區塊鏈技術在智慧城市建設中的應用研究

◇三門峽職業技術學院信息傳媒學院 王瑞娜

在物聯網、云計算、人工智能等信息技術快速的背景下，建設智慧城市，實現城市管理的信息化和智能化成為新時代每一座城市的發展新趨勢。智慧城市建設中會產生海量的數據，數據的存儲、傳輸、處理的高效性和安全性，是智慧城市建設和發展必須解決的問題。本文將區塊鏈技術與智慧城市相結合，借助區塊鏈技術去中心化部署、建立信任機制、數據交換過程透明和數據可溯源的特點，將該技術應用到公共服務如交通、醫療、物流等領域，實現了智慧城市安全、高效的數據交換。

隨著云計算、物聯網、大數據等信息技術的快速發展，城市各行業或領域的運行系統都會借助新技術去采集、傳輸、整合和分析相應的數據信息，實現智能化的城市建設和管理已成為新時代背景下城市規劃的必然結果。然而，隨著智慧城市建設的不斷實踐化，智慧城市的建設和管理也面臨著很多問題。首先，對于城市各方面數據的采集和分析不夠完善，無法完成數據的準確化；其次，基于目前物聯網集成化程度不高，各平臺在數據分享、協同工作及數據安全等方面還面臨較大挑戰，因此，導致目前智慧城市建設出現數據孤島，無法高效實現數據共享，保障數據安全，使智慧城市建設停留在數字化階段，距離理想中的數據化還有一定的距離。解決這些問題，不僅需要軟件技術的升級和更新，還需要升級硬件設備的底層協議，將區塊鏈技術應用到智慧城市的建設中能有效解決這些問題。

1 區塊鏈技術的特點

區塊鏈是一個分布式的共享賬本和數據庫，它采用分布式數據存儲和點對點傳輸[1]。區塊鏈存儲的基本單元是區塊，每個區塊內都存放著數據的存儲狀態以及其發生變化的所有過程及結果，而且新增加的區塊還會包含著上一個區塊的信息，每個區塊按照它生成的順序進行排列鏈接，就構成了區塊鏈。其底層網絡架構上是通過構建共識機制，依據相關協議實現節點間的數據交換，并通過加密技術實現數據不被偽造和篡改，有效的提高了網絡中數據交換的安全性。區塊鏈技術具有去中心化、共享賬本、信任機制和信息可溯源的特點，能夠在智慧城市建設中發揮積極的作用。

圖1 數據共享中區塊鏈應用結構

（1）去中心化部署：區塊鏈技術采用分布式賬本，其交易記賬由分布在不同地點的節點共同完成，而且各節點之間自由鏈接并高度自治，各節點能夠實現自我驗證、傳遞和管理，不需要中心管制，也不依賴第三方管理機構，強調的是數據的去中心化管理。智慧城市建設中的數據共享網絡可采用分布式的布局，能夠降低數據被篡改、丟失及被漏洞攻擊的風險，對數據的安全性進行了保障[2]。

（2）建立信任機制：區塊鏈內部建立了眾多種類的共識機制，形成節點交易的準則和協議，依靠共識機制，用戶能夠通過不同節點數據進行驗證，只有通過驗證的數據才能進行交換，因此單個節點并不會影響整個系統的功能和安全，有效的保證了數據交換過程的安全性、真性和可驗證性。

（3）數據交換過程透明：區塊鏈采用非對稱加密、數字簽名、哈希算法等密碼學技術，對賬戶身份信息或其他隱私信息進行高度加密，只有數據擁有者授權才能訪問，提高了數據的可靠性和數據交易的安全性。此外，區塊鏈技術提供了共享賬本服務，數據交易過程中每個參與者都能加入到內部數據庫的記錄過程中，這樣不僅避免了數據造假和錯漏問題，也在一定程度上公開了數據交易的過程和記錄，保障了數據交換的公平性[3]。

（4）數據可溯源：在數據爆發式增長的環境下，數據所有權的認證是個難題。區塊鏈是個分散的數據庫，記錄了區塊鏈上每筆交易的輸入輸出，該技術對鏈上所有數據進行分析的同時也追蹤了數據信息的變化，通過判斷信息與源數據的權重等級和追蹤記錄，來判斷數據的所有權，實現數據的可溯源，打消數據使用的顧慮，以促進數據共享。此外，區塊鏈還采用了時間戳服務機制，能夠證明數據寫入和發生交易的時間，實現數據所有權和使用的分離，保證數據所有權的同時，有效實現數據的資產化。

2 基于區塊鏈的智慧城市體系結構

智慧城市是構建在互聯網、局域網、城域網、移動網絡等城市基礎通信資源的基礎上的，從智慧城市的實現功能及所起作用的角度來分析，智慧城市的體系架構至少包含物理層、通信層、平臺層和應用層四個模塊，圖2是基于區塊鏈的智慧城市體系架構。

圖2 基于區塊鏈的智慧城市體系架構

（1）物理層：物理層屬于智慧城市建設的感知部分，位于智慧城市體系結構的最底端，其設備包括傳感器、無線網關和互聯網設備，用于數據信息的采集和處理，為智慧城市的建設和運行提供基礎信息，例如智慧交通的感知部分可以是攝像頭、測速雷達等；智慧物流的感知部分可以是條形碼、RFID電子標簽等；智慧農業的感知部分可以是溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光敏傳感器等；智慧醫療的感知部分可以是測量身體各項指征的傳感器、遠程醫療監護視頻等。智慧城市的物理層是通過各種檢測手段和技術，對城市中人和物的位置、狀態等信息進行多種方式的感知，實現數據的采集。

（2）通信層：智慧城市的通信層實現物理感知層的數據接入。智慧城市由各種不同的設備組成，這些設備遍及城市的各個地方，而且數據接口千差萬別并且涉及多種不同業務，因此，單一的通信技術無法滿足不同設備和不同業務的需求。目前，智慧城市的通信方式類型較多，如藍牙、WIFI、4G/5G、以太網、電力線載波、WAPI、無線LAN等通信技術，能夠滿足智慧城市通信覆蓋面積廣闊和高效傳輸及處理大量數據的需求。為保證數據傳輸的安全性和隱私性，區塊鏈協議與通信層集成，可以在P2P網絡環境下，通過重疊網絡傳輸協議將交易記錄轉換成塊，然后將區塊鏈中的分發協議比特流用于點對點的通信，最后通過部署智能合約實現自我執行和自我驗證[4]。

（3）平臺層：該層是智慧城市的核心部分，包含了數據中心、驗證中心和審核中心。平臺層主要完成將物理感知層采集的數據根據智慧城市的應用部分整合到相應的數據庫中。智慧城市產生的數據是海量的，采用集中式的數據管理，對數據的存儲成本、計算分析能力和網絡寬帶等的要求都很高，因此可以采用分布式系統來完成數據的存儲和分析。區塊鏈是一種分布式的分類賬，能夠按照時間戳提供的時序一個接一個的存儲記錄，而且每條記錄都含有唯一的加密簽名，所有的交易記錄都能被合法的用戶進行審核和驗證，能夠避免數據傳輸時被惡意的進行竊取或者篡改。區塊鏈的分布式記賬分為公共分類賬和私有分類賬，其中公共分類賬是公開透明的，是一個沒有許可證的網絡，這意味著任何人都可以加入這個網絡，但其必須維護復雜的共享記錄，與私有分類帳相比，它不僅可能會遭到匿名攻擊，而且需要更多的時間才能達到共識。

（4）應用層：智慧城市的應用層體現在不同行業或領域的智慧應用及應用整合，其直接面向終端用戶。各應用部分通過相關的感知部分智能采集相關領域的各種數據，并傳輸到數據中心進行存儲、分析及加工，最終由應用部分共享數據，由此為城市的各行業和領域提供信息化支持和服務。如智能家居系統可通過智能手機的應用程序，遠程控制家中電器、報警系統的開關等。此外，智慧+醫療、交通、金融、教育等，它們不僅能實現各自業務功能的智能化，而且它們之間的相互協作也能促使智慧化建設做出更好的決策。

3 區塊鏈在智慧城市建設中的應用優勢

（1）有效提高系統管理效率。智慧城市的建設和運行中會產生海量的數據，這些數據來源于交通、醫療、政務、商務等不同領域，其采集的數據端口不同，而且數據類型繁多，導致信息的管理比較分散而且很難進行統一的管控。采用區塊鏈技術可以將各類端口和信息分別置于區塊鏈的節點上，通過不同地點的分散的節點來應對眾多不同服務端口的數據采集及對各系統中大量數據進行管理，這樣不僅能減少系統的數據存儲、管理、分析和處理的運行成本，同時也能提高系統的運作效率。對于公共服務機構，借助區塊鏈的節點優勢，不僅能降低機構系統開發、運行和管理的成本，還使得各部門權責分明，提高整個系統的管理效率，通過各部門多領域的信息協作共享，加大智慧城市建設的力度。

（2）促使城市管理的高效性。基于區塊鏈技術的數據平臺由區塊鏈節點、網絡、數據源和監管服務等方面組成，其中監管準入服務對各類信息的出入權益進行了嚴格的監管，而且區塊鏈中節點和監管準入服務必須共同作用，才能實現信息的監管，區塊鏈的這個功能能夠實現智慧城市建設的多領域的管理，提高系統的管理效率。如區塊鏈技術在智慧交通管理中的應用，天氣數據、交通車流量及道路狀況分別需要不同的參與者進行數據的收集和分析，再由區塊鏈節點進行傳送以實現信息的存儲和管理，最后通過監管準入服務進行信息的判斷，合格的信息可以存儲到區塊鏈上[5]。需要進行信息查閱的人可以通過相關的數據接口進入區塊鏈進行訪問，讓交通實現了智能化和信息化，提高了交通管理系統的效率。

（3）智能合約功能在各領域中的應用。智能合約是在區塊鏈數據庫上運行的計算機程序，能夠在滿足源代碼的寫入條件時自動執行，通過程序算法替代人仲裁和執行合同。智能合約一旦制定好就不能修改，若節點要進行數據交易就必須遵循相應的準則和協議。如智能合約在智慧醫療領域的應用，能夠實現對藥品供應鏈的監管與藥品鑒別，所有藥品供應鏈的參與者，通過智能物聯設備采集藥品生產者、運輸商、銷售商及醫院的相關信息，并利用區塊鏈技術將這些數據上鏈，借助智能合約功能，保證數據的透明性、不可篡改性和永久有效性，確保數據安全與信息可回溯，同時，在采集數據出現異常時自動報警，避免出現重大損失。

4 結語

根據區塊鏈技術的特征及優勢，其被運用在智慧城市建設的不同行業和不同的終端設備中，為智慧城市的建設提供了底層的技術保障。基于區塊鏈的智慧城市建設，不僅提高了民眾的參與度，也節約了城市管理的成本，提高了政府監管的力度，提高了工作效率及服務水平，促使城市管理的信息化和智能化，使數據更好的為民眾服務，進一步推動城市建設。