基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電子輪機(jī)日志系統(tǒng)

聶野 毛世紅 張?jiān)栖? 于書強(qiáng)

摘 要：研究了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的新型電子輪機(jī)日志系統(tǒng)。系統(tǒng)可以定時(shí)定點(diǎn)連續(xù)性地自動提取船舶輪機(jī)日志相關(guān)的各項(xiàng)數(shù)據(jù)，借助區(qū)塊鏈的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動上傳和加密，利用區(qū)塊鏈的不可篡改特性實(shí)現(xiàn)了輪機(jī)日志的全程留痕、便于追溯的需求。研究協(xié)助更加完整和安全的記錄輪機(jī)日志，提供更為方便的查詢分析方法，為船舶輪機(jī)日常管理和事故追溯提供支撐。

關(guān)鍵詞：輪機(jī)日志;區(qū)塊鏈;數(shù)字摘要;共識機(jī)制;智能合約

輪機(jī)日志是反映船舶機(jī)電設(shè)備運(yùn)行和管理工作的原始記錄，是船舶的法定文件之一，是海事決策與監(jiān)管的主要憑借依據(jù)，必須妥善保管。按照規(guī)定，輪機(jī)日志應(yīng)依時(shí)間順序逐頁連續(xù)記錄，不得間斷、遺漏、撕毀和增補(bǔ)，應(yīng)使用不褪色的藍(lán)色和黑色筆記錄填寫，數(shù)字和文字要準(zhǔn)確，字體清楚端正，計(jì)量單位采用國家法定計(jì)量單位。

目前船舶上的輪機(jī)日志主要是通過人工填寫的方式完成記錄，輪機(jī)長全面負(fù)責(zé)審查監(jiān)督輪機(jī)日志的記載及保管，船舶航行狀態(tài)信息的記錄由船員負(fù)責(zé)填寫，受船員主觀意識影響較大。在船舶發(fā)生險(xiǎn)情時(shí)，狀態(tài)信息的記錄會面臨時(shí)間和情形限制，會導(dǎo)致船舶狀態(tài)信息記錄不完整、不正確的風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，紙質(zhì)化手工書寫船舶狀態(tài)數(shù)據(jù)的記錄方式不便于計(jì)算機(jī)識別、提取、處理，記錄的數(shù)據(jù)也不便于高效地查詢和分析。

在本研究中提出了一種基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電子輪機(jī)日志系統(tǒng)，系統(tǒng)將紙質(zhì)的輪機(jī)日志轉(zhuǎn)化為可靠存儲的電子輪機(jī)日志，為用戶安全方便的記錄、查詢、管理輪機(jī)日志提供幫助。

1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

輪機(jī)日志包含的內(nèi)容多且復(fù)雜，而且隨著科技發(fā)展需要記錄的內(nèi)容和類別會不斷變化，因此本研究沒有將輪機(jī)日志完全記入?yún)^(qū)塊鏈，而是采用數(shù)據(jù)庫存儲日志完整內(nèi)容，將日志的存儲路徑和數(shù)字摘要部分記入?yún)^(qū)塊鏈。根據(jù)以上思路，電子輪機(jī)日志系統(tǒng)包括日志服務(wù)模塊、區(qū)塊鏈平臺和數(shù)據(jù)庫，如圖1所示：

用戶按照不同的業(yè)務(wù)需求分為記錄人員、查詢?nèi)藛T和管理人員，用戶訪問日志服務(wù)模塊完成輪機(jī)日志的記錄、查詢和核驗(yàn)等業(yè)務(wù)功能。日志服務(wù)模塊包括日志填寫、日志自動采集、日志保存、日志查詢、日志核查等業(yè)務(wù)功能模塊，通過數(shù)據(jù)庫相關(guān)接口完成日志數(shù)據(jù)的存儲工作，依據(jù)約定算法將日志存儲路徑和日志的數(shù)字摘要計(jì)算得到元數(shù)據(jù)，調(diào)用區(qū)塊鏈平臺的智能合約實(shí)現(xiàn)元數(shù)據(jù)讀寫、系統(tǒng)權(quán)限驗(yàn)證、系統(tǒng)數(shù)據(jù)核驗(yàn)等功能。

區(qū)塊鏈平臺采用以太坊技術(shù)構(gòu)建，以太坊是一種基于智能合約的開放式區(qū)塊鏈平臺，開發(fā)者可以編寫智能合約并將合約部署到以太坊中創(chuàng)建去中心化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了在沒有可信第三方的情況下進(jìn)行可追蹤、不可逆轉(zhuǎn)的交易。本研究的智能合約主要針對元數(shù)據(jù)和用戶權(quán)限構(gòu)建，針對輪機(jī)日志主要為內(nèi)部使用的特點(diǎn)優(yōu)化了系統(tǒng)的共識機(jī)制。

數(shù)據(jù)庫部分系統(tǒng)可以采用關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，也可以采用非關(guān)系型數(shù)據(jù)庫，只需要具備日志屬性等結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)和情況描述等非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的存儲功能即可。從日志數(shù)據(jù)的安全性考慮，建議采用分布式數(shù)據(jù)庫。

2系統(tǒng)功能

電子輪機(jī)日志系統(tǒng)的功能主要通過日志服務(wù)模塊體現(xiàn)，包括日志填寫、日志自動采集、日志提交、日志查詢和日志核查等。在系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)過程中，需要區(qū)塊鏈平臺和數(shù)據(jù)庫提供支撐。

2.1日志填寫

日志填寫功能主要用于記錄船舶輪機(jī)相關(guān)的各類事件及臺賬，這部分內(nèi)容多為非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，系統(tǒng)無法自動獲取，需要記錄用戶按照實(shí)際情況填寫。填寫內(nèi)容具體包括：船長、輪機(jī)長的命令，值班駕駛員的通知;船舶的重要活動;檢修工作記錄; 燃油、潤滑油加裝、調(diào)駁的時(shí)間、地點(diǎn)、品種及數(shù)量; 船舶防污染設(shè)備的使用情況，污油水的排放時(shí)間、地點(diǎn);機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障的原因及其處理經(jīng)過;船舶應(yīng)急設(shè)備的檢查、試驗(yàn)情況;船舶固定消防系統(tǒng)的檢查、試驗(yàn)情況;船舶重要設(shè)備的檢修及進(jìn)行明火作業(yè)的部位、審批情況;船舶重要設(shè)備的更換情況及主要技術(shù)數(shù)據(jù);船舶交通事故、機(jī)損事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、主要經(jīng)過及其處理情況;輪機(jī)部人員的重大人事變動等。系統(tǒng)將以上內(nèi)容按照輪機(jī)日志的格式要求，分門別類列出供記錄人員填寫。

2.2日志自動采集

日志自動采集功能用于采集船舶航行和機(jī)艙設(shè)備運(yùn)行情況的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)，本功能無需用戶操作。系統(tǒng)可以通過部署于船舶端的各類感知設(shè)備中獲取數(shù)據(jù)，完成該部分日志數(shù)據(jù)的自動采集。可以自動采集的數(shù)據(jù)包括：主機(jī)啟動、主機(jī)停止的時(shí)間，主機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速;船舶靠離碼頭、進(jìn)出港區(qū)、航行于危險(xiǎn)航區(qū)及進(jìn)行編解隊(duì)作業(yè)的時(shí)間、地點(diǎn)和車鐘令;柴油發(fā)電機(jī)組、輔助鍋爐及機(jī)電設(shè)備的啟用時(shí)間和停止時(shí)間;駁油量、駁水量，燃油艙轉(zhuǎn)換量及輕重燃油轉(zhuǎn)換的時(shí)間;機(jī)電設(shè)備發(fā)生故障及恢復(fù)正常的時(shí)間;燃油、潤滑油消耗量、庫存量等。自動采集只需要管理人員針對當(dāng)前船舶進(jìn)行系統(tǒng)配置即可，一旦配置完成，系統(tǒng)即可根據(jù)約定的采集頻率和協(xié)議進(jìn)行連續(xù)自動的數(shù)據(jù)采集，無需用戶操作。自動采集的數(shù)據(jù)類型多樣，多數(shù)情況下并不能符合輪機(jī)日志的格式要求，需要進(jìn)一步的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和處理。

2.3日志提交

日志提交功能用于完成日志的數(shù)據(jù)采集和填寫后，定期自動將日志數(shù)據(jù)提交至后臺存儲，本功能無需用戶操作。輪機(jī)日志的提交涉及日志數(shù)據(jù)的保存和日志元數(shù)據(jù)的上鏈，具體過程包括數(shù)據(jù)處理、日志保存、數(shù)字摘要生成和元數(shù)據(jù)上鏈等。

（1）數(shù)據(jù)處理。自動采集的數(shù)據(jù)，需要按照輪機(jī)日志的格式要求進(jìn)行處理。在符合輪機(jī)日志格式要求后，將自動采集數(shù)據(jù)和人工填寫的數(shù)據(jù)按照約定的時(shí)間段（一般是自然日）組合，形成原始輪機(jī)日志數(shù)據(jù)。根據(jù)需要，原始的輪機(jī)日志數(shù)據(jù)可以采用對稱加密的方式，生成輪機(jī)日志密文存儲。

（2）日志保存。系統(tǒng)調(diào)用數(shù)據(jù)庫的相關(guān)接口，將原始輪機(jī)日志數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)庫進(jìn)行保存，獲取數(shù)據(jù)的存儲路徑。

（3）數(shù)字摘要生成。哈希算法是計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中非常基礎(chǔ)且重要的算法，它可以將任意長度的二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射成較短的二進(jìn)制串（哈希值），且不同的二進(jìn)制數(shù)據(jù)映射的結(jié)果極大的概率下是不同的。本研究中利用SHA256的算法獲取原始輪機(jī)日志數(shù)據(jù)的哈希值，稱為輪機(jī)日志的數(shù)字摘要。利用哈希函數(shù)抗碰撞的特點(diǎn)，數(shù)字摘要可以用來判斷輪機(jī)日志內(nèi)容是否被篡改，對數(shù)據(jù)完整性進(jìn)行校驗(yàn)。但是，若數(shù)字摘要值被篡改則數(shù)據(jù)完整性的驗(yàn)證失去了意義。因此，數(shù)字摘要需要被保存到區(qū)塊鏈中以保證安全性。

（4）元數(shù)據(jù)上鏈。數(shù)據(jù)的存儲路徑對應(yīng)輪機(jī)日志的存儲內(nèi)容，數(shù)字摘要則可以保證存儲的輪機(jī)日志未被篡改，本研究將存儲路徑和數(shù)字摘要統(tǒng)稱為元數(shù)據(jù)，下一步就需要將元數(shù)據(jù)保存在區(qū)塊鏈上，這就涉及到區(qū)塊鏈平臺的機(jī)制。系統(tǒng)將采用拜占庭共識機(jī)制作為區(qū)塊鏈平臺的共識機(jī)制，元數(shù)據(jù)產(chǎn)生后當(dāng)前節(jié)點(diǎn)作為輸入端啟動交易，按照智能合約，交易將被發(fā)送給當(dāng)前視圖的主節(jié)點(diǎn)，主節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)分發(fā)元數(shù)據(jù)到在線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算，當(dāng)運(yùn)算結(jié)果達(dá)到算法要求的一致性時(shí)即產(chǎn)生新的區(qū)塊并加入?yún)^(qū)塊鏈，完成元數(shù)據(jù)的上鏈操作。

2.4日志查詢

日志查詢功能用于查詢指定條件的輪機(jī)日志，并按照指定格式進(jìn)行展示，本功能主要面向查詢用戶。輪機(jī)日志數(shù)據(jù)存儲在數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)存儲路徑作為元數(shù)據(jù)的一部分存儲在區(qū)塊鏈中，因此若想訪問日志數(shù)據(jù)，需要首先進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈平臺，調(diào)用智能合約獲取數(shù)據(jù)存儲路徑。系統(tǒng)可以設(shè)置允許其他哪些節(jié)點(diǎn)訪問本節(jié)點(diǎn)寫入的輪機(jī)日志，設(shè)置完畢后，當(dāng)某節(jié)點(diǎn)發(fā)起日志查詢交易時(shí)，合約函數(shù)會對調(diào)用者身份進(jìn)行判斷。通過交易的簽名可以得到發(fā)起者的真實(shí)身份，沒有私鑰的情況下無法偽冒身份。具體的日志查詢流程包括：

（1）查詢?nèi)藛T調(diào)用日志查詢功能，系統(tǒng)根據(jù)查詢條件構(gòu)造數(shù)據(jù)訪問交易提交至區(qū)塊鏈平臺，并使用私鑰對交易簽名。

（2）區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)先驗(yàn)證交易簽名，簽名在許可范圍內(nèi)則啟動上鏈機(jī)制，將數(shù)據(jù)訪問的時(shí)間和以太坊賬號打包并廣播到全網(wǎng)，在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)對交易達(dá)成共識后，形成查詢交易區(qū)塊上鏈，供數(shù)據(jù)所有者對訪問記錄溯源。

（3）系統(tǒng)獲取元數(shù)據(jù)，根據(jù)數(shù)據(jù)存儲路徑從數(shù)據(jù)庫中獲取對應(yīng)的輪機(jī)日志數(shù)據(jù)，與元數(shù)據(jù)中的數(shù)字摘要進(jìn)行核對運(yùn)算驗(yàn)證數(shù)據(jù)完整性，最后返回給客戶端。

（4）如果在提交時(shí)有對稱加密操作，則用戶使用對稱加密密鑰解密獲得的密文數(shù)據(jù)，得到明文。

2.5日志核查

日志核查功能是定時(shí)或在事故發(fā)生時(shí)對全部或者部分輪機(jī)日志進(jìn)行核查追溯，查看日志數(shù)據(jù)是否被篡改、日志寫入查詢等操作記錄等，主要面向機(jī)務(wù)主管部門的管理用戶。日志核查的范圍主要包括：

（1）元數(shù)據(jù)有效性核查。定時(shí)在元數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈上驗(yàn)證指定區(qū)塊區(qū)間的相鄰區(qū)塊 Hash 值是否吻合。即檢查當(dāng)前區(qū)塊的 pre-hash 字段值是否為上一區(qū)塊的頭的 hash 值，以及當(dāng)前區(qū)塊頭的 Datahash 是否為本區(qū)塊所有交易的 hash 值等。

（2）數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)有效性核查。定時(shí)追溯區(qū)塊鏈中的元數(shù)據(jù)區(qū)塊，提取元數(shù)據(jù)區(qū)塊中數(shù)據(jù)存儲路徑對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，計(jì)算每條輪機(jī)日志數(shù)據(jù)的數(shù)字摘要，與元數(shù)據(jù)中存儲的數(shù)字摘要進(jìn)行比對，核查數(shù)值是否吻合。

（3）用戶訪問記錄核查。核查全部或者指定的用戶訪問記錄，查看用戶的訪問時(shí)間及賬號，檢查是否符合相關(guān)審核程序與授權(quán)許可。

（4）特定船舶輪機(jī)日志核查。對特定船舶提取符合查詢條件的電子輪機(jī)日志記錄，形成該船舶完整的輪機(jī)日志報(bào)告，作為相關(guān)事件處理的電子依據(jù)。

3結(jié)論

電子輪機(jī)日志系統(tǒng)可以定時(shí)定點(diǎn)連續(xù)性地自動提取輪機(jī)日志的各項(xiàng)狀態(tài)和數(shù)據(jù)，并且自動保存并上傳。系統(tǒng)采用了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式存儲，并且可以通過數(shù)據(jù)同步機(jī)制自動恢復(fù)，避免了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模式下的單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，保證了系統(tǒng)的可靠性。系統(tǒng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了管理范圍內(nèi)全部船舶的分布式透明記賬功能，采用數(shù)字簽名的過程保證了信息傳輸?shù)陌踩裕乐沽藢?shù)據(jù)傳輸內(nèi)容的篡改行為。系統(tǒng)的研究有助于提升船舶輪機(jī)日志的完整性和可靠性，對于降低輪機(jī)工作強(qiáng)度和提升輪機(jī)工作效率具有重要意義。

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