矿山联盟区块链：基于区间煤矿安全生产的应用研究

摘要

为解决煤矿生产过程中的安全数据易于恶意地篡改和删除，提出了一个矿山集团区数据安全监测系统。煤矿联盟区块链包括监督部门，建立有利的集中化和分散的生产模式，提高了PBFT（实用拜占庭容错）共识机制，实施实用煤矿安全生产。评估表明，我们提出的架构比传统的区块架构更适合和高效。超载合物结构平台用于构建矿山联盟区块链系统，实现传感器数据可靠性，节点共识，安全操作自动化管理和主要设备可追溯性。

1.介绍

我国对煤炭能源的需求逐年增加，煤炭开采规模逐渐扩大。然而，在实际开采过程中，存在着许多开采问题，可能会造成严重的安全事故发生[1］．在生产过程中，为了避免报警而继续产生，人为篡改和删除传感器数据，导致安全监测系统无法真实反映煤矿环境变化[2];操作人员不严格按照规定操作，设备运行状态异常是制约煤矿生产的最大障碍。然而，现有的安全监测系统、人员定位系统和主要设备系统无法监测到这些不安全现象的发生[3.］．因此，迫切需要开发一个能够防止煤矿篡改传感器数据，及时发现生产过程中不安全的人的行为和不安全条件的平台[[4.]，以确保煤矿安全生产，为监督部门提供更方便的监督方法。

区块链技术是一种去中心化的分布式账本技术[5.那6.］．它的特点是“非兄弟”的“全追踪”，“可追溯性，”“开放和透明”和“集体维护”与煤矿生产的安全要求非常一致。文学 [7.]提出将区块链技术应用于安全生产信息化建设的思路，实现资源共享最大化，为企业监管和政府监管提供便利条件。文学 [8.基于联盟区块链的农产品质量安全高效可追溯性系统分析。文学 [9.]构建了基于区块链技术的高校安全教育考试系统，大大提高了考试相关数据的可靠性。上述研究从不同的场景提出了区块链技术在信息安全中的应用概念，但区块链技术的应用仍处于理论探索阶段。目前，对区块链技术在煤矿安全生产领域的应用尚无理论研究和模型构建。

为此，本文提出了一种基于联盟链技术的煤矿安全生产系统模式。首先，构建了与安全生产模型集成的联盟链节点体系结构，分析了业务流程;然后，从数据可靠性、安全生产自动化、重大设备可追溯性、共识机制等方面进行具体分析，为当前煤矿安全区块链的理论研究和实际建设提供参考。

2.联盟区块链模型设计

２.１.应用程序模型架构

该模型采用区块链技术集成智能合约、共识机制和分布式数据库。同时，将监管部门纳入联盟链系统，实现数据的不篡改、生产过程的智能化、设备信息的可追溯性。联盟链的应用模型体系结构如图所示1．签发证书由核证机关(核证机关)完成[10.]，用于实现区块链中的身份认证和授权功能。传感器节点负责记录煤矿数据，通过共识机制将信息上传到链中，并将相关数据记录在区块链的分散分布式账本中。监管机构获得授权后，通过调用智能合约，完成对总账中煤矿数据的查询和跟踪。三者通过这个模式相互联系，形成一个有机的整体。对于人的不安全行为、物的不安全状况等不安全因素，可以实现及时的监督和有效的问责。

具体包括数据可信度模块、安全运行自动化模块和主要设备可追溯模块，如图所示2．实现了矿井传感器信息的互联，将井下所有传感器信息封装成一个块[11.］．对信息进行链化前的共识审查，链化后的信息不能被篡改，解决了煤矿中传感器数据被篡改的问题[12.];在煤矿安全生产中建立合规流程操作合同，增加用户身份验证，建立独立于监控数据的设备信息记录链，实现设备信息的监控和可追溯，解决安全生产过程中的违规操作问题。可以看出，系统软件基本上可以分为三个子模块来解决人的不安全行为、事物的不安全状况和环境的不安全因素。

２.２.节点架构和业务流程

模型节点体系结构和工作流程如图所示3.，包括CA，排序服务和认可节点等模块[13.］．

2.2.1。CA

在该模型中，煤矿安全生产公司内部权威机构作为CA(数字证书权威机构)节点，依赖于联盟链系统中的会员服务提供商(Membership Service Provider, MSP)，负责接收用户节点的注册申请，并返回登录的注册密码，以便用户获得身份证明。成功应用后，CA将以密码的形式向用户节点提供私钥。最后，用户将证书签名请求和私钥存储在服务器或本地驱动器上的安全位置。区块链网络的所有操作都将验证用户的身份，以确定其是否属于传感器节点、监控节点或其他节点。

2.2.2。分类服务

排序服务负责对每个传感器返回的数据包进行排序。排序服务根据时间戳根据规则将事务信息排列为特定顺序，并将其包装它以促进数据传输[14.]背书策略和背书节点。

客户端发起传感器数据包提案。财团链系统不会自动发送数据。相反，客户端指定区块发送到哪个节点进行背书验证;也就是说，客户指定背书策略[15.］．背书策略为信道中执行提议的特定节点(即私链)及其响应结果定义了必要的组合条件。

认证节点主要执行验证，仿真执行和提议的认可。在每个认可节点接收到块后，它将验证其中的数据。如果提案不符合认可政策，则不会在本地生效。

2.2.3。节点的确认

节点确认主要负责检查交易的合法性，更新和维护区块链和台账的状态。数据包在记录到账本之前，必须经过节点确认，只有确认的数据才能记录到区块链账本中。

2.2.4。世界国家

以世界状态记录各种信息，如传感器节点数据、智能合约字节码、每个智能合约定制的数据、链配置参数等[16.］．世界状态代表当前状态，即记录每个状态数据的当前值。

2.2.5。客户端和SDK

通过客户端和SDK接口，用户可以向背书节点指定背书策略，向排序服务发送数据信息和设备信息，参与交易验证。

3.传感器数据的可靠性

为了实现矿山传感器信息的互连和传感器数据的分散存储，矿井中的所有传感器信息都被模型封装到块中。共识审查是在科钦之前的信息上进行的，并且在科钦之后不能篡改信息，以确保在收集期间的传感器数据，传输和存储是真实可靠的。

完成的模块不仅可以提供安全管理的闭环数据服务，而且可以嵌入到基于区块链技术的煤矿信息安全监控系统软件系统中提供数据服务。将该模块嵌入到系统中，对现有的安全监控系统进行了改进，构建了一个可靠的传感器数据采集系统。系统可根据模块特点，预置适合不同用户在各种异常场景下的解决方案，设置用户的功能权限和数据权限。当模块检测到传感器数据被篡改时，系统结合现有人工智能、物联网、智能感知分析系统的数据，动态推送异常信息并响应应急解决方案给各级用户。为各级用户提供异常信息或解决方案错误信息的反馈渠道。经过验证后，将有效的反馈信息添加到系统的优化算法中。传感器数据可靠性包括以下具体功能模块。其结构如图所示4.．

帐户管理是要记录和更改联盟链网络中的成员。此模块的一部分依赖于联盟链的MSP，它们负责维护系统中所有节点的ID和发出节点标识证书。基本功能模块实现了安全生产联盟链的主要功能，即上传，下载，查询和传感器数据的更新。智能合同模块负责维护系统中的所有链条代码，并实现链路代码的存储，编译，更新和安装等操作。对于本文提出的安全生产联盟链，该模块为基本功能提供了支持和审计可追溯性功能。可追溯性模块负责将操作日志和设备信息包装成块并将其连接到链中，同时在传感器数据链上执行操作。类似于数据链路的操作，操作日志的查询是检索行为链中的所有信息并返回指定的日志信息以实现传感器数据的敏感操作的后遮蔽函数。

4.安全运行自动化管理

智能合同是一种可以自动执行合同的计算机协议，其特征是允许没有第三方的可信交易[17.］．但目前智能合约还没有完整的模板，存在较高的风险和漏洞。以太坊中的DAO是黑客利用智能合约漏洞发起的典型攻击[18.］．

使用智能合同部署的多个私有链架构如图所示5.．此模型将具有不同权限的数据内容分别存储到链中，并以事务的形式记录传感器数据传输系统返回的散列值。节点安全级别分为三个级别，名为“机密”，“秘密”和“公共”[19.］．根据煤矿生产、监管等部门的级别和职能，为三个私有链分配不同的权限。区块链的MSP发布的身份信息分为管理员、授权成员和普通成员三种身份。普通机密私链数据只能由管理员操作，机密私链数据可以由管理员和授权成员操作，公开数据可以由包括普通成员在内的所有成员操作。此外，该模型以区块链网络交易的形式将操作日志和设备信息打包在链上，便于事后审计，实现数据源的可追溯性。

智能合同部署在三个不同的私人链上，以确保数据隐私和隔离。每个私有链都可以部署多个智能合同，合同可以互相调用。可以在私有链中查询数据，但无法更改数据。每个智能合同指定自己的设备或产品的生产过程。如果该部门拒绝实施规定的生产过程以节省成本，则检测设备将记录运营数据，并自动从相关部门扣除资金，并根据智能合同进行其他类型的处理。在智能合同内部，规定了具体进程和逻辑关系，例如过程A和B或联合确认A和B.

5.主要设备的可追溯性

对于传统的可追溯体系，可追溯体系的规定是由政府、企业等相关机构制定的。法规制定后，要求所有生产环节都要遵守法规。该模型采用了一种新的基于区块链技术的可追溯方案。该方案旨在建立一个分散的产品可追溯系统，由不可信的参与者维护。采用基于区块链技术的可追溯方案，将可追溯信息存储在区块链中，利用区块链的分散特性，实现一个分散的可追溯系统[20.］．采用高吞吐量、高安全性的多私有链+联盟链架构，并使用默克尔树将存储在两者中的信息关联起来。默克尔树结构如图所示6.．

在煤矿生产环境中，通过传感器对煤矿数据进行实时检测。为保证区块链系统的数据可追溯性，数据一旦输入，就不能被篡改和删除。因此，数据量会随着时间的推移而不断增加，这可能会导致数据量过大等问题。在安全生产区块链系统中采用默克尔树结构可以有效地解决这一问题。

假设在要验证的块中有一个值为Hash4的事务，只需要知道Hash3、Hash12和Hash5678。计算Hash34、Hash1234和根节点的哈希值。如果最终计算的根节点哈希值与区块头中记录的一致，则意味着该事务存在于该区块中。默克尔树验证交易的关键在于两点:(1)由默克尔树自底向上逐层计算哈希值，因此只要知道另一个相邻节点的哈希值，就可以计算到根节点;(2)根节点的哈希值可以准确地用作一组事务的唯一摘要[21］．基于这两点，可以验证事务是否存在。

Merkel树的最大优点是每笔交易都可以直接单独删除，并且只保留该交易的哈希值。这样，对于整个区块，不会改变区块的加密安全性和完整性，但可以大大减少数据量(哈希值为32字节，一个事务通常需要超过400字节)。如果一个块中只有一个事务，并且没有后续事务，删除所有其他事务将大大减少整个块中的数据量。因此，在安全生产区块链中，通常不需要担心默克尔树数据量增加导致的数据过多问题。

6.共识机制

共识机制是指以分散的方式达到网络状态统一协议的过程，这有助于验证信息是否已添加到分类帐中，确保仅在区块链上记录实际事务[22］．这意味着某个节点在存储期间修改块中的某些数据，但在该块上没有共识，并且修改操作无效。

目前有三个主流算法：（1）工作量证明(PoW): PoW机制的原则是，完成的工作越多，收益就越大。PoW分为两个阶段，解决阶段和验证阶段。求解阶段需要大量复杂的计算来比较计算能力，以获得数学解;在验证阶段，可以通过简单的计算来验证其他节点的数学解的正确性。PoW需要大量复杂的计算来确保区块链网络的正确性和一致性[23］．因此，有必要消耗大量的能量，如电力，需要很长时间才能达成共识，因此权力机制效率低下。（2）PoS也是一种共识证明，类似于股权凭证和投票制度，故又称“权益证明算法”[24］．它是依靠令牌完成的，持有最多令牌的人会宣布最终的信息，这并不适合大多数区块链应用场景。（3）实用拜占庭容错:PBFT也是一种常见的共识证明。它与前两种机制不同。PBFT是基于计算的，没有象征性的奖励。链上的每个人都参与投票。当异议小于(N−1)/3个节点时，可获得信息公开权。

PBFT在安全管理模型中采用，该模型可以定期评估节点的可用性，并动态添加或删除认证节点以确保整体操作效率。

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组成，从节点由传感器节点组成。没有节点故障的共识过程如图所示7.．主节点负责数据打包，从节点负责数据验证。这两种类型的节点都具有与客户机交互的功能。

首先，客户端向任意节点(图中节点1)发送请求，节点将客户端发送的数据请求广播到整个网络。在收集多个请求后，主节点将它们排序到列表中，生成预先准备好的证书，并将这些预先准备好的证书广播到整个网络。从节点收到证书后，验证证书并回复给主节点进行信息审批。主节点收到所有从节点的审批信息后，将审批信息打包发送给所有从节点，由从节点验证其他从节点的审批信息的正确性。当所有节点表示从其他从节点接收到块信息时，其他节点将数据信息打包到上链上。

7.模拟和分析

本节测试了煤矿财团区块链的性能，并将其与传统的PBFT、两个经典的区块链公共平台、比特币和以太坊进行了比较，以突出我们模型的优势。最后，利用Hyperledger Fabric平台构建了煤矿联合体区块链系统。重点分析吞吐量和延迟指标。吞吐量用来描述煤矿联合体区块链中每秒可处理的数据请求数，是衡量共识算法性能的重要指标。在区块链:transactions /Δ中，单位时间打包的事务数表示为TPS(每秒事务数)T.．延迟是指从主节点发出数据请求到整个区块链平台响应的时间。

使用Hyperledger Caliper进行压力测试，设置100个节点连续向煤矿财团区块链系统发送交易请求，并通过增加发送速率观察其吞吐量和延迟。

数字8.给出了所提出的煤矿联合体区块链模型在吞吐量和延迟方面的性能。吞吐量随着发送速率的增加而增加，当发送速率达到270tps左右时，吞吐量不再继续增加，而是保持稳定状态。当发送速率低于27 tps时，延迟增长缓慢，并保持在相对较低的1500 ms以下。当发送速率大于270tps时，延迟会迅速增加。

为了评估提议的煤矿联盟区块链模型的有效性，我们比较了联盟区块链与传统PBFT和两个经典区块链模型:比特币和以太坊的吞吐量。结果表明:区块链模型具有明显的吞吐量优势。比特币使用的是POW共识机制，这需要很大的计算能力，平均每10分钟生成一个区块。以太坊使用POW和POS共识机制;每个区块大约需要10秒。对比实验所需的数据来自两个不同的公共数据集[25那26，收集了两个公有区块链在真实交易中生成的部分数据。与传统PBFT相比，改进的PBFT增加了验证步骤，但通信时间大大缩短，不仅提高了块传输过程的安全性，还减少了通信流量，如图(图)所示9.）.

最后，利用Hyperledger Fabric平台构建煤矿联合体区块链系统，实现煤矿产出的交易、查询等操作。数字10.显示了煤矿财团区块链的矿产交易。数字11.显示矿产交易后基础区块链的性能，包括该交易的哈希值。

8.总结

区块链技术具有分散、智能化、抗篡改等特点，符合煤矿安全生产的要求，区块链技术在煤矿安全生产领域具有广阔的发展前景。利用区块链提高煤矿安全生产的安全性。但是，我们部署了少量节点来测试平台的性能。我们的模型假设大多数节点都是正常的。因此，在真正的大规模部署中，可能无法保证消息的一致性和准确性。在未来的工作中，我们将改进我们的共识算法流程，特别是详细的视图变化。我们将在公共区块链上部署我们的平台(例如，以太坊)。虽然区块链技术在各个行业的应用和研究程度不同，但仍处于起步阶段，存在效率低、资源浪费等不足。因此，区块链技术尚未得到广泛应用。

本文在与太原的景州科技合作中，提出了一种煤矿安全生产联盟连锁模型与煤矿生产领域的区块科技和安全要求相结合。它将监督部门纳入系统，以形成一个良好和可监督的商业模式，其中集中化和分散共存。分析模型的模块结构，节点结构和业务流程，并提出了对应的对策，旨在旨在促进煤炭领域区块科技的研发的数据可靠性，安全自动化管理和主要设备可追溯性问题矿井安全生产。

附录

我们在部分中使用超载手卡尺6.评价煤矿联合体区块链的绩效。事务请求以特定的速率通过HTTP端口连续地发送到区块链模型，以监视联盟区块链的相关性能。试验结果如表所示1．

数据可用性

先前报道的数据被用来支持这项研究。数据集被引用于正文的相关位置作为参考[19.那20.］．我们模型的压力测试如本文的附录中所示。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

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