基于區塊鏈的海上風電機組備件生命周期管理平臺

范運鵬， 李傲飛， 何洪濤， 張峰瑋， 張永康， 李 志

(1.陽江市高新投資開發有限公司，廣東 陽江 529533；2.廣東工業大學 機電工程學院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

備件生命周期管理包含從生產制造到淘汰和處理的全過程。備件生命周期主要用于支持備件制造的數據和信息集成與管理。互聯網和信息技術的發展使利益相關者在整個備件生命周期中進行協作，涉及備件生命周期的一系列階段，包括生產、分銷、維護、客戶服務和回收[1]。

海上風力發電是可再生能源的重點方向，風電機組(Wind Turbine Generator System, WTGS)是海上風力發電的基礎設施。由于國內海上風電開發仍處于發展階段，設備的故障率與維修成本較高。WTGS備件在海上運輸困難，一旦設備發生故障，在短時間內無法完成維修，故障或運維停機將導致發電量的損失[2]。因此，對WTGS備件采用合理的管理方式是減少故障維修時間及停機損失的有效方法。然而，傳統的備件生命周期管理方法仍一些不足。現有的大多數平臺均基于第三方軟件供應商提供的中心化框架進行開發。在分布式生命周期中由于備件制造設備和信息系統涉及多個廠家，所有的訂單需求、產能情況、庫存水平變化及突發故障等信息均存儲在各自獨立的系統中，而這些系統的技術架構、業務流程、數據存儲格式等各不相同，嚴重影響設備維修過程中的互聯互通效率[3]。在備件制造數據共享過程中，制造數據的真實性、可靠性和一致性難以保障，共享數據存在被篡改的風險。備件生命周期管理需要一個開放且安全、互聯和分散的環境，以便在備件生命周期不同階段之間進行信息集成、交換及決策。

為解決上述問題，提出一種基于區塊鏈的海上WTGS備件生命周期管理平臺。該平臺結合區塊鏈、智能合約和物聯網(Internet of Things，IoT)技術。區塊鏈是金融界的革命性技術，具有高安全性、不可逆性、分布性、透明性和準確性等特點[4]。具體來說，區塊鏈是一種分散、分布式和公共的數字賬本[5]，不僅可跟蹤數據變化并保護數據[6]，而且可在不受信任的環境中自主、安全地交換數據。一旦數據被驗證并添加至區塊鏈，將被永久存儲[7]，確保區塊鏈的穩定性和透明度。智能合約作為區塊鏈中的核心組成部分，是運行在可復制的共享區塊鏈數據手冊上的計算機協議[8]，包括合約參與方可執行這些承諾的協議。基于區塊鏈的可編程性，智能合約即數字化合同具有在約定條件下自動執行的功能。使用智能合約實現備件生命周期中的設備預警；作為基礎設施的IoT技術用于收集和監控備件生命周期中的實時數據。

1 平臺架構與信息流

海上WTGS運輸困難，部件生產制造耗時長，有效的備件管理可減少WTGS的維修時間，然而如何對海上WTGS的備件進行管理是風電場運維的關鍵[9]。海上風電場備件管理涉及備件產品信息、備件管理、設備狀態及故障率等諸多因素，需要通過海上風電備件信息平臺統籌區域內的海上WTGS備件資源，構建最優化的海上風電備件產業。基于區塊鏈的備件生命周期管理平臺可實現制造服務數據共享和運維備件共享，有效降低維修成本提升效益。通過該平臺可查詢全國范圍內某項物資和已簽訂協議的供應商庫存情況，區塊鏈網絡可保證該平臺信息的安全性。

1.1 平臺架構

平臺架構包括感知層、鏈下層、區塊鏈網絡層、應用層和服務層。基于文獻[10]，將備件生命周期分為3個階段：初期、中期和后期。初期包括設計、制造、包裝和障礙評估。中期包括倉儲、物流和維護。后期包括備件的回收和再利用。在服務層中提出4個備件服務：障礙評估服務、即時追溯服務、主動維護服務和遠程監控服務。

感知層是該平臺較重要的數據采集源，主要用于收集設備生命周期中的數據，包括制造數據、物流運輸數據和回收數據等。感知層采集的數據傳送至邊緣網關。與傳統的網關不同，邊緣網關是IoT設備和云服務器之間的中間件[11]。通常來說，其功能主要用于整合收集的數據、轉化數據格式、分析數據及執行反饋。感知層收集的數據發送至鏈下層進一步處理后上傳至區塊鏈網絡層。

鏈下層是感知層和區塊鏈網絡層之間的信息中轉站，其作用為接收和處理感知層的數據。有4個關鍵功能：數據驗證、數據存儲、數據廣播及捕獲和查詢接口。由感知層收集的數據發送至鏈下層進行預處理，例如驗證、清洗和加密，再使用密鑰將處理后的數據轉化為哈希數據，哈希數據和原始數據(由感知層收集的數據)廣播至區塊鏈網絡層。一旦全網通過共識算法達成一致，哈希數據即可存儲至區塊鏈網絡層中，原始數據則存儲至鏈下層中的云數據庫。

區塊鏈網絡層是該平臺的核心部分，包含共識協議、智能合約、分布式應用和密碼學等。共識協議是區塊鏈網絡層中的節點達成一致的算法。智能合約確保在沒有第三方監管情況下的交易執行。分布式應用是分布式互聯網應用程序，如果數據是私有和敏感的，可將數據加密存儲。密碼學被廣泛應用于區塊鏈網絡層，如保護私有數據、數字簽名等。

應用層由企業提供的一系列服務和軟件產品組成，例如計算機輔助設計(Computer Aided Design，CAD)、計算機輔助工程(Computer Aided Engineering，CAE)、計算機輔助工藝過程設計(Computer Aided Process Planning，CAPP)、計算機輔助制造(Computer Aided Manufacturing，CAM)、企業資源計劃(Enterprise Resource Planning，ERP)、客戶關系管理(Customer Relationship Management，CRM)、物料清單(Bill of Material，BOM)、制造執行系統(Manufacturing Execution System，MES)、供應鏈管理(Supply Chain Management，SCM)、物流管理系統(Logistics Management System，LMS)、數據管理系統(Data Management System，DMS)、決策支持系統(Decision Support System，DSS)等，這些服務和軟件產品根據不同功能應用于備件生命周期的不同階段。

服務層由即時追溯服務、障礙評估服務、主動維護服務和遠程監控服務組成，與備件生命周期中的3個時期直接相關。初期階段包括備件的生產制造及障礙評估。中期階段包括即時追溯服務和主動維護服務。即時追溯服務提供備件的生產制造和物流信息等。主動維護服務作為備件生命周期中最長的階段，涉及備件研究團隊、技術支持者和技術工程師。為提供積極主動的備件維護服務，使用區塊鏈記錄終端用戶的反饋數據。分析引擎和預測模型可用于3種備件維護類型，包括預防性維護、糾正性維護和預測性維護。在后期階段，遠程監控服務對備件情況進行實時監管。

基于區塊鏈的備件生命周期管理平臺架構如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈的備件生命周期管理平臺架構

1.2 平臺信息流

以統一建模語言(Unified Modeling Language，UML)序列對平臺信息流進行闡述，如圖2所示。

圖2 平臺信息流

利用IoT傳感器、射頻識別(Radio Frequency Identification，RFID)等技術將與備件制造數據、運輸數據和WTGS運行情況等相關的數據發送至邊緣網關。使用邊緣設備表示所有的數據源。邊緣網關作為云端和邊緣設備之間的連接點，是一種整合所有數據并上傳至云端的物理設備。這些邊緣設備與邊緣網關之間的連接協議通常基于無線的方法，如Wi-Fi、藍牙、ZigBee等。同時，邊緣網關可發揮存儲和預處理原始數據的作用。預處理后的數據傳輸至鏈下層，邊緣網關和云端之間的消息傳遞協議是超文本傳輸協議(Hyper Text Transfer Protocol，HTTP)或消息隊列遙測傳輸(Message Queuing Telemetry Transport，MQTT)等。云端數據可進一步處理和存儲。區塊鏈信息服務決定數據是上傳至區塊鏈網絡層還是云端數據庫。上傳至區塊鏈網絡層的數據根據一定的結構放至區塊，生成合法的區塊頭信息，生成的區塊根據提前定義的智能合約上傳至區塊鏈網絡層。通過節點驗證和公鑰生成新區塊。放至區塊鏈網絡層的數據需要通過共識算法進行驗證，一旦不合格，反饋將發送至區塊鏈信息服務和鏈下層。

2 關鍵服務

2.1 即時追溯服務

海上風電備件追溯及有效管理物流網絡非常重要。得益于區塊鏈數據的不可篡改性，備件的運輸和環境狀況可保存在一個安全、不可改變的去中心化數據庫中。

為追溯特定備件，可輸入相關備件信息，如批號、備件名稱等，通過檢索區塊鏈網絡層獲取所需要的信息。追溯的數據由IoT設備在備件生命周期中收集。基于區塊鏈的分布式數據庫的搜索結果包括備件名稱、生產者、地點、時間和質量信息，這些數據由相關者在備件生命周期中即時更新。結果作為智能合約輸入。一旦分析模型檢測到突發事件，輸出將直接發送至用戶，并同時反饋至生產者。

2.2 障礙評估服務

海上作業對交通工具及天氣條件的要求非常嚴格，海上運輸船的運輸時間大幅高于陸上。對這些影響運輸的障礙進行評估有助于管理者和決策者進行決策，實現區域內各海上風電備件模式和策略的統籌優化，有效降低制造成本。使用決策試驗和評價試驗法(Decision-Making Trial and Evaluation Laboratory，DEMATEL)闡述對這些障礙評估的詳細步驟。該方法最初用于研究和解決社會經濟問題，主要方式為通過專家群組的知識和經驗判斷構建復雜因素之間因果關系的可視化結構，得出各因素的中心度和原因度，通過構建的因果關系圖作出更好的決策[12]。在該方法中，專家的判斷是模糊的，因此采用模糊DEMATEL，通過三角模糊數處理初始直接影響矩陣以提高精確性。管理者和決策者確定相關障礙，如備件的運輸費用、天氣情況、運輸距離、缺乏專業知識和存在安全問題等障礙。管理者和決策者對因素之間的影響強度進行判斷，量化各障礙之間的相互關系。根據障礙之間的相互關系與障礙因子建立因果關系圖。該評估方法包含如下6個步驟：(1)調查研究參與者以構建對比矩陣；(2)建立模糊初始直接影響矩陣；(3)建立標準化直接關系矩陣；(4)建立綜合影響關系矩陣；(5)計算行的和與列的和；(6)建立因果關系圖。根據因果關系圖，管理者和決策者可找出面臨的最突出障礙，在短期內優先處理或規避這些障礙，從而為其決策提供有效的幫助。

2.3 主動維護服務

維護是WTGS生命周期中的重要階段。為實現對WTGS設備的維護、預防性試驗及設備的檢修工作，利用IoT傳感器、RFID等技術監控和采集來自IoT設備的數據，通過智能合約對WTGS的運行進行監護、操作和數據記錄分析。密碼學是區塊鏈中的重要組成部分，用于驗證數字簽名。共識協議用于生成鏈上數據，并保證區塊鏈網絡層數據的一致性。智能合約用于分析產品在使用過程中收集的數據，以提供更好的產品服務。一旦由IoT設備收集的數據寫入區塊鏈，就會調用智能合約中的函數。智能合約可自動監控維護過程，如機械監測診斷、維修警報、維修服務呼叫等。維護者可在機器故障前準備備件并準備維修，這樣有利于提高維護效率。備件狀態和維護記錄均存儲于區塊鏈，不僅幫助維護者了解WTGS的維修歷史記錄，而且便于管理者根據設備的實時情況作出決策，如更新或更換等。

2.4 遠程監控服務

海上風電設備位置特點為海域廣闊、位置分散、遠離大陸等，因此在很多情況下，設備數據信息獲取困難。遠程監控是獲取設備狀態的一種重要方式。為實現對WTGS備件的狀態進行及時監控，提出基于區塊鏈的遠程監控服務，為引導服務提供決策支持。需要對多種類型備件進行集中監視，主要包括分布式WTGS、燃機機組、分布式光伏、電池蓄能電站、大電網及其他分布式發電電源等。監視內容包括實時負荷等運行數據、輸電負荷和能力、裝機容量和可發電能力、影響關鍵指標數據、實時曲線、自定義報警等數據。監控數據通過區塊鏈邊緣網關進行相關轉化，上傳至區塊鏈網絡層。所有備件設備節點、所有組件狀態、各節點資源占用情況、各任務進程、任務完成時間、完成任務記錄、平臺故障報警日志等內容均可視化展示，以實現對海上WTGS的遠程監控。

3 結 語

海上WTGS設備所處環境惡劣，設備故障率高，維修備件難以得到有效管理。為實現開放、互聯和去中心化，提出基于區塊鏈的備件生命周期管理平臺，以實現備件產品信息、備件服務產品信息等備件數據在企業與用戶間的信息共享。提出的邊緣網關用于處理多源異構數據，可將原生數據轉化為符合要求的區塊鏈數據。智能合約保證交易的執行并實現備件生命周期中的預警服務，為管理者提供即時的決策支持。