无人水下航行器已在海洋学、海洋研究、水深测量、军事、监视、监测、海底勘探、采矿、商业潜水、摄影和其他一些活动中占据一席之地。无人机装有多个传感器和复杂的推进系统,可帮助海洋科学家和海底探险家绘制海底地图、研究海浪、查看死亡区域、分析鱼类数量、预测潮汐行为、帮助寻找沉船、建造风力发电厂、检查位于深海的石油平台以及检查船舶上的核反应堆。虽然无人机可以针对特定任务进行明确编程,但数据安全和隐私是令人严重关切的关键问题。区块链已成为一种关键的使能技术,与其他颠覆性技术使能技术一样,可解决安全、数据共享、存储、流程跟踪、协作和资源管理等问题。本研究全面回顾了区块链在不同水下应用中的使用情况,讨论了使用案例并详细介绍了其优势。详细介绍了区块链在水下应用中可能面临的挑战。这项工作确定了理论研究与现实无人水下航行器应用中区块链实时集成之间的知识差距。介绍了区块链在无人水下航行器应用实时集成中有效集成的关键限制,以及未来的研究方向。

无人机和机器人技术的快速发展和不断提升已经扩大了其在日常生活多个关键领域的有效应用范围,例如,无人机在智能医疗、工业自动化、交通、军事应用、农业、救援任务和监控等各种关键物联网应用中的出现[1]。在由于安全或不稳定条件等各种原因而无法进行人工干预的情况/领域,无人机技术的使用变得非常重要[2]。最近,无人潜航器[3]已成为海洋领域的新兴研究领域之一,旨在为各种水下物联网应用寻找最佳、安全和具有成本效益的技术解决方案,如水下/海洋监视和监测海洋物种、矿物/资源、检查水下石油/天然气、电缆/互联网基础设施和水污染等[4]。由于无人机技术是 UUVs 通信网络的关键要素,因此也可将其称为 UUDs。

随着 5G 及更先进系统的出现和水下机器人技术的蓬勃发展,UUVs 和海洋研究的发展道路得到了进一步的支持和补充[5][6]。此外,各种互联网、网络和通信技术,如边缘/雾计算、区块链、网络软化/虚拟化、人工智能和 AR/VR 在这些发展中的作用也变得至关重要[7],[8]。UUV 的环境可能包括大量不同的物联网传感器、执行器和设备,以及部署在不同水深的水下机器人、设备和车辆,以实现预期目标[9]。之后,UUV 收集到的信息可以发送到最近的船只、基站甚至卫星,以便进一步处理/分析和存储。一些著名的无人潜航器包括遥控潜水器和自动潜航器,它们在水下通信中的应用取决于特定水下应用的要求和需要 [10],[11]。

除了众多优势之外,成功部署 UUV 的道路上还存在一些障碍。由于设备/传感器资源有限、水下环境危险和网络连接不可靠等原因,水下通信中的传感器、设备、水下机器人和其他网络元素受到不同的安全威胁[12]。例如,数据安全性和完整性是水下监测的重大威胁之一。此外,资源有限的设备在水下的移动性也给设备认证带来了困难[13]。此外,水下通信过程中可能会出现低质量的数据传输,导致整个过程的可靠性降低,并需要耗费大量能源。这也会使从发送节点到汇节点的信息路由变得更加复杂,网络的整体性能下降[14]。

除了安全和隐私问题,目前的水下通信网络在为各种所需网元提供安全和优化的资源分配机制方面也存在障碍[15]。由于水下无线网络中的多个传感器节点资源有限,而且由于水流的影响,节点和设备会不断改变位置,因此启用动态和智能的资源分配机制非常重要[16]。此外,有必要对网络中的各种可用资源进行安全监控和跟踪,以便以更优化、更高效的方式利用这些资源。在管理网络资源的同时,水下网络还需要提供安全可信的解决方案,以处理和存储从多个来源产生的海量数据[17]。

考虑到上述突出挑战,基于区块链的网络架构被视为水下通信的重要解决方案[18]。区块链作为一种去中心化的分布式技术,为水下物联网应用提供了若干重要功能,如不变性、可信数据共享和管理、监控/跟踪各种流程和资源、高效资源分配、安全路由机制、可审计性和可追溯性。区块链可在水下通信过程中实现安全可信的数据共享和存储,无需任何可信第三方的干预[19]。在某些情况下,由于与外部基站/设备的连接不可靠,水下通信的恶劣环境需要自主决策。区块链可以利用智能合约提供的特性,提供所需的动态自主决策。

动机

地球表面 70% 以上被水和海洋占据。通过分析海洋的温度和风力模式,可以预测地球表面的气候挑战。此外,海洋中还包括不同种类的动物和水生物,需要对它们进行监测,以确保它们有一个安全和受保护的生活环境[20]。因此,水下监测对于检查可能危害海洋环境和水生物的污染至关重要 [21]。此外,海洋也被认为是天然水下资源(如矿产资源)的丰富来源。在过去的几年里,由于缺乏合适的技术和其他资源,寻找和维护这些自然资源是具有挑战性的任务之一。此外,海洋和海洋环境在商业和军事领域都有各种有用的应用[22]。

然而,主要由于所需的使能技术和先进设备的局限性和不可获得性,水下世界的探索大多较少。例如,传统的水下通信和监测使用卫星/有线通信电缆,成本较高,数据速率和带宽较低,传播延迟较长[11]。随着近期信息和通信技术带来的数字化转型,研究界已开始研究海洋领域的各种应用,如 UUDs。在其他技术推动因素中,区块链技术已成为使能 UUDs 的关键技术之一[19]。区块链技术可以解决安全和隐私、可信数据共享、存储、流程跟踪和资源管理等几个关键挑战[5],[12]。因此,本文将进一步研究区块链在不同水下应用中的使用、其优势和潜在挑战。

贡献

本文的主要贡献如下:

  • 讨论了与区块链和水下通信相关的背景和最新概念。
  • 分析了当前 UUVs 系统面临的各种挑战以及相应的基于区块链的解决方案。
  • 介绍了 UUVs 的各种区块链用例,并发现了知识模式。
  • 研究了在 UUV 设计中有效利用区块链概念的问题。
  • 探讨了将各种使能技术与支持区块链的 UUV 整合的各种可能性。
  • 对有关区块链和对 UUVs 有用的各种研究进行了比较分析,以确定研究差距、挑战和未来方向。
  • 探讨并讨论了在数据收集、分析、解释和实施方面有用的基于区块链和 UUV 的设计。

无人潜航器与区块链

无人机已被用于研究鲨鱼,填补了有关鲨鱼行为、运动、社会交往和多个物种捕食的知识空白。Butcher 等人[24] 讨论了鲨鱼研究中的无人机技术,并详细回顾了水下无人机在研究这些隐蔽物种中的当前和潜在用途。Greengard[33]指出,无人潜航器是专门为特定任务编程的,例如识别沉船、发现不同类型的海洋生物和执行复杂的任务。区块链是一个透明的电子账本,通过维护不同区域的负载信息并相应地分配 UUD,可促进不同 UUD 之间的统一服务分配。在动态负载的情况下,区块链使用随机生成并分配给 UUD 的非重叠坐标机制。区块链有助于在其数据库中存储每个 UUD 的坐标,并在这些存储的坐标上使用其算法,引导最佳路线到达目的地,确保避免碰撞。随着不同供应商之间的互动,在不同地区保持统一的负载分配是一项至关重要的任务。

UUD中的安全和隐私挑战

无人机和无人驾驶飞行器在执行特定任务时非常有效,但在数据安全和隐私方面也存在一些挑战。小型无人机因翼展小、机身轻巧而广受好评,但也存在安全和隐私问题。UUD 通信结构容易受到欺骗、DoS、MITM、窃听和数据篡改攻击等威胁。

通过区块链,UUD 可以使用私钥对收集到的数据进行唯一签名(数字签名),并向整个网络广播。这就确保了数据的真实性,因为交互式 UUD 之间的数据源和实体认证是唯一可识别的。在紧急情况下,UUD 可以向网络中的其他 UUD 寻求帮助,例如在出现电池问题、传感器故障和失灵的情况下。决策历史可以存储在分类账中,并在需要时进行访问。这有利于分布式决策。它有助于与车队中的其他 UUD 同步,而不是使用处理能力和培训时间。这适用于军事和多地形环境,在这些环境中,不同的 UUD 可能会寻求协调和操作。此外,区块链还能促进在同一环境中工作的不同 UUD 之间的合作。这些 UUD 可能来自不同机构,有时可能共享竞争对手关系。它们可以在网络中共享共同的通信渠道和机密数据。在实际场景中,为了确定哪个 UUD 对 UUD 网络中的区块链拥有更多控制权,需要使用权重分配机制。

UUD中的路由和高级通信挑战

在水下通信过程中,需要将信息从源节点发送到汇节点。路由协议在水下通信中的作用对于确保两个节点之间的安全和最优路径非常重要[34]。

区块链可用于确保路由机制中安全可信的轻量级数据处理、共享和存储。区块链网络上的两个节点可以相互共享数据/信息,而无需可信的第三方。例如,文献[18]中的研究工作为物联网用户提出了一个轻量级区块链框架,该框架基于基于集群的轻量级主动路由协议。所提出的网络架构基于分层监控拓扑,在不同层级收集数据,然后通过轻量级区块链进行传输。另一项研究[12]开发了一种基于区块链的节能路由机制,可以避免出现空洞的情况,并消耗更少的能量。在研究如何帮助移动自治系统在动态环境中规划路线时,有几种潜在的方法可供选择[57]。它需要使用一种方法,这种方法必须确保对自主无人潜航器进行编程,使其行驶在耗能最少的路径上。基于区块链的路径旅行方案可以引导自主式 UUV 使用可适应的进化算法,该算法可用于在实际时间限制内为大片海域创建路线。这一战术旨在确定简便安全的路线识别的潜在进入方式。那些受雇于深度安全通信设备制造领域的人可能会发现,使用建立在区块链技术基础上的路由算法对他们有利。因为使用这种技术可以减少网络中自主无人潜航器之间发送数据所需的时间。此外,它还增加了集成其他先进技术的安全性和可行性。其他基于区块链的解决方案包括 (i) 区块链可确保有效、适当地使用声波传输的电力,以发送与其他通信形式相同数量的数据,(ii) 区块链可支持及时、必要地集成先进技术(如物联网、云计算等),以处理必要的存储和计算。 (iii) 由于水下传感器在这些环境中可能会更频繁地出现污垢和腐蚀,因此区块链技术在识别水下传感器故障方面更负责任,以及 (iv) 区块链网络可以记录连接发送数据包的延迟能力和数据流的中断情况。因此,可以很容易地处理数据包的重传,而不会有太多的延迟和重复。

UUD中的资源管理挑战

由于水下通信网络将是一个大规模的物联网生态系统,可能包含大量异构传感器、设备和无人机以及所需的网络和通信基础设施。与传统(非水下)网络相比,水下物联网网络通常需要更多资源,例如更高的能源或电力需求。因此,资源管理是这一领域一个非常关键的研究问题。

为解决上述资源管理问题,文献中提出了几种资源分配算法。例如,[16] 的研究工作提出了一种自适应 Q-Learning 算法,用于水下通信的分布式资源分配。在该算法中,节点不断与环境交互,学习最优分配方法,并压缩网络干扰。基于多智能体强化学习,作者在文献[43]中提出了一种自适应的分布式算法,用于管理 IoUT 的资源。然而,这些研究对网络中各节点之间安全、不可变和可信的资源共享讨论不多。

区块链技术与 UUD 的集成将使它们能够在水下通信期间公平地监控和管理资源的有效利用。分布式数字账本与每个参与的利益相关者或网络元素共享,可以跟踪已分配和闲置的网络资源[13]。通过这种方式,可以满足网络资源的动态需求。此外,在区块链中运行的智能合约可用于资源分配的智能决策。区块链消除了管理和分配资源所需的额外中间环节,从而降低了管理成本。区块链还可以为各种网络元素提供安全的资源访问机制,只有经过授权的实体才能访问资源[44]。

UUD中的数据管理挑战

预计 UUD 将从各种联网传感器/设备收集大量异构数据。因此,UUD 在数据采集、处理、分析和存储的各个步骤中,都将面临安全处理和管理成堆数据的挑战。

区块链作为一种分布式账本技术,可以为数据管理难题提供高效的解决方案。例如,区块链可以为数据存储以及不同实体之间的数据共享提供防篡改计算环境。分布式账本可以实现安全的数据处理、存储以及各节点之间可信的数据共享。区块链技术通过智能合约协议实现自动数据共享。区块链与边缘计算的整合可以为边缘网络提供区块链的多种优势,例如边缘节点之间的可信数据共享。文献[48]为物联网网络开发了区块链和基于边缘的安全存储管理。文献[49]中的作者制定了一种融合边缘和区块链的可信数据管理机制。

固定翼 UUD 的计算研究、工具、框架和模型

最近将区块链整合到 UUD 实际应用中的尝试需要进一步研究 UUD 的计算方法、工具和框架。例如,最近 de Lima 等人[28]报告了在荷兰与传感器和摄像机集成的多个 UUD 应用(如湖泊、河流、城市运河、水道、水闸)的研究结果。该研究发现,UUD 能够收集到成本高昂甚至无法使用其他方法收集到的数据。例如,他们报告说,UUD 可以绘制具有不同植被的不同地点的地图,可以获得三维数据和水下图片,建立野生动物物种与当地水质之间的联系,并监测水质指标的变化。不过,目前的文献概述了一些技术限制,如系统之间的整合,以使 UUD 的操作在实践中更加可行。

人们对 UUD 群的控制合作越来越感兴趣 [26]。例如,M. Khan 等人最近的一项研究提出了一种 AUV 辅助的高能效集群控制技术,用于深海水下无线传感器网络中的 IoUT 应用。在测试的框架中,簇中的 AUV 从其他簇收集数据,同时帮助簇头选择和簇的形成[55]。其他关于 UUD 集群形成和协调的有趣研究发现,UUD 可用于大规模水下声学网络,以提高网络的可靠性,在 UUD 协调组和 UUD 辅助网络中追求不同的功能,在这些网络中,信息从静止节点收集并传递到水面[25]。

Babatunde 等人[27]开发的无人机系统配备了海洋声学记录器,用于协助英国海洋环境监测和保护计划中的港湾鼠海豚观测。主要成果表明,该系统能够自主导航、连续着陆、起飞和收集数据。

最近的研究 Pham 等人进行了一项基于仿真的调查,以评估在开源环境中利用实时面向对象概念进行多 UUD 协调(尤其是编队控制)的框架。总体而言,我们注意到,文献成果还表明,应开发更多包含 UUD 和区块链功能和配置的专用仿真系统。这是由于在无人机 UUD 系统中集成和实施区块链的复杂性,需要在实际使用前进行大量测试[23][26]。

Uddin 等人为水下应用开发了一个具有多个级别的传感器监测系统。测试的系统包括雾和云组件,利用区块链安全地处理和存储 IoUT 数据。文献指出,区块链支持的分布式系统已经发展到能够安全、经济地保存水下物联网数据,而无需依赖中间可信机构,同时通过使用共识流程保护网络隐私。在这种情况下,共识机制发生在区块链网络中的各方参与处理和评估物联网数据时,然后再认证物联网数据在网络上的插入[29]。

在本研究中,我们全面概述了当前关于在 UUD 应用中使用区块链的学术研究。UUD 和区块链的使用所涉及的各种因素结合在一起,展示了学者和从业人员在现实实施中面临的困难。这意味着,开发计算测试、总结模型以及新工具和框架UUD的研究需要结合区块链和UUD的配置和功能,以协助项目决策。

具体而言,本研究探讨了研究人员在使用 UUD 时应思考的基本背景和技术问题,以及区块链如何解决 UUD 应用的主要挑战。本研究还确定了理论研究与区块链在现实 UUD 操作中的实际应用之间的知识差距。通过研究该领域目前的进展情况,我们的研究结果可以肯定,该主题的研究仍处于初步了解阶段。

UUD 的区块链概念设计

据观察,在将区块链与 UUDs 整合方面没有做出努力或做出的努力最少。图3展示了一个将UUDs的一些子系统与区块链概念相结合的例子。在这里,12个区块链节点展示了遥控无人机的不同子系统(照明、摄像头、白炽灯、交流/直流电源、传感器、高强度放电、荧光灯、电源、机械手和工具、LED、系绳和水下连接器)。每个节点都可以有一个或多个区块链来存储子系统事件和数据。这些数据将是不可变的、安全的、透明的,并分布在所有节点上。因此,各子系统在物理上、逻辑上并通过区块链连接起来。因此,它优化了车辆的性能和在各种应用中的使用。图 4 显示了独立研究的各种 UUD 和区块链概念。但是,要将这两种技术融合在一起,就必须对这些概念及其建议进行深入分析。

同样,通过将区块链技术与水下无人机相结合,也可以利用区块链技术的各种优势。本文简要介绍了近期的几项水下无人机研究以及如何将区块链与这些研究相结合。Deutsch 等人[56]建立了一种评估水下航行器质量性能的方法,并调查了最复杂版本的水下航行器的运输性能。使用简单的滑行测量方法评估了 Slocum、Spray 和 Seaglider 滑翔机以及这些类型的螺旋桨改装型滑翔机的过境性能。这项研究对以螺旋桨为动力的水下滑翔机和以螺旋桨为动力的水下航行器进行了比较和对比。研究结果表明,在理想条件下,不同船体形状的滑行运动效率更高。这些数据可以安全地存储在区块链网络中。存储在区块链网络中的滑行指标信息将通过密码学原语和协议得到有力保护,通过智能合约生成实时响应,并集成共识算法以实现高效的网络构建和数据共享。另一方面,生物污损条件导致滑翔机性能受到两倍的影响,使滑翔机在某些情况下的性能比螺旋桨驱动的飞行器更差。我们建立了一个飞行动力学模型来预测定性性能,以检验斯洛克姆数据集是否准确描述了这一性能。事实证明,即使是半经验和分析模型,在优化设计时也需要复杂的参数设置。如果模型的计算效率被证明有助于设计工程师在设计过程的早期阶段进行设计,那么设计工程师就会发现这是非常有利的。本研究小组利用该模型研究了翼展与滑翔效率之间的关系,发现斯洛克姆滑翔机的设计目前已接近其最高效率。区块链网络上有三种节点可以在 UUD 中发挥优势:二分之一节点、一般节点和挖矿节点。区块链技术可将多个水下实体(包括无人机)互联,并将每个实体视为一个节点。在水下区块链网络中,可以通过半节点和普通节点创建在点对点网络上准备和广播的交易。此外,当矿工节点检测到交易时,它们会将这些交易构建成一棵梅克尔树,从而创建一个区块。矿工通过对 nonce 进行计数和迭代,得出区块的哈希代码,直至达到目标。验证过程最终结束。之后,除半节点外的所有节点都会将该区块附加到当前分类账的末尾。同样,区块链也可以与水下无人机的内部或外部功能集成。Eichhorn 等人[57]指出了水下无人机的重要性。水下滑翔机可以更有效地监测海洋表面状况。与浮标有限的数据记录能力不同,滑翔机不是在特定深度和单一地点记录海洋数据,而是按照预定路线记录长达一年的数据。除了水平滑翔机速度和全球定位系统更新记录的数据外,还可以通过结合水平滑翔机速度和全球定位系统更新,以及利用测量深度的传感器(如电导率-温度-深度传感器)记录的数据来计算平均深度速度。利用水平速度还可以完成导航或规划滑翔机任务。水下无人机的功能、观测结果和相关统计数据可存储在区块链网络中,以确保高度安全性,降低数据丢失的几率,简化数据核算、分析和预测,并降低运营成本。Eichhorn 等人[57]提供了一项调查的结果,该调查以最准确的方式估算了滑翔机的水平速度。为此介绍并比较了在实践中使用的斯洛克姆滑翔机飞行模型。

这项研究的结果被用于开发和阐明滑翔机模型,该模型解释了稳态滑翔运动是如何运行的。为了获得不同的模型参数,我们使用了非线性回归技术,并进一步介绍了该方法。本文对记录飞行器数据的标准进行了描述性解释,并介绍了正确计算攻角的稳健方法。在这种情况下,区块链技术可能有助于确保个人数据的安全。利用滑翔机在印度洋上空飞行时收集的数据用于验证本文介绍的程序。研究表明,需要一个时变模型来实现记录数据与模拟数据之间令人满意的拟合。如果能够将记录和模拟参数存储在区块链中,将使数据不可更改。因此,除了生物污损外,比较分析也将更加可信。当生物附着在滑翔机表面并在其上生长时,其他因素也会导致变化。改进死区重定位算法也许是可行的,如果技术成功,建议的读取适当水平滑翔机速度的实际使用方法可应用于滑翔机计算深度平均速度的过程。利用深度平均速度计算出的深度平均速度,正在对各种洋流模型与滑翔机记录的数据进行比较。如果存储在区块链网络中,所有这些统计数据将提供一个更可靠、性能更好、更安全的分布式数据存储系统。下文将解释区块链与 UUD 不同部分集成的可行性。详情如下。

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