用于将区块链连接到数字孪生的计算机实现的系统和方法与流程

本说明书总体上涉及适用于在区块链网络的节点中实现的计算机实现的方法和系统。本发明还涉及计算机实现的系统中的安全性、完整性和效率。

背景技术：

1、如今，工业资产的设计依赖于各种模型和大量的数据源。数据科学家处理大量数据，而专业团队则独立地创建模型，并针对其特定任务进行分析。最新的信息和计算可能无法立即用于关键决策，这种孤岛式工作方式会导致成本和效率低下，造成不确定性，并且浪费大量时间和资源。为了最大程度地利用传感器和过程产生的数据，数字孪生非常有用。

2、数字孪生是真实对象、过程或服务的虚拟动态副本，通过它可以进行测试并防止错误或故障。可以创造产品、飞机或汽车的机械部件、生产过程等等的数字孪生。数字孪生可以被视为模拟与实时数据和响应的革命性结合。

3、模拟过程或系统的行为假定了解在模拟中涉及的所有变量在过去的行为，以及足够大的时间范围，在此时间范围内，观察被测系统，记录所有的输入/输出变量。了解过去是建立良好模拟器的前提。向此过程添加实时信息的可能性可以显著提高整个模拟的精度和准确度，直到反映出系统或过程的确切行为。这种可能性对于工业世界(工业4.0)来说是革命性的，高德纳(gartner)将数字孪生列为2017年最重要的颠覆性技术之一[http://www.gartner.com/smarterwithgartner/gartners-top-10-technology-trends-2017/]。

4、图1示出了物理系统的数字孪生的简单示意图。传感器收集关于物理系统的数据，例如，物理系统可以是飞机的部件。历史数据被用来构建数字孪生，随着更多的实时数据被输入到系统，数字孪生进化成模拟该物理系统。数字孪生可用于监控物理系统的参数，评估物理系统的当前状态，预测物理系统的未来状态，并进行测试，以便例如预测物理系统的故障，从而有助于避免故障，例如通过更换部件或以不同方式操作物理系统。

技术实现思路

1、如下所述，目前的数字孪生技术已经发现了许多问题。

2、数字孪生的可靠性和安全性取决于数字孪生所依赖的数据的安全性。理想情况下，数据应该是不可变的，以便在实时操作期间，数字孪生的操作不会被篡改，并且能够正确地反映物理系统的状态。这可能很重要，例如，以防止第三方干扰数据，使得数字孪生不能正确地表示物理系统的实时状态并提供可能导致物理系统中的操作错误或故障的误导信息。

3、此外，所存储的数据应该是不可变的，以便保留系统性能的准确和可靠的历史记录。这可能很重要，例如，如果物理系统故障，需要检查数据以确认物理系统出现故障的原因，以及物理系统的用户或制造者是否存在任何责任。在某个动作可能依赖于先前动作的执行的过程中，这也是很重要的。在这种情况下，第三方可能会更改所存储的数据，使其看起来像已经执行了特定动作，而实际上并没有，从而错误地触发进一步的动作。

4、另一个问题是数据对许多相关方的可访问性。各方很可能存在利益冲突，因此，拥有一个安全、不可变的但各方均可访问的中立数据记录是有利的。

5、还有一个问题是，传统的数据存储方案(例如飞机上的黑匣子记录器)在发生事故时可能会损坏或丢失。

6、还有另一个问题是，在一个场景中，一旦先前的动作已经完成，就需要进一步的动作，数字孪生可以指示需要进一步的动作，但是不能确保动作被实际执行。例如，数字孪生可以指示某个物理过程已经完成，因此需要进一步的步骤，例如支付物理过程的完成。但是，数字孪生不能确保这种支付被实际进行，因此这种支付依赖于对于过程是值得信任的并支付的一方，或者预先支付，这取决于过程的提供者的可信任度以正确地完成过程。

7、本发明的某些实施例的目的是通过提供如本文所述的解决方案来解决这些问题。

8、本技术发明人已经认识到，通过使用区块链技术作为从物理系统和过程(包括使用数字孪生的实时应用)获取的数据的存储系统，可以解决上述问题。从数字孪生产生的数据可以是，例如，与物理系统的一个或多个参数相关联的数据，该数据由监控物理系统的一个或多个参数的一个或多个传感器产生。区块链可用于产生数字孪生所生成数据的不可变交易历史。在出现错误、故障、事件或事故的情况下，相关方可以访问并分析不可变的数据集。这在诸如飞机等安全关键系统中尤为重要。此外，由于区块链提供了数据的分布式存储，因此它不容易损坏或丢失单个存储单元。此外，本技术发明人已经认识到，数字孪生可以成为在区块链网络上实现的数字智能合约的一方。这可以确保区块链网络可以根据数字孪生接收的指示真实物理系统状态的数据来执行步骤。也就是说，区块链网络可用于与涉及并入数字孪生的系统或过程的多方执行数字智能合约。

9、当需要在相对不频繁的时间段存储相对少量的数据时，当前的区块链技术能够实现上述功能。然而，区块大小限制以及区块大约每10分钟才被并入区块链的事实，意味着标准区块链技术不太适合作为用于实时应用程序的存储系统，在这些应用程序中，所产生的数据量非常大和/或需要以高频率/保真度(例如每秒或每毫秒)存储数据。本文还描述了克服这些问题以便利用区块链作为用于这种实时系统的存储系统的方法。这些方法涉及以下一个或多个：在区块链网络内实现的合适的协议，用于处理来自数字孪生的大量数据；改进的区块链网络架构，用于在区块链网络内处理数据；以及在数字孪生和区块链网络之间提供合适的接口，用于处理来自数字孪生的大量数据。

10、就在数字孪生和区块链网络之间提供合适的接口以处理来自数字孪生的大量数据而言，可以提供一种计算机实现的方法，该方法包括：

11、在缓冲器处接收来自数字孪生的数据流；

12、将数据流转换为离散消息序列；和

13、将离散消息序列发送到区块链网络的接收节点以用于在区块链中的交易的后续存储，该交易包含与离散消息序列相关联的数据。可选地，该接收节点可以是专用验证节点。

14、通过对消息序列的每个消息进行加密，离散消息序列可以通过安全通道从缓冲器发送到接收节点。可以使用缓冲器和接收节点之间的密钥协商协议来建立这样的安全通道，以生成用于加密和解密每个消息的共享密钥。每次建立安全通道时，可以生成共享密钥的新值。例如，为发送到接收节点的每个离散消息生成共享密钥的新值。

15、对于发送到接收节点的每个离散消息mi，缓冲器可以计算并存储散列h(mi)。在时间t之后，当已经发送了多个所述离散消息时，缓冲器可以发送消息mh，该消息mh由与直到时间t为止发送的离散消息相关的散列序列组成。缓冲器还可以发送包含消息mh的散列的另一消息mh。可以使用mh和mh在接收节点处验证离散消息序列，其中mh由与直到时间t为止发送的离散消息相关的散列序列组成，并且mh包含消息mh的散列。

16、这些特征既提供了一种将数据从数字孪生传输到区块链网络的安全方法，又确保以区块链网络更易于处理的形式提供数据。通过由两个安全通道将离散消息序列从缓冲器发送到接收节点，可以提供额外的安全级别。比较器能够验证通过两个安全通道发送的离散消息序列是否一致，并且如果从两个安全通道接收的离散消息序列不同，则接收节点可以拒绝该序列并发送通知以重发离散消息序列。

17、此外，缓冲器可以初始化计数器，该计数器跟踪发送的离散消息的数量，并且可以例如基于指示在传输时区块链网络的状态的一个或多个参数来确定发送到接收节点的离散消息的数量和/或速率。同样，这有助于数据管理，以确保区块链网络不会数据过载。

18、还提供了一种用于接收节点的计算机实现的方法，包括：在区块链网络的接收节点处，接收从来自数字孪生的数据流生成的离散消息序列；以及验证离散消息序列以用于在区块链中的交易的后续存储，该交易包含与离散消息序列相关联的数据。交易的存储可以在接收节点中，在区块链网络的另一个节点中，或者分布在区块链网络的多个节点上。例如，在验证后，离散消息序列可以被存储在区块链网络的分布式存储池中。此外，离散消息序列或离散消息序列的散列可以被存储在区块链中。可选地，该接收节点可以是专用验证节点。

19、可选地，接收节点可以是公共区块链网络的节点。然而，在修改的接口配置中，接收节点可以是私有区块链网络的节点，并且在将与离散消息序列相关联的数据合并到公共区块链之前，由缓冲器生成的离散消息序列被存储在私有区块链中。在此配置中，对于由缓冲器生成并存储在私有区块链中的每个消息mi，生成散列h(m)并将散列h(m)存储在公共区块链中。

20、本发明的实施例可以以多种形式提供。例如，可以提供一种包括计算机可执行指令的计算机可读存储介质，该计算机可执行指令在被执行时使一个或多个处理器执行本文描述的方法。还可以提供一种电子设备，其包括：接口设备；连接到该接口设备的一个或多个处理器；以及连接到该一个或多个处理器的存储器，该存储器存储了计算机可执行指令，该计算机可执行指令在被执行时使该一个或多个处理器执本文描述的方法。本文描述的计算机实现的方法也可以在数字孪生、缓冲器、区块链网络节点或包括上述组件的系统中的一个或多个中实现。这些组件可以彼此远离放置，或者可以集成这些组件中的一个或多个。