基于區塊鏈的輸變電工程見證取樣及檢測管理系統研究

吳斯陽 劉曉東 陳志安 蔣成 呂剛

（1.湖南電力工程咨詢有限公司 湖南省長沙市 410001 2.廣州粵建三和軟件股份有限公司 廣東省廣州市 510640）

1 引言

電網輸變電工程見證取樣工作作為工程質量保障的重要環節，具有法定和強制執行的地位，但在工程管理工作中，由于來自業主、監理、施工單位及檢測部門等多方面的原因，導致見證取樣及送檢工作難以確切落實，造成工程質量缺陷或留下工程安全隱患[1,2]。

輸變電工程具有點多、面廣、線長的特點，特別是輸電線路工程，在野外、偏遠和高山大嶺地點施工是常態。材料運輸困難，商業砼等難以送至高山陡坡的施工地點。取樣和見證人員翻山越嶺體力消耗大，存在見證取樣、養護送樣過程中工作不到位、履職不盡責的現象。

見證取樣和送檢工作是保證建設工程質量檢測公證性、科學性、權威性的首要環節，對工程質量意義重大，并且為監理單位驗收、評估工程質量提供了直接依據[3]。由此可見，生產企業生產混凝土，監理單位見證、施工單位取樣，進行第三方試驗室送檢，這幾個環節中，如何做到不存在弄虛作假現象，并形成閉環溯源混凝土全過程，讓建設管理單位和質量監管部門能準確了解輸變電工程混凝土從生產到使用、監測的全過程狀態，并依據監管數據進行綜合統計分析，準確判斷混凝土生產質量，判斷問題工程，及時查處各方責任主體的造假或不作為行為，確保建筑工程的質量具有重要意義[4,5,]。

本項目針對以上問題，通過建立基于區塊鏈技術的輸變電工程見證取樣平臺[6,7,8]，建立檢測機構內部的試驗管理系統與通過唯一性標識可實現樣品從送檢、檢測試驗、檢測試驗報告各環節全過程監控，檢測機構出具的試驗報告附加含見證取樣唯一性標識信息的防偽二維碼[9]，工程質量監管人員可通過智能終端掃描防偽二維碼進行逆向溯源，根據輸變電工程檢測試驗技術管理規范要求的制取試件、登記臺賬、送檢、檢測試驗、檢測試驗報告管理等的幾個環節，實現工程質量的閉環監管[10]。

同時利用區塊鏈技術的趨于成熟，可以保障數據的可追蹤，公開透明，內容不被篡改，不會丟失，很好的解決現有的諸多問題[11]。

2 樣品檢測流程分析

2.1 見證取樣

本項目通過對工程施工過程原材料的質量檢測全過程監管，同時結合芯片技術對工地現場混凝土取樣進行身份標識，杜絕施工單位采用虛假混凝土試塊，確保檢測單位出具的檢測報告，真實地反映工程實體的質量情況。見證取樣流程如圖1所示。

圖1：見證取樣流程

工作流程：

（1）施工單位通過手機客戶端，掃描真實有效的混凝土運輸單上的二維碼完成收貨。

（2）施工單位取樣人員通過手機客戶端登記混凝土樣品信息，生成見證記錄。

（3）施工單位取樣人員在取樣時，人臉識別通過后，再掃描收貨完成的混凝土運輸單上的二維碼，獲取混凝土生產信息，然后在混凝土試塊中植入RFID 芯片，并將試塊的生產信息通過手機NFC 或者芯片植入客戶端寫入芯片，將芯片作為混凝土試塊的身份標識。對混凝土試塊和取樣人員進行拍照并定位，完成取樣操作。

（4）見證人員進行現場見證，人臉識別通過后，對已取樣并植入芯片的樣品和見證人進行拍照并定位，針對輸電線路工程特點，特別還設計了將桿塔施工地理位置與見證取樣位置的比對功能，位置基本匹配后，方能完成見證操作。

（5）最后將樣品送往檢測單位。

2.2 試驗室檢測管理

工作流程：

（1）檢測機構在收樣時，檢查混凝土試塊外觀后，通過驗樣客戶端，配合RFID 芯片讀卡器，讀取芯片中的信息并進行校驗，校驗通過后，通過驗樣端自動將芯片中的樣品信息同步至基于區塊鏈的輸變電工程見證取樣及工程檢測管理系統；

（2）檢測單位的力學類檢測試驗機完成檢測后，將包括自動采集原始記錄、力值曲線圖、破型圖、檢測數據及檢測報告在內的數據上傳至基于區塊鏈的輸變電工程見證取樣及工程檢測管理系統；

（3）對于混凝土試塊檢測不合格始數據，建設單位可以通過手機客戶端對檢測不合格數據進行處理，完成檢測不合格閉環。

（4）監督員通過手機客戶端，掃描報告二維碼驗證報告真偽，下載見證記錄、檢測數據記錄。

3 系統設計

3.1 系統需求分析

3.1.1 業務功能需求分析

（1）檢測工作可控、可信化、可溯源。

1.履行工程主體各方職責。

見證取樣環節由工程責任主體多方共同完成。系統程序需明確取樣人員，見證職責，樣品見證上傳步驟。

2.增強工程建設信息化水平，加大在線監管和質量溯源。

工程建設領域的信息化相對其它行業比較滯后，需將區塊鏈作為核心技術融入到工程檢測信息系統中，增強工程見證取樣及工程檢測管理信息化水平。

針對溯源問題，檢測報告和數據可能被篡改，多方責任主體各持一詞。系統需采用智能芯片技術、生物特征識別技術和區塊鏈技術，保證數據上鏈后的真實性。

（2）提高工程檢測工作和職能部門監管效率。

1.系統需實現各部門數據的共享，以及數據傳輸的實時性、安全性、準確性，效率性，完成質量檢測、監管模式的統一。

2.系統需實現業務全覆蓋、信息全共享、檢測過程全監控，并具有統計分析匯總以及預警指揮督辦的檢測監管功能。

3.1.2 非功能需求

（1）數據采集需求。數據應來源于現場見證取樣樣品的植入或捆綁、包裝等方式的物聯網組件，如混凝土試塊的植入RFID芯片，還包括部分表單錄入信息、人體生物識別信息、衛星定位數據等。

由于業務數據具有規模龐大，伴隨業務流程持續產生、產生數據的業務鏈條長、數據關聯度高等特點，平臺應支持數據的輕量化、移動化、掃碼化采集應用，確保數據采集的高效、可靠和低成本，并在低帶寬和低終端配置下有良好的用戶使用體驗。

（2）數據傳輸需求。系統需部署在互聯網云平臺，通過移動通訊技術將工程檢測采集數據上傳到云平臺，并實現與基建管理平臺、區塊鏈平臺等系統的數據交互。

（3）數據安全共享。確保數據安全、受控，并實現跨專業共享。

3.2 系統功能設計

3.2.1 系統整體架構設計

基于區塊鏈的輸變電工程見證取樣和工程檢測管理系統整體架構分為感知層、數據層、應用層、訪問層4 層。系統的建設依據行業標準和公司體系保證系統的質量和安全。系統整體架構圖如圖2所示。

圖2：系統整體架構圖

感知層：采用RFID 智能芯片或防偽二維碼等，植入、粘貼或捆扎于送樣件。現場或檢測前使用掃描槍、手機APP 等掃描送樣件上的RFID 智能芯片或防偽二維碼，獲取與送樣件一對一關聯的序列號信息。

數據層：將RFID 智能芯片或防偽二維碼在WEB 平臺進行掃描登記，關聯具體工程和工程取樣部位，獲取送樣件數據，對采集到的數據進行上鏈統一存儲。上鏈后的數據分為業務采集數據、核心數據、業務核心數據三大類。

應用層：前端系統包括Web 端與移動端兩部分。Web 端主要用于基礎數據錄入、數據分析、系統管理和應用配置、流程處理等業務；移動端包括樣品數據采集、人員位置管理、移動業務處理、風險管控、消息中心、信息查詢等功能。Web 端功能涵蓋移動端大部分功能。需要拍照片、定位信息、掃描信息等的功能均放置在移動端。

訪問層：訪問層是用戶直接交互的界面，用戶可通過電腦、移動設備和監控大屏直接訪問系統。

3.2.2 功能模塊設計

（1）備案管理。實現對從事電力工程質量檢測的檢測機構、檢測人員、檢測設備備案登記管理。檢測機構通過該平臺錄入信息后提交備案申請，系統會根據設定的資質要求進行預評審并將預評審不符合項警示給相關備案審批人員，審批人員可根據預評審結果給予備案通過或不通過。

（2）工程管理。實現工程項目管理，可針對項目進度提供工程進度、工程信息查詢，能幫助主管部門隨時隨地查詢項目情況。

（3）人員管理。實現檢測機構對工作人員的信息、人員的資質的統一管理，完成人員基本信息采集、指紋信息采集、人臉圖像采集以及照片信息采集。杜絕無資格人員開展檢測業務工作，杜絕出現檢測人員掛靠、多單位工作現象的發生。

（4）樣品封裝。施工方資料員或取樣員，預先在平臺登記好見證取樣送檢材料的樣品信息。

施工方取樣員，在監理在場的情況下現場取樣、封樣，在抽檢樣品上植入RFID 芯片或粘貼二維碼標識作為送檢樣品的唯一標識，并綁定見證取樣系統樣品信息。

（5）見證取樣。取樣員與見證員通過智能手機客戶端實現樣品取樣、見證過程的GPS 定位、拍照，形成現場取樣信息與現場見證信息同步至系統；本模塊可以掌握見證信息查詢，見證時間異常、見證范圍異常信息，主管部門可以在平臺對時間、地點異常的數據查看，對檢測行為進行監督，實現差異化監管。

（6）送檢驗樣。檢測方驗證員，在取樣員、見證員在場情況下通過掃描RFID 芯片或二維碼驗證現場見證取樣信息，通過指紋或人臉識別驗證人員身份信息，確保見證取樣過程真實性與檢驗樣品的真實性。

（7）盲樣檢測。委托方將樣品送至檢測機構，在收樣室進行相關系列的填寫，檢測機構出給樣品編號，隱去委托方先關信息，檢測人員憑樣品編號完成盲樣檢測及檢測數據（采集數據與報告信息上傳），保證實驗結果的客觀公正性。

（8）報告驗證。報告真偽驗證。通過專用報告驗證程序，實現檢測報告在平臺的真偽驗證（注：檢測報告由第三方試驗室上傳）。

（9）行為監管。實現對檢測單位的誠信評價，對檢測行為的監督管理，對檢測內容的動態匯總、分析，實時監控檢測全過程，保證驗樣過程的真實性。對企業進行評分、排名，加強誠信建設；對檢測單位人員、設備超資質、預警、異常情況進行監督管理。

（10）與區塊鏈平臺對接。通過使用區塊鏈技術，建立見證取樣聯盟鏈，將施工單位、建設單位、監理單位、檢測機構、主管部門、材料設備單位組成一個聯盟鏈生態，收集見證取樣全流程數據，實現數據的公開、共享、透明、不可篡改。

4 系統數據庫設計

本系統數據庫設計如下：

（1）檢測企業信息：包括企業ID，機構編號，統一社會信用代碼，企業名稱，聯系人姓名，聯系人手機號碼，經營范圍。

（2）人員信息：包括人員ID，姓名，所屬企業名稱，出生日期，性別，證件類型，證件號碼。

（3）工程信息：包括工程ID，工程編號，工程名稱，建設單位，施工單位，監理單位，監督站，監督員，工程狀態。

（4）樣品信息：包括樣品ID，樣品編號，委托編號，生產廠家，工程名稱，工程部位，檢測參數，檢測項目，位置信息，取樣時間，取樣人，原材料信息等。

（5）報告信息：包括報告ID，客戶編號，主檢試驗員，樣品編號，報告編號，工程部位，檢測參數，檢測項目，試驗日期，報告日期，結論標識，結論等。

5 系統實現

5.1 系統架構實現

本系統基于Spring+Springmvc+jpa 開發，區塊鏈通過分布式網絡中的節點維護的不可篡改的賬本。這些節點通過執行被共識協議驗證過的交易來各自維護一個賬本的副本，賬本以區塊的形式存在，每個區塊通過哈希和之前的區塊相連[12,13]。

區塊鏈提供標準http API 服務，本系統通過 API 服務進行信息交互，如圖3所示。

圖3：系統架構圖

本系統分為移動應用和后端。

5.1.1 移動應用

通過移動應用提供樣品信息錄入、工地現場取樣、見證、定位和拍照等功能，方便客戶便捷工作。

5.1.2 后端

Web 服務器提供系統的接口服務，區塊鏈提供數據接入服務，移動應用收集樣品信息數據請求接口服務，再中轉區塊鏈數據接入服務，實現數據存入區塊鏈、數據是查詢。

5.2 區塊鏈環境部署

第一步，下載fabric 相關組件（linux 環境下）

https://github.com/hyperledger/fabric/releases/download/v1.4.11/hyperledger-fabric-linux-amd64-1.4.11.tar.gz

第二步，執行命令生成證書配置及創世區塊

第三步，啟動網絡

第四步，構建sdk 或者部署cli 節點與網絡交互

5.3 數據上鏈

5.3.1 檢測機構備案管理

檢測機構備案上鏈。

5.3.2 工程管理

實現工程項目管理，將工程信息上鏈，實現工程信息查詢及存證，后續流程工程數據全部從鏈上獲取。

5.3.3 檢測機構人員管理

實現檢測機構對工作人員的信息、人員的資質的統一管理，完成人員基本信息采集、指紋信息采集、人臉圖像采集以及照片信息采集。杜絕無資格人員開展檢測業務工作，杜絕出現檢測人員掛靠、多單位工作現象的發生。通過區塊鏈技術，保證數據不可篡改，后續流程人員數據全部從鏈上提供，確保數據真實性。

5.3.4 見證取樣過程數據上鏈

取樣員與見證員通過智能手機客戶端實現樣品取樣、見證過程的GPS 定位、拍照，形成現場取樣信息與現場見證信息同步至區塊鏈系統。

5.3.5 盲樣檢測報告數據上鏈

委托方將樣品送至檢測機構，在收樣室進行相關系列的填寫，檢測機構出給樣品編號，隱去委托方先關信息，檢測人員憑樣品編號完成盲樣檢測及檢測數據（采集數據與報告信息上傳），保證實驗結果的客觀公正性。檢測完成后，采集數據及檢測報告全部上傳區塊鏈。

5.3.6 區塊鏈瀏覽器

通過系統中展示交易ID，跳轉區塊鏈瀏覽器展示區塊鏈上的數據情況。管控平臺每筆檢測數據，均可在區塊鏈中匹配記錄，查詢數據一致性，高亮提醒篡改情況。

5.4 區塊鏈數據交易

如圖4所示，提供了區塊鏈交易處理流程的時序圖。區塊鏈基于Fabric 架構構建，包括安裝有相應的App 或SDK（Software Development Kit） 的客戶端（client）、 背書節點（Endorsing Peer，EP）、排序節點（Ordering Node）和記賬節點（Committing Peer）。

圖4：區塊鏈數據交易交易時序圖

其中，客戶端可以為施工單位節點、取樣節點、見證節點、檢測節點和監管節點中的任意一個。

客戶端主要用于發起交易消息至背書節點。背書節點主要用于接收客戶端的交易消息、驗證交易、預處理等業務，并將簽名后的數據回傳至客戶端。排序節點主要用于按照指定的算法將交易進行排序，并將排序結果返回給記賬節點，排序節點不關注具體的交易細節。記賬節點是區塊中的全節點，需要記錄完整的區塊信息，并驗證每筆交易的正確性，最終將交易信息打包至區塊鏈的節點[14,15]。

5.5 系統界面

系統已成功上線運行，客戶端包括企業管理，工程管理，見證管理，檢測管理，異常數據處理，行為監控，系統管理7 個功能界面。系統運行界面如圖5所示。

圖5：系統界面

6 結語

本文提出了一種能夠加強監管力度、保證建設工程質量的用于建設輸變電工程質量檢測管理的區塊鏈系統。區塊鏈作為近幾年在各類高新企業中大量運用的技術，已經非常成熟，利用它自身的特點融入到樣品檢測系統中，有助于輸變電工程中混凝土質量管理；有助于各節點上鏈相互協作；有助于動態監管試驗檢測流程和實時查看試驗報告；有助于輸變電工程追責溯源；有助于研究混凝土檢測數據，增強輸變電工程工作效率。通過數據的積累，有利于輸變電工程混凝土見證取樣管理模式的創新，為今后輸變電工程資源配置，管理優化奠定了基礎。