CN114786152B - 一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，包括：车载设备、边缘设备、云中心设备以及区块链系统；车载设备采集线路、列车以及乘客信息实现车载智能服务计算；边缘设备通过轨旁传感器和智能巡检设备与列车进行协同感知，以及用于列车卸载的智能计算任务并与相邻边缘设备完成协同计算；云中心设备通过聚合多方信息实现线网级列车调度、客流管控和设备运维，以及服务边缘设备卸载的智能计算任务并与边缘设备完成协同计算；区块链系统通过激励机制和信任管理功能实现智慧轨道交通的可信协同计算。采用本发明的技术方案，以解决智慧轨道交通发展面临的由于信任问题所导致的算力困境。

Description

一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统
技术领域
本发明属于智慧轨道交通领域，尤其涉及一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统。
背景技术
近年来，我国城市轨道交通得到快速发展，在满足人民群众出行需求、优化城市结构布局、缓解城市交通拥堵、促进社会经济发展等方面发挥了越来越重要的作用，成为了改善城市居民生活品质、提升人民群众获得感幸福感的重要载体。伴随不断增加的运营里程、快速攀升的线网流量，尤其是大中型城市的轨道交通网络日渐复杂，内生矛盾逐渐加剧，城市轨道交通的乘运安全和运营管理面临着巨大的压力和挑战。
随着5G、大数据、人工智能、物联网、云计算以及区块链等新兴信息技术的演进和推广，智慧城市轨道交通被认为是解决复杂系统内生矛盾的有效途径。面向我国城市轨道交通行业，以强国建设为战略导向，以推进城市轨道交通信息化、发展智能系统、建设智慧城市轨道交通为主题，以城市轨道交通的关键核心业务为主线，以数字化、智能化、网络化为手段，构建了一批高度集成的城市轨道交通云与大数据平台。尽管云端数据处理能力在不断增强，但海量数据的传输会给网络造成很大的压力，网络的带宽将成为瓶颈；同时对于一些延迟敏感的应用来说，云计算较高的延迟不能很好的满足应用需求。因此,以解决数据传输延迟、降低网络带宽为目标的边缘计算正迅速兴起。为了更好地结合云计算与边缘计算的优势,云边架构作为一种新型计算模式成为了新的研究趋势。随着城市轨道交通数据密集型与计算密集型智慧应用的增加,需要利用云计算强大的计算能力以及通信资源与边缘计算短时传输的响应特性来实现并完成相应的智慧应用请求。在当下技术背景下，智慧轨道交通的发展任面临如下问题：
(1)缺乏高效的协同计算机制
基于云边架构的智慧轨道交通系统一般分为中心化的云计算层和分布式的边缘计算层，边缘计算层则包括轨旁边缘计算设备和众多的车载终端设备。从纵向来看，云计算节点则具备较强的弹性计算优势，而边缘计算节点则具有明显的位置优势，因此云边纵向协同将能够基于不同层次的设备对外提供多样化的服务；但是从横向来看，不同线路的设施往往分属于不同的运营商，并且由于缺乏有效的激励各运营商彼此之间并没有协同的意愿，造成了严重的资源孤岛现象。从而导致无法在多方协同的情况下对外提供丰富且高效的计算服务。
(2)缺少可信的信任管理机制
在复杂的基于云边架构的智慧轨道交通系统中，数据会在不同层次和不同设备之间进行流转，这个过程中数据的完整性和可用性不能得到保障；云边架构中包含各种类型的计算设备，这些设备彼此之间呈现出很强的异构性，一些安全防护能力较弱的节点容易受到安全攻击，同样，数据的安全性无法得到保证；开放型的云边网络可能会接入恶意的终端设备或计算设备，这些设备会破坏系统的正常运行，系统的稳定性无法得到保障；云边架构作为一种地理上分布式的架构，数据会分布在不同的节点上，在不可信的环境下，数据的安全计算受到挑战。另外一些设备可能会由于利益关系做出一些恶意的行为，因此需要通过安全的设备监管平台来对设备的行为进行监控和记录，而目前云边系统缺乏一个可信的系统监管和审计平台。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，以解决智慧轨道交通发展面临的由于信任问题所导致的算力困境。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：
一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，包括：车载设备、边缘设备、云中心设备以及区块链系统，其中，
所述车载设备，用于采集列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息，同时将所述列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给边缘设备和云中心设备；
所述边缘设备，用于采集线路环境信息和列车运行位置信息，同时将所述线路环境信息和列车运行位置信息发送给车载设备实现列车运行协同感知，以及用于列车卸载的智能计算任务并通过无线接入点与相邻可信边缘设备完成协同计算；
所述云中心设备，用于通过聚合各车载设备和边缘设备采集信息以实现多维度全方位的线网级列车调度、客流管控和设备运维，以及用于边缘设备卸载的智能计算任务并通过骨干网与可信边缘设备完成协同计算；
所述区块链系统，用于通过各车载设备、边缘设备和云中心设备组成的区块链节点共识后将协同计算性能、协同计算奖励值以及设备信誉值交易信息永久接入到区块链，并通过激励机制和信任管理机制实现智慧轨道交通的可信协同计算。
作为优选，所述车载设备通过车地通信系统将列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给边缘设备。
作为优选，所述车载设备通过骨干网将列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给云中心设备。
作为优选，所述边缘设备通过轨旁传感器和智能巡检设备采集线路环境信息和列车运行位置信息。
作为优选，智能巡检设备包括用于巡检轨道线路、车辆轮轨以及轨旁设备的智能巡检机器人和用于巡检接触网和通信基站的智能巡检无人机。
作为优选，所述边缘设备通过车地通信系统将线路环境信息和列车运行位置信息发送给车载设备。
作为优选，所述激励机制为基于单次协同计算性能的评价分数Rt计算，用于参与协同计算节点的算力服务奖励，其具体计算方法为：
Figure BDA0003620710250000041
其中，rbase为基本奖励，用于维持区块链系统中参与协同计算节点的规模；Lt为任务计算的损失值，表示计算任务的服务质量收益；Tt为任务计算的时间损耗，表示计算任务的时间成本；ρ为归一化因子；ω1、ω2为权重因子。
作为优选，所述信任管理机制为基于时间折旧的信誉评估计算方法，用于区块链系统组成节点的信誉评估与管理，其具体计算方法为：
Figure BDA0003620710250000042
其中，RPt为当前时刻t计算服务节点的信誉值，RPt-i为计算服务节点的历史信誉值，γ为基于时间的折旧率γt＝e-αt，α为折旧率的调整因子，n为信誉评估期限，表示信誉值会随时间消耗。
本发明面向智慧轨道交通的可信协同计算系统通过车载设备采集线路、列车以及乘客信息实现车载智能服务计算，另外通过数据通信系统与边缘设备、云中心设备以及前后列车进行信息交互；边缘设备通过轨旁传感器和智能巡检设备与列车进行协同感知，以及服务列车卸载的智能计算任务并与相邻边缘设备完成协同计算；云中心设备通过聚合多方信息用于线网级列车调度、客流管控和设备运维，以及服务边缘设备卸载的智能计算任务并与边缘设备完成协同计算；区块链系统通过激励机制和信任管理功能实现智慧轨道交通的可信协同计算。本发明面向智慧轨道交通的可信协同计算系统利用车车通信、云边协同计算和区块链技术，将系统功能进行整合形成以列车为核心的自主运行控制的智慧轨道交通，并结合激励机制、信任管理和共识机制技术，实现智慧轨道交可信协同计算，满足多样化智能服务需求，以解决智慧轨道交通发展面临的由于信任问题所导致的算力困境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例面向智慧轨道交通的可信协同计算系统的架构示意图；
图2为本发明实施例面向智慧轨道交通的可信协同计算系统中区块链存储结构示意图；
图3为本发明实施例面向智慧轨道交通的可信协同计算系统的执行流程图；
图4为本发明实施例面向智慧轨道交通的可信协同计算系统的累计奖励值计算结果示意图；
图5为本发明实施例面向智慧轨道交通的可信协同计算系统的信誉值计算结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。
本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。
本发明实施例提供了一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统。该可信协同计算系统基于云边协同架构改进了传统的列控系统，具有更简洁的系统架构、更高效的运行效率、更灵活的运营管理方式以及更优质的服务质量等优势。同时该可信协同计算系统将区块链技术融合到云边协同架构中，构建了从云中心到边缘节点的一体化内生安全防护体系，增强了边缘计算网络抵抗各种安全风险的能力，并使边缘节点之间具备高效的可信协同计算的能力。
如图1所示，本发明实施例提供一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，包括：车载设备、边缘设备、云中心设备以及区块链系统。
所述车载设备，用于通过车载传感器采集列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息，实现车载智能服务计算，同时通过车地通信系统将列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给边缘设备，通过骨干网将列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给云中心设备，以及通过车车通信系统与前后列车进行信息交互。
所述边缘设备，用于通过轨旁传感器和智能巡检设备采集线路环境信息和列车运行位置信息，并通过车地通信系统将线路环境信息和列车运行位置信息发送给车载设备用于列车运行协同感知，以及服务列车卸载的智能计算任务并通过无线接入点与相邻可信边缘设备完成协同计算。
所述云中心设备，用于通过聚合各车载设备和边缘设备发送的列车信息、客流信息和设备信息用于多维度全方位的线网级列车调度、客流管控以及设备运维，以及服务边缘设备卸载的智能计算任务并通过骨干网与可信边缘设备完成协同计算。
所述区块链系统，用于通过各车载设备、边缘设备和云中心设备组成的区块链节点共识后将协同计算性能、协同计算奖励值以及设备信誉值等交易信息永久接入到区块链，并通过激励机制和信任管理功能实现智慧轨道交通的可信协同计算。
上述的车载智能服务任务包括面向智慧轨道交通的障碍物识别、智能驾驶、乘客检测、智能“魔窗”、视频通讯、VR娱乐以及健康行程筛选等计算密集型和时延敏感性的智能轨道交通计算任务。
上述的智能巡检设备包括用于巡检轨道线路、车辆轮轨以及轨旁设备的智能巡检机器人和用于巡检接触网和通信基站的智能巡检无人机。
上述的任务卸载包括车载设备卸载智能计算任务到边缘设备，边缘设备卸载智能计算任务到云中心设备以及巡检机器人卸载智能巡检任务到边缘设备。
上述的协同计算包括车载设备与边缘设备间的协同计算，边缘设备与云中心设备间的协同计算以及边缘设备与边缘设备间的协同计算。
上述的激励机制为基于单次协同计算性能的评价分数Rt计算，用于参与协同计算节点的算力服务奖励，其具体计算方法为：
Figure BDA0003620710250000081
其中，rbase为基本奖励，用于维持区块链系统中参与协同计算节点的一定规模。Lt为任务计算的损失值，表示计算任务的服务质量收益。Tt为任务计算的时间损耗，表示计算任务的时间成本。ρ为归一化因子，ω为权重因子。基于协同计算性能评价的算力服务激励机制有助于盘活全网的算力资源。
上述的信任管理机制为基于时间折旧的信誉评估计算方法，用于区块链系统组成节点的信誉评估与管理，其具体计算方法为：
Figure BDA0003620710250000082
其中，RPt为当前时刻t计算服务节点的信誉值，RPt-i为计算服务节点的历史信誉值，γ为基于时间的折旧率γt＝e-αt，α为折旧率的调整因子，n为信誉评估期限，表示信誉值会随时间消耗，各节点只能依靠参与协同计算赚得奖励值来维持较高的信誉值。依据时间折旧的历史算力服务评价分数计算节点的信誉值，可作为面向智慧轨道交通协同计算可信基础设施对算力资源调度决策的重要参考依据。
本发明实施例面向智慧轨道交通的可信协同计算系统的区块链存储结构如图2所示，包括区块头和区块体组成。
所述的区块头包括前一区块哈希值、时间戳、数字签名和版本号。
所述的区块体包括协同计算性能记录、奖励值记录和信誉值记录。
本发明实施例面向智慧轨道交通的可信协同计算系统的执行流程如图3所示，包括计算请求节点和计算服务节点。
所述的计算请求节点包括车载设备和智能巡检设备。
所述的计算服务节点包括边缘设备和云中心设备。
所述的任务发布为计算请求节点依据智能计算任务需求向计算服务节点发布的相应计算请求。
所述的竞争服务为计算服务节点依据计算任务的特点和自身计算资源状况向计算请求节点竞争计算服务。
所述的可信节点选择为计算请求节点依据激励机制和信任管理机制选择可信节点参与协同计算。
所述的任务卸载为计算请求节点将部分智能计算任务卸载到计算服务节点。
所述的横向协同为计算服务节点之间的横向协同计算。
所述的返回结果为计算服务节点经过协同计算后返回给计算请求节点的计算结果。
所述的公布交易为计算请求节点将协同计算的相关交易信息向区块链全网公布用于共识。
所述的共识为区块链全网节点针对本次协同计算的交易信息进行共识。
所述的记录为第三方计算服务节点针对共识结果对协同计算进行相应记录用于激励和信誉评估计算。
图4-5为本发明实施例提出的一种面向智慧轨道交通可信协同计算系统的累计奖励值和信誉值仿真计算结果。仿真计算环境为一条1000米的环形线路，包括1个云中心节点、5个边缘节点和1个车载设备。其中列车以20m/s匀速循环运行，且智能计算任务的发布服从泊松分布。依据公式1和公式2进行奖励计算和信誉评估。另外考虑恶意节点行为为恶意提供差的计算结果或恶意拖延计算时间，且假设边缘节点3为恶意节点，以及云中心节点为随机恶意节点。由图4可知正常节点的累计奖励值越来越大，说明该激励机制将促进节点参与协同计算；而恶意节点累计奖励值与正常节点累计奖励值的差值将随计算轮数越来越大，说明该激励机制将对恶意节点起到一定抑制作用。由图5可知正常节点的信誉值将逐渐提升而恶意节点的信誉值较低且有所下降，说明该信誉评估机制能够有效应对协同计算中的恶意行为且促进可信协同计算。
本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，其特征在于，包括：车载设备、边缘设备、云中心设备以及区块链系统，其中，
所述车载设备，用于采集列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息，同时将所述列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给边缘设备和云中心设备；
所述边缘设备，用于采集线路环境信息和列车运行位置信息，同时将所述线路环境信息和列车运行位置信息发送给车载设备实现列车运行协同感知，以及用于列车卸载的智能计算任务并通过无线接入点与相邻可信边缘设备完成协同计算；
所述云中心设备，用于通过聚合各车载设备和边缘设备采集信息以实现多维度全方位的线网级列车调度、客流管控和设备运维，以及用于边缘设备卸载的智能计算任务并通过骨干网与可信边缘设备完成协同计算；
所述区块链系统，用于通过各车载设备、边缘设备和云中心设备组成的区块链节点共识后将协同计算性能、协同计算奖励值以及设备信誉值交易信息永久接入到区块链，并通过激励机制和信任管理机制实现智慧轨道交通的可信协同计算；
所述激励机制为基于单次协同计算性能的评价分数Rt计算，用于参与协同计算节点的算力服务奖励，其具体计算方法为：
Figure FDA0003913650040000011
其中，rbase为基本奖励，用于维持区块链系统中参与协同计算节点的规模；Lt为当前时刻t任务计算的损失值，表示计算任务的服务质量收益；Tt为当前时刻t任务计算的时间损耗，表示计算任务的时间成本；ρ为归一化因子；ω1、ω2为权重因子；
所述信任管理机制为基于时间折旧的信誉评估计算方法，用于区块链系统组成节点的信誉评估与管理，其具体计算方法为：
Figure FDA0003913650040000012
其中，RPt为当前时刻t计算服务节点的信誉值，RPt-i为计算服务节点的历史信誉值，γ为基于时间的折旧率γt＝e-αt，α为折旧率的调整因子，n为信誉评估期限，表示信誉值会随时间消耗。
2.如权利要求1所述的面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，其特征在于，所述车载设备通过车地通信系统将列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给边缘设备。
3.如权利要求2所述的面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，其特征在于，所述车载设备通过骨干网将列车前方进路信息、车厢内乘客状况信息以及列车自身运行状态信息发送给云中心设备。
4.如权利要求3所述的面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，其特征在于，所述边缘设备通过轨旁传感器和智能巡检设备采集线路环境信息和列车运行位置信息。
5.如权利要求4所述的面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，其特征在于，智能巡检设备包括用于巡检轨道线路、车辆轮轨以及轨旁设备的智能巡检机器人和用于巡检接触网和通信基站的智能巡检无人机。
6.如权利要求5所述的面向智慧轨道交通的可信协同计算系统，其特征在于，所述边缘设备通过车地通信系统将线路环境信息和列车运行位置信息发送给车载设备。
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