基于區(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量溯源研究

孫海彬，劉孝保，熊英杰，劉佳

（650500 云南省 昆明市 昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院）

0 引言

農(nóng)業(yè)機械是農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力的重要手段，其制造水平的高低直接體現(xiàn)一個國家機械制造業(yè)的能力與水平[1]。我國農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量現(xiàn)狀不容樂觀，各種農(nóng)機產(chǎn)品的質(zhì)量均存在一定問題。目前，能夠達到使用要求的耕整機為68.8%，鍘草機為66.7%，旋耕機為47.6%，手動噴霧器為58.6%，小型輪式拖拉機僅為38.2%[2]。農(nóng)業(yè)機械質(zhì)量問題尤為突出，如何保證農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品的質(zhì)量可追溯是目前的主要解決的問題，這就要求農(nóng)業(yè)機械制造企業(yè)需要擁有一套較為完善的產(chǎn)品質(zhì)量溯源措施，在面臨產(chǎn)品缺陷問題時，能夠快速溯源到產(chǎn)品出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)，及時解決缺陷問題。根據(jù)工業(yè)統(tǒng)計，在機械制造過程中，60%～70%的產(chǎn)品質(zhì)量問題來源于制造過程[3]，對于機械產(chǎn)品制造企業(yè)而言，制造過程中質(zhì)量的把控是非常關(guān)鍵的，是溯源最為重要的部分。

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為解決當(dāng)下農(nóng)業(yè)機械問題，例如：質(zhì)量信息記錄的分散易缺失、質(zhì)量缺陷的追溯能力不足等問題提供了一種新的解決思路。區(qū)塊鏈核心是去中心化（分布式）、去信任與數(shù)據(jù)的不可篡改。它是一種分布式數(shù)據(jù)庫，使用了一串由密碼學(xué)方法相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)區(qū)塊，每個數(shù)據(jù)區(qū)塊都包含了過去一段時間內(nèi)的所有交易信息，用于驗證其信息的有效性并產(chǎn)生區(qū)塊。機械制零部件在制造過程中的質(zhì)量對裝配完成的農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品整個生命周期有著至關(guān)重要的影響，故本文主要對農(nóng)業(yè)機械零部件的制造過程的質(zhì)量進行溯源研究。

本文主要研究農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品存在的質(zhì)量問題，提出基于區(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程的質(zhì)量溯源。采用具有去中心化、防篡改等優(yōu)勢的區(qū)塊鏈技術(shù)作為溯源的核心技術(shù)，確保農(nóng)業(yè)機械零部件在制造過程中所產(chǎn)生數(shù)據(jù)的保真性、完整性，溯源結(jié)果的可靠性。并以常見的農(nóng)業(yè)機械零部件為研究對象，采用雙鏈的模式構(gòu)建農(nóng)業(yè)機械零部件質(zhì)量溯源體系。

1 相關(guān)工作

目前，國內(nèi)外許多學(xué)者對機械產(chǎn)品質(zhì)量溯源做了很多的研究。研究的溯源技術(shù)主要包括：條碼技術(shù)（溯源碼和二維碼）、RFID（無線射頻識別技術(shù)）。廖燕[4]等人為了解決汽車零部件供應(yīng)中的“準(zhǔn)時化”配送問題，在汽車零部件供應(yīng)中有效實施VMI，研究基于RFID 的汽車零部件供應(yīng)VMI-TPL 系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了RFID 技術(shù)在集成供應(yīng)鏈庫存管理中的重要作用；李娟[5]等人為了解決汽車零部件追溯管理問題，提出了基于RFID 技術(shù)的汽車零部件追溯管理解決方案，通過RFID 電子標(biāo)簽這一數(shù)據(jù)載體把與汽車零部件相關(guān)的信息流、實物流聯(lián)系起來，實現(xiàn)各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)交互；景熠[6]等人針對變速器制造企業(yè)質(zhì)量數(shù)據(jù)采集的方式效率低、數(shù)據(jù)獲取不完整以及不精確等問題，提出了基于RFID 的變速器裝配線質(zhì)量追溯系統(tǒng)；李文川[7]等人針對推進離散制造企業(yè)RFID 系統(tǒng)的成功實施，研究面向離散制造企業(yè)的RFID 實施方法，并從應(yīng)用領(lǐng)域、應(yīng)用層次、產(chǎn)品生命周期3 個角度分析離散制造企業(yè)的RFID 應(yīng)用需求；李天音[8]等人提出了基于二維碼及RFID 的汽車制動器裝配質(zhì)量追溯方法研究，應(yīng)缺陷產(chǎn)品召回管理條例實施的要求，建立汽車制動器裝配過程中的物料批次追溯及裝配參數(shù)關(guān)系進行產(chǎn)品的質(zhì)量追溯。宋承軒[9]等人在分析了電梯零部件實際生產(chǎn)流程中及其存在問題的基礎(chǔ)上，為解決多品種、小批量生產(chǎn)方式的電梯零部件企業(yè)對產(chǎn)品制造過程質(zhì)量可追溯性的需求，提出基于二維碼和RFID 的電梯零部件質(zhì)量追溯系統(tǒng)研究，實現(xiàn)產(chǎn)品實時跟蹤與質(zhì)量追溯。

通過對以上文獻的分析，基于RFID 技術(shù)和條碼技術(shù)對產(chǎn)品質(zhì)量進行溯源，充分利用RFID電子標(biāo)簽和條碼唯一性的優(yōu)點，節(jié)約了成本，減少了人工操作的誤差，提高了工作效率[10]。但目前農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程中仍舊存在著許多問題，主要包括：

（1）制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)中心化問題。無論是基于RFID 技術(shù)，還是條碼技術(shù)，它們所采集的數(shù)據(jù)大多采用中心化的存儲方式。這種存儲方式的缺陷是如果中心服務(wù)器受到威脅，所存儲的溯源數(shù)據(jù)可能會受到篡改或竊取，甚至?xí)?dǎo)致整個溯源系統(tǒng)癱瘓，即單點故障。中心化的存儲方式是傳統(tǒng)溯源的極大痛點。

（2）質(zhì)量數(shù)據(jù)安全性問題。農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程環(huán)境十分惡劣，在這種惡劣的環(huán)境下，制造過程產(chǎn)生的數(shù)據(jù)還無法確保安全地存儲到溯源服務(wù)器中，已經(jīng)存儲到溯源服務(wù)器中的數(shù)據(jù)，還沒有可靠的機制確保溯源數(shù)據(jù)的真實性，這些數(shù)據(jù)安全性問題對最終的溯源結(jié)果有著至關(guān)重要的影響。

（3）溯源結(jié)果真實性問題。就溯源結(jié)果的真實性，是基于以上兩點問題解決為前提，現(xiàn)如今的大部分溯源系統(tǒng)，只是從溯源數(shù)據(jù)中查詢出所需的溯源信息，還沒有一套完備的驗證體系來確保溯源結(jié)果的真實性。

針對以上問題，并考慮到農(nóng)業(yè)機械零部件的制造往往會涉及到多家制造企業(yè)，為了更加便利數(shù)據(jù)在多個加工企業(yè)之間分享，以及用戶對農(nóng)業(yè)機械制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)的溯源，采用Hyperledger Fabric 區(qū)塊鏈的開發(fā)平臺構(gòu)建底層區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。

2 農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量溯源分析

2.1 農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量形成分析

農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程的環(huán)節(jié)較多，需要將其中影響質(zhì)量的環(huán)節(jié)分離出來進行分析。在影響質(zhì)量的5M1E，即人、機、法、料、環(huán)、測6個主要因素中，其中4 個因素：人、機、法、測直接與制造過程相對應(yīng)，并且直接影響著制造過程中的零部件質(zhì)量[10]，進而對形成機械零部件制造過程質(zhì)量的4 個因素詳細(xì)分析，即操作人員因素、機器設(shè)備因素、工藝方法因素、測量因素。

2.2 農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量信息分析

通過上述對機械零部件制造過程質(zhì)量形成的影響分析，主要對人、機、法、測進行質(zhì)量信息的分析。

（1）人員信息

農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程較復(fù)雜，參與的人員眾多，詳細(xì)信息見表1。

表1 農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程人員信息Tab.1 Personnel information of agricultural machinery parts manufacturing process

（2）機器設(shè)備信息

表2 農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程機器設(shè)備信息Tab.2 Machinery and equipment information of agricultural machinery parts manufacturing process

（3）工藝方法信息

表3 農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程工藝方法信息Tab.3 Technology information of agricultural machinery parts manufacturing process

（4）測量信息

表4 農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程測量信息Tab.4 Measurement information of agricultural machinery parts manufacturing process

3 質(zhì)量溯源系統(tǒng)

傳統(tǒng)的質(zhì)量溯源方法，主要是調(diào)取已經(jīng)存在數(shù)據(jù)服務(wù)器中的信息進行追溯，然而就目前的溯源需求，這一過程完全無法滿足溯源的最終目的?；趨^(qū)塊鏈的農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量的溯源不僅僅是將溯源的數(shù)據(jù)從服務(wù)器中查詢出來，還具有對制造過程數(shù)據(jù)的安全性保障與參與人員身份驗證等一套完整的追溯機制。

3.1 溯源鏈

超級賬本Hyperledger Fabric 是The Linux Foundation 主辦的Hyperledger 項目之一,為企業(yè)領(lǐng)域的區(qū)塊鏈開發(fā)提供通用基礎(chǔ)框架,以實現(xiàn)基于對等網(wǎng)絡(luò)和共識機制的各類商業(yè)應(yīng)用與服務(wù)，是聯(lián)盟鏈實現(xiàn)的基礎(chǔ)框架之一[11]。結(jié)合Hyperledger Fabric 的開發(fā)平臺的成員加入聯(lián)盟需要驗證、網(wǎng)絡(luò)通信通道化隔離、插拔性的模塊化結(jié)構(gòu)等特點，設(shè)計出滿足農(nóng)業(yè)機械零部件的制造過程多個加工制造企業(yè)共同參與完成的需求，既要求制造企業(yè)完成各自負(fù)責(zé)的加工環(huán)節(jié)，還需要為后續(xù)的加工企業(yè)提供相應(yīng)的加工與檢驗的數(shù)據(jù)，此種模式就形成了溯源鏈的基本模型。

基于多個加工企業(yè)之間的業(yè)務(wù)、用戶與企業(yè)之間的業(yè)務(wù)關(guān)系，構(gòu)建如圖1 所示的溯源鏈。證書機構(gòu)為參與加工的制造企業(yè)提供驗證所需的證書，來證明內(nèi)部企業(yè)的身份?！白C書組織”存儲證書機構(gòu)頒發(fā)的證書，并承擔(dān)驗證其他企業(yè)證書的任務(wù)；“排序組織”將加工數(shù)據(jù)進行打包生成區(qū)塊；各制造企業(yè)之間通過“交互組織”，進行相應(yīng)的信息交流；掌管制造過程信息的“制造組織”，負(fù)責(zé)對每個加工工序的信息的加密、存儲；交流的信息需要通過“驗證組織”對信息發(fā)送者的身份驗證，傳輸數(shù)據(jù)的真?zhèn)瓮ㄟ^密碼學(xué)原理進行相應(yīng)的檢驗，確保信息來源可靠，沒有被篡改。

圖1 溯溯源鏈結(jié)構(gòu)Fig.1 Traceability chain structure

3.2 溯源區(qū)塊

依據(jù)農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程的質(zhì)量溯源需求，并結(jié)合超級賬本的特點，設(shè)計出適應(yīng)農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量數(shù)據(jù)共享需求的區(qū)塊。根據(jù)對農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量信息的分析，其中人、機、法、測直接影響著機械零部件制造過程中的質(zhì)量，將這4 種質(zhì)量信息作為所要溯源的重要數(shù)據(jù)，存儲在區(qū)塊data 中，如圖2 所示。

圖2 區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)Fig.2 Block data structure

結(jié)合機械零部件制造過程質(zhì)量的數(shù)據(jù)特性和溯源的驗證機制，將區(qū)塊分為3 部分結(jié)構(gòu)，區(qū)塊頭、區(qū)塊體、區(qū)塊尾。

（1）區(qū)塊頭：由前一區(qū)塊的hash，本區(qū)塊的Merkle 根和時間戳組成。前一區(qū)塊的hash 計算值f（前一去塊Hash+Merkle 根+時間戳）；Merkle 根是由人、機、法、測4 方面的信息通過加密算法得到的；時間戳記錄了溯源信息的時間日志信息。

（2）區(qū)塊體：上鏈的數(shù)據(jù)通過加密hash 算法，一層一層傳遞至Merkle 根。

（3）區(qū)塊尾：機械零部件加工過程制造過程產(chǎn)生數(shù)據(jù)、設(shè)備、人員標(biāo)識等數(shù)據(jù)組成。

3.3 溯源體系

為了解決傳統(tǒng)機械零部件溯源的缺陷，通過利用區(qū)塊鏈技術(shù)一套完備的驗證體系，對傳統(tǒng)的機械零部件質(zhì)量溯源方法進行升級，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量溯源框架。

3.3.1 溯源分層架構(gòu)

通過對農(nóng)業(yè)機械產(chǎn)品行業(yè)溯源現(xiàn)狀與機械零部件制造過程質(zhì)量形成的分析，通過區(qū)塊鏈技術(shù)的溯源保障農(nóng)業(yè)機械零部件制造質(zhì)量。農(nóng)業(yè)機械零部件制造過程質(zhì)量溯源分層架構(gòu)如圖3 所示。

圖3 溯源模型分層架構(gòu)Fig.3 Hierarchical architecture of traceability model

（1）感知層：由多個采集數(shù)據(jù)的傳感器組成，通過各機床上部署的傳感器將生產(chǎn)制造環(huán)節(jié)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)與工作人員的簽字確認(rèn)信息傳輸給區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的制造組織，此過程數(shù)據(jù)實現(xiàn)無人化的上傳，避免人為因素干擾數(shù)據(jù)的原始性。

（2）核心層：由溯源鏈組成，存儲由排序組織打包好區(qū)塊信息，并為用戶提供分布式賬本共享等區(qū)塊鏈功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的不可篡改和智能合約的業(yè)務(wù)。

（3）溯源業(yè)務(wù)層：Fabric SDK 與Web 應(yīng)用提供RESTful 的接口組成，處理前端的業(yè)務(wù)請求和調(diào)用鏈碼功能，滿足用戶的業(yè)務(wù)需求。基本功能包括溯源權(quán)限管理、溯源驗證、溯源請求排序、客戶需求反饋。

（4）應(yīng)用層：Web 應(yīng)用采用 HTML+CSS+jQuery 的前端架構(gòu)，提供交互的界面操作。

各個層之間采用不同的接口，業(yè)務(wù)層的Fabric SDK、智能合約和區(qū)塊鏈賬本之間通過gRPC 協(xié)議通信，溯源業(yè)務(wù)層和Web 應(yīng)用之間采用RESTfull 的接口通信。

3.3.2 溯源鏈碼調(diào)用流程

由于在農(nóng)業(yè)機械零部件制造加工過程中，機械零部件的加工需要在不同的加工設(shè)備、不同的加工企業(yè)進行流動性的加工，用戶不僅僅關(guān)注零部件加工制造信息，而且在溯源時更加注重能夠迅速確定某個工序在某個環(huán)節(jié)、由哪個制造企業(yè)所生產(chǎn)。根據(jù)這一需求設(shè)計了溯源鏈，如圖4 溯源鏈鏈碼功能調(diào)用流程。

圖4 溯源鏈鏈碼調(diào)用流程Fig.4 Traceability chain call process

4 溯源流程

根據(jù)機械零部件質(zhì)量溯源架構(gòu)，為用戶設(shè)計出質(zhì)量溯源的具體流程。溯源用戶通過終端登錄到網(wǎng)絡(luò)，證書驗證機構(gòu)會對Fabric-CA 提供給用戶注冊的數(shù)字證書進行驗證，通過后用戶即可將業(yè)務(wù)請求數(shù)據(jù)發(fā)送給集群服務(wù)器，進行交易的排序、打包、區(qū)塊分發(fā)等操作，并將產(chǎn)生的區(qū)塊分發(fā)給企業(yè)組織節(jié)點，節(jié)點根據(jù)具體的業(yè)務(wù)需求進行轉(zhuǎn)發(fā)，或者對底層賬本做相應(yīng)的操作，最終完成用戶的溯源業(yè)務(wù)需求，如圖5 所示。

圖5 機械制造過程質(zhì)量溯源流程Fig.5 Quality traceability process of mechanical manufacturing process

為了給用戶提供友好的平臺使用體驗，就機械制造零部件制造過程質(zhì)量溯源設(shè)計了Web客戶端?；趨^(qū)塊鏈的機械零部件制造過程質(zhì)量溯源的Web客戶端界面有3部分組成，其分別是登錄驗證界面、溯源查詢界面、溯源信息結(jié)果界面。

生產(chǎn)制造的零部件以曲軸為例，用戶在Web客戶端進行登錄，通過證書驗證機構(gòu)驗證通過后，用戶即可發(fā)起業(yè)務(wù)請求?？蛻舳藭鶕?jù)用戶的業(yè)務(wù)需求向服務(wù)器發(fā)起Post 請求，服務(wù)器端接收請求后解析出請求的URL，并把這些業(yè)務(wù)信息傳遞給Fabric SDK，通過SDK 調(diào)用鏈碼執(zhí)行對應(yīng)的功能。之后，將溯源的曲軸零部件解密的數(shù)據(jù)返回到Web 頁面，顯示給用戶。

4.1 溯源信息查詢

用戶通過Web 端進行登錄，此時證書驗證機構(gòu)會對登錄客戶的數(shù)字證書進行驗證，驗證成功即可登錄到曲軸零部件的溯源信息查詢頁面，如圖6、圖7 所示。

圖6 機械零部件質(zhì)量溯源登錄界面Fig.6 Mechanical parts quality traceability login interface

圖7 機械零部件溯源界面Fig.7 Traceability interface of mechanical parts

4.2 溯源信息查詢結(jié)果

用戶可以直接輸入要查詢的機械零部件名稱，查詢出該機械零部件加工全過程的各項工序的加工信息，此時底層調(diào)用鏈碼的全查詢功能，溯源信息結(jié)果如圖8 所示。

用戶往往需要了解到機械零部件更加全面的加工制造企業(yè)的信息，本文所設(shè)計的溯源鏈就能夠快速滿足用戶的業(yè)務(wù)需求，調(diào)用對應(yīng)的鏈碼功能函數(shù)，更加高效地溯源用戶所需求的信息，溯源信息如圖9 所示。

圖9 曲軸制造過程企業(yè)加工質(zhì)量溯源信息Fig.9 Crankshaft manufacturing process enterprise processing quality traceability information

5 結(jié)語

本文對農(nóng)業(yè)機械制造行業(yè)溯源問題具體分析，設(shè)計出一種基于區(qū)塊鏈的機械零部件制造過程質(zhì)量溯源模型，以機械零部件制造過程的質(zhì)量作為溯源的對象，利用Fabric 作為溯源平臺的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)，對機械零部件制造過程產(chǎn)生的質(zhì)量數(shù)據(jù)上鏈存儲，根據(jù)機械零部件制造過程的質(zhì)量數(shù)據(jù)特點，設(shè)計出溯源鏈。然后，對機械零部件制造過程質(zhì)量溯源模型進行了可行性的驗證，構(gòu)建了一套溯源系統(tǒng)。前端采用HTML+CSS+jQuery 框架為用戶提供溯源的Web 界面，F(xiàn)abric SDK 連接用戶與鏈碼進行溝通，鏈碼直接對底層賬本數(shù)據(jù)進行操作，溯源出用戶需求的零部件質(zhì)量信息。將區(qū)塊鏈技術(shù)與機械制造行業(yè)的溯源需求相結(jié)合，提供了一種新的方法來解決機械制造溯源過程中的數(shù)據(jù)集中、記錄信息易丟失、溯源結(jié)果不可靠等問題。在實際的應(yīng)用中，將帶動農(nóng)業(yè)機械制造行業(yè)經(jīng)營管理方式的升級與變革。