CN116132468A - 基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，包括应用模块、监管模块、客户端模块、服务器云端模块、自组网基站、机巢无人机模块和电源模块；基于混合区块链技术将服务器云端模块设为混合区块链的全节点，将监管模块、客户端、自组网基站和机巢无人机模块设为混合区块链的轻节点，构建混合区块链系统。本发明采用混合区块链，通过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，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。

Description

基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统

技术领域

本发明涉及无人机自主巡检领域，具体涉及一种基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统。

背景技术

输配电线路分布广泛、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，造成电力系统运维管理难度大。传统的人工巡检效率低、劳动强度大、耗时多、成本高、精度低，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。无人机技术支持下的配电线路巡检克服了巡检区域跨度大、地形复杂、自然环境恶劣、故障巡检精度更高，有利于及时掌握配电线路整体运行情况。但是由于无人机网络易受到各种安全威胁和攻击，包括被动窃听、数据篡改、伪造身份等。除此之外，无人机数据存储采用中心化数据存储，这种中心化的数据存储方式面临集中式恶意攻击、中心节点单点失效、数据中心的存储数据被恶意篡改等信息安全问题。针对这些安全挑战，迫切需要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混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，旨在解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，包括应用模块、监管模块、客户端模块、服务器云端模块、自组网基站、机巢无人机模块和电源模块；基于混合区块链技术将服务器云端模块设为混合区块链的全节点，将监管模块、客户端、自组网基站和机巢无人机模块设为混合区块链的轻节点，构建混合区块链系统。

进一步的，所述混合区块链系统包括联盟链和私有链；所述联盟链用于对等待加入的配电运检员进行身份验证，记录所有起飞命令信息、无人机回传数据以及不同区域数据信息的共享；所述私有链用于每个联盟链节点自身数据的存储，保证数据的安全性以及提高共识效率。

进一步的，每个联盟链节点都构建自己彼此独立的私有链，当不同联盟链节点之间发生数据交互时，由联盟链节点选择存储在自己私有链中的数据，然后将数据上传到联盟链。

进一步的，采用拜占庭容错共识机制进行区块共识，利用非对称加密技术对数据进行处理，保证数据安全及可验证。

进一步的，拜占庭容错共识机制，具体包括如下：

步骤1：联盟链中的节点最快计算出有效工作量证明的成为当前共识过程的主节点，其余将成为从节点；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；

步骤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，以实现从节点间的相互监督和共同查验；

步骤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；

步骤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。

步骤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。必要时，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骤 4 所提方式加载到数据存储联盟链中。:

进一步的，所述混合区块链系统中部署了智能合约，智能合约由联盟链中的成员指定，事先设置好合约条件，部署在混合区块链上。

进一步的，运检员或机巢无人机模块需要经过身份认证，通过认证后获取用于加密数据的假名集合及其证书；所述配电运检员和机巢无人机模块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无人机模块唯一保存，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。

进一步的，所述联盟链全节点接收经身份证书和数字签名处理过的数据，保证数据来源的可靠性；所述联盟链全节点利用相应的签名算法和哈希算法进行验证，并在验证通过后存储。

进一步的，运检员和不同区域思维数据需求者向联盟链全节点发送其所需数据访问请求，该请求信息包括访问数据的索引值、访问数据的目和时间戳，并且用全节点的公钥对其进行加密处理。全节点验证运检员和不同区域数据需求者的身份是否合法，若合法，根据设定的智能合约自动共享数据。

一种无人机控制方法，包括以下步骤：

S1，运检员发送经过加密的起飞命令；

S2，监管节点判断起飞命令是否符合飞行条件，符合起飞命令信息传输给服务器云端；

S3，服务器云端再验证数据来源的真假性；

S4，当起飞命令造假时，命令无效结束；

S5，当起飞命令验证通过时，全节点将控制流信息发送到有公网的自组网基站A；

S6，有公网的自组网基站A将控制流信息发送到无公网的自组网基站B；

S7，无公网的自组网基站B将控制流信息传输到机巢；

S8，机巢接收控制流信息并触发智能合约判断是否满足飞行条件；

S9，当不满足起飞条件时，触发智能合约，任务取消；

S10，当满足起飞条件，触发智能合约，机巢开门，无人机起飞自主巡检；

S11，无人机在配电线路巡检中电量不足时或巡检完毕，无人机返回到机巢即进行充电和数据传输；

S12，机巢将数据传输到无公网的自组网基站B；

S13，无公网的自组网基站B将数据传输有公网的自组网基站A；

S14，全节点验证来源数据的可靠性；

S15，当数据存在造假或被篡改，此次数据收集任务无效，任务结束；

S16，当数据真实有效，根据设置的智能合约，运检员获得相应的数据；

S17，任务结束。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明采用混合区块链，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，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。混合区块链中所有的数据都经过联盟链节点验证，从而保证数据的合法性和真实有效性。并且通过部署智能合约实现数据安全有效的共享访问以及起飞任务的自动执行。

附图说明

图1是本发明整体框架图；

图2是本发明一实施例中起飞命令流程图；

图3是本发明一实施例中混合区块链架构

图4是本发明一实施例中无人机回传流程图。

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混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，包括应用模块、监管模块、客户端模块、服务器云端模块、自组网基站、机巢无人机模块和电源模块；基于混合区块链技术将服务器云端模块设为混合区块链的全节点，将监管模块、客户端、自组网基站和机巢无人机模块设为混合区块链的轻节点，构建混合区块链系统。

优选的，在本实施例中，应用模块：用于飞行计划管理、巡检影像实时展示、三维路径实时展示、线路隐患管理和飞行状态监控。监管模块：用于无人机飞行计划的校验以及所有混合区块链节点的监控。客户端模块：用于接收配电运检员发送的命令信息以及服务器云端传输发送的数据。服务器云端模块，对起飞命令以及无人机传回的数据进行验证存储，保证数据的安全性和稳定性。并且部署智能合约，设置数据查询权限，实现数据的部分公开和保密。自组网基站模块，分为自组网有公网信号基站和自组网无公网信号基站。用于接收传输控制流信息和无人机收集的数据。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执行任务，否则命令取消。 电源系统，为无人机机巢和无公网自组网基站供电。电源模块包括无线取能、太阳能2个电能共同协同供电。

优选的，在本实施例中，混合区块链系统包括联盟链和私有链；所述联盟链用于对等待加入的配电运检员进行身份验证，记录所有起飞命令信息、无人机回传数据以及不同区域数据信息的共享；所述私有链用于每个联盟链节点自身数据的存储，保证数据的安全性以及提高共识效率。混合区块链系统中部署了智能合约。提前制定好智能合约中的所有预先条件，智能合约自动执行，确保执行结果不会被人为进行篡改。每个联盟链节点都构建自己彼此独立的私有链，当不同联盟链节点之间发生数据交互时，由联盟链节点选择存储在自己私有链中的数据，然后将数据上传到联盟链。

在本实施例中，系统架构包括数据采集层、数据网络层、数据共识层、数据合约层、数据应用层和数据共享层。

数据层，数据层是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。

数据网络层，数据的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。

数据共识层，共识层主要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。

数据合约层，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。

数据应用层，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。

数据共享层，不同区域的数据可共享。

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、身份证书和联盟链用来完成数据加密。联盟链节点接收到信息后，对信息进行验证

优选的，在本实施例中，采用拜占庭容错共识机制进行区块共识，利用非对称加密技术对数据进行处理，保证数据安全及可验证，具体包括如下：

步骤1：联盟链中的节点最快计算出有效工作量证明的成为当前共识过程的主节点，其余将成为从节点；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；

步骤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，以实现从节点间的相互监督和共同查验；

步骤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；

步骤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。

步骤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。必要时，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骤 4 所提方式加载到数据存储联盟链中。

在本实施例中，当轻节点1向轻节点2请求共享数据时，轻节点2首先查验轻节点1身份，与轻节点1达成共识后，轻节点1制定访问约束条件，然后智能合约根据轻节点2提供的私钥将数据解密，并依据约束条件输出对应结果，在输出数据给轻节点1之前，使用轻节点1提供的公钥对数据进行加密，轻节点1再通过自身私钥进行解密。包括：

（1）共享访问请求，轻节点1向轻节点2发出数据共享请求，请求中包含数据访问目的、时间和次数等信息。轻节点2查验轻节点1身份后，针对轻节点1制定访问约束条件 ( 例如数据共享范围、时效、次数等)，授权访问，并把这些条件和被访问数据块对应的私钥发送给邻近节点联盟链节点；

智能合约执行。联盟链节点验证信息后，开始执行智能合约，根据节点设定的访问约束条件，锁定脚本，并根据提供的对称密钥，解密所共享的数据，使用访问节点的公钥对共享数据进行非对称加密，输出结果；

（2）共享数据发送，假若数据访问轻节点1和被访问轻节点2在同一个联盟链节点覆盖范围内，则联盟链节点直接把数据发送给数据访问轻节点1；否则，由当前执行智能合约的节点把加密结果发送到访问轻节点2的邻近临近联盟链节点；

（3）访问指定数据，数据访问轻节点1收到数据后，通过自身私钥解密数据，并进行数据读取访问。

优选的，在本实施例中，电源系统采用蓄电池进行电量储存。蓄电池储能包括无线取能、太阳能2个电能协同供电，包括：

在光照充足的时候，太阳能产生的电能一部分对负载供电，一部分对蓄电池进行电量储存；

在夜间、雨季和冬季时，则通过无线取能与太阳能协同作用，保证了蓄电池供电的可靠性；

优选的，在本实施例中，运检员或机巢无人机模块需要经过身份认证，通过认证后获取用于加密数据的假名集合及其证书；所述配电运检员和机巢无人机模块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无人机模块唯一保存，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。

优选的，在本实施例中，所述联盟链全节点接收经身份证书和数字签名处理过的数据，保证数据来源的可靠性；所述联盟链全节点利用相应的签名算法和哈希算法进行验证，并在验证通过后存储。

优选的，在本实施例中，运检员和不同区域思维数据需求者向联盟链全节点发送其所需数据访问请求，该请求信息包括访问数据的索引值、访问数据的目和时间戳，并且用全节点的公钥对其进行加密处理。全节点验证运检员和不同区域数据需求者的身份是否合法，若合法，根据设定的智能合约自动共享数据。

在本实施例中，还提供一种无人机控制方法，包括以下步骤：

S1，运检员发送经过加密的起飞命令；

S2，监管节点判断起飞命令是否符合飞行条件，符合起飞命令信息传输给服务器云端；

S3，服务器云端再验证数据来源的真假性；

S4，当起飞命令造假时，命令无效结束；

S5，当起飞命令验证通过时，全节点将控制流信息发送到有公网的自组网基站A；

S6，有公网的自组网基站A将控制流信息发送到无公网的自组网基站B；

S7，无公网的自组网基站B将控制流信息传输到机巢；

S8，机巢接收控制流信息并触发智能合约判断是否满足飞行条件；

S9，当不满足起飞条件时，触发智能合约，任务取消；

S10，当满足起飞条件，触发智能合约，机巢开门，无人机起飞自主巡检；

S11，无人机在配电线路巡检中电量不足时或巡检完毕，无人机返回到机巢即进行充电和数据传输；

S12，机巢将数据传输到无公网的自组网基站B；

S13，无公网的自组网基站B将数据传输有公网的自组网基站A；

S14，全节点验证来源数据的可靠性；

S15，当数据存在造假或被篡改，此次数据收集任务无效，任务结束；

S16，当数据真实有效，根据设置的智能合约，运检员获得相应的数据；

S17，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)

1.一种基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，包括应用模块、监管模块、客户端模块、服务器云端模块、自组网基站、机巢无人机模块和电源模块；基于混合区块链技术将服务器云端模块设为混合区块链的全节点，将监管模块、客户端、自组网基站和机巢无人机模块设为混合区块链的轻节点，构建混合区块链系统。

2.根据权利要求1所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，所述混合区块链系统包括联盟链和私有链；所述联盟链用于对等待加入的配电运检员进行身份验证，记录所有起飞命令信息、无人机回传数据以及不同区域数据信息的共享；所述私有链用于每个联盟链节点自身数据的存储，保证数据的安全性以及提高共识效率。

3.根据权利要求2所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，每个联盟链节点都构建自己彼此独立的私有链，当不同联盟链节点之间发生数据交互时，由联盟链节点选择存储在自己私有链中的数据，然后将数据上传到联盟链。

4.根据权利要求1所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，采用拜占庭容错共识机制进行区块共识，利用非对称加密技术对数据进行处理，保证数据安全及可验证。

5.根据权利要求4所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，拜占庭容错共识机制，具体包括如下：

步骤1：联盟链中的节点最快计算出有效工作量证明的成为当前共识过程的主节点，其余将成为从节点；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；

步骤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，以实现从节点间的相互监督和共同查验；

步骤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；

步骤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;

步骤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;

必要时，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骤 4 所提方式加载到数据存储联盟链中。

6.根据权利要求1所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，所述混合区块链系统中部署了智能合约，智能合约由联盟链中的成员指定，事先设置好合约条件，部署在混合区块链上。

7.根据权利要求2所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，运检员或机巢无人机模块需要经过身份认证，通过认证后获取用于加密数据的假名集合及其证书；所述配电运检员和机巢无人机模块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无人机模块唯一保存，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。

8.根据权利要求2所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，所述联盟链全节点接收经身份证书和数字签名处理过的数据，保证数据来源的可靠性；所述联盟链全节点利用相应的签名算法和哈希算法进行验证，并在验证通过后存储。

9.根据权利要求2所述的基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统，其特征在于，运检员和不同区域思维数据需求者向联盟链全节点发送其所需数据访问请求，该请求信息包括访问数据的索引值、访问数据的目和时间戳，并且用全节点的公钥对其进行加密处理;全节点验证运检员和不同区域数据需求者的身份是否合法，若合法，根据设定的智能合约自动共享数据。

10.一种基于权利要求1-9任一所述基于混合区块链的配电线路无人机自主巡检数据共享系统的无人机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，运检员发送经过加密的起飞命令；

S2，监管节点判断起飞命令是否符合飞行条件，符合起飞命令信息传输给服务器云端；

S3，服务器云端再验证数据来源的真假性；

S4，当起飞命令造假时，命令无效结束；

S5，当起飞命令验证通过时，全节点将控制流信息发送到有公网的自组网基站A；

S6，有公网的自组网基站A将控制流信息发送到无公网的自组网基站B；

S7，无公网的自组网基站B将控制流信息传输到机巢；

S8，机巢接收控制流信息并触发智能合约判断是否满足飞行条件；

S9，当不满足起飞条件时，触发智能合约，任务取消；

S10，当满足起飞条件，触发智能合约，机巢开门，无人机起飞自主巡检；

S11，无人机在配电线路巡检中电量不足时或巡检完毕，无人机返回到机巢即进行充电和数据传输；

S12，机巢将数据传输到无公网的自组网基站B；

S13，无公网的自组网基站B将数据传输有公网的自组网基站A；

S14，全节点验证来源数据的可靠性；

S15，当数据存在造假或被篡改，此次数据收集任务无效，任务结束；

S16，当数据真实有效，根据设置的智能合约，运检员获得相应的数据；

S17，任务结束。

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