基于云制造概念的车用电池系统的研究.pdf

2023年8月机电技术机电技术基于云制造概念的车用电池系统的研究基于云制造概念的车用电池系统的研究*任 鹏1肖 楠2王 琳2（1.沈阳工程学院 研究生部，辽宁 沈阳 110136；2.沈阳工程学院 机械学院，辽宁 沈阳 110136）摘要为了顺应新能源汽车的发展，给用户提供一个安全、公开透明的交易服务，结合泛在物联网、云制造、大数据以及区块链技术的一些特征，提出一个基于区块链技术成立的云制造平台，利用云制造概念设计车用电池，可以在平台中跟踪电动车电池情况，收集车用电池的数据，便于车用电池的回收，解决了厂家的安全性问题，使用户追溯电池数据更加方便。关键词云制造；区块链；车用电池回收中图分类号：TP311.13；U469.72文献标识码：A文章编号：1672-4801（2023）04-074-05DOI：10.19508/ki.1672-4801.2023.04.022*国家自然科学基金资助项目（62001312）；辽宁省科学技术计划项目（20180550827）作者简介：任鹏（1998），男，硕士研究生，主要研究方向为动力机械。通讯作者：肖楠（1980），男，副教授，博士，主要研究方向为动力机械。当下，随着电子信息技术不断发展，传统的数据处理和储存方式已经满足不了日渐广泛的数据传播范围和数据量的激增，“泛在”一词步入人们视野，电子通讯信息数据处理量和数据类型呈几何级增长，数据处理的安全性、高效性、快速性、准确性是必要前提。全球人口逐年增长，环境却不断恶化，能源的消耗也不断增加，资源面临着枯竭，节能减排已是国家长期发展和坚定不移的目标。党的二十大报告提出，“积极稳妥推进碳达峰碳中和”，解决汽车工业发展的能耗问题，大力发展新能源电动汽车、使用清洁能源代替化石能源1，2，已经成为电动汽车行业发展的航标。基于以上背景，本文提出了一种基于云制造概念的车用电池设计方法，可以根据大数据下的云制造平台所提交的数据，基于区块链技术的一些特征，利用其去中心化、透明性、可追溯性、共同维护等特点，实时储存和保护数据的安全，通过数据节点相互传递信息，利用区块链技术独有的安全密钥，进行厂家与用户一对一的设计，制造出独有的车用电池系统。通过云制造平台提供的信息共享平台，实现信息的共享交互功能，厂家可以查找生产出的电池信息，并能够追踪到具体汽车，对电池进行高效、精准回收利用，用户也可以通过申请，查询到自己所使用的车用电池的具体情况。通过以上平台系统，可以有效提高厂家对车用电池数据处理的实时性、安全性、可靠性、高效性，使车主对电池的来源、追溯渠道更加了解，增加了厂家与车主之间的联系，避免了电池数据的不完整和数据的泄露，保障了电池的资源共享效率。1相关理论与技术1.1泛在物联网泛在物联网，顾名思义是指广泛存在的、基于电气领域、能源领域等多领域和多种传感器技术紧密联系构成的物联网，应用于信息处理、信息交互、信息传输、信息储存等各个环节，具有数字化、信息化的理论基础。目前，泛在物联网在起步阶段，2019年，“泛在电力物联网”由国家电网初步提出，其应用技术也在不断发展，对于数据的安全储存和容量、数据技术处理和传播技术、数据真伪和防篡改技术等有了更加严格的要求。将泛在物联网应用于云制造平台系统，对车用电池系统的数据进行采集、处理、储存、溯源等操作，能够提高数据处理的效率，保障数据不被泄露，提高商家与用户间的信息交流量，有效解决了数据量激增和数据安全的问题。1.2云制造理论云制造是数字化、网络化、智能化的制造模式，是先进的信息技术、制造技术以及新兴物联网技术等交叉融合的产品，是制造即服务理念的体现3-5。云制造是希望采取包括云计算在内的当代信息技术前沿理念，支持制造业在广泛的网络资74第4期源环境下，为产品提供附加值、低成本和全球化制造的服务6-8。利用云制造平台，可以融合云计算、泛在物联网、区块链技术等先进理论技术，进行数据的综合化管理、利用，提高了数据传播的快速性、数据处理的安全性和私密性。如今，云制造平台的搭建与使用也趋于广泛，根据用户和商家的不同需求，搭建不同属性的云制造平台来满足各自的要求。云制造平台是现有制造技术和制造能力的集合体，把不同地方的制造资源和制造服务汇集在一起9。作为一站式非标定制工业加工互联网平台，以数字化、大数据、人工智能为基础，打通询盘、报价、下单、生产、质检、验收全过程，针对3D打印、CNC加工、注塑、模具、样品制造等模式，采用云制造模式，通过AI智能报价工具完成自助报价，利用供应智能匹配规则将订单推送给平台企业用户，匹配优质工厂，在线下单，透明生产更高效。提高了零件合格率、设备利用率，降低成本，缩短交付周期。云制造由运营商、资源使用者和资源提供者组成10，三者环环相扣，其信息数据的传递也是如此，如图1所示。C$+6FF:6C$6图1云制造的构成1.3区块链技术区块链技术最开始应用于比特币，其本质是一种去中心化的数据库11，每个人都可以使用计算机去暴力解答，在有一人解答出正确答案后，就会打包形成一个新的区块，接下来去解答这个区块的问题，这些区块组成区块链。因为哈希算法的加密，使得区块链的数据不可篡改，提高数据的可信度12-14，解决了数据的信任问题。其次，区块链技术可为云制造、云平台提供去中心化的数据存储技术，使数据可追溯，提供数据和接受数据的双方可以共同维护数据的储存，大大提高了数据的透明度，同时解决了数据不对称的问题。区块链是以时间为轴生成的一个一个节点模式的区块结构，每个区块都由一个区块头和一个区块体组成15，16。区块头和区块体的结构如图 2所示。(L1,U8&L1,图2区块链结构取区块链中区块N来举例，区块N包括区块头和区块体两部分17，18，区块头包括区块版本号、时间戳、区块 N-1 的哈希数据、区块 N 的哈希数据、默克尔（Merkle）根节点、随机数，区块体则包含交易信息。区块头中区块版本号是指区块需要遵守的验证规则，不同区块高度的验证规则不同19，20。时间戳是指区块生成的时间21，因为区块链是以时间为轴，按时间先后顺序生成，所以时间戳保证了区块链信息的完整度和可信度。区块头中N-1的哈希值和N的哈希值是由哈希加密算法得出，每一个用户都会有一个私钥的字符串，根据私钥的字符串得到一个公钥的字符串与一个地址。私钥是保密的，而公钥与地址是公开的，通过公钥可以对私钥的加密性进行检验，因为私钥自身可以进行加密算法，公钥可以解密。在一个用户发布一个信息时，要通过哈希算法得到一个摘要，再通过自己的私钥进行加密得到一个密码。然后在发布信息的同时公开自己的公钥与加密得到的密码，其他用户就可以对信息进行哈希算法，得到另一个摘要。若得到的两个摘要是相同的就证明这个发布的信息是可信的，若两个摘要不同，则这个信息就不可信。区块头中的默克尔根节点是对每个交易的哈希值进行储存与结合的方法，具体处理方式如图3所示。任鹏 等：基于云制造概念的车用电池系统的研究752023年8月机电技术机电技术U8&,图3默克尔根节点处理示意图假设有6个数据交换得到的哈希值为默克尔根节点的基础数值，因为一个区块只需要得到一个哈希值，所以需要对每次数据交换得到的哈希值进行整合，两两整合形成如上树状图的形式，如果得到的值为奇数的形式，如图3中“45”，则需要重复交易，再次生成一个“45”，凑成偶数的形式进行整合，最终整合成如图 3所示的“01234545”的形式，得到只有一个区块的哈希值。区块头中的随机数是随着区块头中哈希值的改变而不断变化的，是一个32位不断更新的数值。2基于云制造概念的车用系统2.1现有案例案例一：富士通株式会社提出一种新型的称为“Zinrain”的人工智能“EV云”技术，用于检测电动汽车电池的实时情况，把剩余电量实时反馈给用户，避免了用户开车时半路没电情况的发生，除此之外，“Zinrain”还经过高水平、高精度的技术分析，监测电池使用情况、预测电池的使用寿命，提前做好规划，避免了事故的发生。图4所示为装载“Zinrain”的电动汽车。图4装载“Zinrain”的电动汽车（图片来源：科技日报）案例二：德国博世集团提出了“云端电池”服务，使得电池的寿命有了极大的提高，它通过云系统连接电池系统，并且进行分析和调整用来适应不同环境的变化，从而防止电池的老化，此外，云系统还能接收电池的实时情况，监测电池的使用状况，监测电池剩余电量，避免了电量不足的情况发生。图5所示为云系统下的电动汽车充电管理。图5云系统下的电动汽车充电管理（图片来源：博世官网）2.2方案设计云制造是以智能化的方式将各方面资源进行整合利用，具有低门槛、效率高、反应迅速、节能环保、透明化等特点，而车用新能源电池满足了环境保护的要求，且价格相对便宜，但是由于数据量激增，车用电池存在一些数据管理储存不当的问题，严重的会导致数据丢失以及泄露，使用电池时出现故障和安全隐患等问题。因此，本文基于云制造和现在车用电池的特点，在云制造特征的基础上，利用云制造平台和区块链的特征，在厂家和用户之间建立车用电池的数据联系，分析电池的实时使用状况，改善电池的使用，提高电池寿命，避免安全事故发生，并对电池进行回收。图6所示为云制造平台的框架图，电池的信息储存与处理可以双向进行，厂家和用户之间通过云制造平台为媒介，厂家进行电池生产发布，对电池数据信息登记上传至云平台，用户自身对电池数据的需求进行任务调用，云平台对厂家和用户双方进行任务执行和区块发布，以区块链网络完成数据处理和调用要求。保证了数据的私密性和长传调用的快速性。+B+K55图6云制造平台框架图7所示为云制造平台电池数据传输方案，76第4期采集数据时，以时间为轴，以区块中加入时间戳的形式，通过区块链传播，厂家生产电池，通过电池测试模块，生成电池数字摘要，云制造平台数据库可以通过电池监测模块生成的数字摘要实时监测电池的使用状况，电池用户可以通过运行模块生成数字摘要反馈给云制造平台。生成一次数据摘要后，智能合约通过私钥加密形式将数据整合到区块链中。当需要查询电池数据相关信息时，可以通过数据共享接口查询，大大提高了数据查询效率和准确度。K55+#B+?K8&+#B+?K8&+#B+?K8&图7云制造平台电池数据传输图8所示为云制造平台数据结构库，它由链上数据与链下数据共同组成，一些涉及厂家私密性的信息和问题譬如电池核心技术等，储存于链下数据库，而一些可公开给用户的数据等信息，储存于链上数据库。链上数据存储用公钥对电池的相关数据加密、私钥解密的形式和智能合约的方法共同完成，提高电池数据储存的安全性，使厂家和用户都能够避免电池数据泄露的风险。KKFK8&K8&K8&?K?K?K74图8云制造平台数据库结构智能合约是指达到指定条件不需要人为干预能够自发运行的代码，智能合约一经确认，无法更改，并且会定期自动检查，确保智能合约的正常运行。智能合约可以根据厂家和用户对电池数据的不同要求，将所需电池数据上传至区块链网络节点，并且有云制造平台确认执行结果，智能合约的正确执行也是通过此验证的。F,J/JKF+J/J+B+B图9云制造平台电池数据加密、解密流程图9所示为云制造平台电池数据加密和解密的流程图。加密流程：厂家首先对电池数据利用云制造平台提供的公钥进行加密，在添加用户所需电池相应数据之后，得到相应的密文，再通过厂家自身独有的私钥，使更新后的密文上传至区块链中。解密流程：用户在需要查询电池相关信息时可以向云制造平台提交申请，通过厂家提供的公钥和用户自身的私钥进行解密，得到自身所需的电池相关信息。对于不同的新能源汽车，可以根据云平台基于大数据以及提交的数据，例如开车行驶时间、行驶速度、地域情况等综合因素提交数据，根据平台信息匹配设计师和厂家，制造出符合这辆车使用情况的车用电池。本文所设计的云制造平台除了包括完整数据库、数据链处理外，还包括如图10所示的远程监控系统，它包括车载终端、数据库系统、监控系统前台软件、监控系统后台软件和服务器平台，通过远程监控系统，能够实时监测车用电F0-35EE4135-35E-35E图10远程监控系统架构任鹏 等：基于云制造概念的车用电池系统的研究772023年8月机电技术机电技术参考文献：1 彭道虎.云环境下新能源汽车供应链制造资源共享模式研究D.呼和浩特：内蒙古科技大学，2021.2 LIU H J，GUAN T，GENG Y J，et al.Research on saas layer application architecture for DCCP considering ubiquitous internetof thingsC/Proceedings of Joint 2019 International Conference on Ubiquitous Power Internet of Things（UPIOT 2019）&2019 3rd International Symposium on Green Energy and Smart Grid（SGESG 2019），2019：406-413.3 杨晟.基于泛在电力物联网与区块链的综合能源服务研究D.北京：华北电力大学（北京），2021.4 张燕.基于区块链的泛在电力物联网数据安全研究D.北京：华北电力大学（北京），2021.5 原吕泽芮，顾洁，金之俭.基于云-边-端协同的电力物联网用户侧数据应用框架J.电力建设，2020，41（7）：1-8.6 王晓斌.基于制造资源的中小企业云服务平台开发D.乌鲁木齐：新疆大学，2015.7 董蓉，苑明海，周灼.基于区块链的云制造信息数据记录技术J.计算机技术与发展，2019，29（5）：97-101.8 李芳，程友凤.基于双链式结构的云制造系统内资源调度J/OL.计算机集成制造系统：1-20.（2022-03-23）.https：/ 韩宝富.基于区块链的云数据完整性审计机制研究D.沈阳：沈阳工业大学，2021.10 孟柯，吴志勇，黄双喜，等.基于区块链的新型云制造服务选择方法J/OL.计算机集成制造系统：1-19.（2022-06-13）.https：/ 陈浩棠.基于区块链的信息共享激励机制研究D.广州：广东工业大学，2022.12 彭泽鑫.基于区块链的无人机辅助车联网资源分配技术研究D.广州：广东工业大学，2022.13 陈子杰，沈翔宇，陈思捷，等.基于区块链的分布式能源交易物理-信息仿真平台J.电力系统自动化，2022，46（10）：87-96.14 LIU H Z，PENG B H，LIU Z，et al.Research on logistics information management system based on blockchain perspectiveJ.Academic Journal of Business&Management，2022，4（1）：26-29.15 刘思瀚，徐石成，何光宇.基于区块链技术的电动汽车电池溯源系统构建J.数据与计算发展前沿，2020，2（5）：76-83.16 付昌胜.面向车位共享的区块链停车系统关键技术研究D.杭州：浙江科技学院，2022.17 巩硕.结合区块链的充电桩电池诊断系统及共享策略研究D.上海：上海工程技术大学，2019.18 杨洪明，阳泽峰，漆敏，等.双链式区块链架构设计及其点对点交易优化决策实现J.电力系统自动化，2021，45（9）：19-27.19 程屾，刘国富，任常在，等.基于区块链的交互实验平台资源远程共享仿真J.计算机仿真，2022，39（6）：233-237.20 嵇士杰，常新，蔡元纪.基于分布式区块链技术的电网信用评估与计算模型仿真J.电子设计工程，2022，30（8）：86-90.21 WANG J P，WANG S，WANG L H，et al.A blockchain and edge computing based public audit scheme for cloud storageC/2022 41st Chinese Control Conference（CCC），Hefei，China，2022，350-354.池数据，记录每个电池的使用状况，并且在电池故障或者报废时回收电池，然后针对用户汽车状况重新生产与之匹配的电池，极大地提高了生产和回收效率，保障了数据的安全。3结论将云制造和区块链技术应用在车用电池监控系统上，得出如下结论：1）将用户需求和服务信息存储在区块链中，使电池数据储存于云制造平台中，提高了厂家核心技术的安全性，与此同时，由于区块链中的信息不可更改，厂家和用户的数据信息安全得到本质提高。2）由于添加有远程监控系统，能够在一定程度上掌握各个车主汽车所用电池的数据，在回收和定制车用电池时，在区块链中可以明确得到用户的信息及要求。3）因为车用电池的监控系统在区块链中不易丢失，平台会记录每个新能源汽车车用电池的数据，记录每个电池的使用情况，在电池回收时可以轻松回收并追溯之前数据，快速完成回收并进行电池的生产，大大提高了在云制造和云共享平台中数据资源的共享效率。78