基于橢圓曲線密碼器的工件托盤(pán)儲(chǔ)存系統(tǒng)

魯觀娜 楊東升 袁瑞銘 呂言國(guó) 劉 影 田海亭 鐘 侃

(國(guó)網(wǎng)冀北電力公司電力科學(xué)研究院， 北京 102208)

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基于橢圓曲線密碼器的工件托盤(pán)儲(chǔ)存系統(tǒng)

魯觀娜 楊東升 袁瑞銘 呂言國(guó) 劉 影 田海亭 鐘 侃

(國(guó)網(wǎng)冀北電力公司電力科學(xué)研究院， 北京 102208)

傳統(tǒng)的電力行業(yè)采集終端檢測(cè)裝置嚴(yán)重依賴人工上表和掛表，存在工作效率低下、人力成本過(guò)高、系統(tǒng)管理不便等問(wèn)題。基于這一現(xiàn)狀，結(jié)合橢圓曲線密碼器，提出一種全新的智能全自動(dòng)采集終端檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)應(yīng)用采集終端檢測(cè)自動(dòng)化作業(yè)的并行處理技術(shù)，成功地解決了效率低下等諸多問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了在整體系統(tǒng)中執(zhí)行多項(xiàng)目的流水線作業(yè)的目的。該系統(tǒng)可在電力行業(yè)大力推廣。

電力行業(yè) 采集終端 自動(dòng)檢測(cè) 智能系統(tǒng) 并行處理橢圓器 曲線密碼器 有限域乘法器 流水線作業(yè)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的電力行業(yè)終端檢測(cè)裝置逐漸暴露出諸多問(wèn)題，如采集效率低下、人員數(shù)量過(guò)多和管理過(guò)程不便等[1-3]。此外，這些檢測(cè)系統(tǒng)還存在信息傳輸安全性、準(zhǔn)確性和快速性等問(wèn)題[2-5]。如果以上問(wèn)題一直得不到妥善處理，電力行業(yè)的發(fā)展將會(huì)大大滯后，由此也帶來(lái)諸如電力傳輸成本居高不下等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，對(duì)我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生極大的不利影響。另一方面，以全自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)為代表的新技術(shù)的大力發(fā)展，給電力行業(yè)的終端檢測(cè)裝置帶來(lái)了發(fā)展的契機(jī)[3-7]。新的科學(xué)技術(shù)，將大大降低由傳統(tǒng)檢測(cè)裝置帶來(lái)的不利影響，對(duì)減少人員成本、提高檢測(cè)精度和管理效率、增加電力行業(yè)的科技含量等有極大的幫助。設(shè)計(jì)有效的全自動(dòng)檢測(cè)裝置也因此顯得特別重要。

本文提出了一種全新的自動(dòng)化終端檢測(cè)線裝置。該裝置具備檢測(cè)自動(dòng)化、信息傳輸安全化和操作流水線自動(dòng)化等功能。該系統(tǒng)將采用橢圓曲線密碼器進(jìn)行信號(hào)的加密和操作檢測(cè)。此外，該系統(tǒng)也實(shí)現(xiàn)了對(duì)三種不同類型用電數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備進(jìn)行跟蹤檢測(cè)的平行處理自動(dòng)化，即可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)這三種設(shè)備的檢測(cè)處理，提高了生產(chǎn)效率。

1 橢圓曲線密碼器的原理

1.1 橢圓曲線密碼器

橢圓曲線密碼器是一種應(yīng)用前景廣闊的公匙密碼系統(tǒng)[4-10]。在目前的常規(guī)密碼系統(tǒng)中，橢圓曲線密碼器由于實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜度相對(duì)比較小，因而具有廣泛的應(yīng)用潛力。本文所設(shè)計(jì)的檢測(cè)器也將在此基礎(chǔ)上建立。

橢圓曲線系統(tǒng)中最底層的運(yùn)算就是基于有限域GF(2m)乘法器。有限域GF(2m)除法器是在乘法器的基礎(chǔ)上進(jìn)行推導(dǎo)而得。首先通過(guò)對(duì)加密系統(tǒng)最底層的有限域GF(2m)乘法器進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到低復(fù)雜度實(shí)現(xiàn)；接著在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)的有限域GF(2m)除法器；然后結(jié)合優(yōu)化的加密系統(tǒng)算法，推出優(yōu)化的加密系統(tǒng)結(jié)構(gòu)；最后在測(cè)試平臺(tái)上驗(yàn)證通過(guò)。橢圓曲線密碼器設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 橢圓曲線密碼器設(shè)計(jì)流程圖

1.2 在GF(2m)有限域上實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)式的乘法器

在GF(2m)有限域上實(shí)現(xiàn)三項(xiàng)式的乘法器是橢圓曲線密碼器的主要組成部分。它的實(shí)現(xiàn)過(guò)程主要如下：

C=ABmod f(x)

(1)

式中：C為輸出；A、B為輸入屬于GF(2m)有限域。

A=Am-1xm-1+…+a1x+a0

(2)

B=bm-1xm-1+…+b1x+b0

(3)

C=cm-1xm-1+…+c1x+c0

(4)

則:

(5)

定義:

Aj=[Axjmod f(x)]

(6)

(7)

則：

(8)

因?yàn)椋?/p>

xm=fm-1xm-1+…+f1x+1

(9)

(10)

(11)

(12)

則對(duì)于三項(xiàng)式，可以有:

(13)

基于上述過(guò)程，可以得到圖2所示的三項(xiàng)式乘法器設(shè)計(jì)流程圖。

圖2 三項(xiàng)式乘法器設(shè)計(jì)流程圖

1.3 在GF(2m)有限域上實(shí)現(xiàn)橢圓曲線密碼器

基于三項(xiàng)式的乘法器，設(shè)計(jì)的橢圓曲線密碼器結(jié)構(gòu)如圖3所示。它包括乘法器、加法器和平方器，當(dāng)然還包括一個(gè)控制器和選擇器以及存儲(chǔ)單元。控制器負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的控制和協(xié)調(diào)，而存儲(chǔ)單元負(fù)責(zé)系統(tǒng)的參數(shù)存儲(chǔ)和調(diào)取。

圖3 橢圓曲線密碼器結(jié)構(gòu)圖

1.4 基于橢圓曲線密碼器的檢測(cè)系統(tǒng)

基于橢圓曲線密碼器的檢測(cè)系統(tǒng)如圖4所示。系統(tǒng)控制單元給出調(diào)試的信號(hào)，被密碼器接收到，然后托盤(pán)系統(tǒng)把檢測(cè)到的信號(hào)反饋給密碼器，密碼器最終把檢測(cè)得到的信號(hào)發(fā)給控制單元。

圖4 基于橢圓曲線密碼器的檢測(cè)系統(tǒng)

2 系統(tǒng)功能模塊及主要技術(shù)指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)功能模塊

系統(tǒng)的主要功能模塊包括：倉(cāng)儲(chǔ)接駁模塊、上下料模塊、自動(dòng)耐壓和拆接線模塊、功耗檢測(cè)和外觀檢測(cè)模塊等。

①倉(cāng)儲(chǔ)接駁模塊。該模塊主要根據(jù)控制系統(tǒng)給出的指令，然后再通過(guò)一系列的運(yùn)行操作，把那些需要檢查的貨物移出倉(cāng)庫(kù)。

②上下料模塊。該模塊將實(shí)現(xiàn)大部分工作的全自動(dòng)操作，主要由帶有自動(dòng)識(shí)別裝置對(duì)待檢測(cè)的貨物進(jìn)行識(shí)別。

③自動(dòng)耐壓和接拆線模塊。該模塊所實(shí)現(xiàn)的功能主要包括實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物進(jìn)行校對(duì)定位。該模塊包括了大量的精密儀器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的測(cè)試。

④功耗檢測(cè)和外觀檢測(cè)模塊。該模塊的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)貨物的精密檢測(cè)，包括功耗和外觀方面的精細(xì)檢測(cè)。其主要目的是防止貨物出現(xiàn)各類不合格品和外觀上的紕漏。

2.2 主要技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)如下。

①輥道總輸送面高度：1 000 mm。

②倉(cāng)儲(chǔ)接駁模塊總輸送速度：8 m/min。

③系統(tǒng)總輸送模塊輸送速度：8～16 m/min。

④托盤(pán)總存儲(chǔ)層數(shù)：6層。

⑤總功率≤60 kW。

⑥總供氣流量<1.5 m3/min。

⑦總供氣壓力≥0.5 MPa。

3 托盤(pán)及其存儲(chǔ)系統(tǒng)

傳統(tǒng)的檢測(cè)系統(tǒng)在對(duì)三種不同類型的終端進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要采用三種不同的檢測(cè)工具。為了提高檢測(cè)系統(tǒng)的使用效率，本文采用垂直檢測(cè)的方法，從而使得檢測(cè)達(dá)到了可以同時(shí)對(duì)三種不同類型的終端進(jìn)行檢測(cè)的效果。

3.1 托盤(pán)兼容性的創(chuàng)新性設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種兼容性很強(qiáng)的托盤(pán)，該托盤(pán)的設(shè)計(jì)有別于傳統(tǒng)的托盤(pán)，即具有很強(qiáng)的兼容性。此外，在外形和尺寸等方面都進(jìn)行了兼容性設(shè)計(jì)。

檢測(cè)系統(tǒng)的兩側(cè)都已經(jīng)安裝了兼容性極強(qiáng)的設(shè)備，這些設(shè)備將使得所設(shè)計(jì)的檢測(cè)系統(tǒng)極具兼容性。另外，這些設(shè)備的安裝也使得該檢測(cè)系統(tǒng)可以兼容許多產(chǎn)品。由于設(shè)計(jì)采用了先進(jìn)的通用對(duì)接，這些對(duì)接裝置使得多個(gè)托盤(pán)和檢測(cè)線可以一起運(yùn)行。這些運(yùn)行的檢測(cè)線就使得三種不同種類的貨物得以同時(shí)被檢測(cè)到。這些檢測(cè)所得的貨物就具有比較強(qiáng)的兼容性。

整個(gè)系統(tǒng)的總統(tǒng)設(shè)計(jì)包含了許多優(yōu)點(diǎn)，比如：需要的資源減少；資源所需用的面積大幅下降；維護(hù)更加便利。

3.2 托盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)

通常情況下，托盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)的利用率不高。本文設(shè)計(jì)的托盤(pán)存儲(chǔ)系統(tǒng)采用了高位處理的方法，因此大幅提高了存儲(chǔ)空間的利用率。

3.2.1 整體流程

存儲(chǔ)系統(tǒng)整體流程如圖5所示。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了對(duì)三種不同物品的檢測(cè)效果，也大大提高了生產(chǎn)效率。

圖5 存儲(chǔ)系統(tǒng)整體流程圖

3.2.2 技術(shù)特征

該設(shè)計(jì)最大的技術(shù)特點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同物品檢測(cè)效果的最大化。由于采用了先進(jìn)的強(qiáng)兼容性裝備，這些設(shè)備的利用率得以大大提高。該設(shè)計(jì)的主要技術(shù)參數(shù)如下：存儲(chǔ)托盤(pán)的最大容量為60塊每層，每一層的緩存層數(shù)是6，運(yùn)送速度是10 m/min。

4 整體工作流程

本系統(tǒng)的工作流程如下。

①系統(tǒng)接到命令，通過(guò)儀器把物品運(yùn)送到專門(mén)的區(qū)域進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。

②對(duì)運(yùn)送到的物品進(jìn)行檢測(cè)。這些檢測(cè)包括外觀和功耗檢測(cè)。檢測(cè)重點(diǎn)是確認(rèn)這些物品都可以在一定的范圍和次序內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，并得到最終結(jié)果。

③系統(tǒng)對(duì)已經(jīng)運(yùn)送到達(dá)的物品系統(tǒng)進(jìn)行緩存處理，進(jìn)而進(jìn)行精準(zhǔn)定位和精確檢測(cè)，同時(shí)確定處于閑置狀態(tài)的物品。

④對(duì)已經(jīng)檢測(cè)好的物品，系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)送操作。

⑤自動(dòng)定位裝置對(duì)已經(jīng)進(jìn)行過(guò)檢測(cè)的物品進(jìn)行精確定位。

⑥設(shè)備把終端和托盤(pán)送到自動(dòng)檢測(cè)模塊。這些模塊將在自動(dòng)化作業(yè)的程度下進(jìn)行。

⑦對(duì)系統(tǒng)的自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別服務(wù)。

⑧實(shí)現(xiàn)對(duì)所有產(chǎn)品的檢測(cè)。

5 系統(tǒng)的應(yīng)用

本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有設(shè)備的綜合檢測(cè)。該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)可被廣泛地使用在各類電網(wǎng)系統(tǒng)中。

本系統(tǒng)的年工作設(shè)計(jì)期限為250天，日運(yùn)作設(shè)計(jì)期限為7 h。整個(gè)檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)規(guī)模如下：本期的建設(shè)規(guī)模是自動(dòng)檢測(cè)120只表，后期的建設(shè)規(guī)模將可以同時(shí)檢測(cè)240只表。

6 檢測(cè)系統(tǒng)的效益

6.1 經(jīng)濟(jì)效益

初步估計(jì)，本檢測(cè)系統(tǒng)在正式運(yùn)作以后，每年將可以對(duì)數(shù)萬(wàn)只用電設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。該系統(tǒng)采用自動(dòng)化流水線作業(yè)，將大大減少成本開(kāi)支。

6.2 社會(huì)效益

①整個(gè)流程都是由機(jī)器完成的，錯(cuò)誤幾率大大減少，極大地提高了整個(gè)系統(tǒng)管理的精確性。

②勞動(dòng)生產(chǎn)率大大改進(jìn)，人工成本費(fèi)用大大減低。

③本系統(tǒng)提高了服務(wù)水平，使用戶滿意度提高。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種全新的基于橢圓曲線密碼器的采集終端檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)兼具自動(dòng)檢測(cè)效能和安全性能，并且從系統(tǒng)的底層部分進(jìn)行開(kāi)發(fā)。在成功設(shè)計(jì)了底層的有限域乘法器后，進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，從而成功實(shí)現(xiàn)了多個(gè)物品的檢測(cè)，而且該系統(tǒng)的效率也大大提高。由于該系統(tǒng)的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著，值得大力推廣到各個(gè)行業(yè)。

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Workpiece Pallet Storage System Based on ECC Device

The traditional collection terminal detection devices in power industry mainly rely on manual laboring, exist the problems of very low detection efficiency, too high labor costs,and inconvenient system management.For this situation, a novel smart automatic collection terminal detection system is proposed based on advanced elliptic curve cryptography(ECC) devices.The system applies the parallel processing technology for automation tasks of collection terminal detection; it resolves various problems causing low efficiency and achieves operation of assembly line for multiple projects in whole system.The system can be extended in power grid industry.

Power industry Collection terminal Automatic detection Intelligent system Parallel processing elliptical device Curve cryptographic device Finite field multiplier Assembly line operaton

魯觀娜(1981—)，女，2010年畢業(yè)于華北電力大學(xué)電力自動(dòng)化專業(yè)，獲碩士學(xué)位，高級(jí)工程師；主要從事電能計(jì)量、自動(dòng)化檢測(cè)方向的研究。

TH7;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201611011

修改稿收到日期： 2016-05-11。