基于區塊鏈的云制造系統內可信資源調度方案

　　摘要：針對目前云制造系統中存在的各參與主體間信任問題以及資源調度效率問題，研究將區塊鏈技術應用于云制造系統中。首先，闡述了區塊鏈技術應用于云制造系統的意義，提出了一種基于區塊鏈技術的云制造系統。其次，設計了基于智能合約的制造資源調度方式，構建制造成本最小、時間最短、合格率最高的資源調度模型并用差分進化算法進行求解。最后，進行實驗仿真。結果表明，基于區塊鏈技術的智能合約內進行資源調度方法在保證了系統內各參與主體間相互信任的同時，有效的提高了云制造系統的資源調度效率和資源調度方案的優越性。

　　關鍵詞：云制造;區塊鏈;差分進化算法;資源調度

　　0引言

　　隨著云計算技術、物聯網技術和人工智能技術等高新技術的高速發展，制造業的發展也在逐漸加快，朝著更加智能化、全球化以及服務化的方向邁進。李伯虎等人率先提出一種面向服務的網絡化制造新模式——云制造，該模式是一種利用網絡和云制造服務平臺，按客戶需求組織網絡上制造資源(制造云)，為用戶提供各類按需制造服務的一種網絡化制造新模式[1]。云制造為實現生產型企業向服務型企業轉型、制造資源的優化配置、資源增值與增效,進而提高企業的自主創新能力和核心競爭力,提供了新的解決思路[2]。

　　區塊鏈論文范例：基于區塊鏈的電力泛在業務接入網關的研究

　　然而，對安全問題的擔憂將成為阻礙潛在用戶使用云制造平臺的主要原因之一[3]，在云制造服務模式發展的過程中依舊面臨一些安全、信任及資源調度效率的問題。近年來隨著區塊鏈技術的出現引起了各個領域學者的關注，文獻[4]提出通過區塊鏈技術的分布式存儲和共識機制等特性來解決企業級平臺內的交易安全及信任問題。杜蘭等人[5]針對智慧云制造系統存在的安全問題，提出了基于區塊鏈的智慧云制造系統安全架構;王強等人[6]提出一種基于區塊鏈技術的制造服務可信交易方法，設計了基于智能合約的制造服務及交易流程;鄭桂龍等人[7]為了解決如今制造業中信息不透明等問題，將區塊鏈技術融入到制造業中，提出一種智能制造區塊鏈平臺。

　　但現在云制造系統仍存在一些信任及安全問題，它們極大的限制了云制造在工業中的實際應用。目前，在現有云制造平臺內資源調度效率方面，已有多名學者和專家對云制造平臺內制造資源任務調度進行了研究，Cao等人[8]考慮了時間等四個因素建立了調度模型，設計了基于模糊決策的蟻群優化算法對其進行求解;李芳等人[9]研究了多目標云制造供應鏈選擇模型，應用蝙蝠算法對模型進行量化求解;許春安等人[10]構建了云環境下代表制造資源需求企業和云平臺運營方利益的多目標優化資源配置模型，并基于改進的NGSA-Ⅱ算法對模型算例進行求解;曹文穎等人[11]構建最大化服務鏈平均信任度、最小化完工時間和總成本的優化模型，并設計了自適應遺傳退火算法求解。Lai等人[12]研究了云制造環境下混合任務的多階段集成調度問題，包括訂單優先級分配、供應商和生產流程選擇以及生產線調度。

　　即使眾多學者對云制造系統內資源調度進行了深入研究，在資源調度方面取得了一定的進展，但在服務模式、制造資源可信度等方面仍需進一步探索。綜上所述，為解決現有云制造平臺內存在的信任問題、資源調度時的信譽度模型構建信息真實性以及資源調度效率等問題，本文提出了基于區塊鏈技術的云制造系統并重點介紹系統內主要業務流程模型;為了提高資源調度的可靠性及效率性，結合智能合約的特性，設計智能合約內資源調度模型，使用差分進化算法進行資源調度模型求解;進行實驗綜合對比傳統云制造系統內企業間信任度不等時和基于區塊鏈的云制造環境下企業間相互信任時對相同任務的資源調度方案。

　　1基于區塊鏈技術的云制造系統

　　1.1區塊鏈技術

　　區塊鏈技術是一種建立在點對點網絡上，利用鏈式數據結構來驗證與儲藏數據，利用分布式節點共識算法來生成和更新數據，同時采用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全，利用全新分布式基礎架構操作數據的底層技術[6]。作為分布式賬本技術的一種，區塊鏈有其自己獨特的數據存儲方式，數據被打包成一個區塊，按照區塊的生成時間先后順序進行連接。每個區塊包含兩個部分：區塊頭和區塊主體，區塊頭包含上一區塊的哈希值、Markle根值、時間戳和隨機數等信息;區塊主體包含此區塊的主要交易信息。區塊鏈技術具有可追溯、去中心化、不可竄改等優勢。

　　每個區塊的區塊頭內具有時間戳和上一區塊的哈希值，從而每筆交易可通過哈希值和時間戳追溯到上一筆交易;區塊鏈上所有區塊數據的驗證、記賬、存儲、維護和傳輸等過程均是基于分布式系統結構，因此形成了去中心化的可信任分布式系統[13];每個區塊內區塊頭都會記錄上一區塊的哈希值，哈希值根據哈希算法得出，保證了數據的不可竄改性。區塊鏈有私有鏈、聯盟鏈和公有鏈三種形式[14]。根據對中心化程度的不同需求，可以選擇不同的形式。

　　1.2區塊鏈在云制造系統中應用意義

　　在現有云制造系統中，基本模式是整個系統由平臺官方進行管理，企業以制造資源需求者和制造資源提供者兩種身份在云制造系統內進行交易，制造成本、制造時間、服務質量、企業信譽度和制造資源是否空閑等因素都是系統在進行資源調度的時候需要考慮的問題，并且這些問題在資源調度的過程中占不同的比重和相互約束。基于現存模式云制造系統進行資源調度時存在問題主要如下：

　　1.2.1系統內各環節參與企業用戶間信任問題

　　1)企業用戶對平臺的信任問題：現存的云制造系統中，基本采用傳統的DBMS數據庫由云臺運營方進行數據管理，屬于中心化的管理模式[15]，一旦發生系統管理員對企業信息進行惡意修改、黑客對數據進行攻擊等行為會影響企業用戶對云制造平臺的信任度。

　　2)需求企業及服務企業間的信任問題：云制造平臺各參與主體分布在各處，互相之間缺乏信息了解，平臺內各用戶企業的制造資源信息的真實性和可靠性得不到保障。現有的研究信譽度評估主要根據平臺內企業歷史合作數據[11]，平臺內企業信息缺乏有效的信譽管理機制，存在一定的信任問題，如虛假發布制造資源的空閑狀態信息、擅自修改企業資料信息和造假交易合作記錄等，這些問題使得云制造系統對企業進行信譽評估以及企業之間的信任度評估時存在一定困難。針對各種信任問題，區塊鏈技術作為一個分布式賬本技術，鏈上所有的節點集體共享和維護這個數據體系保證了企業用戶對平臺的信息。

　　同時，區塊鏈技術的共識機制通過多個參與企業共同驗證保證了企業發布服務數據的真實可靠性，企業用戶發布的數據信息需得到各個節點的同意后方可上鏈。平臺內所有企業用戶的數據及交易信息修改需要得到鏈上其他企業的同意后生成新的區塊上鏈，分布式記賬使得鏈上企業可以核實企業的制造服務資源空閑狀態以及過往的平臺內合作記錄。

　　1.2.2資源調度效率低

　　傳統云制造平臺中由于制造資源配置呈現分布式結構，資源的分布狀態與存量變得未知且呈現彈性變化，導致資源配置路徑不斷變長，資源配置效率低[16]。在現有云制造系統中進行資源調度的過程中也存在許多人為因素影響資源調度效率，如在進行資源調度時人為干擾推薦利益高的制造服務方案、延遲制造服務需求企業訂單等。

　　這些客觀因素及主觀因素使得傳統云制造平臺中資源調度效率較低。將資源調度算法寫入到智能合約中，一旦有訂單需求時，可在實時制造資源池區塊中自動執行，為服務需求方提出解決方案。整個資源調度的過程會被記錄在區塊鏈中，智能合約自動執行避免了傳統云制造平臺中由人為因素導致的資源配置不公平、不合理的情況;實時更新制造資源池上鏈和智能合約執行資源調度算法的搭配，提升了整個云制造系統中的資源調度效率。

　　2基于區塊鏈技術的云制造系統設計

　　區塊鏈作為移動/社交網絡之后第五代計算范式，以保障信任為核心，促進交易、認證等多方面高效運行，為可靠、安全、可信的服務組合研究帶來了顛覆式的創新思路[17]。將區塊鏈技術應用到云制造系統中，解決現在云制造系統中存在的數據安全和信任問題。采用聯盟鏈的形式，在保障了系統去中心化、信息公開的同時，使得只有云制造平臺內聯盟鏈上的企業能夠有權限讀取企業的相關數據，也保障了平臺內企業的隱私。

　　區塊鏈上主控節點為云制造平臺，驗證節點為制造行業內具有聲譽的龍頭企業等，它們一起構成共識節點對系統內請求上鏈數據進行驗證。制造資源服務企業信息、制造資源服務需求企業信息、制造資源池和交易信息等鏈上數據存儲在各個區塊的交易信息內，所構成的區塊鏈數據分布式存儲在各個共識節點的數據庫中。基于區塊鏈技術的云制造系統，對現有云制造系統的信息可靠性和安全性有了改善，在此系統內的制造服務交易主要業務分為幾個方面。

　　2.1企業信息上鏈

　　制造企業信息包含企業自身相關信息、制造資源需求信息和制造資源供應信息等，未上鏈的制造企業可通過區塊鏈上其他節點同意后的可以加入到聯盟鏈中后可發布所需的制造服務需求或提供制造服務資源，參與后續的制造服務交易;已上鏈的企業可通過向全網廣播經過其他節點同意后修改企業相關信息從而生成新的區塊。

　　3智能合約內資源調度算法模型設計

　　基于以上提出的基于區塊鏈技術的云制造系統中，傳統云制造系統中數據由云制造平臺方中心化存儲數據、平臺內制造服務信息真實性、進行資源調度時不公開透明和存在虛假企業等信任問題得到了解決，有效的解決了傳統云制造平臺內企業間信任問題。在本文提出的系統中智能合約執行資源調度編碼是系統內進行交易的重要部分，提高了系統的資源調度能力并且保證了資源配置的公平性。在基于區塊鏈技術的云制造平臺中進行資源調度時企業信譽度指標發生變化，再綜合考慮服務成本、服務時間、運輸時間、運輸成本、產品合格率等因素影響。

　　區塊鏈系統可以提供靈活的代碼腳本系統,支持用戶創建高級的智能合約來實現復雜功能在全網所有節點自動化和智能化的執行及部署[17]。將資源調度算法編碼入到智能合約中，在制造服務需求企業發布制造服務請求后，可觸發智能合約自動調用差分進化算法進行資源調度。調度完成后將資源調度方案發送至需求企業，企業同意后該訂單交易信息將寫入區塊并進行全網廣播。

　　4實驗仿真

　　區塊鏈環境是智能合約得以自動執行的基礎，智能合約內代碼的安全性和有效性離不開區塊鏈的部署環境。區塊鏈對于智能合約而言可被看做是一個執行合約的數據庫，使用智能合約自動執行資源調度就是對區塊鏈中的制造資源數據進行資源調度。為驗證本文提出的在基于區塊鏈技術的云制造系統中建立智能合約內資源調度算法模型的有效性。

　　本文引入了一個資源調度任務，該任務可分解為5個子任務，假設每個子任務在區塊鏈中記錄制造資源數據中對應匹配一定的候選制造資源。在64位的Windows操作系統中借助VisualStudio2015編譯環境使用python3.7.1進行實驗，使用差分進化算進行資源調度。實驗通過調整企業信譽度指標來對比傳統云制造系統內企業間相互信任程度不等的環境與本文所設計的基于區塊鏈技術的云制造系統內企業間絕對信任的環境下資源調度結果。

　　5結束語

　　本文為解決云制造平臺內企業間相互信任問題及資源調度問題，介紹了區塊鏈技術的優勢并將區塊鏈技術融入到云制造系統中，設計了一種基于區塊鏈技術的云制造系統，重點介紹了系統內主要業務流程。在此系統上，提出將資源調度算法寫入到智能合約中，提高資源調度效率及安全性，并對智能合約內資源調度進行建模，采用差分進化算法進行仿真求解，實驗結果表明基于區塊鏈技術的智能合約內進行資源調度方法在保證了系統內企業信息的真實性、安全性以及可靠性的同時，可以自動完成資源調度，配置出更優的資源調度方案，有效的提高了云制造系統的可靠性和資源調度的效率。下一步工作將深入研究將區塊鏈技術融入到云制造系統中底層物理設備的可行性及優化系統中業務流程，同時研究不同算法進行資源調度的結果，尋求最合適的算法方案設計于智能合約中，使區塊鏈技術能盡快推廣使用到云制造系統中。

　　參考文獻：

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　　作者：程友鳳，李芳，陳芳

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