基于区块链的云制造系统内可信资源调度方案

　　摘要：针对目前云制造系统中存在的各参与主体间信任问题以及资源调度效率问题，研究将区块链技术应用于云制造系统中。首先，阐述了区块链技术应用于云制造系统的意义，提出了一种基于区块链技术的云制造系统。其次，设计了基于智能合约的制造资源调度方式，构建制造成本最小、时间最短、合格率最高的资源调度模型并用差分进化算法进行求解。最后，进行实验仿真。结果表明，基于区块链技术的智能合约内进行资源调度方法在保证了系统内各参与主体间相互信任的同时，有效的提高了云制造系统的资源调度效率和资源调度方案的优越性。

　　关键词：云制造;区块链;差分进化算法;资源调度

　　0引言

　　随着云计算技术、物联网技术和人工智能技术等高新技术的高速发展，制造业的发展也在逐渐加快，朝着更加智能化、全球化以及服务化的方向迈进。李伯虎等人率先提出一种面向服务的网络化制造新模式——云制造，该模式是一种利用网络和云制造服务平台，按客户需求组织网络上制造资源(制造云)，为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式[1]。云制造为实现生产型企业向服务型企业转型、制造资源的优化配置、资源增值与增效,进而提高企业的自主创新能力和核心竞争力,提供了新的解决思路[2]。

　　区块链论文范例：基于区块链的电力泛在业务接入网关的研究

　　然而，对安全问题的担忧将成为阻碍潜在用户使用云制造平台的主要原因之一[3]，在云制造服务模式发展的过程中依旧面临一些安全、信任及资源调度效率的问题。近年来随着区块链技术的出现引起了各个领域学者的关注，文献[4]提出通过区块链技术的分布式存储和共识机制等特性来解决企业级平台内的交易安全及信任问题。杜兰等人[5]针对智慧云制造系统存在的安全问题，提出了基于区块链的智慧云制造系统安全架构;王强等人[6]提出一种基于区块链技术的制造服务可信交易方法，设计了基于智能合约的制造服务及交易流程;郑桂龙等人[7]为了解决如今制造业中信息不透明等问题，将区块链技术融入到制造业中，提出一种智能制造区块链平台。

　　但现在云制造系统仍存在一些信任及安全问题，它们极大的限制了云制造在工业中的实际应用。目前，在现有云制造平台内资源调度效率方面，已有多名学者和专家对云制造平台内制造资源任务调度进行了研究，Cao等人[8]考虑了时间等四个因素建立了调度模型，设计了基于模糊决策的蚁群优化算法对其进行求解;李芳等人[9]研究了多目标云制造供应链选择模型，应用蝙蝠算法对模型进行量化求解;许春安等人[10]构建了云环境下代表制造资源需求企业和云平台运营方利益的多目标优化资源配置模型，并基于改进的NGSA-Ⅱ算法对模型算例进行求解;曹文颖等人[11]构建最大化服务链平均信任度、最小化完工时间和总成本的优化模型，并设计了自适应遗传退火算法求解。Lai等人[12]研究了云制造环境下混合任务的多阶段集成调度问题，包括订单优先级分配、供应商和生产流程选择以及生产线调度。

　　即使众多学者对云制造系统内资源调度进行了深入研究，在资源调度方面取得了一定的进展，但在服务模式、制造资源可信度等方面仍需进一步探索。综上所述，为解决现有云制造平台内存在的信任问题、资源调度时的信誉度模型构建信息真实性以及资源调度效率等问题，本文提出了基于区块链技术的云制造系统并重点介绍系统内主要业务流程模型;为了提高资源调度的可靠性及效率性，结合智能合约的特性，设计智能合约内资源调度模型，使用差分进化算法进行资源调度模型求解;进行实验综合对比传统云制造系统内企业间信任度不等时和基于区块链的云制造环境下企业间相互信任时对相同任务的资源调度方案。

　　1基于区块链技术的云制造系统

　　1.1区块链技术

　　区块链技术是一种建立在点对点网络上，利用链式数据结构来验证与储藏数据，利用分布式节点共识算法来生成和更新数据，同时采用密码学的方式保证数据传输和访问的安全，利用全新分布式基础架构操作数据的底层技术[6]。作为分布式账本技术的一种，区块链有其自己独特的数据存储方式，数据被打包成一个区块，按照区块的生成时间先后顺序进行连接。每个区块包含两个部分：区块头和区块主体，区块头包含上一区块的哈希值、Markle根值、时间戳和随机数等信息;区块主体包含此区块的主要交易信息。区块链技术具有可追溯、去中心化、不可窜改等优势。

　　每个区块的区块头内具有时间戳和上一区块的哈希值，从而每笔交易可通过哈希值和时间戳追溯到上一笔交易;区块链上所有区块数据的验证、记账、存储、维护和传输等过程均是基于分布式系统结构，因此形成了去中心化的可信任分布式系统[13];每个区块内区块头都会记录上一区块的哈希值，哈希值根据哈希算法得出，保证了数据的不可窜改性。区块链有私有链、联盟链和公有链三种形式[14]。根据对中心化程度的不同需求，可以选择不同的形式。

　　1.2区块链在云制造系统中应用意义

　　在现有云制造系统中，基本模式是整个系统由平台官方进行管理，企业以制造资源需求者和制造资源提供者两种身份在云制造系统内进行交易，制造成本、制造时间、服务质量、企业信誉度和制造资源是否空闲等因素都是系统在进行资源调度的时候需要考虑的问题，并且这些问题在资源调度的过程中占不同的比重和相互约束。基于现存模式云制造系统进行资源调度时存在问题主要如下：

　　1.2.1系统内各环节参与企业用户间信任问题

　　1)企业用户对平台的信任问题：现存的云制造系统中，基本采用传统的DBMS数据库由云台运营方进行数据管理，属于中心化的管理模式[15]，一旦发生系统管理员对企业信息进行恶意修改、黑客对数据进行攻击等行为会影响企业用户对云制造平台的信任度。

　　2)需求企业及服务企业间的信任问题：云制造平台各参与主体分布在各处，互相之间缺乏信息了解，平台内各用户企业的制造资源信息的真实性和可靠性得不到保障。现有的研究信誉度评估主要根据平台内企业历史合作数据[11]，平台内企业信息缺乏有效的信誉管理机制，存在一定的信任问题，如虚假发布制造资源的空闲状态信息、擅自修改企业资料信息和造假交易合作记录等，这些问题使得云制造系统对企业进行信誉评估以及企业之间的信任度评估时存在一定困难。针对各种信任问题，区块链技术作为一个分布式账本技术，链上所有的节点集体共享和维护这个数据体系保证了企业用户对平台的信息。

　　同时，区块链技术的共识机制通过多个参与企业共同验证保证了企业发布服务数据的真实可靠性，企业用户发布的数据信息需得到各个节点的同意后方可上链。平台内所有企业用户的数据及交易信息修改需要得到链上其他企业的同意后生成新的区块上链，分布式记账使得链上企业可以核实企业的制造服务资源空闲状态以及过往的平台内合作记录。

　　1.2.2资源调度效率低

　　传统云制造平台中由于制造资源配置呈现分布式结构，资源的分布状态与存量变得未知且呈现弹性变化，导致资源配置路径不断变长，资源配置效率低[16]。在现有云制造系统中进行资源调度的过程中也存在许多人为因素影响资源调度效率，如在进行资源调度时人为干扰推荐利益高的制造服务方案、延迟制造服务需求企业订单等。

　　这些客观因素及主观因素使得传统云制造平台中资源调度效率较低。将资源调度算法写入到智能合约中，一旦有订单需求时，可在实时制造资源池区块中自动执行，为服务需求方提出解决方案。整个资源调度的过程会被记录在区块链中，智能合约自动执行避免了传统云制造平台中由人为因素导致的资源配置不公平、不合理的情况;实时更新制造资源池上链和智能合约执行资源调度算法的搭配，提升了整个云制造系统中的资源调度效率。

　　2基于区块链技术的云制造系统设计

　　区块链作为移动/社交网络之后第五代计算范式，以保障信任为核心，促进交易、认证等多方面高效运行，为可靠、安全、可信的服务组合研究带来了颠覆式的创新思路[17]。将区块链技术应用到云制造系统中，解决现在云制造系统中存在的数据安全和信任问题。采用联盟链的形式，在保障了系统去中心化、信息公开的同时，使得只有云制造平台内联盟链上的企业能够有权限读取企业的相关数据，也保障了平台内企业的隐私。

　　区块链上主控节点为云制造平台，验证节点为制造行业内具有声誉的龙头企业等，它们一起构成共识节点对系统内请求上链数据进行验证。制造资源服务企业信息、制造资源服务需求企业信息、制造资源池和交易信息等链上数据存储在各个区块的交易信息内，所构成的区块链数据分布式存储在各个共识节点的数据库中。基于区块链技术的云制造系统，对现有云制造系统的信息可靠性和安全性有了改善，在此系统内的制造服务交易主要业务分为几个方面。

　　2.1企业信息上链

　　制造企业信息包含企业自身相关信息、制造资源需求信息和制造资源供应信息等，未上链的制造企业可通过区块链上其他节点同意后的可以加入到联盟链中后可发布所需的制造服务需求或提供制造服务资源，参与后续的制造服务交易;已上链的企业可通过向全网广播经过其他节点同意后修改企业相关信息从而生成新的区块。

　　3智能合约内资源调度算法模型设计

　　基于以上提出的基于区块链技术的云制造系统中，传统云制造系统中数据由云制造平台方中心化存储数据、平台内制造服务信息真实性、进行资源调度时不公开透明和存在虚假企业等信任问题得到了解决，有效的解决了传统云制造平台内企业间信任问题。在本文提出的系统中智能合约执行资源调度编码是系统内进行交易的重要部分，提高了系统的资源调度能力并且保证了资源配置的公平性。在基于区块链技术的云制造平台中进行资源调度时企业信誉度指标发生变化，再综合考虑服务成本、服务时间、运输时间、运输成本、产品合格率等因素影响。

　　区块链系统可以提供灵活的代码脚本系统,支持用户创建高级的智能合约来实现复杂功能在全网所有节点自动化和智能化的执行及部署[17]。将资源调度算法编码入到智能合约中，在制造服务需求企业发布制造服务请求后，可触发智能合约自动调用差分进化算法进行资源调度。调度完成后将资源调度方案发送至需求企业，企业同意后该订单交易信息将写入区块并进行全网广播。

　　4实验仿真

　　区块链环境是智能合约得以自动执行的基础，智能合约内代码的安全性和有效性离不开区块链的部署环境。区块链对于智能合约而言可被看做是一个执行合约的数据库，使用智能合约自动执行资源调度就是对区块链中的制造资源数据进行资源调度。为验证本文提出的在基于区块链技术的云制造系统中建立智能合约内资源调度算法模型的有效性。

　　本文引入了一个资源调度任务，该任务可分解为5个子任务，假设每个子任务在区块链中记录制造资源数据中对应匹配一定的候选制造资源。在64位的Windows操作系统中借助VisualStudio2015编译环境使用python3.7.1进行实验，使用差分进化算进行资源调度。实验通过调整企业信誉度指标来对比传统云制造系统内企业间相互信任程度不等的环境与本文所设计的基于区块链技术的云制造系统内企业间绝对信任的环境下资源调度结果。

　　5结束语

　　本文为解决云制造平台内企业间相互信任问题及资源调度问题，介绍了区块链技术的优势并将区块链技术融入到云制造系统中，设计了一种基于区块链技术的云制造系统，重点介绍了系统内主要业务流程。在此系统上，提出将资源调度算法写入到智能合约中，提高资源调度效率及安全性，并对智能合约内资源调度进行建模，采用差分进化算法进行仿真求解，实验结果表明基于区块链技术的智能合约内进行资源调度方法在保证了系统内企业信息的真实性、安全性以及可靠性的同时，可以自动完成资源调度，配置出更优的资源调度方案，有效的提高了云制造系统的可靠性和资源调度的效率。下一步工作将深入研究将区块链技术融入到云制造系统中底层物理设备的可行性及优化系统中业务流程，同时研究不同算法进行资源调度的结果，寻求最合适的算法方案设计于智能合约中，使区块链技术能尽快推广使用到云制造系统中。

　　参考文献：

　　[1]李伯虎,张霖,王时龙,等.云制造——面向服务的网络化制造新模式[J].计算机集成制造系统,2010,16(1):1-7.(LiBohu,ZhangLin,WangShilong,etal.Cloudmanufacturing:anewservice-orientednetworkedmanufacturingmodel[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems,2010,16(1):1-7.)

　　[2]陶飞,张霖,郭华,等.云制造特征及云服务组合关键问题研究[J].计算机集成制造系统,2011,17(3):477-486.(TaoFei,ZhangLin,GuoHua,etal.Typicalcharacteristicsofcloudmanufacturingandseveralkeyissuesofcloudservicecomposition[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems,2011,17(3):477-486.)

　　[3]黄爽,黄必清.云制造平台安全体系架构[J].计算机集成制造系统,2018,24(4):851-861.(HuangShuang,HuangBiqing.Securityarchitectureforcloudmanufacturingplatform[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems,2018,24(4):851-861.)

　　[4]邵奇峰,张召,朱燕超,等.企业级区块链技术综述[J].软件学报,2019,30(9):2571-2592.(ShaoQifeng,ZhangZhao,ZhuYanchao,etal.Surveyofenterpriseblockchains[J].JournalofSoftware,2019,30(9):2571-2592.)

　　作者：程友凤，李芳，陈芳

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