[论文解读] Blockchain-Based Process Control and Monitoring Architecture for Vertical Integration of Industry 4.0

Charles Tim Batista Garrocho, Célio Márcio Soares Ferreira+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 11, 2020

Digital Transformation in Industry参考文献 44被引用 8

一句话总结

本文提出了一种基于区块链的工业4.0流程自动化系统（PAS）纵向集成架构，通过智能合约实现去中心化、安全且可追溯的工业过程控制与监控。该方法减少了对集中式中介的依赖，并通过将大型传感器数据负载离链存储而仅在区块链上哈希存储，保持了实时性能，尽管在概念验证测试中存在可变的交易延迟，但证明了其可行性。

ABSTRACT

Industrial Internet of Things is a new milestone that will require new industry paradigms and investments. In this context, cyber-physical systems are considered the bridge to the fourth revolution. Centralized approaches and observance of real-time constraints are two important challenges that must be overcome for the advancement of Industry 4.0. To solve these problems, a blockchain-based vertical integration architecture of the process automation systems is proposed in which it performs the control and monitoring of industrial processes. Proof of concept experiments reveal the feasibility and performance of the proposal.

研究动机与目标

• 解决工业物联网和信息物理系统中集中式控制的局限性以及实时性能瓶颈问题。
• 在不需大规模基础设施改造的前提下，实现从现场设备到企业系统所有层级的流程自动化系统（PAS）纵向集成。
• 利用区块链和智能合约确保工业过程数据及控制操作的安全、不可篡改和可审计日志记录。
• 通过仅对现有PLC系统进行最小程度的修改，最小化对现有基于PLC系统的干扰。
• 评估在实时工业环境中基于区块链的机器对机器（M2M）通信的可行性与性能，特别是交易延迟和吞吐量方面。

提出的方法

• 设计一种基于区块链的架构，整合传统PAS层级的全部五个层次，实现端到端的纵向数据流。
• 利用智能合约在工业过程中自动执行控制逻辑和监控，以去中心化执行替代集中式中介。
• 实施混合数据存储模型：仅将大型工业物联网（IIoT）传感器和执行器数据负载的加密哈希值存储在区块链上，而将完整数据保留在链下。
• 部署一个许可制区块链网络，配备验证节点，以确保工业环境中低延迟的交易处理和共识可靠性。
• 通过中间件使用标准IP通信方式，以最小改动将现有PLC和现场设备与区块链层集成。
• 使用真实工业硬件和测试平台开展概念验证实验，评估在不同负载大小下的交易创建、上传及延迟表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于区块链的架构能否在工业4.0中实现可靠、去中心化且安全的流程自动化系统纵向集成？
• RQ2 基于区块链的交易处理在多大程度上引入了延迟，从而影响工业M2M通信中的实时性要求？
• RQ3 负载大小如何影响基于区块链的工业控制系统中交易创建、上传及端到端延迟？
• RQ4 将大型数据负载离链存储是否能缓解基于区块链的工业监控与控制系统中的性能退化？
• RQ5 在连接设备和交易数量不断增加的情况下，所提出架构的可扩展性与性能权衡如何？

主要发现

• 交易延迟随负载大小显著增加，500 kB负载时达到1,888 ms，750 kB负载时达到2,848 ms，超过典型实时约束（10–100 ms）。
• 交易处理时间的标准差较高——500 kB负载时达到2,930 ms——表明性能不可预测，不适合确定性工业系统。
• 吞吐量随负载增大显著下降，交易延迟成为主要性能瓶颈，尤其在负载超过250 kB时更为明显。
• 所提出的仅将数据哈希值存储在区块链上、完整数据保留在链下的解决方案，有效降低了链上处理开销，提升了可扩展性。
• 该架构实现了控制与监控的完全去中心化，消除了单点故障，增强了工业供应链中各环节的可审计性与信任度。
• 尽管在大负载下存在性能挑战，但概念验证表明，该方案在对现有PLC基础设施改动极小的前提下，可在真实工业环境中实现基于区块链的纵向集成。