CN108805409A - 一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法 - Google Patents
一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，基于区块链网络建立起去中心化的设备基础信息、监控信息、故障诊断、状态检修方案的共享数据池，建立了公正、公平、公开的关键基础设备信息管理系统。本方法通过建立一个共识机制来保证分享过程中的信用基础，通过采用公/私钥验证的方式来保证信息交易过程中的信息安全，通过针对数据池内信息维护和评价等工作进行奖励这样的有偿机制来提高各方的参与热情。本发明可以实现设备从研制生产、交付使用，直到报废退出运行整个过程中的大量数据资料的多备份和多方监管，防止物理原因造成的数据丢失、避免被篡改或删除；提供各方参与数据分析与共享的平台，加速关键基础设备的各方面研究工作。
Description
技术领域
本发明涉及一种关键基础设备信息管理方法，尤其是涉及一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法。
背景技术
关键基础设备类型多样、造价高、功能重要，是支撑现代社会正常运行的基石。对于这些设备进行在线监测、故障诊断、状态检修等运维工作以提高设备运行可靠性，延长设备使用寿命，具有重要的工程实践意义。但是现阶段大部分的设备运行维护管理工作中，很多工作准则的制定都是基于经验，并没有完善的理论体系来支撑。在现在的关键基础设备研究中，各个行业领域甚至各个企业都采用自己的信息管理系统或者采取物理存储的方式，这样在一定程度上保证了设备信息的保密性，但是并不利于对于某一类设备共性问题的集中研究，无法实现多方监管，同时使得仅有的一些研究成果也没有传播和推广的渠道，阻碍了设备的研制、高效可靠运营等技术的发展。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的问题；提供了一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法来建立去中心化的设备基础信息、运行状态数据、故障诊断、状态检修方案的共享数据池。从社会生态学角度出发来制定规则，基于区块链技术载体，建立了公正、公平、公开的关键基础设备信息管理方法。为解决既要信息交流畅通，又要保护数据安全这样的现实矛盾，提供了合理的解决办法。
本发明还有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法可以区块链网络为载体，实现数据信息的多地备份、多方监管、安全交易，可应用于设备全寿命周期的信息管理，并广泛适用于各行业领域。
本发明再有一目的是解决现有技术所存在的技术问题；提供了一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法可以通过共识机制、智能合约等规则制定来实现公平的交易过程，并鼓励多方参与到设备信息维护的工作中来，推进研究方案的传播共享和工程应用。
本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：
一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，其特征在于，包括以
下步骤：
步骤1，建立区块链网络：采用区块链技术，建立信息管理网络，形成设备信息数据池。
区块链是一种多方参与并共同维护的分布式数据库。区块是这个新型去中心化数据库的基本数据结构，它由网络中所有的节点共同拥有、管理和监督、不接受单一方面的控制。如图1所示，区块包括区块头和区块主体两个部分，共同包括了数据集合和相关记录。区块链通过各个区块头中包括的自身ID和前一区块的ID信息有序链接，从而形成一种链状数据块结构。在区块链中每隔固定时间会生成一个新的区块，每个区块头中都有一个区块形成的时间戳和Merkle树根节点等信息，它们保证了区块链的可追溯性；而每个区块体中包含了信息管理网络中各个用户上传的基础设备运行数据、检修记录、故障处理方案等信息，以及用户分享和获取设备信息的操作记录。
在此区块链网络中，包括多种角色类型的用户，并随着时间推移，加入网络的用户数不断增加。每个用户都依自身的角色设定，来对自身研究、生产或管理的基础设备信息进行上传、维护和更新，从而形成关键基础设备信息管理网络。该网络采用区块链技术后，通过多方维护可以保证数据生成后不可篡改；通过共识机制保证经过一段时间同步后，所有用户节点的区块保持一致；通过智能合约的设计，形成设备信息管理生态圈，使之可以持续发展并通过内部协调满足用户需求、增强用户参与的积极性和自组织性；从而便于用户之间的信息共享和互通有无，提高设备生产水平、推进设备研发工作和改善设备管理能力、延长设备使用寿命。由于系统用户包括了设备生产商、设备运营商和相关的科研机构等多种角色，涵盖了关键基础设备从生产、运营和新技术研究等各个时间阶段，用户上传存储和分享的数据也包括了设备设计、生产、试验、质量检测、运行维护、故障诊断、设备检修等方方面面，从而通过此信息管理系统的运行和发展可以形成完备的设备信息数据池。
步骤2，设计信息管理生态圈：根据用户注册时选择的用户类型，如设备生产商、设备运营商、研究机构等，标注网络中各类用户的操作权限、所参与的工作内容和可能获取的回报，说明用户、信息的互动方式。结合自适应或自组织系统特点，从社会学角度考虑制定规则(见步骤3.1)的同时，参考自然领域知识设计了信息管理生态圈(见步骤3.3)，吸引更多参与者，保证信息管理工作的持续进行；
步骤3，管理规则制定：为保证步骤2的生态圈的平衡有序运作，针对关键基础设备的信息管理工作特点，制定了基本规则、共识机制、智能合约，并要求使用非对称加密技术进行交易。可以实现生态圈内各用户劳有所得、公平交易以及数据的安全共享。
在上述的一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，所述的步骤3中，各项管理规则的具体内容如下：
步骤3.1，基本规则：对权限、查询和更新等三个方面进行了说明。其中，
权限规则为：将系统分为生产厂商、运行机构、科研机构三大类别，进行ID匹配，不同权限用户具备相应的查询与写入资格。如生产商具有设备设计、生产、测试等数据的写入权限，运营商具有设备运维、故障检修等数据的写入权限，科研机构具有设备实验、检修方案设计等数据的写入权限。
查询规则为：系统根据相应的ID身份验证查询数据信息，对于没有足够权限的ID，数据是不可见的。这部分的查询权限与用户类型、用户在信息管理系统中的币值资产及购买历史有关(见步骤3.3)。
更新规则为：按照网络时间，固定时间间隔生成新区块，标注新区块的时间戳，动态更新数据信息，包含设备采购信息、监测信息、检修信息。数据更新，即添加区块权力赋予，见步骤3.2.
步骤3.2，共识机制：主要是对通过对近期上传的数据质量进行评分，从而达成综合数据质量分数共识，并且在此过程中只有一个参与打分的用户可以获得添加区块的权利，这样保证同一数据集不会出现两个地址，这样解决了双花问题和拜占庭将军问题。具体流程是：
1)在一定的时间间隔内，各用户可写入新信息，如生产商写入设备生产信息、运营商写入设备运维信息、科研机构写入实验数据和结论等；
2)同时，各用户可对其他用户上传的新信息进行评分；
3)评分的原则包括数据完整性、数据质量和数据价值等三个大类，共十个指标(包括数据完整性、数据规范性、数据一致性、数据准确性、数据唯一性、数据关联性、数据及时性、数据对本类用户的价值、数据对他类用户的价值和数据所属项目获奖情况)，每个指标评分范围为0-100；
4)针对某个用户的各项评分值，应用层次分析和专家经验设定的权重值进行向上逐层的评分综合，获得该用户对本时间间隔内上传数据的用户综合评价值；
5)该时段结束时，考虑各评分用户的信用值(见步骤3.3)，应用本文档内容步骤3.2第4)点中的层次分析法结合专家经验的评分方式得到所有用户综合评分的加权和作为该时段上传数据的终极分数；
6)选择该时间间隔内，对数据评分最接近终极分数且上报评分最早的用户，授权该用户节点生成本时段的新区块；
7)授权节点将新数据利用非对称加密算法、哈希算法等进行处理，将上一区块ID、时间戳、Merkel根哈希值等填充到新区块中；
8)应用点对点传输机制，授权节点向全网发布新区块；
9)其他所有节点接收新区块，在已有区块链的尾部加入通过非对称加密算法、哈希算法验证通过后的新区块。
步骤3.3，智能合约：为了提高大家对数据池进行维护的热情，需要基于信任机制对其劳动给予一定的奖励。并在数据信息和解决方案的有偿分享过程中，通过合约，智能完成交易过程和币值结算。该智能合约的设计，是实现信息管理生态圈的关键，自然领域中的生态圈具有资源有限、静态博弈等特征，为了保证各用户节点能够劳有所得、公平竞争和系统的可持续发展，我们应用纳什均衡进行信息交易定价(币值)以及系统维护奖励(添加区块链的节点可获得一定币值和信用值奖励)。
为了提高设备设计方案、检修和维护方案等信息的应用价值，需要对可完全公开信息进行共享，不可完全公开信息可通过系统币值进行交易，从而推进关键基础设备相关的设计和研究工作的发展。在关键设备信息管理系统中，假设信息交易的买方和卖方具有平等关系，双方可以同时、非合作地进行决策以最大化各自的利益，即具有静态博弈特征，我们通过纳什均衡进行交易定价的求解。
数据提供方(即卖方)的最优化问题为：
其中，p0为单位数据销售价格(币值/Mb)，依数据信息类型是确定的常量；pm为数据产生的单位边际成本(币值/Mb)；cm为卖方上报数据的运营成本(币值/Mb)；pr＝(1-r)pm是买方可能从数据中获取的收益；x＝f((1-r)pm)＝d((1-r)pm)k为数据产生的边际成本为pm、买方收益为pr时可交易数据量，d为换算常数，k为价格弹性，x≤D，D为卖方的数据拥有量。
买方的最优化问题为：
其中，cr为买方的单位边际运营(数据处理和使用的)成本(币值/Mb)；
通过联立求解一阶条件
得到纳什均衡：
公式(6)即为买方和卖方同时进行非合作决策时双方的最优定价策略。
步骤3.4，非对称加密：采用非对称加密进行信息加密来保证数据安全。若交易意向达成，卖方(记为USER C)使用买方(记为USER E)的公钥对信息进行加密，然后发送给买方，买方利用自己的私钥对信息进行解密，从而获得区块数据的阅读权限。由数据证书来负责定时生成和更新公钥和私钥，从而保证系统中数据的安全性。每次更新公钥和私钥时会生成新的密钥版本号，密钥版本号在区块头中也有记录。数据的加密流程是：1)生成公钥、私钥和密钥版本号；2)推送公钥、私钥和密钥版本号到区块链系统；3)使用公钥加密隐私数据，并上传加密后隐私数据和密钥版本号；4)通过共识机制存入数据；5)通过智能合约交易数据并使用密钥版本号对应的私钥进行解密，查看购买的隐私数据。
在上述的一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，如图2所示，上述步骤3.2中在固定时间结束前、依据用户们给出的综合评分值获得统一系统评分值的过程为：在系统建设初期，可以给出一个粗略的评分区间标准0-100，指导新用户初始评分工作；具有该上报数据阅读权限的用户(记为USER A)，可根据数据状态对各项指标进行打分后获得该用户的综合评分值，按照所有具有阅读权限用户给出的综合分值的分布情况，取某一统计值(如期望值)作为该项指标的可视分数；不具有该上报数据阅读权限的用户(记为USERB)，可以查看当前已评分情况及已打分用户权限和信用值，然后结合以上信息，给出各项指标的不可视分数；在固定时间间隔结束前，综合可视分数和不可视分数，计算得到针对某一份上报数据的统一评分；打分值与统一评分值最接近且最早提交打分值的用户将成为授权节点、获得添加该数据区块到区块链上的权利。
在上述的一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，步骤3.3中智能合约包括以下几方面：对于上报(记为USER C)而言，数据上报者在所上报数据添加到区块链后，可以根据数据质量的综合评分获得一定的分享信用值和奖励值；在上报数据添加到区块链后，该区块成为上报用户的固定资产，上报用户通过私钥保证对该区块的所有权，可以将该区块的阅读权限进行交易；对于被授权添加区块的用户(记为USER D)而言，在完成区块链添加工作后，可以获得一定的评价信用值和奖励值。
因此，本发明具有如下优点：1.去中心化的数据网络，避免了某一机构对数据和研究成果的垄断，以及省去了研究成果推广中可能产生的中介费用；2.采用区块链技术实现了数据的多地备份和多方监督，防止由于不可避免的灾害造成物理存储数据的永久丢失，同时还可以避免人为对数据的篡改和删除；3.共识机制和智能合约的执行，可以保证对数据池的维护工作能够劳有所得，并鼓励多方参与，促进信息管理生态圈的平衡、稳定、持续发展；4.为关键基础设备提供了一个多方参与的，可以公正、公平、公开地进行数据分析与共享平台。
附图说明
图1是本发明涉及的单个区块数据结构与区块间连接关系。
图2是本发明涉及的关键基础设备信息管理生态圈。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，以电力系统中的一种关键基础设备——变压器为例进行说明，包括以下步骤：
步骤1，建立区块链网络：采用区块链技术，建立变压器信息管理网络，形成变压器信息数据池。区块包括区块头和区块主体两个部分，区块主体中保存了用户上传的变压器运行数据和故障信息等。区块通过区块头中包括的自身ID和前一区块的ID信息有序链接，从而形成一种数据结构。同时每个区块都有一个区块形成的时间戳，保证了区块链的可追溯性；
步骤2，设计信息管理生态圈：标注网络中生产厂商、运营单位和研究机构三类用户的操作权限、所参与的工作内容和可能获取的回报，说明用户、信息的互动方式。结合自适应或自组织系统特点，从社会学角度考虑制定规则的同时，参考自然领域知识设计了变压器信息管理生态圈，吸引更多参与者，保证变压器信息维护工作的持续进行；
步骤3，管理规则制定：为保证步骤2的生态圈的平衡有序运作，针对变压器信息管理工作特点，制定了基本规则、共识机制、智能合约，并要求使用非对称加密技术进行交易。可以实现生态圈内各用户劳有所得、公平交易以及数据的安全共享。
各项管理规则的具体内容如下：
步骤3.1，基本规则：对权限、查询和更新等三个方面进行了说明。权限规则将系统分为生产厂商、运行单位、研究机构三大类别，进行ID匹配，不同权限具备相应的查询与写入资格；查询规则中系统根据相应的ID身份验证查询数据信息，对于没有足够权限的ID，数据是不可见的；更新规则要求本方法的区块链网络要根据时间戳，动态更新数据信息，包含设备采购信息、监测信息、检修信息。
步骤3.2，共识机制：主要是对通过对近期上传的数据质量进行评分，从而达成综合数据质量分数共识，并且在此过程中只有一个参与打分的用户可以获得添加区块的权利。
数据质量的评分方法为：在系统建设初期，可以给出一个粗略的评分区间标准，指导新用户初始评分工作；具有该上报数据阅读权限的用户(记为USER A)，可根据数据状态对各项指标进行打分，对于每一个指标，按照所有具有阅读权限用户给出的分值的分布情况，取某一统计值(如期望值)作为该项指标的可视分数；不具有该上报数据阅读权限的用户(记为USER B)，可以查看当前已评分情况及已打分用户权限和信用值，然后结合以上信息，给出各项指标的不可视分数；在上报或完善操作完成后的规定时间内，综合可视分数和不可视分数，计算得到综合评分值；打分值与综合评分值最接近且最早提交打分值的用户将获得添加该数据区块到区块链上的权利。
步骤3.3，智能合约：为了提高大家对数据池进行维护的热情，需要基于信任机制对其劳动给予一定的奖励。并在数据信息和解决方案的有偿分享过程中，通过合约，智能完成交易过程和币值结算。
智能合约包括以下几方面：对于上报或维护用户(记为USER C)而言，数据上报者在所上报数据添加到区块链后，可以根据数据质量的综合评分获得一定的分享信用值和奖励值；在上报数据添加到区块链后，该区块成为上报用户的固定资产，上报用户通过私钥保证对该区块的所有权，可以将该区块的阅读权限进行交易；对于获得区块添加权的用户(记为USER D)而言，在完成区块链添加工作后，可以获得一定的评价信用值和奖励值。
步骤3.4，非对称加密：采用非对称加密进行信息加密来保证数据安全。若交易意向达成，卖方(记为USER C)使用买方(记为USER E)的公钥对信息进行加密，然后发送给买方，买方利用自己的私钥对信息进行解密，从而获得区块数据的阅读权限。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，其特征在于，包括
以下步骤：
步骤1，建立区块链网络：采用区块链技术，建立信息管理网络，形成设备信息数据池；
步骤2，设计信息管理生态圈：根据用户注册时选择的用户类型，如设备生产商、设备运营商、研究机构等，标注网络中各类用户的操作权限、所参与的工作内容和可能获取的回报，说明用户、信息的互动方式；结合自适应或自组织系统特点，从社会学角度考虑制定规则的同时，参考自然领域知识设计了信息管理生态圈，吸引更多参与者，保证信息管理工作的持续进行；
步骤3，管理规则制定：为保证步骤2的生态圈的平衡有序运作，针对关键基础设备的信息管理工作特点，制定了基本规则、共识机制、智能合约，并要求使用非对称加密技术进行交易；能够实现生态圈内各用户劳有所得、公平交易以及数据的安全共享。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，其特征在于，所述的步骤3中，各项管理规则的具体内容如下：
步骤3.1，基本规则：对权限、查询和更新等三个方面进行了说明；其中，
权限规则为：将系统分为生产厂商、运行机构、科研机构三大类别，进行ID匹配，不同权限用户具备相应的查询与写入资格；如生产商具有设备设计、生产、测试等数据的写入权限，运营商具有设备运维、故障检修等数据的写入权限，科研机构具有设备实验、检修方案设计等数据的写入权限；
查询规则为：系统根据相应的ID身份验证查询数据信息，对于没有足够权限的ID，数据是不可见的；这部分的查询权限与用户类型、用户在信息管理系统中的币值资产及购买历史有关；
更新规则为：按照网络时间，固定时间间隔生成新区块，标注新区块的时间戳，动态更新数据信息，包含设备采购信息、监测信息、检修信息；数据更新，即添加区块权力赋予.
步骤3.2，共识机制：主要是对通过对近期上传的数据质量进行评分，从而达成综合数据质量分数共识，并且在此过程中只有一个参与打分的用户能够获得添加区块的权利，这样保证同一数据集不会出现两个地址，这样解决了双花问题和拜占庭将军问题；具体流程是：
步骤3.21、在一定的时间间隔内，各用户可写入新信息，包括生产商写入设备生产信息、运营商写入设备运维信息、科研机构写入实验数据和结论；
步骤3.22、同时，各用户可对其他用户上传的新信息进行评分；
步骤3.23、评分的原则包括数据完整性、数据质量和数据价值等三个大类，共十个指标，每个指标评分范围为0-100；
步骤3.24、针对某个用户的各项评分值，应用层次分析和专家经验设定的权重值进行向上逐层的评分综合，获得该用户对本时间间隔内上传数据的用户综合评价值；
步骤3.25、该时段结束时，考虑各评分用户的信用值，应用步骤3.24的层次分析法结合专家经验的评分方式，得到所有用户综合评分的加权和作为该时段上传数据的终极分数；
步骤3.26、选择该时间间隔内，对数据评分最接近终极分数且上报评分最早的用户，授权该用户节点生成本时段的新区块；
步骤3.27、授权节点将新数据利用非对称加密算法、哈希算法等进行处理，将上一区块ID、时间戳、Merkel根哈希值等填充到新区块中；
步骤3.28、应用点对点传输机制，授权节点向全网发布新区块；
步骤3.29、其他所有节点接收新区块，在已有区块链的尾部加入通过非对称加密算法、哈希算法验证通过后的新区块；
步骤3.3，智能合约：为了提高大家对数据池进行维护的热情，需要基于信任机制对其劳动给予一定的奖励；并在数据信息和解决方案的有偿分享过程中，通过合约，智能完成交易过程和币值结算；该智能合约的设计，是实现信息管理生态圈的关键，自然领域中的生态圈具有资源有限、静态博弈等特征，为了保证各用户节点能够劳有所得、公平竞争和系统的可持续发展，我们应用纳什均衡进行信息交易定价以及系统维护奖励；
为了提高设备设计方案、检修和维护方案等信息的应用价值，需要对可完全公开信息进行共享，不可完全公开信息可通过系统币值进行交易，从而推进关键基础设备相关的设计和研究工作的发展；在关键设备信息管理系统中，假设信息交易的买方和卖方具有平等关系，双方能够同时、非合作地进行决策以最大化各自地利益，即具有静态博弈特征，我们通过纳什均衡进行交易定价的求解；
数据提供方的最优化问题为：
其中，p0为单位数据销售价格，依数据信息类型是确定的常量；pm为数据产生的单位边际成本；cm为卖方上报数据的运营成本；pr＝(1-r)pm是买方可能从数据中获取的收益；x＝f((1-r)pm)＝d((1-r)pm)k为数据产生的边际成本为pm、买方收益为pr时可交易数据量，d为换算常数，k为价格弹性，x≤D，D为卖方的数据拥有量；
买方的最优化问题为：
其中，cr为买方的单位边际运营成本；
通过联立求解一阶条件
得到纳什均衡：
公式(6)即为买方和卖方同时进行非合作决策时双方的最优定价策略；
步骤3.4，非对称加密：采用非对称加密进行信息加密来保证数据安全；若交易意向达成，卖方使用买方的公钥对信息进行加密，然后发送给买方，买方利用自己的私钥对信息进行解密，从而获得区块数据的阅读权限；由数据证书来负责定时生成和更新公钥和私钥，从而保证系统中数据的安全性；每次更新公钥和私钥时会生成新的密钥版本号，密钥版本号在区块头中也有记录；数据的加密流程是：
1)生成公钥、私钥和密钥版本号；
2)推送公钥、私钥和密钥版本号到区块链系统；
3)使用公钥加密隐私数据，并上传加密后隐私数据和密钥版本号；
4)通过共识机制存入数据；
5)通过智能合约交易数据并使用密钥版本号对应的私钥进行解密，查看购买的隐私数据。
3.根据权利要求2所述的一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，其特征在于，步骤3.2中在固定时间结束前、依据用户们给出的综合评分值获得统一系统评分值的过程为：在系统建设初期，能够给出一个粗略的评分区间标准0-100，指导新用户初始评分工作；具有该上报数据阅读权限的用户，可根据数据状态对各项指标进行打分后获得该用户的综合评分值，按照所有具有阅读权限用户给出的综合分值的分布情况，取某一统计值作为该项指标的可视分数；不具有该上报数据阅读权限的用户，能够查看当前已评分情况及已打分用户权限和信用值，然后结合以上信息，给出各项指标的不可视分数；在固定时间间隔结束前，综合可视分数和不可视分数，计算得到针对某一份上报数据的统一评分；打分值与统一评分值最接近且最早提交打分值的用户将成为授权节点、获得添加该数据区块到区块链上的权利。
4.根据权利要求2所述的一种基于区块链的关键基础设备信息管理方法，其特征在于，步骤3.3中智能合约包括以下几方面：对于上报而言，数据上报者在所上报数据添加到区块链后，能够根据数据质量的综合评分获得一定的分享信用值和奖励值；在上报数据添加到区块链后，该区块成为上报用户的固定资产，上报用户通过私钥保证对该区块的所有权，能够将该区块的阅读权限进行交易；对于被授权添加区块的用户而言，在完成区块链添加工作后，能够获得一定的评价信用值和奖励值。
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