CN114430413A - 一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于智慧运维管理技术领域，具体公开一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，包括：获取智能生产设备和子***产生的相关原始数据以及***用户上传的设备台账数据、设备配置数据、设备运维数据；边缘网关和***按照预设规则和格式对获取到的数据进行预处理，然后将预处理的数据组装成相关数据记录，通过区块链的智能合约将数据记录上传到区块链或IPFS中进行储存；数据记录上传到区块链后，根据其数据类型将数据存储到区块链的不同分片中，经过Hashgraph共识机制共识后出块上链存储，并且将IPFS返回的存储内容的哈希值也存储到相应分片中作为唯一标识符；用户通过智能合约从区块链和IPFS中获取所需智能生产设备运维数据，对前端设备进行管理或深度分析。

Description

一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法

技术领域

本发明属于智慧运维管理技术领域，具体地说涉及一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法。

背景技术

工业物联网(IIoT)在工业领域发挥着重要作用，它为企业数字化转型、数字化提升以及智能化发展提供了有效实施路径与标准。工业物联网是将具有感知、监控能力的各类采集、控制传感器或控制器，以及移动通信、智能分析等技术不断融入到工业生产过程各个环节，从而大幅提高制造效率，改善产品质量，降低产品成本和资源消耗，最终实现将传统工业提升到智能化的新阶段。

通过工业物联网将机器设备、产品与人三者连接起来，充分利用工业与公共基础设施，实现人对设备的安全控制、预测性维护，实现流程与数据的紧密集成。随着工业4.0的到来，工业物联网在生产行业得到了广泛的认可与应用，提高了设备智能化水平与运维效率，但与此同时了带来了一系列数据与设备操控方面安全性问题，例如从工业物联网前端采集到的数据通过网络传输到云端数据库中进行存储，无法保证数据的安全和可追溯，数据的可靠性无法得到保障，区块链的出现可以较好地解决上述数据安全问题，但是相关研究并没有考虑到工业物联网中数据量随着采集频度与采集量的增多，区块链本身面临的存储空间不足以及性能下降等问题。

因此，现有技术还有待于进一步发展和改进。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法。本发明提供如下技术方案：

一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，包括：

获取智能生产设备和子***产生的相关原始数据以及***用户上传的设备台账数据、设备配置数据、设备运维数据；

边缘网关和***按照预设规则和格式对获取到的数据进行预处理，然后将预处理的数据组装成相关数据记录，通过区块链的智能合约将数据记录上传到区块链或IPFS中进行储存；

数据记录上传到区块链后，根据其数据类型将数据存储到区块链的不同分片中，经过Hashgraph共识机制共识后出块上链存储，并且将IPFS返回的存储内容的哈希值也存储到相应分片中作为唯一标识符，经过Hashgraph共识机制共识后出块上链存储；

用户通过智能合约从区块链和IPFS中获取所需智能生产设备运维数据，根据获取到的数据对前端设备进行管理或深度分析。

进一步的，利用边缘网关通过网络与工业互联网中的智能生产设备和各个子***连接，通过对应的数据获取接口获取智能生产设备和子***产生的相关原始数据，所述数据获取接口为智能生产设备和子***对外暴露的数据获取接口，请求该接口即可获取到智能生产设备和子***的运行数据和状态数据。

进一步的，利用***的可视化界面获取***用户上传的设备台账数据、设备配置数据、设备运维数据，所述可视化界面是指基于区块链的IIoT智慧运维管理***的数据上传界面，用户通过数据上传界面上传文件和设备故障数据。

进一步的，所述IPFS是一种去中心化的分布式存储***，通过文件内容生成唯一的哈希值来标识文件，相同内容的文件在网络中只会存在一份。

进一步的，所述Hashgraph共识机制步骤包括事件生成、通过八卦传播协议广播事件、采用虚拟投票算法进行投票，所述事件生成步骤中所生成的事件主要包括：时间戳、数字签名、本节点父哈希、其他节点父哈希、事件内容，其中，事件内容包括智能设备采集的数据、操作命令以及边缘网关进行数据处理操作后的处理结果。

进一步的，通过八卦传播协议广播事件的主要流程如下：本地节点将新接收到的数据以及从其他节点那里接收到的对该数据的签名信息组装成事件，然后将该事件随机发送给一个目标节点；目标节点接收到事件后，会读取并保存事件中的数据，随后将该事件内的数据以及从其他节点收集到的信息组装成一个新的事件，然后将新事件发送给其他随机选择的节点，重复上述过程直到所有节点都收到在开始时创建的事件，当所有节点都收到开始时创建的事件后，所有节点都需要在本地执行虚拟投票算法从而对事件达成共识。

进一步的，所述虚拟投票算法主要包括轮次确定、知名见证人确定和数据有效性投票收集、共识轮数和共识时间确定。

进一步的，轮次确定方法包括：一个节点所发的第一个事件是见证人事件，同时，这个见证人事件是这个节点一个轮次R的开始。

进一步的，知名见证人确定和数据有效性投票收集方法包括：当判断第R轮的见证人是否是知名见证人的时候，需要由第R+1轮的见证人来判断，则再由R+2轮的见证人来统计是否是知名见证人票数和第R轮的见证人事件中包含的数据是否有效的票数。

进一步的，共识轮数和共识时间确定方法包括：当第R轮的见证人都确定了是否是知名见证人，则能被所有第R轮知名见证人可见的事件的接收轮次为R。

有益效果：

1、提供了一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，实现工业物联网生产设备运维数据的安全、可靠存储；

2、利用分片技术和IPFS有效减轻区块链的存储压力，提高了设备智能化水平与运维效率；

3、区块链作为一种存储介质，使用分片的方式，提升了区块链的性能；

4、利用IPFS中的唯一标识符解决传统HTTP协议存在的传输不安全、存储冗余、存储成本高等问题；

5、区分存储数据类型，利用Hashgraph共识机制对分片内的数据达成共识并出块，利用IPFS存储区块链不便处理的文件、图片、视频等类型的数据。

附图说明

图1是本发明具体实施例中一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法示意图；

图2是本发明具体实施例中IPFS数据存储和获取时序图；

图3是本发明具体实施例中数据分片存储建简易流程示意图；

图4是本发明具体实施例中Hashgraph事件结构示意图；

图5是本发明具体实施例中Hashgraph八卦传播协议示意图；

图6是本发明具体实施例中基于区块链的IIoT智慧运维管理***架构图；

图7是本发明具体实施例中生产子***数据存储和获取流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本申请实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本申请实施例中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。

应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

取决于语境，如在此所使用的词语“如果”、“若”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。

还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。

一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

S1：利用边缘网关通过网络与工业物联网中的智能生产设备和各个子***连接，通过对应的数据获取接口获取智能生产设备和子***产生的相关原始数据，同时，利用***的可视化界面获取***用户上传的设备台账数据、设备配置数据和设备运维数据；

S2：边缘网关和***对获取到的数据按照预设规则和格式进行处理，然后将数据组装成相关数据记录，通过区块链的智能合约将数据记录上传到区块链或IPFS中；

S3：数据记录上传到区块链后，根据其数据类型将数据存储到区块链的不同分片中，经过Hashgraph共识机制共识后出块上链存储，并且将IPFS(星际文件***，是一个面向全球的、点对点的分布式版本文件***)返回的存储内容的哈希值也存储到相应分片中，经过Hashgraph共识机制共识后出块上链存储；

S4：用户通过智能合约从区块链和IPFS中获取所需生产子***数据，根据获取到的数据对生产子***设备进行管理或者对获取到的数据进行深度分析得到更加有用的数据。

具体地，在步骤S1中：

所述数据获取接口为智能生产设备和子***对外暴露的数据获取接口，请求该接口即可获取到智能生产设备和子***的运行数据和状态数据。

所述智能生产设备包括生产线上的各类传感器、机械臂、摄像头、传送带等智能设备。

所述子***是指专门管理一类生产线的管理子***。

所述可视化界面是指基于区块链的IIoT智慧运维管理***的数据上传界面，用户可以通过该界面上传一些文件、设备故障等数据。

所述设备台账数据包括设备名称、型号、技术规范、备品备件记录等。

所述设备配置数据包括设备运行参数设定。

所述设备运维数据包括设备故障信息、设备报修信息、设备报警信息、设备巡查信息等数据。

具体地，在步骤S2中：

所述预设规则包括多种判断规则，如数据格式是否出错、数据是否为空、数据是否超出最大范围等。

所述预设格式是指不同类型数据存储需要的特定格式，如每条数据需要哪几个字段、字段的排列顺序等。

所述IPFS是一种去中心化的分布式存储***，通过文件内容生成唯一的哈希值来标识文件，相同内容的文件在网络中只会存在一份，用于解决传统HTTP协议存在的传输不安全、存储冗余、存储成本高等问题，IPFS数据存储和获取时序图如图2所示，主要包括以下几个步骤：

Step1：用户通过IPFS命令将待存储的数据上传到IPFS中，IPFS对数据进行处理后返回该数据对应的唯一哈希值；

Step2：用户获得数据唯一的哈希值后，调用区块链上的智能合约将哈希值和其他相关信息组成数据上传记录后存储到区块链中；

Step3：用户获取数据时，首先调用智能合约从区块链中获取数据上传记录，然后使用数据上传记录中的数据唯一哈希值从IPFS中获取对应数据。

具体地，在步骤Step3中：

所述数据记录包括多种类型，如文字、文件、图片、视频等。

所述区块链是指Hyperledger Fabric联盟链。

所述分片是指由区块链网络中不同数量的区块链节点组成的较小的区块链集群，每个分片都有一条独立的区块链和对应的账本，每个分片都存储不同类型的数据，如分片A只存储设备状态数据，分片B只存储数据运维数据等，数据分片存储规则存储在区块链中，数据存储时首先需要从区块链中获取存储规则，然后根据规则判断当前数据应该存储到哪一个分片中，数据分片存储简易流程如图3所示。

所述IPFS返回的存储内容的哈希值是指存储内容在IPFS中的唯一标识符，通过该哈希值可以获取到对应的存储内容，将该哈希值存储到区块链中主要是用于数据获取和校验。

所述Hashgraph共识流程主要包括：事件生成、通过八卦传播协议(gossip aboutgossip)广播事件、采用虚拟投票算法进行投票，主要流程如下：

Step1：所述事件生成步骤所生成的事件结构如图4所示，主要包括：时间戳、数字签名、本节点父哈希、其他节点父哈希、事件内容，其中，事件内容包括智能设备采集的数据、操作命令以及边缘网关进行数据处理操作后的处理结果等；

Step2：所述通过八卦传播协议示意图如图5所示，广播事件的主要流程如下：本地节点将新接收到的数据以及从其他节点那里接收到的对该数据的签名信息组装成事件，然后将该事件随机发送给一个目标节点；目标节点接收到事件后，会读取并保存事件中的数据(事件内容)，随后将该事件内的数据以及从其他节点收集到的信息组装成一个新的事件，然后将新事件发送给其他随机选择的节点，重复上述过程直到所有节点都收到在开始时创建的事件；

Step3：当所有节点都收到开始时创建的事件后，所有节点都需要在本地执行虚拟投票算法从而对事件达成共识。所述虚拟投票算法主要包括轮次确定、知名见证人确定和数据有效性投票收集、共识轮数和共识时间确定三大步骤：

(1)轮次确定：一个节点所发的第一个事件是见证人事件，同时，这个见证人事件是这个节点一个轮次(R)的开始。假定节点B收到节点A发送的事件X后，节点B将选择节点C作为接收节点，则节点B创建事件P(其中包括节点B知道而节点C不知道的数据)并将P发送节点C，在创建事件P之前，B节点应该检查是否需要开始新一轮，如果事件X可以看到绝大多数的第R轮的见证人，事什P是R+1轮的开始，P是R+1轮的见证人。否则，事件P仍在R轮中；

(2)知名见证人确定和数据有效性投票收集：当判断第R轮的见证人是否是知名见证人的时候，需要由第R+1轮的见证人来判断，则再由R+2轮的见证人来统计是否是知名见证人票数和第R轮的见证人事件中包含的数据是否有效的票数。若第R+1轮的B节点的见证人能看见第R轮的A节点的见证人，则R+1轮的B节点的见证人给第R轮的A节点的见证人投是知名见证人票。R+2轮的C节点的见证人收集它能强可见的R+1轮的B节点(或其他节点)的证明A节点是知名见证人的票数，当票数超过三分之二节点数的时候，则A节点的见证人是知名见证人。当收集的数据有效的票数超过1/2节点数时，则事件中包含的数据就是有效的。

(3)共识轮数和共识时间确定：当第R轮的见证人都确定了是否是知名见证人，则能被所有第R轮知名见证人可见的事件的接收轮次为R。事件P到各个可见它的见证人节点中，最早可见P的事件，比如：事件P在A节点，A、B、C节点都可见P，则A节点最早可见P的就是P，B节点就是第一次将P传到B节点的事件，C节点同B节点，则找到的三个事件中的时问戳的中位数就是事件P的共识时间戳，将共识时间戳、共识轮数、数据获得的有效票数、数据是否有效等信息存储在区块链中。

其中，在Step3中出现的术语定义如下：

①轮次：某一事件可见绝大多数见证者时，此事件进入下一轮；

②绝大多数：超过总节点数量的2/3；

③可见：当区块B可以沿着哈希指针找到区块A时，称B可见A；

④见证人：每个节点在每一轮次中创建的第一个事件称为本轮次见证人；

⑤强可见：当事件B可见事件A的路径中跨越了绝大多数的事件时，称B强可见A；

⑥知名见证人：若第R轮中的见证人可以被绝大多数的R+1轮见证人可见，称其为知名见证人。

本发明实施例还提供了一种基于区块链的IIoT智慧运维管理***，如图6所示，包括以下部分：

数据源层，主要包括各类生产设备子***数据，设备运维数据以及其他扩展数据。

所述设备运维数据包括设备报修数据、设备维修数据、设备报警数据、设备巡检数据等。

所述扩展数据包括智能设备点位图、生产线设施排线图等。

处理层，主要负责收集数据，进行预处理、标准化后存储至区块链或IPFS中。

存储层，由区块链和IPFS构成，区块链作为一种存储介质，使用分片的方式，将数据按照数据类型存储到不同的分片中，随后利用Hashgraph共识机制对分片内的数据达成共识并出块，IPFS用于存储区块链不便处理的文件、图片、视频等类型的数据。

接口层，为应用层的数据交互提供多协议的RPC接口和SDK。

所述RPC接口和SDK是指可以远程调用区块链智能合约从而实现相应功能的接口。

应用层，提供与用户交互的应用功能，包括可视化、运维管理、分析决策以及其他衍生的功能。

下面以生产子***中的数据为例，介绍本***的数据存储和获取流程，如图7所示，主要步骤如下：

Step1：边缘网关定期调用生产子***提供的数据采集接口，采集生产线上设备产生的监测数据；

所述监测数据包括传送带速度、摄像头、时间、温度等信息。

Step2：边缘网关调用本地的处理模块，对生产子***数据进行预处理和标准化操作；

Step3：边缘网关调用SDK库中的数据存储接口，将处理后的生产子***数据发送给区块链上部署的数据存储智能合约；

Step4：数据存储智能合约首先从区块链中获取数据分片存储规则，然后判断生产子***数据应该存储到的分片号(这里假设生产子***数据应该存储到分片B中)；

Step5：然后由数据存储智能合约将生产子***数据发送给分片B内的区块链节点；

Step6：分片B内的各区块链节点进行数据转发，并利用Hashgraph算法对传入分片B内的生产子***数据达成一致性共识；

Step7：当用户在浏览器执行应用层的生产子***数据可视化功能时，应用服务器通过调用RPC接口或SDK库中的数据获取接口请求区块链分片B内的对应数据；

Step8：应用服务器获取数据后返回给浏览器进行生产子***数据可视化。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，包括：

获取智能生产设备和子***产生的相关原始数据以及***用户上传的设备台账数据、设备配置数据、设备运维数据；

边缘网关和***按照预设规则和格式对获取到的数据进行预处理，然后将预处理的数据组装成相关数据记录，通过区块链的智能合约将数据记录上传到区块链或IPFS中进行储存；

数据记录上传到区块链后，根据其数据类型将数据存储到区块链的不同分片中，经过Hashgraph共识机制共识后出块上链存储，并且将IPFS返回的存储内容的哈希值也存储到相应分片中作为唯一标识符；

用户通过智能合约从区块链和IPFS中获取所需智能生产设备运维数据，根据获取到的数据对前端设备进行管理或深度分析。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，利用边缘网关通过网络与工业互联网中的智能生产设备和各个子***连接，通过对应的数据获取接口获取智能生产设备和子***产生的相关原始数据，所述数据获取接口为智能生产设备和子***对外暴露的数据获取接口，请求该接口即可获取到智能生产设备和子***的运行数据和状态数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，利用***的可视化界面获取***用户上传的设备台账数据、设备配置数据、设备运维数据，所述可视化界面是指基于区块链的IIoT智慧运维管理***的数据上传界面，用户通过数据上传界面上传文件和设备故障数据。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，所述IPFS是一种去中心化的分布式存储***，通过文件内容生成唯一的哈希值来标识文件，相同内容的文件在网络中只会存在一份。

5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，所述Hashgraph共识机制步骤包括事件生成、通过八卦传播协议广播事件、采用虚拟投票算法进行投票，所述事件生成步骤中所生成的事件主要包括：时间戳、数字签名、本节点父哈希、其他节点父哈希、事件内容，其中，事件内容包括智能设备采集的数据、操作命令以及边缘网关进行数据处理操作后的处理结果。

6.根据权利要求5所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，通过八卦传播协议广播事件的主要流程如下：本地节点将新接收到的数据以及从其他节点那里接收到的对该数据的签名信息组装成事件，然后将该事件随机发送给一个目标节点；目标节点接收到事件后，会读取并保存事件中的数据，随后将该事件内的数据以及从其他节点收集到的信息组装成一个新的事件，然后将新事件发送给其他随机选择的节点，重复上述过程直到所有节点都收到在开始时创建的事件，当所有节点都收到开始时创建的事件后，所有节点都需要在本地执行虚拟投票算法从而对事件达成共识。

7.根据权利要求6所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，所述虚拟投票算法主要包括轮次确定、知名见证人确定和数据有效性投票收集、共识轮数和共识时间确定。

8.根据权利要求7所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，轮次确定方法包括：一个节点所发的第一个事件是见证人事件，同时，这个见证人事件是这个节点一个轮次R的开始。

9.根据权利要求8所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，知名见证人确定和数据有效性投票收集方法包括：当判断第R轮的见证人是否是知名见证人的时候，需要由第R+1轮的见证人来判断，则再由R+2轮的见证人来统计是否是知名见证人票数和第R轮的见证人事件中包含的数据是否有效的票数。

10.根据权利要求9所述的一种基于区块链的IIoT智慧运维管理方法，其特征在于，共识轮数和共识时间确定方法包括：当第R轮的见证人都确定了是否是知名见证人，则能被所有第R轮知名见证人可见的事件的接收轮次为R。

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