基于聯(lián)盟鏈的綜采煤機“多機”協(xié)同設計方法研究

楊文明 楊元凱 黃瑩 張守輝 申超群

摘 要：針對綜采煤機“多機”存在的多設計節(jié)點難以同步、難以實時溝通而產(chǎn)生的設計效率低、易出錯等問題，通過離散設計參數(shù)知識元素，對產(chǎn)品的參數(shù)關系解構、融合區(qū)塊鏈技術理念，進而區(qū)塊化知識元素和鏈化知識關系。在對煤炭綜采最重要的裝備“四機”（即割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備）的關鍵數(shù)據(jù)分析基礎上，通過對設計邊界條件、場景特征和需求要素等的動態(tài)融合，創(chuàng)建原始數(shù)據(jù)共識。針對不同節(jié)點對設計數(shù)據(jù)既有特別要求又需要彼此統(tǒng)一的要求，通過建立數(shù)據(jù)共識和同步設計共識的原則與方法，解決設計元素數(shù)據(jù)塊的對應和匹配問題，建立聯(lián)盟鏈形式的同步協(xié)同設計模式，避免局部性、“孤島”式設計，保證設計的參數(shù)及時共享和結果一致性、產(chǎn)品正確性，確保設計準確，提高設計效率。

關鍵詞：綜采煤機;網(wǎng)狀節(jié)點結構;同步共識;設計聯(lián)盟鏈

中圖分類號：TP319 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-5168（2021）36-0111-04

Research on “Multi-Machine”Collaborative Design Method of Fully Mechanized Coal Winning Machine Based on Union Chain

YANG Wenming1 ? ?YANG Yuankai1 ? ?HUANG Ying1 ? ?ZHANG Shouhui2 ? ?SHEN Chaoqun2

（ 1.Zhengzhou Coal Mine Machinery Group Co. ， Ltd.，Zhengzhou Henan 450016;2 Henan Vector Intelligent Technology Research Institute Co. ，Ltd.，Zhengzhou Henan 450016）

Abstract：Aiming at the problems of multi-design nodes of fully-mechanized coal winning machine，such as difficult synchronization and real-time communication，low design efficiency and error-prone，the relation of product parameters was deconstructed by discrete design parameters knowledge elements，through the analysis of the key data of the most important equipment “Four machines”（namely coal cutter，conveyor，scraper conveyor and support equipment） in fully mechanized coal mining，through the dynamic fusion of design boundary conditions，scene features and requirement elements，the original data consensus is created.For different nodes，the design data both have special requirements and need to be unified with each other，by establishing the principle and method of data consensus and synchronous design consensus，the problem of correspondence and matching of design element data blocks is solved，and the synchronous collaborative design pattern in the form of alliance chain is established，so as to avoid the local and “Isolated island”design，ensure that the design parameters are shared in time，the results are consistent，the product is correct，ensure the design accuracy，improve design efficiency.

Keywords：fully-mechanized coal winning machine;network node structure;synchronous consensus;design alliance chain

美國通用電器公司的研究表明，設計決定著產(chǎn)品成敗的90%。裝備制造業(yè)環(huán)節(jié)眾多，參與主體復雜，數(shù)據(jù)信息量巨大。上游環(huán)節(jié)產(chǎn)業(yè)類別繁多，產(chǎn)品狀態(tài)參差不齊，供給時間周期不可控，信息不透明;中間環(huán)節(jié)工序復雜，契合調(diào)試技術要求高，存在誤差，效率低，生產(chǎn)及管理人為因素影響大;下游環(huán)節(jié)客觀環(huán)境因素復雜，主觀因素多變。整體上主要體現(xiàn)在生產(chǎn)、設計、管理、質(zhì)量、物流、供應鏈、客戶關系等特征各異、數(shù)據(jù)復雜多樣、信息雜亂無序。在煤炭綜采裝備中，最典型的是采煤機、皮帶機、液壓支護裝備、刮板輸送機“四機”協(xié)調(diào)。而目前國內(nèi)、國際上一般是由多家設備商分別供貨，“四機”參數(shù)均是設備定型后根據(jù)產(chǎn)能、報價、壽命等事后進行匹配，技術指標、需求參數(shù)和購買預算難以實現(xiàn)最佳組合。在“四機”設計過程中牽涉的設計參數(shù)特征各異，涉及設計學、材料學、力學、數(shù)學、熱力學等多學科，在分布式多級聯(lián)動設計中數(shù)據(jù)分散（離散）、信息孤島嚴重、難以協(xié)同、分布式存儲難以容錯，海量的設計參數(shù)要全部實現(xiàn)協(xié)同共享是十分困難的，也是沒有必要的。其設計技術路線是由一個中心確定設計目標和思路，然后對任務進行分解，由多個主體分別承擔部分設計任務，各自完成后把設計結果匯總、匹配，對出現(xiàn)問題的反饋到原設計單位，完成后再匯總、匹配，如仍有問題，再反饋、匯總……，如此反復、彼此確認，直至完成設計目標。煤炭綜采裝備設計具有“散、孤、眾”的數(shù)據(jù)信息特征，使得在傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計中設計成本高、效率低、效果難以達到最優(yōu)化。當前的協(xié)同設計只是用信息化手段代替了人工信息傳遞，其業(yè)務流程并未改變，仍是在一個中心前提下實施的，無法做到實時共享、動態(tài)協(xié)同，其本質(zhì)上依然采用的是“總—分—總—分……總”的傳統(tǒng)設計模式[1-3]。

1 概述

區(qū)塊鏈是一種去中心化基礎架構與分布式寫入、對象透明的計算模式，具有信任、安全、可擴展、數(shù)據(jù)真實性、可追溯、共識機制、分布式存儲、安全多方計算、跨鏈協(xié)同、智能合約等特點。

相較于數(shù)據(jù)特征明顯、信息單一的領域，區(qū)塊鏈技術應用易于實現(xiàn)，并在不斷地深入發(fā)展。由于裝備制造產(chǎn)業(yè)領域數(shù)據(jù)特征復雜多變，產(chǎn)業(yè)鏈+區(qū)塊鏈融合變得困難，是阻礙兩鏈融合發(fā)展的關鍵性因素。因此，在不破壞和降低主體決策效率的前提下，使復雜多變的數(shù)據(jù)信息化繁為簡，是實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術應用的研究方向?；诋a(chǎn)業(yè)鏈中不同主體間的契合度，探索多主體聯(lián)動，共識數(shù)據(jù)發(fā)掘的方法成為兩鏈融合的突破口[4-6]。

區(qū)塊鏈技術的應用場景有完全去中心化的公有鏈、部分去中心化的私有鏈和有限去中心化的聯(lián)盟鏈，如圖1所示。

1.1 公有鏈

公有鏈即任何人都可以隨時參與到共識機制中進行數(shù)據(jù)讀取、發(fā)送可確認交易、交易記賬的區(qū)塊鏈組織架構。公有鏈適合數(shù)據(jù)特征明顯、信息傳輸單一的領域，如比特幣、以太坊等。

1.2 私有鏈

私有鏈是指根據(jù)作業(yè)需求，形成局部組織的區(qū)塊鏈。通常被認為是“部分去中心化”的，其讀取、驗證、共識機制等行為被特定限制，一般不對外公開。一般應用在企業(yè)內(nèi)部和政府行業(yè)如審計、數(shù)據(jù)庫管理、行業(yè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、政府預算等。私有鏈更適合各個企業(yè)自己單獨建立，但容易出現(xiàn)“信息孤島”。

1.3 聯(lián)盟鏈

聯(lián)盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，是指由多個主體和組織機構參與，根據(jù)授權形成共識過程和智能合約，并受預選節(jié)點控制的區(qū)塊鏈。其通常被認為是“有限去中心化”的，可以是由多個私鏈組成集群，多個主體或組織機構共同參與，每個主體或組織機構分別管理一個或多個節(jié)點，只允許系統(tǒng)內(nèi)的組織或機構對數(shù)據(jù)進行讀寫和發(fā)送。聯(lián)盟鏈具有部分去中心化、可融性強、數(shù)據(jù)默認公開、交易速度快、成本低、效率高的特點，更適用于不同實體間的協(xié)同、結算等B2B交易。相較于數(shù)據(jù)特征明顯、信息單一的領域，聯(lián)盟鏈技術應用易于實現(xiàn)，并具有區(qū)塊鏈技術的開放優(yōu)勢[7-8]。

本文通過對煤炭綜采最重要的裝備——“四機”（即割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備）的關鍵數(shù)據(jù)分析，研究各個設備的數(shù)據(jù)關聯(lián)關系，形成數(shù)據(jù)共識統(tǒng)一，建立聯(lián)盟鏈形式的同步協(xié)同設計模式，避免局部性、“孤島”式設計，保證設計的參數(shù)及時共享和結果一致性、產(chǎn)品正確性，以確保各個設計節(jié)點（設計者）的設計結果無須往返驗證。

2 “四機”群組協(xié)同設計數(shù)據(jù)倉庫和區(qū)塊的建立

2.1 設計任務書分級分解設計任務

在接到客戶需求任務后，根據(jù)各主機以及各產(chǎn)品的設計特點，結合客戶對技術及商務的要求，對分布式的生產(chǎn)、設計部門（或單元）提出設計要求，分配割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備的設計任務，形成分布式設計網(wǎng)絡聯(lián)盟。

2.2 基于“四機”設計參數(shù)的數(shù)據(jù)分析

將“四機”的設計參數(shù)分類為核心參數(shù)、關鍵參數(shù)、相關參數(shù)、邊緣參數(shù)。

設核心參數(shù)（如產(chǎn)能、壽命等核心設計指標）為Ⅰ類參數(shù)C，其數(shù)簇為（C1，C2，C3，…，Cn）;直接影響C1的設計數(shù)簇為（C11，C12，C13，…，C1n），直接影響C2的數(shù)簇為（C21，C22，C23，…，C2n），……;下一階為（C111，C112，C113，…，C11n）（C121，C122，C123，…，C12n）……分析數(shù)據(jù)簇直到采購（原材料、標準件）級。設關鍵參數(shù)（如影響制造工藝的參數(shù)）為參數(shù)k，相關參數(shù)為參數(shù)為r，邊緣參數(shù)為參數(shù)e，分別分解進入賬本（見圖2）。

3 構建智能綜采裝備一體化同步協(xié)同設計智能合約

3.1 數(shù)據(jù)實時共識的方法與實現(xiàn)

“四機”設計的各分布式設計節(jié)點（設計者）利用區(qū)塊鏈構建基于網(wǎng)絡協(xié)同的去中心化設計的動態(tài)數(shù)據(jù)賬本，需要解決的問題是如何實現(xiàn)不同設計節(jié)點上的參數(shù)賬本數(shù)據(jù)的一致性并確保其正確性。這就需要建立分布式設計節(jié)點（區(qū)塊）中實現(xiàn)狀態(tài)共識的算法，確定設計數(shù)據(jù)的共識，保障參數(shù)數(shù)據(jù)賬本在系統(tǒng)中形成正確、一致的共識。

3.2 數(shù)據(jù)共識的實現(xiàn)

設定參與設計“四機”的各個設計節(jié)點為G1，G2，…，Gn，P1，P2，…，Pn，Z1，Z2，…，Zn，…，形成網(wǎng)狀設計節(jié)點布局?；诰W(wǎng)狀結構節(jié)點布局，在設計進程中，每個節(jié)點在接受其他節(jié)點的數(shù)據(jù)賬本后，挖掘數(shù)據(jù)與自身設計的關聯(lián)規(guī)則，應用系統(tǒng)插件自動迭代，保留較強關聯(lián)性數(shù)據(jù)，放棄無關聯(lián)及模糊關聯(lián)數(shù)據(jù)，形成關聯(lián)數(shù)據(jù)區(qū)塊（見圖3）。

4 聯(lián)盟鏈智能合約的形成

①每個設計節(jié)點在接收到其他節(jié)點的數(shù)據(jù)賬本后，即進行數(shù)據(jù)的自動識別，一方面根據(jù)自身數(shù)據(jù)要求選擇性應答其他節(jié)點呼應信息;另一方面添加新的提案數(shù)據(jù)，形成新的數(shù)據(jù)集合。

②各節(jié)點之間的回應時間及應答間隔時間約定。由系統(tǒng)插件程序中設置，根據(jù)設計需求和條件，所有設計節(jié)點按約定規(guī)則的模式建立相應的回應模式，接受的數(shù)據(jù)集為所有節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)按照互動比值關聯(lián)度計算進入的整合后數(shù)據(jù)。

③各節(jié)點的呼應對象根據(jù)數(shù)據(jù)關聯(lián)互動比值率及呼應模式，進行一對多、多對一和多對多的同步呼應。

形成“四機”設計聯(lián)盟鏈后的設計體系（見圖4），參與每個產(chǎn)品設計的各個節(jié)點（設計者）均在設計時互動有效設計信息，在設計過程中就能有效解決設計參數(shù)的一致性問題，確保各個設備的參數(shù)完全匹配，并保證最合理的設計效率。

5 結論

本文通過對煤炭綜采最重要的裝備“四機”（即割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備）的關鍵數(shù)據(jù)分析，對網(wǎng)狀節(jié)點設計體系需要的設計數(shù)據(jù)的解構、重塑、泛化和強化，創(chuàng)建原始數(shù)據(jù)共識。針對不同節(jié)點對設計數(shù)據(jù)既有特別要求又需要彼此統(tǒng)一的要求，通過建立數(shù)據(jù)共識和同步設計共識的原則與方法，解決設計元素數(shù)據(jù)塊的對應和匹配問題，建立聯(lián)盟鏈形式的同步協(xié)同設計模式，避免局部性、“孤島”式設計，保證設計的參數(shù)及時共享和結果一致性、產(chǎn)品正確性，為網(wǎng)絡化節(jié)點設計模式、保證設計數(shù)據(jù)準確應用提供了系統(tǒng)的解決方法。

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