基于物联网技术的轨道交通企业财务数据共享系统*

陈 英

(中铁轨道交通装备有限公司，江苏 南京 210019)

0 引言

轨道交通是城市交通最重要的基础设施，我国交通发展迅速，轨道交通企业财务管理效率以及财务管理水平是推动轨道交通企业可持续发展的关键因素.物联网技术具有多样化、价值高的优势，可实现企业财务数据整体化管理，提升企业财务数据管理效率[1].轨道交通企业涉及运营维护、车辆数据等众多技术，数据分布信息极为广泛，不同数据间存在较高关联性.轨道交通企业相关数据存在一定规律性以及异构性，将信息化管理方式应用于轨道企业财务数据管理中具有较高适用性[2].物联网技术整合众多轨道交通企业财务数据，建立共享系统.该系统可实现信息与数据共享，将财务数据转化为有效数据，提升轨道交通企业财务数据管理效率.

轨道交通企业中包含众多产业，信息量极大，其数据化以及信息化管理手段极为重要，企业业务模式以及企业效率由信息数据化水平决定.轨道交通企业的财务数据过于庞大，智能分析与管理水平较差[3-5]，无法拓展企业业务.轨道交通企业财务数据信息化建设可提升企业管理.

近年来，针对数据共享研究较多.王合建等人[6-7]分别将物联网标识技术以及云计算技术应用于光伏数据共享以及企业财务数据共享中，在方法研究中虽然可以快速将财务数据进行传输和共享，但共享的效果不佳，研究中存在信息孤岛问题.

为此，本文设计基于物联网技术的轨道交通企业财务数据共享系统，将物联网技术应用于轨道交通企业财务数据共享系统中，提升企业财务数据共享性能.通过实验验证所设计系统具有较高应用性，可有效提升轨道交通企业财务数据共享性能.

1 物联网技术的轨道交通企业财务数据共享系统

1.1 系统总体结构

所设计物联网技术的轨道交通企业财务数据共享系统总体结构如图1所示：

图1 系统总体结构图Fig.1 Overall structure of the system

由图1可以看出，所设计物联网的轨道交通企业财务数据主要包括感知层、网络层、数据层以及应用层四部分.该系统利用感知层中感知设备实现多源异构财务数据的有效采样，追踪感知层各类数据采集终端，实现数据有效监控，完成数据共享与智能管理.所采集数据由证书管理、接收数据与Fabric SDK组成的网关传送至数据层.轨道交通企业海量多源异构财务数据通过数据层接收[8]，并将所接收数据通过预处理以及区块链技术传送至上层企业内部应用以及外部应用中，为系统提供多样化财务数据共享服务.系统利用数据层实现轨道交通企业财务数据互联互通.

系统包含安全机制、服务操作、数据接口、共享机制等.利用物联网架构实现轨道交通企业财务数据有效存储与共享管理，选取REST信息共享机制实现财务数据共享[9]，可处理历史数据以及实时数据等不同规模数据.系统具有较高的开放性，采用区块链技术提升数据共享系统的安全性.

2.2 REST信息共享机制设计

通过轨道交通财务数据获取、数据抽象以及数据定位解决系统财务数据共享问题.选取REST的信息共享服务，实现轨道交通企业财务数据有效共享.REST架构中ROA为典型实例，该实例可利用REST描述实际共享问题，令系统架构更加简单，选取REST信息共享服务中ROA架构，实现物联网为共享系统提供服务.

在REST信息共享服务中，用资源表示全部被命名实体.物联网中感知网络、感知数据以及接入网关均可通过资源表示.系统物联网架构利用知识资源、对象资源以及索引资源表示全部资源[10]，记录独立数据集合为对象资源，依据对象资源利用过滤、统计等方法所获取资源为知识资源.其中一类或集合数据索引为索引资源，索引资源可利用资源列表访问对象资源.

ROA架构中资源层级与资源类型间关系如图2所示：

图2 资源类型与层级间关系Fig.2 Relationship between resource types and levels

由图2可以看出，利用索引资源标识转移不同资源间状态，通过状态转移获取知识以及对象间的资源.知识资源以及对象资源可利用固定方式提取知识以及利用状态，获取感知知识资源.系统中不同类别资源的转移路径可通过另一索引资源接替原有索引资源[11]，令系统中不同类型的轨道交通企业财务数据资源灵活组织与共享.

2.3 财务数据预处理

数据区块链技术是利用所采集数据建立数据账本的重要技术.区块链技术可提升数据可靠性.物联网架构利用传感设备采集轨道交通企业财务数据.采用区块链技术处理海量数据时，需预处理所采集数据，便于后续分类、存储以及共享.数据预处理机制结构图如图3所示.

图3 数据预处理机制Fig.3 Data preprocessing mechanism

数据预处理首先需压缩多媒体数据，完成多媒体数据压缩后实现数据融合，降低系统待共享数据容量.为便于数据共享，需采用统一的数据表达式规范数据存储.分布式存储完成处理数据[12]，账本数据以及外包数据分别设置为数据摘要以及多媒体数据和外包数据，分别存储于系统各节点以及雾节点.用户使用数据时，可在共享系统中随时下载数据，实现数据共享.

2.4 系统网关设计

物联网通信利用网关实现.通过证书管理、接收数据与Fabric SDK组成网关.证书管理模块、数据接收和处理模块分别用于申请、存储物联网设备证书以及接收、处理所采集数据，区块链网络通信利用Fabric SDK实现.区块链技术的物联网设备网关注册流程如图4所示.

图4 设备网关注册流程图Fig.4 Flow chart of device gateway registration

物联网设备网关注册流程如下：

(1) 系统接收新的物联网传感器节点数据时，需通过网关确定该设备身份是否为可信.当设备为可信时，通过该用户请求，网关利用证书管理模块将HTTP POST请求发送至相应MSP中，通过该过程实现物联网传感器设备身份证书注册申请；

(2) 当MSP接收请求后，验证该请求是否为合法状态.该请求为合法状态时，生成新证书发送至证书管理模块；当所发送请求为非法时，将非法请求返回至发送者；区块链网络中排序服务、节点以及通道配置通过MSP授权[13]，由MSP所发送证书可应用于物联网络中；

(3) 证书发送至证书管理模块后，本地数据库需将所接收证书加密和存储处理，将物联网设备与所发送证书相应关系进行有效记录；

(4) 物联网传感器设备采集数据需利用数据接收与处理模块实施处理，清洗所接收数据[14]，格式转换所获取数据，并将完成处理的数据传送至Fabric SDK；

(5) 物联网传感器设备证书利用Fabric SDK签名，封装接收数据至交易提案后，将所封装数据传送至物联网通道内各节点.

区块链网络中包含区块事件、通道事件等众多事件，网关可实现数据传输的有效监听，便于后续操作.

2.5 区块链技术的去中心化程度计算

去中心化是区块链技术核心，去中心化指区块链网络中实体无法操控网络的权利.区块链技术应用于共享系统中时，数据共享以及存储需利用共识节点负责，共识节点是区块链网络中极为重要的部分.通过验证共识节点所在区块可添加至区块链中.区块链网络去中心化需通过节点验证情况决定.区块链网络去中心化程度同样受共识节点存储数据量变化而决定.区块链网络在存储数据量差异性越高时更加集中.区块链网络去中心化通过共识节点比例、数据存储波动以及节点验证.

共识节点中待共享轨道交通企业财务数据存储情况决定数据存储所存在的差异性.设待共享财务数据文件在相同共识周期内表示为F={f1,f2,…,f|F|}，且满足|F|=NF.轨道交通企业财务数据文件具有相同大小，存在xc,f∈{0,1}，其中xc,f=0与xc,f=1,分别表示数据文件f已存储以及未存储于共识节点c中.在相同共识周期内，表示共识节点中轨道交通企业财务数据文件存储情况，得到：

(1)

当共识节点为ci时，存储于此处的轨道交通企业数据文件数量可以表示为：

Ψi,|F|=xi,1+xi,2+…+xi,|F|,

(2)

式中，F表示轨道交通企业数据之间的步长.

轨道交通企业数据文件fj可同时存储于众多共识节点中，避免丢失所存储数据文件，此时所存储轨道交通企业数据文件fj副本数量公式如下：

Ψ|C|,j=x1,j+x2,j+…+x|C|,j.

(3)

轨道交通企业数据文件存储于共识节点间的数量方差var表示数据量存储差异性.共享数据文件存储于共识节点间差异在var越大时有所增加，可得方差var公式如下：

(4)

式中，Nc代表原始数据方差值.

应用于物联网架构中区块链网络去中心化程度公式B如下：

(5)

式中：κ与β1、β2分别表示误差参数以及系统参数；Fcon/Fver分别代表不同去中心化数据词频因子.区块链网络去中心化程度在所获取B数值越高时越大.

归一化处理去中心化程度B以及区块传播时延τ，便于均衡化分析二者间关系[15].归一化处理区块传播时延公式如下：

(6)

式中：τmax与τmin分别表示区块传播时延最大值以及最小值；τmean表示系统区块传播平均时延.

归一化处理去中心化程度公式如下：

(7)

式中：Bmax与Bmin分别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.

设置阈值φ，令φ=τ→1-B→1.阈值可依据轨道交通企业财务数据共享系统性能需求实时调整.系统对去中心程度或时延要求较高时，分别设置φ<0与φ>0.

3 实验分析

3.1 实验方案

将所设计基于物联网技术的轨道交通企业财务数据共享系统应用于某轨道交通企业中，验证所设计系统对于财务数据共享的有效性.选取文献[6]系统以及文献[7]系统作为对比系统，直观验证本文系统数据共享的有效性.

所设计系统采用物联网架构，利用区块链技术实现通信与数据共享，系统参数设置如表1所示.

表1 参数设置

3.2 结果分析

实验中对比本文系统、文献[6]系统和文献[7]系统中各区块中字节数量存储情况，采用区块大小进行对比，在区块大小不同时，物联网架构中区块传播时延对比结果如图5所示.

图5 不同系统区块传播时延分析Fig.5 Block propagation delay analysis of different systems

由图5可以看出，当区块大小固定时，相比于另两种系统，本文系统的区块传播时延低于另两种系统.主要原因是本文系统将区块链技术应用于物联网架构中，系统区块传播方案中，共识节点层以及验证节点层区块传输均需共识节点实现，可有效降低共享系统的区块传播时延.当区块大小发生改变时，系统各区块传播时延随之增加；当区块大小增加时，待验证区块数量增加，传播时延有所提升.

不同共识节点水平下三种系统采用区块链技术对企业财务数据进行去中心化，得到的结果如图6所示.

图6 不同系统财务数据去中心化结果Fig.6 Results of financial data decentralization in different systems

图6测试结果表明，共识节点计算能力阈值与节点存储能力阈值增加时，不同系统对财务数据进行去中心化水平有所降低.主要原因是区块链验证节点以及共识节点随节点计算能力阈值增加而减小，降低区块链去中心化程度.物联网内共识节点比例在共识节点计算以及存储能力阈值增加时降低，降低了区块链去中心化程度，提升共享系统安全性.

为进一步验证所提系统的有效性，实验分析了三种共享系统的吞吐量.不同区块形成时间情况下均重复测试10次，测试结果如图7所示.

图7 不同系统吞吐量测试结果Fig.7 Throughput test results of different systems

图7实验结果可以看出，本文系统在不同区块形成时间的吞吐量均高于10 000次/s,说明本文系统具有较高的吞吐量，可满足将物联网技术应用于轨道交通企业财务数据共享需求.

4 结论

轨道交通企业中包含海量多源异构财务数据，轨道交通企业中财务数据安全共享具有较高难度.因此，设计基于物联网技术的轨道交通企业财务数据共享系统，提升轨道交通企业管理的智慧化、数字化以及信息化.物联网技术的信息化技术推动数据处理领域高速发展.以往将物联网技术应用于共享系统中，由于数据共享过程中不具有有效信用保障机制易出现信息孤岛情况.将区块链技术应用于物联网架构中，可有效保障物联网技术的数据共享有效性以及安全性.区块链技术可避免部分人员破坏以及篡改系统中共享财务数据.所设计系统可实现轨道交通企业业务的良好管理，为企业良好运营提供高价值数据支持.