淺談區塊鏈在飛機維修數據儲存及共享中的應用

葉定一

習近平總書記在中央政治局第十八次集體學習時強調，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。區塊鏈作為新一代信息技術代表在我國迅速生根、發芽，經過這些年的發展，目前已經實現與多個行業的深度融合。區塊鏈技術應用也已延伸到數字金融、物聯網、智能制造、供應鏈管理、數字資產交易等多個領域。

民航業作為國家戰略性、先導性產業，需要加快區塊鏈產業融合，才能發揮區塊鏈在促進數據共享、優化業務流程、降低運營成本、提升協同效率、建設可信體系等方面的作用。以飛機維修數據的儲存和應用為例，現在飛機維修數據的儲存和應用還處于比較原始的階段，大量的維修數據是以紙質形式保存，紙質的維修記錄通過授權人員簽名、蓋章等方式才能保證維修記錄的有效性。然而紙質的維修記錄有著很多缺點：第一，儲存不便，通常需要專門的庫房存放；第二，無法備份，容易損壞或丟失；第三，維修記錄檢索和查閱十分不便；第四，資源消耗大，需要海量的紙質工作單卡，不利于環保。與此同時現有的數字維修記錄又有信息共享范圍不廣，數據交換實時性不高，數據生命周期管理困難、數據正確性和安全性管理困難，數據信息泄露等諸多問題。而區塊鏈提供了鏈上數據不可篡改，共享可查的鏈上記錄能力，提供了多方信任和數據共享機制。區塊鏈技術利用共享記錄賬本可以實現數據生命周期的追溯管理，還可以對數據共享授權實現精細化的管理。

因此，本文設計了一種基于區塊鏈的飛機維修數據存儲和共享系統，旨在利用區塊鏈技術的可溯源、不可篡改、去中心化、高度安全等屬性解決當前飛機維修數據存儲和共享存在的問題。該系統將維修數據發布到區塊鏈上可實現系統層面的防篡改，同時將數字工卡進行數字簽名保障了數據的有效性，通過時間戳保障了數據可信度，并利用智能合約實現了飛機維修數據的平臺化、智能化。

1區塊鏈技術簡介

區塊鏈本質上是一個去中心化的分布式賬本數據庫。其本身是一串使用密碼學相關聯所產生的數據塊，每一個數據塊中包含了多次網絡交易有效確認的信息。區塊是區塊鏈的基本單元，它由區塊頭和區塊體組成，基本結構如圖1所示。

對區塊進行隨機散列后加上時間戳，然后將隨機散列通過P2P網絡進行廣播就能證實特定數據必然于某特定時間是的確存在的。每個時間戳應當將前一個時間戳納入其隨機散列值中，每一個隨后的時間戳都對之前的一個時間戳進行增強，這樣就形成了一個鏈條，如圖2所示。

基于區塊鏈的分布式、不可篡改、可追溯、透明性、多方交易、交叉驗證等特性，數據權屬可以被有效界定，數據流通能夠被追蹤監管、數據受益能夠被合理分享。區塊鏈可以不依托權威中心和市場環境形成基于密碼算法的信任機制，拓展了人類的信任半徑，從而讓互聯網中陌生人的合作成為可能。

2基于區塊鏈的系統架構體系

在本文架構體系中，數據的寫入是由工作者完成的，工作者在對電子工卡進行數字簽名后，電子工卡就等待被打包寫入區塊完成上鏈。航空公司負責認證的功能，通過頒發數字證書完成對具體人員的授權，確認數據錄入和數據讀取的權力歸屬，通過“投票”確認數據是否可以上鏈。數據需求方是指局方或飛機租賃公司需要查看維修數據的第三方，在得到認證后可以查看鏈上的數據。基于區塊鏈的維修數據架構體系如圖3所示。

飛機維修數據對航空公司來說相當重要，不能隨意對外公開，因此本文沒有采取比特幣、以太坊使用的公有鏈，而是使用了Hyperledger Fabric區塊鏈技術，在Hyperledger Fabric中網絡節點必須經過認證后才能加入網絡，同時Hyperledger Fabric采用了PDBF共識機制替代比特幣和以太坊采用的POW的共識機制，避免了POW共識算法的高電力消耗，同時提高了交易處理速度。

區塊鏈是由一個個區塊構成的鏈條，區塊是基本的組成單位，一個區塊是由區塊頭和區塊體構成的，下面將對本文的區塊結構進行闡述。

區塊頭的主要關鍵字段如下：

前塊哈希值（previous_hash）：對前一個區塊進行哈希運算獲得的哈希值，通過將前塊哈希值放到區塊頭使得兩個區塊得以鏈接從而形成區塊鏈。

工作指令樹（work order tree）：本區塊的所需要打包的工作指令形成的默克爾樹（Merkle Tree），通過工作指令樹，可以保證區塊體中的工作指令內容不會被篡改。

飛機樹（aircraft tree）：主節點對系統中所有飛機現有狀態取哈希值形成的默克爾樹，通過飛機指令樹，能夠查看指定時間飛機的狀態，例如適航指令在指定時間是否執行。

零部件樹（parts tree）：主節點對系統中所有零部件現有狀態取哈希值形成的默克爾樹，相當于一個器材的不可更改的電子履歷證明。

區塊號（block number）：每個區塊都有一個區塊號，表明了當前區塊在區塊鏈中的位置，第一個區塊為創世區塊，區塊號為0000000001。

頻道（channel）：頻道主要是用來完成授權功能，使得該系統可以從單一航司使用的系統，升級為一個多航司共享數據的平臺。

時間戳（time stamp）：當前區塊生成的時間，可以用于判定區塊體中的工作指令上傳是否合規。

布隆過濾器（logsbloom）：通過布隆過濾器可以實現對區塊中內容的查找。

區塊體是由工作指令的具體內容所組成的，工作指令中必須有飛機注冊號（reg number）、 上件件號序號（uppnsn）、下件件號序號（downpnsn）時間戳等幾個關鍵字段。通過工作指令中的這幾個序號，才能夠使得全節點可以對飛機樹、零部件樹進行數據維護，并通過布隆過濾器查找所需要的信息。時間戳可以保障工作指令上鏈時的時間合法性。數字簽名能保證工作內容的合法性。

區塊鏈數據結構的簡單示意圖如圖4所示。

生產部門將工作指令下發給工作者后，工作者可以在移動終端上查找工作指令獲取今天需要完成的電子工卡，在執行工作的工作內容時，需要按照工卡的要求每完成一項，進行一次數字簽名。在簽名的同時對該項工作內容加蓋時間戳。整份工卡完成后，工作者需要對整份工卡進行數字簽名。之后便進入了數據上鏈階段。系統中的全結點，會審查上傳數據的時間戳是否合法、數字簽名是否有系統授權。審查通過后，全節點便會將該數據打包到區塊中，數據完成上鏈。

3智能合約

智能合約是一種無需中介、自我驗證、自動執行合約條款的計算機交易協議。區塊鏈中的智能合約可以理解為儲存在區塊鏈上的代碼。這種智能合約繼承了區塊鏈的去中心化、去信任、不可篡改的特性，同時又具有可編程、可靈活嵌入各種數據和資產的功能，能夠幫助實現安全高效的信息交換、價值轉移和資產管理。

3.1智能合約的運行機制

智能合約的運行機制如圖5所示，智能合約一般具有值和狀態兩個屬性，代碼中用If-Then和What-If語句預置了合約條款的相應觸發場景和響應規則，智能合約經多方共同協定、各自簽署后隨用戶發起的交易提交，經P2P網絡傳播、礦工驗證后儲存在區塊鏈特定區塊中，用戶得到返回合約地址及合約接口等信息后即可通過發起交易調用合約。礦工受系統預設的機制激勵，將貢獻自身算力驗證交易，礦工收到合約創建或者執行合約代碼，合約代碼依據可信外部數據源（也稱為預言機）和世界狀態的檢查信息自動判斷當前所處場景是否滿足合約觸發條件以嚴格執行響應規則并更新世界交易狀態，交易驗證有效后被打包進新的數據區塊，新區塊經共識算法認證后鏈接到區塊鏈主鏈，所有更新生效。

3.2智能合約的應用

通過智能合約的應用，飛機維修數據系統可以從原始的、單純的數據儲存系統擴展為一個數據平臺，飛機維修的數據可以在平臺中自由的交流，飛機維修業務將實現質的飛躍。如下為幾個簡單的構想：

3.2.1航材索賠的自動化賠付

在現有的航材索賠模式中，航材的索賠需要經過“航材拆下-航材送修-OEM廠家接收-OEM廠家給出索賠結論-確認索賠結論-給予賠付”的流程，需要航線、航材、工程、財務、OEM廠家的多方合作，賠付周期很長。通過將索賠條款寫入智能合約中，在上傳維修記錄的同時，便可以通過預言機判斷器材索賠是否成立。索賠成立則自動執行合約中賠付程序，大大地縮短了索賠周期。

3.2.2二手航材的交易

在本文的區塊鏈中有零部件樹，通過零部件樹可以查詢到每一個器材的每一條工作記錄，比對區塊鏈上的零部件樹HASH值可以保證維修記錄真實性、有效性，完美地解決了二手航材中的航材來源的信任問題。航空公司可以將準備出售的器材的通過智能合約放到一個公共地址中，需求方可以通過布隆過濾器在這個地址中查找符合自己需求的器材，找到符合需求的器材后，可以通過查詢區塊鏈的數據查看維修記錄，確認購買后可以通過智能合約完成購買。

3.2.3維修數據的共享

各個航空公司都有自己的維修系統，有大量的維修數據，但航空公司之間的維修數據共享卻很少，究其原因就在于各航司的維修數據格式不統一，沒有一個統一的數據共享平臺。與此同時，飛機維修又在朝著預測維修、智能維修的方向發展，需要大量的維修數據作為支撐。通過智能合約即能實現單一件號的維修數據共享，也能實現多個航司的維修數據全面共享。航空公司甚至可以將自己的維修數據作為一種數字資產，出售給那些需要積累數據的企業。

3.2.4飛機退租/出售中的應用

在飛機退租/出售時，往往涉及大量的維修記錄的核查。在本文的區塊鏈上有飛機狀態樹，通過智能合約查詢飛機狀態樹，可以快速將飛機的維修指令、修理記錄、串件記錄、時控件記錄等進行一次全面梳理并分門別類進行打包。租賃公司或售機公司可以快速地查詢所需要的維修記錄。租賃公司和售機公司通過對比區塊鏈上的哈希值，可以確保航空公司提供的維修數據的真實性和有效性。

3.2.5局方的審查

現在局方對飛機維修的審查，主要是以適航年檢和“法定自查”為主。通過智能合約可以使審查工作簡單化、精細化。以適航指令的執行為例，局方可以構建一個智能合約，航空公司將執行適航指令后的維修記錄發送到局方提供的智能合約地址。智能合約在收到條記錄后，將自動進行判斷將執行過的適航指令的飛機進行標記。局方通過該智能合約可以實時看到該適航指令的執行情況。

4結論

區塊鏈技術的出現解決了去中心化信任的問題，從代碼角度保證了鏈上數據的不可篡改，區塊鏈技術完美匹配了當前行業對飛機維修數據安全性、準確性的需求。同時智能合約的去中心化、去信任、自治自足給飛機維修提供了一個巨大的平臺，使得維修記錄不再是一堆放著庫房中的老古董文件，而變身成為預言機、驗證器、交易資源。區塊鏈技術在金融行業已經有了大量的應用，但在民航特別是飛機維修工作中尚缺乏相關的研究。本文設計一個基于區塊鏈的飛機維修數據安全儲存及共享系統，詳細描述了該系統的實現原理，區塊鏈的數據結構，以及智能合約的應用，期望能對未來區塊鏈在民航業特別是飛機維修中的應用提供有益的啟發與參考。

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