中国对煤炭能源的需求逐年增加,和煤矿的规模正在逐步扩大。然而,在实际的开采过程中,有许多采矿问题,这可能会导致严重的安全事故发生( 1]。在生产过程中,为了避免警报,继续生产,人工篡改和删除安全监测系统的传感器数据结果未能真正反映环境变化在煤矿 2];运营商不严格按照规定操作和设备运行异常状态的最大障碍是制约煤矿生产。然而,现有的安全监测系统、人员定位系统,主要设备系统不能监控这些不安全的现象的发生 3]。因此,迫切需要开发一个平台,可以防止煤矿篡改传感器数据和发现不安全的人类行为和不安全的状况及时生产过程( 4),以确保煤矿的安全生产和提供更多方便监管部门的监管方法。

区块链技术是分散的分布式分类技术( 5, 6]。其特点“nonforgery”、“全面跟踪,”“可追溯性”,“公开和透明,”和“集体维护”非常符合煤矿生产的安全要求。文献[ 7]提出的想法区块链技术应用到安全生产信息化建设,资源共享最大化,为企业的监督和政府监督提供便利的条件。文献[ 8]分析了农产品质量安全的施工方法和高效的可追溯系统基于联盟区块链。文献[ 9)构建学校安全教育考试制度基于区块链技术,大大提高任何跟考试有关的数据的可靠性。上述研究提出应用区块链技术在信息安全的概念从不同的场景,但区块链技术的应用仍处于理论探索阶段。目前,没有领域的理论研究和模型建设煤矿安全生产区块链技术。

因此,煤矿安全生产系统模式提出了基于财团链技术。首先,该财团的节点结构链结合安全生产模型和业务流程进行了分析。然后,具体分析方面的数据可靠性、安全生产自动化、可追溯性的主要设备,和共识机制提供参考当前的理论研究和实际建设煤矿安全区块链。

实现互连的传感器信息和传感器数据的分散存储,所有我是封装的传感器信息模型转换为块。共识进行审查的信息在上链之前,和上链后的信息不能被篡改,确保传感器数据在收集、传输和存储是真实和可靠的。

完成模块不仅可以提供闭环数据服务的安全管理也被嵌入在煤矿安全监测信息系统基于区块链技术的软件系统提供数据服务。当模块嵌入到系统,现有的安全监控系统改进,为传感器数据建立一个可靠的系统。系统可以设置用户的功能权限和数据权限根据模块特点和预设的解决方案适合不同用户在不同的异常情况。当模块检测到传感器数据被篡改,系统将异常信息和动态响应紧急解决各级用户结合现有的智能感知的数据分析系统的人工智能、物联网、大数据为各级用户提供了错误信息反馈通道的异常信息或解决方案。经过验证,有效反馈信息将被添加到系统的优化算法。传感器数据可靠性包括以下具体功能模块。结构如图 4。

账户管理是记录和改变该财团的成员连锁网络。本模块的功能部分取决于财团的MSP链,并负责维护系统中所有节点的id和发行节点身份证明。基本功能模块实现的主要功能安全生产协会链,即上传,下载,传感器数据的查询和更新。智能合同模块负责维护所有链编码系统中,实现操作,如存储、编辑、更新和安装的链码。链的安全生产协会提出,这个模块支持基本功能和审计跟踪功能。跟踪模块负责包装操作日志和设备信息块和连接成链对传感器数据链在执行操作。类似于数据链路的操作,操作的查询日志检索行为链中所有信息并返回指定的日志信息实现postaudit传感器数据的敏感操作的函数。

聪明的合同是一个计算机的协议,它可以自动执行合同,和其特点是允许可信交易没有第三方( 17]。然而,目前,没有完整的智能合同的模板,还有更高的风险和漏洞。Ethereum的刀是一个典型的被黑客攻击使用智能合同漏洞( 18]。

多个私人链架构部署智能合约如图 5。这个模型存储数据内容与不同的权限分别为链和记录返回的散列值传感器数据传输系统的形式交易。节点安全级别分为三个水平,命名为“机密”“秘密”和“公共”( 19]。根据各部门的级别和功能如煤矿生产和监督,不同的权限分配给对应于三个私人链。的身份信息发布的MSP区块链分为三个身份:管理员,授权成员,和普通成员。一般连锁私人机密数据只能由管理员,秘密私人链可以由管理员和授权数据成员,和公共数据可以由所有成员包括普通会员。此外,这个模型包操作日志和设备信息链的形式交易区块链网络促进postaudit和实现数据源的可追溯性。

聪明的合同是部署在三个不同的私人链,确保数据隐私和孤立。每个私人链可以部署多个智能合同,合同可以叫对方。数据可以查询在私人连锁店,但数据是不能更改的。每个智能合同指定自己的设备或产品的生产过程。如果部门拒绝为节省成本,实现指定的生产过程检测设备将记录操作数据,并自动扣除资金从有关部门,开展基于智能合同其他类型的处理。在聪明的合同,规定特定的进程和逻辑关系,如进程A和B或A和B共同确认的组织。

对于传统可追溯性系统,可追溯系统的法规是由政府和企业等相关机构制定。法规制定后,所有生产环节都必须遵守规则。一种新的可追溯性方案采用基于区块链技术在这个模型。该计划的目标是建立一个分散的产品可追溯性系统由nontrusted参与者。可追溯性方案采用基于区块链技术存储区块链中可追溯性信息,和区块链的分散特性是用来实现分散可追溯系统( 20.]。多个私人链+财团链结构与高吞吐量、高安全,默克尔树是用于关联的信息存储在两个。默克尔树结构如图 6。

在煤矿生产环境中,煤矿实时传感器检测到的数据。确保数据的可追溯性的区块链系统,一旦输入的数据,他们无法篡改,不能删除。因此,将继续增长的数据量随着时间的推移,这可能会导致问题,如过度的数据量。可以有效地解决这个问题的Merkle树结构安全生产区块链系统。

假设有交易价值的Hash4块验证,只需要知道Hash3 Hash12, Hash5678。Hash34 Hash1234和根节点的哈希计算。如果最后根节点计算散列记录在块标题是一致的,这意味着事务中存在。默克尔树验证交易的关键在于两点:(1)计算散列的默克尔树一层一层地从下到上,只要另一个相邻节点的哈希值是已知的,可以计算到根节点;(2)根节点的哈希值可以精确地用作一组独特的消化事务( 21]。基于这两点,可以验证一个事务的存在。

默克尔树的最大的优点是,每笔交易可以直接删除,单独和这笔交易只是不断的散列值。这样,整个块,块的加密安全性和完整性不改变,但可以大大减少的数据量(散列值有32个字节,一个事务通常需要超过400字节)。如果只有一个事务在一块没有后续交易中,删除所有其他交易将大大减少整个块的数据量。因此,安全生产区块链,通常没有需要担心的问题过度造成的数据与默克尔树越来越多的数据。

共识机制是指达成统一协议的过程状态的网络以分散的方式,这有助于验证信息添加到分类帐,确保只有真正的事务被记录在区块链( 22]。这意味着某个节点修改某个数据块存储期间,但其他节点没有共识这一块,和修改操作是无效的。

目前有三种主流算法: (1)

工作证明(战俘):战俘机制的原则是,完成更多的工作,更大的好处。战俘可以分为两个阶段,解决方案和验证。解决方案阶段需要大量的复杂计算比较运算能力来获得一种数学方法;在验证阶段,其他节点的数学解的正确性可以验证通过简单的计算。战俘需要大量的复杂计算,以确保正确性和一致性的区块链网络 23]。因此,需要消耗大量的能源如电力,它需要很长时间才能达成共识,因此,战俘机制效率低下。

采用PBFT在安全管理模型中,可以定期评估节点的可用性和动态添加或删除节点认证,以确保整体运营效率。

在PBFT共识过程中,节点分为主节点和从节点。主节点主要由煤矿安全管理部门,和奴隶节点由传感器节点组成。共识的过程没有节点故障如图 7。主节点负责数据包装和奴隶节点负责数据验证。这两种类型的节点与客户端交互的功能。

首先,客户端发送一个请求任何节点(节点1的图),和节点广播发送的数据请求客户端整个网络。在收集多个请求,主节点类型列表,产生preprepared证书,和整个网络广播preprepared证书。后收到的奴隶节点,它验证证书和回复主节点信息的批准。主节点接收批准后的所有从节点的信息,它包批准信息并将其发送给所有的从节点,和奴隶节点验证批准其他奴隶节点信息的正确性。当所有节点表明他们接收来自其他奴隶的块信息节点,其他节点将包上链上的数据信息。

本节测试煤矿财团区块链的性能,比较它与传统PBFT,两个经典公共区块链平台,比特币,Ethereum强调我们的模型的优点。最后,Hyperledger织物平台是用于构建煤矿财团区块链系统。我们专注于吞吐量和延迟的分析指标。吞吐量是指每秒可以处理的数据请求数量的煤矿财团区块链和是一个重要的指标来衡量算法的性能一致。包装单位时间内的事务数表示为TPS(每秒事务数)区块链:事务/Δ t。延迟时间是指从发出数据请求的时间从主节点的反应整个区块链平台。

Hyperledger卡尺用于执行压力测试,建立100个节点不断发送交易请求到煤矿财团区块链系统,观察其吞吐量和延迟增加利率。

图 8显示的性能提出了煤矿财团区块链模型的吞吐量和延迟。吞吐量上升随着发送速率增加,当发送率达到约270 tps,它不再不断增加,但保持稳定状态。当发送速率低于27 tps,慢慢增加,仍低于1500毫秒的延迟在相对较低的水平。当发送速率大于270 tps,延迟增加迅速。

为了评估的有效性提出了煤矿财团区块链模型,我们比较该财团的吞吐量与传统PBFT区块链和两个典型区块链模型:比特币和Ethereum。结果表明,煤矿财团区块链在吞吐量模型具有明显的优势。比特币使用战俘共识机制,这需要大量的计算能力和只生产一块平均每10分钟。Ethereum使用一个战俘和POS共识机制;大约需要10秒/块。实验所需的数据比较从两个不同的公共数据集( 25, 26],它收集的部分数据生成的两个公共blockchains真正的交易。与传统PBFT相比,改进的PBFT增加验证步骤,但沟通时间大大减少,这不仅增加了安全块传输过程中也减少了通信流量,如(图所示 9)。

最后,我们使用Hyperledger织物平台构建煤矿财团区块链系统,从而实现煤矿输出事务,查询等操作。图 10显示了该煤矿矿产交易财团区块链。图 11显示了潜在的性能区块链矿产交易后,包括该事务的散列值。

分散、聪明、区块链技术的防伪特征符合煤矿安全生产的要求,和区块链技术具有广阔的发展前景领域的煤矿安全生产。我们的方法提高了煤矿安全生产的安全使用区块链。然而,我们的节点部署少量测试我们的平台的性能。和我们的模型假定大多数节点是正常的。所以,在一个真正的大规模部署、消息的一致性和准确性可能无法保证。对于未来的工作,我们将提高我们的共识算法流程,特别是详细的视图更改。我们将部署在公共区块链平台(例如,Ethereum)。虽然区块链技术不同程度的应用和研究在不同的行业,仍处于起步阶段,有缺陷,如低效率和浪费资源。因此,区块链技术尚未广泛应用。

在太原合作精英技术,提出了一种煤矿安全生产协会链模型结合区块链技术和煤矿生产的安全要求。它把监督部门在系统形成一个良好的集中与分散相和supervisable商业模式共存。模块结构、节点结构和业务流程模型的分析和相应的对策提出了针对问题的数据可靠性、安全自动化管理,主要设备跟踪促进区块链技术的研究和开发领域的煤矿安全生产。