基于区块链的铁路工程施工安全监测数据共享关键技术研究

doi:10.11959/j.issn.1000-436x.2021076

通信学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (8): 206-216.doi: 10.11959/j.issn.1000-436x.2021076

所属专题：区块链

基于区块链的铁路工程施工安全监测数据共享关键技术研究

刘玉红¹^,², 杨亮¹, 朴春慧¹^,², 张志国³

¹ 石家庄铁道大学信息科学与技术学院，河北石家庄 050043
² 河北省电磁环境效应与信息处理重点实验室，河北石家庄 050043
³ 石家庄铁道大学土木工程学院，河北石家庄 050043

修回日期:2021-03-08 出版日期:2021-08-25 发布日期:2021-08-01
作者简介:刘玉红（1974- ），男，河北定州人，石家庄铁道大学副教授，主要研究方向为物联网、结构安全监测、施工监测等
杨亮（1994- ），男，河北石家庄人，石家庄铁道大学硕士生，主要研究方向为区块链技术及应用、大数据与隐私保护、物联网与边缘计算等
朴春慧（1964- ），女，朝鲜族，黑龙江牡丹江人，博士，石家庄铁道大学教授、硕士生导师，主要研究方向为电子政务、大数据与隐私保护、区块链技术及应用等
张志国（1971- ），男，河北抚宁人，博士，石家庄铁道大学教授、硕士生导师，主要研究方向为桥梁设计与施工控制、结构安全监测、施工监测等
基金资助:
河北省教育厅在读研究生创新能力培养基金资助项目(CXZZSS2020073)

Research on key technologies of safety monitoring data sharing for railway engineering construction based on blockchain

Yuhong LIU¹^,², Liang YANG¹, Chunhui PIAO¹^,², Zhiguo ZHANG³

¹ School of Information Science and Technology, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China
² Laboratory for Electromagnetic Environmental Effects and Information Processing, Shijiazhuang 050043, China
³ School of Civil Engineering, Shijiazhuang Tiedao University, Shijiazhuang 050043, China

Revised:2021-03-08 Online:2021-08-25 Published:2021-08-01
Supported by:
Graduate Innovation Foundation of Hebei Province(CXZZSS2020073)

摘要/Abstract

摘要：

为了解决铁路工程施工安全监测过程中监测数据易被篡改、事故追责时数据真实性可能遭到质疑的问题，提出了一种基于区块链的铁路工程施工安全监测数据共享模型，利用智能合约自动执行的特点保证监测数据上链过程的透明性。针对实用拜占庭容错（PBFT）算法中拜占庭节点与正常节点被选为主节点概率相同的问题，提出了基于信誉积分的实用拜占庭容错算法；针对流式数据上链可能产生网络拥塞的问题，简化了一致性协议，将协议的时间复杂度由O(n²)降为O(n)。利用Hyperledger Caliper进行了对比实验，证明改进算法的时延低于PBFT算法，吞吐量高于PBFT算法；进行攻击可能性和攻击成功概率的量化分析，确定智能合约为链上监测数据提供了防篡改性。对比分析结果证明，所提基于区块链的铁路工程施工安全监测数据共享模型在共识效率、吞吐量和区块生成速度方面优于其他模型。

关键词: 铁路工程施工, 区块链, 基于信誉积分的实用拜占庭容错, 智能合约, 安全共享

Abstract:

In order to solve the problems that the monitoring data was easy to be tampered with in the process of railway engineering construction safety monitoring, and the authenticity of the data might be questioned during the accountability of accidents, a blockchain-based railway engineering construction safety monitoring data sharing model was proposed.The characteristics of automatic execution of smart contracts ensured the transparency of the process of monitoring data on the chain.In the PBFT algorithm, there was a problem that the Byzantine nodes and the normal nodes were selected as the master node with the same probability, a reputation-based practical Byzantine fault tolerance algorithm was proposed.Streaming data on the chain might cause network congestion, which simplified the consensus protocol and reduced the time complexity from O(n²) to O(n).A comparative experiment was conducted using Hyperledger Caliper to prove that the delay of the improved algorithm is lower than PBFT algorithm, and the throughput is higher than PBFT algorithm.A quantitative analysis of the possibility of attack and the probability of successful attack was carried out, and it was determined that the smart contract provides tamper-proof modification for the monitoring data on the chain.Comparative analysis proves that the proposed blockchain-based railway engineering construction safety monitoring data sharing model is good than other models in terms of consensus efficiency, TPS and block generation speed.

Key words: railway engineering construction, blockchain, RPBFT, smart contract, safe sharing

中图分类号:

TP311

刘玉红, 杨亮, 朴春慧, 张志国. 基于区块链的铁路工程施工安全监测数据共享关键技术研究[J]. 通信学报, 2021, 42(8): 206-216.

Yuhong LIU, Liang YANG, Chunhui PIAO, Zhiguo ZHANG. Research on key technologies of safety monitoring data sharing for railway engineering construction based on blockchain[J]. Journal on Communications, 2021, 42(8): 206-216.

图/表 10

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表1

参考文献 22

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Research on key technologies of safety monitoring data sharing for railway engineering construction based on blockchain

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研究工作	共识机制	共识效率	吞吐量	区块生成速度	算力需求
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基于区块链和DRL的安全数据共享方案^[21]	Paxos/PBFT	低	低	慢	高
双链结构的数据共享区块链模型^[22]	DPCC	高	中	快	中
基于区块链的铁路工程施工安全监测数据共享模型	RPBFT	高	高	快	中

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