區塊鏈技術在智慧水利中應用的研究

萬爭

摘 要：新時代智慧水利行業需要結合物聯網、5G、大數據、AI、云計算等信息化技術手段加快現代水利基礎設施網絡平臺的建設，滿足水利管理部門的高效快速的管理要求和新時期經濟社會發展新要求。隨著水利信息化的進一步發展，智慧水利建設的重要性逐漸凸顯，智慧水利建設需要新興的信息化技術提供技術支撐。區塊鏈以其獨特的技術原理與優勢，在水利工程建設、水體數據存儲、水權交易平臺與智慧水利綜合管理系統中得到廣泛應用，相較于傳統技術有顯著優勢，可有效推動智慧水利的建設與發展。文章對區塊鏈技術進行介紹，研究區塊鏈在智慧水利建設中的應用。

關鍵詞：智慧水利;水利信息化;區塊鏈

1 區塊鏈技術原理與特點

目前普遍認為區塊鏈是一種通過共識機制生成數據，使用塊式-鏈式存儲數據，應用密碼學加密數據，利用智能合約操作數據，實現和管理事務處理的范式。區塊鏈上，數據被多數節點的共識機制審核，節點將一個周期內審核通過的數據整合成一個區塊，通過密碼學和時間戳簽名，生成唯一哈希值作為特征值，再將這些區塊按照時間順序連接到上一區塊形成數據塊鏈，區塊鏈的基本結構如圖1所示。每個節點是平等的關系，都擁有當前區塊鏈內容的副本，并可以修改自己的副本。區塊鏈通過只有大于50%的節點更改副本內容才能修改區塊鏈內容的共識機制，保持各節點修改的副本內容一致，并且難以篡改。

2 區塊鏈在智慧水利中的應用場景與優勢分析

2.1 水利數據共享

區塊鏈水利數據主要通過設備采集、人工填報、專項工作搜集或業務系統產生，雖然一些單位通過有關工作整合了部分數據，但水利數據總體上依然分散在各級水利部門、各業務系統中，信息孤島現象較為嚴重。水利數據共享目前主要通過系統匯集、資源目錄、電子地圖、離線復制甚至紙質復印等方式開展，共享數據容易被復制和濫用。總體上，受限于體制機制和技術等因素，水利數據共享不足，效率不高。利用區塊鏈技術構建覆蓋水利部、流域管理機構和省級水行政主管部門的數據共享區塊鏈，數據提供方通過SDK（軟件開發工具包）連接區塊鏈節點方式進行數據上鏈提交流程，具體流程包括：建立統一的水利信息資源元數據庫，客戶端后臺調用接口，發起交易，將元數據文件寫入區塊鏈，進行可信存證，上傳成功后，返回文件哈希值、區塊ID、交易ID、時間戳等至客戶端。數據使用方通過客戶端查詢或下載指定的一個文件或滿足條件的一組文件。查詢文件相當于向區塊鏈系統發起一筆交易，相關經辦方需用私鑰對該筆交易進行簽名，區塊鏈系統將記錄所有的數據查詢與下載行為;查詢數據可在區塊鏈系統前端頁面中對數據進行查看，查看的數據為關系型數據庫中的數據。數據查詢時，若對數據庫返回的某數據存疑，則可向區塊鏈系統發起校驗請求，將該數據歸屬表單的整組數據進行哈希計算，再與區塊鏈系統中的哈希值進行比對。比對成功，表示數據未被篡改;比對失敗，數據庫則從區塊鏈中更新這一組數據，并標記不一致的數據字段。主要適用于水利數據中心建設、信息資源共享與交換等應用場景。

2.2 水利工程建設

在水利工程的施工建設中，需要對施工人員、功能設備、施工資源與質量四個方面進行管理，涉及的數據包括施工人員、設備、施工材料、工程完成情況等具體信息，也包括人力資源、設備管理、采購、倉儲、調度等多部門，數據繁雜且管理決策主體較多。應在區塊鏈實現對數據的精細化管理與對多決策主體的支持，且一些數據有存證與公示的需求，如施工人員的考勤、設備的維修狀態、工程質量評價等，需要借助區塊鏈技術實現。大型水利工程有許多標準細則、工程合同、建設方案等文件需要長期保存，這些文件與數據是后期對水利工程進行監督與維護的重要依據，需要對其安全性多加關注。但目前部分文件仍以紙質憑證為唯一依據，已經無法滿足智慧水利建設的需要。區塊鏈以其公開透明、不可篡改的技術特性，可以滿足水利工程建設管理與存檔的需要。建立區塊鏈水利工程建設管理系統，可對在建的水利工程項目進行精細化管理，精密記錄工程中的數據變化。工程數據上鏈后可以形成無法篡改的電子化檔案，電子檔案在確保安全的同時可方便獲取，是水利工程監督與后續維護的重要依據，也是智慧水利決策支持系統的重要數據來源。

2.3 水權交易平臺

水權交易作為優化調節水資源配置的重要方法，其效用被人們進一步認識，相關的試點與實踐有序進行，但基于傳統技術的交易平臺，難以有效滿足水權交易的需求[6]。區塊鏈技術最先被應用于金融行業，關于交易與記賬的應用較為成熟，在實踐中證明了區塊鏈應用于交易系統中可信度高、精密記賬的優勢，因此，基于區塊鏈構建水權交易平臺十分必要。基于區塊鏈的水權平臺可充分利用區塊鏈的技術特性，構建透明化的水權交易規則體系，優化交易流程，滿足水權交易的需求。利用智能合約的可更新性，方便修改具體交易規則，解決季節性可變水權的交易困境，滿足水權交易改革試點期間對交易規則頻繁修改的需要。利用智能合約滿足條件自動執行的特性可減少人工審核，優化交易流程。利用區塊鏈分布存儲的技術特點，可以保證水權數據與交易數據的安全可靠，提升數據安全性， 可通過降低系統運維成本減少交易費用，提升水權交易市場的活躍性。

2.4 水利監督存證取證區塊鏈

強監管是水利改革發展主基調的總基調、主旋律。目前支撐行業強監管的信息系統尚處于起步階段，水利督查工作平臺僅有填報上傳、拍照存證、查詢展示等基本功能，現場檢查以描述記錄、拍照錄像、填報上傳等方式為主，群眾監督舉報信息管理也是傳統方式，急需加強“查、認、改、罰”和監督舉報全流程的數據采集采信等能力建設。構建覆蓋各類水利對象、各級水利部門督查隊伍、相關機構的區塊鏈，各級水利部門通過飛檢、檢查、稽察、調查、考核評價等方式進行督查情況實時上鏈鎖定， 督查部門的問題認定、責任單位的問題整改、相關機構的責任追究等情況進行上鏈加密關聯存儲。上級部門通常主要掌握督查工作情況，不查看發現的具體問題及整改處罰情況，只在需要時按照授權查閱下級監督數據， 主管部門基于區塊鏈的可追溯特點監管監督隊伍，監督隊伍基于區塊鏈的不可篡改特性進行“查、認、改、罰”全流程閉環管理。水利監督存證取證區塊鏈主要適用于水利監督檢查全過程數據管理等應用場景。

3 結語

隨著智慧水利的發展，不斷積累的水利數據成為智慧水利行業發展的重要基石，數據的采集、存儲和使用成了重點研究的領域。區塊鏈作為新一代信息技術，通過構建跨層級和業務的水利信息共享交換、應用服務體系，可以促進資源高效集約，加速水利數據全面共享，提升水利監管能力，推進水利業務應用智能化轉型。區塊鏈技術的引入無疑是對智慧水利發展的一大助力，基于區塊鏈的水利數據共享交換服務是數據存儲與數據使用之間重要的環節，建立了數據共享交換的框架，并能夠對數據共享交換的安全性提供保障。通過區塊鏈技術建立安全、高效的水利數據共享交換體系，是水利治理能力現代化和水利信息化的體現，同時也是未來智慧水利發展的重要方向。

參考文獻：

[1] 曾詩欽，霍如，黃韜，等.區塊鏈技術研究綜述：原理、進展與應用[J].通信學報，2020，41（1）：134-151.

[2] 張建云，劉九夫，金君良.關于智慧水利的認識與思考[J].水利水運工程學報，2019，（6）：1-7.