區塊鏈技術在水利行業的應用展望

成 飛，張 磊，李 民

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

水利行業信息化、數字化和智能化發展較為落后，近十年來，行業各方大力推行BIM技術，在數字化設計、智慧化運維、大數據分析、云共享等領域頗有建樹，然而距離其他行業的現代化應用還有差距，科技創新略顯不足。近年來，區塊鏈技術在全球范圍內大火，這個源于加密數字貨幣的計算機新技術，目前正在向垂直領域延伸，蘊含著巨大的變革潛力，有望成為數字經濟信息基礎設施的重要組件，正在改變諸多行業的發展圖景[1]。

2019年10月，習近平總書記在主持中央政治局學習時強調，區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起著重要作用。我們要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。我國在區塊鏈領域擁有良好基礎，要加快推動區塊鏈技術和產業創新發展，積極推進區塊鏈和經濟社會融合發展。

那么如何將區塊鏈技術應用在水利行業中來幫助我們追趕超越？本文將對這一問題展開討論展望。

1 區塊鏈技術簡介

1.1 區塊鏈的定義

區塊鏈是一個去中心化的分布式系統，其本身是一串使用密碼學關聯的數據塊。因其最重要的特點是每一節點都存儲一份完整的數據，所以在狹義的理解中，很多人都管區塊鏈叫做分布式賬本或分布式數據庫。廣義上的區塊鏈則代表的是一種技術，是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算范式[2～3]。

1.2 區塊鏈的結構

區塊是鏈式結構的基本單元，主要包含區塊主體和區塊頭兩部分。文件通過非對稱加密算法加密后形成區塊主體，在區塊主體上加上區塊編號、時間戳、上一區塊哈希值、默克爾樹根等信息組成的區塊頭。

圖1 區塊鏈結構圖

按區塊編號順序將前一個區塊的哈希值放入后一個區塊的區塊頭中形成了塊塊相連的區塊鏈，這種特殊的“塊-鏈”形式可以防止事后造假、抵賴和篡改。對鏈上任何內容的修改，會造成本區塊哈希值的改變，正所謂“牽一發而動全身”，后續每個區塊哈希值均會改變，文件真實性因此會受到影響[4]。

1.3 區塊鏈技術

區塊鏈技術包含了多個基礎技術:哈希運算、默克爾樹、數字簽名、非對稱加密算法、共識算法、智能合約和P2P網絡等。

1.4 區塊鏈技術的特點

1.4.1 去中心化透明可信

區塊鏈技術不依賴第三方管理機構或硬件設施，沒有中心管制，所有節點均是對等節點，大家平等地發送和接收網絡中的消息，每個節點都保存有該鏈上的所有信息。每個節點接收到信息后由共識算法進行驗證，保證所有節點數據的一致性。整個系統對所有節點均是透明、公開的，信息是可信的。

1.4.2 難以篡改

在傳統信息系統的安全方案中，安全依賴于層層設防的訪問控制。而通過區塊鏈技術（公有鏈）記錄的數據任何人都可以訪問，但由于巧妙的設計并輔以密碼學和共識機制，區塊鏈的數據記錄方式使得修改某一數據需要變更所有的后續數據，難度極大。實踐證明，市值達千億美金的比特幣在全球黑客的攻擊下運轉穩定，足以見證要篡改通過區塊鏈技術記錄的數據的難度有多大[5～6]。

1.4.3 可追溯

想要直接更改區塊鏈上的數據是不被允許的，但可以通過新增數據塊來實現數據的變化，并在區塊鏈上留下完整記錄的。這樣我們可以針對某一數據在區塊鏈上追查與其相關的全部歷史變更。

1.4.4 安全可靠

區塊鏈不受任何人或實體控制，數據在所有節點上完成復制分發，單個節點被攻擊或出現故障，不影響整個系統的正常運轉，數據安全性有保障。

1.5 區塊鏈的分類

區塊鏈可按照訪問和管理權限可以分為公有鏈、聯盟鏈、私有鏈。

公有鏈即為全員均可參與，不受任何單個機構或私人控制，數據完全開放透明。應用典型代表是加密數字貨幣比特幣、以太坊等。

聯盟鏈常用于多個互相已知身份的組織之間構建，需要嚴格的身份認證和權限管理，適用于組織間需要達成共識的業務。比如多個銀行之間的支付結算、多個企業之間的物流供應鏈管理、政府部門之間的數據共享等。應用案例典型代表是超級賬本（Hyperledger）。

私有鏈指不對外開放，僅僅在組織內部使用。相比中心化數據庫，私有鏈能夠防止內部某個節點篡改數據，故意隱瞞或篡改數據的情況很容易被發現，發生錯誤時也能追蹤錯誤來源，最大的好處是加密審計和自證清白。應用案例典型代表是如螞蟻金服等。

2 區塊鏈技術在水利行業的應用場景展望

2.1 工程招投標信息驗證

水利工程招投標活動中，招標方會要求投標方提供信用中國查詢截圖、行賄犯罪檔案查詢、相關業績簡介、高級技術人員從業經歷等信息，以便驗證企業實力。此類信息由投標方自己提供，真偽難以辨別，在資格審查及評標過程中往往耗費大量精力和時間。

由行政主管部門制作發放基于區塊鏈技術的水利行業數字身份證，水利行業企業經審批后上傳加密的企業經營信息和高級技術人員從業信息存儲在區塊鏈中，此數據信息因企業和個人無法私自篡改而真實可靠。在招投標活動中通過解碼驗證數字身份證后可快速讀取區塊鏈中相關信息，從而降低招投標工作量，降低招投標成本。

2.2 基于智能合約的建設管理

水利工程開展涉及多家單位，原本中心化的工程建設模式需要建設方控制定計劃，實時獲得設計、施工、材料、設備制造環節中所有信息，工作繁瑣、難度大。在整個工程中，設計進度、設備制造進度、施工進度等變化以及突發信息等都掌握在各自獨立的單位中，而這些單位之間的多線溝通影響了互聯互通的效率，也制約了工程在實際建造過程中的進度。

構建基于區塊鏈技術的工程信息記錄數據庫，包括參建各方人員信息記錄、工程設計圖紙及BIM信息、工程變更信息、地質編錄信息、材料設備信息、造價信息、驗收信息等，加強互聯，節省溝通成本，也能清晰明快地找出制約進度的關鍵節點，理清關鍵問題思路，同時可以部署智能合約，提升項目智慧化建設管理水平。

智能合約在滿足一定條件時就會自動執行，基于區塊鏈不可篡改及安全性高的特點，可以確保智能合約的安全執行。建設單位通過部署基于區塊鏈的智能合約，設定各合同執行條件，待各方上傳數據后自動執行，簡化建設單位工作量。比如，當設計單位上傳階段范圍內的全部設計文件到區塊鏈中，可觸發智能合約付款條件，系統自動執行付款流程向財務提交付款申請，財務人員響應后付款給設計單位，并將轉賬記錄上傳記錄在鏈上，完成該部分合約履行。

2.3 水利工程數字檔案

水利工程檔案記錄往往內容不完善。每一項水利工程大相徑庭，參建單位來自各行各業，管理水平參差不齊，相關的工程檔案存在記錄緩慢存檔不規范、易被篡改、真實性存疑等問題。

基于區塊鏈的電子檔案保存系統可以在檔案真實性上進行突破，數字簽名、時間戳和數字摘要這三大技術的應用，可以防止偽造、篡改，防止時間上作假、檢驗原文件是否被破壞[7]。同時，由于參建單位可以共同將各自建設檔案上傳形成工程檔案聯盟鏈，可以較全地收集工程所有的信息，方便后期查找使用。

2.4 設計單位出案流程及設計版權

水利設計單位引進區塊鏈技術，可將其應用在設計報告和圖紙的校審、交付、存檔等質量管理體系中。密鑰權限分開給予設計人及校審人，設計人僅有設計權利，經審查后的內容不能被私自修改，設計文件的原始版本、修改和變更也可以在區塊鏈中追溯到。出案交付的設計文件在被存檔的同時，加密共享到整個區塊鏈節點上。

設計單位的另一個應用方向是設計文件的版權保護。在互聯網數字新時代，信息傳播異常簡單，普通人非常容易具備零成本復制、迅速傳播的能力，侵犯版權非常容易。而版權維權則較為復雜，版權確認、侵權舉證、驗證等較為困難，時間和經濟成本高。

設計單位可以加入基于區塊鏈數字版權聯盟來保護自己的設計文件版權。數字版權聯盟由版權運營方、版權所有人、消費者代表和可信機構搭建的區塊鏈版權聯盟鏈。版權運營方上傳版權信息至區塊鏈中，國家授權中心提供時間戳，公證處作為節點之一保證任何時刻可出具帶有司法效力的公證證明。當發現侵權行為時，快速調用版權服務中的侵權取證接口，對侵權內容抓取取證，并將取證結果保存在版權平臺中；將侵權行為固化為證據進行儲存。對于已進行侵權存證操作的侵權內容，版權服務提供持續性的侵權監控、侵權追蹤等服務，確保侵權方對于侵權內容采取相應處理。

2.5 機電設備管理

在機電設備管理領域，基于區塊鏈構建水利工程建設方、生產廠家、設計單位、監理單位參與的設備信息全生命管理系統，全程跟蹤設備設計參數、制造方案、材料采買、生產進度、試驗數據、出廠運輸、安裝調試、運行狀態、維修記錄等信息，提高設備管理的效率效益。

2.6 事故調查取證

目前基于區塊鏈的電子數據存證已在司法中有諸多應用，2018年9月，杭州互聯網法院就引入螞蟻區塊鏈技術，成為全球首個推出區塊鏈司法存證平臺的法院。水利行業中，因區塊鏈技術可提供溯源性追索，在工程項目質量安全事故調查時，可以快速清晰地查證到究竟是哪一步未按照質量安全規范進行操作，應當由哪家參建單位哪位工程師負責，進一步保證了建設工程項目質量安全，有利于政府監管部門對市場參與者的實時監督和事后追責[8]。

3 水利行業應用區塊鏈技術的建議

1）區塊鏈技術在水利行業的應用多種多樣，因前期需要巨大投入導致企業積極性不高，需要政府大力支持及引導。水利行業主管部門可通過行業協會調查了解行業具體需求，出臺水利行業區塊鏈應用指導意見和操作指引，推動區塊鏈技術在建筑行業的落地應用。

2）當前區塊鏈的從業人才非常缺乏，懂水利工程又具備區塊鏈從業背景的人更是鳳毛麟角，行業內急需從其他行業引進人才，才能更好更快地將區塊鏈技術在水利行業的應用落實。

3）水利行業企業在培育人才的同時，可以尋求行業以外的力量幫助建立區塊鏈應用系統，如引進已經成型的螞蟻區塊鏈技術、華為云區塊鏈服務構建水利行業的應用。

4 結語

區塊鏈技術作為新興技術，在金融、保險、物流、司法、能源等領域已經開始小規模應用，其多方互信的特點決定了區塊鏈技術在未來會成為一項基礎技術而廣泛的應用在各行各業中，而水利行業是一個傳統行業，其信息化、數字化是近幾年才開始大力發展的，新技術的應用一直比較落后。水利行業內各方及從業人員加大努力，不斷創新，才能將區塊鏈技術在水利行業中有更多的應用場景，在實際項目生產管理中落地。