徐楊楊，王艷+

1.江南大學(xué) 輕工過(guò)程先進(jìn)控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫214122

2.江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122

云制造依托云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、虛擬化等先進(jìn)技術(shù)，為制造業(yè)提供一種新的生產(chǎn)模式?；谠浦圃炱脚_(tái)，物理世界中的制造資源和制造能力通過(guò)數(shù)字孿生技術(shù)被抽象化為可以用于消費(fèi)的虛擬資源，集中在云平臺(tái)的資源池中，由云平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一調(diào)配，從而可以打破地理?xiàng)l件的約束。云制造旨在產(chǎn)品的整個(gè)生命周期內(nèi)向用戶(hù)提供各種靈活的、可定制的制造服務(wù)。

作為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界共同關(guān)注的前沿問(wèn)題，有關(guān)云制造的研究工作主要集中在可信性、資源分配和服務(wù)質(zhì)量等方面。文獻(xiàn)[5]為了有效表征合作信任，通過(guò)對(duì)歷史服務(wù)評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，將服務(wù)滿(mǎn)意度量化，并提出了基于服務(wù)滿(mǎn)意度的信任評(píng)價(jià)模型。文獻(xiàn)[6]研究了云制造平臺(tái)中制造資源的可信性問(wèn)題，從信用和可靠性?xún)煞矫嬖u(píng)估制造資源的可信度。文獻(xiàn)[7]為了解決云制造平臺(tái)上復(fù)雜產(chǎn)品制造任務(wù)匹配過(guò)程中偏好信息的模糊性和不確定性，提出了一種基于雙猶豫模糊偏好信息的雙邊匹配模型。文獻(xiàn)[8]針對(duì)云制造平臺(tái)在制造資源分配過(guò)程的能耗問(wèn)題，提出了一種基于能耗感知的資源分配方法。文獻(xiàn)[9]根據(jù)云制造具有復(fù)雜特征的資源調(diào)度問(wèn)題，提出了一種資源競(jìng)價(jià)機(jī)制，保證了云制造市場(chǎng)的公平性。文獻(xiàn)[10]考慮到不同的制造云服務(wù)具有相似的功能和不同的服務(wù)質(zhì)量，提出了一種關(guān)聯(lián)感知的制造云服務(wù)描述模型，用以描述單個(gè)服務(wù)對(duì)其他相關(guān)服務(wù)的依賴(lài)性。文獻(xiàn)[11]研究了云制造過(guò)程中擾動(dòng)對(duì)服務(wù)質(zhì)量的影響，利用離散馬爾科夫跳變系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的動(dòng)態(tài)優(yōu)化。

上述有關(guān)云制造的相關(guān)理論研究與探索，雖然在可信性、資源分配和服務(wù)質(zhì)量方面取得一定的進(jìn)展，但是其依賴(lài)的底層系統(tǒng)架構(gòu)依然是集中式的框架體系。在該框架下，云制造平臺(tái)由運(yùn)營(yíng)商經(jīng)營(yíng)，制造資源供應(yīng)方和需求方均由平臺(tái)運(yùn)營(yíng)商調(diào)配。其最大特點(diǎn)是系統(tǒng)中的決策依賴(lài)于少量的節(jié)點(diǎn)，因此，其本質(zhì)上無(wú)法避免單點(diǎn)故障。目前，主要通過(guò)冗余備份解決單點(diǎn)故障問(wèn)題，但是需要付出昂貴的維護(hù)成本，并且無(wú)法從根本上解決單點(diǎn)故障。除此之外，系統(tǒng)中少數(shù)節(jié)點(diǎn)掌握過(guò)多的權(quán)限，容易成為黑客攻擊的目標(biāo)，存在保密數(shù)據(jù)泄露的風(fēng)險(xiǎn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種全新的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)和分布式計(jì)算范式。在公有鏈中，所有節(jié)點(diǎn)具有相同的地位，滿(mǎn)足一定條件才可以獲得記賬權(quán)。其他節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)驗(yàn)證，驗(yàn)證通過(guò)后更新本地的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通過(guò)發(fā)布獎(jiǎng)勵(lì)來(lái)刺激節(jié)點(diǎn)挖礦的積極性，因此，即便網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有中心節(jié)點(diǎn)的調(diào)度，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)仍然能保證數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的完整性和一致性。同時(shí)，區(qū)塊鏈技術(shù)是一種創(chuàng)造信任的技術(shù)，在弱信任的網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以按照客觀(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，譬如算力、幣齡等，獲得大多數(shù)節(jié)點(diǎn)的認(rèn)可。它提供了一種安全的方式來(lái)交換任何種類(lèi)的商品、服務(wù)或交易。區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)具有不可篡改性，存儲(chǔ)在區(qū)塊中的數(shù)據(jù)通過(guò)哈希運(yùn)算得到唯一的身份編碼，并且區(qū)塊以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)連接，通過(guò)這種方式強(qiáng)化已存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)的安全性。

區(qū)塊鏈技術(shù)有著廣闊的應(yīng)用前景。翁曉泳利用區(qū)塊鏈的去中心化特性和不可篡改特性，設(shè)計(jì)了一種雙鏈結(jié)構(gòu)，保護(hù)云平臺(tái)中的共享數(shù)據(jù)。陳飛等人利用區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)可溯性設(shè)計(jì)了食品溯源系統(tǒng)。任艷麗等人為了解決區(qū)塊鏈中過(guò)期的數(shù)據(jù)，根據(jù)改進(jìn)的門(mén)限環(huán)簽名方案和基于空間證明的共識(shí)機(jī)制提出了可刪除的區(qū)塊鏈。文獻(xiàn)[16]對(duì)區(qū)塊鏈在制造業(yè)和工程上的應(yīng)用做了系統(tǒng)的綜述研究。文獻(xiàn)[17]指出區(qū)塊鏈技術(shù)可以滿(mǎn)足高可信度、高數(shù)據(jù)安全的分布式系統(tǒng)的需求，并且提出了建立一種對(duì)工業(yè)資源進(jìn)行可信管控的系統(tǒng)平臺(tái)。文獻(xiàn)[18]在基于區(qū)塊鏈的云制造平臺(tái)中，探索了非零和理性定價(jià)策略以及不同負(fù)載水平對(duì)平臺(tái)各方收益的影響。文獻(xiàn)[19-21]主要針對(duì)云制造平臺(tái)中的信任問(wèn)題，結(jié)合區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)出一種可信的服務(wù)交易方式。文獻(xiàn)[22-23]針對(duì)第三方平臺(tái)的集中式架構(gòu)和信任問(wèn)題，提出了分布式對(duì)等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以提高系統(tǒng)的安全性和可擴(kuò)展性。文獻(xiàn)[24]提出了一種基于區(qū)塊鏈的工作流管理系統(tǒng)來(lái)集中共享不同客戶(hù)的異構(gòu)物流資源。文獻(xiàn)[25]提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的服務(wù)組合模型。作為一種新型的制造架構(gòu)，通過(guò)將原始的服務(wù)組合問(wèn)題劃分為多個(gè)子問(wèn)題，每個(gè)子問(wèn)題包含服務(wù)/任務(wù)池的一部分，從而克服了集中化機(jī)制。

區(qū)塊鏈技術(shù)可以為云制造系統(tǒng)的信任問(wèn)題和數(shù)據(jù)安全等問(wèn)題提供一種有效的解決方案。然而將區(qū)塊鏈的去中心化特性和數(shù)據(jù)不可篡改特性用于云制造的研究相對(duì)較少。因此，本文提出了一種基于區(qū)塊鏈的去中心化的云制造交易平臺(tái)框架。本文的工作和創(chuàng)新點(diǎn)如下：

（1）提出了一種基于區(qū)塊鏈的去中心化的云制造交易平臺(tái)框架，研究了制造資源/需求發(fā)布過(guò)程中的橢圓曲線(xiàn)數(shù)字簽名算法，以及制造資源與需求匹配的流程。

（2）利用智能合約設(shè)計(jì)了面向云制造的制造資源校驗(yàn)合約和制造資源交易合約，并完成在Remix 平臺(tái)中的實(shí)驗(yàn)測(cè)試。

（3）探索了在去中心化的架構(gòu)下，制造資源供應(yīng)商和制造資源需求者供需平衡的博弈問(wèn)題，并在Matlab 上進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果表明制造資源供應(yīng)方和需求方的博弈可以達(dá)到納什均衡，并且較已有的研究有較快的收斂速度。

1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化的分布式賬本，具有共同維護(hù)、不可篡改、公開(kāi)透明、安全和匿名性等優(yōu)點(diǎn)，核心組件是智能合約和共識(shí)機(jī)制，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。區(qū)塊頭存放與共識(shí)有關(guān)的數(shù)據(jù)項(xiàng)，其中當(dāng)前區(qū)塊哈希值是該區(qū)塊的唯一標(biāo)識(shí)。區(qū)塊體主要存放節(jié)點(diǎn)打包的交易記錄。

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)Fig.1 Blockchain structure

按照去中心化程度，區(qū)塊鏈可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。公有鏈?zhǔn)且环N完全去中心化的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)地位均等，可以隨時(shí)加入或退出網(wǎng)絡(luò)，以比特幣和以太坊為代表。聯(lián)盟鏈?zhǔn)且环N多中心化的網(wǎng)絡(luò)，中心數(shù)由組建聯(lián)盟鏈的初始成員確定，節(jié)點(diǎn)的加入需要特定機(jī)構(gòu)批準(zhǔn)，以超級(jí)賬本為代表。私有鏈?zhǔn)且环N中心化的網(wǎng)絡(luò)，適用于規(guī)模較小的團(tuán)體。

智能合約（smart contract，SC）是一種嵌入到硬件上可自動(dòng)執(zhí)行的代碼。廣義上講，智能合約是無(wú)需中介、自我驗(yàn)證、自我執(zhí)行合約條款的計(jì)算機(jī)交易協(xié)議。智能合約賦予區(qū)塊鏈更強(qiáng)的拓展性和更高的靈活性，允許開(kāi)發(fā)人員在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)發(fā)業(yè)務(wù)邏輯。智能合約以區(qū)塊鏈的不可篡改性作為底層支撐，整個(gè)生命周期包括合約創(chuàng)建、合約部署、合約調(diào)用、狀態(tài)更新。在合約的整個(gè)生命周期內(nèi)，各個(gè)環(huán)節(jié)以交易的形式被記錄到區(qū)塊鏈中。

共識(shí)算法是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的必要組成部分，共識(shí)是對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)或狀態(tài)達(dá)成一致的過(guò)程。作為分布式網(wǎng)絡(luò)的區(qū)塊鏈系統(tǒng)無(wú)法同時(shí)滿(mǎn)足一致性、可用性和分區(qū)容錯(cuò)性，因此需要一種機(jī)制在滿(mǎn)足分區(qū)容錯(cuò)性的基礎(chǔ)上，在一致性和可用性之間進(jìn)行妥協(xié)。目前，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的共識(shí)算法大致可分為基于證明和基于投票的算法。著名的基于證明的共識(shí)算法有工作量證明算法、股權(quán)證明算法、委托權(quán)益證明算法等，基于投票的共識(shí)算法主要是拜占庭容錯(cuò)算法。

2 基于區(qū)塊鏈的云制造資源分配

傳統(tǒng)的云制造平臺(tái)參與用戶(hù)可以劃分為制造資源供應(yīng)方（manufacturing resource suppliers,MRS）、制造資源需求方（manufacturing resource demanders,MRD）、云平臺(tái)運(yùn)營(yíng)方（cloud platform operators,CPO）。MRS將可用資源注冊(cè)給CPO，由CPO 根據(jù)MRD 的需求統(tǒng)籌調(diào)配制造資源，如圖2 所示，是一種集中式的架構(gòu)。本文提出的基于區(qū)塊鏈的云制造平臺(tái)通過(guò)智能合約，在沒(méi)有第三方直接參與的情況下，可實(shí)現(xiàn)制造資源的分配。如圖3 所示，MRS 和MRD 就資源價(jià)格和資源供應(yīng)量達(dá)成一致后，簽署智能合約，同時(shí)將合約保存到區(qū)塊鏈中，保證合約數(shù)據(jù)不被篡改。CPO負(fù)責(zé)監(jiān)督MRS 和MRD 的交易行為，并通過(guò)核查SC校驗(yàn)用于交易的制造資源。當(dāng)雙方發(fā)生交易爭(zhēng)端時(shí)，可通過(guò)CPO 和查看SC 判定爭(zhēng)議對(duì)象。

圖2 傳統(tǒng)云制造平臺(tái)架構(gòu)Fig.2 Traditional cloud manufacturing platform architecture

圖3 基于區(qū)塊鏈的云制造平臺(tái)架構(gòu)Fig.3 Blockchain-based cloud manufacturing platform architecture

區(qū)塊鏈技術(shù)的引入，可以強(qiáng)化MRD 和MRS 之間的信任，實(shí)現(xiàn)雙方的直接交易，弱化了傳統(tǒng)云制造平臺(tái)中第三方的作用，極大地降低了信用成本。依靠非對(duì)稱(chēng)數(shù)字加密和通信技術(shù)，MRS 和MRD 可以實(shí)時(shí)掌握制造資源的使用情況。

2.1 制造資源/需求發(fā)布

為了增強(qiáng)制造資源/需求發(fā)布的安全性，本文使用橢圓曲線(xiàn)數(shù)字簽名算法（elliptic curve digital signature algorithm，ECDSA）保障MRS 和MRD 之間的數(shù)據(jù)傳輸不被篡改。以MRD 向MRS 發(fā)送請(qǐng)求資源消息為例，具體步驟如下：

MRD 在有限域()上確定階數(shù)為的橢圓曲線(xiàn)(,)，其中和為曲線(xiàn)參數(shù)，并在橢圓曲線(xiàn)(,)上確定基點(diǎn)。()={0,1,…,-1}，是素?cái)?shù)且∈。下文中的均與此處相同。不失一般性，本文選取曲線(xiàn)(0,17)=-+17=0，如圖4所示。

圖4 橢圓曲線(xiàn)Fig.4 Elliptic curve

MRD選擇一個(gè)隨機(jī)數(shù)作為私鑰，1 ≤＜，并計(jì)算公鑰：

選擇安全的哈希函數(shù)，將請(qǐng)求信息進(jìn)行哈希運(yùn)算，獲取信息摘要：

隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)，1 ≤＜。計(jì)算映射到橢圓曲線(xiàn)的坐標(biāo)(,)：

從而獲得數(shù)字簽名的第一部分：

若mod=0，mod 為取模運(yùn)算，重新執(zhí)行該步驟，否則執(zhí)行下一步。

MRD使用私鑰計(jì)算數(shù)字簽名的另一部分：

若=0,返回第二步，否則執(zhí)行下一步。

MRD 將資源請(qǐng)求消息、簽名(,)、MSD 的公鑰、橢圓曲線(xiàn)(,)和基點(diǎn)發(fā)送給MRS。

MRS 使用MRD 的公鑰和簽名信息對(duì)接收到的消息進(jìn)行驗(yàn)證。計(jì)算：

若=×，則驗(yàn)證通過(guò)，否則驗(yàn)證失敗。

ECDSA 算法

2.2 制造資源與制造需求匹配過(guò)程

考慮以下場(chǎng)景：MRD 需要生產(chǎn)一批產(chǎn)品，產(chǎn)品加工任務(wù)Task 可以分解為個(gè)子任務(wù)={,,…,Task}。每個(gè)子任務(wù)需要不同的加工設(shè)備和加工時(shí)間。因此，MRD 需要將該制造需求信息通過(guò)上一節(jié)提出的ECDSA 進(jìn)行加密，并在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布。為了保障MRD 身份的匿名性，MRD的地址信息通過(guò)哈希函數(shù)加密，得到。

其中，=[,,…,d]表示MRD 的子任務(wù)的制造資源需求量，=[,,…,]表示MRD 第一輪愿意給每個(gè)子任務(wù)的制造資源的購(gòu)買(mǎi)單價(jià)，={T,,…,}表示每個(gè)子任務(wù)的加工時(shí)間段，表示MRD 的地址信息；[(,),]表示MRD 用于簽名的信息數(shù)據(jù)，(,) 表示橢圓曲線(xiàn)，是基點(diǎn)；表示MRD 的公鑰信息。

MRD 使用ECDSA 對(duì)制造需求信息進(jìn)行數(shù)字簽名，并將簽名和該需求信息廣播到網(wǎng)絡(luò)中。

MRS 在收到MRD 的制造資源請(qǐng)求消息′后，首先驗(yàn)證該消息的合法性，通過(guò)MRD 提供的公鑰驗(yàn)證該消息是否是MRD 發(fā)送的消息。若消息不合法，則不予回應(yīng)；若消息合法，則MRS 查看請(qǐng)求信息′，并將能夠提供給MRD 的制造資源信息回復(fù)給MRD。

其中，=[,,…,s] 表示MRS 可以提供的制造資源；=[,,…,]表示MRS 對(duì)每個(gè)請(qǐng)求資源的第一輪出售單價(jià)；=[,,…,]表示資源的可用時(shí)間段。

MRD 在收到MRS 的制造資源供應(yīng)消息′后，首先驗(yàn)證該消息的合法性，通過(guò)MRS 提供的公鑰驗(yàn)證該消息是否是MRS 發(fā)送的消息。若消息不合法，則不予回應(yīng)；若消息合法，則MRD 查看回復(fù)信息′，并對(duì)有爭(zhēng)議的地方，例如價(jià)格，向MRS 發(fā)送消息進(jìn)行協(xié)商。

=[,,…,]表示MRD 的第二輪報(bào)價(jià)。價(jià)格協(xié)商可能會(huì)持續(xù)幾個(gè)回合，MRS 和MRD 之間的博弈最終會(huì)達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。若此刻雙方都能接受平衡時(shí)刻的價(jià)格，則交易達(dá)成共識(shí)，進(jìn)入下一步驟；若至少有一方不能接受平衡點(diǎn)價(jià)格，則交易失敗，MRD重新向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)布資源請(qǐng)求消息。

MRS 和MRD 雙方簽署用于交易的智能合約。

在制造資源與需求的匹配過(guò)程中，按照價(jià)格，交易雙方自主完成匹配與交易。合約簽署后，被存放到區(qū)塊鏈中，保證交易記錄不被篡改，如圖5 所示。

圖5 制造資源與制造需求匹配機(jī)理Fig.5 Matching mechanism between manufacturing resources and manufacturing demand

制造資源與需求匹配算法

2.3 面向云制造的智能合約設(shè)計(jì)

智能合約是區(qū)塊鏈的重要組成部分，存放在區(qū)塊鏈特定的位置上，能夠被區(qū)塊鏈上的其他節(jié)點(diǎn)調(diào)用并自動(dòng)執(zhí)行，賦予區(qū)塊鏈智能的特性。由于區(qū)塊鏈的公開(kāi)透明，所有節(jié)點(diǎn)在正式運(yùn)行合約前，可以根據(jù)輸入判斷出合約的輸出結(jié)果，因而不存在通過(guò)智能合約的造假。盡管智能合約具有這樣的優(yōu)勢(shì)，但將這種優(yōu)勢(shì)應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中的研究卻寥寥無(wú)幾。文獻(xiàn)[31]將智能合約與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)據(jù)相結(jié)合，研究了數(shù)據(jù)包合約和數(shù)據(jù)分析服務(wù)合約，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)商品的交易。受此啟發(fā)，本文提出基于區(qū)塊鏈的云制造框架，在資源分配過(guò)程中，通過(guò)簽署制造資源校驗(yàn)合約和制造資源交易合約，保證交易的安全性和可信度。

存放在云制造資源池中的制造資源，是物理世界中制造資源的數(shù)字化版本。在虛擬化的過(guò)程中，MRS為了獲得更大的利益，可能通過(guò)某種手段對(duì)虛擬資源進(jìn)行造假，如故意夸大資源數(shù)量。雖然區(qū)塊鏈可以保證鏈上數(shù)據(jù)的不可篡改性，但在數(shù)據(jù)上鏈的過(guò)程中，區(qū)塊鏈無(wú)法保證原始數(shù)據(jù)的真實(shí)性。因此，引入一種監(jiān)管機(jī)制顯得尤其重要。本文在引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)時(shí)，并沒(méi)有因其去中心化的特性，完全舍棄CPO 的監(jiān)督功能。CPO 的監(jiān)督功能只存在制造資源第一次上鏈的過(guò)程中，本文主要依靠CPO 和SC 完成數(shù)據(jù)上鏈的校驗(yàn)。如果MRS 上報(bào)的制造資源超出CPO 統(tǒng)計(jì)的制造資源范圍，將攔截上報(bào)過(guò)程，提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)可信性。而一旦制造資源的數(shù)據(jù)上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)將根據(jù)歷史記錄判斷制造資源的合法性。因此，保留CPO 的監(jiān)督功能，雖然會(huì)增加一個(gè)校驗(yàn)環(huán)節(jié)，降低數(shù)據(jù)上鏈的效率，但可以提高數(shù)據(jù)的可信度。

首先，MRS為了向其他MRD 提供服務(wù)，需要將已有的制造資源信息，包括資源的種類(lèi)s.,s∈和規(guī)模.等上傳到制造資源校驗(yàn)合約。CPO通過(guò)調(diào)研或者實(shí)地考察等方式，對(duì)該MRS 的資源種類(lèi)s.,s∈′及規(guī)?！?進(jìn)行評(píng)估，得到一份資源信息檔案′用以衡量該MRS的能力。通過(guò)兩者的比較，云平臺(tái)對(duì)符合評(píng)估范圍的資源進(jìn)行背書(shū)并批準(zhǔn)其進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈，否定超出評(píng)估范圍的制造資源，如圖6所示，從而監(jiān)督MRS按照真實(shí)的資源進(jìn)行上報(bào)。

圖6 面向云制造的智能合約設(shè)計(jì)流程Fig.6 Smart contract design process for cloud manufacturing

制造資源校驗(yàn)合約

MRS 和MRD 通過(guò)區(qū)塊鏈通信網(wǎng)絡(luò)就資源價(jià)格、種類(lèi)及數(shù)量達(dá)成共識(shí)后，通過(guò)簽署智能合約保證交易的真實(shí)有效。合約中的價(jià)格是雙方商定后確定的價(jià)格。MRS 在合約中展示所有制造資源的種類(lèi)s.和數(shù)量s.,s∈。MRD 根據(jù)購(gòu)買(mǎi)需求選擇相關(guān)的制造資源的種類(lèi)d.和數(shù)量d.,d∈。在交易過(guò)程中，制造資源智能合約根據(jù)MRD的需求量和MRS的供給量以及資源價(jià)格，計(jì)算出支付金額，并將金額發(fā)送給MRS的賬戶(hù)[MRS]。同時(shí)，調(diào)整MRS對(duì)應(yīng)資源的數(shù)量及賬戶(hù)金額[MRD]，如圖6所示。一旦智能合約在區(qū)塊鏈上運(yùn)行，所有交易記錄將永久保存，不可篡改，從而保證交易的真實(shí)可靠。

制造資源交易合約

3 制造資源供需博弈

3.1 問(wèn)題描述

基于區(qū)塊鏈的云制造資源分配框架使得MRS 和MRD 可以通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)雙向通信，并使雙方能夠及時(shí)了解對(duì)方的制造資源需求/供應(yīng)情況。因此，MRD 可以根據(jù)MRS 提供的單位資源售價(jià)和供應(yīng)量以及自己的需求情況確定資源的購(gòu)買(mǎi)量，MRS 也可以根據(jù)MRD 的資源需求量調(diào)整制造資源供應(yīng)量及資源售價(jià)。設(shè)在云制造平臺(tái)中，對(duì)于某種制造資源存在個(gè)MRD 和1 個(gè)MRS。每個(gè)MRD 通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)布對(duì)資源的需求量，MRS 匯總所有的需求信息后確定對(duì)該資源的供應(yīng)量，且能夠提供足夠數(shù)量的資源，以便獲得最優(yōu)的收益。因此，雙方在制定決策時(shí)存在時(shí)間上的先后順序，是一種完全信息的動(dòng)態(tài)決策過(guò)程。因此本文采用Stackelberg 博弈的相關(guān)理論解決MRD 和MRS 之間的資源收益問(wèn)題，其中以MRD 為主導(dǎo)方，MRS 為跟隨方，MRS 根據(jù)MRD 的資源需求量確定資源供應(yīng)量，形成一個(gè)多領(lǐng)導(dǎo)者一跟隨者問(wèn)題。

首先，MRD 通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)布制造資源需求量,=[,,…,]。表示每個(gè)MRD 的資源需求量，∈{1,2,…,}。MRD 獲得制造資源后，通過(guò)加工生產(chǎn)產(chǎn)品獲得收益，記制造資源轉(zhuǎn)化為產(chǎn)品收益的效益為,=[,,…,x]。 x表示每個(gè)MRD的效益，∈{1,2,…,}。單位制造資源的支付價(jià)格=[]以及生產(chǎn)成本，=[,,…,]。表示每個(gè)MRD的生產(chǎn)成本，∈{1,2,…,}。因此，MRD的利潤(rùn)為：

MRD 了解制造需求后，確定制造資源的供應(yīng)量=[]。制造資源的價(jià)格受到供需的影響而變化，與需求量成正相關(guān)，與供應(yīng)量成負(fù)相關(guān)。因此資源售價(jià)定義為：

＞0，＞0 為需求量和供應(yīng)量對(duì)價(jià)格的影響系數(shù)。MRS 負(fù)責(zé)制造資源日常維護(hù)，單位資源的維護(hù)成本記為=[]。因此MRS 的利潤(rùn)為：

博弈的目的在于使參與者獲得最大的利潤(rùn)。因此，目標(biāo)函數(shù)為：

3.2 資源供需Stackelberg 均衡

Stackelberg 博弈為主從博弈，本文以MRD 為主導(dǎo)方，先確定資源需求量，然后MRS 根據(jù)需求量確定供應(yīng)量。博弈雙方的最終目的是在對(duì)方策略的約束下，逐步調(diào)整自己的策略，實(shí)現(xiàn)自己利益的最大化。利益最大時(shí)，雙方的策略集會(huì)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定，即達(dá)到納什均衡。

引理1對(duì)于資源價(jià)格=[,,…,α,…,α]，是博弈參與方的個(gè)數(shù)，與收益()之間的Stackelberg 博弈如果滿(mǎn)足條件1 和條件2，則存在納什均衡。

是歐氏空間上的非空有界閉凸子集。

?β∈, β關(guān)于α是連續(xù)且凹的。

對(duì)于式（11）～式（14）所描述的制造資源供需Stackelberg 博弈，存在納什均衡。

又因?yàn)椋?/p>

由式（15）、式（16）知，h關(guān)于是連續(xù)的，關(guān)于是連續(xù)的。由式（17）、式（18）知，h關(guān)于是凹的，關(guān)于是凹的。因此條件2 成立。

將式（19）代入式（16），并對(duì)式（16）關(guān)于求導(dǎo)，令導(dǎo)函數(shù)等于0 得：

綜上，證明完畢。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 智能合約測(cè)試及結(jié)果分析

智能合約的測(cè)試使用Remix 作為測(cè)試環(huán)境。Remix是一款基于瀏覽器的編譯器和集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，允許用戶(hù)使用Solidity語(yǔ)言構(gòu)建以太坊合約并調(diào)試交易。

在制造資源校驗(yàn)合約中，MRS 和CPO 分別在合約中上傳制造資源信息。然后，將合約部署到以太坊區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。圖7 為該合約部署到區(qū)塊鏈的詳細(xì)信息，包括此次交易的唯一標(biāo)識(shí)哈希值“0x99e6c1 ba7f0498fb3658d0225c2ab05a09d4161904f5f8bbfd90e f04fd5831c1”，合約地址“0x358AA13c52544ECCEF6 B0ADD0f801012ADAD5eE3”以及輸入的制造資源信息。為驗(yàn)證合約的有效性，對(duì)制造資源上鏈驗(yàn)證合約進(jìn)行四次測(cè)試，測(cè)試輸入數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

圖7 制造資源校驗(yàn)合約信息Fig.7 Manufacturing resource validation contract information

表1 合約測(cè)試輸入數(shù)據(jù)Table 1 Input data of contract test

測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8～圖11。在測(cè)試1 中，MRS 上報(bào)的資源種類(lèi)與CPO 評(píng)估的種類(lèi)一致，并且資源數(shù)量在評(píng)估范圍內(nèi)。因此，資源信息上鏈成功，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)建交易,生成交易的哈希值。測(cè)試2 中，MRS 惡意上報(bào)資源的種類(lèi)和數(shù)量；測(cè)試3 中，MRS 夸大資源數(shù)量；測(cè)試4 中，MRS 虛報(bào)資源種類(lèi)，均被區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)攔截，中斷交易的執(zhí)行，并回滾到上鏈前的狀態(tài)，從而避免被篡改的原始數(shù)據(jù)上鏈，維護(hù)云制造平臺(tái)中數(shù)據(jù)的真實(shí)和可信。因此，基于區(qū)塊鏈的云平臺(tái)架構(gòu)可以有效監(jiān)督平臺(tái)中的操作記錄，方便追溯爭(zhēng)端的起源，維護(hù)平臺(tái)的公開(kāi)透明。

圖8 測(cè)試1 結(jié)果Fig.8 Result of test 1

圖9 測(cè)試2 結(jié)果Fig.9 Result of test 2

圖10 測(cè)試3 結(jié)果Fig.10 Result of test 3

圖11 測(cè)試4 結(jié)果Fig.11 Result of test 4

在制造資源交易合約中，MRD 的賬戶(hù)地址“0x5 B38Da6a701c568545dCfcB03FcB875f56beddC4”，賬戶(hù)金額為100。MRS 的賬戶(hù)地址“0xAb8483F64d9C 6d1EcF9b849Ae677dD3315835cb2”，出售50 份制造資源。雙方協(xié)商的資源價(jià)格為3。MRD 購(gòu)買(mǎi)30份資源后，MRD 的賬戶(hù)自動(dòng)向MRS 的賬戶(hù)轉(zhuǎn)賬90，并提示“購(gòu)買(mǎi)成功”，如圖12 所示。若此時(shí)，MRD繼續(xù)購(gòu)買(mǎi)20 份制造資源，但此時(shí)MRD 的賬戶(hù)余額僅為10，不足以購(gòu)買(mǎi)制造資源，此時(shí)合約就會(huì)中斷交易的產(chǎn)生，并提示“余額不足，購(gòu)買(mǎi)失敗”，如圖13 所示。若MRD 向MRS 購(gòu)買(mǎi)制造資源但合約中只有制造資源，則區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)將終止交易的執(zhí)行，如圖14 所示，提示“沒(méi)有相關(guān)資源”。

圖12 交易信息Fig.12 Transaction information

圖13 交易失?。ń痤~不足）Fig.13 Transaction failure(insufficient amount)

圖14 交易失?。o(wú)資源）Fig.14 Transaction failure(no resources)

Remix 上的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果表明，依靠區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性和可追溯性，將智能合約運(yùn)用到云制造平臺(tái)可以將所有操作記錄以交易的形式保存在區(qū)塊鏈中，有效保證交易信息的可靠性和安全性。

4.2 博弈仿真及結(jié)果分析

在基于區(qū)塊鏈的云制造資源分配框架下，資源價(jià)格受供需影響，MRD 根據(jù)生產(chǎn)需求租賃相關(guān)制造資源，MRS 根據(jù)資源需求量制定相關(guān)的供應(yīng)策略，雙方博弈的最終目的是使自己在對(duì)方的策略約束下獲得最大利潤(rùn)。實(shí)驗(yàn)使用MATLABR2019b對(duì)3個(gè)MRD和1個(gè)MRS之間的供需博弈進(jìn)行仿真，價(jià)格函數(shù)的系數(shù)=0.8，=0.2，本文假設(shè)需求量對(duì)價(jià)格的影響大于供應(yīng)量對(duì)價(jià)格的影響。=[100,200,200],=[45,45,15]，=[10]。初始的需求量=[100,100,100]，供應(yīng)量=[200]。如圖15 所示，經(jīng)過(guò)20 次迭代后，需求量、供應(yīng)量及資源價(jià)格均收斂，表明MRD和MRS可以達(dá)到納什均衡。將本文提出的制造資源博弈模型與文獻(xiàn)[32]中提出的電網(wǎng)供需博弈模型進(jìn)行對(duì)比，雖然研究對(duì)象不一樣，但兩者均研究Stackelberg 均衡收斂問(wèn)題，因此存在一定的對(duì)比研究意義。本文按照文獻(xiàn)[32]中的參數(shù)設(shè)置，在MATLABR2019b 進(jìn)行仿真對(duì)比，由圖16 可知，本文在迭代15 次左右接近收斂，而文獻(xiàn)[32]在迭代35 次才接近收斂，收斂速度提升57%左右。

圖15 供需博弈結(jié)果Fig.15 Game results of supply and demand

圖16 博弈收斂速度對(duì)比Fig.16 Comparison of convergence speed of games

在供需平衡后，MRD3 為獲得更高的收益，私自增加需求量，打破了供需平衡。需求量的增加導(dǎo)致資源價(jià)格上漲，給MRS 帶來(lái)更大的利潤(rùn)。同時(shí)也增加了MRD3 和MRD2 的購(gòu)買(mǎi)成本。因此，MRS 希望通過(guò)提高供應(yīng)量獲得更大的收益，而MRD2 和MRD3被迫縮減對(duì)資源的需求，從而使價(jià)格趨于平衡。最終3 個(gè)MRD 和1 個(gè)MRS 回到了原有的供需平衡狀態(tài)，如圖17 所示。

圖17 MRD3 需求增加對(duì)供需平衡的影響Fig.17 Impact of MRD3 demand surge on balance of supply and demand

5 結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究了區(qū)塊鏈技術(shù)與云制造平臺(tái)融合的應(yīng)用問(wèn)題，提出了一種基于區(qū)塊鏈的云制造資源分配框架。同時(shí)研究了資源需求方和供應(yīng)方在該去中心化的框架下的Stackelberg 供需博弈問(wèn)題。在該框架下，云平臺(tái)的參與方通過(guò)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，使用橢圓曲線(xiàn)數(shù)字簽名算法完成資源發(fā)布，通過(guò)智能合約完成資源的匹配和交易。通過(guò)Remix 完成智能合約的測(cè)試，結(jié)果表明，基于區(qū)塊鏈的云平臺(tái)交易數(shù)據(jù)能夠被安全地存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中，且區(qū)塊鏈的不可篡改性可以增強(qiáng)云制造數(shù)據(jù)的可信度。在多領(lǐng)導(dǎo)者一跟隨者的博弈模型中，制造資源供應(yīng)方與資源需求方能夠獲得納什均衡。仿真結(jié)果表明，該模型的納什均衡收斂速度較已有研究有較大的提升，并且具有一定的魯棒性。今后將研究區(qū)塊鏈在共識(shí)算法上的優(yōu)化，降低其共識(shí)損耗，并探索如何提高其在云制造平臺(tái)應(yīng)用的吞吐量。