自组织供应链：新基建中工业互联网的核心驱动力
2021-11-03 来源：信息通信技术与政策
摘要：工业互联网将是第四次工业革命的基石，是我国新基建关键领域之一，对我国工业转型升级、供给侧结构性改革有重要的战略意义。基于当前国内工业互联网建设和应用中面临的技术风险和工业革命的趋势，以“产品=物料+工艺”为基本模式，结合区块链和可信计算提出以供应链自组织为工业互联网核心驱动力的建议思路，提出了环形的工业互联网参考架构，以及供应链自组织过程的基本思路和保障其运转的关键机制。建议工业互联网核心驱动力的构建应以“全国一盘棋”为原则，并加大基础科学理论的投入，发挥体制优势达成世界领先。最后，展望了工业互联网对产业、社会、新一代人工智能相关科学研究的影响。
0 引言
工业互联网是国家新基建七大领域之一。然而以“平台为核心”的建设思路[1-4]却在工业核心过程之一——供应链方面少了“自组织”[5-7]的核心驱动力。为什么要自组织? 一是技术风险，工业云平台在资源集中管控调度过程中无法稳定、实时地应对成千上万的并发性连接请求，且不能保障平台资源随时满足运算量增长需求，无法回避单点失效的巨大风险；二是企业会面临核心机密通过云平台泄露的重大风险；三是结合互联网端到端的特性与三次工业革命趋势判断，技术从机械化到电气化再到信息化的变革带动企业从作坊式到规模化再到资源优化的管理思路转变。结合信息化、智能化与自动化技术的工业设备及工控系统将会把企业带向作坊式与资源优化结合的管理方式，即企业在组织层面以生产能力为单元进行分割，这些单元需要自组织、高效地跨企业协作，充分发挥技术优势，带动企业管理变革，形成第四次工业革命。因此，工业互联网不是简单的工业和互联网相加，而是需要一个稳定、统一的核心，在一系列基础科学理论共同作用下驱动供应链自组织形成，通过去中心的组织形式避免技术风险，把企业的数据留在企业，形成规模化企业、精细化管理的格局。
1 供应链自组织的工业互联网参考架构
供应链实现自组织是通过将资源管理、设备控制、合约、支付等能力下沉到工业现场的控制系统中，使生产单元比当前更加自治，以“产品=物料+工艺”为核心逻辑，使生产能力围绕产品需求从物料、工艺维度相互连结、协作进行跨企业协作。所以每个控制系统是一个节点，是生产单元的能力表达的载体，在公平、对等的环境中互联，并进行自组织过程。
工业互联网将深度融合国民经济命脉，安全是第一要务，其过程领域从外向内安全级别应逐步提高，层级之间有所隔离。工业互联网有3个关键领域，从内向外分别为制造、金融和交互，其中双方互信、生产能力可信是自组织的供应链正常运转的充分必要条件。区块链去中心化、透明、不可篡改、匿名性等鲜明特征[8]能够为供应双方互信提供组织层面的保障，防止来历不明的生产单元随意接入。可信计算3.0技术体系[9]是新版等级保护制度的重要组成部分[10]，主动免疫的特征针对工控系统行为有限、更新不频繁等特性可保障节点软硬件和网络通信可信。这样以去中心化的网络作为核心，外围有金融活动，最外层是交互活动的结构清晰地展现了工业互联网的功能组织方式，体现了网络各层级的防御关系，每个环都是其内部环的“护城河冶。因此，笔者提出的工业互联网参考架构是由制造环、金融环和交互环组成，相邻环之间能够信息互通（见图1）。
图1 环形工业互联网参考架构
标识解析[11]是国家大力推动的工业互联网基础设施体系。可以利用标识解析体系中分布于全国各地的二级节点和制造环节点分别作为资源接入信息区块链和资源交易信息区块链的载体，形成分层去中心化的制造环组织架构，如图2所示。通过哈希等方式以制造环节点软硬件信息及其能力信息生成的唯一身份识别码为依据形成区块链，区块中存储经过认证并允许接入的制造环节点身份和能力信息形成资源接入信息区块链，使经认证的节点才能接入网络。资源交易信息区块链存在于标识解析二级节点管理范围内的制造环节点网络中，以订单编号为依据形成区块链，交易内容主要包括一定时间范围内供应关系双方的标识、交易标的、金额、交付时间等信息。
图2 区块链提供的组织层面互信机制
除了上述的体系结构和信任问题之外，实现自组织还需要在不同行业中深入进行工艺、质量等方面的标准化工作，在标准化的基础上自治节点才能针对具体需求进行自组织。
2 供应链自组织的关键机制
供应链自组织过程开始于制造环收到产品总装需求之后，如图3所示。胜出的总装节点根据自身需求的输入物料信息继续在制造环中发布下一级供货需求，反复迭代自评价与相互比较过程，直到对应产品BOM各层级的能力需求均有所匹配。
图3 供应链自组织过程示意
供应关系结束后，节点对上游交付产品和交付过程进行评价，根据评价结果来调整节点之间建立合作的倾向性，在相同评分下可以选择倾向性高的节点进行合作。这样针对特定生产需求就会形成越来越稳定的供应关系，从而进一步提升节点之间的协作效率。反之评价差的时候要降低合作倾向，实现优胜劣汰的环境。
当节点因主客观原因未经允许被篡改程序、数据时，不仅会影响订单执行过程，也会对供应链上下游造成损失，同时会影响其他横向订单，产生蝴蝶效应威胁到整个网络的有序运转。在前文提出的资源接入信息区块链基础上，可进一步设置定期验证机制，检测节点标识码是否改变。其他节点对不可信节点以停止通信的方式将其隔离，如图4所示。某个节点意外失效时，需要由其上级节点进行发起供应链自组织过程以寻找具有同等能力的替代节点，如图5所示。有效应对节点失效的最大保障恰恰来源于制造环自身的冗余性，即接入的各类制造资源越多，供应链自组织过程成功在失效节点的同类节点中寻找备选方案的可能性就越大[12]。
图4 互信验证及隔离过程示意
图5 节点失效应对过程示意
3 总结与展望
本文基于国内相关技术推广应用、网络安全以及自主核心技术应用趋势，融合可信计算3.0、区块链等技术体系，发挥标识解析体系工业互联网神经中枢的关键作用，结合工业企业部署应用思路，从工业资源能力统筹调度的角度出发，提出了环形的工业互联网架构，处于框架研究的阶段。
作为新基建的工业互联网需要供应链自组织的核心驱动力，有企业之间金融互动的骨架，有平台应用提供的血肉，由内向外整体协同才是完整的。笔者认为工业互联网是一套方法论，建议加快工业互联网整体应用方式方法的研究，实现其各环节的工程技术还需要多种基础科学和技术科学共同指导和改进，如密码学理论支撑数据安全可信，网络理论支撑制造环网络结构设计和优化，控制优化理论支撑网络资源调度和制造系统控制，认知科学、神经科学、心理学等理论交叉的人工智能理论指导节点联结行为、制造环整体智能化和各层级应用的智能行为。
建议工业互联网建设工作以核心驱动力的构建为主，以“全国一盘棋”为思路，由国家组织统一制定底层的协议、标准，软硬件厂商按标准进行架构各层面的研制工作，通过开放、统一的标准化接口引入各领域专业力量进行每个环节的应用开发。
工业互联网依托信息通信技术，与工业生产过程相结合，在实际应用过程中，能够使工业资源完全开放。因此，工业资源的安全、管理和调度将成为工业互联网应用的核心问题。安全方面，建议工业互联网体系必须依赖国家自主的计算机系统基础架构和底层安全技术，在现场控制、网络接入、平台等方面建设防护体系；管理方面，建议接入工业互联网的工业企业进行适应性的管理改进工作，针对工业互联网带来的资源开放特性，从人、机、料、法、测、环各方面提升精细化管理程度，支撑工业互联网带来的基于能力资源调度的生产和运营模式；资源调度方面，在企业管理提升和基础网络安全体系的支撑下，建议进一步融合目前主流的工业现场协议，并与互联网协议做好衔接，调和互联网“尽力而为”以及工业网络高性能、高可靠的矛盾，保障工业现场可靠性、实时性等要求的同时，需加快制造资源网络化协同相关研究工作，统一接入、统一调度管理，增强接入的能力冗余特性，结合前两点，保障网络高效、安全运转，让工业企业放心接入。
工业互联网深入部署实施将是带动国家信息技术产业发展的重要举措。工业安全关乎国家安全，工业安全的基本要求也是工业互联网安全。一方面，需要国家自主的基础网络信息安全成果为工业互联网体系的各类终端、设备、网络、平台提供基础安全保障，从工业现场开始铸造国民经济命脉的“免疫长城”，与标识解析体系融合形成“神经系统+免疫系统”的工业互联网基础设施体系，实现技术层面的安全可靠；另一方面，需要在工业互联网这个尚未成熟发展的领域，抓紧推广应用我国自主的软硬件基础架构产品，抢抓市场空白，提早避免在关系国民经济命脉的领域遭遇“卡脖子”问题，实现供应链层面的安全可靠。
4 结束语
随着人工智能、控制科学、机器人等理论和技术不断发展[13]，结合资源开放程度不断加深，工业互联网将如何引导产业和社会变化?人力资源向产品生命周期两端扩展，面向制造的设计理念更加突出；家庭以微型设备接收订单持续创造收入的家庭生产模式；产品上将见到更多的“Designed by”而不是“Made in”等。
工业互联网将不仅是制造业过程中的资源组织手段。配合各行业标准化进程，供应链自组织的核心驱动力将驱动产品设计、运维等制造环节外的过程。是否还有可能以这种能力自组织的思路进一步带动社会模式的一些变化?
自组织理论与多学科理论共同作用，引导工业互联网形成核心驱动力，作为集群系统的制造环又是否能够成为新一代人工智能研究的重要基础设施? 这又将为人类社会发展造成怎样的影响[14-15]? 让我们拭目以待。
参考文献
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Self-organized supply chains: a basic systemic methodology of Industrial Internet
WU Xuan1,2,3
(1.Comprehensive Research Center of Electronic Information Technology in the MIIT, Weihai 264200, China; 2.Key Laboratory of Industry Internet Platform Security Technology and Evaluation, Ministry of Industry and Information Technology, Weihai 264200, China; 3.Academician Shen Changxiang Safety and Trusted computing Innovation Laboratory, Weihai 264200, China)
Abstract: The Industrial Internet will be the cornerstone of the fourth industrial revolution and one of the key areas of new infrastructure construction. It has important strategic significance for industrial transformation and upgrading and supply-side structural reforms. Based on the current technological risks in the construction and application of the Industrial Internet and the trend of the industrial revolution, this article uses the “product = material + process” as the model, combined with blockchain and trusted computing, and proposes a self-organization of the supply chain as the core driving force of the Industrial Internet. The proposal puts forward a ring-shaped Industrial Internet architecture, as well as the basic ideas and guarantee operation mechanism of the supply chain self-organization process. It is suggested that the construction of the core driving force of the Industrial Internet should be based on the principle of “a game of chess in the whole country” and increase investment in basic scientific theories. Finally, this article looks ahead to the impact of the Industrial Internet on industry, society, and a new generation of artificial intelligence. Keywords: Industrial Internet; self-organized supply chain; Industrial Internet of Things; trusted computing; blockchain
作者： 武 璇
工业和信息化部威海电子信息技术综合研究中心技术总监，工业互联网平台安全技术与测评工业和信息化部重点实验室管理人员，沈昌祥院士安全可信创新实验室管理人员，博士，主要从事工业互联网等方面的研究工作。
本文刊于《信息通信技术与政策》2021年 第10期
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