CN111225000A - 基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统 - Google Patents

基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，包括数据采集器、密钥管理器、数据储存器和区块链数据记录节点；所述数据储存器与所述数据采集器通信连接，所述区块链数据记录节点与所述数据储存器通信连接。本发明采用联盟链的方式建立区块链数据系统，相对于传统的集中式存储方式，提供了去中心化的解决方案，使得桥梁健康监测数据包不容易被篡改，同时点对点的数据传输模式使得各节点之间能够实现桥梁健康监测数据的共享。

Description

基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统
技术领域
本发明涉及桥梁健康监测领域，具体涉及基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统。
背景技术
改革开放以来，我国交通基础设施建设突飞猛进，取得了举世瞩目的成绩，目前建成的公路、城市、铁路桥梁超过百万座；伴随着桥梁数目的急剧增多以及桥梁服役时间的不断增长，桥梁在使用过程中结构部分会产生劣化和损伤，导致桥梁结构性能已经达不到设计要求；如果不对桥梁严加管控与维护会造成严重的生命与财产损失及恶劣的社会影响；但是采用人力维护的成本过于昂贵，现在往往采用桥梁健康监测系统来对结构长期、连续、定期或实时的监测，并通过对监测信息的收集和分析处理，对结构的安全性进行评估以及对结构运营中出现的故障进行预警和报警。
国内一些长大桥梁已经成为地方的交通枢纽，桥梁结构性能与安全性亟需得到充分的保证；现采用桥梁健康监测系统进行长大桥梁的运维工作；桥梁健康系统通过对桥梁结构状态的监控与评估为大桥在特殊气候、交通条件下桥梁运营异常时发出预警信号，但是在现有桥梁监测系统中，采集数据存储系统采用的是集中存储方式，而这种集中存储方式容易被攻破，只需要攻破中心数据库，就能篡改桥梁监测数据包；另外现在健康监测数据传输大多采用无线网络，网络自身存在安全的漏洞以及用户在使用设备时安全意识较低，使得黑客可轻易通过恶意软件攻击健康监测系统；种种危险的情况下，如何增强桥梁健康监测系统的安全性成为亟需解决的问题。
发明内容
发明目的：为克服现有桥梁健康监测系统存在的上述安全问题，本发明提供基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，通过数据采集器对桥梁结构各性能参数进行实时监测，通过采用区块链技术进行对数据进行加密，从而保证了链间信息传递、存储的安全性。
技术方案：
基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，包括数据采集器、密钥管理器、数据储存器和区块链数据记录节点；所述数据储存器与所述数据采集器通信连接，所述区块链数据记录节点与所述数据储存器通信连接；
所述数据采集器布置在桥梁结构上，包括传感模块及定位模块，所述传感模块采集桥梁结构的响应信号并将其发送至所述数据储存器，所述定位模块定位该数据采集器的地理位置信息并将其发送至所述数据储存器；
所述密钥管理器生成一对公钥和私钥，同时将公钥向所述区块链数据记录节点进行广播，将私钥发送至所述数据储存器；
所述数据储存器包括存储模块、加密模块及传输模块，所述存储模块接收所述数据采集器中所述传感模块采集的桥梁结构的响应信号及所述定位模块的地理位置信息，进行打包生成桥梁监测数据包并存储；所述加密模块通过所述数据储存器相应的私钥对所述存储模块存储的桥梁监测数据包进行加密，同时对加密后的桥梁监测数据包进行哈希运算生成哈希值，在对所得哈希值采用ECDSA算法加密生成数字签名；所述传输模块将加密后的桥梁监测数据包和数字签名打包传输至所述区块链数据记录节点；
所述区块链数据记录节点采用联盟链方式建链，接收所述数据储存器的所述传输模块传输的加密后的桥梁监测数据包和数字签名进行解密操作，按照共识机制进行数据交换。
所述区块链数据记录节点采用SHA-256函数对数据储存器发送的加密后的桥梁监测数据包进行哈希计算，生成第一摘要；然后釆用其接收到的公钥对数据储存器发送的数字签名进行解密，得到第二摘要；比对两次摘要是否相同，如果相同则验证通过，可以得到桥梁健康监测数据明文，并将所述桥梁监测数据包添加到在新区块的区块体中；如果不同则无法获取加密之前的桥梁监测数据包，从而保护数据安全。
所述区块链数据记录节点中的区块体容量限值为32MB；当当前区块体容量到达限值时，该区块采用SHA-256函数对其所包含的桥梁监测数据信息进行哈希计算，生成新区块的哈希值；所述区块链数据记录节点将新区块的哈希值存储到新区块的区块头中，采用共识机制，在所述区块链网络上广播共识请求；若所述共识请求通过，节点通过获取该区块入链时的unix时间戳进行信息同步，将时间戳添加到所述新区块的区块头中，将所述新区块发布到所述区块链网络上。
所述数据采集器中的所述定位模块采用北斗或GPS导航定位器，利用北斗导航系统定位相应数据采集器的地理位置。
所述数据采集器中的传感模块包括用于检测桥梁主梁加速度的加速度传感器、用于检测桥梁支座位移的位移传感器、用于检测桥梁结构各部位的温湿度传感器以及用于检测桥梁主梁应变的应变传感器。
所述数据储存器还包括解密模块，所述解密模块利用私钥对区块链记录节点发送至数据储存器的数据进行解密，得到解密后的桥梁监测数据包。
通过存储在所述数据储存器中的桥梁监测数据包与所述区块链数据记录节点中的桥梁监测数据包进行比对，校验存储在所述数据储存器中的桥梁监测数据包是否被篡改。
所述数据储存器与所述数据采集器采用zigbee传输协议通信连接。
所述密钥管理器采用ECC非对称算法生成唯一的公钥和私钥。
有益效果：本发明采用联盟链的方式建立区块链数据系统，相对于传统的集中式存储方式，提供了去中心化的解决方案，使得桥梁健康监测数据包不容易被篡改，同时点对点的数据传输模式使得各节点之间能够实现桥梁健康监测数据的共享。
附图说明
图1为本发明在一种实施方式下的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
图1为本发明在一种实施方式下的结构示意图。如图1所示，本发明基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统包括数据采集器、数据存储器和区块链数据记录节点。
数据采集器布置在桥梁结构上，包括定位模块、传感模块及通信模块；所述定位模块采用北斗导航定位器，利用北斗导航系统定位该数据采集器的地理位置；所述传感模块包括用于检测桥梁主梁加速度的加速度传感器、用于检测桥梁支座位移的位移传感器、用于检测桥梁结构各部位的温湿度传感器以及用于检测桥梁主梁应变的应变传感器；所述通信模块用于将电信号通过无线网络传输至数据存储器进行储存。数据采集器通过传感模块采集桥梁结构的相应信号，用于采集并转换传感器信号，并将桥梁结构的响应信号与地理坐标信息转换成电信号，通过无线网络传输给数据储存器。在本发明中，无线网络采用zigbee传输协议。
数据储存器与所述数据采集器通信连接，包括存储模块、加密模块、解密模块及传输模块，存储模块接收多个数据采集器传输而来的各自地理坐标信号以及包含不同监测参数的电信号，并将这些数据一同打包生成桥梁监测数据包并存储；加密模块先利用私钥对桥梁监测数据包明文进行加密，对加密后的数据包进行哈希运算生成哈希值，再对所得哈希值采用ECDSA算法加密生成数字签名；传输模块与区块链数据记录节点通信连接，并将加密后的桥梁监测数据包和数字签名打包传输给区块链数据记录节点。在本发明中，解密模块利用私钥对区块链记录节点发送至数据储存器的数据进行解密，得到解密后的桥梁监测数据包，解密后的桥梁监测数据包存储至数据储存器中作为备份用，另外，可以通过数据储存器中的桥梁监测数据包与区块链数据记录节点中的桥梁监测数据包进行比对，用于校验存储至数据储存器中的桥梁监测数据包是否被篡改。
区块链数据记录节点采用联盟链方式建链，对接收和发送的数据分别执行解密和加密操作，按照共识机制进行数据交换；联盟链仅限于联盟成员拥有对区块链的读写权限，整个区块链网络由联盟成员共同维护，由于参与节点相对于公有链比较少，所以它具有更好的效率，每秒能处理更多的交易数量，适用于对实时性要求比较高的健康监测领域。在本发明中，所述区块链数据记录节点采用PBFT拜占庭共识算法建立安全共识机制。
此外，本发明还包括密钥管理器，密钥管理器是用于生成一对公钥和私钥，这里需要说明，密钥管理器是采用ECC非对称算法生成唯一公钥和私钥；同时将公钥向所述区块链数据记录节点进行广播，将私钥发送至数据储存器，数据储存器通过其私钥对桥梁监测数据包进行加密。
在本发明中，区块链数据记录节点采用SHA-256函数对数据储存器发送的加密后的桥梁监测数据包进行哈希计算，生成第一摘要；然后釆用其接收到的公钥对数据储存器发送的数字签名进行解密，得到第二摘要，比对两次摘要是否相同；如果相同则验证通过，可以得到桥梁健康监测数据明文，并将所述桥梁监测数据包添加到在新区块的区块体中，如果不同则无法获取加密之前的桥梁监测数据包，从而保护数据安全。
当所述区块体不断被不同的桥梁监测数据包所填充，它的容量会不断地增加到达限值32MB时，该区块会采用SHA-256函数对所述区块体所包含的桥梁监测数据信息进行哈希计算，生成所述新区块的哈希值，所述区块链数据记录节点将所述区块的哈希值存储到所述新区块的区块头中，采用共识机制，在所述区块链网络上广播共识请求；若所述共识请求通过，节点通过获取该区块入链时的unix时间戳进行信息同步，将时间戳添加到所述新区块的区块头中，将所述新区块发布到所述区块链网络上。
本发明采用基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统包括密钥管理器、数据采集器、数据存储器和区块链数据记录节点，采用联盟链的方式建立区块链数据系统，相对于传统的集中式存储方式，提供了去中心化的解决方案，使得桥梁健康监测数据包不容易被篡改，同时点对点的数据传输模式使得各节点之间能够实现桥梁健康监测数据的共享。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换(如数量、形状、位置等)，这些等同变换均属于本发明的保护。

Claims (9)

1.基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：包括数据采集器、密钥管理器、数据储存器和区块链数据记录节点；所述数据储存器与所述数据采集器通信连接，所述区块链数据记录节点与所述数据储存器通信连接；
所述数据采集器布置在桥梁结构上，包括传感模块及定位模块，所述传感模块采集桥梁结构的响应信号并将其发送至所述数据储存器，所述定位模块定位该数据采集器的地理位置信息并将其发送至所述数据储存器；
所述密钥管理器生成一对公钥和私钥，同时将公钥向所述区块链数据记录节点进行广播，将私钥发送至所述数据储存器；
所述数据储存器包括存储模块、加密模块及传输模块，所述存储模块接收所述数据采集器中所述传感模块采集的桥梁结构的响应信号及所述定位模块的地理位置信息，进行打包生成桥梁监测数据包并存储；所述加密模块通过所述数据储存器相应的私钥对所述存储模块存储的桥梁监测数据包进行加密，同时对加密后的桥梁监测数据包进行哈希运算生成哈希值，在对所得哈希值采用ECDSA算法加密生成数字签名；所述传输模块将加密后的桥梁监测数据包和数字签名打包传输至所述区块链数据记录节点；
所述区块链数据记录节点采用联盟链方式建链，接收所述数据储存器的所述传输模块传输的加密后的桥梁监测数据包和数字签名进行解密操作，按照共识机制进行数据交换。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：所述区块链数据记录节点采用SHA-256函数对数据储存器发送的加密后的桥梁监测数据包进行哈希计算，生成第一摘要；然后釆用其接收到的公钥对数据储存器发送的数字签名进行解密，得到第二摘要；比对两次摘要是否相同，如果相同则验证通过，可以得到桥梁健康监测数据明文，并将所述桥梁监测数据包添加到在新区块的区块体中；如果不同则无法获取加密之前的桥梁监测数据包，从而保护数据安全。
3.根据权利要求2所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：所述区块链数据记录节点中的区块体容量限值为32MB；当当前区块体容量到达限值时，该区块采用SHA-256函数对其所包含的桥梁监测数据信息进行哈希计算，生成新区块的哈希值；所述区块链数据记录节点将新区块的哈希值存储到新区块的区块头中，采用共识机制，在所述区块链网络上广播共识请求；若所述共识请求通过，节点通过获取该区块入链时的unix时间戳进行信息同步，将时间戳添加到所述新区块的区块头中，将所述新区块发布到所述区块链网络上。
4.根据权利要求1所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：所述数据采集器中的所述定位模块采用北斗或GPS导航定位器，利用北斗导航系统定位相应数据采集器的地理位置。
5.根据权利要求1所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：所述数据采集器中的传感模块包括用于检测桥梁主梁加速度的加速度传感器、用于检测桥梁支座位移的位移传感器、用于检测桥梁结构各部位的温湿度传感器以及用于检测桥梁主梁应变的应变传感器。
6.根据权利要求1所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：所述数据储存器还包括解密模块，所述解密模块利用私钥对区块链记录节点发送至数据储存器的数据进行解密，得到解密后的桥梁监测数据包。
7.根据权利要求6所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：通过存储在所述数据储存器中的桥梁监测数据包与所述区块链数据记录节点中的桥梁监测数据包进行比对，校验存储在所述数据储存器中的桥梁监测数据包是否被篡改。
8.根据权利要求1所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：所述数据储存器与所述数据采集器采用zigbee传输协议通信连接。
9.根据权利要求1所述的基于区块链技术的桥梁结构健康监测系统，其特征在于：所述密钥管理器采用ECC非对称算法生成唯一的公钥和私钥。
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