基于区块链的“材料-装备”产业链数据共享与应用
案例摘要
针对材料行业物质流、数据流及其与制造业采办、建造、服役场景的交互关系，以及材料-装备产业链长期存在的数据共享应用难题，由北京钢研新材科技有限公司牵头，联合中国钢研数字化研发中心、北京微芯感知科技有限公司及材料研、产、造、用企业，构建贯穿材料研发、生产、检验和装备制造、应用服役过程的全产业链材料数据/资源共享服务平台—InterMat。
InterMat采用行业公有云+企业私有云的去中心化架构，针对材料数据在产业链应用过程中存在的产权、质量追溯、全寿命服役跟踪等问题，利用区块链、材料基因、模式识别等技术，将材料全产业链相关企业私有云平台连通，并以各企业私有云平台作为区块链节点，实现产业链材料数据所有权/使用权标记、过程追溯及数据价值评价等，最终形成不受地域限制的跨企业、跨节点的材料大数据关联发现与共享生态。
实施背景
材料大数据是促进装备制造原材料，特别是高端制造业原材料研发与升级的重要支撑。大数据时代，产业链材料数据的关联与共享，特别是贯穿产业链的原始研发、生产、检验、制造与运维数据的共享，是促进新材料研发、迭代、循环创新的重要前提。因此，材料产业链数据共享，首先是实现国家数字化发展战略的需要，其次是实现“材料-装备-工程”全产业链协同的需要，再次是实现关键材料创新突破的需要。
实施目标
数据的产权问题、安全问题使得传统的中心化存储和应用架构难以在产业链推广，形成大量的企业级工业局域网和数据孤岛，严重制约了材料及装备制造业的创新进步和质量提升。本项目目标解决目前面临的产业数据孤岛式存储、产权认定不清、共享机制缺失、应用场景匮乏、数据资产价值不明等问题。
建设内容
InterMat首先建立行业公有云与企业私有云，形成行业链，实现企业节点和轻量级节点的组网运维。然后在行业链的基础上结链成网，建立InterMat架构，形成组织间数据开放、协作的新生态，其建设内容包括区块链底层平台、数据接入及应用服务平台建设，整体架构见配图。
基于区块链的材料-装备产业链数据共享与应用平台是区块链在材料领域的首个应用场景。通过区块链技术能够解决材料大数据共享中的互信、确权与存证、可追溯性可审计、身份认证、访问权限控制等问题，从而提高数据协同地效率和数据共享的意愿。
①为解决数据产权及流程追溯问题，首创了基于区块链的材料数据确权、追溯与估值技术。基于分布式数据库架构，利用区块链的可追溯和防篡改能力，解决了材料数据在共享、交换、交易过程中的知识产权归属问题，并利用价值估算模型实现了数据生命期价值链追溯。
②为了解决多模态、异构化、来源繁杂、存储分散的材料数据存储与共享问题，首创了基于材料“基因”的异构数据索引和分层存储技术。分别设置了材料基因特征层与数据主体层，其中，基因层定义了材料的基本特征，基于材料四面体架构（成分、工艺、结构、性能），定义严谨、存储紧凑，可扩充、可上链，用于材料模式的索引与发现；数据主体层主要存放异构数据，允许较大冗余度和自由度，不可扩充、不可上链（仅哈希值上链）。采用链上链下结合的方式储存数据，为解决异构化工程和科研数据的大规模存储、上链、共享问题提供了技术途径。
③为了解决数据的跨节点发现和高效利用，首创了基于模式识别的材料数据跨库/节点发现技术。基于模式识别算法，通过对不同材料特征（基因）的抽取和模式化，实现了跨库/节点数据的可发现、可交易/交换，并引入深度学习方法解决了图谱数据的识别问题。由此可以对机构、用户的非公开数据进行索引，解决了企业级私有数据的可发现问题，最终有助于形成开放、包容的材料大数据共享生态，引导数据的跨企业、跨行业大规模融合，发挥数据的应有价值。
④为解决分布式材料计算，提高计算效率，首创了高性能计算架构下的图形/指令一体化的材料多尺度云计算技术。在国际上首次建成了面向金属材料的数字化创新研发平台，实现了基于公网的20多种材料、工艺专用软件的远程计算、排队计算、移动计算，可同时运行10个以上大型计算任务、200个以上并发设计和数据任务。
利用节点服务器进行链上安全计算服务模式，形成了工业数据共享应用解决方案。系统中内置自主研发的材料隐私计算算法，该算法将材料模式识别与隐私计算结合，实现秘密分享技术与欧几里得距离计算在材料数据中的应用，使材料数据在完全加密的情况下仍能进行相似度计算，降低了数据泄露的风险，实现了用户对数据的自主可控，解决了不同组织节点间信任的问题，促进了材料大数据的共享与应用。
实施效果
基于区块链的材料-装备产业链数据共享与应用平台是区块链+材料领域的全新应用场景，以材料用户行业为切入点，在材料行业公有云支撑下，针对研、产、造、用不同环节建设企业私有云节点，逐步建设石化、电力用材产业链云，解决数据高效采集传输、产权标记、材料-工艺-装备异构数据一体化集成等企业级应用需求；同步实现云检测、云定制、云仿真、数字化交付、质量分级、质量追溯、工程优化、全寿命数字孪生等产业链级应用服务，为材料产业链大数据及云服务提供材料—装备端解决方案。
在此基础上，中国钢研与中国钢铁工业协会、金属学会、CSTM（中国材料与试验标准联盟）、中国计算机学会区块链专委会等机构联合编制发布《基于区块链的材料数据共享协议》及相关团体标准，并在此基础上设计适用于材料数据关联共享的开源协议。其他开发者可根据该协议快速搭建数据平台并建立通讯，实现节点的自动接入，从而建立开源的材料数据共享生态。
该解决方案以典型企业形式进行推广验证，基于目前对区块链支撑的材料数据共享平台联盟的解决方案的设计，正在以钢研·新材道公有云平台、CISRI-DLab平台、材料生产平台、石化材料应用平台作为首批解决方案的验证单位进行验证与推广。通过验证可发现该系统技术方案可行，且用户反响良好。多个企业申请加入共享网络并进行数据上链，实现了行业链的组建，基本形成了InterMat的雏形。
本项目旨在从产业链数据、资源、服务协作的角度，面向材料应用领域，建立去中心化/多中心化的材料产业链创新云服务平台，实现产业链级大数据融合应用和服务资源协作。
本项目为融合区块链及联邦学习技术，通过区块链技术能够解决材料大数据共享中的互信、确权与存证、可追溯性可审计、身份认证、访问权限控制等问题，从而提高数据协同地效率和数据共享的意愿；通过联邦学习技术可以使得不同组织的在数据不出域前提下进行联合机器学习模型训练，保护了数据的隐私，从而使材料大数据大规模协同和机器学习成为可能。
本项目以原材料这一贯穿制造业产业链的要素为载体，采用行业公有云+企业私有云模式构建去中心化/多中心化的、服务于产业链的材料数据、资源共享系统，通过区块链和联邦学习技术实现分布式系统的数据协同，使材料行业打破数据孤岛、实现产业链数据共享成为可能。这种模式下，产业链各环节的企业、机构可以共享数据、共享模型，促进资源的整合，释放材料数据的价值。
目前链上覆盖材料包括钢铁材料、高温合金、耐蚀合金、有色金属、软磁合金、永磁合金等多种材料，材料数据总数约4万余条，并持续增加。参与数据共享与协同的节点超30个，数据共享较为活跃，整个系统已初具规模。
InterMat整体架构图