區(qū)塊鏈技術(shù)在制冷空調(diào)領(lǐng)域的應(yīng)用：一種透明、可回溯、可信任的數(shù)據(jù)管理

陳煥新，徐暢，李正飛

（華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，湖北武漢 430074）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)與計(jì)算機(jī)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)的爆發(fā)式增長為各行各業(yè)帶來了機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1]，而大數(shù)據(jù)分析作為一種從海量數(shù)據(jù)中獲取有用信息的手段便成為了近幾年來的研究熱門[2]，空調(diào)領(lǐng)域的大數(shù)據(jù)分析是一種可以從海量空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)中獲取相關(guān)信息以用來進(jìn)行故障診斷與能耗分析預(yù)測的新方法。近幾年來也涌現(xiàn)出不少與空調(diào)大數(shù)據(jù)分析相關(guān)的研究成果[3-7]。由于空調(diào)故障數(shù)據(jù)非常昂貴[8]，導(dǎo)致無法獲取海量的空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)用于故障診斷模型或預(yù)測模型的構(gòu)建。另一方面，對于出現(xiàn)故障的空調(diào)，我們沒有一種行之有效的方法對空調(diào)故障的具體問題進(jìn)行回溯分析，從根本上解決問題并避免這種故障的再次發(fā)生。這兩點(diǎn)因素制約著空調(diào)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展，因此我們迫切需要一種全新的大數(shù)據(jù)管理模式與空調(diào)大數(shù)據(jù)分析相契合，以達(dá)到一種透明、可回溯、可信任的數(shù)據(jù)管理模式。

區(qū)塊鏈作為一個(gè)共享數(shù)據(jù)庫，存儲于其中的數(shù)據(jù)或信息，具有“不可偽造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公開透明”、“集體維護(hù)”等特征[9]。早在2008年，SIDHU[10]指出，區(qū)塊鏈以比特幣的身份第一次進(jìn)入人們的視野，在2014年以太坊平臺的搭建和智能合約的引入，標(biāo)志著區(qū)塊鏈2.0時(shí)代的到來[11]，使得區(qū)塊鏈作為一種更為先進(jìn)的數(shù)據(jù)管理模式在各行各業(yè)中得到了飛速發(fā)展。在國外，AZARIA等[12]在以太坊平臺上構(gòu)建了一個(gè)基于區(qū)塊鏈存儲的醫(yī)療信息共享平臺。美國的TansActive-Grid項(xiàng)目、歐洲Scanergy項(xiàng)目、TansActiveGrid項(xiàng)目和Scanergy項(xiàng)目都利用了區(qū)塊鏈技術(shù)用來構(gòu)建太陽能數(shù)據(jù)智能化的管理平臺，用戶可在平臺上向其他用戶出售和購買太陽能源，使每個(gè)人既是能源的生產(chǎn)者也是能源的消費(fèi)者[13]。在國內(nèi)，宋蔚等[14]將區(qū)塊鏈技術(shù)引入了保險(xiǎn)服務(wù)業(yè)，可以提高保險(xiǎn)行業(yè)的服務(wù)水平并大幅度減少欺詐行為以及保險(xiǎn)糾紛。楊現(xiàn)民等[15]提出了“教育+區(qū)塊鏈”管理模式，全面分析了個(gè)體學(xué)信大數(shù)據(jù)、智能化教育淘寶平臺、學(xué)位證書系統(tǒng)、開放教育資源新生態(tài)、網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)社區(qū)“自組織”運(yùn)行以及開發(fā)去中心化教育系統(tǒng)的區(qū)塊鏈應(yīng)用。

綜上所述，在大數(shù)據(jù)時(shí)代，構(gòu)造一個(gè)高效透明且真實(shí)可信的數(shù)據(jù)管理平臺是十分有必要的，但是目前并沒有區(qū)塊鏈技術(shù)同空調(diào)大數(shù)據(jù)分析相結(jié)合的研究，為了填補(bǔ)這一空缺，本文提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的空調(diào)數(shù)據(jù)管理框架，旨在建立一個(gè)完全透明、可回溯且可信的去中心化數(shù)據(jù)存儲平臺，從而促進(jìn)空調(diào)大數(shù)據(jù)的發(fā)展。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈作為一種分布式儲存的共享數(shù)據(jù)庫，去中心化是它最本質(zhì)的特征。在中心化的存儲模式中，很容易造成數(shù)據(jù)丟失、數(shù)據(jù)篡改和數(shù)據(jù)版權(quán)糾紛等問題，這些問題在很大程度上會破壞用戶對中心化數(shù)據(jù)存儲機(jī)構(gòu)的不信任，為了避免這種情況，區(qū)塊鏈提出了一種點(diǎn)對點(diǎn)的服務(wù)框架，數(shù)據(jù)會以超高冗余的形式分布存儲在眾多計(jì)算機(jī)內(nèi)部，在進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)會由眾多含有該數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)對該數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，從而保證數(shù)據(jù)的真實(shí)性與不可篡改性。中心化存儲模式與區(qū)塊鏈存儲模式如圖1～圖2所示。

圖1 區(qū)塊鏈存儲模式

圖2 中心化存儲模式

為了進(jìn)一步保證數(shù)據(jù)在存儲、運(yùn)輸時(shí)的安全性，對公開數(shù)據(jù)的透明性和可回溯性，區(qū)塊鏈又引入了哈希計(jì)算、非對稱加密、智能合約和共識算法等技術(shù)[16]，具體的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用流程將在第3節(jié)和第4節(jié)詳述。

1.1 哈希計(jì)算

在任何數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈平臺時(shí)，每個(gè)數(shù)據(jù)背后都有明確的物理意義，這樣數(shù)據(jù)會增加被篡改的風(fēng)險(xiǎn)，哈希計(jì)算又稱為“數(shù)據(jù)指紋”，其特征如下：1）對于任意長度的字符可以轉(zhuǎn)換成等長度的輸出；2）兩組十分相似字符串在經(jīng)過哈希計(jì)算后可以得到完全不同的兩組字符串；3）哈希計(jì)算不可逆。

因此在對數(shù)字簽名、交易文件等數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證時(shí)，通過哈希計(jì)算可以極大提高數(shù)據(jù)的安全性。

1.2 非對稱加密

在傳統(tǒng)的加密文件中，加密密碼與解密密碼往往一致，因此在對文件數(shù)據(jù)進(jìn)行交易時(shí)，密碼很容易在數(shù)據(jù)文件遭到不法分子的截取后進(jìn)行破譯，在區(qū)塊鏈平臺中，每個(gè)人都有一個(gè)自己的私鑰和公鑰，且私鑰不會上傳于網(wǎng)絡(luò)，在數(shù)據(jù)發(fā)生交易傳輸?shù)倪^程中，買方通過向賣方公開自己的公鑰，并讓賣方將交易數(shù)據(jù)通過該公鑰進(jìn)行加密。這種非對稱加密技術(shù)就保證了數(shù)據(jù)傳輸過程中的絕對安全。

1.3 智能合約

1994年美國科學(xué)家尼克·薩博首次提出智能合約的概念[17]，在傳統(tǒng)的合約機(jī)制中，由于合同通過自然語言來描述，這樣在合同執(zhí)行時(shí)可能會因?yàn)殡p方理解的不同導(dǎo)致糾紛，智能合約完全通過代碼來書寫，由代碼的觸發(fā)條件判斷合同是否執(zhí)行，這種機(jī)器語言書寫的智能合約可以避免糾紛并保證相對的公平性，同時(shí)無需第三方中介的介入，也增加合約的執(zhí)行效率、降低了成本。在安全性方面，由于智能合約是建立在區(qū)塊鏈底層技術(shù)基礎(chǔ)之上，除非合同雙方同意修改，否則任何人都不能篡改合約的觸發(fā)條件。

1.4 共識算法

區(qū)塊鏈平臺是一種分布式的框架，由于沒有一個(gè)中心化的處理單元，在處理數(shù)據(jù)的交易轉(zhuǎn)換過程中需要由一個(gè)指定的計(jì)算設(shè)備來處理并封裝這個(gè)時(shí)間段所有交易信息并給予該設(shè)備一定的貨幣獎(jiǎng)勵(lì)，將一段時(shí)間內(nèi)所有交易的封裝信息叫作一個(gè)“區(qū)塊”，共識算法的目的是為了選出誰負(fù)責(zé)封裝區(qū)塊，并讓封裝的區(qū)塊得到所有節(jié)點(diǎn)的認(rèn)可。在整個(gè)封裝的過程中，各個(gè)區(qū)塊按照時(shí)間先后呈現(xiàn)為鏈狀，所以叫“區(qū)塊鏈”。區(qū)塊封裝流程如圖3所示。

圖3 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)封裝流程[18]

共識算法有很多類型，其中工作量證明算法是較為常見的，此算法在運(yùn)行之前會發(fā)出一個(gè)難度值和一串交易字符，難度值為一串字符（如0000），然后所有想競選為包裝區(qū)塊的節(jié)點(diǎn)會在交易字符后面增加一個(gè)hence值來計(jì)算對應(yīng)的哈希碼，通過不斷更改hence值來改變整個(gè)交易字符以此得到不同的哈希碼，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)得到與難度值相匹配的哈希碼的節(jié)點(diǎn)，在得到其他節(jié)點(diǎn)認(rèn)證共識的情況下即會成為該區(qū)塊的包裝節(jié)點(diǎn)，具體可參考文獻(xiàn)[18]。

2 區(qū)塊鏈于空調(diào)產(chǎn)品數(shù)據(jù)回溯的應(yīng)用

在空調(diào)生產(chǎn)和裝配以及使用的過程中會涉及到眾多類型的數(shù)據(jù)[19-20]，對空調(diào)生產(chǎn)鏈的溯源，是針對空調(diào)的生產(chǎn)鏈過程中涉及到的所有環(huán)節(jié)，從各部件原材料的選購、零部件加工、安全運(yùn)輸、工藝生產(chǎn)、質(zhì)量檢測、包裝入庫、批發(fā)分銷到最終的實(shí)地安裝等全部環(huán)節(jié)進(jìn)行數(shù)據(jù)跟蹤。通過追溯在空調(diào)整個(gè)生產(chǎn)流程的各種數(shù)據(jù)（從原材料生產(chǎn)商到最終消費(fèi)者），在空調(diào)出現(xiàn)故障后，我們可以通過對整個(gè)回溯數(shù)據(jù)的分析，快速找到致使空調(diào)故障的原因和責(zé)任承擔(dān)機(jī)構(gòu)，進(jìn)行相應(yīng)高效的責(zé)任賠償流程并有效避免因相同因素所導(dǎo)致的故障損失。

2.1 空調(diào)回溯過程的生產(chǎn)數(shù)據(jù)

為了保證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的安全性和隱私性，所有的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)分為兩類：公開數(shù)據(jù)和隱私數(shù)據(jù)。公開數(shù)據(jù)可在區(qū)塊鏈平臺上進(jìn)行注冊后即可查看，隱私數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)擁有者授權(quán)后可以瀏覽。在整個(gè)生產(chǎn)鏈的回溯過程中，零部件的原材料采購和運(yùn)輸屬于上游部分，不同零部件的加工商按照工藝生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)、抗震防摔能力、保溫系數(shù)和毒性燃性等特點(diǎn)采購不同種類的合金鋼、銅、鋁和塑料等原材料，在對采購的原材料進(jìn)行購買前，需要將訂單購買原材料的詳細(xì)信息和責(zé)任人的基本信息錄入?yún)^(qū)塊鏈平臺并轉(zhuǎn)交給原材料商，原材料商拿到訂單后便會對相應(yīng)原材料進(jìn)行出庫和運(yùn)輸，也需要錄入出庫和運(yùn)輸?shù)呢?zé)任人基本信息。在零部件生產(chǎn)商拿到原材料后便會將原材料加工成空調(diào)零部件，并將零部件運(yùn)送至空調(diào)制造廠，在制造廠做出空調(diào)機(jī)組的成品后便封裝入庫，整個(gè)過程涉及的工藝流程數(shù)據(jù)信息、運(yùn)輸信息、日期地點(diǎn)、不同階段的責(zé)任人信息會通過物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)錄入?yún)^(qū)塊鏈平臺。在經(jīng)銷商獲取產(chǎn)品訂單后，對相應(yīng)的產(chǎn)品進(jìn)行出庫操作，出庫后有運(yùn)輸人員運(yùn)輸至相應(yīng)地點(diǎn)進(jìn)行安裝，這個(gè)過程的經(jīng)銷商信息、訂單信息、出庫操作日期、運(yùn)輸人員信息和安裝信息也會錄入?yún)^(qū)塊鏈平臺，這樣整個(gè)空調(diào)生產(chǎn)鏈中從原材料的采購到空調(diào)機(jī)組的最終安裝所設(shè)計(jì)的所有數(shù)據(jù)都被如實(shí)記錄在區(qū)塊鏈平臺中，任何用戶在進(jìn)行授權(quán)后都能對整個(gè)生產(chǎn)過程進(jìn)行查看。其數(shù)據(jù)類別具體如表1所示。整個(gè)流程涉及到全球貿(mào)易項(xiàng)目代碼（Global Trade Item Number，GTIN）、全球參與方位置代碼（Global Location Number，GLN）、物流單元標(biāo)識代碼（Serial Shipping Container Code，SSCC）和批次號等屬性代碼。

表1 區(qū)塊鏈回溯需求數(shù)據(jù)

2.2 空調(diào)生產(chǎn)鏈的區(qū)塊鏈回溯框架

在對整個(gè)區(qū)塊鏈回溯平臺進(jìn)行構(gòu)建時(shí)，需要涉及到4類用戶的使用，即普通消費(fèi)者、監(jiān)管部門、企業(yè)用戶和平臺管理員，他們的權(quán)限如圖4所示。

圖4 追溯平臺整體功能[21]

這四類人員的權(quán)限又可由四個(gè)區(qū)塊鏈回溯平臺模塊所執(zhí)行（注冊登錄模塊、數(shù)據(jù)上傳加密模塊、智能合約模塊和共識模塊）。注冊登錄模塊負(fù)責(zé)用戶的注冊、登錄以及激活，數(shù)據(jù)上傳模塊負(fù)責(zé)以物聯(lián)網(wǎng)的方式實(shí)時(shí)將空調(diào)生產(chǎn)鏈過程中所有的需求數(shù)據(jù)記錄在區(qū)塊鏈平臺上并對保密數(shù)據(jù)進(jìn)行公私鑰加密、智能合約模塊負(fù)責(zé)處理訂單類型的服務(wù)，對于貨物逾期等行為自動執(zhí)行對應(yīng)代碼，共識模塊負(fù)責(zé)選出特定的封裝數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)并再完成封裝后由其他節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證并上傳至網(wǎng)絡(luò)達(dá)到數(shù)據(jù)共識。其具體框架如圖5所示。

圖5 空調(diào)數(shù)據(jù)回溯框架

通過區(qū)塊鏈的空調(diào)數(shù)據(jù)回溯框架，用戶可以很好查閱所使用產(chǎn)品從原材料的選擇到最終安裝的整個(gè)生產(chǎn)鏈過程中所涉及的數(shù)據(jù)，當(dāng)空調(diào)發(fā)生故障時(shí)，有利于我們通過對應(yīng)產(chǎn)品的數(shù)據(jù)回溯，找到故障點(diǎn)。并對該故障點(diǎn)涉及到的其他產(chǎn)品進(jìn)行召回；這樣可以最大程度避免因產(chǎn)品生產(chǎn)因素所導(dǎo)致的故障損失。

3 區(qū)塊鏈于空調(diào)數(shù)據(jù)交易的應(yīng)用

空調(diào)大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的發(fā)展一直受到數(shù)據(jù)量的制約，一方面通過實(shí)驗(yàn)室獲取的故障數(shù)據(jù)價(jià)格高昂，另一方面在用戶使用空調(diào)機(jī)組的過程中所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)往往沒有得到保存，這兩點(diǎn)使得我們很難擁有足夠多的數(shù)據(jù)量去建立一個(gè)泛化能力和準(zhǔn)確率都相對優(yōu)異的故障診斷或能耗預(yù)測的模型。由于上傳至區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)可以保證數(shù)據(jù)交易的安全以及不可篡改的特點(diǎn)，故可以在區(qū)塊鏈平臺上建立專門負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)交易的模塊，以此從根本上解決在空調(diào)大數(shù)據(jù)分析中數(shù)據(jù)量不足的問題。在此之前需要構(gòu)建兩方面的信任，一是通過可信的物聯(lián)網(wǎng)方式構(gòu)建現(xiàn)實(shí)世界向區(qū)塊鏈平臺的數(shù)據(jù)連接，二是構(gòu)建一個(gè)合理的數(shù)據(jù)交易框架以保證交易平臺的信任。

3.1 空調(diào)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)最早是由麻省理工學(xué)院于1999年提出的網(wǎng)絡(luò)無線射頻識別系統(tǒng)[22]，該系統(tǒng)可以將所有物品通過射頻識別等信息傳感設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，實(shí)現(xiàn)智能化識別和管理。圖6所示為空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)信息功能模型。

圖6 空調(diào)物聯(lián)網(wǎng)信息功能模型

在制冷空調(diào)領(lǐng)域的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，更關(guān)注通過各種傳感器采集當(dāng)前的數(shù)據(jù)，并在空調(diào)內(nèi)部對數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸、處理和反饋等功能。而處理后的數(shù)據(jù)更多情況下是被送入緩存區(qū)并被定時(shí)清除。這種情況下往往會存在損失珍貴數(shù)據(jù)的風(fēng)險(xiǎn)，如果實(shí)時(shí)將選擇后的重要監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)塊鏈平臺，這樣在空調(diào)需要檢修或者出現(xiàn)故障時(shí)，通過分析這些數(shù)據(jù)就可以節(jié)省大量的人力成本。其相應(yīng)數(shù)據(jù)也可能作為珍貴的資源被存儲或售賣。

3.2 空調(diào)數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈交易框架

空調(diào)數(shù)據(jù)交易框架中涉及到的用戶管理模塊、合約模塊、共識模塊都與第四章的空調(diào)數(shù)據(jù)回溯框架相同，本章不再贅述。其核心模塊為數(shù)據(jù)商場和數(shù)據(jù)交易模塊。任何注冊用戶可以將自己所擁有的空調(diào)機(jī)組與自己的賬號綁定，通過物聯(lián)網(wǎng)的方式實(shí)時(shí)將空調(diào)測量的各個(gè)數(shù)據(jù)選擇性上傳至區(qū)塊鏈平臺，使用加密手段并自動簽訂儲存合約，接著生成對應(yīng)的索引文件。在購買者瀏覽在數(shù)據(jù)商場的預(yù)覽文件并選擇購買后，自動簽訂智能合約，購買者將購買金與賠償金打入合約后，由賣方授權(quán)對數(shù)據(jù)進(jìn)行解密并自動將數(shù)據(jù)由買方的公鑰加密后傳輸給買方，最終由買方使用自己的私鑰解密瀏覽數(shù)據(jù)文件后自動觸發(fā)智能合約，將購買金轉(zhuǎn)給賣方。其具體流程如圖7所示。

圖7 空調(diào)數(shù)據(jù)交易框架

由于數(shù)據(jù)由傳感器實(shí)時(shí)上傳且不可修改，可很大程度上避免人為的惡意修改，通過該框架可建立區(qū)塊鏈平臺內(nèi)的空調(diào)數(shù)據(jù)的絕對信任。身為空調(diào)的使用者在發(fā)生故障時(shí)不僅可以通過授權(quán)將數(shù)據(jù)給相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行高效的故障排查，也可以將故障數(shù)據(jù)發(fā)布到平臺進(jìn)行售賣，甚至可以將空調(diào)運(yùn)行數(shù)據(jù)與該空調(diào)的回溯數(shù)據(jù)綜合分析，查找故障的責(zé)任承擔(dān)者。這些都可以推動空調(diào)領(lǐng)域的智能化管理。

4 結(jié)論

本文通過對空調(diào)整個(gè)生產(chǎn)鏈涉及的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的空調(diào)生產(chǎn)數(shù)據(jù)回溯框架，同時(shí)構(gòu)架了一種新型的區(qū)塊鏈空調(diào)數(shù)據(jù)交易平臺，得出如下結(jié)論：

1）將空調(diào)生產(chǎn)過程中產(chǎn)生中不同階段的數(shù)據(jù)以及責(zé)任人信息錄入?yún)^(qū)塊鏈平臺后，既可以保證企業(yè)數(shù)據(jù)的隱私性，也可以向用戶公開空調(diào)的真實(shí)生產(chǎn)流程數(shù)據(jù)，在空調(diào)發(fā)生故障時(shí)，通過分析回溯數(shù)據(jù)可以迅速定位故障原因以及責(zé)任方，完成故障追責(zé)并避免相同類別產(chǎn)品出現(xiàn)相同故障；

2）基于區(qū)塊鏈的空調(diào)數(shù)據(jù)交易平臺可以保證數(shù)據(jù)的絕對真實(shí)以及不可串改，同時(shí)數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)了物理世界向區(qū)塊鏈平臺的信任映射，使空調(diào)數(shù)據(jù)交易成為可能；

3）區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種數(shù)據(jù)管理技術(shù)可以使整個(gè)空調(diào)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)更透明、可回溯、可信任，能促進(jìn)大數(shù)據(jù)與空調(diào)行業(yè)的進(jìn)一步結(jié)合并推動空調(diào)智能化的進(jìn)一步發(fā)展。