陳 英
(中鐵軌道交通裝備有限公司,江蘇 南京 210019)
軌道交通是城市交通最重要的基礎(chǔ)設(shè)施,我國(guó)交通發(fā)展迅速,軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)管理效率以及財(cái)務(wù)管理水平是推動(dòng)軌道交通企業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵因素.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)具有多樣化、價(jià)值高的優(yōu)勢(shì),可實(shí)現(xiàn)企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)整體化管理,提升企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)管理效率[1].軌道交通企業(yè)涉及運(yùn)營(yíng)維護(hù)、車輛數(shù)據(jù)等眾多技術(shù),數(shù)據(jù)分布信息極為廣泛,不同數(shù)據(jù)間存在較高關(guān)聯(lián)性.軌道交通企業(yè)相關(guān)數(shù)據(jù)存在一定規(guī)律性以及異構(gòu)性,將信息化管理方式應(yīng)用于軌道企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)管理中具有較高適用性[2].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)整合眾多軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù),建立共享系統(tǒng).該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)信息與數(shù)據(jù)共享,將財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為有效數(shù)據(jù),提升軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)管理效率.
軌道交通企業(yè)中包含眾多產(chǎn)業(yè),信息量極大,其數(shù)據(jù)化以及信息化管理手段極為重要,企業(yè)業(yè)務(wù)模式以及企業(yè)效率由信息數(shù)據(jù)化水平?jīng)Q定.軌道交通企業(yè)的財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)過于龐大,智能分析與管理水平較差[3-5],無法拓展企業(yè)業(yè)務(wù).軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)信息化建設(shè)可提升企業(yè)管理.
近年來,針對(duì)數(shù)據(jù)共享研究較多.王合建等人[6-7]分別將物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)技術(shù)以及云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用于光伏數(shù)據(jù)共享以及企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享中,在方法研究中雖然可以快速將財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸和共享,但共享的效果不佳,研究中存在信息孤島問題.
為此,本文設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng),將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中,提升企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享性能.通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有較高應(yīng)用性,可有效提升軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享性能.
所設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示:
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Overall structure of the system
由圖1可以看出,所設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)的軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)主要包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層以及應(yīng)用層四部分.該系統(tǒng)利用感知層中感知設(shè)備實(shí)現(xiàn)多源異構(gòu)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)的有效采樣,追蹤感知層各類數(shù)據(jù)采集終端,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)有效監(jiān)控,完成數(shù)據(jù)共享與智能管理.所采集數(shù)據(jù)由證書管理、接收數(shù)據(jù)與Fabric SDK組成的網(wǎng)關(guān)傳送至數(shù)據(jù)層.軌道交通企業(yè)海量多源異構(gòu)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)層接收[8],并將所接收數(shù)據(jù)通過預(yù)處理以及區(qū)塊鏈技術(shù)傳送至上層企業(yè)內(nèi)部應(yīng)用以及外部應(yīng)用中,為系統(tǒng)提供多樣化財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享服務(wù).系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)層實(shí)現(xiàn)軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)互聯(lián)互通.
系統(tǒng)包含安全機(jī)制、服務(wù)操作、數(shù)據(jù)接口、共享機(jī)制等.利用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實(shí)現(xiàn)軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)有效存儲(chǔ)與共享管理,選取REST信息共享機(jī)制實(shí)現(xiàn)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享[9],可處理歷史數(shù)據(jù)以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)等不同規(guī)模數(shù)據(jù).系統(tǒng)具有較高的開放性,采用區(qū)塊鏈技術(shù)提升數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)的安全性.
通過軌道交通財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)抽象以及數(shù)據(jù)定位解決系統(tǒng)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享問題.選取REST的信息共享服務(wù),實(shí)現(xiàn)軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)有效共享.REST架構(gòu)中ROA為典型實(shí)例,該實(shí)例可利用REST描述實(shí)際共享問題,令系統(tǒng)架構(gòu)更加簡(jiǎn)單,選取REST信息共享服務(wù)中ROA架構(gòu),實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)為共享系統(tǒng)提供服務(wù).
在REST信息共享服務(wù)中,用資源表示全部被命名實(shí)體.物聯(lián)網(wǎng)中感知網(wǎng)絡(luò)、感知數(shù)據(jù)以及接入網(wǎng)關(guān)均可通過資源表示.系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)利用知識(shí)資源、對(duì)象資源以及索引資源表示全部資源[10],記錄獨(dú)立數(shù)據(jù)集合為對(duì)象資源,依據(jù)對(duì)象資源利用過濾、統(tǒng)計(jì)等方法所獲取資源為知識(shí)資源.其中一類或集合數(shù)據(jù)索引為索引資源,索引資源可利用資源列表訪問對(duì)象資源.
ROA架構(gòu)中資源層級(jí)與資源類型間關(guān)系如圖2所示:
圖2 資源類型與層級(jí)間關(guān)系Fig.2 Relationship between resource types and levels
由圖2可以看出,利用索引資源標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)移不同資源間狀態(tài),通過狀態(tài)轉(zhuǎn)移獲取知識(shí)以及對(duì)象間的資源.知識(shí)資源以及對(duì)象資源可利用固定方式提取知識(shí)以及利用狀態(tài),獲取感知知識(shí)資源.系統(tǒng)中不同類別資源的轉(zhuǎn)移路徑可通過另一索引資源接替原有索引資源[11],令系統(tǒng)中不同類型的軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)資源靈活組織與共享.
數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)是利用所采集數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)賬本的重要技術(shù).區(qū)塊鏈技術(shù)可提升數(shù)據(jù)可靠性.物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)利用傳感設(shè)備采集軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù).采用區(qū)塊鏈技術(shù)處理海量數(shù)據(jù)時(shí),需預(yù)處理所采集數(shù)據(jù),便于后續(xù)分類、存儲(chǔ)以及共享.數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)制結(jié)構(gòu)圖如圖3所示.
圖3 數(shù)據(jù)預(yù)處理機(jī)制Fig.3 Data preprocessing mechanism
數(shù)據(jù)預(yù)處理首先需壓縮多媒體數(shù)據(jù),完成多媒體數(shù)據(jù)壓縮后實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合,降低系統(tǒng)待共享數(shù)據(jù)容量.為便于數(shù)據(jù)共享,需采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)表達(dá)式規(guī)范數(shù)據(jù)存儲(chǔ).分布式存儲(chǔ)完成處理數(shù)據(jù)[12],賬本數(shù)據(jù)以及外包數(shù)據(jù)分別設(shè)置為數(shù)據(jù)摘要以及多媒體數(shù)據(jù)和外包數(shù)據(jù),分別存儲(chǔ)于系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)以及霧節(jié)點(diǎn).用戶使用數(shù)據(jù)時(shí),可在共享系統(tǒng)中隨時(shí)下載數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享.
物聯(lián)網(wǎng)通信利用網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn).通過證書管理、接收數(shù)據(jù)與Fabric SDK組成網(wǎng)關(guān).證書管理模塊、數(shù)據(jù)接收和處理模塊分別用于申請(qǐng)、存儲(chǔ)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備證書以及接收、處理所采集數(shù)據(jù),區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)通信利用Fabric SDK實(shí)現(xiàn).區(qū)塊鏈技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)關(guān)注冊(cè)流程如圖4所示.
圖4 設(shè)備網(wǎng)關(guān)注冊(cè)流程圖Fig.4 Flow chart of device gateway registration
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備網(wǎng)關(guān)注冊(cè)流程如下:
(1) 系統(tǒng)接收新的物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí),需通過網(wǎng)關(guān)確定該設(shè)備身份是否為可信.當(dāng)設(shè)備為可信時(shí),通過該用戶請(qǐng)求,網(wǎng)關(guān)利用證書管理模塊將HTTP POST請(qǐng)求發(fā)送至相應(yīng)MSP中,通過該過程實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備身份證書注冊(cè)申請(qǐng);
(2) 當(dāng)MSP接收請(qǐng)求后,驗(yàn)證該請(qǐng)求是否為合法狀態(tài).該請(qǐng)求為合法狀態(tài)時(shí),生成新證書發(fā)送至證書管理模塊;當(dāng)所發(fā)送請(qǐng)求為非法時(shí),將非法請(qǐng)求返回至發(fā)送者;區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中排序服務(wù)、節(jié)點(diǎn)以及通道配置通過MSP授權(quán)[13],由MSP所發(fā)送證書可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中;
(3) 證書發(fā)送至證書管理模塊后,本地?cái)?shù)據(jù)庫需將所接收證書加密和存儲(chǔ)處理,將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與所發(fā)送證書相應(yīng)關(guān)系進(jìn)行有效記錄;
(4) 物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備采集數(shù)據(jù)需利用數(shù)據(jù)接收與處理模塊實(shí)施處理,清洗所接收數(shù)據(jù)[14],格式轉(zhuǎn)換所獲取數(shù)據(jù),并將完成處理的數(shù)據(jù)傳送至Fabric SDK;
(5) 物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備證書利用Fabric SDK簽名,封裝接收數(shù)據(jù)至交易提案后,將所封裝數(shù)據(jù)傳送至物聯(lián)網(wǎng)通道內(nèi)各節(jié)點(diǎn).
區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中包含區(qū)塊事件、通道事件等眾多事件,網(wǎng)關(guān)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行ПO(jiān)聽,便于后續(xù)操作.
去中心化是區(qū)塊鏈技術(shù)核心,去中心化指區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中實(shí)體無法操控網(wǎng)絡(luò)的權(quán)利.區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于共享系統(tǒng)中時(shí),數(shù)據(jù)共享以及存儲(chǔ)需利用共識(shí)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé),共識(shí)節(jié)點(diǎn)是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中極為重要的部分.通過驗(yàn)證共識(shí)節(jié)點(diǎn)所在區(qū)塊可添加至區(qū)塊鏈中.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化需通過節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證情況決定.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度同樣受共識(shí)節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量變化而決定.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)在存儲(chǔ)數(shù)據(jù)量差異性越高時(shí)更加集中.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化通過共識(shí)節(jié)點(diǎn)比例、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)波動(dòng)以及節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證.
共識(shí)節(jié)點(diǎn)中待共享軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)情況決定數(shù)據(jù)存儲(chǔ)所存在的差異性.設(shè)待共享財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)文件在相同共識(shí)周期內(nèi)表示為F={f1,f2,…,f|F|},且滿足|F|=NF.軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)文件具有相同大小,存在xc,f∈{0,1},其中xc,f=0與xc,f=1,分別表示數(shù)據(jù)文件f已存儲(chǔ)以及未存儲(chǔ)于共識(shí)節(jié)點(diǎn)c中.在相同共識(shí)周期內(nèi),表示共識(shí)節(jié)點(diǎn)中軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)情況,得到:
(1)
當(dāng)共識(shí)節(jié)點(diǎn)為ci時(shí),存儲(chǔ)于此處的軌道交通企業(yè)數(shù)據(jù)文件數(shù)量可以表示為:
Ψi,|F|=xi,1+xi,2+…+xi,|F|,
(2)
式中,F(xiàn)表示軌道交通企業(yè)數(shù)據(jù)之間的步長(zhǎng).
軌道交通企業(yè)數(shù)據(jù)文件fj可同時(shí)存儲(chǔ)于眾多共識(shí)節(jié)點(diǎn)中,避免丟失所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)文件,此時(shí)所存儲(chǔ)軌道交通企業(yè)數(shù)據(jù)文件fj副本數(shù)量公式如下:
Ψ|C|,j=x1,j+x2,j+…+x|C|,j.
(3)
軌道交通企業(yè)數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)于共識(shí)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)量方差var表示數(shù)據(jù)量存儲(chǔ)差異性.共享數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)于共識(shí)節(jié)點(diǎn)間差異在var越大時(shí)有所增加,可得方差var公式如下:
(4)
式中,Nc代表原始數(shù)據(jù)方差值.
應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度公式B如下:
(5)
式中:κ與β1、β2分別表示誤差參數(shù)以及系統(tǒng)參數(shù);Fcon/Fver分別代表不同去中心化數(shù)據(jù)詞頻因子.區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)去中心化程度在所獲取B數(shù)值越高時(shí)越大.
歸一化處理去中心化程度B以及區(qū)塊傳播時(shí)延τ,便于均衡化分析二者間關(guān)系[15].歸一化處理區(qū)塊傳播時(shí)延公式如下:
(6)
式中:τmax與τmin分別表示區(qū)塊傳播時(shí)延最大值以及最小值;τmean表示系統(tǒng)區(qū)塊傳播平均時(shí)延.
歸一化處理去中心化程度公式如下:
(7)
式中:Bmax與Bmin分別表示去中心化程度的最大值以及最小值;Bmean表示去中心化程度的平均值.
設(shè)置閾值φ,令φ=τ→1-B→1.閾值可依據(jù)軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)性能需求實(shí)時(shí)調(diào)整.系統(tǒng)對(duì)去中心程度或時(shí)延要求較高時(shí),分別設(shè)置φ<0與φ>0.
將所設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)應(yīng)用于某軌道交通企業(yè)中,驗(yàn)證所設(shè)計(jì)系統(tǒng)對(duì)于財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享的有效性.選取文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)以及文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)作為對(duì)比系統(tǒng),直觀驗(yàn)證本文系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享的有效性.
所設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu),利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)通信與數(shù)據(jù)共享,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如表1所示.
表1 參數(shù)設(shè)置
實(shí)驗(yàn)中對(duì)比本文系統(tǒng)、文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)和文獻(xiàn)[7]系統(tǒng)中各區(qū)塊中字節(jié)數(shù)量存儲(chǔ)情況,采用區(qū)塊大小進(jìn)行對(duì)比,在區(qū)塊大小不同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中區(qū)塊傳播時(shí)延對(duì)比結(jié)果如圖5所示.
圖5 不同系統(tǒng)區(qū)塊傳播時(shí)延分析Fig.5 Block propagation delay analysis of different systems
由圖5可以看出,當(dāng)區(qū)塊大小固定時(shí),相比于另兩種系統(tǒng),本文系統(tǒng)的區(qū)塊傳播時(shí)延低于另兩種系統(tǒng).主要原因是本文系統(tǒng)將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中,系統(tǒng)區(qū)塊傳播方案中,共識(shí)節(jié)點(diǎn)層以及驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)層區(qū)塊傳輸均需共識(shí)節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn),可有效降低共享系統(tǒng)的區(qū)塊傳播時(shí)延.當(dāng)區(qū)塊大小發(fā)生改變時(shí),系統(tǒng)各區(qū)塊傳播時(shí)延隨之增加;當(dāng)區(qū)塊大小增加時(shí),待驗(yàn)證區(qū)塊數(shù)量增加,傳播時(shí)延有所提升.
不同共識(shí)節(jié)點(diǎn)水平下三種系統(tǒng)采用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行去中心化,得到的結(jié)果如圖6所示.
圖6 不同系統(tǒng)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)去中心化結(jié)果Fig.6 Results of financial data decentralization in different systems
圖6測(cè)試結(jié)果表明,共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值與節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)能力閾值增加時(shí),不同系統(tǒng)對(duì)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行去中心化水平有所降低.主要原因是區(qū)塊鏈驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)以及共識(shí)節(jié)點(diǎn)隨節(jié)點(diǎn)計(jì)算能力閾值增加而減小,降低區(qū)塊鏈去中心化程度.物聯(lián)網(wǎng)內(nèi)共識(shí)節(jié)點(diǎn)比例在共識(shí)節(jié)點(diǎn)計(jì)算以及存儲(chǔ)能力閾值增加時(shí)降低,降低了區(qū)塊鏈去中心化程度,提升共享系統(tǒng)安全性.
為進(jìn)一步驗(yàn)證所提系統(tǒng)的有效性,實(shí)驗(yàn)分析了三種共享系統(tǒng)的吞吐量.不同區(qū)塊形成時(shí)間情況下均重復(fù)測(cè)試10次,測(cè)試結(jié)果如圖7所示.
圖7 不同系統(tǒng)吞吐量測(cè)試結(jié)果Fig.7 Throughput test results of different systems
圖7實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出,本文系統(tǒng)在不同區(qū)塊形成時(shí)間的吞吐量均高于10 000次/s,說明本文系統(tǒng)具有較高的吞吐量,可滿足將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享需求.
軌道交通企業(yè)中包含海量多源異構(gòu)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù),軌道交通企業(yè)中財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)安全共享具有較高難度.因此,設(shè)計(jì)基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的軌道交通企業(yè)財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)共享系統(tǒng),提升軌道交通企業(yè)管理的智慧化、數(shù)字化以及信息化.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的信息化技術(shù)推動(dòng)數(shù)據(jù)處理領(lǐng)域高速發(fā)展.以往將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于共享系統(tǒng)中,由于數(shù)據(jù)共享過程中不具有有效信用保障機(jī)制易出現(xiàn)信息孤島情況.將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中,可有效保障物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的數(shù)據(jù)共享有效性以及安全性.區(qū)塊鏈技術(shù)可避免部分人員破壞以及篡改系統(tǒng)中共享財(cái)務(wù)數(shù)據(jù).所設(shè)計(jì)系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)軌道交通企業(yè)業(yè)務(wù)的良好管理,為企業(yè)良好運(yùn)營(yíng)提供高價(jià)值數(shù)據(jù)支持.