CN112671920A - 一种基于区块链的污水自动化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于区块链的污水自动化控制方法。该方法包括：将用于控制污水处理设备的PLC执行指令存储在各自对应的PLC存储节点，且各PLC存储节点组成互相连通的区块链网络；响应于请求的PLC执行指令，区块链网络进行智能计算，并将计算结果提交共识，如果共识成功，则反馈给对应设备执行，并将数据保存到区块链网络中，如共识失败，则丢弃该PLC执行指令。本发明应用区块链技术改善了污水厂自动化控制的安全性、防篡改能力、防黑客能力，并提高了污水厂的数据共享效率和智能化管控能力。

Description

一种基于区块链的污水自动化控制方法

技术领域

本发明涉及区块链技术领域，更具体地，涉及一种基于区块链的污水自动化控制方法。

背景技术

随着计算机技术、通信技术和控制技术的发展，工业自动化控制已经开始向网络化方向发展，通过网络化数据共享、数据存储和数据分析能更好地优化控制参数，特别是在污水处理行业，相关工艺参数的数据变化直接影响设备的控制参数，各个参数都具有一定的关联性，如何做到数据共享、数据交换以及保证数据安全尤为重要。

伴随着行业监管的加强、人工成本的大幅度上升和企业自身盈利的需要，污水处理自动化、信息化及智能化技术的发展空间被打开。污水处理自动化技术主要通过先进的处理设备和自动化系统对污水进行处理，从而实现净化水质的目的。在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当不完全了解一个系统和被控对象，或不能通过有效测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。PID控制，实际中也有PI和PD控制。PID控制器就是根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。

此外，污水处理厂作为重大的民生工程，其安全健康运行直接关系到人们的日常生活。目前国内多数污水厂数据存储往往集中在一台或少数几台服务器中，即便有灾备处理，但是单点故障的概率仍然比较高。并且，现有存储模式中服务器之间的联系并不强，在数据同步和数据验证方面能力并不突出，数据的价值没能得到很好体现。由于缺少对历史数据的保护，按照现有数据存储方式保存的信息面临被篡改的风险，黑客侵入控制系统有可能篡改重要的指令数据，即便无法破译密码也可以扰乱数据，导致污水厂运行出现问题，严重情况会造成重大安全事故，带来的损失无法估量。

经调查，目前污水厂的PLC指令操作非常频繁，这些指令操作都通过各自的PLC控制来操作，指令操作也存在很大安全漏洞，如果被黑客攻击或者控制，所有的操作指令很容易被截取和篡改，从而导致整个污水厂的运行得不到有效保护。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种基于区块链的污水自动化控制方法，应用区块链技术改善污水厂自动化控制的安全性、防篡改能力、防黑客能力，并进一步提高污水厂的数据共享效率和智能化管控能力。

本发明的技术方案是提供一种基于区块链的污水自动化控制方法。该方法包括以下步骤：

将用于控制污水处理设备的PLC执行指令存储在各自对应的PLC存储节点，且各PLC存储节点组成互相连通的区块链网络；

响应于请求的PLC执行指令，区块链网络进行智能计算，并将计算结果提交共识，如果共识成功，则反馈给对应设备执行，并将数据保存到区块链网络中，如共识失败，则丢弃该PLC执行指令。

与现有技术相比，本发明的优点在于，利用区块链特殊的分布式系统、将核心数据存储于若干台物理机，并组成互相连通的区块链网络，服务器可相互验证数据，传输缺失数据；利用区块链的共识算法、防篡改的特性保证了数据存储、数据交换的安全性，加强了对数据的保护；利用区块链的智能合约技术可以对污水厂多变量的控制进行自动判断执行。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明一个实施例的基于区块链的污水自动化控制方法的流程图；

图2是根据本发明一个实施例的基于区块链的污水自动化控制方法的总体架构图；

图3是根据发明一个实施例的执行PLC指令的流程图；

图4是根据本发明一个实施例的PLC指令的存储架构图；

图5是根据本发明一个实施例的针对虚假PLC指令的安全保护机制示意图；

图6是根据本发明一个实施例的针对虚假PLC节点的安全保护机制的示意图；

图7是根据本发明一个实施例的PLC指令在各节点传输过程的验证方式示意图；

图8是根据本发明一个实施例的执行智能合约的过程示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供一种基于区块链的污水自动化控制方法，参见图1所示，该方法总体包括：步骤S110，将用于控制污水处理设备的PLC执行指令存储在各自对应的PLC存储节点，且各PLC存储节点组成互相连通的区块链网络；步骤S120，响应于请求的PLC执行指令，区块链网络进行智能计算，并将计算结果提交共识，如果共识成功，则反馈给对应设备执行，并将数据保存到区块链网络中，如共识失败，则丢弃该PLC执行指令

具体地，参见图2所示，本发明运用区块链技术结合PLC控制器(PID)完成对污水厂的自动化控制，通过区块链分布式存储特性将各站的PLC执行指令数据存储到各自节点(或称PLC存储节点)，保证其数据的完整性，并运用智能合约技术对PLC执行指令进行智能计算将计算完成后结果提交共识，共识成功反馈给设备前端执行，并将数据保存到区块链中，共识失败则丢弃。原则上，每个PLC控制点都可以作为一个区块链存储节点，也可以一组PLC控制点为一个区块链存储节点。优选地，每个PLC执行指令必须包含地址、执行变量、执行值三个关键信息，这更有利于后期指令的溯源。

图3是请求执行PLC指令的流程图，该流程在执行PLC指令时结合区块链的特性，完成对污水厂设备的控制，保障污水厂运行更加安全、更加高效。主要包括以下步骤：

步骤S310，接收PLC指令。

污水厂操作人员针对污水厂运行情况发出控制指令完成对设备的控制，PLC指令主要包括地址信息、执行变量、执行值等信息。PLC指令也可以是对PLC某个变量的监控，监测PLC发生变化后触发指令的执行，从而完成对设备的相应控制。

步骤S320，提交区块链。

将PLC指令提交给区块链节点。例如，将需要执行的指令通过区块链的SDK接口，提交给区块链节点，完成对数据的提交。

步骤S330，执行智能合约。

智能合约在获取到PLC指令数据后，会根据合约的规则对数据进行分析计算，并且将执行后的结果提交给下一个操作。

步骤S340，提交共识。

在执行完智能合约后，数据需要提交给共识网络执行，只有共识成功后，数据才能存储，指令才能被执行，这样可以安全保证执行指令的安全性，确保不被黑客攻击、或被恶意的执行。共识算法例如包括：工作量证明(POW)、权益证明(POS)、授权权益证明(DPOS)、实用拜占庭容错(PBFT)、一致性共识算法(RAFT)等。优选地，针对污水厂控制，采用实用拜占庭容错或一致性共识算法。

步骤S350，区块链存储。

在共识完成后，指令数据将被存储到区块链网络中。参见图4所示，整个区块存储结构是前后串连的，每个区块由区块头、区块体两部分组成，区块头包含版本信息、前一区块哈希值、时间戳、随机数、地址信息、Merkle根值，区块体主要是PLC执行指令交易信息(如指令1、指令2等)，每笔交易通过哈希并以Merkle树的形式生成。

步骤S360，执行指令。

共识完成后，可以确定是安全有效的操作，直接对智能合约执行后的结果传输到PLC控制器中，进而完成对设备的控制。

整个污水厂在运行过程中安全性是最核心的要素，防止网络被恶意攻击以及被黑客控制，从而避免执行恶意的PLC指令非常重要。区块链技术运用多节点共识算法以及多节点验证解决了这个难题，以下是节点被恶意攻击或者被黑客控制两种情况下的有效保护机制，确保了指令能被正确有效地执行。

图5是PLC节点被黑客控制下的保护机制。例如，污水厂某个PLC节点被黑客入侵控制，它运用节点的身份提交恶意虚假PLC指令信息，企图破坏整个运行网络，控制污水厂的运行状态，本发明采用区块链网络执行PLC指令解决了这一问题，保障了污水厂的安全运行。具体步骤如下：

步骤S510，恶意节点发布虚假PLC指令。

黑客在入侵节点后，运用节点身份发布虚假恶意的控制指令，企图达到控制整个运行网络的目的。

步骤S520，恶意节点将虚假指令向全网广播。

恶意节点通过区块链网络向其他节点广播虚假指令信息，使其能够获得验证后执行PLC指令。

步骤S530，验证是否通过。

各PLC节点验证指令信息，各节点对接收到的指令信息进行签名验证，确定指令信息是合法有效的，如果签名验证通过，则提交共识，如果签名验证失败，则直接丢弃消息(步骤S560)，流程结束。

步骤S540，其他节点依靠共识算法不承认恶意节点区块。

对各节点提交的数据进行共识算法验证，通过多个节点验证证明来确定是否恶意节点，如果确定是恶意节点则将数据直接丢弃，不会进入执行指令操作，对数据也不会有影响(步骤S550)，流程结束，如果是正常的PLC节点则共识完成，写入区块链存储完成，执行PLC指令。

图6是PLC节点被控制时的安全保护机制。例如，如果污水厂被黑客入侵后，模拟PLC节点向整个区块链网络提交PLC指令信息，这时其他节点运用共识算法可以对其进行识别，保护网络的安全，具体包括以下步骤：

步骤S610，黑客模拟PLC节点。

黑客在入侵节点后，模拟正常的PLC节点向区块链网络提交PLC指令信息，干扰正常的网络。

步骤S620，验证出恶意节点不遵循共识算法。

其他节点在共识算法下对其进行验证，恶意节点在提交到网络后，其他节点运用共识算法对其身份进行验证，如果验证失败，则剥夺其节点的权利或者直接屏蔽该节点(步骤S630)，如果验证通过，则写入区块链存储完成，执行PLC指令。

为了使PLC指令在各节点，以及节点和对应设备之间的有效传输，PLC指令以二进制形式进行传输，并定义统一的数据格式，如定义为包含：prefix+packType+msgLen+userData+suffix(标志性前缀+消息类型+消息长度+自定义数据+标志性后缀)，其中：

标志性前缀(prefix)：每条消息的开始符号；

消息类型(packType)：定义消息的类型，如包括整型、浮点型、布尔量等；

消息长度(msgLen)：定义消息的长度，记录整个消息的长度；

自定义数据(userData)：自定义数据内容，存放整个消息内容；

标志性后缀(suffix)：每条消息的结束符号。

所有数据在各PLC节点传输过程中都采用数字签名验证，从而能更加有效的保障数据的安全性、完整性，确保指令不被篡改，验证方式如图7所示。

为了进一步提高PLC指令执行的安全性，针对污水厂执行控制过程中多变量协同控制以及固定的参数联动执行，可运用区块链的智能合约自动执行PLC指令，通过编写一段自动执行的脚本，运用智能合约的方式安装到每个PLC节点中，使其在执行指令时能保持一致性，保障执行的安全性和有效性。

例如，污水厂智能合约入口主要包括初始化接口(Init)、指令执行接口(Invoke)，其中Init接口主要是对一些核心变量的初始化设置，如PH控制值设置、ORP控制值设置等。Invoke接口主要是对监测变量的值发生变化后做的相应处理，如PH值超标对应的加药变频泵(碱性药剂)的功率调大，以此来控制PH值达到合理的控制阀值。

在一个实施例中，整个智能合约的生命周期如图8所示：

对指定的链码进行打包的操作(package)，按规定的语法和接口完成智能合约的编码后，可以统一将代码打包成一个链码便于后期在各节点的安装管理。

将已编写完成的链码安装在网络节点中(install)，将打包完成的链码安装到每个PLC节点上，只有安装了链码才能与底层的账本信息进行交互，才能执行合约代码。

对已安装的链码进行实例化(instantiate)，链码只有在实例化后才能进行操作，每个PLC节点都需要对链码进行实例化操作。

对已有链码进行升级(upgrade)，针对污水厂运行过程中出现的调整，控制参数关系以及相应的控制值也会发生变化，原来的链码将无法满足现有的要求，这时可以对原有的链码进行相应的升级来满足业务需求的变化。

综上所述，本发明通过采用区块链的分布式存储方式，将各站的PLC指令数据共享存储到多台节点的物理机中，避免单点故障。利用区块链的加密性、可靠性和共识算法对节点的控制力保障其通信的安全和存储数据不被篡改。运用区块链的智能合约对参数进行智能的分析运算后给出最后的控制信号回写PLC，从而完成对设备的控制。总之，本发明针对污水控制，结合区块链提供PLC自动化控制的技术方案；基于PLC指令的区块链存储方案，在存储结构中加入了地址信息；各PLC节点运用区块链保证整个指令的安全有效执行，防止被模拟、恶意的攻击；利用区块链的智能合约完成智能化控制。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是――但不限于――电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言—诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言—诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络—包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。对于本领域技术人员来说公知的是，通过硬件方式实现、通过软件方式实现以及通过软件和硬件结合的方式实现都是等价的。

以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种基于区块链的污水自动化控制方法，包括以下步骤：

将用于控制污水处理设备的PLC执行指令存储在各自对应的PLC存储节点，且各PLC存储节点组成互相连通的区块链网络；

响应于请求的PLC执行指令，区块链网络进行智能计算，并将计算结果提交共识，如果共识成功，则反馈给对应设备执行，并将数据保存到区块链网络中，如共识失败，则丢弃该PLC执行指令。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，每个PLC控制点作为一个区块链存储节点，或者一组PLC控制点作为一个区块链存储节点。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，每个PLC执行指令至少包含地址、执行变量、执行值三个信息。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，响应于一个PLC存储节点广播的PLC执行指令，区块链网络中的各PLC存储节点对接收到的指令信息进行签名验证，如果签名验证通过，则提交共识，如果签名验证失败，则直接丢弃消息。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于一个PLC存储节点向整个区块链网络提交的PLC执行指令信息，其他节点运用共识算法对该PLC存储节点的身份进行验证，如果验证失败，则剥夺该节点的权利或者直接屏蔽该节点，如果验证通过，则将提交的PLC执行指令写入区块链网络进行存储。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述PLC执行指令是定义的统一格式，依次包括标志性前缀、消息类型、消息长度、自定义数据、标志性后缀，所述标志性前缀表示每条消息的开始符号，所述消息类型用于指示传输的消息类型；所述消息长度用于记录整个消息的长度；所述自定义数据用于定义数据内容，存放整个消息内容；所述标志性后缀用于表示每条消息的结束符号。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对于污水处理执行控制过程中多变量协同控制以及固定的参数联动执行，运用区块链网络的智能合约自动运行PLC执行指令，该智能合约入口包括初始化接口、指令执行接口，其中初始化接口用于对预定的核心变量进行初始化设置，指令执行接口用于对监测变量的值发生变化后做相应处理。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所示智能合约的生命周期包括：

按规定的语法和接口完成智能合约的编码后，统一将代码打包成一个链码；

将打包完成的链码安装到每个PLC存储节点上；

每个PLC存储节点对已安装的链码进行实例化；

针对污水处理运行过程中出现的调整，对已有链码进行升级。

9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其中，该程序被处理器执行时实现根据权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，在所述存储器上存储有能够在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1至8中任一项所述的方法的步骤。

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