CN115497188A - 基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，所述包括客户端模块、服务器云端、自组网基站和机巢无人机模块；所述系统部署了联盟区块链，其中客户端、自组网基站、机巢和电源为联盟区块链的轻节点，服务器云端构成联盟区块链的全节点。本发明利用区块链技术保障数据传输与存储的安全性和可靠性。

Description

基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统及方法
技术领域
本发明涉无人机自主巡检领域，具体涉及一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统及方法。
背景技术
配电线路是电力系统的重要组成部分，其覆盖区域广、穿越区域地形复杂，所处地理、位置和环境条件非常特殊，排查工作量大。传统技术中运用最广泛的巡线方法是人工周期巡线，这种方法劳动强度大、耗时多、效率低下，风险大，并且有些线路受制于地形因素造成线路巡视异常困难。
随着近几年来无人机技术以及导航技术和无线通信技术的快速发展和不断成熟，国内外许多电力企业开始尝试采用无人机辅助进行电力系统建设。目前，无人机采集的数据在传输过程中存在信息被篡改的可能性。数据在通信过程中存在安全性低下的问题。并且数据采用中心化存储，容易受到单点攻击等。因此，采用新兴的技术找到数据安全传输与存储的新方法变得十分重要。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统及方法，解决数据安全传输与存储的问题。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，所述包括客户端模块、服务器云端、自组网基站和机巢无人机模块；所述系统部署了联盟区块链，其中客户端、自组网基站、机巢和电源为联盟区块链的轻节点，服务器云端构成联盟区块链的全节点。
进一步的，所述系统还设置了智能合约，基于联盟区块链全节点对数据的合法性进行验证，起飞命令和无人机回传数据依靠区块联盟链技术的分布式存储、P2P传输和非对称加密。
进一步的，所述服务器云端，用于接收并存储经过加密处理的起飞命令，并将起飞命令保存在智能合约中，在判定智能合约中的指令信息为起飞命令后，全节点将控制信息发送至有公网的自组网基站以及接收并储存无人机返回的执行结果数据，将无人机返回结果数据通过智能合约将数据发送至客户端。
进一步的，所述自组网基站，分为自组网有公网信号基站A和自组网无公网信号基站B；所述自组网有公网信号基站A用于接收全节点发送来的控制流信息，以及无公网自组网基站B传输来的数据；所述无公网区域的自组网基站B用于接收有公网信号基站A传输来的控制流信息，以及无公网自组网基站B将控制流信息发送给机巢，并且接收机巢无人机模块传输来的数据。
进一步的，所述机巢无人机模块用于接收无公网区域自组网基站B传输来的控制流信息，随后触发智能合约判断是否可以起飞，符合条件无人机起飞，否则命令取消；无人机起飞执行任务时，在线路自主巡检中可以不与机巢进行通信，在电量不足情况时，无人机返回到机巢即进行充电和数据传输。
进一步的，所述轻节点不参与共识，可以传输和接收数据；所述全节点不仅保存所有数据，还参与共识。
进一步的，所述客户端，配电运检员发送的起飞命令经过数字签名算法和哈希算法处理的，该信息处理包括起飞命令，还包括运检员的身份信息、时间、地点。
所述服务器云端包括数据采集层、数据网络层、数据共识层、数据合约层和数据应用层；
所述数据采集层，用于对数据信息进行采集，通过预设的哈希散列函数、非对称加密、Markle根值，对不同类型的数据进行关键信息提取，并转化成固定长度的数学进制；
所述数据网络层采用了区块链点对点式网络进行数据传输，在网络层中每个节点的地位平等并且以扁平式的拓扑结构进行交互，全节点既承担网络路由协议，又承担区块信息认证，同时还进行数据传递；轻节点对数据进行传输和接收；
所述数据共识层，封装网络节点的各类共识算法；
所述数据合约层，封装了各类算法机制、脚本代码并衍生出的更为复杂的智能合约；
所述数据应用层，封装了联盟链在智能电网数据平台中的各种应用场景，也是电网信息交互式处理平台。
进一步的，所述共识层的共识算法采用拜占庭容错共识机制进行区块共识，具体如下：
（1）所有全节点选出一个主节点，其余为从节点；主节点收集各从节点的数据集合整合成一个新的数据区块，附上主节点的数字签名和新数据区块的哈希值以备审查验证；主节点向各个从节点广播新生成的数据区块以待查验。
（2）从节点接收到数据区块后，通过主节点发送过来的区块哈希值和数字签名等信息验证数据区块的合法性和正确性，并把它们的审计结果附上各自的数字签名广播给其他从节点；
（3）从节点接收并汇总其他从节点的审计结果后，与自身的审计结果进行对比，并向主节点发送一个回复，这个回复包含从节点自身的审计结果、收到的所有审计结果、审计对比的结论，以及对应的数字签名；
（4）主节点汇总所有来源于从节点的审计回复，如果全部数据集合器都赞同当前数据区块的合法性和正确性，主节点将把该数据区块连同参与审计的从节点的证书集合，以及对应的数字签名整合后发送给所有从节点；此后，该数据区块将以时间先后的顺序存储在数据存储联盟链中，主节点也从中获得系统的奖励；
（5）假若有部分全节点不赞同当前的审计结果，主节点将分析和查验这些全节点的审计结果；若满足需求，主节点重新发送该数据区块给这部分全节点进行第二次审计，如果仍有全节点不赞同，将采取少数服从多数的原则，超过一定比例的全节点赞同该数据区块，则将该数据区块按步（4） 所提方式加载到数据存储联盟链中；同时，主节点将进一步分析个别不赞同的全节点的审计结果，判断这些全节点是否有恶意行为，及时对恶意全节点进行处理。
一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统的控制方法，包括以下步骤：
在所述数据层，配电运检员和机巢通过注册认证获得私钥、公钥以及身份证书，私钥由配电运检员和机巢唯一保存，用于解密自身公钥加密的密文，同时用来完成签名加密，公钥对外公开，用于加密明文，使用公钥加密的密文只能通过相对应私钥解密；
起飞命令和无人机采集的数据信息首先由发送方进行哈希运算，得到一个 哈希值，然后用发送方私钥对此哈希值进行签名，最后将电网数据原文件、签名串和发送方的公钥一起发送给全节点；
全节点接收到信息后，使用发送方的公钥对信息进行解密得到原始的 哈希值；
全节点对起飞命令和无人机采集的数据原文件进行预先的哈希算法运算得到另一个哈希值，接收方通过比较这两个哈希值是否一致，来验证签名的真假以及起飞命令和无人机采集的数据的完整性。
本发明与现有技术相比具有以下有益效果：
1、本发明采用联盟链系统，它采用分布式数据存储方法来保证数据的安全存储，不依赖于全局可信的第三方实体，节点间采用端到端的通信方式，分布式存储数据，从而避免了传统中心化数据存储方法的中心节点容易遭受集中式恶意攻击的风险。
2、本发明利用工作量证明机制，所有的数据都经过全节点验证，从而保证数据的合法性和真实有效性。联盟链中通过智能合约设置自动执行数据在客户端间的共享，实现数据安全有效的共享访问。
3、本发明通过联盟区块链进行数据存储和传输提高数据的安全性、便利性和可信度，实现数据的可靠传输和智能处理。
附图说明
图1是本发明系统框图；
图2是本发明一实施例中无人机数据回传流程图；
图3是本发明一实施例中联盟链架构；
图4是本发明一实施例中起飞命令流程图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
请参照图1-4，本发明提供一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，所述包括客户端模块、服务器云端、自组网基站和机巢无人机模块；所述系统部署了联盟区块链，其中客户端、自组网基站、机巢和电源为联盟区块链的轻节点，服务器云端构成联盟区块链的全节点。联盟链还设置了智能合约，基于联盟区块链全节点对数据的合法性进行验证，起飞命令和无人机回传数据依靠区块联盟链技术的分布式存储、P2P传输和非对称加密，确保执行结果不会被人为进行非法的篡改。在联盟区块链技术下，全节点对数据的合法性进行验证。基于区块链的配电线路无人机自主巡检不依赖任何信任机构或三方中介，即使系统中的部分节点遭到破坏也不会对数据的安全性造成影响。与此同时，起飞命令和无人机回传数据依靠区块联盟链技术的分布式存储、P2P传输、非对称加密、智能合约等特点，保证了数据信息的不可篡改性和可追溯性。
客户端，用于发送经数字签名算法和哈希算法处理的配电运检员起飞命令，起飞命令发送至全节点；用于接收全节点无人机返回的执行结果数据并将数据发送给配电运检员以及其他数据需求者。
服务器云端，用于接收并存储经过加密处理的起飞命令，并将起飞命令保存在智能合约中，在判定智能合约中的指令信息为起飞命令后，全节点将控制信息发送至有公网的自组网基站以及接收并储存无人机返回的执行结果数据，将无人机返回结果数据通过智能合约将数据发送至客户端。
自组网基站，分为自组网有公网信号基站A和自组网无公网信号基站B；所述自组网有公网信号基站A用于接收全节点发送来的控制流信息，以及无公网自组网基站B传输来的数据；所述无公网区域的自组网基站B用于接收有公网信号基站A传输来的控制流信息，以及无公网自组网基站B将控制流信息发送给机巢，并且接收机巢无人机模块传输来的数据。
机巢无人机模块用于接收无公网区域自组网基站B传输来的控制流信息，随后触发智能合约判断是否可以起飞，符合条件无人机起飞，否则命令取消；无人机起飞执行任务时，在线路自主巡检中可以不与机巢进行通信，在电量不足情况时，无人机返回到机巢即进行充电和数据传输。
在本实施例中，还提供一电源系统，包括无线取能、太阳能2个电能共同协同供电。电源系统主要对机巢进行充电，除此之外还对无公网自组网基站B进行充电。
优选的，轻节点不参与共识，可以传输和接收数据；所述全节点不仅保存所有数据，还参与共识。
在本实施例中，服务器云端技术框架可以分为五个层级，包括数据采集层、数据网络层、数据共识层、数据合约层和数据应用层；
所述数据采集层，用于对数据信息进行采集，通过特定的哈希散列函数、非对称加密、Markle根值等技术要素，对不同类型的数据进行关键信息提取，并转化成固定长度的数学进制；
所述数据网络层采用了区块链点对点式网络进行数据传输，在网络层中每个节点的地位平等并且以扁平式的拓扑结构进行交互，全节点既承担网络路由协议，又承担区块信息认证，同时还进行数据传递；轻节点对数据进行传输和接收；
所述数据共识层，封装网络节点的各类共识算法；工作量证明机制确保了起飞命令和无人机回传数据能够被快速认证，并要求系统中的区块基于竞争算力共同对数据进行维护。
所述数据合约层，封装了各类算法机制、脚本代码并衍生出的更为复杂的智能合约；智能合约是合约层的精髓，具有自我管理、智能运行等特点，即按照程序代码的自动触发编程来执行合约，不受人为参与和外界因素的干扰，这有效的保障了合约层的公正性并提高了电力数据处理效率。
所述数据应用层，封装了联盟链在智能电网数据平台中的各种应用场景，也是电网信息交互式处理平台。电网企业可以通过应用层实现各类电网数据信息流在企业部门之间高效运转，进而保证智能电网的正常运行。区块链技术将电网数据处理各环节紧密融合、协同优化，形成了全新体系的电网管理平台技术架构。
优选的，在本实施例中，共识层的共识算法采用拜占庭容错共识机制进行区块共识，具体如下：
（1）所有全节点选出一个主节点，其余为从节点；主节点收集各从节点的数据集合整合成一个新的数据区块，附上主节点的数字签名和新数据区块的哈希值以备审查验证；主节点向各个从节点广播新生成的数据区块以待查验。
（2）从节点接收到数据区块后，通过主节点发送过来的区块哈希值和数字签名等信息验证数据区块的合法性和正确性，并把它们的审计结果附上各自的数字签名广播给其他从节点；
（3）从节点接收并汇总其他从节点的审计结果后，与自身的审计结果进行对比，并向主节点发送一个回复，这个回复包含从节点自身的审计结果、收到的所有审计结果、审计对比的结论，以及对应的数字签名；
（4）主节点汇总所有来源于从节点的审计回复，如果全部数据集合器都赞同当前数据区块的合法性和正确性，主节点将把该数据区块连同参与审计的从节点的证书集合，以及对应的数字签名整合后发送给所有从节点；此后，该数据区块将以时间先后的顺序存储在数据存储联盟链中，主节点也从中获得系统的奖励；
（5）假若有部分全节点不赞同当前的审计结果，主节点将分析和查验这些全节点的审计结果；若满足需求，主节点重新发送该数据区块给这部分全节点进行第二次审计，如果仍有全节点不赞同，将采取少数服从多数的原则，超过一定比例的全节点赞同该数据区块，则将该数据区块按步（4） 所提方式加载到数据存储联盟链中；同时，主节点将进一步分析个别不赞同的全节点的审计结果，判断这些全节点是否有恶意行为，及时对恶意全节点进行处理。
在本实施例中，还提供一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统的控制方法，包括以下步骤：
在所述数据层，配电运检员和机巢通过注册认证获得私钥、公钥以及身份证书，私钥由配电运检员和机巢唯一保存，用于解密自身公钥加密的密文，同时用来完成签名加密，公钥对外公开，用于加密明文，使用公钥加密的密文只能通过相对应私钥解密；
起飞命令和无人机采集的数据信息首先由发送方进行哈希运算，得到一个 哈希值，然后用发送方私钥对此哈希值进行签名，最后将电网数据原文件、签名串和发送方的公钥一起发送给全节点；
全节点接收到信息后，使用发送方的公钥对信息进行解密得到原始的 哈希值；
全节点对起飞命令和无人机采集的数据原文件进行预先的哈希算法运算得到另一个哈希值，接收方通过比较这两个哈希值是否一致，来验证签名的真假以及起飞命令和无人机采集的数据的完整性。
优选的，在本实施例中，数据合约层，配电运检员以及其他参与者要事先拟定好智能合约的内容和执行合约的激活条件，并以脚本代码的形式内嵌至数据管理平台中。智能合约一旦满足触发的特定条件后，便立即对代码进行监测并自动激活合约命令，在不受任何已签署的合约条款影响下完成对无人机数据及起飞命令的分析处理。
优选的，在本实施例中，自组网基站接收到数据时，不进行验证，只进行传输。控制流信息通过有公网基站传输给无公网基站；传输数据从无公网基站传输给有公网基站。
优选的，在本实施例中，机巢无人机，无公网区域自组网基站B将控制信息传输到机巢，此时，如果无人机状态量及电量以及天气，符合飞行条件，则触发联盟链上的智能合约，机巢自动开启，无人机起飞执行任务，否则，任务终止。当无人机自组线路巡检中发生信号中断或者发生异常干扰，则自动执行返航，回到无人机巢，并且回传异常报告，有效保护无人机。机巢拥有为无人机充电、数据传输和无人机起飞、降落过程中二者之间通信的功能，但是无人机在线路自主巡检中可以不与机巢进行通信，进行盲飞。当无人机在10KV配电线路巡检中电量不足时，无人机返回到机巢即进行充电和数据传输。无人机传任务结束或异常传回的数据也是经过数字签名算法和哈希算法处理过的。
在本实施例中，系统实现的无人机自主巡检，工作流程如下：
（1）配电运检员通过客户端人工一键式发送起飞命令；
（2）起飞命令传输到服务器云端，服务器云端将控制流信息传输到自组网的有公网信号的基站A；
（3）有公网的自组网基站A通过无线自组网系统将控制信息传输到无公网区域的自组网基站B；
（4）无公网区域的自组网基站B将控制流信息传输到机巢；
（5）机巢收到起飞命令，开门，无人机飞出，然后关门，无人机开始线路自主巡检；
（6）当无人机巡检结束或电量不足飞回机巢时，无人机开始充电和数据传输；
（7）自组网基站B收到机巢传输来的数据，并将数据传输到公网区域的自主网基站A；
（8）自主网基站A将数据传输到云端；
（9）服务器云端将数据传输到客户端，配电运检员进行数据的查看；
（10）任务结束。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.一种基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述包括客户端模块、服务器云端、自组网基站和机巢无人机模块；所述系统部署了联盟区块链，其中客户端、自组网基站、机巢和电源为联盟区块链的轻节点，服务器云端构成联盟区块链的全节点。
2.根据权利要求1所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述系统还设置了智能合约，基于联盟区块链全节点对数据的合法性进行验证，起飞命令和无人机回传数据依靠区块联盟链技术的分布式存储、P2P传输和非对称加密。
3.根据权利要求2所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述服务器云端，用于接收并存储经过加密处理的起飞命令，并将起飞命令保存在智能合约中，在判定智能合约中的指令信息为起飞命令后，全节点将控制信息发送至有公网的自组网基站以及接收并储存无人机返回的执行结果数据，将无人机返回结果数据通过智能合约将数据发送至客户端。
4.根据权利要求2所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述自组网基站，分为自组网有公网信号基站A和自组网无公网信号基站B；所述自组网有公网信号基站A用于接收全节点发送来的控制流信息，以及无公网自组网基站B传输来的数据；所述无公网区域的自组网基站B用于接收有公网信号基站A传输来的控制流信息，以及无公网自组网基站B将控制流信息发送给机巢，并且接收机巢无人机模块传输来的数据。
5.根据权利要求2所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述机巢无人机模块用于接收无公网区域自组网基站B传输来的控制流信息，随后触发智能合约判断是否可以起飞，符合条件无人机起飞，否则命令取消；无人机起飞执行任务时，在线路自主巡检中可以不与机巢进行通信，在电量不足情况时，无人机返回到机巢即进行充电和数据传输。
6.根据权利要求2所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述轻节点不参与共识，可以传输和接收数据；所述全节点不仅保存所有数据，还参与共识。
7.根据权利要求2所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述客户端，配电运检员发送的起飞命令经过数字签名算法和哈希算法处理的，该信息处理包括起飞命令，还包括运检员的身份信息、时间、地点。
8.根据权利要求2所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述服务器云端包括数据采集层、数据网络层、数据共识层、数据合约层和数据应用层；
所述数据采集层，用于对数据信息进行采集，通过预设的哈希散列函数、非对称加密、Markle根值，对不同类型的数据进行关键信息提取，并转化成固定长度的数学进制；
所述数据网络层采用了区块链点对点式网络进行数据传输，在网络层中每个节点的地位平等并且以扁平式的拓扑结构进行交互，全节点既承担网络路由协议，又承担区块信息认证，同时还进行数据传递；轻节点对数据进行传输和接收；
所述数据共识层，封装网络节点的各类共识算法；
所述数据合约层，封装了各类算法机制、脚本代码并衍生出的更为复杂的智能合约；
所述数据应用层，封装了联盟链在智能电网数据平台中的各种应用场景，也是电网信息交互式处理平台。
9.根据权利要求8所述的基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统，其特征在于，所述共识层的共识算法采用拜占庭容错共识机制进行区块共识，具体如下：
（1）所有全节点选出一个主节点，其余为从节点；主节点收集各从节点的数据集合整合成一个新的数据区块，附上主节点的数字签名和新数据区块的哈希值以备审查验证；主节点向各个从节点广播新生成的数据区块以待查验;
（2）从节点接收到数据区块后，通过主节点发送过来的区块哈希值和数字签名等信息验证数据区块的合法性和正确性，并把它们的审计结果附上各自的数字签名广播给其他从节点；
（3）从节点接收并汇总其他从节点的审计结果后，与自身的审计结果进行对比，并向主节点发送一个回复，这个回复包含从节点自身的审计结果、收到的所有审计结果、审计对比的结论，以及对应的数字签名；
（4）主节点汇总所有来源于从节点的审计回复，如果全部数据集合器都赞同当前数据区块的合法性和正确性，主节点将把该数据区块连同参与审计的从节点的证书集合，以及对应的数字签名整合后发送给所有从节点；此后，该数据区块将以时间先后的顺序存储在数据存储联盟链中，主节点也从中获得系统的奖励；
（5）假若有部分全节点不赞同当前的审计结果，主节点将分析和查验这些全节点的审计结果；若满足需求，主节点重新发送该数据区块给这部分全节点进行第二次审计，如果仍有全节点不赞同，将采取少数服从多数的原则，超过一定比例的全节点赞同该数据区块，则将该数据区块按步（4） 所提方式加载到数据存储联盟链中；同时，主节点将进一步分析个别不赞同的全节点的审计结果，判断这些全节点是否有恶意行为，及时对恶意全节点进行处理。
10.一种根据权利要求8所述基于区块链的配电线路无人机自主巡检系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
在所述数据层，配电运检员和机巢通过注册认证获得私钥、公钥以及身份证书，私钥由配电运检员和机巢唯一保存，用于解密自身公钥加密的密文，同时用来完成签名加密，公钥对外公开，用于加密明文，使用公钥加密的密文只能通过相对应私钥解密；
起飞命令和无人机采集的数据信息首先由发送方进行哈希运算，得到一个 哈希值，然后用发送方私钥对此哈希值进行签名，最后将电网数据原文件、签名串和发送方的公钥一起发送给全节点；
全节点接收到信息后，使用发送方的公钥对信息进行解密得到原始的 哈希值；
全节点对起飞命令和无人机采集的数据原文件进行预先的哈希算法运算得到另一个哈希值，接收方通过比较这两个哈希值是否一致，来验证签名的真假以及起飞命令和无人机采集的数据的完整性。
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