区块链技术在制冷空调领域的应用：一种透明、可回溯、可信任的数据管理

2021-02-16陈焕新徐畅李正飞

制冷技术 2021年5期

陈焕新，徐畅，李正飞

（华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074）

0 引言

随着互联网与计算机的飞速发展，数据的爆发式增长为各行各业带来了机遇与挑战[1]，而大数据分析作为一种从海量数据中获取有用信息的手段便成为了近几年来的研究热门[2]，空调领域的大数据分析是一种可以从海量空调运行数据中获取相关信息以用来进行故障诊断与能耗分析预测的新方法。近几年来也涌现出不少与空调大数据分析相关的研究成果[3-7]。由于空调故障数据非常昂贵[8]，导致无法获取海量的空调运行数据用于故障诊断模型或预测模型的构建。另一方面，对于出现故障的空调，我们没有一种行之有效的方法对空调故障的具体问题进行回溯分析，从根本上解决问题并避免这种故障的再次发生。这两点因素制约着空调大数据领域的进一步发展，因此我们迫切需要一种全新的大数据管理模式与空调大数据分析相契合，以达到一种透明、可回溯、可信任的数据管理模式。

区块链作为一个共享数据库，存储于其中的数据或信息，具有“不可伪造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公开透明”、“集体维护”等特征[9]。早在2008年，SIDHU[10]指出，区块链以比特币的身份第一次进入人们的视野，在2014年以太坊平台的搭建和智能合约的引入，标志着区块链2.0时代的到来[11]，使得区块链作为一种更为先进的数据管理模式在各行各业中得到了飞速发展。在国外，AZARIA等[12]在以太坊平台上构建了一个基于区块链存储的医疗信息共享平台。美国的TansActive-Grid项目、欧洲Scanergy项目、TansActiveGrid项目和Scanergy项目都利用了区块链技术用来构建太阳能数据智能化的管理平台，用户可在平台上向其他用户出售和购买太阳能源，使每个人既是能源的生产者也是能源的消费者[13]。在国内，宋蔚等[14]将区块链技术引入了保险服务业，可以提高保险行业的服务水平并大幅度减少欺诈行为以及保险纠纷。杨现民等[15]提出了“教育+区块链”管理模式，全面分析了个体学信大数据、智能化教育淘宝平台、学位证书系统、开放教育资源新生态、网络学习社区“自组织”运行以及开发去中心化教育系统的区块链应用。

综上所述，在大数据时代，构造一个高效透明且真实可信的数据管理平台是十分有必要的，但是目前并没有区块链技术同空调大数据分析相结合的研究，为了填补这一空缺，本文提出了基于区块链技术的空调数据管理框架，旨在建立一个完全透明、可回溯且可信的去中心化数据存储平台，从而促进空调大数据的发展。

1 区块链技术概述

区块链作为一种分布式储存的共享数据库，去中心化是它最本质的特征。在中心化的存储模式中，很容易造成数据丢失、数据篡改和数据版权纠纷等问题，这些问题在很大程度上会破坏用户对中心化数据存储机构的不信任，为了避免这种情况，区块链提出了一种点对点的服务框架，数据会以超高冗余的形式分布存储在众多计算机内部，在进行验证时会由众多含有该数据的计算机对该数据进行验证，从而保证数据的真实性与不可篡改性。中心化存储模式与区块链存储模式如图1～图2所示。

图1 区块链存储模式

图2 中心化存储模式

为了进一步保证数据在存储、运输时的安全性，对公开数据的透明性和可回溯性，区块链又引入了哈希计算、非对称加密、智能合约和共识算法等技术[16]，具体的区块链技术应用流程将在第3节和第4节详述。

1.1 哈希计算

在任何数据上传至区块链平台时，每个数据背后都有明确的物理意义，这样数据会增加被篡改的风险，哈希计算又称为“数据指纹”，其特征如下：1）对于任意长度的字符可以转换成等长度的输出；2）两组十分相似字符串在经过哈希计算后可以得到完全不同的两组字符串；3）哈希计算不可逆。

因此在对数字签名、交易文件等数据进行验证时，通过哈希计算可以极大提高数据的安全性。

1.2 非对称加密

在传统的加密文件中，加密密码与解密密码往往一致，因此在对文件数据进行交易时，密码很容易在数据文件遭到不法分子的截取后进行破译，在区块链平台中，每个人都有一个自己的私钥和公钥，且私钥不会上传于网络，在数据发生交易传输的过程中，买方通过向卖方公开自己的公钥，并让卖方将交易数据通过该公钥进行加密。这种非对称加密技术就保证了数据传输过程中的绝对安全。

1.3 智能合约

1994年美国科学家尼克·萨博首次提出智能合约的概念[17]，在传统的合约机制中，由于合同通过自然语言来描述，这样在合同执行时可能会因为双方理解的不同导致纠纷，智能合约完全通过代码来书写，由代码的触发条件判断合同是否执行，这种机器语言书写的智能合约可以避免纠纷并保证相对的公平性，同时无需第三方中介的介入，也增加合约的执行效率、降低了成本。在安全性方面，由于智能合约是建立在区块链底层技术基础之上，除非合同双方同意修改，否则任何人都不能篡改合约的触发条件。

1.4 共识算法

区块链平台是一种分布式的框架，由于没有一个中心化的处理单元，在处理数据的交易转换过程中需要由一个指定的计算设备来处理并封装这个时间段所有交易信息并给予该设备一定的货币奖励，将一段时间内所有交易的封装信息叫作一个“区块”，共识算法的目的是为了选出谁负责封装区块，并让封装的区块得到所有节点的认可。在整个封装的过程中，各个区块按照时间先后呈现为链状，所以叫“区块链”。区块封装流程如图3所示。

图3 区块链数据封装流程[18]

共识算法有很多类型，其中工作量证明算法是较为常见的，此算法在运行之前会发出一个难度值和一串交易字符，难度值为一串字符（如0000），然后所有想竞选为包装区块的节点会在交易字符后面增加一个hence值来计算对应的哈希码，通过不断更改hence值来改变整个交易字符以此得到不同的哈希码，当第一个得到与难度值相匹配的哈希码的节点，在得到其他节点认证共识的情况下即会成为该区块的包装节点，具体可参考文献[18]。

2 区块链于空调产品数据回溯的应用

在空调生产和装配以及使用的过程中会涉及到众多类型的数据[19-20]，对空调生产链的溯源，是针对空调的生产链过程中涉及到的所有环节，从各部件原材料的选购、零部件加工、安全运输、工艺生产、质量检测、包装入库、批发分销到最终的实地安装等全部环节进行数据跟踪。通过追溯在空调整个生产流程的各种数据（从原材料生产商到最终消费者），在空调出现故障后，我们可以通过对整个回溯数据的分析，快速找到致使空调故障的原因和责任承担机构，进行相应高效的责任赔偿流程并有效避免因相同因素所导致的故障损失。

2.1 空调回溯过程的生产数据

为了保证区块链数据的安全性和隐私性，所有的区块链数据分为两类：公开数据和隐私数据。公开数据可在区块链平台上进行注册后即可查看，隐私数据在数据拥有者授权后可以浏览。在整个生产链的回溯过程中，零部件的原材料采购和运输属于上游部分，不同零部件的加工商按照工艺生产标准、抗震防摔能力、保温系数和毒性燃性等特点采购不同种类的合金钢、铜、铝和塑料等原材料，在对采购的原材料进行购买前，需要将订单购买原材料的详细信息和责任人的基本信息录入区块链平台并转交给原材料商，原材料商拿到订单后便会对相应原材料进行出库和运输，也需要录入出库和运输的责任人基本信息。在零部件生产商拿到原材料后便会将原材料加工成空调零部件，并将零部件运送至空调制造厂，在制造厂做出空调机组的成品后便封装入库，整个过程涉及的工艺流程数据信息、运输信息、日期地点、不同阶段的责任人信息会通过物联网实时录入区块链平台。在经销商获取产品订单后，对相应的产品进行出库操作，出库后有运输人员运输至相应地点进行安装，这个过程的经销商信息、订单信息、出库操作日期、运输人员信息和安装信息也会录入区块链平台，这样整个空调生产链中从原材料的采购到空调机组的最终安装所设计的所有数据都被如实记录在区块链平台中，任何用户在进行授权后都能对整个生产过程进行查看。其数据类别具体如表1所示。整个流程涉及到全球贸易项目代码（Global Trade Item Number，GTIN）、全球参与方位置代码（Global Location Number，GLN）、物流单元标识代码（Serial Shipping Container Code，SSCC）和批次号等属性代码。

表1 区块链回溯需求数据

2.2 空调生产链的区块链回溯框架

在对整个区块链回溯平台进行构建时，需要涉及到4类用户的使用，即普通消费者、监管部门、企业用户和平台管理员，他们的权限如图4所示。

图4 追溯平台整体功能[21]

这四类人员的权限又可由四个区块链回溯平台模块所执行（注册登录模块、数据上传加密模块、智能合约模块和共识模块）。注册登录模块负责用户的注册、登录以及激活，数据上传模块负责以物联网的方式实时将空调生产链过程中所有的需求数据记录在区块链平台上并对保密数据进行公私钥加密、智能合约模块负责处理订单类型的服务，对于货物逾期等行为自动执行对应代码，共识模块负责选出特定的封装数据节点并再完成封装后由其他节点验证并上传至网络达到数据共识。其具体框架如图5所示。

图5 空调数据回溯框架

通过区块链的空调数据回溯框架，用户可以很好查阅所使用产品从原材料的选择到最终安装的整个生产链过程中所涉及的数据，当空调发生故障时，有利于我们通过对应产品的数据回溯，找到故障点。并对该故障点涉及到的其他产品进行召回；这样可以最大程度避免因产品生产因素所导致的故障损失。

3 区块链于空调数据交易的应用

空调大数据领域的发展一直受到数据量的制约，一方面通过实验室获取的故障数据价格高昂，另一方面在用户使用空调机组的过程中所产生的大量数据往往没有得到保存，这两点使得我们很难拥有足够多的数据量去建立一个泛化能力和准确率都相对优异的故障诊断或能耗预测的模型。由于上传至区块链的数据可以保证数据交易的安全以及不可篡改的特点，故可以在区块链平台上建立专门负责数据交易的模块，以此从根本上解决在空调大数据分析中数据量不足的问题。在此之前需要构建两方面的信任，一是通过可信的物联网方式构建现实世界向区块链平台的数据连接，二是构建一个合理的数据交易框架以保证交易平台的信任。

3.1 空调领域的物联网技术

物联网技术最早是由麻省理工学院于1999年提出的网络无线射频识别系统[22]，该系统可以将所有物品通过射频识别等信息传感设备与互联网连接起来，实现智能化识别和管理。图6所示为空调物联网信息功能模型。

图6 空调物联网信息功能模型

在制冷空调领域的物联网应用中，更关注通过各种传感器采集当前的数据，并在空调内部对数据进行传输、处理和反馈等功能。而处理后的数据更多情况下是被送入缓存区并被定时清除。这种情况下往往会存在损失珍贵数据的风险，如果实时将选择后的重要监测数据上传至互联网的区块链平台，这样在空调需要检修或者出现故障时，通过分析这些数据就可以节省大量的人力成本。其相应数据也可能作为珍贵的资源被存储或售卖。

3.2 空调数据的区块链交易框架

空调数据交易框架中涉及到的用户管理模块、合约模块、共识模块都与第四章的空调数据回溯框架相同，本章不再赘述。其核心模块为数据商场和数据交易模块。任何注册用户可以将自己所拥有的空调机组与自己的账号绑定，通过物联网的方式实时将空调测量的各个数据选择性上传至区块链平台，使用加密手段并自动签订储存合约，接着生成对应的索引文件。在购买者浏览在数据商场的预览文件并选择购买后，自动签订智能合约，购买者将购买金与赔偿金打入合约后，由卖方授权对数据进行解密并自动将数据由买方的公钥加密后传输给买方，最终由买方使用自己的私钥解密浏览数据文件后自动触发智能合约，将购买金转给卖方。其具体流程如图7所示。

图7 空调数据交易框架

由于数据由传感器实时上传且不可修改，可很大程度上避免人为的恶意修改，通过该框架可建立区块链平台内的空调数据的绝对信任。身为空调的使用者在发生故障时不仅可以通过授权将数据给相关技术人员进行高效的故障排查，也可以将故障数据发布到平台进行售卖，甚至可以将空调运行数据与该空调的回溯数据综合分析，查找故障的责任承担者。这些都可以推动空调领域的智能化管理。