區塊鏈技術在智慧水務中的應用初探

孫 鋒

(閩江學院，福建 福州 350108)

近年來，區塊鏈技術引起了學術界和產業界的高度重視[1]。區塊鏈技術擁有顯著的應用優勢：去中心化的分布式結構在實際應用中可節省大量中介成本，不可篡改的時間戳特征可解決數據追蹤與信息防偽問題，安全的信任機制可解決物聯網技術的核心缺陷，靈活的可編程特性可幫助規范市場秩序。

區塊鏈技術所具有的無需中介參與、過程高效透明且數據高度安全等優勢，使其可運用在有以上需求的行業。在國外，區塊鏈推動建立安全可靠的數字經濟。此外，區塊鏈技術還廣泛應用于互聯網業務、醫療、體育等領域[2]。近幾年來，國內的區塊鏈發展也受到了越來越多的關注。筆者介紹了區塊鏈技術的基本概念，并對其在智慧水務中的應用進行了初探。

1 區塊鏈技術

1.1 區塊鏈技術的起源

區塊鏈是包含分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術的新型應用模式。區塊鏈技術源自比特幣[3]，是互聯網底層的分布式數據庫技術，特點包括去中心化、點對點傳輸、透明、可追蹤、不可篡改、數據安全及信用的自我建立等。

比特幣只是區塊鏈技術方案在支付領域的一個試驗性應用，區塊鏈還可以用于更加廣闊的領域，例如醫療、供應鏈、物聯網、安全認證、社交以及人工智能等。

1.2 區塊鏈技術的核心

1.2.1 區塊+鏈

區塊鏈將數據庫結構進行創新性分解，數據分塊，每個區塊通過特定的信息鏈接到上一區塊后，前后順序鏈接形成完整數據。

區塊按時間順序先后生成，每一個區塊記錄其在被創建期間發生的所有活動，形成記錄合集。

區塊結構具有兩個重要特性：第一，每一個區塊上記錄的交易是上一個區塊形成之后、該區塊被創建之前發生的所有交換活動，因此保證了數據庫的完整性。第二，絕大多數情況下，一旦新區塊完成并被加入到區塊鏈的最后，該區塊的數據記錄就不能被改變或刪除，保證了數據庫的嚴謹性[4]。

1.2.2 分布式結構

在中心化的體系中，數據集中記錄并存儲于服務器上。區塊鏈結構設計采取完全不同的思路，讓每一個參與節點都記錄并存儲所有的數據。區塊鏈根據系統確定的開源的、去中心化的協議，構建了一個分布式結構。價值交換信息通過分布式傳播發送給整個網絡，通過分布式記賬確定信息數據內容，蓋上時間戳后生成區塊數據，再傳輸至各個節點，實現分布式存儲[5]。

1.2.3 所有權的信任基礎——數學

區塊鏈設計者使用了密碼學的方式來解決共識機制，該機制的運作原理是“非對稱加密數學”。“加密”和“解密”的過程中分別使用兩個密碼，且兩個密碼具有非對稱的特點。

從信任的角度來看，區塊鏈實際上是數學方法解決信任問題的產物。在區塊鏈技術中，所有規則事先都以算法程序的形式表述出來，需要求助中心化的第三方機構進行認證，而只需信任數學算法就可以建立互信。

1.2.4 可編程的智能合約

腳本可以理解為一種可編程的智能合約。如果區塊鏈技術只是為了適應某種特定的交易，那腳本的嵌入就沒有必要，系統可以直接定義完成價值交換活動需要滿足的條件。然而，在一個去中心化的環境下，所有的協議都需要提前取得共識，腳本的引入則不可或缺。引入腳本后，區塊鏈技術會使系統有機會去處理一些無法預見的交易模式，保證了這一技術在未來的應用中不會過時，增加了技術的實用性[6]。

在區塊鏈上搭建可信的智能引擎、智能應用，為用戶提供去中心化的數據處理能力，實時部署到數據端進行分析計算的能力，以及抽取必要數據到中心節點進行融合分析的能力，為區塊鏈的發展開辟了廣闊的空間。

1.3 區塊鏈技術的模型

1.3.1 數據層

該層封裝了底層數據區塊的鏈式結構，以及相關的非對稱公私鑰數據加密技術和時間戳等技術，是整個區塊鏈中最底層的數據結構。

1.3.2 網絡層

包括P2P組網機制、數據傳播機制和數據驗證機制等。區塊鏈具有自動組網功能。

1.3.3 共識層

封裝了網絡節點的各類共識機制算法。目前已有十余種共識機制算法。數據層、網絡層、共識層是構建區塊鏈技術的必要元素。

1.3.4 激勵層

將經濟因素集成到區塊鏈技術體系中。

1.3.5 合約層

封裝各類腳本、算法和智能合約，是區塊鏈可編程特性的基礎。比特幣本身具有簡單腳本的編寫功能，而以太坊(Ethereum)極大地強化了編程語言協議，理論上可以編寫實現任何功能的應用。

1.3.6 應用層

封裝了區塊鏈的各種應用場景和案例，例如搭建在以太坊上的各類區塊鏈應用即部署在應用層。

2 區塊鏈技術在智慧水務的應用探索

智慧水務是智慧城市的重要組成部分，涵蓋了水文、水質、水資源、供水、排水、防汛防澇等各個方面。通過各種信息傳感設備測量水文水質等水利要素，并傳遞到互聯網上，進行信息交換和通訊，以實現信息智能化識別、定位、跟蹤、監控、計算、管理、模擬、預測和管理，從而提升了供水智能化管理水平[7]。

智慧水務的核心在于物聯網技術。物聯網技術采取中心化的體系結構，成本高，安全性差，面臨諸多挑戰[8]。將區塊鏈技術應用于物聯網技術，有助于更好地解決這些問題。

2.1 提升供水信息透明度

傳統的供水信息發布采取中心化模式，信息的獲取和發布對用戶不透明，容易出現延時和失真。尤其當事故或者污染發生時，用戶往往無法在第一時間得到信息，造成嚴重的后果，例如美國弗林特市水污染事件[9]。

表1 區塊鏈對物聯網挑戰的應對Tab.1 Blockchain’s response to the challenges of the Internet of things

與容易出現問題的中心化信息發布體系相比，使用更加公平、更加智能的區塊鏈供水信息發布是更理想的方式。將相關信息及時傳遞給公眾，既能減少損失，又能避免信息不對稱帶來的恐慌。將區塊鏈技術應用于分布式不可變的公共水信息，確保其數據真實度、數據安全性和數據驗證方面的信任和參與，將對智慧水務的發展產生積極的影響，有助于更好地進行決策。

區塊鏈是一種安全、透明、去中心化的公共賬本，記錄著各方的交易。如果使用一條公有鏈來記錄水質和水量的相關數據，無論是政府、企業和個人，都無法通過非法行為隱藏或者篡改真實數據。

美國Genesis公司將區域鏈技術應用于油氣田污水處理系統，為了減少當地民眾對污水處理質量的擔憂，系統中的數據采用以太坊(Ethereum)技術存儲發布，當水質變壞時系統也能預警，提高了人們對水質數據的信任度。

2.2 智能水交易系統

區塊鏈技術還可以支持給定流域內水權的點對點交易，給予用戶足夠的、或者是愿意與該地區的其他用戶共享超額資源的權利，此環節無需全天候依賴中心化的結果。

同一流域中的用戶可以根據最新的天氣信息、產品價格、市場趨勢和長期氣候變化趨勢(用戶可以通過移動設備獲取這些信息)來決定用水策略。這為水務管理提供了一種新的信息獲取和實時管理辦法。個人消費者、工業用戶、水務公司和政府管理部門，都可以使用這些信息來決定水資源的使用策略。

國外已有的應用案例包括：Power Ledger公司與澳大利亞弗里曼特爾市合作，使用區塊鏈技術運營一座太陽能光伏電站和分區水處理設施，驗證區塊鏈技術在水資源和能源分配系統的可靠性。WATERIG公司在香港開展試點研究，鋪設雨水收集點，并將這些收集點與水處理系統相連接，進入垂直農業和城市溫室項目。不同的社區可以自行選擇最適合的方式來運用區塊鏈技術，建立自己的雨水收集點。

2.3 智能水管理系統

區塊鏈技術與物聯網(IoT)技術的結合，將使城市的水資源管理系統更智能、安全、高效[10]。

區塊鏈技術結合物聯網技術對城市供水管網進行全面、自動化監控，幫助解決管網漏失問題。在供水網絡中安裝水壓和水量數據的智能傳感器，采取非中心化的方式通信，傳感器可以相互傳遞數據并發出預警。

同樣的技術還可被用于家庭。智能傳感器之間能利用區塊鏈技術通信，識別異常的用水信息。系統可以幫助用戶了解用水情況，節約用水。當用戶不在家時，一旦發生漏水，智能傳感器也能在第一時間告知用戶，甚至可以自動關閉入戶水閥。

在這樣的系統中，如果把所有數據都傳輸到一個中心，并在此做出所有的系統決策，則其容易受到黑客攻擊和被操縱。區塊鏈技術與物聯網技術的結合，可使信息安全得到有效保障，從而推動智能水務的發展。

3 結語

基于區塊鏈的水務應用目前還處于實驗階段，技術轉換還需要一定時間的實踐。今后隨著人工智能的成熟，區塊鏈技術與人工智能結合，還將在水務管理的自動化、智能化方面產生更大的進步。