CN110290470A - 基于区块链和边缘计算的隧道定位系统 - Google Patents

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Abstract

一种基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，包括多个工人定位设备节点和云服务器；所述多个工人定位设备节点按照区域划分为多个分簇，每个分簇中具有对应的块头节点，所述块头节点通过蓝牙模块分别与其他分簇的块头节点、对应分簇内的工人定位设备节点耦接，并采用WIFI模块所述云服务器耦接。上述的方案，可以提高隧道工人定位的可靠性和准确性。

Description

基于区块链和边缘计算的隧道定位系统
技术领域
本发明属于定位技术领域，特别是涉及一种基于区块链和边缘计算的隧道定位系统。
背景技术
近几年，随着交通基础设施建设力度的不断加强，全国高速公路和铁路的新建里程不断增长。我国国土面积辽阔，地形复杂，西高东低，山地、高原、山岭等占国土面积的69％，在山区高速公路修建过程中，隧道工程无法避免。
隧道工程施工具有隐蔽性大、技术复杂、工作面广、作业空间有限、建设工期长和地质状况变化莫测等特点。隧道建设现存的特点不仅增大了隧道作业难度，而且给施工增加了极大的安全隐患。如果发生事故，隧道建设项目将不能按照原计划完成任务，甚至一部分突发的安全事故会引起施工人员伤亡。
但是，现有的隧道定位系统存在着定位准确性差和可靠性差的问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是如何提高隧道工人定位的可靠性和准确性。
为了达到上述目的，本发明实施例还提供了一种基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，所述系统包括工人定位设备节点和云服务器；所述多个工人定位设备节点按照区域划分为多个分簇，每个分簇中具有对应的块头节点，所述块头节点通过蓝牙模块分别与其他分簇的块头节点、对应分簇内的工人定位设备节点耦接，并采用WIFI模块所述云服务器耦接；
所述块头节点，适于按照预设的周期采用预设的融合定位算法计算得到对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据；基于计算得到的对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据生成对应的区块并通过内置的蓝牙模块发送至其他块头节点进行认证；
所述其他块头节点，适于通过蓝牙模块接收所述块头节点发送的所述区块，对发送所述区块的所述块头节点发送的所述区块进行认证，并向所述块头节点发送对应的认证信息；
所述块头节点，还适于通过蓝牙模块接收所述其他块头节点发送的认证信息，并在确定其他块头节点对所述区块认证成功时，将所述区块存储在区块链上；
所述块头节点与所述其他块头节点，还适于分别尝试采用内置的WIFI模块与预设的云服务器进行连接；
与所述云服务器连接成功的块头节点，适于采用内置的WIFI模块将所述区块发送至预设的云服务器上；
所述云服务器，适于采用内置的WIFI模块接收所述区块并采用所述区块上的定位数据对对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据进行更新。
可选地，所述块头节点，适于通过WIFI模块从所述云服务器处获取可被所述云服务器连接的三个工人定位设备节点的定位数据；通过蓝牙模块分别从所述三个工人定位设备节点处获取待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的距离；基于所述三个工人定位设备节点的定位数据与待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的距离，计算得到待求工人定位设备节点的定位数据；基于计算得到的定位数据，对所述待求工人定位设备节点的定位矩阵进行更新；基于更新后的所述待求工人定位设备节点的定位矩阵，计算得到所述待求工人定位设备节点的最终定位数据。
可选地，当所述区块为第n个区块且n小于预设的次数阈值时，所述更新后的所述待求工人定位设备节点的定位矩阵为：其中，表示第i个区块中的待求工人定位设备节点的定位数据，i＝1,2,3......n。
可选地，当所述区块为第n个区块n大于或等于预设的次数阈值时，所述待求工人定位设备节点的定位矩阵为：其中，k表示所述次数阈值。
可选地，所述块头节点采用如下的公式计算得到所述待求工人定位设备节点的最终定位数据：
其中，(x4,y4)表示第n个区块中的所述待求工人定位设备节点的最终定位数据。
可选地，所述三个工人定位设备节点的定位数据为所述云服务器通过 WIFI模块分别从所述三个工人定位设备节点处获取。
可选地，所述块头节点，适于通过所述待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的蓝牙信号的强度，确定待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的距离。
可选地，所述蓝牙信号的覆盖区域为以该蓝牙信号所在的三个工人定位设备节点的位置为圆心的圆形区域。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
上述的方案，块头节点按照预设的周期采用预设的融合定位算法计算得到对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据；基于计算得到的对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据生成对应的区块并通过内置的蓝牙模块发送至其他块头节点进行认证；其他块头节点通过蓝牙模块接收所述块头节点发送的所述区块，对所述块头节点发送的所述区块进行认证，并向所述块头节点发送对应的认证信息；所述块头节点通过蓝牙模块接收所述其他块头节点发送的认证信息，并在确定其他块头节点对所述区块认证成功时，将所述区块存储在区块链上；所述块头节点与所述其他块头节点分别尝试采用内置的 WIFI模块与预设的云服务器进行连接；与所述云服务器连接成功的块头节点采用内置的WIFI模块将所述区块发送至预设的云服务器上；所述云服务器采用内置的WIFI模块接收所述区块并采用所述区块上的定位数据对对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据进行更新；与传统的采用基站定位的方式相比，可以有效结合隧道环境干扰因素，对携带工人定位设备节点的位置进行准确定位，故可以提高隧道工人定位的可靠性和准确性，提高隧道工人的安全保障。
进一步地，所述块头节点采用预设的融合定位算法计算得到对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据，基于边缘计算思想对多次定位结果进行迭代，故可以进一步提高隧道工人定位的准确性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例的一种基于区块链和边缘计算的隧道定位系统的结构示意图；
图2是本发明实施例的一种基于区块链和边缘计算的隧道定位方法的流程示意图；
图3是本发明实施例的一种基于区块链和边缘计算的隧道定位方法与现有的隧道定位方法的仿真实验比较结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。本发明实施例中有关方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后等)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
如背景技术所述，隧道内环境复杂，信号传播能力差，目前国内的隧道安全监控系统存在以下缺陷：由于隧道的分散性、隐蔽性的特点，施工人员和施工车辆不能及时了解隧道安全信息，管理人员对于隧道的安全管理存在盲点。配置摄像头的监控定位系统成本过高。当某些员工安全定位设施部分故障时无法获取该员工任何信息，甚至于当隧道内失去供电或网络时所有工人将陷入危机中。传统隧道定位系统漏洞较大，鲁棒性较差，性能急需提高。
本发明的技术方案通过区块链中每个分簇中的块头节点按照预设的周期采用预设的融合定位算法计算得到对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据；基于计算得到的对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据生成对应的区块并发送至其他块头节点进行认证；其他块头节点对所述块头节点发送的所述区块进行认证，并向所述块头节点发送对应的认证信息；所述块头节点接收所述其他块头节点发送的认证信息，并在确定其他块头节点对所述区块认证成功时，将所述区块存储在区块链上；所述块头节点与所述其他块头节点分别尝试与预设的云服务器进行连接；与所述云服务器连接成功的块头节点将所述区块发送至预设的云服务器上；所述云服务器接收所述区块并采用所述区块上的定位数据对对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据进行更新；与传统的采用基站定位的方式相比，可以有效结合隧道环境干扰因素，对携带工人定位设备节点的位置进行准确定位，故可以提高隧道工人定位的可靠性和准确性，提高隧道工人的安全保障。为使本发明的上述目的、特征和有益效果能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
为了便于理解，下面将首先对本发明实施例中的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统的结构进行简要的介绍。
图1是本发明实施例的一种基于区块链和边缘计算的隧道定位系统的结构示意图。参见图1，一种基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，具体可以包括工人定位设备节点和云服务器12。
其中，每个所述工人定位设备节点11中均内置有蓝牙模块、WIFI模块和 GPS定位器。在本发明一实施例中，所述蓝牙通信模块和所述GPS定位器连接在移动电源中，所述蓝牙模块耐久度较高且自带备用纽扣电池。
在具体实施中，所述多个工人定位设备节点11按照区域划分为多个分簇 111～11N，且每个分簇11i(i整数，且1≤i≤N)中选取一工人定位设备节点11作为该分簇对应的块头节点11i1。所述块头节点11i1通过蓝牙模块分别与其他分簇11j(j整数，且1≤j≤N，j≠i)的块头节点11j1、对应分簇内的工人定位设备节点11iM耦接，并采用WIFI模块所述云服务器12耦接。
下面将结合图2对本发明实施例中的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统的工作原理进行介绍。
图2是本发明实施例的一种基于区块链和边缘计算的隧道定位方法的流程示意图。参见图2，一种基于区块链和边缘计算的隧道定位方法，具体可以包括如下的步骤：
步骤S201：块头节点按照预设的周期采用预设的融合定位算法计算得到对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据，并基于计算得到的对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据生成对应的区块并通过内置的蓝牙模块发送至其他块头节点进行认证。
在本发明一实施例中，每个分簇的所述块头节点用于存储区块链的所有区块的块头以及包含有该节点产生的定位数据的区块在内的区块主体数据，最新的块头节点用于存储区块链网络中产生的所有区块。其中，每个所述块头节点在采用预设的融合定位算法计算得到对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据时：
首先，由块头节点通过所述云服务器获取可被云服务器连接的三个工人定位设备节点的定位数据，也即云服务器在总区间内的多个工人定位设备节点中找到任意三个WIFI模块通信正常的工人定位设备节点，并通过WIFI模块通信的方式直接获取该三个工人定位设备节点的定位数据，该三个工人定位设备节点分别记为A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)。
接着，所述块头节点获取待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的距离。在本发明一实施例中，所述三个工人定位设备节点A(x1,y1)、 B(x2,y2)、C(x3,y3)分别通过蓝牙模块与待求工人定位设备节点D(x4,y4)进行连接，并通过蓝牙模块的信号强度确定待求工人定位设备节点D(x4,y4)分别到三个工人定位设备节点A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)之间的欧氏距离为r1、r2、r3。所述蓝牙信号的覆盖区域为以该蓝牙信号所在的三个工人定位设备节点的位置为圆心的圆形区域。
之后，基于待求工人定位设备节点D(x4,y4)分别到三个工人定位设备节点 A(x1,y1)、B(x2,y2)、C(x3,y3)之间的欧氏距离为r1、r2、r3，建立三点联立公式：
求解上述的三点联立公式得到三点定位下的D(x4,y4)：
在本发明一实施例中，引入边缘计算思想，在每次块头节点接收到一个区块时，对前面所有区块种的定位数据更新参数并进行复算，也即引入质心算法，将当前第n块的区块的定位数据与前(n-1)个区块中该待求工人定位设备节点的定位数据求得的均值，作为第n块区块中该待求工人定位设备节点的定位数据D(x4,y4)。具体而言，首先基于计算得到的定位数据，对所述待求工人定位设备节点的定位矩阵进行更新，得到对应的定位矩阵为然后，再基于更新后的所述待求工人定位设备节点的定位矩阵，采用如下的公式计算得到所述待求工人定位设备节点的最终定位数据：
在本发明一实施例中，为了防止块头节点的计算超过负载，可以将块头节点的最多计算次数，即次数阈值设置为k次。换言之，当所述区块为第n 个区块且n小于预设的次数阈值时，所述更新后的所述待求工人定位设备节点的定位矩阵为：其中，表示第i个区块中的待求工人定位设备节点的定位数据，i＝1,2,3......n；当所述区块为第n个区块n 大于或等于预设的次数阈值时，所述述待求工人定位设备节点的定位矩阵为：
通过上述的方式，每个分簇的块头节点便可以得到对应区域内的每个工人定位设备节点的定位数据。当得到对应区域内的每个工人定位设备节点的定位数据时，块头节点可以根据区域内的每个工人定位设备节点的定位数据以及上一个区块的块头数据进行哈希运算以尝试生成一个区块。
当成功生成一个区块时，块头节点将所生成的区块通过蓝牙模块发送至区块链网络中的其他块头节点进行认证，以在通过认证后，确认所生成的区块的有效并添加到区块链上。
步骤S202：其他块头节点通过蓝牙模块接收所述块头节点发送的所述区块，对所述块头节点发送的所述区块进行认证，并向所述块头节点发送对应的认证信息。
在具体实施中，其他块头节点通过自身内置的蓝牙模块在接收到所述块头节点发送的区块数据时，对所接收的区块进行认证，如投票等，并将自己对所述区块的认证信息通过自身内置的蓝牙模块再返回至所述块头节点。
步骤S203：所述块头节点通过蓝牙模块接收所述其他块头节点发送的认证信息，并在确定其他块头节点对所述区块认证成功时，将所述区块存储在区块链上。
在具体实施中，所述块头节点在接收到所述其他块头节点发送的认证信息时，通过其他块头节点发送的认证信息来确认自身所生成的区块是否有效。当确定所生成的区块有效，也即成功生成一个区块时，所述块头节点和其他块头节点将所述区块添加到区块链上。
步骤S204：所述块头节点与所述其他块头节点分别尝试采用内置的WIFI 模块与预设的云服务器进行连接。
在具体实施中，当所生成的区块添加到区块链上时，包括所述块头节点与所述其他块头节点在内的所有块头节点分别尝试采用各自内置的WIFI模块与预设的云服务器进行连接，以将最新更新的区块中的工人设备定位节点的定位数据发送至云服务器，从而传播到隧道外。
步骤S205：与所述云服务器连接成功的块头节点采用内置的WIFI模块将所述区块发送至预设的云服务器上。
在具体实施中，所有的块头节点中首个通过WIFI模块与云服务器进行连接成功的块头节点将会所生成的区块发送至所述云服务器中，以对所述云服务器中存储的工人设备定位节点的定位数据进行更新。
步骤S206：所述云服务器采用内置的WIFI模块接收所述区块并采用所述区块上的定位数据对对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据进行更新。
在具体实施中，其中第一个成功通过WIFI模块连接到云服务器的块头节点将所述区块发送至所述云服务器，即将工人位置信息传播到隧道外界。所述云服务器在接收到所述首个成功连接的块头节点发送的所述区块时，从所述区块中获取所有的工人定位设备节点的定位数据，从而采用所获取的所述区块中获取所有的工人定位设备节点的定位数据对自身所存储的所有的工人定位设备节点的定位数据进行更新。
其中，在区块链中，在首个周期内通过WIFI模块与云服务器连接成功的首个块头节点可以将所述区块发送至区云服务器进行认证，以使得在通过认证后，确认生成的区块的有效，并添加到区块链上作为区块头。
该发明专利为一种定位系统，该系统有效克服隧道中的网络问题和供电问题等复杂环境问题，能实时监测所有施工人员的位置信息，为工人的安全提供保障；该发明结合区块链和边缘计算进行网络信息传播，不同于传统的基站定位，有效结合隧道环境干扰因素，将每一个工人的安全保障提到最高；该发明涉及的工人定位设备携带便捷，不需要大面积供电和基站连接，推广方便，鲁棒性较强；该发明所运用的定位算法为融合定位算法，基于边缘计算思想对多次定位结果进行迭代，有效提高定位准确性。
下面将通过仿真实验的数据对本发明实施例中的基于区块链和边缘计算的隧道定位方法和系统的性能进行验证。其中，仿真实验硬件环境为 Ubuntu16.04，64位操作系统，训练平台是数字科学专用软件Matlab，设定仿真矩阵大小为500x300像素点，设定工人定位设备节点的数目为250个，将工人定位设备节点随机放置于仿真矩阵中，在仿真矩阵中，存在工人定位设备节点的位置设为“1”，否则，设为“0”。分别使用传统定位算法(算法1)、区块链定位算法(算法2)、区块链+边缘计算定位算法(算法3)、区块链+ 边缘计算+融合定位算法(算法4)进行测试验证本发明所述系统的有效性和可实现性。
为了客观评价分类器训练模型精度，本发明采用准确率Acc衡量定位系统模型的性能，其计算公式如下：
其中，TP表示真实为0，预测也为0；FN表示真实为0，预测为1；FP 表示真实为1，预测为0；TN表示真实为0，预测也为0。
由图3可以看出，本发明所提出的隧道定位方法和系统(算法4)在准确度上获得了92.7％的成绩，相较于其他算法，即算法1、算法2、算法3，其准确性分别提高了4.2％、10.5％、35.2％。当在少量节点(20)断开时，传统定位算法(算法1)性能发生雪崩式降低，Acc从58.6％锐减到32.7％，而本发明所提出的隧道定位系统(算法4)仅降低2.0％。当仅有少量节点(50) 工作时，其他对比算法(算法1、算法2、算法3)准确率均在60％以下，而本发明所提出的隧道定位系统准确率依然保持在86.5％。
因此，从仿真实验结果可以看出，本发明所提出的隧道定位系统有着较强的定位准确性和遇突发情况的鲁棒性，定位效果相比于对比算法有着极大的提高。
本发明公开了一种基于区块链和边缘计算的隧道定位方法和系统通过选取规定范围内的一个WIFI模块通信正常的工人定位设备作为该范围的块头，通过蓝牙模块获取预定时间段内该范围的所有区块体上传的节点数据；对节点数据进行定位算法融合得到节点位置数据；根据节点位置数据以及上一个区块的块头数据进行哈希运算以尝试生成一个区块；当成功生成一个区块时，将区块发送至区块链网络中的其他节点进行认证，以使得在通过认证后，确认生成的区块的有效，并添加到区块链上。该方案可以有效克服隧道中的网络问题和供电问题等复杂环境问题，能实时监测所有施工人员的位置信息，为工人的安全提供保障；该发明结合区块链和边缘计算进行网络信息传播，不同于传统的基站定位，有效结合隧道环境干扰因素，将每一个工人的安全保障提到最高；该发明涉及的工人定位设备携带便捷，不需要大面积供电和基站连接，推广方便，鲁棒性较强；该发明所运用的定位算法为融合定位算法，基于边缘计算思想对多次定位结果进行迭代，有效提高定位准确性。
本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，所述计算机指令运行时执行上述任一项所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种终端，包括存储器和处理器，所述存储器上储存有能够在所述处理器上运行的计算机指令，所述处理器运行所述计算机指令时执行上述任一项所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位方法的步骤。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，包括多个工人定位设备节点和云服务器；所述多个工人定位设备节点按照区域划分为多个分簇，每个分簇中具有对应的块头节点，所述块头节点通过蓝牙模块分别与其他分簇的块头节点和对应分簇内的工人定位设备节点耦接，并采用WIFI模块所述云服务器耦接；
所述块头节点，适于按照预设的周期采用预设的融合定位算法计算得到对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据；基于计算得到的对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据生成对应的区块并通过内置的蓝牙模块发送至其他块头节点进行认证；
其他块头节点，适于通过蓝牙模块接收所述块头节点发送的所述区块，对所述块头节点发送的所述区块进行认证，并向所述块头节点发送对应的认证信息；
所述块头节点，还适于通过蓝牙模块接收所述其他块头节点发送的认证信息，并在确定其他块头节点对所述区块认证成功时，将所述区块存储在区块链上；
所述块头节点与所述其他块头节点，还适于分别尝试采用内置的WIFI模块与预设的云服务器进行连接；
与所述云服务器连接成功的块头节点，适于采用内置的WIFI模块将所述区块发送至预设的云服务器上；
所述云服务器，适于采用内置的WIFI模块接收所述区块并采用所述区块上的定位数据对对应分簇内的工人定位设备节点的定位数据进行更新。
2.根据权利要求1所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，所述块头节点，适于通过WIFI模块从所述云服务器处获取可被所述云服务器连接的三个工人定位设备节点的定位数据；通过蓝牙模块分别从所述三个工人定位设备节点处获取待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的距离；基于所述三个工人定位设备节点的定位数据与待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的距离，计算得到待求工人定位设备节点的定位数据；基于计算得到的定位数据，对所述待求工人定位设备节点的定位矩阵进行更新；基于更新后的所述待求工人定位设备节点的定位矩阵，计算得到所述待求工人定位设备节点的最终定位数据。
3.根据权利要求2所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，当所述区块为第n个区块且n小于预设的次数阈值时，所述更新后的所述待求工人定位设备节点的定位矩阵为：其中，表示第i个区块中的待求工人定位设备节点的定位数据，i＝1,2,3......n。
4.根据权利要求3所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，当所述区块为第n个区块n大于或等于预设的次数阈值时，所述待求工人定位设备节点的定位矩阵为：其中，k表示所述次数阈值。
5.根据权利要求4所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，所述块头节点采用如下的公式计算得到所述待求工人定位设备节点的最终定位数据：
其中，(x4,y4)表示第n个区块中的所述待求工人定位设备节点的最终定位数据。
6.根据权利要求2-5任一项所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，所述三个工人定位设备节点的定位数据为所述云服务器通过WIFI模块分别从所述三个工人定位设备节点处获取。
7.根据权利要求6所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，所述块头节点，适于通过所述待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的蓝牙信号的强度，确定待求工人定位设备节点与所述三个工人定位设备节点之间的距离。
8.根据权利要求7所述的基于区块链和边缘计算的隧道定位系统，其特征在于，所述蓝牙信号的覆盖区域为以该蓝牙信号所在的三个工人定位设备节点的位置为圆心的圆形区域。
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