一种工业智能合约系统及其运行的多数字孪生体同步互操作方法

本发明涉及智能配置的技术领域，尤其涉及到一种工业智能合约系统及其运行的多数字孪生体同步互操作方法。

背景技术：

工业时代以及智能制造在中国的热度持续升温，中国制造业急需寻求一种有效可行的解决方案，一方面需追溯新产品研发周期的各项数据，为持续的产品创新提供数据支持，并且要尽可能快速的满足市场需要；另一方面，市场需求时刻变化，要求企业能够动态的调整生产计划，制造系统需要更具有柔性。客户的需求变得越来越多样化、个性化，定制化已成为一种必然趋势。网络物理系统(cps)中数字孪生体通信和交互现通常建立在集中式架构上，在该架构中，将从制造业设备收集的数据收集到中央云计算设施中，以进行密集的数据聚合和数据转换。首先，在现今的工业时代，数百亿的设备将与网络物理系统(cps)中数字孪生体互连，而不断增长的多样化制造数据的实时通信将使在现有拥挤的网络上传输所有数据的实用性降低。其次，集中式云服务器和高端网络设备的成本都很高。再次，网络中具有随机延迟的信息处理通常不能满足实时监视和系统性能在线优化的需求。最后，工业物联网的集中控制结构的灵活性很差，无法应对隐性干扰和显式变化。因此不适用于大规模个性化需求。

随着区块链技术和物联网技术依据分布式制造技术的发展和应用，面向智能合约系统运行的多数字孪生体同步互操作方法借助区块链平台智能合约和工业物联网的通信协议，与各个数字孪生体进行通信将成为一种可行与有效的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种工业智能合约系统。

为实现上述目的，本发明所提供的技术方案为：

一种工业智能合约系统，包括mes系统、区块链网络、仿真系统、基于mqtt代理服务器通讯和plc控制的设备，通过智能合约绑定多个数字孪生体以实现通讯，通过以区块链网络为桥梁实现现实设备、仿真与监控数据的实时同步；

其中，通过httpapi方式实现区块链网络与mqtt代理服务器的通讯，保证mqtt代理服务器有效执行智能合约，并通过plc驱动设备；mes系统和仿真系统通过sdk以http协议的方式与区块链网络进行通讯。

为实现上述目的，本发明另外提供一种工业智能合约系统运行的多数字孪生体同步互操作方法，包括以下步骤：

s1、mes系统、仿真系统、mqtt代理服务器向区块链网络提交权限申请，触发区块链网络的权限申请合约，确定发布者与订阅者，区块链网络在分布式数据库中维护角色权限表；

s2、发布者提交主题信息，创建主题，确定主题名称、数据格式，区块链网络在分布式数据库中维护主题表；

s3、订阅者提交主题绑定申请，触发主题绑定合约，确定主题名称，区块链网络在分布式数据库中维护主题绑定表；

s4、发布者发布消息，触发消息发布合约，确定主题名称和数据内容，区块链系统根据分布式数据库维护的主题表和主题绑定表进行sql查询，如果主题没有订阅者则触发主题管理合约进行主题消除；如果主题有订阅者，则触发验证合约，根据公钥查找相应的节点地址，用相应节点的公钥加密一段随机数发送过去，节点用自己的私钥解密后返回正确的信息并验证成功；验证成功后向相应节点发送信息；若验证未通过，则向发布者返回错误信息。

进一步地，所述角色权限表包括节点地址、公钥、角色在内的基本字段。

进一步地，所述主题表包括主题名称、数据格式、数据内容在内的基本字段。

进一步地，所述主题绑定表包括主题名称、公钥在内的基本字段。

与现有技术相比，本方案原理及优点如下：

本方案将智能合约存储在区块链上，无需受信任的中介机构的帮助即可自动执行其条款，保护双方的隐私并根据需要分发信息，最后自动执行。面向智能合约系统来运行多数字孪生体同步互操作可支持高度自治的功能，从而利用网络网关上的备用计算资源，提高数据传输的效率，并克服灵活性差的缺点，以应对制造物联网的集中控制中的干扰和变化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的服务作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种工业智能合约系统中各模块的连接框图；

图2为本发明一种工业智能合约系统运行的多数字孪生体同步互操作方法的原理流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明：

如图1所示，本实施例所述的一种工业智能合约系统，包括mes系统、区块链网络、仿真系统、基于mqtt代理服务器通讯和plc控制的设备，通过智能合约绑定多个数字孪生体以实现通讯，通过以区块链网络为桥梁实现现实设备、仿真与监控数据的实时同步；

其中，通过httpapi方式实现区块链网络与mqtt代理服务器的通讯，保证mqtt代理服务器有效执行智能合约，并通过plc驱动设备；mes系统和仿真系统通过sdk以http协议的方式与区块链网络进行通讯。

上述中，应用到的智能合约包括权限申请合约、主题管理合约、主题绑定合约、消息发布合约、验证合约。

相应合约基本字段介绍如下：

权限申请合约：

a)节点地址；

b)公钥；

c)角色(发布者或者订阅者)；

主题管理合约：

a)主题名称；

b)数据格式；

c)subjectadd():添加主题的方法；

d)subjectdelete(subject):删除相应主题的方法；

主题绑定合约：

a)主题名称；

b)消息发布合约：

c)主题名称

d)数据内容

验证合约：

a)状态；

b)验证频率：按次或按时间；

c)infoencryption()：用订阅者公钥加密随机数的方法。

如图2所示，用于上述工业智能合约系统运行的多数字孪生体同步互操作方法，包括以下步骤：

s1、mes系统、仿真系统、mqtt代理服务器向区块链网络提交权限申请，触发区块链网络的权限申请合约，确定发布者与订阅者(可同时为发布者和订阅者)，区块链网络在分布式数据库中维护角色权限表(基本字段包括节点地址、公钥、角色等)；

s2、发布者提交主题信息，创建主题，确定主题名称、数据格式，区块链网络在分布式数据库中维护主题表(基本字段包括主题名称、数据格式、数据内容等)；

s3、订阅者提交主题绑定申请，触发主题绑定合约，确定主题名称，区块链网络在分布式数据库中维护主题绑定表(基本字段包括主题名称、公钥等)；

s4、发布者发布消息，触发消息发布合约，确定主题名称和数据内容，区块链系统根据分布式数据库维护的主题表和主题绑定表进行sql查询，如果主题没有订阅者则触发主题管理合约进行主题消除；如果主题有订阅者，则触发验证合约，根据公钥查找相应的节点地址，用相应节点的公钥加密一段随机数发送过去，节点用自己的私钥解密后返回正确的信息并验证成功；验证成功后向相应节点发送信息；若验证未通过，则向发布者返回错误信息。

本实施例具有如下功能；

1)形成多智能管控平台，支持闭环控制、投产预期、效率分析等智能化运维；

利用多数字孪生体同步互操作方法可以在区块链网络中创建相关主题，定义相关的需求变量，多个仿真系统和多个mes系统都绑定在这个主题上。供应链上下游的多个mes系统共同制造一批订单，执行每一步可通过sdk调用智能合约根据相关主题来发送数据，多个仿真系统将实时数据虚拟执行并返回执行效果。借助仿真软件来进行生产模拟，能提前预测设备稼动率、生产平衡率、瓶颈工序等；通过相关数据的统计和分析，可验证设计方案与优化设计方案并进行迭代优化，使系统整体性能不断提高，供应链上下游的平衡也将优化，同时安全性也得到保障。在该平台上整体优化方法所生成的计划与方案不单单可以用于进行量化比较，还可以用来进行近物理的随机扰动测试，测试其鲁棒性。通过使用该技术可以实现供应链智能化的管控，不断提高供应链系统的效率、减少投资成本。

2)形成集成测试平台，支持设备分布式集成测试；

利用多数字孪生体同步互操作方法可以在区块链网络中创建相关主题，定义相关的需求变量，多个仿真系统和多个实体设备的代理服务器都绑定在这个主题上。首先在实体设备的代理服务器设置数据传输脚点，当实体设备触发传感器时通过httpapi传输到区块链网络，触发区块链网络的智能合约，根据主题进行数据转发至相关仿真系统。仿真系统根据采集的数据进行仿真分析与优化。这样不仅能够在设计和研发自动化生产线的过程中，快速高效的测试单个自动化生产单元系统在整线中的作用和性能，还能进行跨区域的自动化生产线集成调试，形成一个高性能、通用和可扩展的分布式集成测试平台。设备代理服务器与仿真系统服务器通过智能合约的主题绑定，在保障了实物系统和仿真系统之间的数据实时同步的同时，还增加了数据的安全性和可溯源性。对分布式制造整线或单元进行实物型执行效果测试验证，将占用大量的时间、场地和资金，如果在该平台上就可以实现整线的分布式集成测试，这样就不需要每个实物单元系统都完成了才能进行整线的集成，可以借助仿真平台同期并行的进行集成测试，能够缩短其联调联试周期，降低企业成本，提高测试效率和可靠性。利用该技术可以用于分布式的整线集成，缩短其联调联试周期，降低测试开发过程中的重复性工作，缩短测试周期，降低企业成本，提高测试效率和结果的可靠性。

3)形成远程监控平台，支撑工厂透明化监控；

4)利用多数字孪生体同步互操作方法可以在区块链网络中创建相关主题，定义相关的需求变量，多个mes系统和多个实体设备的代理服务器都绑定在这个主题上。首先在实体设备的代理服务器设置数据传输脚点，实体设备通过传感器采集数据时代理服务器通过httpapi传输到区块链网络，区块链网络的智能合约根据主题进行转发至订阅了该主题的mes系统。mes系统也可以通过自身的sdk接口向区块链网络传输在代理服务器定义好的控制命令，通过区块链的身份验证和权限审核后，代理服务器接受到信息并进行转译后转发至相关plc，触发设备行为。通过智能合约的交互可以支撑远程现场实时监控、在制品信息查询、设备实时状态查询、操作控制等。通过跨区域远程数据监控和区块链的数据安全保障可以实现产品的生命周期质量控制和防伪，为社群制造企业的数据信任提供技术基础，增加供应链系统的稳定性，减少企业沟通成本。

本实施例与现有技术相比，具有以下及突出效果：(一)通过技术形成的供应链社群制造方案，可以在制造执行系统与仿真系统中进行模拟，进行系统设计与执行的迭代优化，有效提升了整线设计的合理性，实现社群制造系统的智能化运维。(二)通过半实物仿真的形式，以半仿真的方法替代或部分替代整线设计与集成步骤，大幅降低整线设计与集成的耗费。对整线或单元进行实物执行效果验证，将占用大量的时间、场地和资金，利用该技术可以用于跨区域分布式的整线集成，缩短其联调联试周期，降低企业成本。(三)通过采集车间现场装备运动和生产数据，基于主题的发布/订阅体系结构的区块链中间层能用于记录实体设备未被篡改的数据，与制造执行系统绑定能实现产品的生命周期质量控制和防伪，从而跟踪工件的保管生命周期。大幅降低人工验证和工件追踪的耗费，为跨区域的社群制造合作的透明化监控提供技术支持。

面向智能合约系统运行的多数字孪生体同步互操作方法在灵活性、可追溯性和安全性方面具有优越性。在大规模个性化需求的工业4.0时代数百亿的设备将与网络物理系统(cps)互连，本实施例有助实现各个网络物理系统和设备的实时通信。通过区块链与设备代理服务器的通讯能使各种智能机器之间的高度自治成为可能，为分布式制造提供技术基础。并且，通过开发智能合约树模型作为代理服务器之间较低级别的自组织的关键子例程，可以实现分散的制造运营协调，从而简化了个性化制造的整体规划，提高了管理效率和应对隐性干扰和显式变化的系统柔性。

以上所述之实施例子只为本发明之较佳实施例，并非以此限制本发明的实施范围，故凡依本发明之形状、原理所作的变化，均应涵盖在本发明的保护范围内。