CN111459998A - 一种基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统 - Google Patents

一种基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，根据旋转设备的运营模式搭建区块链框架,区块为一个应用场景下的分布式云平台集群；所述分布式云平台集群包括多个采用有向无环图分布式连接的云平台节点，所述云平台节点包括采集通讯模块、个性化云平台和客户端口。以区块链技术创建的分布式云平台集群，旋转设备将以同样的方式连接指定的云平台节点，信息在各云平台节点之间可靠传递共享，同时避免外侵和模仿等威胁。随着每个合法云平台都在区块链上注册(连接)，网络将可扩展以支持数十亿台旋转设备无需更改系统框架。即便单个云平台出问题，不影响全局。增加云服务器的数量，把应用场景、角色细分，使个性化云平台成为可能。

Description

一种基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统
技术领域
本发明属于设备监管技术领域，具体涉及一种基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统。
背景技术
随着现代科学技术的发展，消费者信息化在互联网这个平台已经做到极致。各种应用云平台在为消费者提供服务的同时获取消费者信息，通过信息为消费者提供更个性化的服务。因为智能手机，消费者的所有相关信息，包括操作行为，朋友圈，兴趣爱好，地点，时间等等打包上传到云端。应用云平台通过获取的信息可以对消费者进行分析，提供更加贴切的个性化服务，或者说“智能化”服务。工业物联网可以将旋转设备，比如电机驱动系统，设备制造厂商，设备服务提供商，设备终端用户通过物联网传感器和互联网连接。数据上传到云服务器，储存在云数据库。因此而产生的数据量以及风险管控将成指数性增长。一方面增加了个性化服务的困难，一方面提高了运行成本，降低了数据检索、分析、处理效率。到目前为止，绝大多数工业物联网还是采用中心集群云服务。因此需要一种更好方法可持续的扩展采集设备(数量的增加)，同时有效处理海量的数据，并从海量的数据中找到最有价值的数据。
发明内容
本发明针对上述缺陷，采用物联网区块链技术，用旋转设备挂靠指定云平台，建立分布式云平台之间的数据共享，权限关系，专家系统的个性化来实现设备、设备厂商、服务商以及终端客户的绑定连接。降低运维成本，提高系统效率、透明度和可信度(可靠性)。充分发挥数据的共享多功能性。具体如下：
一种基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，根据旋转设备的运营模式搭建区块链框架，区块为一个应用场景下的分布式云平台集群；
所述分布式云平台集群包括多个采用有向无环图分布式连接的云平台节点，所述云平台节点包括采集通讯模块、个性化云平台和客户端口；所述采集通讯模块包括采集传感器、数据处理模块和通讯模块；所述个性化云平台包括接收模块、云服务器、云数据库、和数据端口；所述云服务器包括机构部门人员管理权限模块、旋转设备管理模块、专家系统、预警监管模块和数据显示模块；所述客户端口通过数据端口接入个性化云平台；所述专家系统为运算规则的集合；
所述采集传感器所采集的信息通过数据处理模块处理成数据再经通讯模块传送至接收模块，所述接收模块接收通讯模块传送的数据；所述云服务器对接收的数据进行分类解析读取；所述专家系统对接收的数据进行匹配运算，其数据符合匹配运算则赋予数据设备UID以及时间标签构成事件；所述云数据库存储接收数据以及事件；所述区块对事件和云数据库统一存储构成独立的事件库和数据库；所述数据库仅在单一区块内共享，所述事件库通过接口“H”和其他区块共享，组成新的区块链事件库；
所述客户端口根据应用场景以及权限通过数据端口查询数据库或事件库。
作为上述技术方案的进一步改进：
所述专家系统根据不同的设备类型和应用场景设置不同的运算规则。
所述专家系统的输入参数包括采集传感器所采集的数据，旋转设备的型号、额定参数及安装设置的数据输入，实际工况的操作行为输入。
所述数据处理模块将采集传感器所采集的信息进行编码并编入所采集设备的UID。
所述采集传感器包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、振动传感器、声音传感器、润滑油/脂含金属粉质量高光谱传感器。
所述分布式云平台集群中每一个云平台节点的等级权重，一方面通过权限和专家系统的分布决定，另一方面因发生事件的频率次数而加权。
本发明的有益效果为：
1、物联网区块链技术(Internet of Things tAngle-IOTA)通过搭建有向无环图(Directed Acyclic Graph-DAG)分布式云平台，和旋转设备(电机驱动系统)根据应用场景绑定(tAngle)云平台(Node)，结合专家系统(Smart Contract)在指定云平台所赋予的功能和权限分析处理旋转设备运行数据，当满足规则形成事件，即实现了旋转设备在物联网区块链中的“交易”(Transaction)。旋转设备运行数据上传随着时间积累将是海量。本发明针对设备运行所产生的事件，而事件是由于设备在运转过程采集数据出现异常(变化)，经专家系统运算后结合时间、设备UID、以及设备实际结果构成，因此事件具有重要的分析价值。较比海量的运行数据，事件量是非常小的，因此，本发明基于事件为基础，实现向个性化平台以及设备提供智能化的服务。分布式云平台集群，增加了云服务器的数量，却减少了云数据库的体量。增加云服务器的数量，把应用场景、角色细分，使个性化云平台成为可能。减少云数据库的体量，大幅度降低因数据引发停机风险、高成本运维、低效率检索。
2、将所采集到的电压、电流、温度、振动、声音和光谱模拟信号格式转换成数字信号，再将数字信号传输至通讯模块，通讯模块将数字信号传输至个性化云平台。相比未经处理的数据传输，处理后的数据传输速度快50倍，对于大批量数据传输和接收，经编码处理后对硬件要求大大降低。
3、物联网设备通过网络上传数据到云服务器，处理后存入云数据库，终端用户通过权限获取数据分析、处理、应用。云服务器可通过大规模云计算机对云数据库中数据进行综合处理、分析、建模、结合行业专家系统搭建解决方案。增加了云服务器的数量，却减少了云数据库的体量。在匹配到相关异常数据时，能快速的分析出原因。
4、本发明的数据来源有3种，1)通过采集传感器实时数据的采集、积累(构成大数据)；2)具体应用场景的统计数据(静态数据)来源于初始化的设置、相关设备额定参数的输入(比如规格名牌)；3)依靠相关行业人员的经验和系统知识进行权重或经授权的输入值进行调整，以更加匹配旋转设备在不同应用场景的实际情况，优化的过程与实际场景的人为操作紧密相关。而系统运行时的人为介入(操作)往往根据操作规程，经验，实际情况，而人为介入所产生的数据对数据处理建模，计算至关重要，可以作为参考值，也使得本发明更符合实际的应用。
5、本发明工业物联网的终端客户或应用场景像消费者信息化配备“智能手机”，终端用户或应用场景所被监测的旋转设备绑定终端用户的操作行为，行业规范，个性化设置和应用场景的应变信息，使上传信息有助应用云平台提供终端客户个性化服务，满足应用场景的特殊需求。大量减少对数学模型、云计算的依赖，合理搭建云平台，达到数据共享，系统智能化效果。
6、以区块链技术创建的分布式云平台集群，旋转设备将以同样的方式连接指定的云平台节点，信息在各云平台节点之间可靠传递共享，同时避免外侵和模仿等威胁。随着每个合法云平台都在区块链上注册(连接)，网络将可扩展以支持数十亿台旋转设备无需更改系统框架。即便单个云平台出问题，不影响全局。
附图说明
图1为本发明有向无环图云平台集群专家系统绑定方法结构示意图；
图2为本发明有向无环图云平台集群旋转设备绑定方法结构示意图；
图3为工业物联网中央集群结构示意图；
图4为工业物联网IOTA框架结构示意图；
图5为本发明终端用户或应用场景的个性化云平台结构示意图；
图6为本发明旋转设备的运营模式搭建区块链框架示意图；
图7为本发明区块链框架中区块分布式数据库和事件库示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
如图1-7所示；本实施例的基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，根据旋转设备的运营模式搭建区块链框架，区块为一个应用场景下的分布式云平台集群；区块链技术应用于物联网就是创建分布式的物联网设备网络(tAngle)。从数据结构，数据分布，数据处理分析和存储上打破物联网大数据云平台中心化管控模式，采用非中心，分布式的个性化互动管理模式，实现低成本高效率。
如图1-2所示；分布式云平台集群包括多个采用有向无环图分布式连接的云平台节点，以区块链技术创建的分布式云平台集群，旋转设备将以同样的方式连接指定的云平台节点，信息在各云平台节点之间可靠传递共享，同时避免外侵和模仿等威胁。随着每个合法云平台都在区块链上注册(连接)，网络将可扩展以支持数十亿台旋转设备无需更改系统框架。即便单个云平台出问题，不影响全局。
如图3所示；云平台节点包括采集通讯模块、个性化云平台和客户端口；采集通讯模块包括采集传感器、数据处理模块和通讯模块；个性化云平台包括接收模块、云服务器、云数据库、和数据端口；所述云服务器包括机构部门人员管理权限模块、旋转设备管理模块、专家系统、预警监管模块和数据显示模块；客户端口通过数据端口接入个性化云平台；
专家系统是结合行业经验,设备设计参数，系统运行工况特性搭建的对运算规则的集合，分布式云平台集群采用有向无环图分布方式(DAG)，该方式决定了旋转设备绑定到云平台节点规则、云平台节点之间的关系权限、数据共享、存储和验证。同时也决定了每一个云平台节点在分布式系统中的权重、权限和专家系统的分布。
采集传感器所采集的信息通过数据处理模块处理成数据再经通讯模块传送至接收模块，接收模块接收通讯模块传送的数据；旋转设备向指定云服务器(域名)传输数据。云服务器根据管理权限(应用场景)，对数据解析分类存入云数据库。终端客户根据应用场景以及权限获得数据，集成到解决方案中。每一个采集终端可根据应用场景绑定(tAngle)到指定云平台节点的接收模块。采集传感器包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、振动传感器、声音传感器、光谱传感器(测量润滑油/脂含金属粉质量)。将所采集到的电压、电流、温度、振动、声音和光谱模拟信号格式转换成数字信号，再将数字信号传输至通讯模块，通讯模块将数字信号传输至个性化云平台。个性化云平台将接收的数字信号进行解码，数据解码包括回归曲线拟合、快速傅立叶变换等方法、计算采集数据(电压、电流、温度、振动、声音)的表示格式。将采集数据经中央处理模块编码转化成数字信号传输，减少了传输数据大小，相比未经处理的数据传输，处理后的数据传输速度快50倍，对于大批量数据传输和接收，经编码处理后对硬件要求大大降低。
云服务器对接收的数据进行分类解析读取；云服务器由机构部门人员管理权限、旋转设备管理、专家系统(结合应用逻辑)、预警监管(执行操作)和数据显示等模块组成。云数据库负责数据存储和管理，并提供数据检索接口。
专家系统对接收的数据进行匹配运算，其数据符合匹配运算则赋予数据设备UID以及时间标签构成事件；云数据库存储接收数据以及事件；区块对事件和云数据库统一存储构成独立的事件库和数据库；数据库仅在单一区块内共享，事件库通过接口“H”和其他区块共享，组成新的区块链事件库；
客户端口根据应用场景以及权限通过数据端口查询数据库或事件库。终端用户可通过电脑、智能手机和任何能够上网的设备根据指定链接上网。在给定权限下浏览运行设备的状态，设置解决方案，实时监管。
进一步地；还可以把区块(Block)划分为应用场景，客户群体，有个性化的服务等。
专家系统根据不同的设备类型和应用场景设置不同的运算规则。以旋转设备为例，设备运行状态可通过电压、电流、温度、振动、声频、润滑油/脂质(含金属粉尘量)表现。除润滑油/脂质的变化(通过光谱检测)以小时或天设计采集频率，其他参数都可以以秒或分钟计算表示设备实时运行状况。仅考虑旋转设备的一个特定场景，比如酒店通风供暖风机系统的远程监管，一般500个床位的酒店，要20-40台风机(30KW以上旋转设备，低功率的会更多)，一个二线或三线城市，或者一个品牌(香格里拉)一个连锁酒店很容易上百家。2000-4000台旋转设备以秒或分的频率同时向指定云服务器传输数据，处理，存储。因此，专家系统需要根据不同的应用场景不同的运算参数甚至运算规则。满足不同酒店根据其特殊场景的管理需求，实现对旋转设备个性化服务。
根据应用场景划分区块，根据旋转设备归属制定分布式云平台体系，根据服务建立云平台之间连接关系。即便同一应用场景，根据设备数量，服务类型，区块也可以细分。
专家系统的输入参数包括采集传感器所采集的数据，旋转设备的型号、额定参数及安装设置的数据输入，实际工况的操作行为输入。
如图5所示；数据处理模块将采集传感器所采集的信息进行编码并编入所采集设备的UID。由于采集传感器所采集数据伴随设备运行工况，因此事件中的数据特征更能反应事件对应旋转设备的局部特征(即旋转设备的部件故障)。事件只有在数据异常(变化)时产生，因此，事件量相对于运转数据而言，数量是非常小的，而且事件呈分布式，分布在各个性化云平台中，大幅减少了建立数学模型以及云计算，在实现数据共享的同时，整个系统的智能化效果相当高。例如某一设备出现故障，相应的采集传感器采集数据，云平台集群对该数据进行运算，如果云平台集群具有此数据的事件(运算结果)，则可以直接查询到结果；如果云平台集群中未有相应的事件，则所监测的个性化云平台进行云计算，并将结果与旋转设备的UID、时间属性和异常数据构成事件。
如图3所示；采集传感器包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、振动传感器、声音传感器、润滑油/脂含金属粉质量传感器。专家系统根据不同的设备类型和应用场景设置不同的运算规则。在实际的应用过程中，个性化云平台的数据来源有三个来源：1)通过采集传感器实时数据的采集、积累(构成大数据)；2)具体应用场景的统计数据(静态数据)来源于初始化的设置、相关设备额定参数的输入(比如规格名牌)；3)在专家系统中设置权重参数，依靠相关行业人员的经验和系统知识进行权重或经授权的输入值进行调整，以更加匹配旋转设备在不同应用场景的实际情况，优化的过程与实际场景的人为操作紧密相关。而系统运行时的人为介入(操作)往往根据操作规程，经验，实际情况，而人为介入所产生的数据对数据处理建模，计算至关重要，可以作为参考值，这类数据需要通过实时数据采集、初始化设置之外的第三种方法获得。
如图7所示，分布式云平台集群中每一个云平台节点的等级权重，一方面通过权限和专家系统的分布决定，另一方面因发生事件的频率次数而加权。分布式云平台集群采用有向无环图DAG的图状结构，每一个云平台节点都和相邻云平台节点有连接属性。而这个属性可以通过数据或专家系统建立。属性关系可以理解为等级关系。一个事件的发生，可以在几个关联云平台节点，自然形成权重。比如，一个过负荷运行风机，体现在电流超过额定值。对酒店应用云平台，可能是停机警报，对于运维云平台可能是一个维修预警，因为专家系统是由运维平台为酒店云平台设置。事件发生的频率次数，决定系统装置评价，同样也影响云平台节点之间的权衡。同一事件的多次发生，对于运维云平台会从预警变成报警，有可能接力到厂商云平台产生备件预警。对酒店应用云平台而言事件发生频率加权，会使酒店维保人员对该设备及实际应用场景增加关注。而事件加权功能在区块链的另一个应用是通过相关云平台节点关联性增加数据安全。通过对每一个云平台节点设置不同的权重，即实现整个系统的动态平衡，又能突显系统中运维事件的重点，找到事件发生的共性，方便性和快捷性的找到对不同的应用场景下物理设备较多造成故障原因，具有代表性，对物理设备主动运维、防护集中性解决共性故障因素提出了技术基础。
进一步地；云平台节点可代表指定酒店、酒店运维服务商、设备厂商，旋转设备运维管理商等。设备(风机系统)按照酒店归属和指定云平台绑定(tAngle)，云平台节点之间的数据分布通过权限管理达到共享。专家系统(Smart Contract)根据应用场景绑定旋转设备运维管理商云平台，通过分布式云平台设置规则和权限发布共享。专家系统或规则体系和数据流以及各个云平台节点之间的连接关系(走向)是由专家系统(软件)实现。每一个云平台节点拥有自己的权限管理和终端使用者。根据绑定旋转设备，数据上传。根据授权的专家系统，数据进行梳理、处理、分析、存储。在实际过程中云平台节点还接受授权的人为介入操作行为输入(比如调频变速操作，调整水泵管路阀门等)，作为对数据分析处理的辅助参数。云平台节点可以作为上述的一个酒店，云平台分布集群(DAG)可收集服务类型接近的同类酒店，设备厂商，服务商和旋转设备运维管理云平台。各酒店云平台节点的云数据库，根据权限可和厂商服务商以及旋转设备运维管理云平台在分布式云平台集群共享。
以酒店为应用场景。如图1-2所示，酒店自身是一个个性化云平台(E)，通过连接的传感器将酒店内的风机运行数据实时上传到云平台(E)。酒店的某些风机设备涉及到地区特种协会云平台(C)的监管，酒店上级管理单位(D)数据共享。承担酒店设备维修单位云平台(B)关注酒店风机设备运行状态。负责风机设备运维服务提供商云平台(A)通过设备维修云平台(B)共享酒店风机设备运行数据。风机制造厂商云平台(F)通过风机运行数据实时和终端客户绑定。以酒店应用场景搭建的云平台集群，可根据终端客户(酒店)扩展，也可根据服务项目细分而区块化。风机数据上传至酒店云平台(E)，通过权限和关注的侧重点而分享给云平台(C、D、B、A、F)。其中旋转设备通过数据绑定。
由于主动搭建，旋转设备数据库如果归属于终端客户酒店云平台(E)，其云数据库可通过权限配置和其他个性化云平台(A、B、C、D、F)共享。由于专家系统起始于设备运维服务提供商云平台(A)，事件库自然归属服务提供商云平台。同样，可通过权限配置和其他个性化云平台(B、C、D、E、F)共享、互动。
本发明中各实施例的技术方案可进行组合，实施例中的技术特征亦可进行组合形成新的技术方案。
虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (6)

1.一种基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，其特征在于：根据旋转设备的运营模式搭建区块链框架,区块为一个应用场景下的分布式云平台集群；
所述分布式云平台集群包括多个采用有向无环图分布式连接的云平台节点，所述云平台节点包括采集通讯模块、个性化云平台和客户端口；所述采集通讯模块包括采集传感器、数据处理模块和通讯模块；所述个性化云平台包括接收模块、云服务器、云数据库、和数据端口；所述云服务器包括机构部门人员管理权限模块、旋转设备管理模块、专家系统、预警监管模块和数据显示模块；所述客户端口通过数据端口接入个性化云平台；所述专家系统是对采集数据运算规则的集合；
所述采集传感器所采集的信息通过数据处理模块处理成数据再经通讯模块传送至接收模块，所述接收模块接收通讯模块传送的数据；所述云服务器对接收的数据进行分类解析读取；所述专家系统对接收的数据进行匹配运算，其数据符合匹配运算则赋予数据设备UID以及时间标签构成事件；所述云数据库存储接收数据以及事件；所述区块对事件和云数据库统一存储构成独立的事件库和数据库；所述数据库仅在单一区块内共享，所述事件库通过接口“H”和其他区块共享，组成新的区块链事件库；
所述客户端口根据应用场景以及权限通过数据端口查询数据库或事件库。
2.根据权利要求1所述的基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，其特征在于：所述专家系统根据不同的设备类型和应用场景设置不同的运算规则。
3.根据权利要求2所述的基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，其特征在于：所述专家系统的输入参数包括采集传感器所采集的数据，旋转设备的型号、额定参数及安装设置的数据输入，实际工况的操作行为输入。
4.根据权利要求3所述的基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，其特征在于：所述数据处理模块将采集传感器所采集的信息进行编码并编入所采集设备的UID。
5.根据权利要求4所述的基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，其特征在于：所述采集传感器包括电压传感器、电流传感器、温度传感器、振动传感器、声音传感器、润滑油/脂含金属粉质量高光谱传感器。
6.根据权利要求1所述的基于区块链技术的旋转设备工业物联网系统，其特征在于：所述分布式云平台集群中每一个云平台节点的等级权重，一方面通过权限决定专家系统的分布，另一方面因发生事件的频率次数而加权。
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