)驅(qū)動的產(chǎn)消者自組織產(chǎn)品制造社群構(gòu)建. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報, 34(05), 1-9

針對中心化管理平臺不再適用一些產(chǎn)消者圍繞新興的開放式和開源式產(chǎn)品形成的自組織社群化制造網(wǎng)絡(luò)的問題，提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的制造社群去中心化構(gòu)建方法；分析了面向制造社群的區(qū)塊鏈配置與運行方法，包括分布式節(jié)點共識算法、智能合約、多形態(tài)構(gòu)型以及社群動態(tài)演化等；開發(fā)了一個基于Ethereum區(qū)塊鏈技術(shù)的產(chǎn)消者自組織社群分布式應(yīng)用原型，并驗證了方法的可行性。

新興的開放式和開源式產(chǎn)品（如 RepRap開源3D打印機）的制造網(wǎng)絡(luò)往往是由地位均等的產(chǎn)消者（一般為小微企業(yè)）自組織而成。 由 于知識產(chǎn)權(quán)、數(shù)據(jù)保密及信用機制等原因，一些中心化的管理平臺不再適用這種組織模式。當(dāng)前自組織模式下的服務(wù)交易往往是通過在市場自然調(diào)解作用下的線下點對點直接交互的方式進(jìn)行，缺少一些輔助方法和工具。當(dāng)前新的制造模式概念也依賴于中心化平臺、服務(wù)器系統(tǒng)與統(tǒng)一管控模型。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化制造模型出現(xiàn)以問題的根本原因在于其互聯(lián)與組織一般都停留在應(yīng)用層表面， 而僅僅是借鑒社交媒介等信息互聯(lián)方式不能改變底 層設(shè)備互聯(lián)和制造邏輯根本。

針對傳統(tǒng)點對點方案的安全與信任機制問題， 區(qū)塊鏈技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點之間創(chuàng)建一種相互共享的分布式數(shù)字賬簿（Decentralized Shared Ledger）來記錄交 互。區(qū)塊鏈技術(shù)在分布式系統(tǒng)中實現(xiàn)了基于去中心化信用的點對點交易、協(xié)調(diào)與協(xié)作，從而為中心化平臺普遍存在的高成本、低效率和數(shù)據(jù)存儲不安全等問題提供了解決方案。

采用區(qū)塊鏈技術(shù)模型來構(gòu)造社群化制造模式下的小微企業(yè)自組織結(jié)構(gòu)，這個模型的重建不是僅在應(yīng)用層面， 而是從底層企業(yè)互聯(lián)與組織邏輯展開；從而使得分布式的小微企業(yè)可以去中心化互聯(lián)，避免因一個服務(wù)節(jié)點的失效而破壞大規(guī)模制造網(wǎng)絡(luò)的運行。

1. 相關(guān)研究進(jìn)展

區(qū)塊鏈?zhǔn)峭ㄟ^分布式存儲的記憶和感知，支持分布式節(jié)點動態(tài)協(xié)作完成復(fù)雜的任務(wù)，具有典型的自組織性和自適應(yīng)性。在區(qū)塊鏈上建造智能合約可以實現(xiàn)以共識為基礎(chǔ)的交易協(xié)議；去中心化是區(qū)塊鏈理論的核心價值所在。

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际缴鐣到y(tǒng)的自然建模，為社群化制造提供了一套行之有效的去中心化的數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)、交互機制和計算范式。將區(qū)塊鏈與自治的智能合約引入到社群自組織中，可通過線上線下互動和調(diào)諧，實現(xiàn)去中心化的決策協(xié)同優(yōu)化。

制造社群中開放式協(xié)同產(chǎn)品開發(fā)的實質(zhì)是以滿足個性化需求為目標(biāo)的一種群體決策過程；在該過 程中，產(chǎn)消者按照社群共識以制造服務(wù)的方式交換供需，最終形成個性化產(chǎn)品。

當(dāng)前產(chǎn)消者在Cyber層面缺乏輔助決策方法，大多社 群存在于以互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的各個社交媒介中，缺少直接支撐工具來明確、維持、進(jìn)化群體規(guī)范與共識，因此本文引入了區(qū)塊鏈模型到社群化制造自組織過程中，在此環(huán)境基礎(chǔ)上如何設(shè)計共識算法和智能合約以支持制造社群進(jìn)行有效的利益協(xié)調(diào)是一個本文 所關(guān)注的問題。

2. 基于區(qū)塊鏈的自組織社群構(gòu)建邏輯

本文提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的制造服務(wù)自組織邏輯：裝備被企業(yè)以服務(wù)節(jié)點的形式在一個制造服務(wù)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中注冊，它們在服務(wù)需求 被匹配后通過為產(chǎn)消者提供服務(wù)力來獲得收入；產(chǎn)消者通過區(qū)塊鏈支付虛擬幣，虛擬幣可以通過交易平臺進(jìn)行市場化交易。

區(qū)塊鏈技術(shù)解決了不同企業(yè)間的利益沖突，它提供了一個合約標(biāo)準(zhǔn)，讓每個企業(yè)有平等的權(quán)益，通過建立動態(tài)的社群將傳統(tǒng)的串行生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿械淖越M織模式，從而有效地實現(xiàn)了制造資源整合效率的提升?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的制造服務(wù)應(yīng)用前提條件是形成共識的制造服務(wù)力計算與交易體系。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的服務(wù)自組織包括有兩個層 次：一是數(shù)據(jù)登記，區(qū)塊鏈具有可信、可追溯的特點， 因此可作為可靠的分布式數(shù)據(jù)庫來記錄各種制造服 務(wù)全生命周期過程信息；二是制造服務(wù)自組織， 區(qū)塊鏈技術(shù)提供靈活的腳本代碼系統(tǒng)，支持用戶在區(qū)塊 鏈的應(yīng)用層構(gòu)建滿足不同需求的分布式應(yīng)用 （Decentralized APP，DAPP）來輔助支持小微企業(yè)自組 織過程中的信息發(fā)布，供需匹配，交易與信用評估等活動。

3. 面向社群的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)模型配置

面向小微企業(yè)自組織制造服務(wù)社群的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)模型由數(shù)據(jù)區(qū)塊層、網(wǎng)絡(luò)共識層、 合約激勵層和分布應(yīng)用層組成。

3.1 數(shù)據(jù)區(qū)塊層封裝了數(shù)據(jù)區(qū)塊以及數(shù)據(jù)加密和時間戳等技術(shù)。數(shù)據(jù)層作為區(qū)塊鏈底層虛擬機承擔(dān)數(shù)據(jù)表示與加密功能，以支持上層的數(shù)據(jù)傳播和數(shù)據(jù)驗證功能。

3.2 網(wǎng)絡(luò)共識層包括分布式組網(wǎng)、數(shù)據(jù)傳播、數(shù)據(jù)驗證以及封裝網(wǎng)絡(luò)的共識算法等。

3.3 合約激勵層包括經(jīng)濟(jì)激勵的制造服務(wù)需求發(fā) 布、匹配與交易機制及其各類智能合約腳本和算法。

3.4 分布應(yīng)用層封裝了區(qū)塊鏈的各種可編程制造服 務(wù)應(yīng)用場景和案例，包括需求發(fā)布、服務(wù)力評估、供需匹配、服務(wù)交易等。

4. 面向企業(yè)自組織服務(wù)社群的區(qū)塊鏈運行方法

關(guān)鍵問題是建立經(jīng)濟(jì)激勵的統(tǒng)一協(xié)議，匯聚大規(guī)模的小微企業(yè)節(jié)點參與并形成對區(qū)塊鏈歷史的穩(wěn)定共識。

4.1 分布式節(jié)點共識算法

區(qū)塊鏈共識過程本質(zhì)上是一個制造服務(wù)的任務(wù)眾包過程，需設(shè)計合理的激勵相容的制造服務(wù)交易共識機制，使得去中心化的自利節(jié)點能夠主動參與提供制造服務(wù)，使區(qū)塊鏈穩(wěn)定運行。

4.2 智能合約與自動化腳本

智能合約是實現(xiàn)可編程、可自動生效的嵌入式程序化合約協(xié)議。所有加入的小微企業(yè)節(jié)點就制造 服務(wù)合約內(nèi)容和違約責(zé)任達(dá)成一致，以智能合約的形式部署在區(qū)塊鏈上，可不依賴任何中心機構(gòu)自動代表各簽署方執(zhí)行合約。

5. 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的多形態(tài)制造服務(wù)社群構(gòu)型與動態(tài)演化

5.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的多形態(tài)制造服務(wù)社群構(gòu)型

根據(jù)實際應(yīng)用場景和需求，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的企業(yè)自組織制造服務(wù)社群可分為3種應(yīng)用構(gòu)型模式， 即公共服務(wù)區(qū)塊鏈（Public Service Blockchain）、共同體服務(wù)區(qū)塊鏈（Consortium Service Blockchain）和私有服務(wù)區(qū)塊鏈（Private Service Blockchain）。

5.1.1 公共服務(wù)區(qū)塊鏈

公共服務(wù)區(qū)塊鏈?zhǔn)峭耆ブ行幕膮^(qū)塊鏈，由加密數(shù)字經(jīng)濟(jì)維護(hù)安全，由基于PoW貢獻(xiàn)的經(jīng)濟(jì)激勵驅(qū)動運行，分布式系統(tǒng)的任何節(jié)點均可參與鏈上制造服務(wù)交易共識過程。

5.1.2 共同體服務(wù)區(qū)塊鏈

共同體服務(wù)區(qū)塊鏈?zhǔn)遣糠秩ブ行幕蚨嘀行幕膮^(qū)塊鏈，適用于多個實體如園區(qū)或集團(tuán)構(gòu)成的組 織或聯(lián)盟，其共識過程受到預(yù)定義的一組節(jié)點控制， 生成區(qū)塊需要獲得預(yù)選的共識小微企業(yè)節(jié)點中的一 定數(shù)量以上的節(jié)點確認(rèn)。

5.1.3 私有服務(wù)區(qū)塊鏈

私有服務(wù)區(qū)塊鏈則是完全中心化的區(qū)塊鏈，適用于企業(yè)的內(nèi)部數(shù)據(jù)管理等，其寫入權(quán)限由中心機構(gòu)控制，而讀取權(quán)限可視需求有選擇性地對外開放。因為規(guī)則柔性大、效率高、權(quán)限保護(hù)容易實現(xiàn)，私有區(qū)塊鏈更適合單個企業(yè)內(nèi)部所用。

其中，由于去中心化程度不同，共同體 、服務(wù)區(qū)塊鏈和私有服務(wù)區(qū)塊鏈可能不完全符合區(qū)塊鏈運行模型，因此不需要設(shè)計經(jīng)濟(jì)激勵。

5.2 制造服務(wù)社群動態(tài)演化

制造服務(wù)社群的創(chuàng)成是一個動態(tài)演化的過程。社群化制造通過產(chǎn)品大規(guī)模個性化需求驅(qū)動的社群組織整合產(chǎn)消者的制造能力與服務(wù)以建立個性化的產(chǎn)品。產(chǎn)品的開發(fā)需要經(jīng)過一群產(chǎn)消者的協(xié)作， 并涉及到一系列的制造服務(wù)的協(xié)調(diào)。

5.2.1 制造服務(wù)社群的創(chuàng)成與動態(tài)演變過程。它包括5個階段，即資源社群、價值社群、共 信社群、合作社群和利益社群。

5.2.2 制造服務(wù)社群的特點

1.產(chǎn)品制造驅(qū)動的專長互補的產(chǎn)消者聚合和制造資源優(yōu)化配置；2.以產(chǎn)品制造過程自組織，隨著產(chǎn)品的生命周期產(chǎn)生和消亡；3.制造服務(wù)社群的總體演化趨勢是經(jīng)濟(jì)利益驅(qū)動的成員群體公共信任的增強。社群在自適應(yīng)發(fā)展的過程中最終達(dá)到一個產(chǎn)業(yè)鏈共識，在區(qū)塊鏈技術(shù)的支撐下，最終形成一個自組織生產(chǎn)協(xié)作的生態(tài)系統(tǒng)。

6. 基于Ethereum區(qū)塊鏈技術(shù)的企業(yè)自組織制造服務(wù)社群構(gòu)建

示例性地構(gòu)建一個面向社群化制造企業(yè)自組織服務(wù)社群的分布式應(yīng)用（Decentr- alized APPlication，DAPP）。在基礎(chǔ)Ethereum環(huán)境層，采用基于Python語言實現(xiàn)所有Ethereum節(jié)點 Internet網(wǎng)絡(luò)交互。智能合約的編寫語言選用流行且穩(wěn)定的Solidity語言，可用于支持小微企業(yè)群進(jìn)行制造服務(wù)社群自組織。

智能合約的自動化和可編程特性使其可封裝分布式區(qū)塊鏈系統(tǒng)中各制 造服務(wù)節(jié)點的交互與交易行為，成為基于區(qū)塊鏈 的企業(yè)自組織制造服務(wù)社群中的軟件代理，支撐各類分布式人工智能系統(tǒng)應(yīng)用，使得基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建各類去中心化應(yīng)用DAPP和去中心化自組織成為可能。智能合約執(zhí)行過程的第一步是服務(wù)供需匹配的協(xié)議定義， 第二步是服務(wù)交易的確認(rèn)規(guī)則定義，在前兩步的智能合約層次的制造服務(wù)交易共識達(dá)成的基礎(chǔ)上，下一步就是基于智能合約的去中心化的應(yīng)用程序DAPP的開發(fā)。

7. 結(jié)論

本文采用的區(qū)塊鏈技術(shù)是實現(xiàn)社群化制造自組織模式的基礎(chǔ)架構(gòu)之一，它能夠?qū)⒎植际胶腿ブ行幕Y源與需求帶給制造服務(wù)社群中的每個參與的小微企業(yè)。去中心化的區(qū)塊鏈可幫助小微企業(yè)群開展制造服務(wù)，將剩余的制造服務(wù)能力進(jìn)行計量并發(fā)布到Ethereum區(qū)塊鏈。這個過程使制造服務(wù)能力在社群范圍內(nèi)共享，提高了整體利用率的同時也給產(chǎn)消者創(chuàng)造了價值。當(dāng)前，區(qū)塊鏈應(yīng)用與制造服務(wù)社群自組織亟需解決的問題是：當(dāng)前現(xiàn)存的各類智能合約及其應(yīng)用的本質(zhì)邏輯仍是根據(jù)預(yù)定義制造服務(wù)場景的條件響應(yīng)規(guī)則，能夠滿足目前制造服務(wù)自動化交易和制造服務(wù)數(shù)據(jù)處理的需求。未來的智能合約應(yīng)具備根據(jù)制造服務(wù)交互和交易上下文的認(rèn)知和自主決策功能，從而實現(xiàn)由自動化合約向真正的智能合約轉(zhuǎn)變。