一种基于区块链的分布式 3D 协同制造管理系统论文

 

　　关键词：区块链,协同制造,分布式制造,多属性拍卖

 

 

　　“智能制造+网络协同”作为未来制造新模式的发展趋势，已经受到各国各界的广泛关注[1]，我国已经把“互联网+协同制造”和“中国制造2025”作为国家重大战略。制造业在大数据、物联网等信息技术的驱动下向网络化、协同化和服务化的方向发展，用户个性化定制以及对产品设计、产品体验等全程参与的需求呈现爆发式增长[2]。3D打印技术作为一种快速成型技术，在协同制造领域中的应用也愈发广泛，它覆盖领域广泛，在军工[3]、医疗[4]等行业中都有广泛使用。协同制造技术有效优化了3D打印技术中的数据协同，使其能充分发挥定制化服务的特性[5]。随着分布式3D打印平台的构建，物理空间上相互隔离的生产点互相合作，进一步提高了定制化生产的效率[6]。然而，现存的结合分布式制造的3D协同制造系统存在分布设备易受篡改攻击、打印网络平台处理大数量节点能力有限、没有完善的节点任务分配计划[7]的问题。

 

　　区块链是一种分布式数据库系统，可在所有同意参与上链的成员之间实现高效安全的数据共享，并有效保护各参与方的安全[8]。区块链本身具有去中心化、可追溯、高透明度等优点，这与分布式协同制造的思想是相互契合的，故将区块链融入制造业成为值得研究的重要内容[9]。在工业4.0及区块链技术高速发展的背景下，通过区块链共享方式，构建将生产信息保存在防篡改的分布账本中，为分布协同制造模式建立和维护信任的问题提供了一个很有前途的解决方案[10]，但目前还不存在针对以单个打印机为节点的区块链生产网络。结合分布式制造的特点，本系统中将以单个打印机作为最小节点加入区块链中，区块链将为系统中所有操作作存证，保证打印请求不被篡改，特定打印节点如果被恶意攻击也能通过链上账本及时察觉篡改、并恢复。同时该架构可以为所有参与者提供一定的安全保障，由于传统协同控制系统中心网络的存在，会出现平台管理方欺骗打印交易双方的情况[11]，现实中曾出现的“蛋壳公寓”事件就是平台方对交易双方进行欺骗从而获利的实际案例。而区块链中的智能合约技术有效限制了平台方的权利，规范了所有链上可执行的活动，因此如何设计一套基于智能合约及web技术的链上链下合作控制机制，保护该系统中所有打印机可以被合理调用，打印请求方的特殊打印需求能有效满足是非常必要的。最后，在传统3D打印系统中，打印用户打印需求往往复杂、特殊性高，并且由于分布式打印节点情况多变[12]，打印请求方无法根据需要选择合适的节点进行打印，打印提供方也难以根据打印请求给出合理的价格，故系统需要根据多方属性、考虑双方利益提供合适的任务分配方法。

 

　　国内外对区块链结合协同制造技术研究比较充分，整体呈现服务化、信任化和去第三方化的特点。主要解决3个方面问题：多方参与的交易中的信任问题；数据公开透明可追溯的业务问题；用户的隐私保护问题[13]。王玺瑞等[14]研究了基于区块链的服装产业协同制造溯源问题，结合区块链的数据结构（Merkle Tree）、点对点分布式网络以及gossip算法，通过共识算法使链上的节点就交易达成共识，实现去中心化，并提出一种基于区块链的服装产业协同制造的溯源系统，根据链上交易广播机制，所有生产数据将被加密后同步到各个节点。保护服装制造中生产数据不被篡改；Tao等[15]提出一种基于区块链的物联网智能制造系统信任机制，通过区块链数据公开、共识机制，找到了一个安全数据结构，可以支持制造商之间的协作。智能合约可以提供一种协作机制，让不受信任的参与实体可以与受信任的实体一起工作。

 

　　针对以上存在的如何构建平台、链上链下设备控制困难、打印节点如何合理任务分配并获利的问题，本文基于区块链、跨链协同技术、逆拍卖模型等技术，基于以上分析与考虑，研究基于区块链的3D打印协同制造策略，在实现对3D打印节点安全控制并合理保护其权利的前提下，实现打印任务的高效分配并使各参与方获得合理的利益。

 

 

　　区块链作为一种分布式网络系统，与分布式制造环境具有较高的契合度[16]，在制造领域中区块链主要运用在网络制造数据的保护[17]，在设备协同制造中，设备的信息透明管理也是其中重要的应用[18]。因此，本文设计了基于区块链的分布式制造设备架构。

 

　　本文的目的是提出一种基于区块链的分布式3D协同制造管理系统。该系统可以帮助3D打印协同参与的各用户之间在保证个人数据权利、打印任务可追溯的前提下，实现各分布打印节点间合作完成打印任务，并通过智能合约及协调模型设计优化分布式打印协同中存在的节点非法调用和数据篡改等问题，在提高安全性的同时优化协调效率。图1展示了基于区块链的3D打印协同制造平台总体框架，该框架垂直分为用户层、应用层、网络层和物理层，其中网络层分为区块链网络层和链下网络数据层。

 

 

 

　　物理层作为该系统的底层部分，它包括该系统中打印机、传感器、材料保管和人员。从左到右为分布式打印机设备管理，该系统中每个打印机作为单独节点加入链中，通过身份码识别对应设备，网络获得分布设备控制权，并向对应设备发放打印命令及打印G代码；物理信息管理，该部分通过传感器、摄像头等物理设备获得打印生产情况，通过对应身份码上传至链上或链下网络；生产模型及材料管理，该部分负责打印材料和打印好的模型管理，通过链上订单和链下实物相对应，实现追溯；第三方运输，该部分负责执行调度命令，每次调度订单与链上数据绑定，实现调度可追溯。

 

 

　　网络层分为链上网络层和链下网络数据层，负责该系统数据分析及传递保护，包括区块链结构、数字孪生数据和网络空间。链下网络数据层包括对应打印节点的分布网络及数据处理网络部分，负责将链上信息分析处理后生成控制命令，放发到对应的分布节点；与用户层进行互动，处理用户方的请求；同时处理物理层信息，加密后上转到区块链上，提供链下网络数据传输、数学模型分析优化、放发设备控制命令。区块链网络层负责保存加密信息、交易信息、生成打印命令。需注意，链下网络层无法单独执行打印操作，必须在区块链网络下达操作指令后才能执行。

       1.3应用层

 

　　应用层为参与的利益相关者提供决策支持系统和可视化工具，包括客户、打印机、匹配员、平台维护方。这些服务由基于智能合约和Web技术的区块链浏览器开发提供，该部分包括4个应用目的：打印控制界面允许客户上传订单选择合适的打印机器；数据监控界面允许客户监视打印情况，包括完成时间、任务分配、物流情况；模型G代码管理界面，允许各参与方对系统中已有打印模型进行管理，包括调用、上传、删除模型；打印节点服务界面，允许平台及第三运维方结合打印机情况进行实体维护和产品调用。应用层通过链下网络数据层与区块链网络层交互。

       1.4用户层

 

　　用户层为该系统主要参与方，是关键利益参与者，主要包括：（1）有打印需求的用户方；（2）可以提供服务并希望获得打印收益的打印机提供方；（3）负责维护该系统正常运行的平台维护方；（4）运送模型及原料的第三运维方。

 

 

 

　　目前协同制造技术，主要集中在工业互联网领域[19]，区块链在其中主要用于设备控制信息的透明和追溯[20]。本文结合区块链公开账本技术和链下网络的高效传输，设计该协作方案。

 

　　图2所示为该系统中链上链下设备协作方法，解决如何通过区块链链上数据控制特定打印设备的问题。该协作由链上数据、打印节点端、用户端3个部分组成。

 

　　链上数据为所有分布节点上传到链上的数据，遵循链上智能合约进行处理，部分以节点作为划分，每台打印机有自己的身份识别码，通过hash加密后和其打印数据保存在链上数据库内，所有节点数据通过json格式进行保存。数据内容包括每个节点的工作状态、存储的打印文件、执行的打印队列、加密后的执行打印工作的网络接口和关键标签符号。该数据保存在链上所有节点内，对所有成员公开，又由于区块链去中心化防篡改特性，保证了链上数据的真实可靠，在防止可能出现的恶意攻击、篡改命令的同时，保护了参与节点方的权利。

 

　　打印节点端为接收链上数据并进行反馈、执行操作的部分，分为链上节点和链下网络部分。在用户端通过网络接口向链下网络部分发送打印请求后，打印节点立刻检查链上数据更新情况，若链上对应的打印标签有与打印请求相符合的变化，则执行打印任务，并允许用户IP访问该节点链下数据层，进行数据监控，否则取消该任务，关闭该用户IP访问权限。同时打印节点可根据自身情况向链上更新数据。

 

　　客户用户端为有打印需求的用户提供加入调用的入口，负责在完成交易后发布打印请求，为用户通过网络接口访问对应打印节点进行链下数据监控。用户通过该端可查询链上打印节点数据情况。该端在用户方的打印请求经过数学分析后会向链上对应的打印节点的数字标签发出修改命令，并向该节点对应的链下网络端发送打印请求，该节点通过对链下信息和链上数据双方的确认后才会执行打印操作。

 

　　图3所示为链下传递打印用3D模型的流程。由于区块链传递信息能力有限，用户方上传打印用3D模型后将先生成交易凭证，该凭证同时发给区块链和对应打印节点链下端，区块链通过智能合约检验该交易是否合法，通过后向打印节点链下端发送接收请求，打印节点在收到交易请求和接收请求后进行检测，通过后将开始接收用户方的3D打印模型。

       2.2打印任务分配模型

 

　　多属性逆向拍卖原指竞价者之间多次在价格和其他属性进行谈判，来获得投标人的选择的一种拍卖方式，它相比传统拍卖模式综合考虑多种属性如产品质量、生产效率等，而非单一的价格，具有明确清晰的评分函数和更为广泛的用途。基于上述两点，本文研究多属性逆向拍卖环境下，综合考虑各打印节点工作能力及打印请求的需求的任务分配模型，以达到提高整体协同工作效率，提高各打印节点使用率，并使交易双方获得最大利益的目的。流程如图4所示。