CN113032979A - 一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统方案，其功能性架构包括数据采集、数据处理、状态监测、故障诊断、寿命预测、健康评估、维修决策共七个层次，物理性架构包括传感器网络和区块链网络，传感器网络含有传感器和网关，用于采集反映导弹状态信息的监测数据，并对数据进行预处理和特征提取，区块链网络含有边缘节点、过渡节点和管理节点，边缘节点具有查询网络中区块链的功能，过渡节点充当边缘节点频繁访问网络时实时响应查询的中间服务器，管理节点上部署以视情维修基线状态的特征值为阈值的智能合约，以实现对导弹全面、长期的安全风险预警，该方案能解决以中心化方式运行的装备健康管理系统存在的数据不确定性问题。

Description

一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统

技术领域

本发明属于武器装备健康管理领域，涉及一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统。

背景技术

导弹作为一种长期贮存、一次使用的飞行器，贮存期占据了全寿命周期的绝大多数时间。在贮存期内，导弹不仅要承受静态载荷、动态载荷等作用，还面临着温度、湿度、辐射、氧化等多种恶劣环境的影响，严重威胁导弹的使用可靠性。有必要对贮存期内导弹的健康状态进行及时感知，以保证导弹的使用完好性，提高其作战使用效能。

目前在导弹贮存期内，主要是通过检测人员手持设备或依赖地面设备，定时对导弹进行检测和测试，以确定导弹是否具有完成战术任务的能力，这不仅会耗费大量的人力、物力和时间，而且要求检测人员具有足够多的经验，否则可能在导弹中引入新的故障；此外，人工检测通常难以察觉导弹中较隐蔽的故障。同时，随着大量新型材料、先进工艺以及信息技术、微机电技术等的发展和应用，导弹的性能更加优越，但其结构愈发复杂，成本也越来越高，传统的人工检测技术效率和准确度都比较低，已不能充分满足导弹的可靠性、经济性等要求。

装备健康管理技术能利用传感器技术等先进的数据采集技术，对贮存期内的导弹装备进行实时监测，并能进一步提取数据的特征信息，综合利用历史信息和当前的实时状态信息，实现对装备整体健康状态的感知和管理。文献(马凌,李俊,赵韶平,等.面向导弹贮存延寿的PHM技术研究与工程应用[J].装备环境工程,2014(4).)中提出了一种面向导弹贮存延寿的故障预测与健康管理系统架构，分为弹载部分和地面装备部分，并给出了典型的应用场景；文献(李志强,王茜,张孝虎,et al.空空导弹PHM系统总体设计研究[J].航空兵器,2014,000(005):55-59.)中在分析空空导弹结构组成的基础上，参照视情维修开放体系结构，提出了一种面向空空导弹的故障预测与健康管理总体方案；文献(刘建.弹用贮存装置内环境监测及健康诊断系统研究[D].哈尔滨工业大学，2019.)中研究了弹用贮存装置的内环境监测及健康管理系统，搭建了弹用贮存装置监测系统原型，并利用监测数据开展了装备健康评估研究。这些研究工作表明建立面向贮存期内导弹装备的健康管理系统的需求日益旺盛。

但需要指出的是，目前针对贮存期内的导弹装备提出的健康管理系统多是以中心化方式运行的，数据在传输、处理、存储过程中容易受到攻击和篡改，导致数据的真实性和可信度较低。

发明内容

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，解决导弹贮存期健康管理系统中数据导致的不确定性问题，并实现导弹的状态信息在作战指挥部门、维修部门、资源保障部门等机构之间的高效共享。

本发明的技术方案为：

所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，包括传感器网络和区块链网络；

所述传感器网络实现对反映导弹健康状态的数据进行数据采集和数据处理，并发送至区块链网络；

所述区块链网络划分为边缘网络、过渡网络和核心网络；

所述边缘网络中包括若干边缘节点，所述边缘节点只具备访问区块链的功能，实现访问区块链网络中存储的导弹状态信息；

所述过渡网络中包括若干过渡节点，充当边缘节点查询区块链时的响应服务器，且拥有访问控制机制，当有边缘节点访问区块链时，用以校验访问者是否被授权；

所述核心网络中包括若干管理节点，负责接收传感器网络传送的数据，并自动触发部署在管理节点上的智能合约执行，实现状态监测、故障诊断、寿命预测、健康评估、维修决策功能。

进一步的，所述传感器网络由部署在导弹上的传感器及网关组成，传感器采集需要监测的数据，并对数据压缩后发送至网关处汇总，网关对采集的数据进行数据处理后再发送至区块链核心网络中的管理节点。

进一步的，传感器采集的需要监测的数据为环境载荷参数和系统响应参数；所述环境载荷参数反映导弹所处的环境载荷的性质；系统响应参数指当导弹系统或部件产生故障时，会发生显著变化的属性参数。

进一步的，所述数据处理包括预处理和特征提取，预处理包括数据清理、数据综合、数据变换、数据约简、数据离散化、数据除噪，特征提取指从预处理后的数据中提取故障敏感特征；在进行特征提取前，先针对导弹具体的故障类型，选择对故障敏感的特征，并对特征进行降维。

进一步的，所述边缘节点包括导弹的作战指挥部门、维修部门、资源保障部门；边缘节点访问区块链网络中存储的导弹状态信息，访问方式为：边缘节点向过渡网络中的过渡节点发送请求信息，过渡节点校验边缘节点的身份信息是否正确，若校验通过，则根据边缘节点的要求查询区块链，并将查询获得的目标信息返回至该边缘节点。

进一步的，所述管理节点能够封装区块，并能够通过人机交互向区块链中写入导弹的诊断要素，包括人工测试结果、技术资料。

进一步的，所述智能合约由多个管理节点共同实施；智能合约具体的执行流程为：管理节点收到传感器网络发送的数据后，自动触发智能合约执行，进行导弹当前状态的特征值与阈值之间的距离，若距离大于0，智能合约不会触发任何操作；否则智能合约对管理节点做出预警，并通过对数据进行分析实现故障诊断、寿命预测和健康评估，最后给出维修决策；智能合约执行结束后，管理节点将结果封装成区块进行存储，以供网络中的其它节点查询导弹的状态信息，实现信息共享。

进一步的，所述阈值采用视情维修基线状态的特征值。

进一步的，所述核心网络中的管理节点采用P2P通信传输数据，利用非对称加密技术加解密数据，利用“区块+链”的数据结构存储数据，利用共识算法更新数据，利用智能合约处理数据。

有益效果

本发明提出的一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统方案，不仅有助于减少导弹状态信息的过度暴露，能使系统抵御许多攻击，解决以中心化方式运行的系统存在的数据真实性和可信度问题，而且能实现导弹状态信息在作战指挥部门、维修部门、资源保障部门等机构之间的高效共享。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1：导弹贮存期健康管理系统功能性架构

图2：导弹贮存期健康管理系统物理性架构

图3：传感器网络架构

图4：区块链网络架构

图5：智能合约执行流程

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

区块链作为一种新兴的分布式数据库技术，其具有去中心化、数据不可篡改、可追溯、共享性好等突出优势。基于此，本发明提出一种以区块链为基础架构的导弹贮存期健康管理系统，目的是消除健康管理过程中数据导致的不确定性问题。

如图1所示，该系统的功能性架构显示健康管理系统各个模块之间的信息流向，该架构包括数据采集、数据处理、状态监测、故障诊断、寿命预测、健康评估、维修决策共7个功能模块，其中，数据采集、数据处理功能模块由布置在导弹上的传感器网络完成，状态监测、故障诊断、寿命预测、健康评估、维修决策功能模块由区块链网络完成，各个功能模块均具有人机交互功能，即实现健康管理系统与导弹的作战指挥部门、维修部门、资源保障部门等机构之间的信息共享。

数据采集工作依赖传感器、信号处理电路和数据采集仪完成。工作原理为：首先由传感器感受被测物理量并将其转换为电信号，再由信号处理电路对电信号进行去噪、调理、变换、转换等操作，最后由数据采集仪自动记录数据，并将数据压缩后传输到数据库或数据处理模块；在健康管理系统中，传感器采集的数据一般包括三个类型：环境载荷参数(诱发因素参数)、系统响应参数、工作性能参数。环境载荷参数是导致故障产生的原因，一般分为环境参数和载荷参数，主要反映监视对象所处的环境载荷的性质，如温度、湿度、酸碱度、加速度等；系统响应参数指当系统或部件产生故障时，监视对象的某些会发生较显著变化的属性参数，如质量、刚度、能力耗散特性等；工作性能参数指反映系统或部件工作状态特征的参数，如转速、飞行速度等；导弹贮存期健康管理系统主要采集环境载荷参数和系统响应参数。

数据处理包括预处理和特征提取，预处理分为数据清理、数据综合、数据变换、数据约简、数据离散化、数据除噪等，特征提取指从预处理后的数据中提取故障敏感特征，该特征能反映导弹当前的状态，用于实现后续的状态监测和故障诊断；在特征提取前，首先要针对某型导弹具体的故障类型，选择对故障敏感的特征，其次为了降低后续诊断的复杂度还需对特征降维，降维可采用主成分分析、因子分析、Sammon分析等方法，或者数据融合和数据压缩技术。

状态监测用于监视导弹上渐近性故障的发展过程，实现贮存期内导弹从“定时维修”向“视情维修”的转变，通过建立动态的视情维修基线，并用特征值之间的距离来表征导弹状态之间的距离，当健康管理系统检测到导弹当前状态的特征值与视情维修基线状态的特征值之间的距离小于规定的距离时，就可以着手维修。

故障诊断通过综合各种诊断要素，如来自传感器的监测数据、提取的特征、数据库中的历史数据等，通过将各种数据综合分析，实现故障诊断；故障诊断根据工作深度由浅入深逐次分为故障预警、故障识别、故障解释、故障定位、故障量化。

寿命预测以积累的大量历史数据作支撑，利用故障的演化估计导弹的剩余寿命。

健康评估实现评估故障对导弹整体性能的影响，包括可靠性、安全性、经济性等指标，同时还明确得出导弹能否正常工作、性能是否下降的结论。

维修决策是在导弹状态健康评估结果的基础上进行，实现调度保障资源，在准确的时间、准确的部位采取准确的维修活动，将故障对任务的影响降到最低。

实现上述功能的健康管理系统的物理性架构表征构成健康管理系统的各个部件之间的物理分布，是健康管理系统硬件基础，如图2所示，由两部分组成：传感器网络和区块链网络，传感器网络的输出数据是区块链网络的输入数据，二者通过网关进行数据交互。

传感器网络通过对导弹上的监测区域进行划分，并将网关分散式配置后形成，架构如图3所示，该网络由部署在导弹上的数量庞大、种类繁多的传感器及网关组成，传感器采集需要监测的数据，并对数据压缩后发送至本地网关处汇总，本地网关对数据进行预处理和特征提取后再发送至区块链核心网络中的所有管理节点。

区块链网络架构如图4所示，区块链网络架构划分为边缘网络、过渡网络和核心网络。

边缘网络中的边缘节点包括导弹的作战指挥部门、维修部门、资源保障部门等机构，边缘节点可以使用便携式移动设备访问区块链网络中存储的导弹状态信息，访问方式为：边缘节点向过渡网络中的过渡节点发送请求信息，过渡节点校验边缘节点的身份信息是否正确，若校验通过，则根据边缘节点的要求查询区块链，并将查询获得的目标信息返回至该边缘节点；这些边缘节点只具备访问区块链的功能。

过渡节点只具备有限的存储容量和计算能力，其作用是充当边缘节点频繁查询区块链时实时响应的服务器，保证低延迟；此外，过渡节点拥有访问控制机制，存储了所有边缘节点的信息，当有边缘节点访问区块链时，用以校验访问者是否被授权。

核心网络中只有管理节点，负责接收网关传送的特征值和监测数据，并自动触发部署在管理节点上的智能合约执行，实现状态监测、故障诊断、寿命预测、健康评估、维修决策功能；同时每个管理节点可以封装区块，并能够通过人机交互向区块链中写入导弹的人工测试结果、技术资料等诊断要素。

上述区块链网络架构管理节点在技术实现中主要采用了以下方法：利用P2P通信技术传输数据，利用非对称加密技术加解密数据，利用“区块+链”的数据结构存储数据，利用共识算法更新数据，利用智能合约处理数据。

P2P通信技术：系统中的每个管理节点都是一台服务器，可以利用P2P通信技术传输数据。管理节点之间是对等关系，无需依靠中心化服务器，可直接传输数据，这能减少数据在网络传输中的途经节点，降低信息遗失或被篡改的风险，增加系统防故障的健壮性。系统采用P2P通信技术的重要目标有两个：一是确保区块链网络中的所有管理节点都能传输数据，二是让每个管理节点都能提供资源，如带宽、存储空间、计算能力等。

非对称加密技术：是管理节点之间可靠通信的基础性技术；每个管理节点含有一对非对称密钥，包括公钥和与公钥对应的私钥，其中公钥公之于众，私钥由节点自己掌握，而由公钥加密的信息只能由私钥解密，同样由私钥加密的信息也只能由公钥解密；任意两个管理节点在传输数据时，接收方通过对比明文是否一致判断信息是否被篡改，通过对比哈希值是否一致判断信息是否是由发送方发送。

数据结构：系统中的数据以“区块+链”的形式存储，这种数据结构能保证数据具有不可篡改和可追溯的特性；每个区块分为区块头和区块体，区块头存放哈希值、时间戳、Merkle根等内容，区块体存放系统中的数据，如传感器的监测数据、提取的特征值以及健康管理系统输出的导弹状态信息等；区块之间由哈希链和时间链连接，时间链基于时间戳形成，能够反映区块创建的先后顺序，哈希链基于区块哈希值形成，每个区块存储了上一个区块的哈希值，哈希值之间环环相扣，当某个区块中的数据有微小改动时，就会导致其后所有区块的哈希值连锁改变，通过该链可以验证某个区块之前直至创世区块的所有区块是否被篡改。

共识机制：保证系统中的所有管理节点就如何更新生成新区块达成共识，并使由恶意节点生成的区块不能被写入区块链。

智能合约：一份智能合约由多个管理节点共同实施；在导弹贮存期健康管理系统中，采用智能合约的目标是通过将视情维修基线状态的特征值设置为阈值，实现对导弹全面、长期的安全风险预警，智能合约具体的执行流程如图5所示；管理节点收到网关发送的数据后，自动触发智能合约执行，即计算导弹当前状态的特征值与阈值之间的距离，若距离大于0，智能合约不会触发任何操作；否则智能合约对管理节点做出预警，通过对数据进行深入分析实现故障诊断、寿命预测和健康评估，最后给出维修决策；智能合约执行结束后，管理节点将结果封装成区块进行存储，以供网络中的其它节点查询导弹的状态信息，实现信息共享。

上述健康管理系统的设计流程为：

Step1：统计导弹的关键监视对象及其典型故障模式；

Step2：分析关键监视对象在贮存过程中发生的故障模式及其失效现象，目的在于明确贮存故障模式，弄清其导致监视对象失效的原因和机理，并确定每种故障模式所需的监测数据、特征参数及其状态表示，确定每种失效模式的诊断、预测方法；

Step3：根据监测数据确定所需传感器的种类、数量、安装要求等性质，并根据传感器的输出和特征参数之间的关系确定数据处理方案；

Step4：划分、定义监视对象的状态等级，如状态良好、故障产生、状态监测基线、故障失效、二次破坏等，用特征向量描述监视对象的状态，度量特征向量之间的距离；

Step5：选取合适的安全距离作为状态监测的阈值，并设计智能合约；

Step6：确定贮存期导弹的健康状态评估指标及评估方法，确定导弹的保障规划流程；

Step7：根据图1、2构建系统架构；

Step8：确定系统试验和测试方案。

本发明提出的基于区块链的导弹贮存期健康管理系统方案，其功能性架构包括数据采集、数据处理、状态监测、故障诊断、寿命预测、健康评估、维修决策共七个层次，物理性架构包括传感器网络和区块链网络，传感器网络含有传感器和网关，用于采集反映导弹状态信息的监测数据，并对数据进行预处理和特征提取，区块链网络含有边缘节点、过渡节点和管理节点，边缘节点具有查询网络中区块链的功能，过渡节点充当边缘节点频繁访问网络时实时响应查询的中间服务器，管理节点上部署以视情维修基线状态的特征值为阈值的智能合约，以实现对导弹全面、长期的安全风险预警，该方案能解决以中心化方式运行的装备健康管理系统存在的数据不确定性问题。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：包括传感器网络和区块链网络；

所述传感器网络实现对反映导弹健康状态的数据进行数据采集和数据处理，并发送至区块链网络；

所述区块链网络划分为边缘网络、过渡网络和核心网络；

所述边缘网络中包括若干边缘节点，所述边缘节点只具备访问区块链的功能，实现访问区块链网络中存储的导弹状态信息；

所述过渡网络中包括若干过渡节点，充当边缘节点查询区块链时的响应服务器，且拥有访问控制机制，当有边缘节点访问区块链时，用以校验访问者是否被授权；

所述核心网络中包括若干管理节点，负责接收传感器网络传送的数据，并自动触发部署在管理节点上的智能合约执行，实现状态监测、故障诊断、寿命预测、健康评估、维修决策功能。

2.根据权利要求1所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：所述传感器网络由部署在导弹上的传感器及网关组成，传感器采集需要监测的数据，并对数据压缩后发送至网关处汇总，网关对采集的数据进行数据处理后再发送至区块链核心网络中的管理节点。

3.根据权利要求2所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：传感器采集的需要监测的数据为环境载荷参数和系统响应参数；所述环境载荷参数反映导弹所处的环境载荷的性质；系统响应参数指当导弹系统或部件产生故障时，会发生显著变化的属性参数。

4.根据权利要求2所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：所述数据处理包括预处理和特征提取，预处理包括数据清理、数据综合、数据变换、数据约简、数据离散化、数据除噪，特征提取指从预处理后的数据中提取故障敏感特征；在进行特征提取前，先针对导弹具体的故障类型，选择对故障敏感的特征，并对特征进行降维。

5.根据权利要求1所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：所述边缘节点包括导弹的作战指挥部门、维修部门、资源保障部门；边缘节点访问区块链网络中存储的导弹状态信息，访问方式为：边缘节点向过渡网络中的过渡节点发送请求信息，过渡节点校验边缘节点的身份信息是否正确，若校验通过，则根据边缘节点的要求查询区块链，并将查询获得的目标信息返回至该边缘节点。

6.根据权利要求1所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：所述管理节点能够封装区块，并能够通过人机交互向区块链中写入导弹的诊断要素，包括人工测试结果、技术资料。

7.根据权利要求6所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：所述智能合约由多个管理节点共同实施；智能合约具体的执行流程为：管理节点收到传感器网络发送的数据后，自动触发智能合约执行，进行导弹当前状态的特征值与阈值之间的距离，若距离大于0，智能合约不会触发任何操作；否则智能合约对管理节点做出预警，并通过对数据进行分析实现故障诊断、寿命预测和健康评估，最后给出维修决策；智能合约执行结束后，管理节点将结果封装成区块进行存储，以供网络中的其它节点查询导弹的状态信息，实现信息共享。

8.根据权利要求7所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：所述阈值采用视情维修基线状态的特征值。

9.根据权利要求1所述一种基于区块链的导弹贮存期健康管理系统，其特征在于：所述核心网络中的管理节点采用P2P通信传输数据，利用非对称加密技术加解密数据，利用“区块+链”的数据结构存储数据，利用共识算法更新数据，利用智能合约处理数据。

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