區塊鏈在智慧水利建設中的應用研究

（河海大學，江蘇南京 210098）

我國面臨的人均水資源不足、時空分布不均、水環境污染等問題日益復雜，以現代科學技術為基礎的智慧水利建設十分必要。2018年，水利部印發《加快推進新時代水利現代化的指導意見》（水規計〔2018〕39號），提出應全面推進智慧水利建設，建設全要素動態感知水利監測體系、高速泛在的水利信息網絡，提升水利信息化。區塊鏈技術具有去中心化、公開透明、難以篡改和安全可靠等特點，利用區塊鏈技術可以解決智慧水利建設中的問題，提升水利的信息化、數字化水平，推動智慧水利的進一步發展。

1 區塊鏈技術簡述

1.1 區塊鏈的概念

區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的新型應用模式，一般可以將技術基礎架構模型分為基本模塊、核心模塊、交互模塊。基本模塊包括兩層，即數據層和塊層，數據層包括事務數據與數據基礎設施服務，塊層包括鏈結構；核心模塊包括共識層和契約層；交互模塊包括應用層，對應比特幣發展的三個階段。

區塊鏈技術具有匿名性、去中心化、無法篡改、無須信任的共識機制等特征，去除了各類系統應用中的諸多約束條件，為較多想法的實現提供了技術可能性[1]。

區塊鏈技術不是單一的信息技術，類似于大數據、人工智能、物聯網等新一代信息技術，基于現有的技術，重新組合和開發新的應用功能。

1.2 區塊鏈的優點

（1）去中心化：區塊鏈去中心化的特點使所有網絡節點均可以參與區塊鏈網絡數據的記錄維護，無須第三方介入便可實現人對人、點對點的交易和互動。區塊鏈去中心化的交互方式避免了單點故障，提升管理公平性，公開透明的賬本，保證數據可靠及可追溯性，多種匿名機制利于居民隱私的保護，因此，區塊鏈有利于數據保護問題的解決[2]。

（2）開放性：區塊鏈系統是公開透明的，在公有鏈上節點可以對區塊鏈內的數據進行訪問，用戶可以通過區塊鏈接口查詢數據記錄或開發相關應用。

（3）信息不可篡改：當信息加入至區塊鏈節點時，會永久儲存至數據庫中，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。

（4）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。

2 區塊鏈在智慧水利中的應用場景與優勢分析

智慧水利的主要內涵包括新信息通信技術的應用、多部門多源信息的監測與融合、系統集成及應用[3]，區塊鏈作為一種新興的、與信息相關的技術，與智慧水利的內涵有較高的耦合性，其技術特性可以滿足智慧水利建設的需求，在某些應用場景中較傳統解決方案優勢更明顯。

從區塊鏈的技術特點與智慧水利建設的實際需求出發，可以總結出水利工程建設、水體數據存儲、水權交易平臺與智慧水利綜合管理系統四個較為合適的應用場景。

2.1 水利工程建設

在水利工程的施工建設中，需要對施工人員、功能設備、施工資源與質量四個方面進行管理[4]，涉及的數據包括施工人員、設備、施工材料、工程完成情況等具體信息，也包括人力資源、設備管理、采購、倉儲、調度等多部門，數據繁雜且管理決策主體較多。應在區塊鏈實現對數據的精細化管理與對多決策主體的支持，且一些數據有存證與公示的需求，如施工人員的考勤、設備的維修狀態、工程質量評價等，需要借助區塊鏈技術實現。

大型水利工程有許多標準細則、工程合同、建設方案等文件需要長期保存，這些文件與數據是后期對水利工程進行監督與維護的重要依據，需要對其安全性多加關注。但目前部分文件仍以紙質憑證為唯一依據，已經無法滿足智慧水利建設的需要。

區塊鏈以其公開透明、不可篡改的技術特性，可以滿足水利工程建設管理與存檔的需要。建立區塊鏈水利工程建設管理系統，可對在建的水利工程項目進行精細化管理，精密記錄工程中的數據變化。工程數據上鏈后可以形成無法篡改的電子化檔案，電子檔案在確保安全的同時可方便獲取，是水利工程監督與后續維護的重要依據，也是智慧水利決策支持系統的重要數據來源。

2.2 水體數據存儲

智慧水利需要通過匯聚綜合數據與支撐平臺進行多源、多種類數據信息的匯集、整合[3]，區塊鏈可為水體數據的存儲整合提供技術支撐。在目前水質、水文數據的收集階段，仍有許多數據需要人工進行記錄，數據易錯且可以被篡改。在數據的存儲階段，傳統的信息系統無法保證數據的安全，且中心式的系統運維成本較高。

在數據的使用階段，不同地區、不同部門之間的信息流動不暢通，形成信息孤島，不利于數據的有效使用。結合使用區塊鏈技術與物聯網技術可以實現水體數據監測、記錄、存儲、調用的閉環。使用區塊鏈信息系統直接調用物聯網監測系統的相關接口，通過物聯網技術感知的水體數據直接上鏈，調用時查看鏈上數據。

上鏈后，可提升水體數據的可用性與易用性，項目系統實現了來水環境可信檢測[5]的同時，促進了數據的共享。

（1）水質數據。傳統信息系統中存儲的水質指標可以被修改造假，區塊鏈中的水質數據可以直接作為水質存證，用來考核環保部門、河長，可對污染進行溯源與追責，增強了數據的可用性。

（2）水文數據。上鏈能促進水文數據在各部門間的流動與共享，在水利工程建設、流域綜合治理等工作中，相關部門均可詳細查看水文數據，增強了數據的易用性。

2.3 水權交易平臺

水權交易作為優化調節水資源配置的重要方法，其效用被人們進一步認識，相關的試點與實踐有序進行，但基于傳統技術的交易平臺，難以有效滿足水權交易的需求[6]。

區塊鏈技術最先被應用于金融行業，關于交易與記賬的應用較為成熟，在實踐中證明了區塊鏈應用于交易系統中可信度高、精密記賬的優勢，因此，基于區塊鏈構建水權交易平臺十分必要。

基于區塊鏈的水權平臺可充分利用區塊鏈的技術特性，構建透明化的水權交易規則體系[7]，優化交易流程，滿足水權交易的需求。

利用智能合約的可更新性，方便修改具體交易規則，解決季節性可變水權的交易困境，滿足水權交易改革試點期間對交易規則頻繁修改的需要。利用智能合約滿足條件自動執行的特性可減少人工審核，優化交易流程。利用區塊鏈分布存儲的技術特點，可以保證水權數據與交易數據的安全可靠，提升數據安全性，可通過降低系統運維成本減少交易費用，提升水權交易市場的活躍性。

2.4 智慧水利綜合管理系統

智慧水利是一項復雜的系統工程，對信息流動性與各業務模塊間的耦合性要求較高。智慧水利綜合管理系統包括水環境、水權、水利工程、水務等方面的管理模塊，融合了云計算、數據挖掘等技術，為系統提供智慧決策支持。以水利工程管理系統、水體數據管理系統、水權交易系統為例，三者均屬于智慧水利綜合管理系統的子系統或子模塊之一，但在系統決策主體、數據類型、依賴技術上均存在差異。因此，智慧水利下各功能模塊的數據流動、決策主體的權限管理與數據挖掘的全面性，成為智慧水利建設效果的重要影響因素。

使用區塊鏈中聯盟鏈的相關技術，構建基于多鏈的智慧水利綜合管理系統，可使系統更加有效地運行。系統中不同功能模塊的數據存儲在不同的鏈上，數據安全且有序。各決策主體通過CA授權訪問不同的區塊鏈，在實現權限管理的同時，不影響信息流動的效率。智慧決策支持系統直接調用區塊鏈接口，并對不同鏈上的數據進行訪問，可以獲取涉及多部門的、更加全面的數據，增強決策的科學性。此外，區塊鏈去中心化的特性，可減輕中心節點的處理壓力，減少智慧水利系統的建設與運行成本，對智慧水利的建設推廣起到積極作用。

3 結語

隨著我國城市化進程的加快，工業化程度的不斷提高，發展智慧水利尤為重要。本文介紹了區塊鏈技術，總結了區塊鏈技術的技術優點，探究了區塊鏈技術在水利工程建設、水體數據、存儲水權交易平臺建設與智慧水利綜合管理系統四個方面的應用。在智慧水利的視角下，區塊鏈相較于傳統技術在促進水利信息流動、簡化業務流程與水利信息可信存證方面有顯著優勢，其應用落地是實現智慧水利精細化管理的重要途徑。目前，我國水資源形勢復雜，智慧水利行業的發展處于初級階段，區塊鏈技術的應用研究還不成熟，具體的應用場景及具體情況仍需要進一步深度研究。