基于区块链技术的制造社群去中心化构建方法

本文来源：冷杰武, 江平宇, 刘加军, 陈庆新, & 刘强. (2017). 区块链技术驱动的产消者自组织产品制造社群构建. 广东工业大学学报, 34(05), 1-9

针对中心化管理平台不再适用一些产消者围绕新兴的开放式和开源式产品形成的自组织社群化制造网络的问题，提出了基于区块链技术的制造社群去中心化构建方法；分析了面向制造社群的区块链配置与运行方法，包括分布式节点共识算法、智能合约、多形态构型以及社群动态演化等；开发了一个基于Ethereum区块链技术的产消者自组织社群分布式应用原型，并验证了方法的可行性。

新兴的开放式和开源式产品（如 RepRap开源3D打印机）的制造网络往往是由地位均等的产消者（一般为小微企业）自组织而成。 由 于知识产权、数据保密及信用机制等原因，一些中心化的管理平台不再适用这种组织模式。当前自组织模式下的服务交易往往是通过在市场自然调解作用下的线下点对点直接交互的方式进行，缺少一些辅助方法和工具。当前新的制造模式概念也依赖于中心化平台、服务器系统与统一管控模型。

传统网络化制造模型出现以问题的根本原因在于其互联与组织一般都停留在应用层表面， 而仅仅是借鉴社交媒介等信息互联方式不能改变底 层设备互联和制造逻辑根本。

针对传统点对点方案的安全与信任机制问题， 区块链技术在网络节点之间创建一种相互共享的分布式数字账簿（Decentralized Shared Ledger）来记录交 互。区块链技术在分布式系统中实现了基于去中心化信用的点对点交易、协调与协作，从而为中心化平台普遍存在的高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供了解决方案。

采用区块链技术模型来构造社群化制造模式下的小微企业自组织结构，这个模型的重建不是仅在应用层面， 而是从底层企业互联与组织逻辑展开；从而使得分布式的小微企业可以去中心化互联，避免因一个服务节点的失效而破坏大规模制造网络的运行。

1. 相关研究进展

区块链是通过分布式存储的记忆和感知，支持分布式节点动态协作完成复杂的任务，具有典型的自组织性和自适应性。在区块链上建造智能合约可以实现以共识为基础的交易协议；去中心化是区块链理论的核心价值所在。

区块链是分布式社会系统的自然建模，为社群化制造提供了一套行之有效的去中心化的数 据结构、交互机制和计算范式。将区块链与自治的智能合约引入到社群自组织中，可通过线上线下互动和调谐，实现去中心化的决策协同优化。

制造社群中开放式协同产品开发的实质是以满足个性化需求为目标的一种群体决策过程；在该过 程中，产消者按照社群共识以制造服务的方式交换供需，最终形成个性化产品。

当前产消者在Cyber层面缺乏辅助决策方法，大多社 群存在于以互联网为基础的各个社交媒介中，缺少直接支撑工具来明确、维持、进化群体规范与共识，因此本文引入了区块链模型到社群化制造自组织过程中，在此环境基础上如何设计共识算法和智能合约以支持制造社群进行有效的利益协调是一个本文 所关注的问题。

2. 基于区块链的自组织社群构建逻辑

本文提出了基于区块链技术的制造服务自组织逻辑：装备被企业以服务节点的形式在一个制造服务区块链网络中注册，它们在服务需求 被匹配后通过为产消者提供服务力来获得收入；产消者通过区块链支付虚拟币，虚拟币可以通过交易平台进行市场化交易。

区块链技术解决了不同企业间的利益冲突，它提供了一个合约标准，让每个企业有平等的权益，通过建立动态的社群将传统的串行生产方式转变为并行的自组织模式，从而有效地实现了制造资源整合效率的提升。基于区块链技术的制造服务应用前提条件是形成共识的制造服务力计算与交易体系。

基于区块链技术的服务自组织包括有两个层 次：一是数据登记，区块链具有可信、可追溯的特点， 因此可作为可靠的分布式数据库来记录各种制造服 务全生命周期过程信息；二是制造服务自组织， 区块链技术提供灵活的脚本代码系统，支持用户在区块 链的应用层构建满足不同需求的分布式应用 （Decentralized APP，DAPP）来辅助支持小微企业自组 织过程中的信息发布，供需匹配，交易与信用评估等活动。

3. 面向社群的区块链基础模型配置

面向小微企业自组织制造服务社群的区块链基础架构模型由数据区块层、网络共识层、 合约激励层和分布应用层组成。

3.1 数据区块层封装了数据区块以及数据加密和时间戳等技术。数据层作为区块链底层虚拟机承担数据表示与加密功能，以支持上层的数据传播和数据验证功能。

3.2 网络共识层包括分布式组网、数据传播、数据验证以及封装网络的共识算法等。

3.3 合约激励层包括经济激励的制造服务需求发 布、匹配与交易机制及其各类智能合约脚本和算法。

3.4 分布应用层封装了区块链的各种可编程制造服 务应用场景和案例，包括需求发布、服务力评估、供需匹配、服务交易等。

4. 面向企业自组织服务社群的区块链运行方法

关键问题是建立经济激励的统一协议，汇聚大规模的小微企业节点参与并形成对区块链历史的稳定共识。

4.1 分布式节点共识算法

区块链共识过程本质上是一个制造服务的任务众包过程，需设计合理的激励相容的制造服务交易共识机制，使得去中心化的自利节点能够主动参与提供制造服务，使区块链稳定运行。

4.2 智能合约与自动化脚本

智能合约是实现可编程、可自动生效的嵌入式程序化合约协议。所有加入的小微企业节点就制造 服务合约内容和违约责任达成一致，以智能合约的形式部署在区块链上，可不依赖任何中心机构自动代表各签署方执行合约。

5. 基于区块链技术的多形态制造服务社群构型与动态演化

5.1 基于区块链技术的多形态制造服务社群构型

根据实际应用场景和需求，基于区块链技术的企业自组织制造服务社群可分为3种应用构型模式， 即公共服务区块链（Public Service Blockchain）、共同体服务区块链（Consortium Service Blockchain）和私有服务区块链（Private Service Blockchain）。

5.1.1 公共服务区块链

公共服务区块链是完全去中心化的区块链，由加密数字经济维护安全，由基于PoW贡献的经济激励驱动运行，分布式系统的任何节点均可参与链上制造服务交易共识过程。

5.1.2 共同体服务区块链

共同体服务区块链是部分去中心化或多中心化的区块链，适用于多个实体如园区或集团构成的组 织或联盟，其共识过程受到预定义的一组节点控制， 生成区块需要获得预选的共识小微企业节点中的一 定数量以上的节点确认。

5.1.3 私有服务区块链

私有服务区块链则是完全中心化的区块链，适用于企业的内部数据管理等，其写入权限由中心机构控制，而读取权限可视需求有选择性地对外开放。因为规则柔性大、效率高、权限保护容易实现，私有区块链更适合单个企业内部所用。

其中，由于去中心化程度不同，共同体 、服务区块链和私有服务区块链可能不完全符合区块链运行模型，因此不需要设计经济激励。

5.2 制造服务社群动态演化

制造服务社群的创成是一个动态演化的过程。社群化制造通过产品大规模个性化需求驱动的社群组织整合产消者的制造能力与服务以建立个性化的产品。产品的开发需要经过一群产消者的协作， 并涉及到一系列的制造服务的协调。

5.2.1 制造服务社群的创成与动态演变过程。它包括5个阶段，即资源社群、价值社群、共 信社群、合作社群和利益社群。

5.2.2 制造服务社群的特点

1.产品制造驱动的专长互补的产消者聚合和制造资源优化配置；2.以产品制造过程自组织，随着产品的生命周期产生和消亡；3.制造服务社群的总体演化趋势是经济利益驱动的成员群体公共信任的增强。社群在自适应发展的过程中最终达到一个产业链共识，在区块链技术的支撑下，最终形成一个自组织生产协作的生态系统。

6. 基于Ethereum区块链技术的企业自组织制造服务社群构建

示例性地构建一个面向社群化制造企业自组织服务社群的分布式应用（Decentr- alized APPlication，DAPP）。在基础Ethereum环境层，采用基于Python语言实现所有Ethereum节点 Internet网络交互。智能合约的编写语言选用流行且稳定的Solidity语言，可用于支持小微企业群进行制造服务社群自组织。

智能合约的自动化和可编程特性使其可封装分布式区块链系统中各制 造服务节点的交互与交易行为，成为基于区块链 的企业自组织制造服务社群中的软件代理，支撑各类分布式人工智能系统应用，使得基于区块链技术构建各类去中心化应用DAPP和去中心化自组织成为可能。智能合约执行过程的第一步是服务供需匹配的协议定义， 第二步是服务交易的确认规则定义，在前两步的智能合约层次的制造服务交易共识达成的基础上，下一步就是基于智能合约的去中心化的应用程序DAPP的开发。

7. 结论

本文采用的区块链技术是实现社群化制造自组织模式的基础架构之一，它能够将分布式和去中心化资源与需求带给制造服务社群中的每个参与的小微企业。去中心化的区块链可帮助小微企业群开展制造服务，将剩余的制造服务能力进行计量并发布到Ethereum区块链。这个过程使制造服务能力在社群范围内共享，提高了整体利用率的同时也给产消者创造了价值。当前，区块链应用与制造服务社群自组织亟需解决的问题是：当前现存的各类智能合约及其应用的本质逻辑仍是根据预定义制造服务场景的条件响应规则，能够满足目前制造服务自动化交易和制造服务数据处理的需求。未来的智能合约应具备根据制造服务交互和交易上下文的认知和自主决策功能，从而实现由自动化合约向真正的智能合约转变。