基于區(qū)塊鏈的海上風(fēng)電機(jī)組備件生命周期管理平臺(tái)

范運(yùn)鵬， 李傲飛， 何洪濤， 張峰瑋， 張永康， 李 志

(1.陽(yáng)江市高新投資開發(fā)有限公司，廣東 陽(yáng)江 529533；2.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

備件生命周期管理包含從生產(chǎn)制造到淘汰和處理的全過程。備件生命周期主要用于支持備件制造的數(shù)據(jù)和信息集成與管理。互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展使利益相關(guān)者在整個(gè)備件生命周期中進(jìn)行協(xié)作，涉及備件生命周期的一系列階段，包括生產(chǎn)、分銷、維護(hù)、客戶服務(wù)和回收[1]。

海上風(fēng)力發(fā)電是可再生能源的重點(diǎn)方向，風(fēng)電機(jī)組(Wind Turbine Generator System, WTGS)是海上風(fēng)力發(fā)電的基礎(chǔ)設(shè)施。由于國(guó)內(nèi)海上風(fēng)電開發(fā)仍處于發(fā)展階段，設(shè)備的故障率與維修成本較高。WTGS備件在海上運(yùn)輸困難，一旦設(shè)備發(fā)生故障，在短時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成維修，故障或運(yùn)維停機(jī)將導(dǎo)致發(fā)電量的損失[2]。因此，對(duì)WTGS備件采用合理的管理方式是減少故障維修時(shí)間及停機(jī)損失的有效方法。然而，傳統(tǒng)的備件生命周期管理方法仍一些不足?，F(xiàn)有的大多數(shù)平臺(tái)均基于第三方軟件供應(yīng)商提供的中心化框架進(jìn)行開發(fā)。在分布式生命周期中由于備件制造設(shè)備和信息系統(tǒng)涉及多個(gè)廠家，所有的訂單需求、產(chǎn)能情況、庫(kù)存水平變化及突發(fā)故障等信息均存儲(chǔ)在各自獨(dú)立的系統(tǒng)中，而這些系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)、業(yè)務(wù)流程、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等各不相同，嚴(yán)重影響設(shè)備維修過程中的互聯(lián)互通效率[3]。在備件制造數(shù)據(jù)共享過程中，制造數(shù)據(jù)的真實(shí)性、可靠性和一致性難以保障，共享數(shù)據(jù)存在被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。備件生命周期管理需要一個(gè)開放且安全、互聯(lián)和分散的環(huán)境，以便在備件生命周期不同階段之間進(jìn)行信息集成、交換及決策。

為解決上述問題，提出一種基于區(qū)塊鏈的海上WTGS備件生命周期管理平臺(tái)。該平臺(tái)結(jié)合區(qū)塊鏈、智能合約和物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things，IoT)技術(shù)。區(qū)塊鏈?zhǔn)墙鹑诮绲母锩约夹g(shù)，具有高安全性、不可逆性、分布性、透明性和準(zhǔn)確性等特點(diǎn)[4]。具體來說，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分散、分布式和公共的數(shù)字賬本[5]，不僅可跟蹤數(shù)據(jù)變化并保護(hù)數(shù)據(jù)[6]，而且可在不受信任的環(huán)境中自主、安全地交換數(shù)據(jù)。一旦數(shù)據(jù)被驗(yàn)證并添加至區(qū)塊鏈，將被永久存儲(chǔ)[7]，確保區(qū)塊鏈的穩(wěn)定性和透明度。智能合約作為區(qū)塊鏈中的核心組成部分，是運(yùn)行在可復(fù)制的共享區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)手冊(cè)上的計(jì)算機(jī)協(xié)議[8]，包括合約參與方可執(zhí)行這些承諾的協(xié)議?；趨^(qū)塊鏈的可編程性，智能合約即數(shù)字化合同具有在約定條件下自動(dòng)執(zhí)行的功能。使用智能合約實(shí)現(xiàn)備件生命周期中的設(shè)備預(yù)警；作為基礎(chǔ)設(shè)施的IoT技術(shù)用于收集和監(jiān)控備件生命周期中的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

1 平臺(tái)架構(gòu)與信息流

海上WTGS運(yùn)輸困難，部件生產(chǎn)制造耗時(shí)長(zhǎng)，有效的備件管理可減少WTGS的維修時(shí)間，然而如何對(duì)海上WTGS的備件進(jìn)行管理是風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)維的關(guān)鍵[9]。海上風(fēng)電場(chǎng)備件管理涉及備件產(chǎn)品信息、備件管理、設(shè)備狀態(tài)及故障率等諸多因素，需要通過海上風(fēng)電備件信息平臺(tái)統(tǒng)籌區(qū)域內(nèi)的海上WTGS備件資源，構(gòu)建最優(yōu)化的海上風(fēng)電備件產(chǎn)業(yè)?；趨^(qū)塊鏈的備件生命周期管理平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)制造服務(wù)數(shù)據(jù)共享和運(yùn)維備件共享，有效降低維修成本提升效益。通過該平臺(tái)可查詢?nèi)珖?guó)范圍內(nèi)某項(xiàng)物資和已簽訂協(xié)議的供應(yīng)商庫(kù)存情況，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可保證該平臺(tái)信息的安全性。

1.1 平臺(tái)架構(gòu)

平臺(tái)架構(gòu)包括感知層、鏈下層、區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層和服務(wù)層?；谖墨I(xiàn)[10]，將備件生命周期分為3個(gè)階段：初期、中期和后期。初期包括設(shè)計(jì)、制造、包裝和障礙評(píng)估。中期包括倉(cāng)儲(chǔ)、物流和維護(hù)。后期包括備件的回收和再利用。在服務(wù)層中提出4個(gè)備件服務(wù)：障礙評(píng)估服務(wù)、即時(shí)追溯服務(wù)、主動(dòng)維護(hù)服務(wù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)。

感知層是該平臺(tái)較重要的數(shù)據(jù)采集源，主要用于收集設(shè)備生命周期中的數(shù)據(jù)，包括制造數(shù)據(jù)、物流運(yùn)輸數(shù)據(jù)和回收數(shù)據(jù)等。感知層采集的數(shù)據(jù)傳送至邊緣網(wǎng)關(guān)。與傳統(tǒng)的網(wǎng)關(guān)不同，邊緣網(wǎng)關(guān)是IoT設(shè)備和云服務(wù)器之間的中間件[11]。通常來說，其功能主要用于整合收集的數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)格式、分析數(shù)據(jù)及執(zhí)行反饋。感知層收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至鏈下層進(jìn)一步處理后上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層。

鏈下層是感知層和區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層之間的信息中轉(zhuǎn)站，其作用為接收和處理感知層的數(shù)據(jù)。有4個(gè)關(guān)鍵功能：數(shù)據(jù)驗(yàn)證、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)廣播及捕獲和查詢接口。由感知層收集的數(shù)據(jù)發(fā)送至鏈下層進(jìn)行預(yù)處理，例如驗(yàn)證、清洗和加密，再使用密鑰將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為哈希數(shù)據(jù)，哈希數(shù)據(jù)和原始數(shù)據(jù)(由感知層收集的數(shù)據(jù))廣播至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層。一旦全網(wǎng)通過共識(shí)算法達(dá)成一致，哈希數(shù)據(jù)即可存儲(chǔ)至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層中，原始數(shù)據(jù)則存儲(chǔ)至鏈下層中的云數(shù)據(jù)庫(kù)。

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層是該平臺(tái)的核心部分，包含共識(shí)協(xié)議、智能合約、分布式應(yīng)用和密碼學(xué)等。共識(shí)協(xié)議是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層中的節(jié)點(diǎn)達(dá)成一致的算法。智能合約確保在沒有第三方監(jiān)管情況下的交易執(zhí)行。分布式應(yīng)用是分布式互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用程序，如果數(shù)據(jù)是私有和敏感的，可將數(shù)據(jù)加密存儲(chǔ)。密碼學(xué)被廣泛應(yīng)用于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層，如保護(hù)私有數(shù)據(jù)、數(shù)字簽名等。

應(yīng)用層由企業(yè)提供的一系列服務(wù)和軟件產(chǎn)品組成，例如計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design，CAD)、計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過程設(shè)計(jì)(Computer Aided Process Planning，CAPP)、計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、企業(yè)資源計(jì)劃(Enterprise Resource Planning，ERP)、客戶關(guān)系管理(Customer Relationship Management，CRM)、物料清單(Bill of Material，BOM)、制造執(zhí)行系統(tǒng)(Manufacturing Execution System，MES)、供應(yīng)鏈管理(Supply Chain Management，SCM)、物流管理系統(tǒng)(Logistics Management System，LMS)、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(Data Management System，DMS)、決策支持系統(tǒng)(Decision Support System，DSS)等，這些服務(wù)和軟件產(chǎn)品根據(jù)不同功能應(yīng)用于備件生命周期的不同階段。

服務(wù)層由即時(shí)追溯服務(wù)、障礙評(píng)估服務(wù)、主動(dòng)維護(hù)服務(wù)和遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)組成，與備件生命周期中的3個(gè)時(shí)期直接相關(guān)。初期階段包括備件的生產(chǎn)制造及障礙評(píng)估。中期階段包括即時(shí)追溯服務(wù)和主動(dòng)維護(hù)服務(wù)。即時(shí)追溯服務(wù)提供備件的生產(chǎn)制造和物流信息等。主動(dòng)維護(hù)服務(wù)作為備件生命周期中最長(zhǎng)的階段，涉及備件研究團(tuán)隊(duì)、技術(shù)支持者和技術(shù)工程師。為提供積極主動(dòng)的備件維護(hù)服務(wù)，使用區(qū)塊鏈記錄終端用戶的反饋數(shù)據(jù)。分析引擎和預(yù)測(cè)模型可用于3種備件維護(hù)類型，包括預(yù)防性維護(hù)、糾正性維護(hù)和預(yù)測(cè)性維護(hù)。在后期階段，遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)對(duì)備件情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管。

基于區(qū)塊鏈的備件生命周期管理平臺(tái)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的備件生命周期管理平臺(tái)架構(gòu)

1.2 平臺(tái)信息流

以統(tǒng)一建模語(yǔ)言(Unified Modeling Language，UML)序列對(duì)平臺(tái)信息流進(jìn)行闡述，如圖2所示。

圖2 平臺(tái)信息流

利用IoT傳感器、射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification，RFID)等技術(shù)將與備件制造數(shù)據(jù)、運(yùn)輸數(shù)據(jù)和WTGS運(yùn)行情況等相關(guān)的數(shù)據(jù)發(fā)送至邊緣網(wǎng)關(guān)。使用邊緣設(shè)備表示所有的數(shù)據(jù)源。邊緣網(wǎng)關(guān)作為云端和邊緣設(shè)備之間的連接點(diǎn)，是一種整合所有數(shù)據(jù)并上傳至云端的物理設(shè)備。這些邊緣設(shè)備與邊緣網(wǎng)關(guān)之間的連接協(xié)議通?；跓o(wú)線的方法，如Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等。同時(shí)，邊緣網(wǎng)關(guān)可發(fā)揮存儲(chǔ)和預(yù)處理原始數(shù)據(jù)的作用。預(yù)處理后的數(shù)據(jù)傳輸至鏈下層，邊緣網(wǎng)關(guān)和云端之間的消息傳遞協(xié)議是超文本傳輸協(xié)議(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)或消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)等。云端數(shù)據(jù)可進(jìn)一步處理和存儲(chǔ)。區(qū)塊鏈信息服務(wù)決定數(shù)據(jù)是上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層還是云端數(shù)據(jù)庫(kù)。上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)根據(jù)一定的結(jié)構(gòu)放至區(qū)塊，生成合法的區(qū)塊頭信息，生成的區(qū)塊根據(jù)提前定義的智能合約上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層。通過節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證和公鑰生成新區(qū)塊。放至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)需要通過共識(shí)算法進(jìn)行驗(yàn)證，一旦不合格，反饋將發(fā)送至區(qū)塊鏈信息服務(wù)和鏈下層。

2 關(guān)鍵服務(wù)

2.1 即時(shí)追溯服務(wù)

海上風(fēng)電備件追溯及有效管理物流網(wǎng)絡(luò)非常重要。得益于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的不可篡改性，備件的運(yùn)輸和環(huán)境狀況可保存在一個(gè)安全、不可改變的去中心化數(shù)據(jù)庫(kù)中。

為追溯特定備件，可輸入相關(guān)備件信息，如批號(hào)、備件名稱等，通過檢索區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層獲取所需要的信息。追溯的數(shù)據(jù)由IoT設(shè)備在備件生命周期中收集。基于區(qū)塊鏈的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)的搜索結(jié)果包括備件名稱、生產(chǎn)者、地點(diǎn)、時(shí)間和質(zhì)量信息，這些數(shù)據(jù)由相關(guān)者在備件生命周期中即時(shí)更新。結(jié)果作為智能合約輸入。一旦分析模型檢測(cè)到突發(fā)事件，輸出將直接發(fā)送至用戶，并同時(shí)反饋至生產(chǎn)者。

2.2 障礙評(píng)估服務(wù)

海上作業(yè)對(duì)交通工具及天氣條件的要求非常嚴(yán)格，海上運(yùn)輸船的運(yùn)輸時(shí)間大幅高于陸上。對(duì)這些影響運(yùn)輸?shù)恼系K進(jìn)行評(píng)估有助于管理者和決策者進(jìn)行決策，實(shí)現(xiàn)區(qū)域內(nèi)各海上風(fēng)電備件模式和策略的統(tǒng)籌優(yōu)化，有效降低制造成本。使用決策試驗(yàn)和評(píng)價(jià)試驗(yàn)法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)闡述對(duì)這些障礙評(píng)估的詳細(xì)步驟。該方法最初用于研究和解決社會(huì)經(jīng)濟(jì)問題，主要方式為通過專家群組的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)判斷構(gòu)建復(fù)雜因素之間因果關(guān)系的可視化結(jié)構(gòu)，得出各因素的中心度和原因度，通過構(gòu)建的因果關(guān)系圖作出更好的決策[12]。在該方法中，專家的判斷是模糊的，因此采用模糊DEMATEL，通過三角模糊數(shù)處理初始直接影響矩陣以提高精確性。管理者和決策者確定相關(guān)障礙，如備件的運(yùn)輸費(fèi)用、天氣情況、運(yùn)輸距離、缺乏專業(yè)知識(shí)和存在安全問題等障礙。管理者和決策者對(duì)因素之間的影響強(qiáng)度進(jìn)行判斷，量化各障礙之間的相互關(guān)系。根據(jù)障礙之間的相互關(guān)系與障礙因子建立因果關(guān)系圖。該評(píng)估方法包含如下6個(gè)步驟：(1)調(diào)查研究參與者以構(gòu)建對(duì)比矩陣；(2)建立模糊初始直接影響矩陣；(3)建立標(biāo)準(zhǔn)化直接關(guān)系矩陣；(4)建立綜合影響關(guān)系矩陣；(5)計(jì)算行的和與列的和；(6)建立因果關(guān)系圖。根據(jù)因果關(guān)系圖，管理者和決策者可找出面臨的最突出障礙，在短期內(nèi)優(yōu)先處理或規(guī)避這些障礙，從而為其決策提供有效的幫助。

2.3 主動(dòng)維護(hù)服務(wù)

維護(hù)是WTGS生命周期中的重要階段。為實(shí)現(xiàn)對(duì)WTGS設(shè)備的維護(hù)、預(yù)防性試驗(yàn)及設(shè)備的檢修工作，利用IoT傳感器、RFID等技術(shù)監(jiān)控和采集來自IoT設(shè)備的數(shù)據(jù)，通過智能合約對(duì)WTGS的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)護(hù)、操作和數(shù)據(jù)記錄分析。密碼學(xué)是區(qū)塊鏈中的重要組成部分，用于驗(yàn)證數(shù)字簽名。共識(shí)協(xié)議用于生成鏈上數(shù)據(jù)，并保證區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)的一致性。智能合約用于分析產(chǎn)品在使用過程中收集的數(shù)據(jù)，以提供更好的產(chǎn)品服務(wù)。一旦由IoT設(shè)備收集的數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈，就會(huì)調(diào)用智能合約中的函數(shù)。智能合約可自動(dòng)監(jiān)控維護(hù)過程，如機(jī)械監(jiān)測(cè)診斷、維修警報(bào)、維修服務(wù)呼叫等。維護(hù)者可在機(jī)器故障前準(zhǔn)備備件并準(zhǔn)備維修，這樣有利于提高維護(hù)效率。備件狀態(tài)和維護(hù)記錄均存儲(chǔ)于區(qū)塊鏈，不僅幫助維護(hù)者了解WTGS的維修歷史記錄，而且便于管理者根據(jù)設(shè)備的實(shí)時(shí)情況作出決策，如更新或更換等。

2.4 遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)

海上風(fēng)電設(shè)備位置特點(diǎn)為海域廣闊、位置分散、遠(yuǎn)離大陸等，因此在很多情況下，設(shè)備數(shù)據(jù)信息獲取困難。遠(yuǎn)程監(jiān)控是獲取設(shè)備狀態(tài)的一種重要方式。為實(shí)現(xiàn)對(duì)WTGS備件的狀態(tài)進(jìn)行及時(shí)監(jiān)控，提出基于區(qū)塊鏈的遠(yuǎn)程監(jiān)控服務(wù)，為引導(dǎo)服務(wù)提供決策支持。需要對(duì)多種類型備件進(jìn)行集中監(jiān)視，主要包括分布式WTGS、燃機(jī)機(jī)組、分布式光伏、電池蓄能電站、大電網(wǎng)及其他分布式發(fā)電電源等。監(jiān)視內(nèi)容包括實(shí)時(shí)負(fù)荷等運(yùn)行數(shù)據(jù)、輸電負(fù)荷和能力、裝機(jī)容量和可發(fā)電能力、影響關(guān)鍵指標(biāo)數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)曲線、自定義報(bào)警等數(shù)據(jù)。監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通過區(qū)塊鏈邊緣網(wǎng)關(guān)進(jìn)行相關(guān)轉(zhuǎn)化，上傳至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層。所有備件設(shè)備節(jié)點(diǎn)、所有組件狀態(tài)、各節(jié)點(diǎn)資源占用情況、各任務(wù)進(jìn)程、任務(wù)完成時(shí)間、完成任務(wù)記錄、平臺(tái)故障報(bào)警日志等內(nèi)容均可視化展示，以實(shí)現(xiàn)對(duì)海上WTGS的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

3 結(jié) 語(yǔ)

海上WTGS設(shè)備所處環(huán)境惡劣，設(shè)備故障率高，維修備件難以得到有效管理。為實(shí)現(xiàn)開放、互聯(lián)和去中心化，提出基于區(qū)塊鏈的備件生命周期管理平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)備件產(chǎn)品信息、備件服務(wù)產(chǎn)品信息等備件數(shù)據(jù)在企業(yè)與用戶間的信息共享。提出的邊緣網(wǎng)關(guān)用于處理多源異構(gòu)數(shù)據(jù)，可將原生數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為符合要求的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。智能合約保證交易的執(zhí)行并實(shí)現(xiàn)備件生命周期中的預(yù)警服務(wù)，為管理者提供即時(shí)的決策支持。