區塊鏈技術在智慧水利建設中的應用研究

李輝，曾云峰，羅敏

(1.成都農業科技職業學院機電信息學院，成都，611130；2.四川水利職業技術學院信息工程系，四川崇州，611200)

前言

隨著第三次信息技術浪潮的到來，以“感知、互聯和智能”等為基本特征的大數據、物聯網、區塊鏈等技術及其應用，極大地改變了各個行業的效率和效能。水利信息化、現代化、智能化發展迎來了良好契機，發展智慧水利，正成為水利現代化的強力抓手和必然選擇。

2019年國家發改委及水利部印發的《國家節水行動方案》指出，要瞄準世界先進技術，加大節水產品和技術研發，加強大數據、人工智能、區塊鏈等新一代信息技術與節水技術、管理及產品的深度融合，重點支持用水精準計量、水資源高效循環利用、精準節水灌溉控制等先進技術及適用設備研發[1]。

1 區塊鏈技術在智慧水利建設中的優越性

1.1 區塊鏈

區塊鏈是一個共享數據庫，存儲于其中的數據和信息具有“不可偽造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公開透明”、“集體維護”等特征。區塊鏈技術通過共識機制和智慧合約將技術與智慧相融合，奠定了堅實的“信任”基礎，創造了可靠的“合作”機制，具有廣闊的運用前景。2019年1月10日，國家互聯網信息辦公室發布《區塊鏈信息服務管理規定》[2]。習近平總書記在中央政治局第十八次集體學習時強調，要把區塊鏈作為核心技術自主創新重要突破口，構建區塊鏈產業生態，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展，積極探索“區塊鏈+”在各個領域的運用[3]。“區塊鏈”已走進大眾視野，成為社會的關注焦點。

1.2 水利數據的特點

(1)監測數據多樣，數據量大。水利系統涉及建設監管部門多，施工監測數據量大、日常運行維護數據眾多、更新頻率高、數據積累速度快，因此，對于水利系統產生的海量數據進行管理與維護是一個重要難題。

(2)更新頻率快，時效性高。水利數據以物聯網監測數據為基礎，具備了物聯網傳感器設備數據產生頻率快、時效性高的特點。因此，在進行水利數據的采集、應用和管理時，傳輸速度和數據處理能力便成了智慧水利系統關鍵的技術因素[3]。

(3)跨部門使用，使用頻次高。智慧水利是智慧城市重要的組成部分，水利數據往往在水利、政府等多部門交叉使用，具有高頻次的使用率。

1.3 區塊鏈技術在智慧水利建設中的優越性

(1)區塊鏈系統是以數學算法為基礎的去中心化系統，極大程度上降低了水利行業的建設和管理成本，提高了智慧水利建設中的分布式處理效能。公開透明的信息在公有鏈上節點可以對區塊鏈內的數據進行訪問，保證了海量水利數據的可靠性及可追溯性。

(2)區塊鏈信息具有不可篡改性，當信息加入至區塊鏈節點時，會永久儲存至數據庫中。同時，由于區塊鏈具有集體維護功能，任何一個節點的數據修改不會影響其他節點的數據內容，因此，區塊鏈的數據穩定性、可靠性較高。水利行業存在配水管網覆蓋區域龐大、結構復雜，監測大時滯性等問題，而區塊鏈結合物聯網、大數據等技術，能將海量的水利信息進行及時分析和處理，以更加智能和精細的方式，打造水聯網系統。

(3)自治性區塊鏈在應用層利用契約和協議，依靠特定的數學算法構建的機器信任，為系統構建特定規則，所有節點必須遵守系統規則，人們無法對節點間的數據交換行為進行干預。智能合約的出現使得基于區塊鏈的兩個人不只是可以進行簡單的價值轉移，而可以設定復雜的規則，由智能合約自動、自治地執行，這極大地擴展了區塊鏈的應用可能性，也提高了水利系統的開放性與共享性，有助于推動水利行業的信息化、智慧化建設與管理。

2 區塊鏈技術在智慧水利建設中的應用

2.1 基于區塊鏈的水資源管理系統

我國是一個水資源匱乏的國家，人均水資源僅為世界人均量的1/4。水資源缺乏、利用率低，水數據的可信度低、數字化程度低、數據量少、數據精度低，水資源數據耦合性和匹配度差、數據孤島現象嚴重[4]。水資源環境監測系統作為監控雨情、水情、墑情變化過程和地下水位、水質動態等信息的重要平臺，是水資源合理開發利用、城市發展建設、保障社會民生安全、防汛救災的重要保障，也是國家現代化治理體系中的重要環節[5]。

2.1.1 促進水資源數據標準化規范化

長期以來，我國的水資源數據缺乏統一規范的技術標準，主要表現在數據分類分級問題、數據版本和質量控制問題，數據整合問題等。水資源數據標準化是實現水資源開放共享的重要前提。基于區塊鏈技術的水資源環境監管，采用標準化、統一化的數據描述標識體系描述水資源及其環境的特征，記錄設施運行和監控全流程中的數據，形成統一規范的水資源數據標準化體系結構，為全面水資源信息共享，提高水利行業的整體管理水平和現代化、信息化進程具有積極的促進作用。

2.1.2 提高水資源數據使用效率

通過區塊鏈技術形成的水資源數據體系通過泛在化互聯技術將分散的水資源數據進行分布式存儲與管理，讓所有的水資源成為“可描述、可計算、可分類、可共享”的數據節點，最終形成全局性的水聯網系統，有效保障了水資源數據的計算可信度和數字化，切實提高了水資源數據的使用效率。同時，數據的不可篡改性也有效保障了數據的安全性與共享性，切實實現了數據的可信計算、互聯互通、高效管理。

2.1.3 實現水資源數據開放共享

水文水資源信息共享體系主要由政策法規與技術標準體系、數據資源整合與共享數據庫系統、數據共享網絡平臺建設以及共享數據運行服務和效果評估體系構成。通過對水資源數據進行深加工和處理，如通過關聯分析、序列模式分析、分類分析、聚類分析等先進的數據挖掘技術進行數據信息的再加工和處理，生成能夠滿足不同主題、科學研究需要的各類綜合性數據，打通水資源共享壁壘，全面實現數據的兼容共享、互聯互通。

2.2 基于區塊鏈的水資源均衡配置與調度系統

水資源宏觀配置和微觀調度是實現水資源合理調配的兩個關鍵。現有的調度方法是基于水利工程安全的前提下，依據水利工程的運行規則及性能對已知的水資源進行供水策略的制定，其中最大的約束點在于水利工程的運行性能以及所能支配的水資源量，對于二者采用的技術缺乏耦合性研究。

2.2.1 水資源配置區塊鏈

水資源合理配置是根據多年的歷史來水和用水資料，建立合理配置模型進行系列操作求解。把該配置模型應用于某個具體調度時段(如月、日等)進行調度時，未必能獲得最佳效益，甚至出現較大的偏差。

水資源配置區塊鏈模型構建過程中，考慮規劃層面的相關控制條件與原則，包括水量平衡條件、水資源總量控制條件、節水優先原則等，得出各水源利用方案以及社會經濟需水方案。具體內容包括生態節點處月均徑流量值；不同水利工程合理供水范圍；不同水源實際供水量；水資源宏觀配置方案以月為計算時段。以供需平衡分析為基礎繪制概化系統網絡圖，網絡圖包括節點如計算分區、水庫、引提水樞紐、輸水交匯點、湖泊及濕地、水傳輸系統。

2.2.2 水資源均衡調度區塊鏈

水資源調度方案除了受到當前條件下各行業用水需求形勢、經濟政策、水資源稟賦等多種因素影響外，同時也受到水利有關部門水量宏觀配置方案的嚴格約束，因此，需要在事前約束與實時影響之間取得水資源調度方案的均衡。因此，如何實現水資源宏觀配置與水資源微觀調度的緊密耦合是水資源調配研究領域中的重要課題。

基于區塊鏈的多目標均衡調度模型的參數包括渠系、河道、排水渠道的蒸發和滲漏比例、當地未控徑流可利用水量比例、計算分區灌溉渠系蒸發、滲漏及入河比例。生活用水、生態用水、工業用水需水量的數據可通過配置方案中的月數據平均求得；農業用水參考當地農業灌溉制度表，根據農作物種類、種植結構及灌溉定額劃分成旬數據。綜合進行目標函數的耦合，在社會效益目標中，以水資源宏觀配置方案生成的各分區各用水戶實際供水量耦合代替多目標均衡調度模型中的各用水戶需水量；在生態效益目標中，以宏觀配置方案所得的旬均徑流量值耦合代替自然狀態下旬均徑流量值。

2.3 基于區塊鏈的數字水權與交易服務管理

我國是一個缺水國家，也是一個用水大國。如何更好地使用和管理水資源是一項十分重要的社會問題。數字水權的核心就是把資源水變成商品水，結合區塊鏈，用安全、透明和分布式記賬技術來記錄各方之間的交易，保證數據不丟失，把每一方水管理起來，通過確權實現從資源到資產的轉變，提高全民的節水意識，增強節水主動性和獲得感，最終提高整個社會的水資源利用效率。用智能合約在無須人為干預下自動完成交易驗證流程，用權限管理可控地管理用水戶。同時，家庭、行業消費者、水務管理人員和政策制定者都能獲得關于水質和水量的數據，這樣的透明度會幫助消費者做出何時儲存、何時用水的方案，也可以幫助防止地方當局篡改或扣留水質數據的貪腐行為。區塊鏈技術還可以支持給定流域內水權的點對點交易，給予用戶足夠的共享超額資源的權利。例如，同一水域中的農民可以根據最新的天氣信息、作物價格、市場趨勢和長期氣候變化趨勢(農民可以通過移動設備獲取這些信息)來決定是否交易他們的配額。

2.4 水利工程建管運維一體化區塊鏈平臺

隨著信息技術和現代通信技術的發展，水利工程建設和運管信息化程度逐步提高。大型的水利工程是關系國計民生的重大項目，因其施工復雜，海量的紙質數據和檔案管理滯后，集中化的電子管理數據原始性和安全性難以保證。區塊鏈以其分布式存儲、不可篡改和加密安全性的特點為水利工程信息化、智慧化提供了全新的解決方案。作為分布式的共享數據庫，區塊鏈記錄了水利工程施工、管理、運維各個時間節點的全部處理信息，各個區塊按照時間先后順序形成了清晰有序的鏈式數據結構[6]。區塊鏈記錄對于所有的節點都是開放、透明的，當其中某個節點的數據遭到篡改時，其他節點記錄的數據可以對數據原始性進行有效校驗，可以防止任何區塊中的數據被篡改。這為水利工程施工、管理和運維提供了一體化的安全、可信的系統環境。

2.4.1 水利工程招投標信息區塊鏈

水利工程是關系國計民生的重要工程，現有的工程招投標信息由投標方自行提供，存在真假難辨的隱患，在評標過程中也容易造成大量時間和精力的耗費。基于區塊鏈技術的水利工程數字身份證，經由行政主管部門、水利行業企業各級審批后其信息上傳加密存儲在區塊鏈中，數據信息存在無法篡改真實可靠的特性。在招投標過程中通過數字解密可快速讀取區塊鏈中的相關信息，極大程度上減少了招投標工作量，降低了成本，提高了效率，也保障了信息的安全。

2.4.2 水利工程建設運維區塊鏈

水利工程建設與運維是一種中心化的工程建設模式，設計、材料、施工等各個環節工藝復雜，工作繁瑣，管理難度大。各建設單位與部門多線溝通影響了互聯互通的效率，也制約了工程建設的進度和效率。基于區塊鏈的工程建設與運維，將建設單位與人員信息、材料設備信息、造價經費使用信息、工程驗收信息、工程運維等所有信息以清晰明快的節點形式進行智能合約部署，互聯互通節約了溝通成本，也提升了項目智慧化建設與運維水平。基于區塊鏈技術的不可篡改性和安全性特點，也確保了水利工程建設的安全執行。

2.4.3 水利工程數字檔案管理區塊鏈

水利工程建設單位來自各行各業，工程檔案存在不夠規范統一、真偽性存疑、易被篡改等問題。基于區塊鏈技術的水利工程數字檔案管理系統，通過數字簽名、時間戳等關鍵技術，可有效防止信息偽造、篡改。同時，形成完備的數字檔案系統，為工程檔案的管理與維護提供了極大的便利。

3 結語

區塊鏈作為新一代信息技術，正在以全新的方式促進水資源規范化標準化管理，促進水利高效集約建設，加速水資源數據全面共享，推進水利行業智能化轉型。這就要求廣大水利工作者繼續加大對區塊鏈技術在水利行業的前沿研究與創新應用，全面推動智慧水利建設與發展。