區(qū)塊鏈技術(shù)在軌道交通制造業(yè)質(zhì)量追溯中的應(yīng)用

文/宋冠蕾

（中國中車股份有限公司 北京市 100036）

1 引言

近年來，國家先后推出“中國制造2025”、“大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+”等促進(jìn)制造行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展的相關(guān)戰(zhàn)略，并優(yōu)先提出了“創(chuàng)新驅(qū)動”、“質(zhì)量為先”等基本方針，由此可見，質(zhì)量管控在制造行業(yè)創(chuàng)新發(fā)展過程中起到了非常重要的作用。在國家相關(guān)戰(zhàn)略驅(qū)動下，軌道交通行業(yè)作為制造業(yè)中不可或缺的專業(yè)領(lǐng)域，并成為國家“走出去”的排頭兵。其在歷經(jīng)技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和自主創(chuàng)新等系列過程后，已經(jīng)具備自主創(chuàng)新的能力，而在推進(jìn)企業(yè)自主創(chuàng)新過程中，質(zhì)量管控一直是企業(yè)經(jīng)營管理中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。通過利用人工智能、區(qū)塊鏈、云計算、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，加快推動新技術(shù)賦能質(zhì)量與管理融合，推進(jìn)質(zhì)量管理水平持續(xù)提升，為構(gòu)建質(zhì)量強(qiáng)國添磚加瓦。

質(zhì)量追溯是指根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)利用相應(yīng)的標(biāo)識方式，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品標(biāo)記，進(jìn)而為產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)過程、使用情況等相關(guān)信息追溯提供支撐。在質(zhì)量管控過程中通常采用質(zhì)量履歷的方式對產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)識，以期方便快速追查其設(shè)計、生產(chǎn)制造、交付等情況，當(dāng)出現(xiàn)異常問題時，能精準(zhǔn)快速定位質(zhì)量原因[1]。當(dāng)前，軌道交通制造行業(yè)在質(zhì)量追溯方面往往采用人工的方式，造成無法快速全面的掌控生產(chǎn)信息，使得質(zhì)量追溯效果不佳。為解決以上問題，探索基于區(qū)塊鏈技術(shù)的軌道交通質(zhì)量追溯管理系統(tǒng)，通過區(qū)塊鏈技術(shù)能夠檢查產(chǎn)品進(jìn)貨、生產(chǎn)制造、運(yùn)營的每個節(jié)點(diǎn)，匯聚企業(yè)設(shè)計、生產(chǎn)、制造等相關(guān)信息并構(gòu)建質(zhì)量履歷，形成一套完整的質(zhì)量數(shù)據(jù)綜合體，從而加強(qiáng)產(chǎn)品質(zhì)量追溯的各項(xiàng)管理和監(jiān)督。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

從概念上講，區(qū)塊鏈（Block Chain）是將數(shù)據(jù)區(qū)塊按照時間邏輯順序依次相連而構(gòu)成的一種類似于鏈條狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并運(yùn)用了非對稱加密算法的不可被任意偽造、篡改的分布式賬本。簡單來講，區(qū)塊鏈技術(shù)是一種記賬方式，并且參與者不受限制，而具體實(shí)現(xiàn)方式是通過一個大數(shù)據(jù)庫來記錄所有參與者的賬本，而這個賬本由各自參與者分別記錄，每個參與者均有平等的機(jī)會。而系統(tǒng)根據(jù)各自參與者的記賬信息，自動判斷出時間最早，記錄最好的信息，并把相應(yīng)的信息存儲到賬本，由數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一管理。同時，把一定時間段的賬本信息統(tǒng)一分發(fā)給系統(tǒng)內(nèi)所有參與者，其自行備份。這樣系統(tǒng)的參與者均保存一份完整的賬本，當(dāng)賬本發(fā)生變化時要通知所有的參與者才予以認(rèn)可。具體區(qū)塊鏈的技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

從原理上看，區(qū)塊鏈應(yīng)用主要分為公有鏈、私有鏈、聯(lián)盟鏈，公有鏈?zhǔn)钱?dāng)前應(yīng)用比較普遍的，也是最具有代表性，比如比特幣、萊特幣等均是基于公有鏈而構(gòu)建的。其主要的特點(diǎn)就是完全去中心化，不受專門機(jī)構(gòu)控制，所有參與者均有權(quán)參與，從而具有訪問門檻較低、中心化、無法篡改數(shù)據(jù)等多項(xiàng)特點(diǎn)。而私有鏈?zhǔn)撬墟溨腥ブ行幕卣髯钊醯模@種方式僅僅使用技術(shù)中的總賬技術(shù)記賬，寫入權(quán)限被獨(dú)享。私有鏈通過犧牲去中心化的優(yōu)勢，單保留分布式的特性，有利于提高交易效率和隱私保護(hù)，這種技術(shù)的特性決定了其更加適用于企業(yè)自身業(yè)務(wù)保密要求較高的相關(guān)應(yīng)用。另外，去中心化程度處于公有鏈和私有鏈之間的屬于聯(lián)盟鏈，通過一定的權(quán)限來控制各參與者訪問進(jìn)行相應(yīng)的信息保護(hù)。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面采用多中心化結(jié)構(gòu)，具有高可擴(kuò)展性。因而在質(zhì)量追溯方面采用聯(lián)盟鏈的方式進(jìn)行支持。這樣一方面保障質(zhì)量數(shù)據(jù)受聯(lián)盟鏈中所有參與者的監(jiān)管，也可有效控制參與者范圍。

圖1：區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)流程

區(qū)塊鏈技術(shù)的具體特點(diǎn)如下：一是去中心化。在技術(shù)實(shí)現(xiàn)方面無需中央處理器，數(shù)據(jù)分散在整個P2P 網(wǎng)絡(luò)中，可以有效降低因中央數(shù)據(jù)庫崩潰造成的數(shù)據(jù)風(fēng)險。二是不可篡改。區(qū)塊鏈在共識機(jī)制方面具有非常豐富的類型，可以顯著降低數(shù)據(jù)篡改及刪除的風(fēng)險，提升數(shù)據(jù)安全。第三個特點(diǎn)是去信任化。在鏈中的數(shù)據(jù)內(nèi)容采用分布式存儲，在運(yùn)行過程中無需統(tǒng)一軟硬件操作處理。最后是可追溯性。鏈上數(shù)據(jù)以區(qū)塊形式進(jìn)行封裝，通過鏈的形式實(shí)現(xiàn)塊數(shù)據(jù)的鏈接，系統(tǒng)自動記錄其時間戳、數(shù)據(jù)信息、更新人員、數(shù)據(jù)地址等信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)追溯。還能通過可編程的擴(kuò)展，增加其他可供使用的數(shù)據(jù)信息[2]。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計

3.1 質(zhì)量追溯系統(tǒng)設(shè)計思路

以ISO-TS-22163為指導(dǎo)原則，借鑒區(qū)塊鏈技術(shù)分布式存儲、共享維護(hù)和高可靠性等特點(diǎn)，結(jié)合軌道交通制造產(chǎn)品的特有屬性構(gòu)建系列化的質(zhì)量履歷，詳盡記錄產(chǎn)品的構(gòu)型、零部件、技術(shù)參數(shù)、設(shè)計工藝等相關(guān)信息，當(dāng)發(fā)現(xiàn)質(zhì)量異常時可以通過履歷快速精準(zhǔn)定位所發(fā)生異常的問題所在，為質(zhì)量追溯提供數(shù)據(jù)支持。

通過區(qū)塊鏈技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢和特性，可以對存儲在鏈上的質(zhì)量數(shù)據(jù)進(jìn)行追溯，基于區(qū)塊鏈的信任機(jī)制實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)操作并完成質(zhì)量信息的存儲和記錄。在系統(tǒng)設(shè)計時無需專門設(shè)置集中式的管理核心，甚至可以無需構(gòu)建服務(wù)器和投入大量的硬件平臺設(shè)施，極大的降低了成本的投入，依然能保持系統(tǒng)信息和質(zhì)量數(shù)據(jù)的完整性和正確性。

3.2 整體架構(gòu)

質(zhì)量追溯系統(tǒng)采用分層分級的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)模式，確保數(shù)據(jù)、應(yīng)用、功能等相互分離的系統(tǒng)架構(gòu)確保系統(tǒng)的高可擴(kuò)展性和靈活性。功能層面分為基礎(chǔ)功能、核心功能和交互功能三部分。其中，交互功能是指與使用者提供交互的應(yīng)用層，是系統(tǒng)的前端；核心功能是指質(zhì)量追溯系統(tǒng)的核心能力，分為合約層、共識層、網(wǎng)絡(luò)層三層結(jié)構(gòu)；基礎(chǔ)模塊包括數(shù)據(jù)層、數(shù)據(jù)采集層、數(shù)據(jù)整合層。在該體系中所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都是對等的，基于區(qū)塊鏈技術(shù)共識機(jī)制、加密技術(shù)的保證，所有節(jié)點(diǎn)參與人員均能獨(dú)立、平等地參與并管理追溯系統(tǒng)[3]。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的質(zhì)量追溯體系系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖2。

在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計方面采用分層分級的設(shè)計模式，分別將數(shù)據(jù)層和應(yīng)用層分離，確保在應(yīng)用需求發(fā)生變更時不對數(shù)據(jù)模型造成較大影響，同樣，數(shù)據(jù)模型發(fā)生變更時對應(yīng)用的影響也降低到最小，無形中提升了需求變更的響應(yīng)時效。

再者，數(shù)據(jù)應(yīng)用構(gòu)建是充分挖掘軌道交通制造行業(yè)的業(yè)務(wù)特性，構(gòu)建具有行業(yè)特色的電子履歷，實(shí)現(xiàn)電子履歷從整車到零部件、從業(yè)務(wù)過程到最小作業(yè)單元層層遞進(jìn)，從供貨到交付環(huán)環(huán)相扣，宏觀質(zhì)量與微觀缺陷全覆蓋。

質(zhì)量履歷信息主要包含以下質(zhì)量信息：

（1）質(zhì)量BOM范圍內(nèi)裝車零部件的制造過程質(zhì)量信息（含項(xiàng)目、列號、車輛號、產(chǎn)品名稱、物料編碼、序列號、數(shù)量、供應(yīng)商、批次號、操作人員、檢驗(yàn)人員、裝配位置、檢驗(yàn)時間、責(zé)任部門、檢驗(yàn)量具、檢驗(yàn)條款、缺陷描述、質(zhì)量問題處置狀態(tài)信息等）；

（2）整列出廠前開口項(xiàng)問題和所有不合格品使用情況；

（3）售后運(yùn)營故障；

（4）維修檢驗(yàn)信息；

（5）履歷中的動靜態(tài)技術(shù)參數(shù)等信息；

（6）隨車履歷中的技術(shù)改造記錄、破損記錄、特殊記錄、軟件清單等。

3.3 大數(shù)據(jù)+區(qū)塊鏈

在大數(shù)據(jù)中使用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以確保數(shù)據(jù)不能被隨意添加、修改和刪除，讓更多數(shù)據(jù)被解放出來，進(jìn)而保障質(zhì)量數(shù)據(jù)真實(shí)、安全、可信，一旦質(zhì)量數(shù)據(jù)受到不可抗因素破壞，數(shù)據(jù)庫中的災(zāi)備機(jī)制能確保數(shù)據(jù)快速恢復(fù)[4]。但考慮到區(qū)塊鏈技術(shù)在時間和數(shù)據(jù)量處理上是有限度的，也就是實(shí)際的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析能力較弱，而大數(shù)據(jù)則可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行深度分析和挖掘，通過兩種技術(shù)的融合可以既保證數(shù)據(jù)的可信度，同時也能提升數(shù)據(jù)的應(yīng)用價值和使用效能。

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)集合可以記錄數(shù)據(jù)變更的詳細(xì)信息，隨著其技術(shù)的發(fā)展及成熟，其數(shù)據(jù)也更加多樣化，不同業(yè)務(wù)場景的數(shù)據(jù)也更加豐富。由于其較強(qiáng)的追溯性可以確保數(shù)據(jù)產(chǎn)生、變更、消除等每一步操作均有詳細(xì)的記錄，并不可消除，從而確保數(shù)據(jù)對真實(shí)生產(chǎn)過程的反映，不可涂抹。同時，區(qū)塊鏈的自動化的“基于規(guī)則”的運(yùn)營和管理功能可有效提高數(shù)據(jù)管理透明度，并節(jié)約管理成本。通過把大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈相結(jié)合，能讓區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)更有價值，也能讓大數(shù)據(jù)的預(yù)測落實(shí)為行動。

4 質(zhì)量追溯應(yīng)用設(shè)計

質(zhì)量追溯是通過構(gòu)建質(zhì)量履歷實(shí)現(xiàn)車輛制造各環(huán)節(jié)、零部件、工藝、設(shè)計、檢修、調(diào)試等相關(guān)信息的詳細(xì)記錄，當(dāng)發(fā)生質(zhì)量問題時可以精準(zhǔn)、快速定位異常原因，為解決質(zhì)量問題提供數(shù)據(jù)支撐。因而質(zhì)量追溯系統(tǒng)的應(yīng)用必須從車輛構(gòu)型出發(fā)，聚焦工藝流程和供應(yīng)鏈信息進(jìn)行構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量問題追溯有據(jù)可依、有章可查。

4.1 質(zhì)量履歷層級設(shè)計

質(zhì)量履歷層級分為整車履歷和關(guān)鍵零部件履歷，整車履歷是覆蓋車組級和車輛級相關(guān)信息，主要對車輛制造過程相關(guān)的數(shù)據(jù)留痕。關(guān)鍵零部件履歷是面向零部件的履歷信息留痕。通過整車到車輛，關(guān)鍵零部件的逐層細(xì)化，有效完善了履歷信息的從宏觀到圍觀的精準(zhǔn)記錄。在信息維度方面，分為靜態(tài)履歷信息和動態(tài)履歷信息，靜態(tài)履歷主要包含基礎(chǔ)信息（配件名稱、系統(tǒng)分類、產(chǎn)品標(biāo)識代碼、物料編碼、供應(yīng)商、產(chǎn)品序列號等）、靜態(tài)技術(shù)參數(shù)等信息；動態(tài)履歷包含運(yùn)用信息（總里程、運(yùn)用時間等）、裝配記錄（裝配車號、按照位置碼、總裝時總走行里程等）。如圖3所示。

圖2：質(zhì)量追溯體系系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖3：質(zhì)量履歷層次結(jié)構(gòu)圖

質(zhì)量履歷可以實(shí)現(xiàn)以下應(yīng)用能力：

（1）按項(xiàng)目號、裝備號管理各工藝流程質(zhì)量信息：系統(tǒng)可以根據(jù)項(xiàng)目號、裝備號查找相應(yīng)的列車編號，并以編號定位到相應(yīng)的車輛，并結(jié)合該車生產(chǎn)過程，如：首檢、進(jìn)貨、過程、調(diào)試、運(yùn)營等不同階段的質(zhì)量信息，從總體掌控質(zhì)量概況；

（2）按BOM結(jié)構(gòu)組織質(zhì)量信息：以產(chǎn)品構(gòu)型、或工序?yàn)榛A(chǔ)，組織制造、維修數(shù)據(jù)，便于質(zhì)量管理人員快速、精準(zhǔn)定位質(zhì)量問題。

（3）按全壽命周期組織質(zhì)量信息：從供貨、生產(chǎn)制造、運(yùn)營、檢修等產(chǎn)品壽命階段進(jìn)行質(zhì)量信息整合，確保質(zhì)量問題有據(jù)可查。

（4）按裝備號管理關(guān)鍵部件的質(zhì)量信息、按裝備構(gòu)型及追溯號管理關(guān)鍵部件的質(zhì)量信息、關(guān)鍵零部件狀態(tài)及歷史信息管理等相關(guān)能力,確保每個零部件可以精準(zhǔn)定位其質(zhì)量問題所在，同時也可以根據(jù)批號查找存在質(zhì)量問題批次的零部件所安裝到具體的車輛中。

通過以上幾種維度的履歷信息管理模式可以確保整車、關(guān)鍵零部件質(zhì)量相關(guān)信息的全覆蓋、層次結(jié)構(gòu)清晰，以期達(dá)到質(zhì)量履歷的預(yù)期效果。

4.2 質(zhì)量履歷應(yīng)用愿景

質(zhì)量溯源是質(zhì)量控制的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是質(zhì)量持續(xù)改進(jìn)的保障，在溯源方式上可分為包括正向溯源和反向溯源。正向追溯是指從零部件加工到產(chǎn)品生產(chǎn)交付正向過程的質(zhì)量監(jiān)控，按照相應(yīng)的工藝流程逐步追溯其質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，精準(zhǔn)定位生產(chǎn)制造過程中質(zhì)量缺陷問題。反向追溯是與正向相反的思路，從產(chǎn)品切入，逐步倒查生產(chǎn)工藝各環(huán)節(jié)的質(zhì)量漏洞，為生產(chǎn)商精準(zhǔn)定位質(zhì)量問題根源提供決策依據(jù)。在實(shí)際質(zhì)量管理過程中，管理者利用反向追溯產(chǎn)品制造各環(huán)節(jié)影響質(zhì)量的因素，定位問題發(fā)生原因。在確定問題原因后，從零部件批號切入，利用正向追溯的方式定位存在相同問題的產(chǎn)品批次，并對批量零部件進(jìn)行返修或召回，確保產(chǎn)品質(zhì)量的零缺陷。質(zhì)量追溯系統(tǒng)包含了生產(chǎn)過程中人、機(jī)、料、法、環(huán)、測等一系列的信息，具體包括：

（1）人員：在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中每道工序操作人員的信息；

（2）設(shè)備：在產(chǎn)品生產(chǎn)過程中用到的設(shè)備、刀具、磨具及其參數(shù)等信息；

（3）物料：根據(jù)產(chǎn)品BOM結(jié)構(gòu)記錄使用的各原材料的批次、規(guī)格、型號等信息；

（4）工藝：記錄產(chǎn)品生產(chǎn)過程中使用的工藝文件；

（5）環(huán)境：記錄產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的環(huán)境參數(shù)，包括溫度、濕度等；

（6）檢測：產(chǎn)品生產(chǎn)過程中的質(zhì)檢信息，具體包括檢驗(yàn)人員、檢驗(yàn)方式、檢驗(yàn)結(jié)果、品質(zhì)缺陷處理記錄等。

通過以上質(zhì)量履歷信息的支撐，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量的正向追溯和反向追溯。

5 未來研究展望

質(zhì)量管控是企業(yè)持續(xù)創(chuàng)新的源動力，而質(zhì)量追溯是質(zhì)量管控的關(guān)鍵關(guān)節(jié)，已經(jīng)成為企業(yè)重點(diǎn)經(jīng)營管理工作，本研究著眼于區(qū)塊鏈技術(shù)在質(zhì)量追溯方面的應(yīng)用，其主要作用是聚集了生產(chǎn)制造過程中的多方數(shù)據(jù)，為質(zhì)量問題精準(zhǔn)定位提供數(shù)據(jù)支持，但是具體的質(zhì)量問題是否能切實(shí)改進(jìn)還需現(xiàn)場生產(chǎn)提供必要的支撐。未來研究將延伸到質(zhì)量改進(jìn)支持，利用先進(jìn)的技術(shù)手段詳細(xì)記錄質(zhì)量改進(jìn)的過程，并精準(zhǔn)評價改進(jìn)的效果，最終實(shí)現(xiàn)質(zhì)量管理的閉環(huán)支撐。