区块链、物联网在有色金属材料产业中的应用

2020-08-13焦磊杨志朗帅王冉

新材料产业 2020年3期

焦磊杨志朗帅王冉

1 背景

1.1 有色金属材料

材料作为国民经济先导性产业和高端制造及国防工业等的关键保障，是各国战略竞争的焦点。2018年4月，工业和信息化部、国家财政部联合印发《关于印发国家新材料产业资源共享平台建设方案的通知》提出发展目标：到2020年，围绕先进基础材料、关键战略材料和前沿新材料等重点领域和新材料产业链的各关键环节，基本形成多方共建、公益为主、高效集成的新材料产业资源共享服务生态体系[1]。

《原材料工业质量提升三年行动方案（2018—2020年）》明确指出，材料行业发展方向，其中实施质量技术攻关、推动“互联网+”质量、提升产业集群质量等要求，都可以利用区块链、物联网、智能制造、大数据等新技术，与材料产业结合实现[2]。有色金属材料产业作为材料产业中的重要组成部分，产量多年来稳步增长，2019年产量达到了5 842万t，应用领域不断扩展[3]。近年来，通过淘汰落后产能，将鼓励行业内公司不断进行技术改造，降低消耗、降低污染、降低成本，未来的产品结构将逐步向更高的附加值转变。其发展需求和发展方向，亟需通过现代制造技术，来实现提高效率、降低成本、精细化管理、加强行业协同、提高产品质量等发展目标。

1.2 区块链技术及工业物联网

2019年10月24日下午，中共中央政治局就区块链发展现状和趋势进行了第18次集体学习，习总书记强调区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用，要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口[4]。一时间，掀起了一番关于区块链技术的讨论热潮，引起了人们广泛关注。近年来，在中国大力发展信息化，转型升级的大背景下，区块链已经逐渐走向应用的舞台上，与物联网、人工智能、智能制造、5G通讯等技术一道，引领我们走向第4次工业革命。

区块链（Block Chain）技术实际上是一种多方维护、分布式存储的技术，这种技术能够有效去中心化，具有不可篡改、可追溯、高可信度、高安全性等特点[5]。利用区块的结构特点存储数据，依托共识机制，区块中的数据是通过所有参与者多方参与，共同验证并存储的，从而保证数据的真实性和可靠性，综合运用数字签名、动态加密、智能合约等技术，使用密码学的原理作为存储、读取、传输的安全性保障，利用自动交互能力判定合约生效或违约[6]。

工业物联网是以工业中设施、设备、环境等资源为数据来源，实现各个资源之间的网络互联互通、数据同步共享和系统相互操作，从而实现原材料灵活配置，制造过程整体同步管理，按照实际执行情况及时做出合理优化，以及制造环境的快速适应，最终实现资源更优化配置、生产力充分发挥、产能高效利用的新工业体系，更好适应国内外市场瞬息万变的大环境。目前工业物联网已经进入了应用成熟期，预计到2020年底，工业物联网在整体物联网产业占比将达到25%，规模将突破4 500亿元[7]。

2 有色金属材料产业现有痛点及可行方案

尽管有色金属行业发展速度较快，应用领域也逐渐扩展，但是现阶段还是存在一些行业痛点的。以下将对行业痛点和一些可行方案进行探讨。

2.1 行業痛点

2.1.1 产能过剩，绿色制造

产能过剩问题是我国有色金属行业的一个顽疾，国家对此问题也比较重视。不仅如此，有色金属行业对于能源和资源的需求巨大。以电解铝为例，一般来说，吨铝电耗在12 000～13 000kWh，而1t钢铁综合电耗约为30～50kWh，1t水泥电耗约在50～120kWh。去库存、降能耗、绿色低碳，依旧会是今后一段时间内有色金属行业的主旋律。

2.1.2 管理落后，依赖人工

国内有色金属产业管理能效水平参差不齐，并且差距较大。一些大厂已经实现了自动化生产，全流程信息化办公。但是更多的生产厂家依旧采取较为落后的管理方式。相关设备和装备的工艺参数、运行状况数据、养护数据、生产过程数据包的收集和记录，仍然以纸质载体和人工录入为主。不仅生产效率低下，且过程数据的真实性不能保证，追溯性复盘分析时，准确度不高且数据处理难度较大，不利于成本控制，严重影响生产效率以及分析各类问题的效率。长此以往，不要说产品质量的提高，质量一致性都很难保证[8]。

2.1.3 自动化、智能化水平低

国内一些铝厂已经实现了物料管理、生产计划、工艺管理、质量管理等工序采用信息化系统，实现了智能化、自动化。但是国内仍有较多企业依旧处于信息化、自动化、智能化的表层阶段，只是建立了系统和概念的普及，没有真正让这些系统充分发挥作用。生产过程仍旧处于物流低效、数据不可视化、追溯困难、进度不同步、沟通不畅的阶段，亟需提高信息化、自动化、智能化水平，且效能的提高空间较大[9]。

2.1.4 新材料研发及成果转化效率低

高校、科研院所材料学基础研究和新材料研发水平并不低，且科研效率较高，每年高影响因子论文数量以及专利数量很可观，居于世界前列。但是，目前一些前沿的材料研究比较难以落地转化，这也是材料工程面临的一个比较严重的问题。毕竟材料学是一门应用学科，研究出成果需要到企业落地，最终实现应用。究其原因，一方面高校、科研院所与企业的思考方式不同，科研往往可以不考虑成本，但是企业要考虑盈利；另一方面，材料在试验室和在生产线上是完全的2个概念，很多在试验室内的成果，成批量之后，很难在生产线上复现。因此，成果转化也需要科研人员和企业人员共同协作促成。

2.2 可行方案

2.2.1 提高效率，资源优化配置

近年来，供给侧结构性改革政策对于产能过剩问题的解决提供了很大帮助。一方面，低端过剩产能逐渐向中高端产品转型；另一方面，从粗放型转变为集约型生产方式，并根据市场需求安排产能。这需要产业链联动，上下游同步需求和产能，使得资源能够更优化配置，提高上下游各环节之间的效率。

企业内部提高信息化、智能化程度，从信息传递、生产计划、物流跟踪、设备效能、产品质量等环节都能够信息化、可视化，且上下游企业能够及时同步进度信息，及时做出调整。因此，企业应着重提高精细化管理水平，在生产自动化、信息化方向加大投入，一方面能够大幅度提高环节之间的转换效率，降低成本，减少不必要的资源消耗；另一方面，上下游协作能够有效减轻产能过剩，提高资源利用效率。

2.2.2 工艺流程精细化

可通过区块链、物联网、智能制造等新技术提高现场管理水平。通过区块链技术，能够有效保证产品的可追溯性，不仅是企业内部，在上下游也可以实现全流程追溯。利用物联网技术，在设备上加装传感器，收集过程中关键工艺参数，作为原始数据录入系统，保证数据的真实性，且可以通过图表等可视化信息，直观体现工艺执行过程中是否出现了问题，对于产品质量的追溯和提高都大有益处。此外，过程数据也可以作为企业大数据中的重要部分。

2.2.3 信息化、智能化

前文阐述，如果企业信息化落后，可能會造成物料积压、过程效能不高、资源不可有效配置等问题。因此，在生产流程中，将信息化、可视化的系统融入到生产的每个细节，贯穿于生产计划、质量记录、工艺流程卡、设备信息、质检记录、检验数据、工艺文件、环境数据等过程文件中，通过数据的收集、归纳、可视化，提高生产全过程的可操作性，及时反应各种状况，提高管理效能。数据的收集，也会作为企业重要的资料，既是历史也会引领未来。同时，也可以缩短各环节的中间过程，有效降低生产周期，降低成本。

2.2.4 行业协作，创新合作模式

除企业内部以及上下游的有效协作，同行业间也可以通过区块链的方式组成联盟，打破企业间的壁垒，实现信息共享。充分整合产业资源，加强企业间协作，充分利用各企业的特点，发挥出各方长处，形成合力，迅速提高产业水平和新材料研发能力。当然，前提是联盟应建立长效的共识机制，要共同维护好各方的核心利益，充分利用好区块链中同态加密、数字签名、智能合约等技术，保证好各企业的知识产权能够受到有效的保护，这样才能够实现长期高效的合作[10]。

3 区块链技术在有色金属材料产业中的应用

从应用形态上和参与范围上讲，区块链可以分为公有链、联盟链和私有链。公有链是完全开放的，任何人都可以随时参与进来对数据进行读取、记账、维护等。联盟链则是由若干个组织参与的区块链，每个组织都负责一个或多个节点；区块上的数据只允许联盟内的各组织读取、记账、维护等操作；组织与组织之间可以进行交易，共同记录数据；是一种介于公有链和私有链之间的区块链类型。私有链则是由某个组织控制的区块链，其大部分权限只对组织内开放，也允许组织外对数据读取，但一般附加一定程度的权限限定[11]。

在有色金属产业中，区块链可以从“纵、横”2个维度上应用。“纵”代表上下游供应链，“横”代表企业、高校、科研院所等“产、学、研、用”各方的横向合作，且更适合采用联盟链的方式应用。

3.1 纵向供应链

3.1.1 现状及构架设计

供应链是一个企业赖以生存的链条，包括原材料采购、生产、运输、加工、质量检验、包装、销售等过程。各方可能是同一个企业，也可能是不同企业。不论是不是同一个企业，目前的痛点在于常用的ERP系统、OA系统等，在各个环节可能会由于传统技术架构的问题，在适用性、同步性上或有所不足，尤其是在不同的企业间，这个问题会更加突出。此外，各环节的基础数据都有可能会由于各种各样的原因被有意或无意地篡改，所以难以达到各方完全互信。且存在被黑客攻击的风险，同样造成数据的篡改和丢失问题。这种供应链孤岛的现象，是造成各环节之间效率低下的重要因素之一。

而区块链技术的强追溯性、防篡改、同步性好等特点，刚好能够满足供应链的各项升级需求。各个环节都是一个节点，形成联盟链，该联盟需要建立在同一共识机制上，数据的增加、修改、删除等操作都需要通过智能合约，在共识机制的基础之上操作和进行，最终才能落到分布式账本上，能够大大提高各个环节节点的互信程度。其基本构架如图1所示。

3.1.2 应用优势

分布式账本的特点，能够将数据储存于所有节点中，数据的完整性不会因为单个节点受到攻击而被篡改或者遗失。同时，也能够保证数据的不可篡改性，另外结合数字签名、加密算法的技术，从共识协议层就能够避免数据的篡改，能够有效防止企业内部人员，由于各种各样的原因进行的数据修改，即使修改也能够轻松追溯到修改方，大大降低了数据被篡改的风险，加强了各方监管。此外，分布式账本使得各个节点数据能够及时有效地同步，所有节点均能看到生产、检验、物流等各个环节的数据，能够精准定位和即时掌握，能够有效提高各环节的协作效率。同时，协议层的智能合约是各方都能够达成共识的成果，符合各方利益，其即时性判定的特点，不以个人意愿为转移，能够充分保证各方之间发生交易的透明可见，保证联盟中的公平。

为了保证联盟链的持续性和有效性，可以在链中适当增加激励机制和诚信档案，做到赏罚分明。比如，可以增加诚信积分机制，根据履约次数和诚信度累计积分，根据积分的多少对企业评级。如果诚信度较高，可以提供一些优惠政策，如优先回款、优惠价格等等。链中也可以增加监管机构、政府部门，尤其是有些有色金属企业涉及贵金属交易，也可以增加贵金属交易机构，方便办理各种业务，提高办事效能。

3.1.3 信息安全

信息传递过程中，有些内容不适合链中所有节点都可看到，不可绝对透明。比如，双方的价格、转账金额、账户余额等内容，都是单方或双方企业的秘密，不可广而告之。这种情况可以通过同态加密技术保证信息安全，该技术是智能合约在各个节点中存储的“关键性数据”，并不是明文，而是通过同态加密技术加密后的密文。双方交易时，其“关键性数据”都没有经过解密，交易后存储于区块链上的数据，只有交易双方能够看到具体数据，其余各方只能看到密文，无法解密。这样既可以通过区块链技术保证可追溯性、不可篡改、透明性，也可以保证交易双方的信息安全。

3.1.4 应用实例

现阶段，区块链在供应链中的应用已经逐渐展开了，主要应用于农业、食品、物流等领域。在有色金属材料产业供应链中的应用，还处于起步阶段。中国科学技术信息研究所的叶小榕等人[12]利用区块链、物联网等新技术优势，设计开发了供应链原型系统，使得整个供应链系统更加自动化、安全可靠，便于监管。中国农业大学的白小宁等人[13]使用区块链技术建立了农产品供应链安全可溯源系统，实现全流程可感知、源头可溯源、风险可预警。武汉大学国家网络安全学院的陶启等人[14]研究了区块链技术在食品质量安全管理系统中的应用，并以大米溯源为例，构建从农田到餐桌的大米全产业链质量全息数据库。区块链技术目前在农业、食品供应链上已经逐步实现应用了，下一步将是在其他工业领域逐渐展开应用。

3.2 横向合作链

3.2.1 现状及基本构架

除了上下游供应链合作之外，同行业科研院所、各企业间也可以通过区块链技术实现区域联盟协作，合作共赢。同行业科研院所、各企业间，打破各方之間的壁垒，发挥各种机构和企业的长处，优势互补。科研院所和企业间也可以形成联盟链，除了创新商业合作模式，也可以针对新材料研发和科研生产项目进行合作，也更有利于科研成果快速有效转化（如图2所示）。

3.2.2 应用优势

项目合作可通过建立区块链，能够快速实现项目进度的同步。不论是科研项目还是产业项目，一般都需要多方参与，项目任务不仅要将项目指标完成，形成一系列成果，也要关注项目本身之外的内容，如双方的合作框架、任务分工、项目资金的花费等等。项目进行期间，各方都能够看到自己和他人的项目进度，能够及时把握，并根据实际完成情况，做出相应的调整。比如，某方由于技术难点进度滞后，而恰好存在进度超前或专业互补的资源，那么可以实现资源快速调配，有利于项目进度健康、高效地推进。如果有重大突破，也能够第一时间实现结果共享，大大提高项目研究效率。项目资金方面也是如此，可以更快、更好地实现资金使用的更优方案，实现项目效益最大化。

此外，不论是企业还是科研院所，都比较重视实验数据的收集和分析。而且数据是二十一世纪的“石油”，从国家层面的材料基因组计划，企业的大数据建设，将来的核心竞争力将会是核心数据的竞争力。因此，区块链可与大数据结合，作为企业和科研院所归集和交易数据的平台。从高校、科研院所到中试基地，再到大规模生产企业，形成新材料研发生产联盟链，上下游共同收集数据和实验结果，充分利用好区块链技术的不可篡改和强追溯性，能够提高新材料研发成果转化的效率，同时对于过程中出现的问题，也能够有据可查，提高解决问题的效率。

3.2.3 信息安全及可信度

“产、学、研、用”各方合作的过程中，有2个可能会产生的问题。其一是上文中已经提到过的信息安全的问题，同样，研发成果、实验结果、核心数据是知识产权的重要内容，在形成成果之前极易被窃取和模仿。而区块技术又是对所有节点公开的，如果缺乏保护，那么就会造成知识产权的损失。解决方法有2个，一是使用云平台，每个账户之间都有阻隔，因此不必担心自己的数据被其他节点看到；二是与上文中“关键性数据”的保护方案相同，就是使用同态加密技术，保护交易过程中的“关键数据”，此处不再赘述。

另一个问题是区块中基础数据可信度问题。由于数据绝大部分都是人为读取和输入的，所以区块链技术并不能解决基础数据的可信度问题。基础数据会因为各种各样的原因，被人为有意或无意地篡改，然而其作用，尤其是新材料研发过程和技术问题解决过程尤为关键。所以保证基础数据真实性，是区块链高效运行的重要前提。信息化、智能化工具都是作为企业管理的辅助工具，不是“万能药水”，并不能从根本上解决企业管理架构、管理水平、管理落地等环节的问题。但是，并不代表该问题没有解决方案，通过物联网来收集基础数据，不通过人工直接录入区块链系统，则能够保证所得数据的真实性。物联网技术作为区块链技术应用的重要补充，将在后文进行阐述。

3.2.4 应用实例

随着材料基因组工程以及各项重点材料国产化项目的展开，区块链技术对于“产、学、研、用”各方之间的合作需求提出了新解决方案，尤其是数据共享的应用。浙江工商大学的郑一明等人[15]提出了基于区块链技术，实现各行业、各企业之间数据共享和流通的构架，并研究了数据共享和融合的相关问题，拟通过新技术加快行业及企业协作平台的发展。西安工程大学计算机科学学院的呼阳和陈亮[16]针对企业生产制造中产生的数据收集，通过区块链技术执行智能合约实现数据节点之间数据共享，提高了生产线数据的安全性以及同步性，实现了数据的安全有效共享。此外，政府监管和政务数据共享也逐渐通过区块链技术实现整合，大大提高了办事效率。南京市信息中心的顾颖等人[17]总结介绍了南京市政府利用区块链技术在实现政务数据归集中的成果，并分析了使用区块链技术职称政务业务协同中的优势。区块链在多方协同的应用中，以政府政务应用为先行者，逐步实现行业、企业间的协同。

4 物联网

物联网在材料产业领域的应用，是使研发、生产、计量、检测等过程中的设备实现互联互通。原来通过在设备上增添各种各样的传感器，收集各过程中重要的参数数据，并将其可视化，但是数据只能为单个设备使用，并不能实现万物互联。将孤岛式的设备通过有线或者无线的方式，汇集到统一平台上，并实时同步数据，将数据可视化，可实现设备间互联互通。这样一来，可以有效降低企业成本，提高各过程的协同效率。

使用物联网可以有效避免基础数据不可靠的行业痛点。传感器收集数据，直接存储到区块中。避免了人为录入的过程，杜绝了出现基础数据录入错误或人为篡改的可能性，保证了基础数据的真实性，提升现场管理水平。并且，各企业应提高现场数据的重视程度，更积极开展现场数据的收集工作，并加以总结和应用。如果只是收集材料组织、性能等资料，而忽视制备这种材料工艺流程中的数据，那么这种材料组织和性能的复现性容易受到影响。所以，提高材料制备全流程数据的完整性，更有利于材料研发、生产、检测等全流程管理、追溯能力的提高，当然，这需要全流程上所有涉及企业的共同协作和努力。

物联网在制造业中的应用前景更为广泛，方向也比较多，相信物联网在不久的将来就能在制造业中广泛应用。北京理工大学的田艳等人[18]探讨了物联网在制造业中，生产各个环节的管理和监控中，提升智能化、信息化水平的发展对策。沈阳工程学院的年佳琪等人[19]分析工业物联网在生产过程监测系统中的应用现状和应用前景，尤其是监测系统对于生产过程管理、产品质量、环保监管等环节的应用。江苏苏金恒信息科技股份有限公司的孙茂杰[20]分析了物联网技术在钢铁企业中的应用，在生产、计量、监测等环节中的应用方法，并阐述了其技术发展的前景和应用优势。这些应用都证明了，制造业实现万物互联将大大提高各方协同效率，与区块链技术结合，使制造业的面貌焕然一新。

5 结语

区块链技术是一项新兴技术，推广和应用都需要过程，还有很长的路要走。但是从目前的市场应用来看，前景一片大好，应用领域不断扩大，细节不断深入。由于该技术能够有效缩短信任的距离，具有不可篡改、可追溯、高可信度、高安全性等特点，其应用市场和应用平台将会不断扩展。物联网已经成为关注焦点，通过万物互联，提高各环节协作效率，优化资源配置，降低成本。区块链与物联网之间的结合，可以相互弥补，相互促进，共同发展，不断应用。在不久的将来，区块链、物联网、5G、人工智能等新技术，将共同推进第4次工业革命的浪潮，共同助力中国的腾飞和世界经济的快速发展。

参考文献

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[2] 工業和信息化部，科技部，商务部，等.四部门关于印发《原材料工业质量提升三年行动方案（2018—2020年）》的通知[EB/OL].（2018—10—25）[2020—04—04].http：//www.miit.gov.cn/n1146295/n1652858/n1652930/n3757017/c6452322/content.html.

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