基于区块链的海上风电机组备件生命周期管理平台

范运鹏， 李傲飞， 何洪涛， 张峰玮， 张永康， 李 志

(1.阳江市高新投资开发有限公司，广东 阳江 529533；2.广东工业大学 机电工程学院，广东 广州 510006)

0 引 言

备件生命周期管理包含从生产制造到淘汰和处理的全过程。备件生命周期主要用于支持备件制造的数据和信息集成与管理。互联网和信息技术的发展使利益相关者在整个备件生命周期中进行协作，涉及备件生命周期的一系列阶段，包括生产、分销、维护、客户服务和回收[1]。

海上风力发电是可再生能源的重点方向，风电机组(Wind Turbine Generator System, WTGS)是海上风力发电的基础设施。由于国内海上风电开发仍处于发展阶段，设备的故障率与维修成本较高。WTGS备件在海上运输困难，一旦设备发生故障，在短时间内无法完成维修，故障或运维停机将导致发电量的损失[2]。因此，对WTGS备件采用合理的管理方式是减少故障维修时间及停机损失的有效方法。然而，传统的备件生命周期管理方法仍一些不足。现有的大多数平台均基于第三方软件供应商提供的中心化框架进行开发。在分布式生命周期中由于备件制造设备和信息系统涉及多个厂家，所有的订单需求、产能情况、库存水平变化及突发故障等信息均存储在各自独立的系统中，而这些系统的技术架构、业务流程、数据存储格式等各不相同，严重影响设备维修过程中的互联互通效率[3]。在备件制造数据共享过程中，制造数据的真实性、可靠性和一致性难以保障，共享数据存在被篡改的风险。备件生命周期管理需要一个开放且安全、互联和分散的环境，以便在备件生命周期不同阶段之间进行信息集成、交换及决策。

为解决上述问题，提出一种基于区块链的海上WTGS备件生命周期管理平台。该平台结合区块链、智能合约和物联网(Internet of Things，IoT)技术。区块链是金融界的革命性技术，具有高安全性、不可逆性、分布性、透明性和准确性等特点[4]。具体来说，区块链是一种分散、分布式和公共的数字账本[5]，不仅可跟踪数据变化并保护数据[6]，而且可在不受信任的环境中自主、安全地交换数据。一旦数据被验证并添加至区块链，将被永久存储[7]，确保区块链的稳定性和透明度。智能合约作为区块链中的核心组成部分，是运行在可复制的共享区块链数据手册上的计算机协议[8]，包括合约参与方可执行这些承诺的协议。基于区块链的可编程性，智能合约即数字化合同具有在约定条件下自动执行的功能。使用智能合约实现备件生命周期中的设备预警；作为基础设施的IoT技术用于收集和监控备件生命周期中的实时数据。

1 平台架构与信息流

海上WTGS运输困难，部件生产制造耗时长，有效的备件管理可减少WTGS的维修时间，然而如何对海上WTGS的备件进行管理是风电场运维的关键[9]。海上风电场备件管理涉及备件产品信息、备件管理、设备状态及故障率等诸多因素，需要通过海上风电备件信息平台统筹区域内的海上WTGS备件资源，构建最优化的海上风电备件产业。基于区块链的备件生命周期管理平台可实现制造服务数据共享和运维备件共享，有效降低维修成本提升效益。通过该平台可查询全国范围内某项物资和已签订协议的供应商库存情况，区块链网络可保证该平台信息的安全性。

1.1 平台架构

平台架构包括感知层、链下层、区块链网络层、应用层和服务层。基于文献[10]，将备件生命周期分为3个阶段：初期、中期和后期。初期包括设计、制造、包装和障碍评估。中期包括仓储、物流和维护。后期包括备件的回收和再利用。在服务层中提出4个备件服务：障碍评估服务、即时追溯服务、主动维护服务和远程监控服务。

感知层是该平台较重要的数据采集源，主要用于收集设备生命周期中的数据，包括制造数据、物流运输数据和回收数据等。感知层采集的数据传送至边缘网关。与传统的网关不同，边缘网关是IoT设备和云服务器之间的中间件[11]。通常来说，其功能主要用于整合收集的数据、转化数据格式、分析数据及执行反馈。感知层收集的数据发送至链下层进一步处理后上传至区块链网络层。

链下层是感知层和区块链网络层之间的信息中转站，其作用为接收和处理感知层的数据。有4个关键功能：数据验证、数据存储、数据广播及捕获和查询接口。由感知层收集的数据发送至链下层进行预处理，例如验证、清洗和加密，再使用密钥将处理后的数据转化为哈希数据，哈希数据和原始数据(由感知层收集的数据)广播至区块链网络层。一旦全网通过共识算法达成一致，哈希数据即可存储至区块链网络层中，原始数据则存储至链下层中的云数据库。

区块链网络层是该平台的核心部分，包含共识协议、智能合约、分布式应用和密码学等。共识协议是区块链网络层中的节点达成一致的算法。智能合约确保在没有第三方监管情况下的交易执行。分布式应用是分布式互联网应用程序，如果数据是私有和敏感的，可将数据加密存储。密码学被广泛应用于区块链网络层，如保护私有数据、数字签名等。

应用层由企业提供的一系列服务和软件产品组成，例如计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)、计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)、计算机辅助工艺过程设计(Computer Aided Process Planning，CAPP)、计算机辅助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、企业资源计划(Enterprise Resource Planning，ERP)、客户关系管理(Customer Relationship Management，CRM)、物料清单(Bill of Material，BOM)、制造执行系统(Manufacturing Execution System，MES)、供应链管理(Supply Chain Management，SCM)、物流管理系统(Logistics Management System，LMS)、数据管理系统(Data Management System，DMS)、决策支持系统(Decision Support System，DSS)等，这些服务和软件产品根据不同功能应用于备件生命周期的不同阶段。

服务层由即时追溯服务、障碍评估服务、主动维护服务和远程监控服务组成，与备件生命周期中的3个时期直接相关。初期阶段包括备件的生产制造及障碍评估。中期阶段包括即时追溯服务和主动维护服务。即时追溯服务提供备件的生产制造和物流信息等。主动维护服务作为备件生命周期中最长的阶段，涉及备件研究团队、技术支持者和技术工程师。为提供积极主动的备件维护服务，使用区块链记录终端用户的反馈数据。分析引擎和预测模型可用于3种备件维护类型，包括预防性维护、纠正性维护和预测性维护。在后期阶段，远程监控服务对备件情况进行实时监管。

基于区块链的备件生命周期管理平台架构如图1所示。

图1 基于区块链的备件生命周期管理平台架构

1.2 平台信息流

以统一建模语言(Unified Modeling Language，UML)序列对平台信息流进行阐述，如图2所示。

图2 平台信息流

利用IoT传感器、射频识别(Radio Frequency Identification，RFID)等技术将与备件制造数据、运输数据和WTGS运行情况等相关的数据发送至边缘网关。使用边缘设备表示所有的数据源。边缘网关作为云端和边缘设备之间的连接点，是一种整合所有数据并上传至云端的物理设备。这些边缘设备与边缘网关之间的连接协议通常基于无线的方法，如Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。同时，边缘网关可发挥存储和预处理原始数据的作用。预处理后的数据传输至链下层，边缘网关和云端之间的消息传递协议是超文本传输协议(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)或消息队列遥测传输(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)等。云端数据可进一步处理和存储。区块链信息服务决定数据是上传至区块链网络层还是云端数据库。上传至区块链网络层的数据根据一定的结构放至区块，生成合法的区块头信息，生成的区块根据提前定义的智能合约上传至区块链网络层。通过节点验证和公钥生成新区块。放至区块链网络层的数据需要通过共识算法进行验证，一旦不合格，反馈将发送至区块链信息服务和链下层。

2 关键服务

2.1 即时追溯服务

海上风电备件追溯及有效管理物流网络非常重要。得益于区块链数据的不可篡改性，备件的运输和环境状况可保存在一个安全、不可改变的去中心化数据库中。

为追溯特定备件，可输入相关备件信息，如批号、备件名称等，通过检索区块链网络层获取所需要的信息。追溯的数据由IoT设备在备件生命周期中收集。基于区块链的分布式数据库的搜索结果包括备件名称、生产者、地点、时间和质量信息，这些数据由相关者在备件生命周期中即时更新。结果作为智能合约输入。一旦分析模型检测到突发事件，输出将直接发送至用户，并同时反馈至生产者。

2.2 障碍评估服务

海上作业对交通工具及天气条件的要求非常严格，海上运输船的运输时间大幅高于陆上。对这些影响运输的障碍进行评估有助于管理者和决策者进行决策，实现区域内各海上风电备件模式和策略的统筹优化，有效降低制造成本。使用决策试验和评价试验法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)阐述对这些障碍评估的详细步骤。该方法最初用于研究和解决社会经济问题，主要方式为通过专家群组的知识和经验判断构建复杂因素之间因果关系的可视化结构，得出各因素的中心度和原因度，通过构建的因果关系图作出更好的决策[12]。在该方法中，专家的判断是模糊的，因此采用模糊DEMATEL，通过三角模糊数处理初始直接影响矩阵以提高精确性。管理者和决策者确定相关障碍，如备件的运输费用、天气情况、运输距离、缺乏专业知识和存在安全问题等障碍。管理者和决策者对因素之间的影响强度进行判断，量化各障碍之间的相互关系。根据障碍之间的相互关系与障碍因子建立因果关系图。该评估方法包含如下6个步骤：(1)调查研究参与者以构建对比矩阵；(2)建立模糊初始直接影响矩阵；(3)建立标准化直接关系矩阵；(4)建立综合影响关系矩阵；(5)计算行的和与列的和；(6)建立因果关系图。根据因果关系图，管理者和决策者可找出面临的最突出障碍，在短期内优先处理或规避这些障碍，从而为其决策提供有效的帮助。

2.3 主动维护服务

维护是WTGS生命周期中的重要阶段。为实现对WTGS设备的维护、预防性试验及设备的检修工作，利用IoT传感器、RFID等技术监控和采集来自IoT设备的数据，通过智能合约对WTGS的运行进行监护、操作和数据记录分析。密码学是区块链中的重要组成部分，用于验证数字签名。共识协议用于生成链上数据，并保证区块链网络层数据的一致性。智能合约用于分析产品在使用过程中收集的数据，以提供更好的产品服务。一旦由IoT设备收集的数据写入区块链，就会调用智能合约中的函数。智能合约可自动监控维护过程，如机械监测诊断、维修警报、维修服务呼叫等。维护者可在机器故障前准备备件并准备维修，这样有利于提高维护效率。备件状态和维护记录均存储于区块链，不仅帮助维护者了解WTGS的维修历史记录，而且便于管理者根据设备的实时情况作出决策，如更新或更换等。

2.4 远程监控服务

海上风电设备位置特点为海域广阔、位置分散、远离大陆等，因此在很多情况下，设备数据信息获取困难。远程监控是获取设备状态的一种重要方式。为实现对WTGS备件的状态进行及时监控，提出基于区块链的远程监控服务，为引导服务提供决策支持。需要对多种类型备件进行集中监视，主要包括分布式WTGS、燃机机组、分布式光伏、电池蓄能电站、大电网及其他分布式发电电源等。监视内容包括实时负荷等运行数据、输电负荷和能力、装机容量和可发电能力、影响关键指标数据、实时曲线、自定义报警等数据。监控数据通过区块链边缘网关进行相关转化，上传至区块链网络层。所有备件设备节点、所有组件状态、各节点资源占用情况、各任务进程、任务完成时间、完成任务记录、平台故障报警日志等内容均可视化展示，以实现对海上WTGS的远程监控。

3 结 语

海上WTGS设备所处环境恶劣，设备故障率高，维修备件难以得到有效管理。为实现开放、互联和去中心化，提出基于区块链的备件生命周期管理平台，以实现备件产品信息、备件服务产品信息等备件数据在企业与用户间的信息共享。提出的边缘网关用于处理多源异构数据，可将原生数据转化为符合要求的区块链数据。智能合约保证交易的执行并实现备件生命周期中的预警服务，为管理者提供即时的决策支持。