基于区块链的电力计量数据管控验证系统及方法与流程

1.本发明涉及电力计量设备技术领域，尤其涉及一种基于区块链的电力计量数据管控验证系统及方法。


背景技术：

2.目前电力计量设备生产厂商与类型众多，不同厂商的产品质量参差不齐，尤其是新一代智能电能表、智能融合终端等新设备的大量安装，这些产品的质量问题已逐渐显露出来。同时现有部分计量设备缺乏全寿命管理技术手段，导致设备管理混乱、存在丢失等问题，不能满足计量设备精益化管理要求，难以实现计量设备从检定检测、现场运行、拆除报废等全寿命周期管控。
3.目前对电力计量设备的管理，主要采用条形码的管理方式，会存在以下问题：
4.1、实现复杂，效率低。
5.当添置新的计量设备时，在台账登记的同时，通过既定规则为该设备编制唯一的标识码，并将此码转换为二维/三维条形码标签，黏贴在计量设备实体上；在设备校核时，通过扫描枪识别条形码，解析相应计量设备详细信息加以校核。但是由于计量设备分布范围广泛，采用条形码标签标识设备的方式，一旦设备部件更换后即需更换签卡，条形码也易损坏，且逐个扫描条形码的工作过程耗时费力、复杂繁琐，还会存在效率低下的问题。
6.2、数据上报不及时或不准确。
7.由于计量设备种类与数目繁多，且会在不同部门流转，设备管理除了首次入库登记外，后续由需要人工维护其状态，易于出现上报不及时或数据上报不准确的问题。
8.3、无法溯源与防篡改。
9.由于安全保密等原因计量设备数据通常无法共享，会导致容易出现设备丢失，难以溯源以及还易于被认为篡改等问题。


技术实现要素：

10.本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、效率以及安全性高，可溯源以及防篡改的基于区块链的电力计量数据管控验证系统及方法。
11.为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
12.一种基于区块链的电力计量数据管控验证系统，包括：
13.数据资源层，包括web服务器端的中心数据库、区块链网络和rfid标签，所述web服务器端的中心数据库用于保存计量全寿命管控数据，所述区块链网络用于存贮计量信息和记录计量设备的流转信息，所述rfid标签中存储计量设备最新流转信息；
14.支撑层，用于实现对数据资源层的访问；
15.应用调度层，用于对管控层的各种业务访问进行调度；
16.管控层，用于实现计量设备的全寿命管理控制。
17.进一步的，所述rfid标签的存储区包括保留区、tid区、epc区和用户区，所述保留区用于写入当前标签的密码，所述tid区存储当前标签芯片的识别序列号，所述epc区用于存储与当前标签所绑定的计量设备的物品编码，所述用户区用于存贮计量设备的最新流转信息。
18.进一步的，所述区块链网络为由主链和多条副链构成的双链结构，所述主链用于基于账户保存各个新增计量设备的注册区块，所述副链用于基于交易由主链区块作为创始区块形成独立流转区块链，记录主链区块的所有流转信息，其中所述主链采用默克尔前缀树，所述副链的各区块结构采用默克尔树结构。
19.进一步的，所述默克尔树采用二叉树结构，其中叶子节点存储计量设备流转数据及对应的哈希值，中间结点存储对应所有叶子节点的组合进行哈希计算后得到的哈希值；根结点存贮整个区块中间结点的组合进行哈希计算后得到的哈希值，根节点存储的哈希值作为一组流转信息的唯一摘要存储在区块头作为默克尔树根。
20.进一步的，所述支撑层包括通信网络以及rfid标签打印设备和rfid读写器，所述rfid标签打印设备和rfid读写器与所述数据资源层及rfid标签连接，所述应用调度层采用微服务架构进行分布式业务部署。
21.一种用于上述基于区块链的电力计量数据管控验证系统的方法，该方法包括计量设备新增控制步骤，具体步骤包括：
22.当存在新增计量设备时，获取所绑定的rfid标签的tid序列码以及物品编码；
23.根据获取的新增计量设备的数据生成一个设备新增注册区块数据，并提取当前区块数据哈希值；
24.调用已部署的区块链计量设备新增智能合约接口，发起区块链主链区块入链申请；
25.通过主链共识机制验证后，将新增计量设备的注册区块数据链接到区块链的主链上；
26.将当前新增计量设备的物品编码、新增注册区块的哈希值分别存入对应rfid标签；
27.将当前新增计量设备的数据和新增注册区块的哈希值存入web服务器端的中心数据库。
28.进一步的，该方法还包括计量设备流转控制步骤，具体步骤包括：
29.当存在计量设备发生流转时，收集需流转的计量设备的流转信息；
30.根据流转信息生成当前计量设备的流转区块数据，并提取所述流转区块数据的哈希值；
31.调用已部署的区块链计量设备流转智能合约接口，发起区块链副链区块入链申请；
32.通过副链共识机制验证后，修改当前计量设备对应主链区块的状态信息，并将流转区块链接到当前主链区块的副链上；
33.将流转区块数据的哈希值写入当前计量设备对应的rfid标签；
34.将当前计量设备的流转信息和流转区块的哈希值存入web服务器端的中心数据库。
35.进一步的，该方法还包括区块链主链数据验证步骤，具体步骤包括：
36.在目标节点哈希值计算之前对目标节点的状态进行判断，当目标节点内容被更改时，仅对被修改的节点、以及从被修改的节点到根节点路径上的节点进行重计算，获得整棵树的新哈希值；
37.当目标节点的内容发生变化时，父节点的内容发生改变，并产生一个新的父节点，递归地传递到根节点，使得一次改变对应创建一条从被修改节点到根节点的新路径。
38.进一步的，该方法还包括rfid数据验证步骤，具体步骤包括：查询区块链中被验证计量设备的最近时间的设备注册区块或设备流转区块，并计算区块的哈希值，将计算得到的哈希值与被验证计量设备的rfid标签读出的哈希值比较，若一致则验证成功，否则验证失败，其中当计量设备为新增状态时，rfid标签存入主链新增区块的哈希值，当计量设备发生流转时存入副链的最新区块哈希值。
39.进一步的，该方法包括中心数据库的数据验证步骤，具体步骤包括：依次读取区块链主链的区块信息，所述区块链主链的区块保存着对应计量设备的最新状态信息，并获取所述区块链主链的区块的哈希值以及对应计量设备的核心数据；读取web服务端中心数据库中对应计量设备存入的最新哈希值以及设备数据，最后将读取的数据进行比对以验证数据的一致性，若不一致，则使用区块链数据进行溯源。
40.与现有技术相比，本发明的优点在于：
41.1、本发明通过在数据资源层设置区块链网络以及rfid标签，结合rfid技术与区块链构建电力计量数据管控验证系统，采用射频识别技术对计量设备进行识别管理，采用web服务器端中心数据库、区块链网络和rfid标签对设备数据进行存贮，充分利用rfid技术与区块链共同实现电力计量设备全寿命周期数据的管理控制以及数据验证，能够大大提高数据管控的效率，确保对电力设备各阶段的数据进行及时上报，同时还能够方便的实现溯源以及防篡改。
42.2、本发明通过将计量设备的流转数据采用默克尔树结构进行存贮，默克尔树采用二叉树结构，在区块中任意一个数据的变更都会导致默克尔树结构发生变化，底层数据的任何变动也都会传递到其父节点，一直到树根，使得在设备流转数据验证过程中，只需验证默克尔树根的哈希值，能够大大减少数据计算量，从而快速验证设备流转数据。
43.3、本发明通过设置以区块链网络为基准的计量资产数据的四层验证方法，能够进一步提高计量资产全寿命管控中资产数据的安全性，实现可溯源与防伪等功能，同时还能够大大减少数据计算量，提高验证的效率。
附图说明
44.图1是本实施例基于区块链的电力计量数据管控验证系统的结构示意图。
45.图2是本实施例中区块链双链结构示意图。
46.图3是本实施例中计量设备新增业务时数据管理控制实现流程示意图。
47.图4是本实施例中计量设备流转业务数据管理控制实现流程图。
48.图5是本实施例中计量设备新增注册区块结构示意图。
49.图6是本实施例中计量设备流转区块结构图。
具体实施方式
50.以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
51.射频识别(rfid)是一种非接触式自动识别通信技术，可在恶劣环境下无需人工干预进行远距离和多目标识别，与条形码相比具有识别距离远、快速、不易损坏、精确度高、存贮容量大等优点。区块链是一个由多个节点共同维护的分布式全局状态新型数据库，具有数据可追溯、数据安全性高以及数据防篡改等优点。本发明通过在数据资源层设置区块链网络以及rfid标签，结合rfid技术与区块链构建电力计量数据管控验证系统，采用射频识别技术对计量设备进行识别管理，采用web服务器端中心数据库、区块链网络和rfid标签对设备数据进行存贮，充分利用rfid技术与区块链共同实现电力计量设备全寿命周期数据的管理控制以及数据验证，能够大大提高数据管控的效率，确保对电力设备各阶段的数据进行及时上报，同时还能够方便的实现溯源以及防篡改。
52.如图1所示，本实施例基于区块链的电力计量数据管控验证系统具体包括：
53.数据资源层，包括web服务器端的中心数据库、区块链网络和rfid标签，web服务器端的中心数据库用于保存计量全寿命管控数据，区块链网络用于存贮计量信息和记录计量设备的流转信息，rfid标签中存储计量设备最新流转信息；
54.支撑层，用于实现对数据资源层的访问；
55.应用调度层，用于对管控层的各种业务访问进行调度；
56.管控层，用于实现计量设备的全寿命管理控制。
57.本实施例中，支撑层具体包括通信网络以及rfid标签打印设备和rfid读写器，rfid标签打印设备和rfid读写器与数据资源层及rfid标签连接，以实现对数据资源层的访问。应用调度层采用微服务架构进行分布式业务部署，以对设备管控层的各种业务访问进行调度，实现计量设备在新增、流转、盘点以及报废等全寿命管控中的数据管理。管控层主要采用b/s模式计算机或移动终端，实现计量设备的全寿命管控，包括计量设备的新增，流转，盘点、溯源和报废等业务，具体可采用微服务架构进行分布式部署。
58.本实施例中，rfid标签的存储区具体包括保留区、tid区、epc区和用户区，保留区将写入当前标签的密码(如摧毁密码和访问密码)，数据只能写入不能读出；tid区存储本标签芯片的识别序列号，数据可读出，但不能修改；epc区用于存储与当前标签所绑定的计量设备的物品编码，数据可读出；用户区用于存贮计量设备的最新流转信息，数据可读取。
59.为提高rfid标签数据安全性，epc区和用户区的数据具体采用密码写保护和密文方式存储，密文采用对称加密算法des进行加密，利用各标签的tid序列码作为分散参数，加解密过程在应用调度层完成，rfid只实现密文读写。rfid标签在读写过程中，采用随机哈希锁协议与rfid读写器之间进行相互认证。
60.本实施例在区块链网络数据存贮中，采用基于角色分配的主副链双链结构，如图2所示，区块链网络为由主链和多条副链构成的双链结构，主链用于基于账户保存各个新增计量设备的注册区块，副链基于交易由主链区块作为创始区块形成独立流转区块链，记录主链区块的所有流转信息，其中主链采用默克尔前缀树，副链的各区块结构采用默克尔树结构，使得流转数据默克尔树结构进行存贮。
61.进一步系统通过角色分配采用信任机制，将登录区块链网络的节点按照职能权限
进行分组，分为主节点(如计量设备采购部门)和从节点(计量设备流转部门)，主节点承担主链区块的生成与上链过程，从节点负责副链区块的生成与上链过程。
62.本实施例中，默克尔树具体采用二叉树结构，其中叶子节点存储计量设备流转数据及对应的哈希值，中间结点存储对应所有叶子节点的组合进行哈希计算后得到的哈希值；根结点存贮整个区块中间结点的组合进行哈希计算后得到的哈希值，根节点存储的哈希值作为一组流转信息的唯一摘要存储在区块头作为默克尔树根。
63.为进一步提高安全性，本实施例系统采用权限授权与登录密码认证的方式，对区块链网络的访问，采用数字签名的方式进行，即只有信息发送者生成的数据串，才能来证明信息发送者的身份，使得其他人无法仿造来保证信息不被篡改和伪造；各用户注册时，系统对各用户采用非对称解椭圆曲线加密算法(ecc)，生成公钥和私钥。
64.本实施例基于区块链的电力计量数据管控验证系统的方法包括计量设备新增控制步骤s1，具体步骤包括：
65.s11.当存在新增计量设备时，获取所绑定的rfid标签的tid序列码以及物品编码；
66.s12.根据获取的新增计量设备的数据生成一个设备新增注册区块数据，并提取当前区块数据哈希值；
67.s13.调用已部署的区块链计量设备新增智能合约接口，发起区块链主链区块入链申请；
68.s14.通过主链共识机制验证后，将新增计量设备的注册区块数据链接到区块链的主链上；
69.s15.将当前新增计量设备的物品编码、新增注册区块的哈希值分别存入对应rfid标签；
70.s16.将当前新增计量设备的数据和新增注册区块的哈希值存入web服务器端的中心数据库。
71.在具体应用实施例中，如图3所示，当新增计量设备后，整理该设备完整档案数据，包括与其所绑定的rfid标签的tid序列码，并为该设备编制物品编码；选取该设备核心数据生成一个设备新增注册区块数据，使用sha256哈希算法提取该区块数据哈希值，利用自己的私钥对该区块数据进行数字签名后，调用已部署的区块链设备新增智能合约接口，发起区块链主链区块入链申请；通过主链共识机制验证后，新增设备的注册区块数据链接到区块链的主链上；同时通过rfid标签打印机，将该设备的物品编码和新增注册区块的哈希值分别存入该标签的epc区和用户区，并将该标签粘贴到该设备表面；并以b/s模式通过远程通信网，将该设备完整档案数据和新增注册区块的哈希值存入web服务器端中心数据库，并加盖时间戳。
72.本实施例中，还包括计量设备流转控制步骤s2，具体步骤包括：
73.s21.当存在计量设备发生流转时，收集需流转的计量设备的流转信息；
74.s22.根据流转信息生成当前计量设备的流转区块数据，并提取流转区块数据的哈希值；
75.s23.调用已部署的区块链计量设备流转智能合约接口，发起区块链副链区块入链申请；
76.s24.通过副链共识机制验证后，修改当前计量设备对应主链区块的状态信息，并
将流转区块链接到当前主链区块的副链上；
77.s25.将流转区块数据的哈希值写入当前计量设备对应的rfid标签；
78.s26.将当前计量设备的流转信息和流转区块的哈希值存入web服务器端的中心数据库。
79.当计量设备发生借用、归还和调配等业务时，即发生设备流转，计量设备流转业务数据管理如图4所示。当设备发生流转时，收集该设备流转信息，包括该设备的物品编码以及设备保管人的变更信息等；选取流转信息的核心数据生成一个设备流转区块数据，使用sha256哈希算法提取该区块数据的哈希值；用自己的私钥对该区块信息进行数字签名后，调用已部署的区块链设备流转智能合约接口，发起区块链副链区块入链申请，通过副链共识机制验证后，修改该设备对应主链区块的设备状态信息，并将设备流转区块链接到该主链区块的副链上；同时通过rfid读写器，将该流转区块数据的哈希值写入该设备rfid标签的用户区；并以b/s模式通过远程通信网，将该设备流转数据和流转区块的哈希值存入web服务器端中心数据库，并加盖时间戳。
80.本实施例还包括对计量设备的校核业务控制步骤，具体当需要对某设备进行校核时，查询该设备在区块链主链上的区块，读取该区块所链副链最近时间的流转区块信息，获取该区块的哈希值，然后通过rfid读写器读取该设备rfid标签用户区中存入的哈希值，如果数据一致，则说明设备校核正常，否则说明发生设备流转异常。
81.本实施例还包括对计量设备的报废业务控制步骤，其数据管理方法类同于计量设备流转处理方法，区别在于将设备的变更信息变为设备报废的处理方式信息。
82.将电力计量设备全寿命管控系统管理的设备数据，在中心数据库、rfid标签和区块链网络上均有存贮，为保证数据的一致性，防止中心数据库宕机或数据被篡改，实现数据可追根溯源、提高数据的安全性，需要对设备数据进行验证。本实施例对计量设备数据采用以下的验证方式：
83.本实施例包括区块链主链数据验证步骤，具体步骤包括：
84.在目标节点哈希值计算之前对目标节点的状态进行判断，当目标节点内容被更改时，仅对被修改的节点、以及从被修改的节点到根节点路径上的节点进行重计算，获得整棵树的新哈希值；
85.当目标节点的内容发生变化时，父节点的内容发生改变，并产生一个新的父节点，递归地传递到根节点，使得一次改变对应创建一条从被修改节点到根节点的新路径。
86.本实施例中计量设备即为区块链的一个账户，即主链上的一个注册区块，主链维护的是所有设备的最终状态，任何设备每次的流转信息都会发给主链，使主链上的账户状态随即同步发生变更。本实施例采用基于账户原则的计量设备新增注册区块结构如图5所示，用于实时更新所有设备的最新状态。在该区块中，父区块哈希值字段记录该区块的上一个区块的哈希值，来维持主链的链式结构；时间戳字段用来记录本区块的创建时间；当前区块哈希值字段存贮本区块整体数据的哈希值，和当前区块内容唯一对应；状态树的根哈希值字段存贮状态树的根哈希值，此外还包括叔块列表的哈希值和所引用叔块列表等字段信息。
87.本实施例状态树采用默克尔前缀树(简称mpt树)数据结构，以用来存储所有信息的键值对，主要通过三个方面对主链数据进行验证：
88.(1)增强状态树的安全性：该树的默克尔部分是一个节点的确定性加密哈希值，通过这种模式，根节点就成为了整个树的加密签名，因此只要根哈希值不变，整个树的状态不变，因此信息可防被篡改。
89.(2)快速计算所维护数据集哈希值机制：在节点哈希值计算之前会对该节点的状态进行判断，当该节点内容被更改时，仅需对被修改的节点、以及从这些节点到根节点路径上的节点进行重计算，便能重新获得整棵树的新哈希值。
90.(3)快速状态回滚机制：mpt树是根据节点哈希值来关联父和子节点，当一个节点的内容发生变化时，最终对于父节点来说，改变的仅是一个哈希值；父节点的内容也由此改变，产生了一个新的父节点，递归地将这种影响传递到根节点，最终，一次改变对应创建了一条从被改节点到根节点的新路径，而旧节点依然可以根据旧根节点通过旧路径访问得到。如图5所示，一个节点的内容由36变为79，对应创建了一条新区块n+1的新路径，通过复用区块n圈出的未修改节点信息，构造一棵新树，而旧路径依旧保留，因此通过旧状态对仍能查询到该节点的前值36。在该主链结构中，发生分叉而进行状态回滚时，仅需要用旧的mpt根节点作为入口，即可完成
″
状态回滚
″
。
91.本实施例中区块链副链验证机制中，当计量设备流转区块被链接到该设备的副链上后，其内部数据则无法再更改，其数据对所有可信任用户均是公开可见的，因而不存在被篡改数据的风险。基于交易原则的设备流转区块结构如图6所示，在该区域结构中，父区块哈希值字段记录该区块的上一个区块的哈希值，以维持副链的链式结构，版本号字段记录了本区块软件的版本号，以用于跟踪软件与协议的更新，时间戳字段用来记录本区块的创建时间。
92.本实施例中，区块的形成过程具体如下：
93.(1)将在本地内存中的设备流转数据写入区块主体中；
94.(2)在区块主体中生成此区块中所有流转信息的默克尔树，把默克尔树根的值保存在区块头中；
95.(3)将前一个刚生成的区块数据通过sha256算法生成一个哈希值，填入到当前区块的父区块哈希值中；
96.(4)将当前时间保存在时间戳字段中。
97.本实施例中计量设备的流转数据采用默克尔树结构进行存贮，如图6所示，默克尔树采用二叉树结构，叶子节点存储的是设备流转数据及其哈希值，中间结点存储是当前中间节点下所有叶子节点的组合进行哈希计算后得到的哈希值，根结点存贮的是整个区块中间结点的组合进行哈希计算后得到的哈希值，该值作为一组流转信息的唯一摘要放在区块头作为默克尔树根。在该结构中，区块中任意一个数据的变更都会导致默克尔树结构发生变化，底层数据的任何变动都会传递到其父节点，一直到树根。在设备流转数据验证过程中，只需验证默克尔树根的哈希值，能够减少数据计算量，快速验证设备流转数据。
98.本实施例rfid标签的用户区存入的是主链和副链的最新区块信息，当设备为新增状态时，存入的是主链新增区块的哈希值，当设备发生流转时存入的是副链的最新区块哈希值，进一步的本实施例还包括rfid数据验证步骤，具体步骤包括：查询区块链中被验证计量设备的最近时间的设备注册区块或设备流转区块，并计算区块的哈希值，将计算得到的哈希值与被验证计量设备的rfid标签读出的哈希值比较，若一致则验证成功，否则验证失
败，数据出现错误。
99.为防止web服务器端中心数据库宕机或核心数据被篡改，需周期性地对其数据在无人工干预的情况进行分批验证。本实施例还包括中心数据库的数据验证步骤，具体步骤包括：依次读取区块链主链的区块信息，区块链主链的区块保存着对应计量设备的最新状态信息，并获取区块链主链的区块的哈希值以及对应计量设备的核心数据；读取web服务端中心数据库中对应计量设备存入的最新哈希值以及设备数据，最后将读取的数据进行比对以验证数据的一致性，若不一致，则使用区块链数据进行溯源。
100.上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。