CN111125468A - 基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统和方法，系统包括数据采集模块，数据暂存与传输模块，数据分析模块和智能监测模块；数据采集模块包括设置在建筑结构物上的传感器和数字摄像头，传感器和数字摄像头用于采集原始数据；数据暂存与传输模块包括本地网关，本地网关分别与数据采集模块和数据分析模块无线连接；数据分析模块包括区块链网络系统和部署在区块链网络系统中的健康监测智能合约。本发明使各个参与方之间的信息准确、高效、共享，从数据管理和运用的角度看，有助于提升整个系统的运行效率。有效避免了在服务器故障或者网络故障的情况下，结构健康监测系统瘫痪。
Description
技术领域
本发明涉及土木工程结构健康监测的技术领域，更具体地，涉及基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统和方法。
背景技术
工程结构自建成后,随着服役时间的增长,不断受环境侵蚀和各种荷载以及自然灾害等的作用,若没有适当的维护,将使土木工程基础设施的状态逐渐趋于劣化而变得不可靠。土木工程结构的结构健康监测是指利用现场的无损传感技术，通过包括结构响应在内的结构系统特性分析，达到检测结构损伤或退化的目的。
然而，目前的监测系统都是基于集中式架构开发的，容易遇到数据安全风险和网络瓶颈问题。现代健康监测项目往往需要诸如监测组、维护组、管理层、客户组等多方参与合作，导致现有的健康监测方法信息共享效率低下，多方合作效率低下，进而导致整个监测项目效率较低。并且，传统结构健康监测均采用了中心化服务器的方案，无论是云计算或是物联网，一旦出现服务器故障或者网络故障，可能造成无法挽回的严重后果。
因此，现有技术中亟需一种在建筑物结构健康监测中可以有效解决现有方法中存在的数据不安全、网络瓶颈、决策效率低等问题的技术方案。
发明内容
针对上述现有技术的不足，本发明提供了能够实现数据安全、信息透明、高效共享以及基于智能合约自主决策的基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统和方法。
为实现上述目的，本发明通过下述技术方案予以实现：
基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统，由系统本体构成，所述系统本体包括：数据采集模块，数据暂存与传输模块，数据分析模块和智能监测模块；
所述数据采集模块包括设置在建筑结构物上的传感器和数字摄像头，所述传感器和所述数字摄像头用于采集原始数据；
所述数据暂存与传输模块包括本地网关，所述本地网关分别与所述数据采集模块和所述数据分析模块无线连接；
所述数据分析模块包括区块链网络系统和部署在所述区块链网络系统中的健康监测智能合约，所述区块链网络系统由多个彼此互相连接的节点组成；
所述智能监测模块包括与所述数据分析模块无线连接的监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端，所述监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端分别用于供监测人员、维护人员、管理人员和客户实时查看数据和预警信息；
所述本地网关用于接收并存储所述数据采集模块采集的原始数据，并将所述原始数据传输至所述区块链网络系统中。
所述传感器包括位移传感器、加速度传感器、风速风向传感器、应力应变传感器和温度传感器。
所述节点为计算机，所述健康监测智能合约为用于实现健康监测功能的算法和程序。
所述区块链网络系统包括边缘节点和核心节点，所述边缘节点和所述核心节点都存储了所述区块链网络系统中的全部数据，并封装了封装了PoA共识机制和健康监测智能合约；所述边缘节点与所述管理层客户端和所述客户组客户端无线连接，用于监测权限验证，实时查看结构物健康状况；所述核心节点与所述监测组客户端和所述维护组客户端无线连接，用于监测权限验证，实时查看结构物健康状况，调用损伤识别合约，以及打包、验证、广播新区块。
本发明还提供了另一种如下的技术方案：
基于区块链技术及智能合约的结构健康监测方法，包括以下步骤：
(一)通过数据采集模块采集建筑物结构的实时数据，并上传至本地网关；
(二)本地网关对采集的数据进行暂存和预处理；
(三)将数据分析模块中的节点分组，分为边缘节点和核心节点，搭建区块链网络系统，部署健康监测智能合约；
(四)将数据上传至区块链网络系统，自动触发区块链网络系统中安装的健康监测智能合约，对数据进行处理、分析、生成预警信息；
(五)监测人员、维护人员、管理人员和客户分别通过监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端，登入区块链网络系统中，实时查看建筑物结构的损伤老化情况，并做出响应。
所述数据采集模块包括设置在建筑结构物上的传感器和数字摄像头。
所述节点为计算机，所述健康监测智能合约为用于实现健康监测功能的算法和程序。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1)区块链技术本身具有的去中心化数据存储、多方共识机制、不可篡改、可溯源性和分布式账本等特性，能在较大程度上解决数据安全问题和参与方互相不信任问题，将从本地网关提取的经过预处理的数据直接上链，利用区块链的不可篡改特性，有效的减少人为数据操作错误或篡改，能让结构健康监测的各参与方共同维护数据的有效性，充分保证数据的安全可靠。同时，区块链上的数据具有去中心化或弱中心化的特点，各参与方均可以在授权范围内对数据和信息进行操作或者查看，从而打破信息孤岛，使得监测人员、维护人员、管理人员和客户等各个参与方之间的信息准确、高效、共享，从数据管理和运用的角度看，有助于提升整个系统的运行效率。
2)区块链网络的算力为所有节点算力之和，无论是部分节点提升计算机配置，或是直接增加节点的数量，都可以显著提高整个网络的算力。同时，由于区块链是建立在点对点传输网络上的，因此部分节点出现故障，并不会导致整个网络上的数据丢失或者系统瘫痪。与传统结构健康监测的中心化服务器的方式相比，区块链技术充分解决了目前结构健康监测领域存在的网络瓶颈和数据安全问题，有效避免了在服务器故障或者网络故障的情况下，结构健康监测系统瘫痪。
3)结合部署在区块链网络上的智能合约，可以实现对结构健康状况的实时自主决策，无需人为操作，即可实现对整个结构的不间断监控。通过预先定义好的触发条件，授权节点可以自动调用事先编写好的智能合约，对上链数据进行分析计算，得出结构的健康状况并且反馈至监测中心，任何警告信息均不会被遗漏。同时由于部署在区块链网络上的智能合约无法随意更改，所以无需担心出现恶意虚假预警信息的情况。
附图说明
图1是本发明基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统流程图。
图2是区块链网络系统的架构图。
图3是PoA共识算法流程图。
具体实施方式
如图1-2所示的基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统，包括：数据采集模块，数据暂存与传输模块，数据分析模块和智能监测模块，
数据采集模块包括设置在建筑结构物上的传感器和数字摄像头，传感器和数字摄像头用于采集原始数据。在本实施例中，在桥梁主跨跨中、1/4跨处、支座处、桥塔顶部布置位移传感器、加速度传感器、风速风向传感器、应力应变传感器和温度传感器，采集相应部位的位移、加速度、风速、风向、应力、应变和温度等数据，通过无线传感技术传输至本地网关，对数据进行暂存及预处理。预处理是将原始数据进行一些降噪(去除干扰)工作，因为在实际监测过程中，可能存在环境噪音的影响，或者一些由于电压不稳定或传感器调试等原因产生的过大或过小的，甚至相差很多数量级的数据，预处理就是剔除这些无效数据。预处理可以通过现有软件和降噪算法处理，从而将原始数据处理成有效的可以用来分析建筑结构损伤情况的数据，如应力、变形、挠度等。
数据暂存与传输模块包括本地网关，本地网关分别与数据采集模块和数据分析模块无线连接。本地网关用于接收并存储数据采集模块采集的原始数据，并将原始数据传输至区块链网络系统中。
狭义上理解，区块链技术是一种按照时间顺序将数据区块连接起来组合成特定数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享账本。广义上理解，区块链技术是利用加密链式区块结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用智能合约来编程和操作数据的一种全新去中心化基础架构与分布式计算范式。
数据分析模块包括区块链网络系统和部署在区块链网络系统中的健康监测智能合约，区块链网络系统由多个彼此互相连接的节点组成。每个节点都是一台计算机，健康监测智能合约为用于实现健康监测功能的算法和程序。区块链网络系统包括边缘节点和核心节点，边缘节点和核心节点都存储了区块链网络系统中的全部数据，并封装了PoA共识机制和健康监测智能合约；边缘节点与管理层客户端和客户组客户端无线连接，用于监测权限验证，实时查看结构物健康状况；核心节点与监测组客户端和维护组客户端无线连接，用于监测权限验证，实时查看结构物健康状况，调用损伤识别合约，以及打包、验证、广播新区块。
如图3所示，PoA(Proof of Authority，权威证明机制)共识机制，是区块链网络中节点之间用来达成共识的一种算法。区块链网络中有许多节点，每个都具备打包新区块的权利。因为打包区块的节点可以修改数据或信息使得系统中出现一些恶意信息，从而实现攻击系统，谋取自身利益等，所以具体由哪个节点来负责打包网络中的下一个区块，需要一定的规则来决定，这样其他节点才会信任新区块是没有问题的。PoA共识算法流程是，由预先设定好的授权节点轮换负责产生区块(Block)，并且可以由已授权的节点投票决定新的节点加入或者提出恶意节点。在这种机制下，可以大幅度降低交易成本与出块速度，从而大大提高整个区块链网络的交易处理速度，达到实际应用所需要的吞吐量。
智能合约就是各个算法、程序，用来实现健康监测的一些功能，如对监测权限进行验证，对数据进行分析，生成预警信息等。首先基于计算机语言编写，调试，完成后，对代码进行编译，将编译完的代码输入客户端控制台命令窗口中，点击运行后，生成区块链网络中一个虚拟的账户，该账户中存储了智能合约的代码。每一个合约都有自己专属的一个虚拟账户，这样该智能合约就被永久部署在了区块链网络系统之中。区块链网络系统中的每一台计算机相当于区块链网络系统中的一个节点，监测者可以通过自己的计算机，登入客户端，启动节点加入区块链网络中，通过储存这个合约的虚拟账户地址信息调用该合约，实现合约中功能。部署健康监测智能合约即将各个用于验证监测权限、分析数据进行分析及生成预警信息等的算法和程序安装在各个节点上，与各个节点共同构成数据分析模块。
智能监测模块包括与数据分析模块无线连接的监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端，监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端分别用于供监测人员、维护人员、管理人员和客户实时查看数据和预警信息。
通过上述监测系统，基于区块链技术及智能合约的结构健康监测方法，包括以下步骤：
(一)通过数字摄像头和各个传感器采集相应部位的位移、加速度、风速、风向、应力、应变和温度等数据，并上传至本地网关。
(二)本地网关对采集的数据进行暂存和预处理，用MATLAB软件采用小波包变换算法去除测量数据中明显错误的坏值。
(三)将数据分析模块中的节点分组，分为边缘节点和核心节点，搭建区块链网络系统。在本实施例中，数据采用Merkle树结构形式存储，在各个节点中安装Go-Ethereum客户端以启用私有区块链网络；采用Solidity高级语言编写智能合约，调试完成后，对代码进行编译，将编译完的代码输入Go-Ethereum客户端控制台命令窗口中，点击Enter，部署智能合约，这将在区块链网络中生成一个虚拟账户，虚拟账户中存储了智能合约的代码，通过虚拟账户地址即可调用智能合约，每一个合约都有自己专属的一个虚拟账户，智能合约通过虚拟账户永久存储在区块链网络系统之中；启动节点，通过IP信息添加网络中的其他节点，完成区块链网络系统搭建。
(四)本地网关将数据上传至区块链网络系统，自动触发区块链网络系统中安装的健康监测智能合约，即各个节点上的算法和程序自动运行，对数据进行处理、分析，生成预警信息。在本实施例中，通过Oracle第三方数据库管理系统，将存储在本地网关中的数据上传到区块链网络中。
(五)监测人员、维护人员、管理人员和客户分别登入监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端，在区块链网络系统中调用已经部署好的健康监测智能合约，实时查看建筑物结构的损伤老化情况，并做出响应。
本发明将区块链与结构健康监测相结合，利用其分布式、数据不可篡改、可运行智能合约等特性，可以有效解决现有方法中存在的数据不安全、网络瓶颈、决策效率低等问题。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但本发明并不局限于上述的具体实施方式，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统，由系统本体构成，其特征是，所述系统本体包括：数据采集模块，数据暂存与传输模块，数据分析模块和智能监测模块，
所述数据采集模块包括设置在建筑结构物上的传感器和数字摄像头，所述传感器和所述数字摄像头用于采集原始数据；
所述数据暂存与传输模块包括本地网关，所述本地网关分别与所述数据采集模块和所述数据分析模块无线连接；
所述数据分析模块包括区块链网络系统和部署在所述区块链网络系统中的健康监测智能合约，所述区块链网络系统由多个彼此互相连接的节点组成；
所述智能监测模块包括与所述数据分析模块无线连接的监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端，所述监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端分别用于供监测人员、维护人员、管理人员和客户实时查看数据和预警信息；
所述本地网关用于接收并存储所述数据采集模块采集的原始数据，并将所述原始数据传输至所述区块链网络系统中。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统，其特征是，所述传感器包括位移传感器、加速度传感器、风速风向传感器、应力应变传感器和温度传感器。
3.根据权利要求1所述的基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统，其特征是，所述节点为计算机，所述健康监测智能合约为用于实现健康监测功能的算法和程序。
4.根据权利要求1所述的基于区块链技术及智能合约的结构健康监测系统，其特征是，所述区块链网络系统包括边缘节点和核心节点，所述边缘节点和所述核心节点都存储了所述区块链网络系统中的全部数据，并封装了封装了PoA共识机制和健康监测智能合约；所述边缘节点与所述管理层客户端和所述客户组客户端无线连接，用于监测权限验证，实时查看结构物健康状况；所述核心节点与所述监测组客户端和所述维护组客户端无线连接，用于监测权限验证，实时查看结构物健康状况，调用损伤识别合约，以及打包、验证、广播新区块。
5.基于区块链技术及智能合约的结构健康监测方法，其特征是，包括以下步骤：
(一)通过数据采集模块采集建筑物结构的实时数据，并上传至本地网关；
(二)本地网关对采集的数据进行暂存和预处理；
(三)将数据分析模块中的节点分组，分为边缘节点和核心节点，搭建区块链网络系统，部署健康监测智能合约；
(四)将数据上传至区块链网络系统，自动触发区块链网络系统中安装的健康监测智能合约，对数据进行处理、分析、生成预警信息；
(五)监测人员、维护人员、管理人员和客户分别通过监测组客户端、维护组客户端、管理层客户端和客户组客户端，登入区块链网络系统中，实时查看建筑物结构的损伤老化情况，并做出响应。
6.根据权利要求5所述的基于区块链技术及智能合约的结构健康监测方法，其特征是，所述数据采集模块包括设置在建筑结构物上的传感器和数字摄像头。
7.根据权利要求5所述的基于区块链技术及智能合约的结构健康监测方法，其特征是，所述节点为计算机，所述健康监测智能合约为用于实现健康监测功能的算法和程序。
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