区块链与制造业转型升级：应用前景与挑战

夏 择 民

(中共温州市委党校，浙江 温州 325000)

一、问题提出与文献综述

制造业作为国民经济的主体，其转型升级历来受各国重视。为回答制造业如何转型升级，德国2011年率先提出“工业4.0”战略[1]。此后美国的“工业互联网”、韩国的“制造业创新3.0”、法国的“未来工业”、中国的“中国制造2025”等类工业4.0概念相继提出。实践发现，工业4.0仍面临数据和设备安全性、设备交互效率、过程数据可信追溯等技术难题。区块链是指网络上的节点基于共识算法将(交易)数据提交到按一定规则和密码学方法前后相继排列的区块，经验证后所形成的链式结构分布式账本。区块链技术允许分布式节点(Node)在一个不可信网络中进行点对点通讯，形成一致性意见，记录过程数据并防止篡改，这些特性似乎能为广泛互联互通的工业4.0智能制造体系提供安全性和可靠性上的支撑。那么区块链技术能在何种程度上推动制造业往工业4.0的方向转型升级？这仍有待学术界回答。

区块链在制造业的应用，相关文献按照区块链的功能性大致分为三类。第一类是利用区块链技术提高制造业相关数据的可靠性[2-4]，第二类是利用区块链技术提升制造系统中的组织、人和机器之间的通信性能和协作能力[5-6]，第三类是除上述两类功能外的其他效用，如降低能源消耗[7]。此外，有部分研究属于行业性研究，其结论或经验总结可能只适用于特定行业，如制药业[8]、化工行业[9]、高端装备制造业[10]等。总的来说，已有研究或专注于区块链的某一特性，或局限于制造业相关的某一项技术或特定制造行业，缺乏基于制造业全景视角的严肃讨论，不利于研究深入和政策制定。另外，主流文献基本假定制造业正处于工业3.0向工业4.0过渡，而中国制造业所处的整体阶段与工业4.0仍有差距，部分制造业企业仍处于向3.0升级的阶段[11]，制造业区块链的发展起点同时受限于制造业和区块链的发展水平，当前的主流研究并没有考虑这一点。本文尝试基于全景视角并结合中国实际，针对区块链在制造业转型升级中的可能角色做一考察梳理，丰富已有文献。

二、区块链技术在制造业转型升级中的应用

分布在全球的制造协作体，以市场化的组织方式共同完成制造过程，实现对需求的响应和价值创造，这是现代制造业的重要特征[12]，制造业的转型升级是为了更高效地融入这一全球制造协作体系。区块链具备分布共识(Distributed Consenus)、数据持久(Data Persistence)、不可篡改(Immutability)、数据可溯(Data Provenance)、数据透明(Transparency)等特性，与这种分布式协作的特征具有很高的契合性，因而在制造业的转型升级中拥有较大的应用潜力。如果将全球制造协作体视作一个复杂网络，每一家制造企业都是其中的一个单点，按照区块链应用所涉及的单点集合的拓扑结构特点，可以将区块链在制造业转型升级中的应用分为单点应用、链状应用和网状应用。

(一)单点应用：数据管理与工业控制

单点应用即适用于单个制造企业的应用。区块链技术能够应用于制造企业内部的数据管理，其分布共识特性能够规避中心化系统所面临的单点故障(Single Point of Failure)、恶意攻击和内部人篡改等问题[13]，数据持久和不可篡改保证了数据共享的安全性和可靠性，数据可溯和数据透明则保证了制造企业的生产、财务、库存等数据都是可审计的，防止内部腐败和作假。进一步地搭配以智能合约，可对异常的生产数据、不合规的财务数据等自动示警。

区块链的引入还有助于提高工业控制系统(Industial Control System)的安全性。工控系统中，可编程逻辑控制器(PLC)按照接收到的指令控制设备运行，指令一旦造到恶意篡改后果十分严重。引入区块链可以解决这一安全问题：发布时将指令文件摘要加上发布者私钥形成数字签名上传至区块链，收到指令文件的节点用公钥验证数字签名后证明指令文件无误才予执行，否则就向系统报警。

(二)链状应用：供应链管理

供应链是涉及产品制造、运输和销售的所有组织、个人、资源、活动和技术所构成的集合。供应链以共同的产品为链将上下游联结起来，部署于供应链的区块链应用可称为链状应用。制造业全球化的进程中，市场竞争力不仅取决于产品本身，也取决于通过供应链交付产品的效率，供应链管理因而变得重要。不过信息往往散落于供应链上的不同主体，每个主体只掌握自己的信息，供应链上的大公司才有可能对上下游的部分信息有所了解。因此，传统供应链上信息是不容易追踪的。

区块链可以帮助制造业供应链建立可信的溯源信息流。基于区块链的供应链管理系统(SCM)中，每一环节的主体都将产品特性与交易信息录入到区块链上，区块链的数据可溯保证了上链信息包含了产品从初级原料到终端消费者的整个生命周期完整、有序地呈现，不可篡改保证了这一呈现的可靠性，数据透明保证了产品溯源信息对供应链利益相关者都是可查询的。不过区块链只能保证录入信息的可追溯和不可篡改，不能保证录入信息为真实信息。一个解决办法是以物联网设备录入代替人工录入：设置二维码、RFID等身份标识，每个环节都由物联网中的传感器读取身份信息，并自动录入到区块链中。这一解决方案对供应链整体的转型升级要求较高，每一环节都要部署物联网，且无缝衔接；为保证安全性，物联网本身也要采用区块链架构；为确保身份标识的可靠性，还需引入量子云码、化学签名等防伪技术。

(三)网状应用：社会化制造

全球化竞争态势下，制造的敏捷性日益重要。传统供应链管理的信息追踪是非现场因而滞后的，粗粒度因而不精确的，在此基础上实现的生产协同仍不是高效的，难以快速响应个性化需求。理想状态是打破企业壁垒，基于物联网、信息物理系统(Cyber-Physical System)、数字孪生(Digital Twin)等工业4.0技术，将制造资源接入工业互联网，实现按需协同制造，即云制造(Cloud Manufacturing)或社会化制造(Social Manufacturing)[14]。协同制造不再局限于单一供应链，而是多供应链交错叠加形成复杂的协作网络，在更大空间范围内实现效率提升和柔性生产，部署于复杂制造网络的区块链应用即网状应用。

云制造的资源分布是非中心化的，但传统的云制造管理却是中心化的，因此具备了中心化系统的脆弱性。区块链为分布式的社会化制造体系的构建提供了技术基础。分布式社会化制造体系由于缺乏中心化实体来审核节点是否提供了合格的服务，因此需要引入信任机制。区块链分布共识的特性，提供了一种自组织、自维护、不需要系统外第三方背书的信任机制，使得分布式社会化制造体系具备可操作性。区块链的不可篡改、数据可溯和数据透明，能实时提供资源提供者的准确、完整的行为日志，在此基础上生成关于资源提供者能力和信用的可靠报告，大大降低了资源提供者的道德风险，也足以劝退不合格的制造资源所有者，进一步规避了逆向选择，从而吸引更多组织和个人成为社会化制造体系的资源使用者。社会化制造体系中的物联网设备和生产设备每时每刻都生成、收集、交互数据，数据一致性成为云制造系统的关键问题，而区块链的分布共识和不可篡改为之提供了保证。制造资源之间的协同，可以通过区块链上的智能合约进行，实现无人值守的智能制造。随着个性化定制在制造业中的份额扩大，3D打印等增材制造(Additive Manufacturing)技术将在社会化制造中得到广泛应用，区块链数据的不可篡改可以保证分布式CAD模型中存储和传输的数据与创建时一致，在此基础上交付的产品与设计原型相符，从而确保柔性制造的可靠性。

三、中国制造业区块链发展趋势研判

考虑到中国制造业整体发展水平与西方发达国家存在差距，中国制造业区块链的发展趋势势必呈现出中国特色。一方面中国大量制造业企业应用区块链会从最简单廉价、可靠性一般的第三方方案起步，另一方面，满足一定的前置条件，不少处于工业2.0阶段的制造业企业可能直接跨越传统的中心化的信息化改造，直接以区块链等为代表的工业4.0科技完成转型升级，从而实现跨越式发展。从时间逻辑上看，中国制造业区块链可能会经历三个发展阶段。

(一)制造业区块链1.0：单一功能快速应用

制造业区块链1.0阶段，第三方技术服务商利用区块链的某个单一特性开发应用，为大量处于工业2.0至工业3.0阶段的中国制造业企业提供便于快速部署的特定服务。如基于区块链的数据透明提供财税管理服务，基于区块链的不可篡改提供电子存证服务，基于区块链的数据可溯提供产品的溯源登记和查询服务，基于区块链共识算法中的密码学安排为企业提供身份识别服务等。这一阶段的特点：一是功能单一，因而需要解决的技术问题较少，服务上线容易，成本不高；二是部署便捷，制造业企业一般不投入研发，由第三方提供解决方案并为企业开放接口，企业“拎包入住”；三是成本可见，由于“拎包入住”，因而对企业原有的信息系统、管理架构、制造设备和流程几乎没有改造负担，成本即是服务费或管理费，对企业来说只要考虑服务的性价比即可；四是可靠性弱，由于企业没有经过区块链改造，在企业端的所有业务、交互都处于链下(即区块链外)，因而是不安全、不可靠的，可能存在手工登记出错、数据被篡改等现象。当企业将线下数据提交给区块链后，错误也将不可篡改地持久存在于链上。

制造业企业切入区块链的一个关键应用很可能是供应链金融。供应链金融是供应链溯源的副产品，但在应用上看，由供应链金融为主要目的部署基于区块链的供应链溯源，可能更符合中国制造业企业的激励逻辑。金融机构对业务能力较强、财务评估良好的供应链核心企业具备一定的信任。基于供应链关系，核心企业可以将这种信任向上游供应商或下游分销商延伸，帮助供应链上下游企业向金融机构融资。受限于传统供应链的信息不透明，信任沿供应链延伸是不充分的，核心企业难以将这种信任隔级传递，越是远离核心企业的供应链企业，越难获益于供应链金融。基于区块链的供应链溯源，为供应链数据和相关交易的真实性背书，大大减小了信任沿供应链传递的信息摩擦，因此基于区块链的供应链金融有望缓解中国制造业企业融资难问题，成为制造业区块链1.0阶段的重要切入点。

(二)制造业区块链2.0：功能复合与制造区块链化并行

制造业区块链2.0阶段的发展趋势分两个方向。横向看，企业对区块链的兴趣从单一功能向复合功能转变，通过购买不同机构提供的特色区块链服务实现功能复合。不同区块链服务在企业的管理架构中所属的层级也可能不一样。比如基于区块链实现物联网设备的机器对机器(Machine-to-Machine，M2M)通信包含底层的网络层，区块链数据存储和分发属于数据层，区块链供应链溯源属于应用层。不同服务商和不同层级的区块链应用，通过提升跨链可操作性(Blockchain Interoperability)，协调一致地为制造服务，成为制造业2.0阶段的两大可能主题之一，其进展很大程度上取决于技术(如跨链技术，Cross Chain Technology)的突破。

纵向看，制造企业内部为适应区块链技术，会发生从软硬件到管理模式的转型，本文称为制造区块链化。区块链基于对等互联的分布式特征、智能合约自组织自维护的去中心化特性，与目前主流的等级制管理架构、中心化制造流程存在巨大差异，现有的软硬件和管理方式可能会与区块链格格不入。企业越深入应用区块链，越可能进行从设备到理念的更新。如前所述，为确保供应链溯源的真实性，企业可能需要部署基于区块链的物联网设备，而这是一个软硬件整体改造的过程。此外区块链架构下，生产辅助模块与生产设备端到端通信，跳过了中间的管理层级和冗余的管理部门，可能带动管理模式和企业文化向扁平化发展。企业内部的区块链化改造(但不意味着彻底区块链化)，成为制造业区块链2.0阶段的另一个可能主题，其进展受限于制造企业转型升级的实力和意愿。

(三)制造业区块链3.0：区块链社会化

制造业区块链3.0阶段，是自组织、自维护的区块链从企业内部全面走向社会化的阶段。制造业区块链2.0阶段，区块链的社会化其实已经在发展。像供应链溯源这样的应用，天然带着社会化的基因。区块链功能复合和企业内部区块链化的完善成熟，为区块链技术全面、深入的社会化发展夯实了基础，制造业区块链进入3.0阶段。这一阶段区块链技术与其他先进技术融合发展，推动制造业完成转型升级，实现工业4.0的预期目标：社会化的智能制造。因此我们会看到区块链技术与其他新兴技术在工业4.0框架下融合发展所催生的商业应用层出不穷，如基于区块链的云制造体系、基于区块链的信息物理系统、基于区块链的工业物联网、基于区块链的增材制造等。

此外，制造业区块链3.0的一个重要主题很可能涉及货币体系。要实现制造业经济活动基于区块链智能合约的社会化自组织运行，就要解决制造业区块链交易的智能支付问题，考虑到与国家经济主权的相容性，必须为制造业区块链应用设计一套与主权货币体系安全交互的机制，如通过“预言机制”(Oracle)[15]将传统金融机构内的账户数据提交到区块链，同时传统金融机构账户也通过一定机制认可区块链上的交易结果。只有打通制造业区块链与主权货币的隔阂，物流、信息流、资金流才能在制造业区块链中完成闭环，实现制造业区块链的社会化升级。

需要注意的是，考虑到中国制造业企业的发展水平不一，并不是所有的中国制造业企业都处于同样的发展阶段。一些技术储备、资金实力雄厚的制造业企业集团，可能直接从制造业区块链2.0起步。

四、制造业区块链发展面临的挑战

区块链技术2008年伴随其第一个应用比特币而推出，作为一项新兴技术，其发展就目前来看是不充分的，技术上仍存在一些难题，实施中的可行性还值得商榷，在推广上还存在一些障碍。能否克服这些挑战，将决定第三、四部分所描绘的图景能否从理论走向现实。

(一)技术挑战：内生悖论提高技术问题破解难度

基于区块链三元悖论[16]，区块链的分布性、安全性和可扩展性(Scalability，主要由性能和成本两方面指标衡量[17])无法完美共存，商用方案往往要在三者权衡的基础上做提升。最典型的例子是牺牲一定安全性从而提高性能的联盟链(Consortium Blockchain)和私有链(Private Blockchain)，但也不尽完善，目前较知名的联盟链Hyperledger Fabric，主流算法是目前商用价值最高的PBFT(Practical Byzantine Fault Tolerance，实用拜占庭容错算法)，其性能随节点增加下降很快，且应对异常情况的成本很高。实践中为了降低带宽和存储成本，还会采用链上链下混合策略、引入检查点(Checkpoint)、加入密码学累加器(Cryptographic Accumulator)等策略，同样妥协了安全性。社会化制造中，大量轻量化设备(如传感器)作为节点接入区块链，其计算和存储能力不足以匹配区块链的资源消耗；节点若上移，如将工厂作为节点，工厂内部的数据又难以保持一致性。在三元悖论存在的前提下，要提高区块链在制造业领域的通用性，还有许多的技术难题需要克服。

(二)认知挑战：理解不足或致政产协同推广失效

区块链是新生事物，制造业及其业务指导部门对其认识还处在初级阶段，容易出现两种倾向。一种是认为区块链是万灵药，无所不能无所不在，因而来者不拒。对制造业企业来说，盲目投入若得不到回报，会损害区块链作为新兴技术的形象，即便技术难题成功突破，短时间也再难引起企业关注。对业务指导部门来说，如果招商引资或指导业务时不加区分地引入或推荐区块链应用第三方，有可能造成虚假繁荣，造成资源浪费甚至国有资产损失。另一种倾向是对区块链未知而恐惧，裹足不前，不利于成熟区块链技术产业化。由于目前政府的顶层设计和业界对技术的认可都还是缺位的，实践中更有可能出现一种情况，业务指导部门因种种原因强推区块链应用，而制造业企业则更为审慎，即便勉强采购一些区块链应用，也不愿意配备必要的人力物力使之正常运转，导致应用闲置，造成区块链“无用”的刻板印象，反过来阻碍区块链技术在制造业的推广。

(三)成本挑战：成本高昂增加应用前景不确定性

对中国广大中小制造业企业来说，除了支付服务费，初期的主要成本在于学习成本和人力资源成本。制造业区块链2.0阶段，企业还需要对原业务体系进行改造、对原生产设备予以更新、对技术人员进行工业区块链应用编写培训，从而更好发挥区块链的作用，这种改造成本一般来说是比较高昂的，可能打击企业深入应用区块链的积极性。对社会来说，区块链技术瓶颈的突破需要投入大量研发费用。此外，区块链的推广和社会化应用，还需要构建健康的产业生态环境，使得相关利益方愿意共享资源、加大投入。而专业人才的培养、行业标准的树立、相关法律法规的制定等，都需要投入巨大的人力物力。目前来看，合理的社会成本分担和激励机制尚未成形，良性发展环境的构建存在不确定性。

五、结论与建议

区块链的特性与制造业转型升级的方向有很高的契合性，这是以区块链技术加快制造业转型升级的基础。目前，一些制造业区块链1.0应用正在铺开，显示出以区块链加快制造业转型升级具备一定的可行性。要将区块链技术的潜力进一步转化为现实的生产力，必须在技术、认知和成本三方面取得突破，这需要加强顶层设计。

(一)依托联合开发机制，加快基础研究与应用研究协同推进

区块链在制造业转型升级中的应用落地，至关重要的一点是要突破技术瓶颈，提升区块链性能，降低区块链资源消耗，满足制造业转型升级的需求。除了高等院校自发从事区块链基础研究、有实力的制造业企业自发从事区块链技术落地，还应建立政-产-学-研联合开发机制，政府组织协调，由制造业行业协会开展调研，厘清企业需求痛点，由财政划拨启动资金，设立专项研究课题，由高等院校就重点技术难题组织专家团队进行基础研究攻关，由市场化运作的研究机构将基础研究与制造业需求予以对接完成产业化原型，并在有实力的制造业企业内部进行测试床设计和部署。对于课题研究成果，鼓励由产学研按照一定方式股份化、市场化运作，为学术带头人和技术人员设计合理的激励机制，加快其产业化落地。对于课题成果产业化，加强科技金融对接，制定扶持政策，快速增强其服务制造业的能力。

(二)构建人才培养体系，推动科普教育与技能培训全面开展

通过构建全面的人才培养体系，培育专业人才队伍，提高业务部门和企业管理者的区块链素养，锻炼制造业区块链实操人才。一是引导高校强化与区块链相关的计算机科学、网络工程、密码学等基础课程，培养可快速开展区块链研究的科研人才和从事区块链产业的技术人才。二是加强对制造业业务指导部门如经信部门、科技部门工作人员的区块链科普教育，编制通俗化教材，在各级行政学院开设专题研讨班，引导其学习了解区块链的实际应用，提高与区块链产业相关的辨析能力和管理能力。三是组织制造业企业管理者学习区块链相关知识，通过实地考察、典型案例研讨，了解区块链的潜力和短板，理智规划区块链相关的转型升级。四是加强对现有制造业信息技术人员的区块链相关技能培训，提升与第三方区块链服务商的对接能力，培养编写智能合约代码的能力。

(三)采取分类引导策略，助力头部企业与中小企业同步升级

考虑到中国制造业企业分别处于不同发展阶段，应分类对企业采取引导策略。一是对于行业头部企业，因其往往具备较强的信息化能力和资金实力，已经实现了生产自动化，鼓励其以原有的技术部门为骨干，成立区块链开发团队，开发制造业区块链2.0应用。鼓励其开发的2.0应用作为服务向其他中小企业开放并提供技术指导，并作为技改项目、高科技项目予以资助扶持。二是对数量占制造业大多数的中小微企业，引导其购买第三方平台提供的制造业区块链1.0应用服务。以供应链金融为突破口，引导中小微企业部署基于区块链的供应链溯源，并以此为起点，引导企业加入头部企业开发的制造业区块链2.0应用，并对其技改费用提供财政扶持和融资贴息等优惠政策。

(四)打造良性发展环境，实现行业标准与政策法规提前布局

打造政府、区块链产业联盟、制造业行业协会、法律专业团队共同构成的产业生态，营造良好的区块链发展环境。一是发挥行业协会、产业联盟的专业优势，针对区块链实现语言、智能合约标准、底层数据结构等领域，建立前瞻性的制造业区块链标准体系，提升中国制造业区块链的整体竞争力。二是引导建立区块链技术公共服务平台，共享开发资源和测试平台，提升产品研发和产业化能力。三是提前组织技术专家和法律专家，就区块链技术的应用带来的法律风险进行预测性研究，编写相关法律法规草案，为区块链技术构建科学的监管框架。