基于联盟链的综采煤机“多机”协同设计方法研究

杨文明 杨元凯 黄莹 张守辉 申超群

摘 要：针对综采煤机“多机”存在的多设计节点难以同步、难以实时沟通而产生的设计效率低、易出错等问题，通过离散设计参数知识元素，对产品的参数关系解构、融合区块链技术理念，进而区块化知识元素和链化知识关系。在对煤炭综采最重要的装备“四机”（即割煤机、输送机、刮板运输机、支护设备）的关键数据分析基础上，通过对设计边界条件、场景特征和需求要素等的动态融合，创建原始数据共识。针对不同节点对设计数据既有特别要求又需要彼此统一的要求，通过建立数据共识和同步设计共识的原则与方法，解决设计元素数据块的对应和匹配问题，建立联盟链形式的同步协同设计模式，避免局部性、“孤岛”式设计，保证设计的参数及时共享和结果一致性、产品正确性，确保设计准确，提高设计效率。

关键词：综采煤机;网状节点结构;同步共识;设计联盟链

中图分类号：TP319     文献标识码：A     文章编号：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

美國通用电器公司的研究表明，设计决定着产品成败的90%。装备制造业环节众多，参与主体复杂，数据信息量巨大。上游环节产业类别繁多，产品状态参差不齐，供给时间周期不可控，信息不透明;中间环节工序复杂，契合调试技术要求高，存在误差，效率低，生产及管理人为因素影响大;下游环节客观环境因素复杂，主观因素多变。整体上主要体现在生产、设计、管理、质量、物流、供应链、客户关系等特征各异、数据复杂多样、信息杂乱无序。在煤炭综采装备中，最典型的是采煤机、皮带机、液压支护装备、刮板输送机“四机”协调。而目前国内、国际上一般是由多家设备商分别供货，“四机”参数均是设备定型后根据产能、报价、寿命等事后进行匹配，技术指标、需求参数和购买预算难以实现最佳组合。在“四机”设计过程中牵涉的设计参数特征各异，涉及设计学、材料学、力学、数学、热力学等多学科，在分布式多级联动设计中数据分散（离散）、信息孤岛严重、难以协同、分布式存储难以容错，海量的设计参数要全部实现协同共享是十分困难的，也是没有必要的。其设计技术路线是由一个中心确定设计目标和思路，然后对任务进行分解，由多个主体分别承担部分设计任务，各自完成后把设计结果汇总、匹配，对出现问题的反馈到原设计单位，完成后再汇总、匹配，如仍有问题，再反馈、汇总……，如此反复、彼此确认，直至完成设计目标。煤炭综采装备设计具有“散、孤、众”的数据信息特征，使得在传统的产品设计中设计成本高、效率低、效果难以达到最优化。当前的协同设计只是用信息化手段代替了人工信息传递，其业务流程并未改变，仍是在一个中心前提下实施的，无法做到实时共享、动态协同，其本质上依然采用的是“总—分—总—分……总”的传统设计模式[1-3]。

1 概述

区块链是一种去中心化基础架构与分布式写入、对象透明的计算模式，具有信任、安全、可扩展、数据真实性、可追溯、共识机制、分布式存储、安全多方计算、跨链协同、智能合约等特点。

相较于数据特征明显、信息单一的领域，区块链技术应用易于实现，并在不断地深入发展。由于装备制造产业领域数据特征复杂多变，产业链+区块链融合变得困难，是阻碍两链融合发展的关键性因素。因此，在不破坏和降低主体决策效率的前提下，使复杂多变的数据信息化繁为简，是实现区块链技术应用的研究方向。基于产业链中不同主体间的契合度，探索多主体联动，共识数据发掘的方法成为两链融合的突破口[4-6]。

区块链技术的应用场景有完全去中心化的公有链、部分去中心化的私有链和有限去中心化的联盟链，如图1所示。

1.1 公有链

公有链即任何人都可以随时参与到共识机制中进行数据读取、发送可确认交易、交易记账的区块链组织架构。公有链适合数据特征明显、信息传输单一的领域，如比特币、以太坊等。

1.2 私有链

私有链是指根据作业需求，形成局部组织的区块链。通常被认为是“部分去中心化”的，其读取、验证、共识机制等行为被特定限制，一般不对外公开。一般应用在企业内部和政府行业如审计、数据库管理、行业数据统计、政府预算等。私有链更适合各个企业自己单独建立，但容易出现“信息孤岛”。

1.3 联盟链

联盟链介于公有链和私有链之间，是指由多个主体和组织机构参与，根据授权形成共识过程和智能合约，并受预选节点控制的区块链。其通常被认为是“有限去中心化”的，可以是由多个私链组成集群，多个主体或组织机构共同参与，每个主体或组织机构分别管理一个或多个节点，只允许系统内的组织或机构对数据进行读写和发送。联盟链具有部分去中心化、可融性强、数据默认公开、交易速度快、成本低、效率高的特点，更适用于不同实体间的协同、结算等B2B交易。相较于数据特征明显、信息单一的领域，联盟链技术应用易于实现，并具有区块链技术的开放优势[7-8]。

本文通过对煤炭综采最重要的装备——“四机”（即割煤机、输送机、刮板运输机、支护设备）的关键数据分析，研究各个设备的数据关联关系，形成数据共识统一，建立联盟链形式的同步协同设计模式，避免局部性、“孤岛”式设计，保证设计的参数及时共享和结果一致性、产品正确性，以确保各个设计节点（设计者）的设计结果无须往返验证。

2 “四机”群组协同设计数据仓库和区块的建立

2.1 设计任务书分级分解设计任务

在接到客户需求任务后，根据各主机以及各产品的设计特点，结合客户对技术及商务的要求，对分布式的生产、设计部门（或单元）提出设计要求，分配割煤机、输送机、刮板运输机、支护设备的设计任务，形成分布式设计网络联盟。

2.2 基于“四机”设计参数的数据分析

将“四机”的设计参数分类为核心参数、关键参数、相关参数、边缘参数。

设核心参数（如产能、寿命等核心设计指标）为Ⅰ类参数C，其数簇为（C1，C2，C3，…，Cn）;直接影响C1的设计数簇为（C11，C12，C13，…，C1n），直接影响C2的数簇为（C21，C22，C23，…，C2n），……;下一阶为（C111，C112，C113，…，C11n）（C121，C122，C123，…，C12n）……分析数据簇直到采购（原材料、标准件）级。设关键参数（如影响制造工艺的参数）为参数k，相关参数为参数为r，边缘参数为参数e，分别分解进入账本（见图2）。

3 构建智能综采装备一体化同步协同设计智能合约

3.1 数据实时共识的方法与实现

“四机”设计的各分布式设计节点（设计者）利用区块链构建基于网络协同的去中心化设计的动态数据账本，需要解决的问题是如何实现不同设计节点上的参数账本数据的一致性并确保其正确性。这就需要建立分布式设计节点（区块）中实现状态共识的算法，确定设计数据的共识，保障参数数据账本在系统中形成正确、一致的共识。

3.2 数据共识的实现

设定参与设计“四机”的各个设计节点为G1，G2，…，Gn，P1，P2，…，Pn，Z1，Z2，…，Zn，…，形成网状设计节点布局。基于网状结构节点布局，在设计进程中，每个节点在接受其他节点的数据账本后，挖掘数据与自身设计的关联规则，应用系统插件自动迭代，保留较强关联性数据，放弃无关联及模糊关联数据，形成关联数据区块（见图3）。

4 联盟链智能合约的形成

①每个设计节点在接收到其他节点的数据账本后，即进行数据的自动识别，一方面根据自身数据要求选择性应答其他节点呼应信息;另一方面添加新的提案数据，形成新的数据集合。

②各节点之间的回应时间及应答间隔时间约定。由系统插件程序中设置，根据设计需求和条件，所有设计节点按约定规则的模式建立相应的回应模式，接受的数据集为所有节点发送的数据按照互动比值关联度计算进入的整合后数据。

③各节点的呼应对象根据数据关联互动比值率及呼应模式，进行一对多、多对一和多对多的同步呼应。

形成“四机”设计联盟链后的设计体系（见图4），参与每个产品设计的各个节点（设计者）均在设计时互动有效设计信息，在设计过程中就能有效解决设计参数的一致性问题，确保各个设备的参数完全匹配，并保证最合理的设计效率。

5 结论

本文通过对煤炭综采最重要的装备“四机”（即割煤机、输送机、刮板运输机、支护设备）的关键数据分析，对网状节点设计体系需要的设计数据的解构、重塑、泛化和强化，创建原始数据共识。针对不同节点对设计数据既有特别要求又需要彼此统一的要求，通过建立数据共识和同步设计共识的原则与方法，解决设计元素数据块的对应和匹配问题，建立联盟链形式的同步协同设计模式，避免局部性、“孤岛”式设计，保证设计的参数及时共享和结果一致性、产品正确性，为网络化节点设计模式、保证设计数据准确应用提供了系统的解决方法。

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