區(qū)塊鏈與未來工廠

編者按

在未來的工廠里，數據將在由機器、零部件、產品和價值鏈參與者等組成的復雜網絡中進行分享。因此，制造商現(xiàn)在面臨著如何在工廠內外安全地分享數據這個巨大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的數據庫不一定能完成這項任務。在針對特定應用情況尋找解決方案時，制造商可以了解和探索一項新興的技術，區(qū)塊鏈。本文2019年7月發(fā)表于波士頓咨詢公司網站。作者為：丹尼爾·庫波爾（Daniel Küpper），現(xiàn)任波士頓咨詢集團科隆辦公室總經理和合伙人；托馬斯·克魯格（Thomas Krüger），波士頓咨詢集團法蘭克福辦公室顧問；尼爾·謝潑德（Neil Shepherd），波士頓咨詢集團硅谷辦公室的合伙人；約翰內斯·斯特霍勒（Johannes Str?hle），波士頓咨詢集團慕尼黑辦公室的專家項目經理；卡伊·波卡迪（Kaj Burchardi），波士頓咨詢集團Platinion業(yè)務團隊阿姆斯特丹辦公室的總經理。

一、引言

區(qū)塊鏈是一種分布式記賬技術，可以提供無法更改的真實信息。當需要安全地采集、存儲和分享關鍵數據（例如同知識產權相關的數據），而各方又缺乏必要的信任時，采用區(qū)塊鏈就能帶來獨特的優(yōu)勢。制造商也可以應用區(qū)塊鏈來開發(fā)創(chuàng)新型的商業(yè)模式，讓生產突破傳統(tǒng)工廠的界限。

但對于眾多工廠應用而言，區(qū)塊鏈并非最佳選擇。最近開發(fā)的中央記賬式數據庫具有區(qū)塊鏈的部分特點，更易于實施，能處理的交易數量也更多。當各方需要實時存儲和處理數量龐大的數據時，其他類型的數據庫也是合適的。

為了精準發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈對哪些領域是合適的選擇，以支持相關的運營，制造商必須進行系統(tǒng)性評估。首先是辨識公司當前的業(yè)務問題和未來的需求。接下來，制造商可以分析如何使用該技術來消除公司的痛點，滿足公司的需求。在對公司所面臨的機遇和挑戰(zhàn)有了充分的了解之后，制造商就可以從各種可以獲得的技術方案中選擇最合適的一種。

二、區(qū)塊鏈已經可以用于工廠了嗎

為了確保價值鏈參與各方能彼此信任，制造商傳統(tǒng)的做法是依靠強大的供應關系、獨立的質量審核、六西格瑪，以及大量的文件記錄。遺憾的是，這些做法通常會導致高昂的成本，也就是所謂的“信任稅”。區(qū)塊鏈可以減少對這些高成本舉措的需求，在更高效建立信任的同時帶來其他好處。

區(qū)塊鏈是如何工作的呢？當網絡中某一參與者更新一條區(qū)塊鏈賬目，數據庫會自動進行處理，請其他參與者同意該更新。得到同意的更新內容會被標記上時間戳，加密簽名，然后添加到區(qū)塊上。新的區(qū)塊會成為區(qū)塊鏈的一部分，永久地記錄下參與者的所有交易和利益協(xié)議，這些記錄是無法篡改的。

區(qū)塊鏈最初的開發(fā)意圖是為數字貨幣奠定技術基礎。早期的數代區(qū)塊鏈因為在網絡的可擴展性、互操作性和處理速度上存在種種局限，并不能有效地支持工業(yè)應用。但目前正在開發(fā)中的版本采用了新的共識協(xié)議，通過增加每秒的交易數量和減少計算成本來提高驗證流程的效率。

區(qū)塊鏈的種種好處

相比傳統(tǒng)的數據庫，區(qū)塊鏈主要有四大好處：

·信任。因為網絡會驗證每筆交易，所以區(qū)塊鏈記錄的真實信息只有一個版本，值得所有參與者的信任。

·安全。加密簽名、自動驗證和分散存儲讓外部各方不可能去修改賬目或刪除數據，從而無限地確保數據的安全。盡管用戶可以針對區(qū)塊鏈的數據添加附加信息，但無法修改賬目。

·自動化。區(qū)塊鏈賬目讓網絡參與者能夠建立一系列自動執(zhí)行的協(xié)議、合同和第三方托管（智能合約），從而讓一些重復處理過程自動進行，例如記賬和發(fā)貨。

·靈活性。因為數據庫分布在網絡的多個地點，即使網絡的某一部分停擺，區(qū)塊鏈仍然可以進行運作。即使某一方退出網絡，其發(fā)布在區(qū)塊鏈上的數據也不會丟失。

目前開發(fā)中的這些改進能加強區(qū)塊鏈技術和物聯(lián)網之間的交互，這也是讓區(qū)塊鏈與未來工廠內的聯(lián)網設備相連的前提。這種交互要求通用的通信和數據傳輸技術標準。此類標準將提高互操作性、透明度和安全性，這些也正是相比于現(xiàn)有系統(tǒng)和平臺的優(yōu)勢所在。但目前尚無通用標準，所以很多區(qū)塊鏈應用仍然停留在概念驗證階段。

人們當前在努力挖掘區(qū)塊鏈在制造業(yè)的應用潛力。例如，包括博世和思科在內的頂級科技公司和眾多初創(chuàng)企業(yè)合作，成立了可信物聯(lián)網聯(lián)盟。該聯(lián)盟正在開發(fā)整合區(qū)塊鏈和物聯(lián)網的開源標準。這套標準將重點放在智能合約界面上，讓數據可以在區(qū)塊鏈驅動的系統(tǒng)內和系統(tǒng)間進行無縫流動。

盡管可信物聯(lián)網聯(lián)盟最早的應用概念驗證重點關注供應鏈，但開發(fā)者也計劃開發(fā)其他應用來支持不可更改的文件記錄和可信任的硬件識別。新建立的標準能夠把新工廠的硬件和軟件進行整合，擴大區(qū)塊鏈的應用。

最近推出的“區(qū)塊鏈即服務”（BaaS）也正在推動區(qū)塊鏈在工廠內的應用。傳統(tǒng)的區(qū)塊鏈采用的是自我管理，也就是公司必須定制化數據庫能力，并且在本地或云端托管節(jié)點?！皡^(qū)塊鏈即服務”既有自我管理的特點，又增加了一些工具來推動管理和大規(guī)模部署。對于眾多制造商來說，尤其是那些資源受限的科技團隊，使用“區(qū)塊鏈即服務”的難度要低于采用自我管理的區(qū)塊鏈。

盡管在工廠內部署區(qū)塊鏈的難度降低，但區(qū)塊鏈并非解決工業(yè)應用中種種挑戰(zhàn)的萬能藥，比如說實時數據問題。當應用需要立即交換數據時，例如在線操控生產設備，那么使用區(qū)塊鏈會導致過長的等待時間。同理，區(qū)塊鏈技術也不適合于高級分析法，而后者在工廠運營中的重要性正在不斷增強。

在評估使用區(qū)塊鏈的合適機會時，制造商應該考慮其他類型的數據庫是否會是更好的選擇（參見表1）。新近開發(fā)的中央記賬式數據庫也有著區(qū)塊鏈的部分優(yōu)勢（包括可信度和不可更改性），但它們可應用的場景更少。它們更加易于建立，可處理的交易也更多。因為受信任的中心方管理這些賬目數據，所以交易的執(zhí)行并不需要多方共識。每類數據庫都會為了其性能和功能而在某些方面進行權衡，沒有萬全的解決方案。

表1 分布式和集中式數據庫

三、區(qū)塊鏈如何為未來工廠創(chuàng)造價值

我們選擇了5種區(qū)塊鏈在未來工廠的使用案例進行解釋說明。其中3種應用案例可以推動未來工廠的其他應用，而另外兩種可以帶來新的商業(yè)模式（參見表2）。

表2 區(qū)塊鏈應用讓未來工廠變?yōu)楝F(xiàn)實

1.提高跟蹤和追溯能力

公司可使用區(qū)塊鏈在復雜的供應鏈中輕松、準確、安全地交換數據。區(qū)塊鏈能提供物料、零部件和產品的數字記錄，這些記錄永遠存在且不可更改，由此推動了端對端的數據可見性，并且為各方提供了單一可靠的真實信息源。如果供應鏈的參與者中很多都建有獨立的IT系統(tǒng)，或者說參與各方之間缺乏信任，又或者是常常需要增加新參與者，那么區(qū)塊鏈的這些特點就相當具有優(yōu)勢。

2.對關鍵知識產權進行保護，實現(xiàn)其商業(yè)價值

制造業(yè)公司必須保護自身的知識產權。在考慮是自行生產零部件還是外購時，除了成本之外，知識產權的保護也是重要的考量因素。

當出現(xiàn)專利糾紛時，公司可以使用區(qū)塊鏈技術來證實自己的知識產權。例如，伯恩斯坦科技公司開發(fā)了一個網站，用戶可以在區(qū)塊鏈中登記自己的知識產權。網站會生成一個證書，證明該知識產權的真實性、完整性和所有權。

在將數字資產變現(xiàn)時，區(qū)塊鏈同樣也能幫助公司對知識產權進行保護，并且維持對知識產權的控制。例如，與區(qū)塊鏈相連的機器可以通過數據庫中的數字設計文件來生產零部件。擁有該知識產權的公司可以采用許可模式，讓生產零部件的公司通過區(qū)塊鏈來使用相關的專有資料。

3.合理化和保障質量檢驗

公司可以利用區(qū)塊鏈來支持質量控制，為顧客提升價值，這也是未來工廠的主要目標之一。現(xiàn)在，在沒有區(qū)塊鏈的情況下，向顧客提供有關質量流程和產品的所有文件記錄，成本相當高昂，還需要運營IT平臺的中央系統(tǒng)的支持。

除了幫助顧客跟蹤和追溯供應鏈各個環(huán)節(jié)中的零部件情況，區(qū)塊鏈還能生成不可更改的質量檢驗文件和生產工藝數據。這些數據是每個產品獨有的標簽，會在區(qū)塊鏈上自動記下每次處理、修改或質量檢驗情況。為了實現(xiàn)這種應用，生產線必須配備自動質量檢驗，能夠生成檢測信息并直接寫入區(qū)塊鏈。該用例支持多方訪問數據，從而無需質量控制人員實地驗證供應商所做的質量檢驗。有了這種方式，設備原制造商也無需再對供應商的質量控制進行驗證和審核。各方將能夠使用區(qū)塊鏈的證書管理功能，相關文件是完全透明和真實的。

飛機制造領域的兩個例子可以很好地說明。

·跟蹤零部件的來源。飛機制造商正在試驗利用區(qū)塊鏈來跟蹤零部件的來源?，F(xiàn)有技術實現(xiàn)這個目標的難度非常大，因為飛機的生產需要不同供應商生產的大量零部件。飛機制造商可以使用區(qū)塊鏈來驗證零部件的來源，確認零部件符合相應的規(guī)格要求。

·配置管理。公司可以利用區(qū)塊鏈為所有飛機零部件和內置軟件建立不可更改的賬目，管理各功能或性能的證書。這種方法可以確保飛機零部件配置的透明性，自動識別證書和零部件之間的任何不匹配。目前在這方面有多個項目正在獨自開展。例如，霍尼韋爾公司已經推出航空零部件的在線市場，該市場使用區(qū)塊鏈來確保每個零部件擁有正確的質量證明文件。多數大型的飛機制造商已經宣布計劃對類似基于區(qū)塊鏈的交易平臺進行試驗。

在生產結束之后，制造商如何使用區(qū)塊鏈來控制其成品呢？這方面涉及成本和性能管理。區(qū)塊鏈可以提供一個靈活且全面的系統(tǒng)來記錄和跟蹤零部件的所有相關信息。該系統(tǒng)不屬于任何單一的制造商、供應商或運營者。所記錄的數據包括原材料、使用情況（由內置物聯(lián)網功能來記錄）、維護周期，以及性能測試等。參與各方能訪問特定零部件完整的且可審計的數據記錄。使用者可以了解產品生命周期里的零部件配置和產品性能歷史，然后在產品研發(fā)流程中使用這些數據來優(yōu)化零部件的復雜性、成本和性能。例如在飛機制造行業(yè)，波音公司正在著手開發(fā)一個商業(yè)智能平臺用于降低成本和優(yōu)化績效。

將區(qū)塊鏈用于質量控制的主要難點在于要將實體對象和其數字孿生體連接在一起。這種連接必須預防或揭露任何人的信息更改行為。為了能建立此類連接、保證正確的數字孿生體，越來越多的設備將帶有傳感器，能夠與區(qū)塊鏈進行通信。

4.發(fā)展“機器即服務”

有了區(qū)塊鏈，就可以針對機器設備采用創(chuàng)新的按使用計費的模式，也就是“機器即服務”。在這種模式下，設備提供商不是將生產設備賣出去，而是根據設備的產量來收取設備使用費。例如，設備提供商不是將壓縮機賣出，而是按壓縮空氣的產量計費。制造商不擁有機器，而是選擇“機器即服務”，由此能避免大量的前期投資，可以輕松地更新設備和采用最新的技術。如果能得到有效的應用，“機器即服務”能夠幫助制造商靈活地提高產量。

“機器即服務”當前僅局限于易于進行測量的一些應用。區(qū)塊鏈可以通過推動知識產權保護、文件記錄管理以及性能跟蹤等支持更為復雜的“機器即服務”應用。將機器準確的使用記錄輸入智能合約，機器就可以自動為服務進行收費。例如，在將操作參數（如整體設備效率和使用量）輸入區(qū)塊鏈后，機器就能自動觸發(fā)使用設備的制造商進行支付。區(qū)塊鏈也可讓用戶根據自身需要激活內置功能。目前，正在測試將區(qū)塊鏈應用于自動的“機器即服務”支付系統(tǒng)。

5.賦能機器控制維護

區(qū)塊鏈可以支持新的維護方法，縮短維護時間。對于技術更為復雜的先進生產機器而言，這種創(chuàng)新是管理機器必不可少的。

為了推動維護外包，機器設備的用戶會在區(qū)塊鏈中添加每臺設備的服務協(xié)議和安裝文件記錄，為該設備建立一個數字孿生體。這樣區(qū)塊鏈技術就可以實現(xiàn)維護計劃的自動實施和支付。需要維護的機器觸發(fā)維護服務請求，并且為零部件的更換生成智能合約。在訂單完成后，支付處理也會自動進行。同樣，維護歷史的記錄是不可更改的，會被添加到區(qū)塊鏈記錄中。目前尚處于開發(fā)階段的此類應用，可以提高設備的可靠性，推動對設備健康程度和設備磨損情況的監(jiān)控，創(chuàng)造對機器設備健康情況的可審計評估。此外，當由工廠維護人員進行設備的維護時，區(qū)塊鏈記錄可以向設備供應商證明維護人員已經按保修協(xié)議中的要求進行了設備維護。

不可更改的設備維護記錄也有助于二手設備的銷售。未來，產品的生命周期縮短，設計變更速度也更快，這些將推動制造商更加頻繁地更新自己的機器設備。在銷售二手設備時，制造商可以讓潛在買家訪問區(qū)塊鏈記錄，以此證明該設備此前得到了合理的維護。

四、區(qū)塊鏈的展望：增材制造共享工廠

為了更好地了解區(qū)塊鏈的潛力，讓我們將這些用例放到一家增材制造共享工廠內。在此之前，增材制造主要是用于原型生產或者是小批量零部件的制造。但現(xiàn)在，增材制造正越來越廣泛地用于工業(yè)制造工藝中。

打印零部件的使用越來越廣，因此將這些工作外包給增材制造共享工廠成為一種好選擇。這種方式能夠降低成本，加快生產速度，并且提高生產的可行性。例如，制造商可以快速地通過外包打印得到備件，而且用更經濟的方法生產獨特的或小批量的產品。但在采用外包增材制造之前，制造商還必須克服幾大障礙，包括知識產權的保護、與增材制造工廠建立數字連接，以及確保遵守質量和工藝標準?，F(xiàn)在，制造商通常是靠中介機構（也就是3D打印平臺）來克服這些障礙，為零部件尋找最佳的打印社或服務機構。自動化區(qū)塊鏈競價平臺會使用智能合約，從而不再需要3D打印平臺的支持。

在增材制造共享工廠內，此前討論的5種區(qū)塊鏈用例正處于概念驗證階段。這些用例擁有以下優(yōu)勢：內部設計或第三方設計；生產和數據收集；測試和數據收集；內部交付或外部交付；提高跟蹤和追溯能力；關鍵知識產權的保護和價值實現(xiàn)；合理化和保障質量檢驗。

·所有生產步驟都可以進行全面且可靠的跟蹤。在一個IT平臺上，顧客可以監(jiān)督整個進展，了解任何偏離計劃的情況。這個平臺建立在區(qū)塊鏈的基礎上，能夠共同進行操作，獨立于所挑選的打印社或服務機構，由此無需多個數據庫，也降低了成本。

·通過使用加密的、不可更改的文件來保護知識產權。當設計工作涉及重要的知識產權，或者是所使用地區(qū)的知識產權保護工作風險較大時，這個優(yōu)勢尤為重要。為了能推動增材制造工藝的外包，一個名為“創(chuàng)世紀”的聯(lián)合項目正在開發(fā)合適的平臺，允許各方以安全加密的區(qū)塊鏈形式分享設計數字文檔，并且對打印數量進行了限制。

·保證質量的透明性。區(qū)塊鏈可以讓3D打印機控制和記錄所使用的原材料和工藝參數，以及打印工藝的產出。這些功能可用于向顧客和終端用戶證實產品的質量。

·將維護工作交給機器來控制。增材制造機器上的傳感器能夠觸發(fā)維護請求，區(qū)塊鏈上的相關智能合約能控制維護工作的完成情況和相關支付工作。

·實現(xiàn)“機器即服務”?；趨^(qū)塊鏈，增材制造機器銷售商擁有了可靠的證據來證實某個機器或產品符合合同目標。區(qū)塊鏈也能支持金融交易的執(zhí)行和審計，加強各方之間的信任。

為了能在增材制造工廠內充分發(fā)揮這些優(yōu)勢，制造商必須讓這些用例突破概念驗證階段，改進技術，以允許工廠可以用經濟的方法來進行增材制造。此外，還必須有足夠數量的終端用戶認識到增材制造外包的必要性，或者是因為他們缺乏必要的內部資源和能力，或者是因為他們需要使用增材制造工廠所提供的專業(yè)服務。

五、評估區(qū)塊鏈用例的實用性

在決定深入研究和采用哪個區(qū)塊鏈用例之前，制造商應該先進行多步驟評估。實用性的評估應該針對6個方面：理想程度；操作可行性；經濟可行性；監(jiān)管因素；戰(zhàn)略相符性；技術驗證。

·理想程度。制造商首先應該考慮該用例是否可以解決一個或多個既有痛點或業(yè)務需求，給公司創(chuàng)造收益。制造商也應該考慮在推行過程中會遇到哪些障礙。例如，利益相關方必須愿意采用區(qū)塊鏈，將其作為信息交流和進行支付的新技術，而且他們必須放棄將自身傳統(tǒng)的數據庫當作獲取真實信息的來源。為了能讓區(qū)塊鏈充分發(fā)揮潛在作用，還應該考慮在足夠數量的利益相關方都采用了區(qū)塊鏈用例后會產生何種網絡效應（例如供應鏈的各環(huán)節(jié)更為流暢，都從中獲益）。

·操作可行性。針對每種理想的用例，制造商應該評估實施所需要的投入，包括評估操作可行性（例如將用例與其他系統(tǒng)進行整合的能力），以及實施所需的時間框架。

·經濟可行性。制造商必須從經濟角度來評估對可行用例的投資。經濟可行性的評估包括分析投資會帶來的經濟影響和風險。

·監(jiān)管因素。為了評估對涉及智能合約用例的采用，制造商必須了解供應鏈合作方所在國的監(jiān)管環(huán)境，因為一些國家和轄區(qū)認為智能合約不具備法律約束力。此外，涉及敏感數據監(jiān)管的法律法規(guī)也可能成為區(qū)塊鏈使用中的障礙。

·戰(zhàn)略相符性。每個基于區(qū)塊鏈的商業(yè)模式都必須符合公司的整體戰(zhàn)略。如果某種方式或商業(yè)模式與其他政策或行動相沖突，或者是破壞了公司的政策或行動，制造商在采用區(qū)塊鏈的過程中必須消除兩者不匹配所導致的負面影響。

·技術驗證。制造商應該驗證，相比于中央記賬式數據庫和其他類型的數據庫，區(qū)塊鏈的確是合適的技術，能幫助制造商實現(xiàn)用例的目的。這包括進行技術方面的盡職調查，評估技術是否足夠成熟，以及工廠內部是否擁有相應的能力等問題。如果答案是否，那么就必須考慮如何提高制造商的技術和生產能力。

區(qū)塊鏈和工廠正在進行更好的融合。最新的區(qū)塊鏈協(xié)議試圖提高處理速度，改善數據的隱私性和管控。隨著技術快速成熟，公司運營日漸要求在復雜的公司和機器網絡中進行數據分享和合作。通過在這個復雜網絡中建立信任和連接，區(qū)塊鏈能夠幫助制造商清理阻礙全面部署下一代技術和創(chuàng)新型商業(yè)模式所存在的障礙。即便如此，區(qū)塊鏈并不是萬能藥，其他類型的數據庫在特定情況下依然可能是更好的選擇。有了對痛點的詳細評估，外加對用例的重要程度的排序，制造商將能夠為自身最重要的商業(yè)需求找到合適的技術解決方案。