基于區(qū)塊鏈的云制造系統(tǒng)內(nèi)可信資源調(diào)度方案

　　摘要：針對(duì)目前云制造系統(tǒng)中存在的各參與主體間信任問題以及資源調(diào)度效率問題，研究將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于云制造系統(tǒng)中。首先，闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于云制造系統(tǒng)的意義，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)。其次，設(shè)計(jì)了基于智能合約的制造資源調(diào)度方式，構(gòu)建制造成本最小、時(shí)間最短、合格率最高的資源調(diào)度模型并用差分進(jìn)化算法進(jìn)行求解。最后，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。結(jié)果表明，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約內(nèi)進(jìn)行資源調(diào)度方法在保證了系統(tǒng)內(nèi)各參與主體間相互信任的同時(shí)，有效的提高了云制造系統(tǒng)的資源調(diào)度效率和資源調(diào)度方案的優(yōu)越性。

　　關(guān)鍵詞：云制造;區(qū)塊鏈;差分進(jìn)化算法;資源調(diào)度

　　0引言

　　隨著云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和人工智能技術(shù)等高新技術(shù)的高速發(fā)展，制造業(yè)的發(fā)展也在逐漸加快，朝著更加智能化、全球化以及服務(wù)化的方向邁進(jìn)。李伯虎等人率先提出一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式——云制造，該模式是一種利用網(wǎng)絡(luò)和云制造服務(wù)平臺(tái)，按客戶需求組織網(wǎng)絡(luò)上制造資源(制造云)，為用戶提供各類按需制造服務(wù)的一種網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[1]。云制造為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)型企業(yè)向服務(wù)型企業(yè)轉(zhuǎn)型、制造資源的優(yōu)化配置、資源增值與增效,進(jìn)而提高企業(yè)的自主創(chuàng)新能力和核心競(jìng)爭力,提供了新的解決思路[2]。

　　區(qū)塊鏈論文范例：基于區(qū)塊鏈的電力泛在業(yè)務(wù)接入網(wǎng)關(guān)的研究

　　然而，對(duì)安全問題的擔(dān)憂將成為阻礙潛在用戶使用云制造平臺(tái)的主要原因之一[3]，在云制造服務(wù)模式發(fā)展的過程中依舊面臨一些安全、信任及資源調(diào)度效率的問題。近年來隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)引起了各個(gè)領(lǐng)域?qū)W者的關(guān)注，文獻(xiàn)[4]提出通過區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式存儲(chǔ)和共識(shí)機(jī)制等特性來解決企業(yè)級(jí)平臺(tái)內(nèi)的交易安全及信任問題。杜蘭等人[5]針對(duì)智慧云制造系統(tǒng)存在的安全問題，提出了基于區(qū)塊鏈的智慧云制造系統(tǒng)安全架構(gòu);王強(qiáng)等人[6]提出一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的制造服務(wù)可信交易方法，設(shè)計(jì)了基于智能合約的制造服務(wù)及交易流程;鄭桂龍等人[7]為了解決如今制造業(yè)中信息不透明等問題，將區(qū)塊鏈技術(shù)融入到制造業(yè)中，提出一種智能制造區(qū)塊鏈平臺(tái)。

　　但現(xiàn)在云制造系統(tǒng)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(yè)中的實(shí)際應(yīng)用。目前，在現(xiàn)有云制造平臺(tái)內(nèi)資源調(diào)度效率方面，已有多名學(xué)者和專家對(duì)云制造平臺(tái)內(nèi)制造資源任務(wù)調(diào)度進(jìn)行了研究，Cao等人[8]考慮了時(shí)間等四個(gè)因素建立了調(diào)度模型，設(shè)計(jì)了基于模糊決策的蟻群優(yōu)化算法對(duì)其進(jìn)行求解;李芳等人[9]研究了多目標(biāo)云制造供應(yīng)鏈選擇模型，應(yīng)用蝙蝠算法對(duì)模型進(jìn)行量化求解;許春安等人[10]構(gòu)建了云環(huán)境下代表制造資源需求企業(yè)和云平臺(tái)運(yùn)營方利益的多目標(biāo)優(yōu)化資源配置模型，并基于改進(jìn)的NGSA-Ⅱ算法對(duì)模型算例進(jìn)行求解;曹文穎等人[11]構(gòu)建最大化服務(wù)鏈平均信任度、最小化完工時(shí)間和總成本的優(yōu)化模型，并設(shè)計(jì)了自適應(yīng)遺傳退火算法求解。Lai等人[12]研究了云制造環(huán)境下混合任務(wù)的多階段集成調(diào)度問題，包括訂單優(yōu)先級(jí)分配、供應(yīng)商和生產(chǎn)流程選擇以及生產(chǎn)線調(diào)度。

　　即使眾多學(xué)者對(duì)云制造系統(tǒng)內(nèi)資源調(diào)度進(jìn)行了深入研究，在資源調(diào)度方面取得了一定的進(jìn)展，但在服務(wù)模式、制造資源可信度等方面仍需進(jìn)一步探索。綜上所述，為解決現(xiàn)有云制造平臺(tái)內(nèi)存在的信任問題、資源調(diào)度時(shí)的信譽(yù)度模型構(gòu)建信息真實(shí)性以及資源調(diào)度效率等問題，本文提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)并重點(diǎn)介紹系統(tǒng)內(nèi)主要業(yè)務(wù)流程模型;為了提高資源調(diào)度的可靠性及效率性，結(jié)合智能合約的特性，設(shè)計(jì)智能合約內(nèi)資源調(diào)度模型，使用差分進(jìn)化算法進(jìn)行資源調(diào)度模型求解;進(jìn)行實(shí)驗(yàn)綜合對(duì)比傳統(tǒng)云制造系統(tǒng)內(nèi)企業(yè)間信任度不等時(shí)和基于區(qū)塊鏈的云制造環(huán)境下企業(yè)間相互信任時(shí)對(duì)相同任務(wù)的資源調(diào)度方案。

　　1基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)

　　1.1區(qū)塊鏈技術(shù)

　　區(qū)塊鏈技術(shù)是一種建立在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)上，利用鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與儲(chǔ)藏?cái)?shù)據(jù)，利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來生成和更新數(shù)據(jù)，同時(shí)采用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全，利用全新分布式基礎(chǔ)架構(gòu)操作數(shù)據(jù)的底層技術(shù)[6]。作為分布式賬本技術(shù)的一種，區(qū)塊鏈有其自己獨(dú)特的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式，數(shù)據(jù)被打包成一個(gè)區(qū)塊，按照區(qū)塊的生成時(shí)間先后順序進(jìn)行連接。每個(gè)區(qū)塊包含兩個(gè)部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊主體，區(qū)塊頭包含上一區(qū)塊的哈希值、Markle根值、時(shí)間戳和隨機(jī)數(shù)等信息;區(qū)塊主體包含此區(qū)塊的主要交易信息。區(qū)塊鏈技術(shù)具有可追溯、去中心化、不可竄改等優(yōu)勢(shì)。

　　每個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊頭內(nèi)具有時(shí)間戳和上一區(qū)塊的哈希值，從而每筆交易可通過哈希值和時(shí)間戳追溯到上一筆交易;區(qū)塊鏈上所有區(qū)塊數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、記賬、存儲(chǔ)、維護(hù)和傳輸?shù)冗^程均是基于分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，因此形成了去中心化的可信任分布式系統(tǒng)[13];每個(gè)區(qū)塊內(nèi)區(qū)塊頭都會(huì)記錄上一區(qū)塊的哈希值，哈希值根據(jù)哈希算法得出，保證了數(shù)據(jù)的不可竄改性。區(qū)塊鏈有私有鏈、聯(lián)盟鏈和公有鏈三種形式[14]。根據(jù)對(duì)中心化程度的不同需求，可以選擇不同的形式。

　　1.2區(qū)塊鏈在云制造系統(tǒng)中應(yīng)用意義

　　在現(xiàn)有云制造系統(tǒng)中，基本模式是整個(gè)系統(tǒng)由平臺(tái)官方進(jìn)行管理，企業(yè)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(tǒng)內(nèi)進(jìn)行交易，制造成本、制造時(shí)間、服務(wù)質(zhì)量、企業(yè)信譽(yù)度和制造資源是否空閑等因素都是系統(tǒng)在進(jìn)行資源調(diào)度的時(shí)候需要考慮的問題，并且這些問題在資源調(diào)度的過程中占不同的比重和相互約束�；�于現(xiàn)存模式云制造系統(tǒng)進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)存在問題主要如下：

　　1.2.1系統(tǒng)內(nèi)各環(huán)節(jié)參與企業(yè)用戶間信任問題

　　1)企業(yè)用戶對(duì)平臺(tái)的信任問題：現(xiàn)存的云制造系統(tǒng)中，基本采用傳統(tǒng)的DBMS數(shù)據(jù)庫由云臺(tái)運(yùn)營方進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，屬于中心化的管理模式[15]，一旦發(fā)生系統(tǒng)管理員對(duì)企業(yè)信息進(jìn)行惡意修改、黑客對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行攻擊等行為會(huì)影響企業(yè)用戶對(duì)云制造平臺(tái)的信任度。

　　2)需求企業(yè)及服務(wù)企業(yè)間的信任問題：云制造平臺(tái)各參與主體分布在各處，互相之間缺乏信息了解，平臺(tái)內(nèi)各用戶企業(yè)的制造資源信息的真實(shí)性和可靠性得不到保障�，F(xiàn)有的研究信譽(yù)度評(píng)估主要根據(jù)平臺(tái)內(nèi)企業(yè)歷史合作數(shù)據(jù)[11]，平臺(tái)內(nèi)企業(yè)信息缺乏有效的信譽(yù)管理機(jī)制，存在一定的信任問題，如虛假發(fā)布制造資源的空閑狀態(tài)信息、擅自修改企業(yè)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(tǒng)對(duì)企業(yè)進(jìn)行信譽(yù)評(píng)估以及企業(yè)之間的信任度評(píng)估時(shí)存在一定困難。針對(duì)各種信任問題，區(qū)塊鏈技術(shù)作為一個(gè)分布式賬本技術(shù)，鏈上所有的節(jié)點(diǎn)集體共享和維護(hù)這個(gè)數(shù)據(jù)體系保證了企業(yè)用戶對(duì)平臺(tái)的信息。

　　同時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)的共識(shí)機(jī)制通過多個(gè)參與企業(yè)共同驗(yàn)證保證了企業(yè)發(fā)布服務(wù)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性，企業(yè)用戶發(fā)布的數(shù)據(jù)信息需得到各個(gè)節(jié)點(diǎn)的同意后方可上鏈。平臺(tái)內(nèi)所有企業(yè)用戶的數(shù)據(jù)及交易信息修改需要得到鏈上其他企業(yè)的同意后生成新的區(qū)塊上鏈，分布式記賬使得鏈上企業(yè)可以核實(shí)企業(yè)的制造服務(wù)資源空閑狀態(tài)以及過往的平臺(tái)內(nèi)合作記錄。

　　1.2.2資源調(diào)度效率低

　　傳統(tǒng)云制造平臺(tái)中由于制造資源配置呈現(xiàn)分布式結(jié)構(gòu)，資源的分布狀態(tài)與存量變得未知且呈現(xiàn)彈性變化，導(dǎo)致資源配置路徑不斷變長，資源配置效率低[16]。在現(xiàn)有云制造系統(tǒng)中進(jìn)行資源調(diào)度的過程中也存在許多人為因素影響資源調(diào)度效率，如在進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)人為干擾推薦利益高的制造服務(wù)方案、延遲制造服務(wù)需求企業(yè)訂單等。

　　這些客觀因素及主觀因素使得傳統(tǒng)云制造平臺(tái)中資源調(diào)度效率較低。將資源調(diào)度算法寫入到智能合約中，一旦有訂單需求時(shí)，可在實(shí)時(shí)制造資源池區(qū)塊中自動(dòng)執(zhí)行，為服務(wù)需求方提出解決方案。整個(gè)資源調(diào)度的過程會(huì)被記錄在區(qū)塊鏈中，智能合約自動(dòng)執(zhí)行避免了傳統(tǒng)云制造平臺(tái)中由人為因素導(dǎo)致的資源配置不公平、不合理的情況;實(shí)時(shí)更新制造資源池上鏈和智能合約執(zhí)行資源調(diào)度算法的搭配，提升了整個(gè)云制造系統(tǒng)中的資源調(diào)度效率。

　　2基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　區(qū)塊鏈作為移動(dòng)/社交網(wǎng)絡(luò)之后第五代計(jì)算范式，以保障信任為核心，促進(jìn)交易、認(rèn)證等多方面高效運(yùn)行，為可靠、安全、可信的服務(wù)組合研究帶來了顛覆式的創(chuàng)新思路[17]。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到云制造系統(tǒng)中，解決現(xiàn)在云制造系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)安全和信任問題。采用聯(lián)盟鏈的形式，在保障了系統(tǒng)去中心化、信息公開的同時(shí)，使得只有云制造平臺(tái)內(nèi)聯(lián)盟鏈上的企業(yè)能夠有權(quán)限讀取企業(yè)的相關(guān)數(shù)據(jù)，也保障了平臺(tái)內(nèi)企業(yè)的隱私。

　　區(qū)塊鏈上主控節(jié)點(diǎn)為云制造平臺(tái)，驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)為制造行業(yè)內(nèi)具有聲譽(yù)的龍頭企業(yè)等，它們一起構(gòu)成共識(shí)節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)請(qǐng)求上鏈數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。制造資源服務(wù)企業(yè)信息、制造資源服務(wù)需求企業(yè)信息、制造資源池和交易信息等鏈上數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在各個(gè)區(qū)塊的交易信息內(nèi)，所構(gòu)成的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)在各個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)庫中�；�于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)，對(duì)現(xiàn)有云制造系統(tǒng)的信息可靠性和安全性有了改善，在此系統(tǒng)內(nèi)的制造服務(wù)交易主要業(yè)務(wù)分為幾個(gè)方面。

　　2.1企業(yè)信息上鏈

　　制造企業(yè)信息包含企業(yè)自身相關(guān)信息、制造資源需求信息和制造資源供應(yīng)信息等，未上鏈的制造企業(yè)可通過區(qū)塊鏈上其他節(jié)點(diǎn)同意后的可以加入到聯(lián)盟鏈中后可發(fā)布所需的制造服務(wù)需求或提供制造服務(wù)資源，參與后續(xù)的制造服務(wù)交易;已上鏈的企業(yè)可通過向全網(wǎng)廣播經(jīng)過其他節(jié)點(diǎn)同意后修改企業(yè)相關(guān)信息從而生成新的區(qū)塊。

　　3智能合約內(nèi)資源調(diào)度算法模型設(shè)計(jì)

　　基于以上提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)中，傳統(tǒng)云制造系統(tǒng)中數(shù)據(jù)由云制造平臺(tái)方中心化存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、平臺(tái)內(nèi)制造服務(wù)信息真實(shí)性、進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)不公開透明和存在虛假企業(yè)等信任問題得到了解決，有效的解決了傳統(tǒng)云制造平臺(tái)內(nèi)企業(yè)間信任問題。在本文提出的系統(tǒng)中智能合約執(zhí)行資源調(diào)度編碼是系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行交易的重要部分，提高了系統(tǒng)的資源調(diào)度能力并且保證了資源配置的公平性。在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造平臺(tái)中進(jìn)行資源調(diào)度時(shí)企業(yè)信譽(yù)度指標(biāo)發(fā)生變化，再綜合考慮服務(wù)成本、服務(wù)時(shí)間、運(yùn)輸時(shí)間、運(yùn)輸成本、產(chǎn)品合格率等因素影響。

　　區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以提供靈活的代碼腳本系統(tǒng),支持用戶創(chuàng)建高級(jí)的智能合約來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜功能在全網(wǎng)所有節(jié)點(diǎn)自動(dòng)化和智能化的執(zhí)行及部署[17]。將資源調(diào)度算法編碼入到智能合約中，在制造服務(wù)需求企業(yè)發(fā)布制造服務(wù)請(qǐng)求后，可觸發(fā)智能合約自動(dòng)調(diào)用差分進(jìn)化算法進(jìn)行資源調(diào)度。調(diào)度完成后將資源調(diào)度方案發(fā)送至需求企業(yè)，企業(yè)同意后該訂單交易信息將寫入?yún)^(qū)塊并進(jìn)行全網(wǎng)廣播。

　　4實(shí)驗(yàn)仿真

　　區(qū)塊鏈環(huán)境是智能合約得以自動(dòng)執(zhí)行的基礎(chǔ)，智能合約內(nèi)代碼的安全性和有效性離不開區(qū)塊鏈的部署環(huán)境。區(qū)塊鏈對(duì)于智能合約而言可被看做是一個(gè)執(zhí)行合約的數(shù)據(jù)庫，使用智能合約自動(dòng)執(zhí)行資源調(diào)度就是對(duì)區(qū)塊鏈中的制造資源數(shù)據(jù)進(jìn)行資源調(diào)度。為驗(yàn)證本文提出的在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)中建立智能合約內(nèi)資源調(diào)度算法模型的有效性。

　　本文引入了一個(gè)資源調(diào)度任務(wù)，該任務(wù)可分解為5個(gè)子任務(wù)，假設(shè)每個(gè)子任務(wù)在區(qū)塊鏈中記錄制造資源數(shù)據(jù)中對(duì)應(yīng)匹配一定的候選制造資源。在64位的Windows操作系統(tǒng)中借助VisualStudio2015編譯環(huán)境使用python3.7.1進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，使用差分進(jìn)化算進(jìn)行資源調(diào)度。實(shí)驗(yàn)通過調(diào)整企業(yè)信譽(yù)度指標(biāo)來對(duì)比傳統(tǒng)云制造系統(tǒng)內(nèi)企業(yè)間相互信任程度不等的環(huán)境與本文所設(shè)計(jì)的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)內(nèi)企業(yè)間絕對(duì)信任的環(huán)境下資源調(diào)度結(jié)果。

　　5結(jié)束語

　　本文為解決云制造平臺(tái)內(nèi)企業(yè)間相互信任問題及資源調(diào)度問題，介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢(shì)并將區(qū)塊鏈技術(shù)融入到云制造系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的云制造系統(tǒng)，重點(diǎn)介紹了系統(tǒng)內(nèi)主要業(yè)務(wù)流程。在此系統(tǒng)上，提出將資源調(diào)度算法寫入到智能合約中，提高資源調(diào)度效率及安全性，并對(duì)智能合約內(nèi)資源調(diào)度進(jìn)行建模，采用差分進(jìn)化算法進(jìn)行仿真求解，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智能合約內(nèi)進(jìn)行資源調(diào)度方法在保證了系統(tǒng)內(nèi)企業(yè)信息的真實(shí)性、安全性以及可靠性的同時(shí)，可以自動(dòng)完成資源調(diào)度，配置出更優(yōu)的資源調(diào)度方案，有效的提高了云制造系統(tǒng)的可靠性和資源調(diào)度的效率。下一步工作將深入研究將區(qū)塊鏈技術(shù)融入到云制造系統(tǒng)中底層物理設(shè)備的可行性及優(yōu)化系統(tǒng)中業(yè)務(wù)流程，同時(shí)研究不同算法進(jìn)行資源調(diào)度的結(jié)果，尋求最合適的算法方案設(shè)計(jì)于智能合約中，使區(qū)塊鏈技術(shù)能盡快推廣使用到云制造系統(tǒng)中。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]李伯虎,張霖,王時(shí)龍,等.云制造——面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)化制造新模式[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2010,16(1):1-7.(LiBohu,ZhangLin,WangShilong,etal.Cloudmanufacturing:anewservice-orientednetworkedmanufacturingmodel[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems,2010,16(1):1-7.)

　　[2]陶飛,張霖,郭華,等.云制造特征及云服務(wù)組合關(guān)鍵問題研究[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2011,17(3):477-486.(TaoFei,ZhangLin,GuoHua,etal.Typicalcharacteristicsofcloudmanufacturingandseveralkeyissuesofcloudservicecomposition[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems,2011,17(3):477-486.)

　　[3]黃爽,黃必清.云制造平臺(tái)安全體系架構(gòu)[J].計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng),2018,24(4):851-861.(HuangShuang,HuangBiqing.Securityarchitectureforcloudmanufacturingplatform[J].ComputerIntegratedManufacturingSystems,2018,24(4):851-861.)

　　[4]邵奇峰,張召,朱燕超,等.企業(yè)級(jí)區(qū)塊鏈技術(shù)綜述[J].軟件學(xué)報(bào),2019,30(9):2571-2592.(ShaoQifeng,ZhangZhao,ZhuYanchao,etal.Surveyofenterpriseblockchains[J].JournalofSoftware,2019,30(9):2571-2592.)

　　作者：程友鳳，李芳，陳芳

轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來自發(fā)表學(xué)術(shù)論文網(wǎng)：http:///jjlw/26069.html