一种基于区块链的通用数字孪生服务接入方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及数字孪生技术领域，提出一种基于区块链的通用数字孪生服务接入方法及系统，系统包括：区块链网络

【技术实现步骤摘要】
一种基于区块链的通用数字孪生服务接入方法及系统


[0001]本专利技术涉及数字孪生的
，更具体地，涉及一种基于区块链的通用数字孪生服务接入方法及系统
。

技术介绍

[0002]区块链技术是一种分布式账本技术，通过多个网络节点对同一交易的共识，实现了去中心化的数据安全，目前已得到广泛应用
。
数字孪生技术是工业物联网的重要新兴技术，能够极大提高物联网的管理效率和运作效率
。
区块链与数字孪生的综合应用是近年来信息科学研究的热门领域，区块链技术使得数字孪生具有分布安全的特性，具有重大研究前景
。
但目前相关的研究仍停留在初级阶段，即使对二者进行了集成，所集成的系统也并没有针对性地考虑这两种技术的特点而进行优化，因此存在性能低下
、
可扩展性差
、
安全性不足
、
开发成本高昂
、
缺乏一致接口等问题
。
[0003]现有技术提出了一种基于数字孪生和区块链的高效可信能源数据处理方法，该方法包括以下步骤：首先，按照初始的频率采集不同设备的能源数据，并打包上传，经解析和重封装后上传至边缘云提取波动敏感数据存储，用于构建数字孪生模型；然后，构建
SEM
模型计算实时最优采集频率反馈给各数据源设备动态闭环调整
。
最后，根据边缘云数据生成目录存入区块链节点中，访问方发出请求，经收集方同意后创建智能合约，访问方签订并提供公钥；区块链节点根据目录获取数据位置，并按照定位在云平台上获取原始数据
。
收集方用公钥加密原始数据并上传至智能合约，访问方利用本地保留的私钥解密数据后即可使用
。
[0004]现有技术提出的方法将智能合约作为数据存储空间和数据访问接口，以此为媒介将虚拟实体的数据记录在区块链网络上
。
这种方式没有考虑到数字孪生系统的特性，因此在实际应用过程中，区块链网络上的虚拟孪生体存在许多问题，包括数据结构无法扩展
、
不具备智能
、
数据同步效率低下
、
安全性和隐私性无法保证等；另外，采用该方法进行开发时，若是不同组织的开发方法存在差异，会产生不同的数字孪生系统，且不同的数字孪生系统无法兼容，并且难以在性能
、
安全等方面达到最佳
。
[0005]综上所述，现有技术的基于区块链的数字孪生系统存在着数据结构无法扩展
、
不具备智能
、
数据同步效率低下
、
安全性
、
隐私性无法保证等性能问题，以及不同的数字孪生系统无法兼容的兼容性问题
。

技术实现思路

[0006]本专利技术为克服上述现有技术所述的性能差和兼容性差的缺陷，提供一种性能及兼容性优良的基于区块链的通用数字孪生服务接入方法及系统
。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：
[0008]一种基于区块链的通用数字孪生服务接入系统，系统包括：区块链网络
、
传感器网络
、
反向代理服务器
、
事件处理服务器和用户终端；
[0009]所述区块链网络具有若干个区块链节点，且所述区块链网络上部署有智能合约，所述智能合约上设有虚拟孪生体模型；
[0010]所述传感器网络包括若干个传感器
、
若干个网关和若干个执行器；所述传感器用于采集物理实体的状态信息，并将物理实体的状态信息编码转化为数字信号；所述网关利用虚拟孪生体模型，对数字信号进行编码
、
封装打包和签名，并对执行器发送执行信号；所述执行器用于执行物理动作；所述区块链节点运行智能合约，向虚拟孪生体模型写入状态信息；
[0011]所述反向代理服务器用于在每次网关对区块链节点发出连接请求时，在所有区块链节点中选出一个可用性最高的区块链节点，并将网关的连接请求转发至区块链节点；
[0012]所述事件处理服务器用于在区块链节点对智能合约执行完毕后，向区块链网络外发送虚拟孪生体更新通告；
[0013]所述用户终端连接区块链网络，用于从区块链网络中读取虚拟孪生体的信息
。
[0014]本专利技术还提出了一种基于区块链的通用数字孪生服务接入方法，应用上述的基于区块链的通用数字孪生服务接入系统
。
所述方法包括以下步骤：
[0015]S1
：初始化通用数字孪生服务接入系统
、
数字孪生体模型及物理实体；
[0016]S2
：通过传感器网络采集物理实体的状态信息，并利用虚拟孪生体模型，在传感器网络中，对物理实体的状态信息进行编码
、
封装打包和签名，得到实体状态信息包；
[0017]S3
：利用反向代理服务器，将实体状态信息包发送至区块链网络的区块链节点，区块链节点提取实体状态信息包的交易信息后，验证交易信息；在区块链节点中运行智能合约，使通过验证的交易信息中包含的物理实体的状态信息写入区块链网络上的虚拟孪生体；
[0018]S4
：智能合约执行完毕后，利用事件处理服务器向区块链网络外发送虚拟孪生体更新通告；利用虚拟孪生体更新通告，同步虚拟孪生体的信息与物理实体的信息；
[0019]S5
：用户终端利用智能合约提供的接口，查询区块链网络上的虚拟孪生体的信息，或修改虚拟孪生体模型；
[0020]S6:
循环步骤
S2
～
S5
，直至区块链上数字孪生服务结束
。
[0021]本专利技术还提出了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机可读指令，其中所述计算机可读指令被所述处理器执行时，使得所述处理器执行本专利技术提出的基于区块链的通用数字孪生服务接入方法的步骤
。
[0022]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0023]本专利技术利用智能合约中的数字孪生引擎将物理实体的状态信息写入虚拟孪生体中，由于数字孪生引擎支持功能的横向扩展或竖向扩展
、
能够实现智能行为，且不存在兼容性的问题，因此本专利技术的虚拟孪生体的性能较好，适用性较广；利用区块链节点验证交易信息，仅将通过验证的交易信息中包含的物理实体的状态信息写入虚拟孪生体，能够提高虚拟孪生体的安全性，利用事件处理服务器，使虚拟孪生体的信息与物理实体的信息同步，能够有效提高数据同步的效率，进而提升虚拟孪生体的性能
。
附图说明
[0024]图1为实施例1的基于区块链的通用数字孪生服务接入系统的结构框图；
[0045]本实施例提出一种基于区块链的通用数字孪生服务接入方法，应用实施例1提出的一种基于区块链的通用数字孪生服务接入系统，图2为本实施例的基于区块链的通用数字孪生服务接入方法的流程示意图，所述方法包括以下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种基于区块链的通用数字孪生服务接入系统，其特征在于，系统包括：区块链网络
、
传感器网络
、
反向代理服务器
、
事件处理服务器和用户终端；所述区块链网络具有若干个区块链节点，且所述区块链网络上部署有智能合约，所述智能合约上设有虚拟孪生体模型；所述传感器网络包括若干个传感器
、
若干个网关和若干个执行器；所述传感器用于采集物理实体的状态信息，并将物理实体的状态信息编码转化为数字信号；所述网关利用虚拟孪生体模型，对数字信号进行编码
、
封装打包和签名，并对执行器发送执行信号；所述执行器用于执行物理动作；所述区块链节点运行智能合约，向虚拟孪生体模型写入状态信息；所述反向代理服务器用于在每次网关对区块链节点发出连接请求时，在所有区块链节点中选出一个可用性最高的区块链节点，并将网关的连接请求转发至区块链节点；所述事件处理服务器用于在区块链节点对智能合约执行完毕后，向区块链网络外发送虚拟孪生体更新通告；所述用户终端连接区块链网络，用于从区块链网络中读取虚拟孪生体的信息
。2.
一种基于区块链的通用数字孪生服务接入方法，所述方法基于权利要求1所述的基于区块链的通用数字孪生服务接入系统实现，其特征在于，包括以下步骤：
S1
：初始化通用数字孪生服务接入系统
、
数字孪生体模型及物理实体；
S2
：通过传感器网络采集物理实体的状态信息，并利用虚拟孪生体模型，在传感器网络中，对物理实体的状态信息进行编码
、
封装打包和签名，得到实体状态信息包；
S3
：利用反向代理服务器，将实体状态信息包发送至区块链网络的区块链节点，区块链节点提取实体状态信息包的交易信息后，验证交易信息；在区块链节点中运行智能合约，通过验证的交易信息中包含的物理实体的状态信息写入区块链网络上的虚拟孪生体；
S4
：智能合约执行完毕后，利用事件处理服务器向区块链网络外发送虚拟孪生体更新通告；利用虚拟孪生体更新通告，同步虚拟孪生体的信息与物理实体的信息；
S5
：用户终端利用智能合约提供的接口，查询区块链网络上的虚拟孪生体的信息，或修改虚拟孪生体模型；
S6:
循环步骤
S2
～
S5
，直至区块链上数字孪生服务结束
。3.
根据权利要求2所述的基于区块链的通用数字孪生服务接入方法，其特征在于，初始化通用数字孪生服务接入系统的操作包括：对传感器网络
、
区块链网络
、
反向代理服务器和事件处理服务器进行初始化；对传感器网络进行初始化的操作为：配置传感器网络可信环境
、
设置传感器网络参数
、
启动网关设备和启动传感器设备；所述网关设备为任意接入互联网或区块链网络的计算机系统；所述区块链网络为联盟链架构的分布式网络，区块链网络中的区块链节点为矿工节点，每个矿工节点支持基于以太坊虚拟机，执行部署在区块链网络上的智能合约；所述智能合约基于
Solidity
语言编写，智能合约中包含数字孪生接口函数
、
数字孪生接口函数对应的数据同步接口，以及数字孪生引擎；对区块链网络进行初始化的操作为：启动配置区块链网络可信环境
、
设置区块链网络参数和启动区块链网络；对反向代理服务器进行初始化的操作包括：设置反向代理服务器参数；
对事件处理服务器进行初始化的操作包括：设置事件处理服务器参数；对传感器网络
、
区块链网络
、
反向代理服务器和事件处理服务器进行初始化后，将虚拟孪生体模型上传至区块链网络；在区块链网络中，利用虚拟孪生体模型和部署在区块链网络上的智能合约中的数字孪生引擎，对区块链网络上的虚拟孪生体进行初始化
。4.
根据权利要求3所述的基于区块链的通用数字孪生服务接入方法，其特征在于，在对区块链网络上的虚拟孪生体进行初始化前，将虚拟孪生体模型上传至智能合约中的数字孪生引擎；所述数字孪生引擎虚拟孪生引擎支持功能的横向扩展或竖向扩展，数字孪生引擎的主体为由物理实体数据智能合约连接而成的有向无环图结构，每个物理实体数据智能合约对应有向无环图结构的每个节点；所述有向无环图结构为虚拟孪生体的载体，在区块链网络上记录了有向无环图节点的拓扑
、
数据
、
哈希校验值和智能行为；所述物理实体数据智能合约为与物理实体的数据相结合的智能合约，每个物理实体数据智能合约的实体对应每个物理实体，每个物理实体数据智能合约的实体包含一个数据插槽
、
一个哈希值和一个有序映射表；其中，每个物理实体数据智能合约的实体中的数据插槽对应每个有向无环图节点的数据，每个物理实体数据智能合约的实体中的哈希值对应每个有向无环图节点的哈希校验值，每个物理实体数据智能合约的实体中的有序映射表对应每个智能行为；其中，有向无环图结构中的第
k
个图节点的表达式为：
Entity
k
＝
{(D
k
，
H
k
，
{child
i
}
k
)|k∈Z
*
}{child
i
}
k
＝
{child1，
child2，
...
，
child
n
}
式中，
Z
*
表示非零整数，
D
k
表示第
k
个图节点的数据，
H
k
表示第
k
个图节点的哈希值，
{child
i
}
k
表示第
k
个图节点的子节点集合，
child
i
和
child
n
分别表示第
k
个图节点的第
i
个子节点和第
n
个子节点；
Encode
表示编码及序列化操作，
Keccak256
表示进行
keccak256
哈希运算，表示第
k
个图节点的第
i
个子节点的哈希值
。5.
根据权利要求4所述的基于区块链的通用数字孪生服务接入方法，其特征在于，通过
S2
步骤计算得到的实体状态信息包的计算表达式为：
Tx
lk
＝
Sign(Call(Serialize(Encode
Model
({d
i
}
，
M)))
，
t
k
，
Prikey
l
)
式中，
Tx
lk
表示网关设备
l
在时间戳
t
k
发生的交易，
Prikey
l
表示网关设备
l
的私钥，
Encode
Model
表示利用虚拟孪生体模型进行的模型编码操作，
Serialize
表示序列化操作，
Call
表示对智能合约的调用...

【专利技术属性】
技术研发人员：房若宸，孙兴华，詹文，刘京京，姜园，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：