基于聯盟鏈的綜采煤機“多機”協同設計方法研究

楊文明 楊元凱 黃瑩 張守輝 申超群

摘 要：針對綜采煤機“多機”存在的多設計節點難以同步、難以實時溝通而產生的設計效率低、易出錯等問題，通過離散設計參數知識元素，對產品的參數關系解構、融合區塊鏈技術理念，進而區塊化知識元素和鏈化知識關系。在對煤炭綜采最重要的裝備“四機”（即割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備）的關鍵數據分析基礎上，通過對設計邊界條件、場景特征和需求要素等的動態融合，創建原始數據共識。針對不同節點對設計數據既有特別要求又需要彼此統一的要求，通過建立數據共識和同步設計共識的原則與方法，解決設計元素數據塊的對應和匹配問題，建立聯盟鏈形式的同步協同設計模式，避免局部性、“孤島”式設計，保證設計的參數及時共享和結果一致性、產品正確性，確保設計準確，提高設計效率。

關鍵詞：綜采煤機;網狀節點結構;同步共識;設計聯盟鏈

中圖分類號：TP319 ? ? 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：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

美國通用電器公司的研究表明，設計決定著產品成敗的90%。裝備制造業環節眾多，參與主體復雜，數據信息量巨大。上游環節產業類別繁多，產品狀態參差不齊，供給時間周期不可控，信息不透明;中間環節工序復雜，契合調試技術要求高，存在誤差，效率低，生產及管理人為因素影響大;下游環節客觀環境因素復雜，主觀因素多變。整體上主要體現在生產、設計、管理、質量、物流、供應鏈、客戶關系等特征各異、數據復雜多樣、信息雜亂無序。在煤炭綜采裝備中，最典型的是采煤機、皮帶機、液壓支護裝備、刮板輸送機“四機”協調。而目前國內、國際上一般是由多家設備商分別供貨，“四機”參數均是設備定型后根據產能、報價、壽命等事后進行匹配，技術指標、需求參數和購買預算難以實現最佳組合。在“四機”設計過程中牽涉的設計參數特征各異，涉及設計學、材料學、力學、數學、熱力學等多學科，在分布式多級聯動設計中數據分散（離散）、信息孤島嚴重、難以協同、分布式存儲難以容錯，海量的設計參數要全部實現協同共享是十分困難的，也是沒有必要的。其設計技術路線是由一個中心確定設計目標和思路，然后對任務進行分解，由多個主體分別承擔部分設計任務，各自完成后把設計結果匯總、匹配，對出現問題的反饋到原設計單位，完成后再匯總、匹配，如仍有問題，再反饋、匯總……，如此反復、彼此確認，直至完成設計目標。煤炭綜采裝備設計具有“散、孤、眾”的數據信息特征，使得在傳統的產品設計中設計成本高、效率低、效果難以達到最優化。當前的協同設計只是用信息化手段代替了人工信息傳遞，其業務流程并未改變，仍是在一個中心前提下實施的，無法做到實時共享、動態協同，其本質上依然采用的是“總—分—總—分……總”的傳統設計模式[1-3]。

1 概述

區塊鏈是一種去中心化基礎架構與分布式寫入、對象透明的計算模式，具有信任、安全、可擴展、數據真實性、可追溯、共識機制、分布式存儲、安全多方計算、跨鏈協同、智能合約等特點。

相較于數據特征明顯、信息單一的領域，區塊鏈技術應用易于實現，并在不斷地深入發展。由于裝備制造產業領域數據特征復雜多變，產業鏈+區塊鏈融合變得困難，是阻礙兩鏈融合發展的關鍵性因素。因此，在不破壞和降低主體決策效率的前提下，使復雜多變的數據信息化繁為簡，是實現區塊鏈技術應用的研究方向。基于產業鏈中不同主體間的契合度，探索多主體聯動，共識數據發掘的方法成為兩鏈融合的突破口[4-6]。

區塊鏈技術的應用場景有完全去中心化的公有鏈、部分去中心化的私有鏈和有限去中心化的聯盟鏈，如圖1所示。

1.1 公有鏈

公有鏈即任何人都可以隨時參與到共識機制中進行數據讀取、發送可確認交易、交易記賬的區塊鏈組織架構。公有鏈適合數據特征明顯、信息傳輸單一的領域，如比特幣、以太坊等。

1.2 私有鏈

私有鏈是指根據作業需求，形成局部組織的區塊鏈。通常被認為是“部分去中心化”的，其讀取、驗證、共識機制等行為被特定限制，一般不對外公開。一般應用在企業內部和政府行業如審計、數據庫管理、行業數據統計、政府預算等。私有鏈更適合各個企業自己單獨建立，但容易出現“信息孤島”。

1.3 聯盟鏈

聯盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，是指由多個主體和組織機構參與，根據授權形成共識過程和智能合約，并受預選節點控制的區塊鏈。其通常被認為是“有限去中心化”的，可以是由多個私鏈組成集群，多個主體或組織機構共同參與，每個主體或組織機構分別管理一個或多個節點，只允許系統內的組織或機構對數據進行讀寫和發送。聯盟鏈具有部分去中心化、可融性強、數據默認公開、交易速度快、成本低、效率高的特點，更適用于不同實體間的協同、結算等B2B交易。相較于數據特征明顯、信息單一的領域，聯盟鏈技術應用易于實現，并具有區塊鏈技術的開放優勢[7-8]。

本文通過對煤炭綜采最重要的裝備——“四機”（即割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備）的關鍵數據分析，研究各個設備的數據關聯關系，形成數據共識統一，建立聯盟鏈形式的同步協同設計模式，避免局部性、“孤島”式設計，保證設計的參數及時共享和結果一致性、產品正確性，以確保各個設計節點（設計者）的設計結果無須往返驗證。

2 “四機”群組協同設計數據倉庫和區塊的建立

2.1 設計任務書分級分解設計任務

在接到客戶需求任務后，根據各主機以及各產品的設計特點，結合客戶對技術及商務的要求，對分布式的生產、設計部門（或單元）提出設計要求，分配割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備的設計任務，形成分布式設計網絡聯盟。

2.2 基于“四機”設計參數的數據分析

將“四機”的設計參數分類為核心參數、關鍵參數、相關參數、邊緣參數。

設核心參數（如產能、壽命等核心設計指標）為Ⅰ類參數C，其數簇為（C1，C2，C3，…，Cn）;直接影響C1的設計數簇為（C11，C12，C13，…，C1n），直接影響C2的數簇為（C21，C22，C23，…，C2n），……;下一階為（C111，C112，C113，…，C11n）（C121，C122，C123，…，C12n）……分析數據簇直到采購（原材料、標準件）級。設關鍵參數（如影響制造工藝的參數）為參數k，相關參數為參數為r，邊緣參數為參數e，分別分解進入賬本（見圖2）。

3 構建智能綜采裝備一體化同步協同設計智能合約

3.1 數據實時共識的方法與實現

“四機”設計的各分布式設計節點（設計者）利用區塊鏈構建基于網絡協同的去中心化設計的動態數據賬本，需要解決的問題是如何實現不同設計節點上的參數賬本數據的一致性并確保其正確性。這就需要建立分布式設計節點（區塊）中實現狀態共識的算法，確定設計數據的共識，保障參數數據賬本在系統中形成正確、一致的共識。

3.2 數據共識的實現

設定參與設計“四機”的各個設計節點為G1，G2，…，Gn，P1，P2，…，Pn，Z1，Z2，…，Zn，…，形成網狀設計節點布局。基于網狀結構節點布局，在設計進程中，每個節點在接受其他節點的數據賬本后，挖掘數據與自身設計的關聯規則，應用系統插件自動迭代，保留較強關聯性數據，放棄無關聯及模糊關聯數據，形成關聯數據區塊（見圖3）。

4 聯盟鏈智能合約的形成

①每個設計節點在接收到其他節點的數據賬本后，即進行數據的自動識別，一方面根據自身數據要求選擇性應答其他節點呼應信息;另一方面添加新的提案數據，形成新的數據集合。

②各節點之間的回應時間及應答間隔時間約定。由系統插件程序中設置，根據設計需求和條件，所有設計節點按約定規則的模式建立相應的回應模式，接受的數據集為所有節點發送的數據按照互動比值關聯度計算進入的整合后數據。

③各節點的呼應對象根據數據關聯互動比值率及呼應模式，進行一對多、多對一和多對多的同步呼應。

形成“四機”設計聯盟鏈后的設計體系（見圖4），參與每個產品設計的各個節點（設計者）均在設計時互動有效設計信息，在設計過程中就能有效解決設計參數的一致性問題，確保各個設備的參數完全匹配，并保證最合理的設計效率。

5 結論

本文通過對煤炭綜采最重要的裝備“四機”（即割煤機、輸送機、刮板運輸機、支護設備）的關鍵數據分析，對網狀節點設計體系需要的設計數據的解構、重塑、泛化和強化，創建原始數據共識。針對不同節點對設計數據既有特別要求又需要彼此統一的要求，通過建立數據共識和同步設計共識的原則與方法，解決設計元素數據塊的對應和匹配問題，建立聯盟鏈形式的同步協同設計模式，避免局部性、“孤島”式設計，保證設計的參數及時共享和結果一致性、產品正確性，為網絡化節點設計模式、保證設計數據準確應用提供了系統的解決方法。

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