一种智能资源感知型双层无人机区块链构建方法及装置

本发明涉及无人机区块链构建方法与装置，特别涉及一种智能资源感知型双层无人机区块链构建方法及装置。

背景技术：

1、近年来，低空经济快速发展，无人机凭借机动性强、部署灵活、覆盖范围广和环境适应性强等特点，被广泛应用于环境监测、城市巡检、应急救援、物流配送以及灾害评估等领域。但随着应用场景和任务类型的不断扩展，单架无人机受限于感知范围、通信能力、计算能力、存储能力和续航能力，已经难以独立满足复杂任务场景下的数据采集、实时协同和安全通信需求。因此，组织多架无人机协同执行任务成为提高任务执行效率、扩大任务覆盖范围的重要手段。

2、组网通信和数据共享是无人机集群协同执行任务的前提。由于无人机节点通常处于开放无线通信环境中，任务数据等信息在传输过程中容易受到数据篡改、重放攻击以及女巫攻击等威胁。同时，传统无人机集群多依赖地面站或中心服务器进行任务调度、数据存储和状态维护，一旦中心节点发生故障或遭受攻击，容易导致系统服务中断，形成单点故障风险，影响无人机集群任务执行的连续性和可靠性。

3、区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯和分布式协作等特点，为解决无人机集群协同过程中的数据安全、身份可信和单点故障问题提供了可行方案。一方面，区块链能够通过分布式账本实现多节点共同维护任务数据，降低中心化控制模式下的单点失效风险；另一方面，区块链能够通过共识机制和链上记录保障无人机任务指令、任务状态和数据哈希的完整性与可追溯性，从而提高无人机网络的安全性。然而，无人机节点不同于传统区块链网络中的固定计算节点，其计算能力、存储容量等资源和可信度均存在明显差异，且无人机节点处于动态移动环境中，节点状态和网络拓扑会随任务进程持续变化。因此，直接将传统区块链系统应用于无人机集群时，也为无人机区块链系统带来了更加复杂的性能与安全问题。其一，传统无人机区块链系统难以适应无人机节点资源受限的应用场景。无人机节点通常存储能力和计算能力有限，若要求每个无人机节点存储完整区块链账本和大容量原始感知数据，将显著增加节点存储与计算负担，影响无人机节点的持续运行能力。其二，传统无人机区块链系统难以兼顾共识效率与安全性。无人机集群协同任务实时性要求较高，传统共识机制在计算开销、通信复杂度及领导节点选举耗时等方面仍存在不足，难以满足资源受限环境下无人机区块链系统高效、可信协同的需要。

4、区块链分片技术与轻量级共识机制为解决上述问题提供了可行思路。通过将无人机区块链网络划分为多个分片，并使每个分片维护对应的分片区块链，可以减少单个无人机节点需要维护的账本规模，缓解无人机节点存储压力的同时提高系统吞吐量；通过在分片内部采用低时延的共识机制，可以提高系统吞吐量和区块确认效率。同时，若能够在分片过程中综合考虑节点交易关系、分片负载和异构节点资源负载，并在共识过程中对节点恶意行为与能量消耗差异进行约束和补偿，则能够进一步提高无人机区块链系统的安全性和稳定性。

5、因此，在构建面向协同环境下的资源感知型双层无人机区块链时，需要重点考虑以下两个方面的问题：

6、（1）无人机资源受限与节点异构条件下的区块链分片优化问题

7、在动态开放的网络环境下，无人机节点通常具有计算能力有限、存储容量有限、剩余电量动态变化和节点信誉差异明显等特点。若所有无人机节点均维护完整区块链账本，不仅会增加节点存储压力，也会降低系统在大规模无人机协同场景下的可扩展性。通过分片方式使每个分片维护对应的分片区块链，能够减少单个节点需要存储和同步的数据量，但分片划分结果会直接影响区块链系统的通信开销、交易处理效率和安全性。现有分片方法多以账户地址、交易频次、节点数量或地理距离等单一因素作为划分依据，虽然能够在一定程度上降低系统处理压力，但容易导致高频交互节点被划分至不同分片，使跨分片交易比例升高，增加分片间通信开销和交易确认延迟。同时，若各分片交易负载分布不均，容易形成“热”分片交易拥堵和“冷”分片资源闲置，降低系统整体吞吐量。此外，现有分片方法在无人机区块链场景中忽略了节点的计算能力、存储能力、信誉积分和剩余电量等资源，当低性能节点或低信誉节点集中于同一分片时，该分片容易成为系统性能瓶颈或安全薄弱点，难以满足无人机区块链系统资源感知和安全协同的需求。

8、（2）无人机区块链低时延与高可靠协同场景下的共识效率提升问题

9、无人机集群协同任务通常具有高实时性和高可靠性要求，任务数据、控制指令和状态信息需要在较短时间内完成确认和同步。基于工作量证明的共识机制需要执行大量复杂计算，不适合计算能力和能源储备有限的无人机节点；传统拜占庭容错类共识机制通常需要节点间进行多轮全局广播，通信复杂度随节点规模增加而显著提高，容易导致共识延迟增加；传统raft共识机制虽然具有较高效率，但缺少对领导节点恶意行为和普通节点恶意竞选行为的有效检测能力，难以直接适用于存在恶意节点的无人机区块链网络。同时，在无人机区块链共识过程中，领导节点需要负责日志生成、日志广播、响应统计和区块提交，监督节点需要负责日志验证、行为检测和监督结果广播，其通信开销和能量消耗通常高于普通节点。若忽略不同角色节点在共识过程中的能量消耗差异，缺少合理的信誉补偿机制，容易导致高负载节点因能量消耗过快而失去后续参与领导节点选举的能力，影响系统长期稳定运行。因此，如何在降低共识延迟的同时，对领导节点作恶、普通节点恶意竞选以及不同角色节点能耗差异进行有效约束和补偿，是无人机区块链共识机制需要解决的重要问题。

技术实现思路

1、为了解决现有技术问题，本发明提供了一种智能资源感知型双层无人机区块链构建方法，构建基于“地面控制层-无人机任务层”的双层无人机区块链，并结合链下星际文件系统进行混合存储，以降低中心化控制带来的单点故障风险并缓解无人机节点存储压力。针对无人机资源受限与异构节点资源条件下的区块链分片优化问题，本发明设计基于多目标优化与强化学习的无人机区块链分片算法，将无人机区块链分片决策建模为多目标优化问题，综合考虑跨分片交易比例、分片交易负载和异构节点资源均衡，并通过混合初始化策略提高初始种群质量，通过基于深度q网络的个体选择机制平衡种群收敛性和多样性，从而获得适应无人机任务需求的资源感知型分片方案。每个分片维护对应的分片区块链，使无人机节点无需维护完整全局账本，有效缓解节点存储压力，并通过链上存储数据哈希和链下存储原始数据的混合存储方式进一步降低无人机节点的数据存储负担。针对无人机区块链低时延与高可靠协同场景下的共识效率提升问题，本发明设计具备拜占庭容错能力的raft共识机制，设置领导节点、跟随节点和监督节点三类节点角色，引入信誉积分补偿机制、监督检测机制以及基于信誉和电量双阈值的领导节点选举机制，提高无人机区块链系统的共识可靠性和选举效率。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种智能资源感知型双层无人机区块链构建方法，包括以下几个组成部分：

4、a.对执行协同任务的无人机节点属性参数、任务信息和资源状态进行初始化：对准备参与协同任务的无人机进行身份注册和参数初始化，写入无人机节点属性参数、任务信息、资源状态信息；

5、b.利用无人机节点属性参数、任务信息及分片结果构建双层无人机区块链：由执行任务的无人机节点构建并维护任务区块链，任务层根据分片结果形成多个分片区块链，每个分片内节点通过p2p协议与其他节点建立通信并维护所属分片区块链；地面控制站构建指令区块链，用于记录任务指令、分片状态、任务执行状态和片内区块提交结果，数据存储层由ipfs节点组成负载存储原始数据；

6、c.构建多目标优化模型：以无人机节点作为分片对象，以节点之间的交易频次作为边权权重，以节点资源状态作为分片约束信息，设计跨分片交易比例目标函数、交易负载均衡目标函数和异构节点资源均衡目标函数；

7、d.基于多目标优化与强化学习分片算法生成分片方案：构建混合初始化策略，并在临界非支配层个体选择过程中引入基于深度q网络的个体选择机制，从帕累托最优解集中根据实际任务情况加权选取最终无人机区块链分片方案；

8、e.设置无人机区块链共识机制：在双层区块链中设置b-raft共识机制，并在共识过程中设置领导节点、跟随节点和监督节点三种角色，同时引入信誉补偿机制、监督检测机制以及基于信誉和电量双阈值的领导节点选举机制；

9、f.双层无人机区块链节点进行共识、记账和动态更新：任务层分片内节点运行b-raft共识机制完成片内数据上链，并将通过共识的区块摘要、任务状态和节点信誉更新记录提交至地面控制层，地面控制层节点通过共识机制完成跨分片结果汇总和全局状态同步，当节点资源状态、交易关系或任务需求发生较大变化时，重新触发分片算法，实现双层无人机区块链系统动态维护。

10、组成部分a中所述的构建方法，无人机节点属性参数包括无人机id、节点公钥、通信地址、地理位置、剩余电量、计算能力、存储容量和信誉积分。所述信誉积分用于表征无人机节点在历史共识过程中的行为可靠性，所述剩余电量用于表征无人机节点持续参与共识和担任领导节点的能力，所述计算能力和存储容量用于表征无人机节点参与区块处理、日志验证和数据维护的能力。

11、组成部分b中所述的构建方法，地面控制层用于下达任务指令并维护指令区块链，无人机任务层用于执行具体任务并维护任务区块链，数据存储层用于链下存储大容量原始数据。无人机任务层区块链根据分片结果形成多个分片区块链，每个分片内的无人机节点仅维护本分片内的区块数据、任务状态、数据哈希和节点信誉更新记录，不需要存储全部无人机节点的完整区块链账本。无人机节点在采集原始数据后，将原始数据上传至星际文件系统节点，并接收星际文件系统返回的内容标识符，将内容标识符和数据哈希写入区块链，从而实现链上索引和链下存储相结合的数据存储模式。

12、组成部分c中所述的构建方法，跨分片交易比例目标函数用于计算交易发起节点与交易接收节点被划分到不同分片时产生的跨分片交易占总交易数量的比例；交易负载均衡目标函数用于计算不同分片在固定周期内所需处理交易数量的标准差；异构节点资源均衡目标函数用于计算不同分片中节点综合能力值的标准差，所述节点综合能力值由节点计算能力、存储能力、信誉积分加权得到。

13、组成部分d中所述的构建方法，混合初始化策略由随机初始化、基于交易权重的louvain初始化和基于地理位置的k-means初始化组成；其中，随机初始化用于将无人机节点随机划分至多个区块链分片中，生成初始种群中的部分个体，以保持种群初始多样性；基于交易权重的louvain初始化用于根据无人机节点之间的历史交易频次构建加权无向图，将无人机节点作为图节点，将节点间交易频次作为边权重，通过louvain社区发现算法生成初始分片方案，并在该分片方案基础上进行随机变异，得到具有较低跨分片交易比例的个体；基于地理位置的k-means初始化用于根据无人机节点的三维空间坐标构建位置集合，通过k-means聚类算法将无人机节点划分为多个地理邻近簇，并在聚类结果基础上进行随机变异，得到具有较低通信开销的个体；基于深度q网络的个体选择机制用于在临界非支配层个体数量超过新种群剩余容量时进行个体筛选，其状态空间由当前种群在归一化目标空间中的收敛性指标和多样性指标组成，动作空间由临界非支配层中的候选个体组成，奖励函数根据执行个体选择动作后种群收敛性和多样性变化情况计算，当个体选择动作使种群整体质量提高时给予正向奖励，当个体选择动作使种群整体质量下降时给予惩罚，从而引导深度q网络在个体选择阶段兼顾解集收敛性和多样性。

14、组成部分e中所述的共识机制，在每个无人机区块链分片内部设置领导节点、跟随节点和监督节点三类角色。领导节点负责客户端请求处理、日志生成、日志广播和区块提交；跟随节点负责日志复制、区块验证和响应确认；监督节点负责对领导节点日志复制行为和跟随节点竞选行为进行监督检测。各角色行为不同能量消耗存在差异，信誉补偿机制根据能量消耗的差异进行信誉补偿，并根据节点历史行为、响应时延、角色能耗差异和共识结果更新节点信誉积分。监督机制检测领导节点发送的区块信息是否被篡改以及节点是否恶意竞选。基于信誉和电量双阈值的领导节点选举机制使进行竞选的节点信誉和电量需达到阈值条件。

15、组成部分f中所述的共识与记账方法，客户端节点将请求数据发送至领导节点，并将请求数据哈希发送至监督节点；领导节点接收请求数据后，将原始数据上传至星际文件系统，获取内容标识符，生成包含数据哈希和内容标识符的日志条目，并广播至分片内节点；跟随节点对日志条目进行验证并返回响应，监督节点对日志条目中的数据哈希进行比对并检测领导节点是否存在篡改行为；当领导节点收到足够数量的有效响应后，广播提交消息，各节点将对应区块写入本地区块链，完成一次分片内共识与记账过程。

16、另一方面，本发明提供了一种智能资源感知型双层无人机区块链构建装置，包括以下模块：

17、任务区块链构建模块：根据无人机节点属性参数、任务信息和资源状态，对执行任务的无人机节点进行任务区块链构建；采用基于多目标优化与强化学习的分片算法对无人机节点进行分片划分，在任务层形成多个分片区块链，每个分片内的无人机节点维护所属分片区块链，记录本分片内的任务状态、节点信誉积分、执行节点id、区块索引、数据哈希和内容标识符；设置链上索引与链下存储相结合的混合存储方式，将无人机采集的原始数据上传至星际文件系统节点，并将返回的数据哈希和内容标识符写入区块链；通过共识机制完成日志生成、日志复制、监督检测、信誉补偿、领导节点选举、区块提交和结果返回，实现任务层分片内数据的可信存储与快速共识；

18、指令区块链构建模块：根据任务层各分片的分片结果和共识结果，构建用于全局任务控制与片间结果汇总的指令区块链；地面控制层节点用于记录任务指令、飞行路径、无人机初始化参数、分片状态、片内区块提交结果和节点信誉更新记录，并接收任务层各分片提交的已验证区块信息；在指挥层通过共识机制，对各分片提交的区块摘要、任务状态和信誉更新结果进行一致性确认，完成跨分片信息汇总与全局状态同步；当地面控制指令、无人机节点状态、任务需求或分片结构发生变化时，指挥层根据共识结果向任务层下发更新指令，实现双层无人机区块链系统的动态维护。

19、本发明提供的技术方案以及构建装置带来的有益效果是：

20、在上述组成部分中，基于地面控制层和无人机任务层的双层无人机区块链架构，降低了传统中心化地面站控制模式下的单点故障风险；通过将无人机任务层区块链划分为多个分片区块链，使每个分片内的无人机节点仅维护本分片区块链，并结合链上存储数据哈希和内容标识符、链下存储原始数据的混合存储方式，有效缓解无人机节点存储压力，提高系统在资源受限环境下的可扩展性。通过构建资源感知型多目标分片优化模型，并结合混合初始化和基于深度q网络的个体选择机制，能够在减少跨分片交易的同时均衡分片交易负载和异构节点资源，提高分片结果质量。通过设计具备拜占庭容错能力的raft共识机制，在保持较低通信开销的基础上引入监督检测、信誉补偿和基于信誉与电量双阈值的领导节点选举机制，能够有效约束领导节点篡改数据、普通节点恶意竞选等行为，提高共识安全性、选举效率和节点参与公平性，增强无人机区块链系统的持续运行能力。