Blockchain en la industria aeroespacial: revisión de estado y caso de uso

La industria aeroespacial es uno de los sectores que más se puede beneficiar con el uso de soluciones Blockchain debido a que la fabricación de componentes aeroespaciales generalmente involucra diferentes organizaciones y Blockchain permite el intercambio seguro de información entre ellas, generalmente con el objetivo de mantener la trazabilidad de las piezas a lo largo de una cadena de suministro.

Blockchain puede ser usada para una gestión segura de la información sobre piezas, procesos, uso de recursos, etc., donde la información es verificada y guardada en una red, sin la necesidad de tener una autoridad central rectora. No obstante, Blockchain aún no está plenamente adoptado por la mayoría de las entidades relacionadas con la fabricación aeroespacial debido a diferentes motivos, que van desde complicaciones técnicas hasta restricciones regulatorias.

Este artículo presenta una breve explicación de los fundamentos técnicos de Blockchain, seguido de un análisis de la adopción de Blockchain por entidades industriales, con el foco en el sector aeroespacial. Para finalizar, se presenta un caso de uso concreto de adopción de Blockchain en un entorno de fabricación avanzada.

Blockchain, en su forma más simple, es un libro de contabilidad (puede entenderse como un libro de registros) distribuido (que no tiene un solo dueño ni existe una sola copia) que proporciona una forma en que la información sea registrada y compartida por una comunidad. En esta comunidad, cada miembro mantiene su propia copia de la información y todos los miembros deben validar de manera colectiva todas las actualizaciones que se hagan sobre el libro de registros.

Esta información puede representar transacciones, contratos, activos, identidades o cualquier otro elemento que pueda ser descrito de manera digital. Cada entrada es permanente y rastreable, lo que permite a los miembros de la comunidad consultar el historial completo de transacciones realizadas en la Blockchain.

Algunos de los conceptos fundamentales para entender el funcionamiento de Blockchain son los siguientes:

• Transacción: operación que se realiza para añadir información a la Blockchain, p.e., indicar un nuevo dato que se desea registrar.
• Función hash: operación matemática unidireccional que, dada un dato de entrada, genera una cadena de texto de longitud fija. Su particularidad es que, partiendo de la cadena de texto generada, no es posible obtener el dato original. Algunas de las más usadas son SHA-256 y SHA-512.
• Bloque: conjunto de transacciones que se almacena de forma agrupada en la Blockchain. El número máximo de transacciones por bloque depende del tipo de Blockchain.
• SmartContract: código informático que permite definir un tratamiento a realizar sobre los datos que residen en una Blockchain. Puede utilizarse p.e., para asegurar ciertas reglas de cumplimiento sobre los datos a almacenar.

La siguiente figura muestra una representación simplificada de una Blockchain que se comparte entre 2 organizaciones. Ambas organizaciones tienen copias idénticas de la Blockchain, la cual está formada por 3 bloques y cada bloque, a su vez, contiene 8 transacciones (representadas como “Tx”).

La gestión de los datos entre bloques se realiza utilizando funciones hash, p.e., cada uno de los bloques se identifica mediante un identificador creado con un hash y contiene una referencia al bloque anterior (también un hash). Una representación más detallada e interactiva se encuentra disponible en esta aplicación web, creada por el investigador Anders Brownworth.

Actualmente, existen múltiples implementaciones de Blockchain, pero se pueden clasificar en 2 categorías principales:

• Públicas: también llamadas ‘sin permiso’, son redes totalmente descentralizadas en las que cualquier persona puede participar y contribuir. Algunos ejemplos son Bitcoin, Ethereum o IOTA.
• Privadas: también llamadas ‘con permiso’ o ‘permisionadas’, son redes generalmente gestionadas por una empresa o consorcio y en las que la participación no está abierta al público. Algunos ejemplos son HyperLedger Fabric, Quorum o Corda.

Para una institución o consorcio que desee utilizar Blockchain para almacenar información, la elección de pública o privada dependerá de cada escenario. El uso de una Blockchain pública implica que los datos almacenados serán visibles por todos los usuarios, pero no requiere entrar en las complejidades de gestionar instalaciones locales de Blockchain. Por este motivo, los usuarios de Blockchain públicas las utilizan para almacenar exclusivamente hashes de su información y no los datos en sí.

Por contra, una Blockchain privada provee mayor control sobre los datos y los parámetros de configuración, pero requiere dedicar recursos a la gestión y mantenimiento de las instalaciones locales. Los usuarios que optan por utilizar Blockchain privadas generalmente tienen unas necesidades de rendimiento (p.e., tiempo en procesar cada transacción) que las públicas no son capaces de proveer.

En ambos tipos de Blockchain, la inclusión y verificación de nuevas transacciones se realiza mediante protocolos de consenso. El protocolo más utilizado en los comienzos de Blockchain fue proof-of-work, que requería de notable capacidad de cómputo para procesar las transacciones, incurriendo en que el uso de Blockchains con muchos datos fuese ineficiente. No obstante, en los últimos años las Blockchain están migrando hacia otros protocolos de consenso como proof-of-stake o proof-of-authority. La literatura específica sobre Blockchain contiene explicaciones más detalladas sobre estos protocolos [1] [2].

Existen también algunas propuestas híbridas que combinan los beneficios de redes públicas y privadas. Por ejemplo, Hyperledger Besu, es capaz de combinar la capacidad de descentralización de las redes Públicas con decenas de miles de nodos y la seguridad y privacidad que se necesita para las aplicaciones empresariales. Existen consorcios empresariales como Alastria que promueven este tipo de redes.

En los últimos años, se han venido detectando grandes limitaciones en el seguimiento y la documentación de piezas debido al aumento de la complejidad en la gestión de la documentación. El intercambio entre distintos actores de la industria depende en muchos casos de sistemas obsoletos basados en papel, hojas de cálculo y software heredado que resulta cada vez más inadecuado para las demandas de la aviación moderna.

La Agencia Europea de Seguridad Aérea (también conocida como EASA, European Union Aviation Safety Agency) ha completado Virtua, un proyecto que persiguió la implementación de Blockchain para asegurar la aeronavegabilidad de componentes y sistemas. En Virtua se ha realizado una evaluación exhaustiva de los beneficios, limitaciones, estandarización y cuestiones de implementación, incluidas las recomendaciones para ajustar las normas de seguridad y los estándares relacionados, y cómo las nuevas tecnologías digitales (no sólo Blockchain) podrían contribuir a abordar el problema.

Como parte de este proyecto, se realizó un taller en enero de 2024 en el que se identificaron los siguientes retos para la implantación de Blockchain como herramienta confiable de intercambio de información:

• Sistemas basados en papel
• Falta de confianza entre las partes implicadas
• Realización y registro manual de tareas
• Condiciones de conservación de documentos
• Autenticidad de certificados
• Errores en la entrada de datos
• Limitaciones en el intercambio y la fragmentación de datos
• Verificación de la autenticidad
• Riesgos de pérdida, daño y falsificación de los documentos.

Además de este proyecto, existen otras iniciativas que están explotando soluciones basadas en Blockchain en el contexto aeroespacial. Block.Aero mejora la eficiencia y la transparencia en la gestión y logística de materiales de aviación. Permite el seguimiento de piezas en tiempo real, reducción de la burocracia y optimiza el inventario, lo que genera ahorros de costos y mejora la eficiencia operativa. GoodsID sirve para crear un registro digital seguro e inmutable del ciclo de vida de cada aeronave. Esto incluye el mantenimiento, inspecciones e historial de propiedad, lo que aumenta la transparencia, simplifica las transacciones de aeronaves y proporciona una fuente confiable de información para todas las partes interesadas. SkyThread permite compartir datos operativos de mantenimiento de manera segura y eficiente con otros miembros de la industria aeronáutica. Esto fomenta la colaboración, mejora la planificación del mantenimiento y reduce el tiempo de inactividad a través de información en tiempo real.

Finalmente, la literatura académica coincide con algunas de las conclusiones de EASA, p.e., en que la integración de Blockchain en la cadena de suministro puede ayudar a reducir las interrupciones y a controlar o mitigar la falsificación de piezas [3]. No obstante, esto no está libre de retos, tanto técnicos como regulatorios. Uno de ellos es la escalabilidad de una Blockchain ya que, a medida que aumenta el número de nodos y la cantidad de datos a procesar, el algoritmo de consenso puede convertirse en un cuello de botella y provocar latencias que degraden el rendimiento del sistema [4]. La literatura también coincide con EASA en que las regulaciones pueden ser un obstáculo ya que, p.e., las normativas europeas y estadounidenses son diferentes, y pueden implicar dificultades a la hora de integrar un sistema coherente entre países [5].

El Centro de Fabricación Avanzada Aeronáutica (CFAA) es un centro creado por la Universidad del País Vasco y la Agrupación Empresarial para el Desarrollo de Técnicas de Fabricación Aeronáutica Avanzada, ubicado en Zamudio, Bizkaia. Su objetivo es desarrollar tecnologías avanzadas de fabricación que puedan ser transferidas al sector industrial aeronáutico y los proyectos que se realizan generalmente se ubican en la escala ‘Manufacturing Readiness Levels’ 6-7, que implican pruebas en entornos representativos.

Una de las líneas de trabajo en CFAA es la digitalización, que involucra desde el desarrollo de gemelos digitales hasta el diseño de infraestructuras de procesado de datos. Dentro de esta línea, se está trabajando en usar los datos generados por máquinas de fabricación de diferentes fuentes, con el objetivo de mejorar la eficiencia de los procesos. Las diferentes formas de tratamiento se ilustran en el siguiente diagrama:

Durante la realización de un proceso en máquina, se recogen los datos en tiempo real y se envían a dos sistemas software, cada uno con un objetivo diferente. Por una parte, se envían a una infraestructura o pipeline encargado de realizar analíticas en tiempo real, mediante la cual se pueden detectar anomalías y generar alertas durante el proceso. Este pipeline es considerado de tipo Big Data, es decir, que está preparado para recibir y procesar grandes volúmenes de datos y producir respuestas en tiempo real. Además de alertas, la información agregada se muestra en un panel como el de la siguiente figura, permitiendo a un operario monitorizar el estado de la máquina durante el proceso. Toda la información sobre los módulos software y configuraciones que forman este pipeline se puede encontrar en este artículo [6].

Por otra parte, los datos también son enviados a una Blockchain local con el objetivo de que sean registrados para trazabilidad y permitir interoperabilidad con otras instituciones. Esta Blockchain es Hyperledger Fabric, la cual se ha elegido por ser de código abierto y por ser modular. Fabric permite realizar una instalación configurable, que permite su integración sencilla con infraestructura de CFAA. No obstante, debido a la naturaleza de una Blockchain, la cantidad de datos por segundo que es capaz de procesar no es equiparable a la de un sistema Big Data, por lo que la cantidad de métricas de cada máquina que se registran son menos y se realizan por lotes. Para la gestión de los datos, se han desarrollado diferentes SmartContracts que pre-procesan y procesan los datos, y se ha instalado un panel visual como el siguiente para una visualización del estado en todo momento. A modo de ejemplo, podemos observar una configuración que conecta 2 organizaciones, donde cada una de ellas dispone de 2 nodos que ejecutan la Blockchain:

Finalmente, y como complemento al tratamiento de datos en tiempo real, se está iniciando una colaboración para gestionar de forma digital toda la documentación asociada a la máquina, desde manuales hasta certificados. Esto se realiza con ID-Machinery de Wimbitek, un software de gestión documental que utiliza la Blockchain pública IOTA. ID-Machinery permite crear una identidad digital de máquina industrial, es decir, un perfil por cada máquina que se desea gestionar y registrar toda la documentación necesaria. Por cada documento añadido, se crea un hash firmado digitalmente que se almacena en IOTA y que vincula con los datos registrados en la aplicación. Esto crea un perfil equivalente al pasaporte digital de máquina y que facilita labores como certificaciones y auditorías. En la siguiente imagen se muestra el perfil de una brochadora EKIN instalada en CFAA:

Además, ID-Machinery genera un código bidimensional imprimible que se puede añadir a la máquina y que permite acceder a su perfil en la aplicación con sólo escanearlo con un dispositivo móvil. La siguiente imagen muestra la brochadora de CFAA con el código bidimensional añadido a la derecha:

Las tecnologías Blockchain son un gran avance frente a las tecnologías tradicionales de gestión de datos en información. Permiten asegurar la integridad de los datos, aunque estén compartidos entre diferentes instituciones, y así ser un refuerzo para la trazabilidad de piezas o componentes en el sector aeroespacial.

No obstante, Blockchain no está libre de limitaciones: por su diseño no es realista utilizarlo como un reemplazo de una base de datos tradicional y requiere cierto esfuerzo de ingeniería para su integración en una institución con procedimientos establecidos para tratamientos de datos. Además, la implantación de un sistema así para trazabilidad todavía no se puede considerar un sustituto de certificados y documentos en papel, por lo que requiere de un esfuerzo adicional para que su uso cumpla con las legislaciones vigentes.

Con las condiciones regulatorias adecuadas, Blockchain podría ser un elemento clave en la industria aeronáutica, contribuyendo a la creación de un entorno adecuado para soluciones y servicios digitales al proporcionar infraestructuras de alta velocidad, seguras y confiables que podrían permitir a la industria de la aviación mejorar la identificación y trazabilidad de las piezas.

Referencias

[1] Jie Xu, Cong Wang, and Xiaohua Jia. 2023. A Survey of Blockchain Consensus Protocols. ACM Comput. Surv. 55, 13s, Article 278 (December 2023), 35 pages. https://doi.org/10.1145/3579845

[2] Xiong, Huanliang et al. 2022. ‘Research on Progress of Blockchain Consensus Algorithm: A Review on Recent Progress of Blockchain Consensus Algorithms’ Future Internet 14, no. 2: 47. https://doi.org/10.3390/fi14020047

[3] Joeaneke, Princess Chimmy et al. 2024. Enhancing Security and Traceability in Aerospace Supply Chains through Block Chain Technology. Journal of Engineering Research and Reports, 26 (10). pp. 114-135. ISSN 2582-2926

[4] Ahmad, Raja Wasim, et al. 2021. ‘Blockchain for aerospace and defense: Opportunities and open research challenges’. Computers & Industrial Engineering 151: 106982.

[5] Ibrahim, Azian, and Yudi Fernando. 2023. ‘Blockchain Technology to Improve Aerospace Supply Chains’. Global Business & Management Research 15.

[6] Tapia, Endika, et al. 2024. ‘Implementation of a scalable platform for real-time monitoring of machine tools’. Computers in Industry 155: 104065.

Agradecimientos

Parte de este trabajo fue financiado mediante el proyecto Ecoverso (Convocatoria Elkartek 2024 - Proyectos de Investigación Fundamental Colaborativa; KK-2024/00095), e IDMachinery, proyecto financiado por la convocatoria AEI del Ministerio de Industria, Comercio y Turismo [AEI-010500-2021B-195, AEI-010500-2023-300].

Leonardo Sastoque Pinilla

Investigador del CFAA. Doctor en Ingeniería de proyectos enfocado en el uso de herramientas de Inteligencia Artificial a la gestión de proyectos 4.0, Máster en dirección de proyectos europeos e ingeniero aeronáutico. Está especializado en la gestión y desarrollo de proyectos de transformación digital e implementación de tecnologías 4.0.

Endika Tapia Fernández

Investigador del CFAA. Ingeniero informático en Gestión y Sistemas de Información en la UPV/EHU. Su área principal de investigación es la computación paralela y distribuida, con especial atención en computación de alto rendimiento, sistemas de procesamiento de datos escalables y protocolos de comunicación industrial y conectividad.

Borja Gamecho Ibañez

CTO de WimbiTek, Doctor en Ingeniería Informática por la UPV/EHU, con más de 15 años de experiencia en proyectos de investigación TEIC. Actualmente lidera el desarrollo tecnológico de WimbiTek, empresa enfocada en el uso práctico de tecnologías como Blockchain e IoT. Fue uno de los principales responsables de la creación y desarrollo de ID-Machinery.

Unai López Novoa

Profesor Agregado en el Departamento de Lenguajes y Sistemas Informáticos de la UPV/EHU. Imparte docencia en el Grado en Ingeniería Informática de Gestión y Sistemas de Información en la Escuela de Ingeniería de Bilbao. Su área principal de investigación es la computación paralela y distribuida, con especial interés en sistemas de datos escalables y eficiencia energética.