一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统技术方案

本发明专利技术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。采用本发明专利技术的技术方案，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。的算力困境。的算力困境。

A trusted collaborative computing system for smart rail transit

【技术实现步骤摘要】
一种面向智慧轨道交通的可信协同计算系统


[0001]本专利技术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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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：
[0004](1)缺乏高效的协同计算机制
[0005]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。
[0006](2)缺少可信的信任管理机制
[0007]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。

技术实现思路

[0008]本专利技术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。
[0009]为了实现上述目的，本专利技术采取了如下技术方案：
[0010]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，
[0011]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；
[0012]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；
[0013]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；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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R
t
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：
[0021][0022]其中，r
base
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；L
t
为任务计算的损失值，表示计算任务的服务质量收益；T
t
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。
[0023]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：
[0024][0025]其中，RP
t
为当前时刻t计算服务节点的信誉值，RP
t
‑
i
为计算服务节点的历史信誉值，γ为基于时间的折旧率γ
t
＝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。
[0026]本专利技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱力，梁豪，唐涛，王悉，王洪伟，文韬，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：