特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張展彬，陽曉薇

(1.四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 信息中心，成都 610051；2.四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 辦公室，成都 610051)

特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張展彬1，陽曉薇2

(1.四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 信息中心，成都 610051；2.四川省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院 辦公室，成都 610051)

對(duì)特種設(shè)備信息的加密系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，目前存在信息加密不徹底和采集的可靠性較低等問題；為此，提出特種設(shè)備加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，通過信息接口模塊完成特種設(shè)備中信息的輸入和輸出，信息流程編輯模塊負(fù)責(zé)開發(fā)設(shè)備中信息加密流程的組件，完成對(duì)特種設(shè)備中任務(wù)流程的檢驗(yàn)，信息流程調(diào)度模塊對(duì)信息流程任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理;系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分采用數(shù)據(jù)加密改進(jìn)方法使信息源節(jié)點(diǎn)將要傳輸?shù)亩喾菪畔?shù)據(jù)分解成互不相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，完成特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的設(shè)計(jì);實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)系統(tǒng)信息加密效果好、信息的完備性較高。

特種設(shè)備；信息加密；系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

特種設(shè)備由于自身具有一定危險(xiǎn)性的特點(diǎn)，所以當(dāng)特種設(shè)備發(fā)生故障時(shí)會(huì)對(duì)人身安全造成很大的危害，并對(duì)社會(huì)造成非常嚴(yán)重的影響[1-2]。當(dāng)特種設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，面對(duì)異常的信息和重大的負(fù)擔(dān)，特種設(shè)備的管理員很難憑借知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和直覺在短時(shí)間內(nèi)判斷出特種設(shè)備的故障點(diǎn)并采取有效的措施，減少因特種設(shè)備發(fā)生故障而產(chǎn)生的傷害和損失[3]。特種設(shè)備的安全問題受到媒體和社會(huì)各界的廣泛關(guān)注[4]。因此，做好特種設(shè)備的信息加密工作，通過加強(qiáng)特種設(shè)備的信息加密提高特種設(shè)備預(yù)防事故發(fā)生的能力和處理能力[5]。目前我國有很多生產(chǎn)特種設(shè)備的廠家，但我國特種設(shè)備的信息加密技術(shù)較國外發(fā)達(dá)國家相比還存在較大的差距[6]。隨著特種設(shè)備中信息數(shù)據(jù)的不斷積累，當(dāng)前方法已經(jīng)滿足不了特種設(shè)備的信息數(shù)據(jù)處理要求，存在信息加密效率低、信息收集速度和信息檢索速度慢、信息加密不徹底等問題[7]。為解決上述存在問題，提出一種特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。

1 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理

特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)由信息接口模塊、信息流程編輯模塊、信息流程調(diào)度模塊、執(zhí)行引擎模塊和信息流程執(zhí)行模塊構(gòu)成。具體系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)如表1所示。

表1 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)參數(shù)

特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)圖

特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)首先要通過信息接口模塊接收特種設(shè)備中的信息數(shù)據(jù)，將信息數(shù)據(jù)保存到物聯(lián)網(wǎng)的信息中心。用戶通過信息流程編輯模塊進(jìn)行信息加密的流程編輯，生成一個(gè)流程規(guī)則信息，執(zhí)行引擎模塊根據(jù)規(guī)則信息對(duì)信息數(shù)據(jù)處理流程進(jìn)行分解，將其分為可執(zhí)行的信息加密流程信息，用信息流程調(diào)度模塊的調(diào)度規(guī)則對(duì)信息流程信息進(jìn)行制定，最后由信息執(zhí)行模塊將信息傳送到物聯(lián)網(wǎng)的信息中心。

1.1 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)信息接口模塊設(shè)計(jì)

在特種設(shè)備中搭建一個(gè)信息接口RC、A/D-D/A轉(zhuǎn)換電路圖，在特種設(shè)備接口電路的A/D轉(zhuǎn)換器輸入端輸入信息幅值為2.4 V、周期為15 ms、特種設(shè)備接口電路中的直流偏移量為2.5 V的正弦信號(hào)。經(jīng)過特種設(shè)備接口的A/D轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換后，將完成轉(zhuǎn)換的14位數(shù)字信號(hào)傳送到D/A轉(zhuǎn)換器中作為輸入信號(hào)輸入，特種設(shè)備接口電路中的信息完成D/A轉(zhuǎn)換后輸出與之對(duì)應(yīng)的模擬信號(hào)，最后通過特種設(shè)備接口電路中的RC信號(hào)濾波器輸出信號(hào)。特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的信息接口電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 信息加密系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)圖

1.2 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)流程編輯模塊設(shè)計(jì)

特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)在物聯(lián)網(wǎng)的信息中心呈現(xiàn)給客戶的一般是通用的信息加密節(jié)點(diǎn)組件，需要完成特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中信息開始和結(jié)束節(jié)點(diǎn)組件、增加信息常量組件、去重復(fù)信息組件、信息行排列組件和信息字符串處理組件等節(jié)點(diǎn)組件。規(guī)則信息上傳組件需完成遠(yuǎn)程信息上傳功能和用戶登錄功能，用戶通過遠(yuǎn)程登錄到物聯(lián)網(wǎng)的信息中心，通過信息上傳功能將規(guī)則信息上傳。特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)信息流程編輯模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)流程編輯模塊

1.3 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)流程調(diào)度模塊設(shè)計(jì)

在特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中，由特種設(shè)備的管理平臺(tái)子系統(tǒng)對(duì)信息流程任務(wù)進(jìn)行調(diào)度管理。信息流程調(diào)度模塊的主要任務(wù)是實(shí)現(xiàn)對(duì)信息的調(diào)度執(zhí)行，根據(jù)信息加密流程設(shè)置信息加密流程的調(diào)度規(guī)則，信息的調(diào)度規(guī)則是對(duì)信息加密流程執(zhí)行的時(shí)間控制。根據(jù)特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的要求，信息加密流程調(diào)度模塊包括添加信息調(diào)度規(guī)則、刪除信息調(diào)度規(guī)則、重置信息所有規(guī)則和更新信息調(diào)度規(guī)則。特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的信息流程調(diào)度模塊設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 流程調(diào)度模塊設(shè)計(jì)圖

1.4 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)流程執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)

特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中流程執(zhí)行模塊的主要任務(wù)是信息數(shù)據(jù)處理組件的并行化實(shí)現(xiàn)。流程執(zhí)行模塊的每個(gè)信息加密組件就是信息流程任務(wù)的一個(gè)節(jié)點(diǎn)，在編輯信息流程任務(wù)時(shí)每次運(yùn)行一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)開始運(yùn)行時(shí)需要輸入信息，而且節(jié)點(diǎn)結(jié)束運(yùn)行時(shí)會(huì)得到一個(gè)輸出信息，所以每個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸入信息都是上一個(gè)節(jié)點(diǎn)的輸出信息，直至產(chǎn)生最后的信息。在信息流程處理中會(huì)產(chǎn)生很多臨時(shí)信息，在信息流程結(jié)束之后，這些臨時(shí)信息將由執(zhí)行引擎處理掉。特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的流程執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)執(zhí)行模塊設(shè)計(jì)圖

1.5 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)執(zhí)行引擎模塊設(shè)計(jì)

執(zhí)行引擎是特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中的核心。特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中的執(zhí)行引擎模塊包括兩個(gè)步驟，首先完成信息數(shù)據(jù)處理節(jié)點(diǎn)的并行化組件，并行化組件包括信息開始組件、信息結(jié)束組件、增加信息常量組件、去重復(fù)行組件、信息字符串組件和信息行排列組件。然后從物聯(lián)網(wǎng)的信息平臺(tái)中獲取規(guī)則信息，并對(duì)相應(yīng)的規(guī)則信息進(jìn)行分解，分解成有順序的信息數(shù)據(jù)處理組件節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)信息數(shù)據(jù)處理組件的加載。第二步是控制信息流程任務(wù)，實(shí)現(xiàn)信息流程任務(wù)中信息的開始、停止、臨時(shí)清理等，并將信息流程的狀態(tài)傳送到特種設(shè)備的數(shù)據(jù)庫，用戶可以在特種設(shè)備的管理平臺(tái)進(jìn)行查詢。特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的執(zhí)行引擎模塊設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)執(zhí)行引擎模塊設(shè)計(jì)圖

2 特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中，適用于數(shù)據(jù)加密傳輸方法基本思想是信息源節(jié)點(diǎn)將要傳輸?shù)亩喾菪畔?shù)據(jù)分解成互不相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，具體過程如下：

將信息源節(jié)點(diǎn)S分解為k份信息數(shù)據(jù)，分別記為x1,x2,…,xk，將分解后的信息數(shù)據(jù)發(fā)送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D。發(fā)送前，信息源節(jié)點(diǎn)S會(huì)產(chǎn)生n個(gè)k維向量，其中每個(gè)信息向量都含有k個(gè)分量，記為v1,v2,…,vn，加密信息計(jì)算公式為：

vi=(vi1,vi2,…,vik),i=1,2,…,n

(1)

加密信息編碼向量組成的編碼矩陣為：

(2)

將特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中產(chǎn)生的n個(gè)信息向量和k份數(shù)據(jù)代入公式(2)中進(jìn)行編碼運(yùn)算，結(jié)果得到n份信息編碼數(shù)據(jù)，記為y1,y2,…,yn，計(jì)算公式如下：

yi=vi(x1x2…xk)T,i=1,2,…,n

(3)

信息源節(jié)點(diǎn)S將完成編碼的每個(gè)數(shù)據(jù)yj(j=1,2,…,n)與其對(duì)應(yīng)的編碼信息向量進(jìn)行打包，得到n個(gè)信息編碼數(shù)據(jù)包，記為pj(j=1,2,…,n)，將n個(gè)信息編碼數(shù)據(jù)包傳送到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D。目標(biāo)節(jié)點(diǎn)D接收到足夠多的信息編碼數(shù)據(jù)包后，在滿足信息編碼向量為線性無關(guān)時(shí)，此時(shí)可以得到原始的信息數(shù)據(jù)x1,x2,…xk，計(jì)算公式如下：

(4)

數(shù)據(jù)加密可以方便信息加密系統(tǒng)的信息儲(chǔ)存、計(jì)算、編碼和解碼，數(shù)據(jù)加密是特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)。

3 實(shí)驗(yàn)方法及步驟

1)采用基準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中的普通數(shù)據(jù)和催化數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密執(zhí)行時(shí)間測(cè)試，得到兩種數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密時(shí)間對(duì)比結(jié)果。

2)采取普通信息和混合了噪聲的信息進(jìn)行特種設(shè)備的信息加密測(cè)試，對(duì)比信息加密系統(tǒng)對(duì)兩種信息加密的結(jié)果。

3)采用本文方法與文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法進(jìn)行特種設(shè)備的信息加密實(shí)驗(yàn)，將三種不同的方法進(jìn)行特種設(shè)備信息加密中信息完備性(%)對(duì)比。

在Matlab/Simulink開發(fā)環(huán)境下進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)，對(duì)信息加密系統(tǒng)進(jìn)行配置優(yōu)化，每個(gè)信息節(jié)點(diǎn)的內(nèi)核數(shù)為10，內(nèi)存為18 G，設(shè)置每個(gè)信息節(jié)點(diǎn)的內(nèi)核數(shù)和信息節(jié)點(diǎn)的內(nèi)存為硬件環(huán)境的最大值。采用基準(zhǔn)測(cè)試方法對(duì)信息加密系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時(shí)不同數(shù)據(jù)加密的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行測(cè)試。基準(zhǔn)測(cè)試指的是通過科學(xué)的測(cè)試方法、系統(tǒng)和工具，對(duì)測(cè)試對(duì)象的某個(gè)性能指標(biāo)進(jìn)行可對(duì)比的和定量的測(cè)試。分別對(duì)特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中的普通數(shù)據(jù)和催化數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示。

表2 普通數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密所用時(shí)間

表3 催化數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密所用時(shí)間

分析表2表3可知，進(jìn)行數(shù)據(jù)加密的執(zhí)行時(shí)間測(cè)試時(shí)，普通數(shù)據(jù)和催化數(shù)據(jù)的文件大小依次為15 G、20 G、25 G、30 G、35 G、40 G、45 G、50 G、55 G、60 G，但兩種數(shù)據(jù)的耗時(shí)并不相同，普通數(shù)據(jù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)加密時(shí)的執(zhí)行時(shí)間平均為1.207 min，而催化數(shù)據(jù)在進(jìn)行數(shù)據(jù)加密時(shí)的執(zhí)行時(shí)間平均為1.798 min，在進(jìn)行數(shù)據(jù)加密時(shí)催化數(shù)據(jù)所用的時(shí)間要多于普通數(shù)據(jù)所用的時(shí)間。普通數(shù)據(jù)和催化數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比如圖7所示。

圖7 不同數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比圖

分析圖7可知，無論是普通數(shù)據(jù)還是催化數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)規(guī)模從15 G到60 G以5 G的差值線性增長(zhǎng)時(shí)，數(shù)據(jù)加密所用的時(shí)間保持穩(wěn)定，變化并不明顯。因?yàn)榇呋瘮?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密方法和普通數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密方法不同，催化數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)加密方法相對(duì)復(fù)雜，所以數(shù)據(jù)加密所用的時(shí)間比普通數(shù)據(jù)長(zhǎng)。

為了證明特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中的信息加密技術(shù)能夠?qū)π畔⑦M(jìn)行有效的處理。分別采取普通信息和混合了噪聲的信息進(jìn)行特種設(shè)備的信息加密測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖8所示。

圖8 信息加密結(jié)果顯示對(duì)比圖

在圖8中，圖(a)為特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)中普通信息的信息加密圖，圖(b)為未進(jìn)行信息加密的噪聲信息，圖(c)為采用本文方法處理完成的噪聲信息加密圖，分析圖(a)(b)(c)可知，采用本文方法對(duì)含有噪聲的信息進(jìn)行信息加密，處理結(jié)果能最大程度的恢復(fù)到原始信息，表明本文方法的信息加密效果較好。

分別采用本文方法與文獻(xiàn)[8]方法、文獻(xiàn)[9]方法進(jìn)行特種設(shè)備的信息加密實(shí)驗(yàn)，將3種不同的方法進(jìn)行特種設(shè)備信息加密中信息的完備性(%)對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖9所示。

圖9 3種不同方法的加密后信息完備性對(duì)比

從圖9中可以看出，利用本文方法的信息加密系統(tǒng)要優(yōu)于文獻(xiàn)[8]方法和文獻(xiàn)[9]方法，本文方法在進(jìn)行特種設(shè)備的信息加密后信息完備性更高。文獻(xiàn)[8]方法采用TMS320C6455 DSP的千兆以特種設(shè)備數(shù)據(jù)的高速串行接口和傳送接口收集信息數(shù)據(jù)，該方法的特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)所用的時(shí)間較長(zhǎng)，無法在一定時(shí)間內(nèi)收取到相應(yīng)的信息量。文獻(xiàn)[9]方法采用了4路數(shù)模轉(zhuǎn)化并行的特種設(shè)備數(shù)據(jù)采集和特種設(shè)備處理方法，通過特種設(shè)備的串行外設(shè)接口將處理完的信息數(shù)據(jù)傳送到特種設(shè)備的主機(jī)上，該方法存在信息加密不徹底，不能保證信息的完備性。本文方法在信息數(shù)據(jù)加密時(shí)信息源節(jié)點(diǎn)將要傳輸?shù)亩喾菪畔?shù)據(jù)分解成互不相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，再將分解后的信息數(shù)據(jù)傳送到各自的目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，保障了特種設(shè)備信息加密系統(tǒng)的信息完備性。

4 結(jié)論

傳統(tǒng)特種設(shè)備信息的加密系統(tǒng)存在加密不徹底和可靠性較低等問題。提出特種設(shè)備加密系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法設(shè)計(jì)的系統(tǒng)信息加密效果好、信息的完備性較高。

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Design of Slitter Automatic Control System Based on PLC Technology

Zhang Zhanbin1,Yang Xiaowei2

(1.Information Center,Sichuan Special Equipment Inspection Institute,Chengdu 610051,China;2.Office,Sichuan Special Equipment Inspection Institute,Chengdu 610051，China)

The encryption system of special equipment information is designed. At present, there are some problems such as incomplete information encryption and low reliability of collection. To this end, the special equipment encryption system design method, complete information of special equipment in the input and output of information through the interface module, assembly process information encryption process information editing module is responsible for the development of equipment, complete inspection of special equipment in the process of task scheduling module, information flow scheduling and management of information flow tasks. The part of system software design adopts the improved method of data transmission, so that the information of the information source node will be decomposed into the irrelevant information data, and the design of the special equipment information encryption system will be finished. Experimental results show that the designed system has less information transmission, good information encryption effect and high completeness of information.

special equipment; information encryption;system design

2017-09-23；

2017-10-19。

張展彬(1982-)，男，四川綿陽人，工程師，主要從事特種設(shè)備信息化、電梯檢驗(yàn)檢測(cè)等工作。

1671-4598(2017)12-0267-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.069

TP315

A