特種設備信息加密系統設計

張展彬，陽曉薇

(1.四川省特種設備檢驗研究院 信息中心，成都 610051；2.四川省特種設備檢驗研究院 辦公室，成都 610051)

特種設備信息加密系統設計

張展彬1，陽曉薇2

(1.四川省特種設備檢驗研究院 信息中心，成都 610051；2.四川省特種設備檢驗研究院 辦公室，成都 610051)

對特種設備信息的加密系統進行設計，目前存在信息加密不徹底和采集的可靠性較低等問題；為此，提出特種設備加密系統設計方法，通過信息接口模塊完成特種設備中信息的輸入和輸出，信息流程編輯模塊負責開發設備中信息加密流程的組件，完成對特種設備中任務流程的檢驗，信息流程調度模塊對信息流程任務進行調度管理;系統軟件設計部分采用數據加密改進方法使信息源節點將要傳輸的多份信息數據分解成互不相關的信息數據，完成特種設備信息加密系統的設計;實驗結果表明，所設計系統信息加密效果好、信息的完備性較高。

特種設備；信息加密；系統設計

0 引言

特種設備由于自身具有一定危險性的特點，所以當特種設備發生故障時會對人身安全造成很大的危害，并對社會造成非常嚴重的影響[1-2]。當特種設備發生故障時，面對異常的信息和重大的負擔，特種設備的管理員很難憑借知識、經驗和直覺在短時間內判斷出特種設備的故障點并采取有效的措施，減少因特種設備發生故障而產生的傷害和損失[3]。特種設備的安全問題受到媒體和社會各界的廣泛關注[4]。因此，做好特種設備的信息加密工作，通過加強特種設備的信息加密提高特種設備預防事故發生的能力和處理能力[5]。目前我國有很多生產特種設備的廠家，但我國特種設備的信息加密技術較國外發達國家相比還存在較大的差距[6]。隨著特種設備中信息數據的不斷積累，當前方法已經滿足不了特種設備的信息數據處理要求，存在信息加密效率低、信息收集速度和信息檢索速度慢、信息加密不徹底等問題[7]。為解決上述存在問題，提出一種特種設備信息加密系統設計方法。

1 特種設備信息加密系統整體設計原理

特種設備信息加密系統由信息接口模塊、信息流程編輯模塊、信息流程調度模塊、執行引擎模塊和信息流程執行模塊構成。具體系統設計參數如表1所示。

表1 特種設備信息加密系統參數

特種設備信息加密系統的整體設計如圖1所示。

圖1 特種設備信息加密系統整體設計圖

特種設備信息加密系統首先要通過信息接口模塊接收特種設備中的信息數據，將信息數據保存到物聯網的信息中心。用戶通過信息流程編輯模塊進行信息加密的流程編輯，生成一個流程規則信息，執行引擎模塊根據規則信息對信息數據處理流程進行分解，將其分為可執行的信息加密流程信息，用信息流程調度模塊的調度規則對信息流程信息進行制定，最后由信息執行模塊將信息傳送到物聯網的信息中心。

1.1 特種設備信息加密系統信息接口模塊設計

在特種設備中搭建一個信息接口RC、A/D-D/A轉換電路圖，在特種設備接口電路的A/D轉換器輸入端輸入信息幅值為2.4 V、周期為15 ms、特種設備接口電路中的直流偏移量為2.5 V的正弦信號。經過特種設備接口的A/D轉換器將信號轉換后，將完成轉換的14位數字信號傳送到D/A轉換器中作為輸入信號輸入，特種設備接口電路中的信息完成D/A轉換后輸出與之對應的模擬信號，最后通過特種設備接口電路中的RC信號濾波器輸出信號。特種設備信息加密系統的信息接口電路設計如圖2所示。

圖2 信息加密系統接口電路設計圖

1.2 特種設備信息加密系統流程編輯模塊設計

特種設備信息加密系統在物聯網的信息中心呈現給客戶的一般是通用的信息加密節點組件，需要完成特種設備信息加密系統中信息開始和結束節點組件、增加信息常量組件、去重復信息組件、信息行排列組件和信息字符串處理組件等節點組件。規則信息上傳組件需完成遠程信息上傳功能和用戶登錄功能，用戶通過遠程登錄到物聯網的信息中心，通過信息上傳功能將規則信息上傳。特種設備信息加密系統信息流程編輯模塊設計如圖3所示。

圖3 特種設備信息加密系統流程編輯模塊

1.3 特種設備信息加密系統流程調度模塊設計

在特種設備信息加密系統中，由特種設備的管理平臺子系統對信息流程任務進行調度管理。信息流程調度模塊的主要任務是實現對信息的調度執行，根據信息加密流程設置信息加密流程的調度規則，信息的調度規則是對信息加密流程執行的時間控制。根據特種設備信息加密系統的要求，信息加密流程調度模塊包括添加信息調度規則、刪除信息調度規則、重置信息所有規則和更新信息調度規則。特種設備信息加密系統的信息流程調度模塊設計如圖4所示。

圖4 流程調度模塊設計圖

1.4 特種設備信息加密系統流程執行模塊設計

特種設備信息加密系統中流程執行模塊的主要任務是信息數據處理組件的并行化實現。流程執行模塊的每個信息加密組件就是信息流程任務的一個節點，在編輯信息流程任務時每次運行一個節點，節點開始運行時需要輸入信息，而且節點結束運行時會得到一個輸出信息，所以每個節點的輸入信息都是上一個節點的輸出信息，直至產生最后的信息。在信息流程處理中會產生很多臨時信息，在信息流程結束之后，這些臨時信息將由執行引擎處理掉。特種設備信息加密系統的流程執行模塊設計如圖5所示。

圖5 特種設備信息加密系統執行模塊設計圖

1.5 特種設備信息加密系統執行引擎模塊設計

執行引擎是特種設備信息加密系統中的核心。特種設備信息加密系統中的執行引擎模塊包括兩個步驟，首先完成信息數據處理節點的并行化組件，并行化組件包括信息開始組件、信息結束組件、增加信息常量組件、去重復行組件、信息字符串組件和信息行排列組件。然后從物聯網的信息平臺中獲取規則信息，并對相應的規則信息進行分解，分解成有順序的信息數據處理組件節點，實現對信息數據處理組件的加載。第二步是控制信息流程任務，實現信息流程任務中信息的開始、停止、臨時清理等，并將信息流程的狀態傳送到特種設備的數據庫，用戶可以在特種設備的管理平臺進行查詢。特種設備信息加密系統的執行引擎模塊設計如圖6所示。

圖6 特種設備信息加密系統執行引擎模塊設計圖

2 特種設備信息加密系統軟件設計

在特種設備信息加密系統中，適用于數據加密傳輸方法基本思想是信息源節點將要傳輸的多份信息數據分解成互不相關的信息數據，具體過程如下：

將信息源節點S分解為k份信息數據，分別記為x1,x2,…,xk，將分解后的信息數據發送到目標節點D。發送前，信息源節點S會產生n個k維向量，其中每個信息向量都含有k個分量，記為v1,v2,…,vn，加密信息計算公式為：

vi=(vi1,vi2,…,vik),i=1,2,…,n

(1)

加密信息編碼向量組成的編碼矩陣為：

(2)

將特種設備信息加密系統中產生的n個信息向量和k份數據代入公式(2)中進行編碼運算，結果得到n份信息編碼數據，記為y1,y2,…,yn，計算公式如下：

yi=vi(x1x2…xk)T,i=1,2,…,n

(3)

信息源節點S將完成編碼的每個數據yj(j=1,2,…,n)與其對應的編碼信息向量進行打包，得到n個信息編碼數據包，記為pj(j=1,2,…,n)，將n個信息編碼數據包傳送到目標節點D。目標節點D接收到足夠多的信息編碼數據包后，在滿足信息編碼向量為線性無關時，此時可以得到原始的信息數據x1,x2,…xk，計算公式如下：

(4)

數據加密可以方便信息加密系統的信息儲存、計算、編碼和解碼，數據加密是特種設備信息加密系統運行的基礎。

3 實驗方法及步驟

1)采用基準測試方法對特種設備信息加密系統中的普通數據和催化數據進行數據加密執行時間測試，得到兩種數據的數據加密時間對比結果。

2)采取普通信息和混合了噪聲的信息進行特種設備的信息加密測試，對比信息加密系統對兩種信息加密的結果。

3)采用本文方法與文獻[8]方法和文獻[9]方法進行特種設備的信息加密實驗，將三種不同的方法進行特種設備信息加密中信息完備性(%)對比。

在Matlab/Simulink開發環境下進行數據處理時，對信息加密系統進行配置優化，每個信息節點的內核數為10，內存為18 G，設置每個信息節點的內核數和信息節點的內存為硬件環境的最大值。采用基準測試方法對信息加密系統進行數據處理時不同數據加密的執行時間進行測試。基準測試指的是通過科學的測試方法、系統和工具，對測試對象的某個性能指標進行可對比的和定量的測試。分別對特種設備信息加密系統中的普通數據和催化數據進行測試，測試結果如表2、表3所示。

表2 普通數據進行數據加密所用時間

表3 催化數據進行數據加密所用時間

分析表2表3可知，進行數據加密的執行時間測試時，普通數據和催化數據的文件大小依次為15 G、20 G、25 G、30 G、35 G、40 G、45 G、50 G、55 G、60 G，但兩種數據的耗時并不相同，普通數據在進行數據加密時的執行時間平均為1.207 min，而催化數據在進行數據加密時的執行時間平均為1.798 min，在進行數據加密時催化數據所用的時間要多于普通數據所用的時間。普通數據和催化數據的實驗對比如圖7所示。

圖7 不同數據的實驗結果對比圖

分析圖7可知，無論是普通數據還是催化數據，當數據規模從15 G到60 G以5 G的差值線性增長時，數據加密所用的時間保持穩定，變化并不明顯。因為催化數據的數據加密方法和普通數據的數據加密方法不同，催化數據的數據加密方法相對復雜，所以數據加密所用的時間比普通數據長。

為了證明特種設備信息加密系統中的信息加密技術能夠對信息進行有效的處理。分別采取普通信息和混合了噪聲的信息進行特種設備的信息加密測試，測試結果如圖8所示。

圖8 信息加密結果顯示對比圖

在圖8中，圖(a)為特種設備信息加密系統中普通信息的信息加密圖，圖(b)為未進行信息加密的噪聲信息，圖(c)為采用本文方法處理完成的噪聲信息加密圖，分析圖(a)(b)(c)可知，采用本文方法對含有噪聲的信息進行信息加密，處理結果能最大程度的恢復到原始信息，表明本文方法的信息加密效果較好。

分別采用本文方法與文獻[8]方法、文獻[9]方法進行特種設備的信息加密實驗，將3種不同的方法進行特種設備信息加密中信息的完備性(%)對比。對比結果如圖9所示。

圖9 3種不同方法的加密后信息完備性對比

從圖9中可以看出，利用本文方法的信息加密系統要優于文獻[8]方法和文獻[9]方法，本文方法在進行特種設備的信息加密后信息完備性更高。文獻[8]方法采用TMS320C6455 DSP的千兆以特種設備數據的高速串行接口和傳送接口收集信息數據，該方法的特種設備信息加密系統所用的時間較長，無法在一定時間內收取到相應的信息量。文獻[9]方法采用了4路數模轉化并行的特種設備數據采集和特種設備處理方法，通過特種設備的串行外設接口將處理完的信息數據傳送到特種設備的主機上，該方法存在信息加密不徹底，不能保證信息的完備性。本文方法在信息數據加密時信息源節點將要傳輸的多份信息數據分解成互不相關的信息數據，再將分解后的信息數據傳送到各自的目標節點，保障了特種設備信息加密系統的信息完備性。

4 結論

傳統特種設備信息的加密系統存在加密不徹底和可靠性較低等問題。提出特種設備加密系統設計方法，實驗結果表明，所提方法設計的系統信息加密效果好、信息的完備性較高。

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Design of Slitter Automatic Control System Based on PLC Technology

Zhang Zhanbin1,Yang Xiaowei2

(1.Information Center,Sichuan Special Equipment Inspection Institute,Chengdu 610051,China;2.Office,Sichuan Special Equipment Inspection Institute,Chengdu 610051，China)

The encryption system of special equipment information is designed. At present, there are some problems such as incomplete information encryption and low reliability of collection. To this end, the special equipment encryption system design method, complete information of special equipment in the input and output of information through the interface module, assembly process information encryption process information editing module is responsible for the development of equipment, complete inspection of special equipment in the process of task scheduling module, information flow scheduling and management of information flow tasks. The part of system software design adopts the improved method of data transmission, so that the information of the information source node will be decomposed into the irrelevant information data, and the design of the special equipment information encryption system will be finished. Experimental results show that the designed system has less information transmission, good information encryption effect and high completeness of information.

special equipment; information encryption;system design

2017-09-23；

2017-10-19。

張展彬(1982-)，男，四川綿陽人，工程師，主要從事特種設備信息化、電梯檢驗檢測等工作。

1671-4598(2017)12-0267-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.069

TP315

A