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title: 'Manufacturing system under I4.0 workshop based on blockchain: Research on architecture, operation mechanism and key tech'
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<讀書筆記，隨意紀錄，不保證嚴謹性>
# Manufacturing system under I4.0 workshop based on blockchain: Research on architecture, operation mechanism and key technologies
作者: Kai Ding*, Liuqun Fan, Chen Liu

School of Mechanical Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China

Computers & Industrial Engineering 2021 Vol. 161, DOI: 10.1016/j.cie.2021.107672

## 1. Introduction
研究的背景是關於智慧製造系統在工業4.0框架下的升級，以及在開放車間架構中所面臨的挑戰。文章探討了智慧車間的概念，將其視為智慧系統中重要的組成部分。同時，還討論了基於區塊鏈的智慧製造系統架構、運行機制和關鍵技術，以及如何實現製造資料的安全共用。

開放車間架構中所面臨的挑戰包括：製造資料的安全共用、製造過程的透明監控、製造資料的分散式存儲和驗證、智慧合約的自主可信觸發機制等。

**智慧車間**的概念是指將車間視為智慧系統的重要組成部分，通過整合工業4.0元件技術和區塊鏈技術，實現製造資料的安全共用、製造過程的透明監控以及智慧合約的自主可信觸發機制。這種智慧車間的概念旨在提高製造任務的執行效率，並通過資源分享來更好地協調製造過程。

本研究旨在解決智慧製造系統中的關鍵問題，包括但不限於：
1. 製造資料的安全共用和透明監控：通過區塊鏈技術實現製造資料的安全存儲和共用，以及製造過程的即時監控和追溯。
2. 製造任務的執行效率和智慧觸發機制：通過智慧合約和區塊鏈技術實現製造任務的自主可信觸發，提高執行效率和準確性。
3. 製造過程的分散式存儲和驗證：利用區塊鏈的分散式帳本特性，實現製造過程資料的分散式存儲和驗證，確保資料的可信性和不可篡改性。


文中提及的區塊鏈與工業4.0元件的相關研究主要包括以下幾個方面：
1. 區塊鏈在工業應用中的研究：許多研究探討了區塊鏈在工業應用中的潛在價值，以及如何利用區塊鏈技術改善工業生產過程中的資料安全、可信性和透明度。這些研究關注區塊鏈在供應鏈管理、生產過程追溯、資料共用等方面的應用。
2. 工業4.0元件的標準化建設：針對工業4.0元件的數位化資訊，研究對其標準化建設進行了探討。這些研究旨在為工業4.0元件的數位化資訊建設提供技術支援，以實現工業生產過程的智慧化和互聯互通。
3. 技術整合與實現挑戰：研究還指出，儘管區塊鏈和工業4.0元件各自具有獨特的優勢，但在實際應用中存在諸多挑戰，如區塊鏈的共識速度和可擴展性等問題，以及如何有效整合這兩種技術以實現智慧製造系統的挑戰。

這些研究為區塊鏈與工業4.0元件的整合應用提供了理論基礎和技術支援，同時也指出了在實際應用中需要解決的問題和挑戰。

## 2. 基於區塊鏈的工業4.0車間系統概念與架構

### 2.1 區塊鏈架構
基於區塊鏈的智慧製造系統架構主要包括以下幾個類型：
1. 金融交易鏈（FTC）：涉及整個訂單生命週期中的數位貨幣交易，如材料採購、批量外包、成品交付等。
2. 服務供應鏈（SSC）：涉及供應商和需求方在處理訂單事件中的一系列活動，如業務談判、供應商選擇等。
3. 車間製造鏈（Workshop Manufacturing Chain, WMC）：基於服務供應鏈中雙方達成的共識，轉化為智慧合約，組織一系列驗證和製造活動，以確保製造元素、生產行為、製造規則等符合服務和合同規範。通常是聯盟鏈。

### 2.2 智慧合約製造系統服務(SCMSS)

SCMSS是智慧合約製造系統服務的核心技術，具有以下特點：

1. 自動執行：MSC是一種數位協定，可以根據車間製造規則自動執行，無需人工干預，提高了製造任務的執行效率和準確性。
2. 可程式設計性：MSC可以通過演算法和程式進行程式設計，具有完整的圖靈性和成熟的編譯技術，可以根據車間製造規則進行程式設計和驗證。
3. 安全性：SCMSS提供了資料和資訊之間的安全性和不可篡改性，確保了製造資料的安全存儲和共用，以及製造過程的即時監控和追溯。
4. 可信性：SCMSS通過智慧合約和區塊鏈技術實現製造任務的自主可信觸發，提高了執行效率和準確性，同時也確保了製造資料的可信性和不可篡改性。

綜上所述，SCMSS具有自動執行、可程式設計性、安全性和可信性等特點，是智慧製造系統中不可或缺的核心技術。

![image](https://hackmd.io/_uploads/r1_yX2l5p.png)

上圖的架構呈現了細節：
- DS = 需求端
- SCMSS中包含
    - MSC = 製造智慧合約，MSC作為智慧製造系統中的核心技術，具有多方面的細節特徵，包括合同環境、區塊鏈基本環境、任務監督與控制、智慧推理和決策等功能。他包含
        1. 製造合同環境：MSC負責準備、執行和轉移供應商和需求方的製造智慧合約。它將任務要素、生產計畫、程序控制等車間活動整合到智慧合約中。
            - Application Layer：應用層是智慧合約系統的上層，提供了MSC的身份驗證、介面許可權等功能，為供應商和需求方提供了智慧合約的身份驗證和介面許可權。應用層還提供了智慧合約的部署、執行和監控等功能，以確保智慧合約的順利執行和監督。
            - Function Layer：功能層是智慧合約系統的下層，主要負責監督和控制整個製造過程。MSC在功能層中獨立監控製造過程和資料，並根據異常情況做出相應決策。功能層還提供了任務要素、生產計畫、程序控制和異常處理等功能，以確保製造任務的順利執行和監督。
            
            MSC（Manufacturing Smart Contract）的編碼具有以下特點： 
            1. “If-then”邏輯：目前大多數MSC根據“如果-那麼”的邏輯模式編碼合同條款和交互規則。這種邏輯模式使得智慧合約能夠根據特定規則自動執行，從而實現自動化的任務執行和監督。 
            2. Turing完備性：MSC具有圖靈完備性，這意味著它具有足夠的計算能力來處理各種複雜的任務和邏輯，從而能夠應對多樣化的製造場景和需求。 
            3. 成熟的編譯技術：MSC的執行邏輯採用成熟的編譯技術，例如Solidity語言，這有利於確保智慧合約的穩定執行和可靠性。
            4. 未來發展趨勢：除了目前的“if-then”模式，未來MSC還將具備“what-if”智慧推理、計算實驗和未知場景下的自主決策功能。這將使得MSC能夠通過大資料分析自動觸發推理，實現即時回饋和動態調整製造計畫。 
                        
            >綜上所述，MSC的編碼特色包括“if-then”邏輯、Turing完備性、成熟的編譯技術以及未來發展的智慧推理和決策功能。這些特點使得MSC能夠適應複雜的製造環境，並實現自動化的任務執行和監督。

        2. 區塊鏈基本環境：作為製造區塊鏈技術的基礎，MSC提供了可靠的運行環境。它支持智慧合同的起草、編輯和操作，並具有環境安全和簡單執行的特點。
        3. 任務監督與控制：MSC覆蓋了智慧合約的整個生命週期的監督和控制。供需雙方通過共識簽署智慧合約，管理和控制任務要素、生產計畫、程序控制和異常處理。
        4. 智慧推理和決策：MSC具有“如果-那麼”模式的智慧合約編碼功能，未來還將具備“假設-實驗”、未知場景下的自主決策等功能，包括通過大資料分析進行自動觸發推理，即時回饋和動態調整車間計畫。
        5. 任務準備階段合同、任務執行過程合同、任務執行結束合同和異常合同：MSC在任務發佈過程中，需求方將製造要素和製造過程寫入智慧合約，作為需求合同。在任務執行過程中，MSC獨立監控製造要素的即時情況，並根據異常情況做出相應決策。


## 3. 實作技術

![image](https://hackmd.io/_uploads/B11rURg96.png)



在文章中提到了對需求進行靈活調整的方法。具體來說，研究中討論了供應商的車間可以根據計畫需求獨立觸發執行的情況，以及需求方期望即時監控車間狀態和實際加工技術的資料，並且車間在任務執行過程中不得擅自更改這些資料。這表明研究考慮了對需求的靈活調整，並強調了對車間執行過程的即時監控和資料的不可篡改性。

製造區塊資料結構的特點主要包括以下幾個方面： 
1. 區塊鏈技術的應用：製造區塊資料結構採用區塊鏈技術，具有去中心化、不可篡改、安全可靠等特點，可以確保製造過程中資料的安全性和可信度。 
2. 數據的多樣性：製造區塊資料結構可以存儲各種類型的資料，包括任務要素、生產計畫、程序控制和異常處理等資料，可以滿足製造過程中各種資料的存儲和管理需求。 
3. 數據的可追溯性：製造區塊資料結構可以記錄製造過程中的每一個環節和資料變化，可以實現資料的可追溯性，方便對製造過程進行監督和管理。 
4. 資料的共用性：製造區塊資料結構可以實現資料的共用，不同的參與方可以共同訪問和管理資料，提高了製造過程中的協作效率和資料的可靠性。 
5. 資料的安全性：製造區塊資料結構採用加密技術，可以確保資料的安全性，防止資料被篡改或洩露。

通過AAS可以對設備進行身份驗證和管理的過程如下： 
1. 設備註冊：首先，設備需要在AAS中進行註冊，註冊過程中會為設備分配唯一的識別字，通常是數位化的設備識別字或者設備ID。 
2. 設備資訊描述：註冊後，設備需要在AAS中進行資訊描述，包括設備的基本資訊、功能描述、技術參數、生產能力等。這些資訊將被存儲在AAS中，構成設備的資訊模型。 
3. 存取控制：AAS可以設置存取控制策略，定義哪些實體有權訪問設備的資訊和功能。這些存取控制策略可以基於角色、許可權、身份驗證等進行定義。 
4. 身份驗證：當其他設備或系統需要與該設備進行交互時，首先需要進行身份驗證。AAS可以通過設備的唯一識別碼和存取控制策略對請求進行驗證，確保請求的合法性。 
5. 資料交換：經過身份驗證後，設備可以在AAS的管理下進行資料交換，包括接收指令、傳輸資料、共用資訊等。 
6. 運行監控：AAS可以對設備的運行狀態進行監控和管理，包括設備的工作狀態、運行參數、故障診斷等。

![image](https://hackmd.io/_uploads/B1UL81Wqp.png)


## 4. 驗證
本文主要從技術實現的角度，提出了基於設備層AAS區塊鏈的分散式認證模型，並通過案例研究對該模型進行了驗證。

具體來說，本文通過對天文望遠鏡鏡片製造過程的案例研究，驗證了該模型在製造過程中的身份驗證、資料交換、資料管理和許可權控制等方面的可行性和有效性。同時，本文還對製造區塊資料結構的特點、I4.0工作坊系統架構、設備管理和控制等方面進行了探討和分析，為製造業的智慧化發展提供了重要的技術支援和參考。

在本文中，Case 1和Case 2是不同的。它們代表了不同的案例研究，用於驗證基於設備層AAS區塊鏈的分散式認證模型在不同情境下的應用和有效性。

Case 1涉及了整合MES系統的運行框架，主要關注任務的發佈、製造智慧合約的簽署、製造過程的自動觸發和執行、以及資料的即時監控等方面。

而Case 2則描述了從加工單元作為區塊鏈驗證節點的具體工作原理，涉及了乙太坊的操作機制、虛擬交易的類比、AAS資訊模型的構建和驗證資料的即時傳輸等方面。

![image](https://hackmd.io/_uploads/SkhYIJWq6.png)



## 主要貢獻

這篇論文的主要貢獻包括以下幾個方面： 
1. 提出了基於區塊鏈的I4.0車間技術架構：論文提出了一種新的基於區塊鏈的工業4.0車間技術架構，將車間服務系統與I4.0元件技術、區塊鏈分散式帳本技術和智慧合約技術相結合，為解決製造業中的問題提供了完整的技術框架。 
2. 研究了區塊鏈車間的操作流程和製造區塊資料結構：論文對區塊鏈車間的操作流程和製造區塊資料結構進行了深入研究，為實現智慧製造提供了技術支援。 
3. 設計了基於設備層AAS區塊鏈的分散式認證模型：論文設計了基於設備層AAS區塊鏈的分散式認證模型，為製造過程中的身份驗證和資料安全提供了解決方案。 
4. 開發了原型驗證系統並進行了驗證：論文選擇了代表性的驗證源，開發了原型驗證系統並進行了驗證，驗證了所提出的技術架構的可行性。