基于區塊鏈技術的煤礦安全信息管理模型優化構建

魏引尚，崔恩偉

（西安科技大學 安全科學與工程學院，陜西 西安 710054）

近年來，煤礦企業不斷整合安全信息資源，增加煤礦安全信息的利用率和可靠度，使煤礦安全管理有效性增強。在信息管理過程中，一方面，煤礦的特殊生產環境導致其日常安全生產信息分散[1]；而另一方面信息收集和分析手段都較為落后[2]。為了掌握第一手資料，煤礦企業更加需要通過有效的技術手段來提高信息收集能力，促進安全信息共享，提高職能部門之間協同作業的能力。區塊鏈是一種新型的分布式數據賬本技術，可以記錄數據、資產和所有在網絡參與者之間執行和共享的相關交易[3]。區塊鏈最初在比特幣上應用，如今區塊鏈已經迅速延伸到醫療信息管理[4]、城市交通信息管理等方面[5-8]。智慧礦山對信息化管理提出更高的要求，區塊鏈因其分布式管理、信息可追溯等特點，適合礦井綜合自動化系統解決煤礦安全管理中存在的信息共享困難、信息更新傳遞速度不及時等問題。因此，提出區塊鏈技術在煤礦安全管理4 個領域中的應用模型，旨在加強煤礦安全信息共享，提高煤礦安全信息管理效率。

1 煤礦安全信息共享基礎及途徑

1.1 作業人員

煤礦安全管理的核心就是人員管理，企業在獲取職工的學歷、能力與經驗等安全信息面付出了大量成本。但是一方面，職工有可能隱瞞其真實安全素質信息，造成信息失真。另一方面，在企業內部，職工的安全培訓、安全考核、證書獎勵、“三違”記錄等安全信息，由不同部門記錄。各個部門之間信息記錄與傳遞標準不同，妨礙部門之間的職工安全信息互通。由于上述原因，煤礦掌握的信息不足，人崗匹配不足，引起事故風險不斷[9]。

1.2 機械設備

設施管理系統運行中需要解決的問題或挑戰包括：

1）設備信息可靠性。如果設備發生故障，必須快速修復。為實現這一點，備件必須隨時可用，或者必須有一個可靠的系統來快速采購備件。在與主要設備制造商或者同型號煤礦共享備件管理系統情況下，可以更快地獲得儲備配件。

2）設備故障信息及時性。設備所有的故障歷史都應該準確、及時地記錄和管理，但由于情況的嚴重性，在發生意外故障的情況下，準確地記錄情況可能并不容易。此外，煤礦設施的運行、故障和維護記錄應按照有關管理部門的規定報告，以免產生掩蓋故障的嫌疑。

1.3 作業環境

由于井下開采環境復雜，隨采動不停變化，為保障煤礦安全開采，需要布置各種傳感器和其他裝置對礦井環境進行有效監測，并將監測數據發送到監測中心，從而實現對監測信息的融合，了解綜合環境，作出判斷，減少事故的發生[10]。煤礦環境監測數據目標主要有自然環境、生產環境（包括通風、礦壓、瓦斯、粉塵等）。環境信息的真實性和可靠性是保證煤礦安全開采的前提，但在實際監測過程中，一方面監測數據上傳、整理等環節中存在信息被竊取、惡意篡改等安全問題，另一方面，煤礦環境安全信息涉及種類繁多，各監控子系統單獨承載相應的內容，現有的環境監測系統存在信息共享困難。

1.4 制度安全

隨著時代發展，人們對煤礦安全要求越來越高。受生產環境變化、人員調動與技術更新等因素影響，煤礦企業通過不斷完善管理制度與技術規范，來提高管理水平。但是由于存在信息傳遞延遲、信息孤島等問題，各個職能部門缺少及時有效的信息交流和協調配合，造成安全責任人的混亂，資源材料的浪費，安全工作不能順利交接。

1.5 信息共享途徑

在傳統安全信息管理中，安全信息各監控子系統單獨承載相應的數據，各個職能部門之間依然存在安全信息缺失，信息傳輸不及時，信息不透明等問題。安全管理信息管理和區塊鏈的信息共享耦合，通過區塊鏈技術的分布式賬本、共識機制、非對稱加密/數字簽名、哈希運算、時間戳/時序數據、智能合約等，實現對傳統安全信息管理覆蓋和升級。

2 區塊鏈技術在安全信息管理中的適用特征

區塊鏈是一個數字化的、分散的公共賬本，在不依賴第三方的情況下，通過自己的分布式節點保存、驗證、傳輸和通信網絡數據，具有去中心化、信息透明可信、防偽防篡改、永久儲存可追溯、系統可靠性高、自動化履約等特性。區塊鏈的技術特點為：

1）鏈式存儲結構。礦井綜合自動化系統可以將所有的生產資料和員工的數據以區塊鏈的模式，依次連接起來就形成了一個鏈式數據存儲結構，形成一個歷史型基礎數據鏈。區塊鏈這樣的鏈接形式保證了當前數據區塊之前已經上鏈的數據區塊中的數據從結構上來說是追溯的。可以完善安全管理中安全信息來源不明的問題。

2）分布式管理。區塊鏈的分布式管理，無需中心管理機構來監督數據交換操作，所有區塊中的信息分布在整個網絡中的多個節點上。區塊鏈分布式賬本是同步更新的，而不是中心節點控制信息。分布式管理可以保證多渠道共享安全管理信息，確保安全數據的快速傳達，并且保證信息的完整性。

3）共識機制。達成共識是分布式技術的關鍵特征之一，區塊鏈網絡的所有參與者在實施區塊鏈之前達成共識，對數據進行統一性安排。在煤礦安全信息管理中，該協議確保安全管理決策和安全信息在其整個生命周期內是共享的、不變的，多方參與互相監督，保證數據庫的可信賴程度。

4）時間戳。在區塊鏈技術的支持下的每一條交易，互聯網可以對IP 地址做標記，并且采用包含時間戳的鏈式存儲結構將數據存儲在塊上，增加時間維度，跟蹤數據的來源。員工安全培訓、現場“三違”隱患排查等安全信息，在管理過程能夠保證每條安全管理數據都真實可信，能夠有效地避免造假行為。

5）智能合約。智能合約是由區塊鏈自動執行的，人們不能干涉或修改數據，一方面可以滿足平臺交易的效率，另一方面，它可以保證平臺的穩定性。環境監測、事故隱患瞞報和誤報等數據，依據由參與安全管理的部門共同協議制定的智能合約，保證信息源不被干預或修改。

3 基于區塊鏈技術的安全管理應用場景及模式

基于區塊鏈技術的煤礦安全信息管理模式如圖1。

圖1 基于區塊鏈技術的煤礦安全信息管理模式Fig.1 Coal mine safety information management mode based on blockchain technology

3.1 人力資源管理

引入區塊鏈技術可以為安全管理決策提供有效的支持信息，提高職工安全信息的使用率和效率。通過構建一條由人力資源部門、培訓部門、安環部、職工等多方參與維護的煤礦職工安全素質信息鏈條，將職工的安全素質信息全部上鏈。為煤礦職工調配和管理、煤礦職工安全素質評價、績效考核和薪酬發放上提供全面、真實、可靠的職工安全素質信息，有效解決人力、物力和財力成本,提高安全管理效率，增加可信度。

3.2 設備安全管理

設備安全管理是一個復雜的系統工程，把設備生產廠家、設備管理部門、同型號設備的其他煤礦都統一上鏈，參與到設備的更新和維護環節中，在其采購、檢查、測試、校準、維修、更換以及設備租賃等各個階段，區塊鏈在設備管理中的應用如圖2，在維護檢測中做到，做到凡是檢測必有人名，落實安全責任制。基于區塊鏈技術的設備安全管理，可以實現設備從出廠到報廢的全壽命管理區塊鏈的時間戳功能和可溯源技術可有效解決煤礦設備的追蹤溯源問題，減少假冒產品被用作零備件。

圖2 區塊鏈在設備管理中的應用Fig.2 Application of blockchain in equipment management

在煤礦安全管理上使用區塊鏈技術的目的是客觀、透明地管理安全信息和處理結果。區塊鏈的分散管理可以防止操作員隨意篡改數據來掩蓋操作員的失誤或錯誤，并監控在發生事故時是否采取了適當和必要的措施，實現事件和故障監控的精確和透明性。區塊鏈技術可以確保故障響應措施安全、快速地實施，并準確地向監管機構報告。通過區塊鏈技術，預先指定的信息和數據可以自動上報相關部門，方便有關部門及時處理故障。

3.3 環境安全管理

歷史數據的真實性是檢測礦井環境安全的基礎，因此必須在煤礦檢測系統中保證數據的可靠性、完整性。把傳感器作為感性節點，將一段時間內感應到的數據（瓦斯濃度、粉塵濃度、CO 濃度、溫度等），發送至采集基站（具有數據整合、分類、傳遞的功能），在區塊鏈的保證下，產生的數據在驗證后，通過分布式賬本，完整、準確的上傳至區塊鏈，環境監測數據錄入如圖3。區塊鏈的鏈式結構可以保證傳感器感知節點身份信息不可篡改，確保傳感器感知節點的有效性，使區塊鏈的身份證認證安全可靠。所以，某一類型的監測數據就能方便準確地被查到歷史數據，通過查詢歷史記錄就可以對井下某一范圍內監測項目進行追蹤分析。

圖3 環境監測數據錄入Fig.3 Environmental monitoring data entry

3.4 規章制度更新

區塊鏈在提高信息更新方面有天然的優勢，使安全制度規范變更的參與者成為區塊鏈上的一個節點，然后將變更后的信息區塊蓋上時間戳，打包發送至區塊鏈上。由于區塊鏈的分布式共享技術，隨著時間變化，不斷增加信息。并且它可以消除批準所需的人工參與和繁重的文書工作, 可進一步簡化其他管理操作。

總結上述論述，基于煤礦的人員管理系統、設備管理系統、環境監測系統、制度規范更新4 個維度出發，以其為基礎進行煤礦安全數據收集、整合、匯總、處理，構建安全信息管理區塊鏈模。

4 結 語

構建了一種將區塊鏈技術應用于煤礦安全系信息管理系統的優化模型，從人、機、環、管4 個方面入手，構建了4 種典型的應用場景，說明了區塊鏈技術在安全信息管理方面數據傳遞效率高、信息準，從而體現了智慧化礦山發展特征。通過區塊鏈的分布式管理，對礦井人員安全素質、設備可靠性、安全環境監測以及煤礦安全制度等信息實時準確更新，實現了人員素質準確評價、設備快速修復和準確記錄故障、環境監測數據溯源、避免安全責任人混亂。在信息化時代，基于區塊鏈技術的煤礦安全信息管理模型，對于提高煤礦信息傳遞的效率、保證信息傳遞的真實性和完整性方面具有重要意義，同時也是促進煤礦企業數字化轉型的重要途徑。