基于區塊鏈技術的環境監測儀器設備數字化管理

謝曉剛

(福建省生態環境信息中心，福建 福州 350001)

0 引言

近年來，我國生態文明建設進入關鍵期、攻堅期和窗口期。福建省作為首個國家生態試驗區，各級生態環境部門通過幾輪能力提升建設，陸續新增了一系列高效率、高精度、高品質的環境監測儀器設備，生態環境監測能力水平得到大幅提升。進入新發展時期，面對“提氣、降碳、強生態，增水、固土、防風險”的生態環境監管要求，如何最大程度發揮環境監測儀器設備的作用和效益，為環境問題的治理和環境質量的改善提供真實、準確、全面的環境監測數據，現代數字技術的發展和應用為我們指明了方向。

當前，環境監測儀器設備傳統管理模式已經束縛了生態環境監測現代化的發展步伐。《關于加強數字政府建設的指導意見》指出，要全面推動生態環境保護數字化轉型。因此，亟須引入并充分利用現代數字技術，積極創新構建新形勢下省、市、縣三級統籌管理、科學調配、動態跟蹤的儀器設備管理和維護的數字化模式，盡快實現環境監測儀器設備管理的數字化轉型，最大程度發揮儀器設備的社會效益和經濟效益。

1 福建省生態環境監測特征及儀器設備管理現狀

1.1 生態環境監測的主要特征

1.1.1 監測范圍廣

主要負責常規環境質量、固定和移動污染源及各類突發環境事件應急等方面的監測，隨著形勢和任務的變化，今后還將進一步拓展生態保護監測、生物多樣性環境監測等職能。

1.1.2 質量要求高

高度重視監測全過程的質量保證，實驗室和外場監測儀器設備在使用過程，均有嚴格的質量體系及相關規范要求，定期開展量值溯源、期間核查等工作，確保環境監測數據質量。

1.1.3 協同配合強

影響環境質量的因素多、涉及廣，不少環境監測場景涉及監測、執法、應急等多部門、跨地區協同配合的需求。

1.2 現有儀器設備的特點

1.2.1 數量眾多

據統計，僅一個編制30人左右的市級監測站，各類儀器設備就有200余臺(套)，其中90%以上是通用儀器設備。同時，省級和縣級監測站、三級環境執法部門同樣配備了一定數量的監測儀器設備，使得生態環境監管系統的儀器設備總量規模相當龐大。

1.2.2 種類繁多

環境監測涉及到水、氣、土、聲、核與輻射等類別，不同類別里又有多種特征參數。因此，監測儀器設備種類繁多，既有專用也有通用儀器設備，既有實驗室大型高精度儀器，也有用于執法和應急監測的小型便攜式設備，既有化學分析儀器，也有物理檢測設備。

1.2.3 兼容困難

環境監測儀器設備種類繁多，針對同一種項目的分析儀器，即使同樣是國產品牌，各廠家之間也沒有統一的標準和規范。以至于同一批采購的不同品牌產品，甚至是同一品牌的前后代產品，在數據格式、運維周期、操作界面等方面都不統一，兼容性較差。

1.3 日常使用管理存在的問題

1.3.1 用保脫節

環境監測儀器設備在實際使用中，部分監測站往往“重過程、輕保養”，操作人員除按規程正常操作外，容易忽視儀器設備的按時養護和零部件更換，甚至帶病作業，導致小故障演變成大問題。個別儀器設備開機次數少，使用頻次低，更是缺乏必要的常規維護保養。

1.3.2 管理粗放

目前，多數單位仍使用手工登記結合電子表格的方式進行環境監測儀器設備的管理。少數單位依托自建的信息化管理系統，對實驗室分析用儀器設備進行出入庫登記、查詢、報廢等傳統的信息化管理，尚未形成全省統一的，能夠科學、精準、動態管理環境監測儀器設備的技術和制度體系。

1.3.3 采購混亂

儀器設備的采購需求一般由使用人員提出，必要性沒有得到系統科學地研究論證。有的超前配置高精尖儀器，在完成新項目方法驗證或開展少量檢測工作后，便處于空閑待用狀態；有的為確保監測工作的延續性和穩定性，同類別、同性能設備重復配置，導致超配設備長期閑置。

2 儀器設備數字化管理創新模式

2.1 總體思路

針對環境監測儀器設備的特點，基于區塊鏈技術構建起多方可信“直聯”鏈路，融合現代科技手段探索省、市、縣三級環境監測儀器設備綜合利用，多種數字化技術統一科學管理的創新模式，實現儀器設備的全生命周期有效管控、統籌調配、動態跟蹤、溯源核查，形成規范使用、穩定運行、精細維護和數據收集、軌跡追蹤、可靠溯源的一體化數字化管理體系，有力推動生態環境監測能力現代化水平整體提升。

2.2 區塊鏈融合應用

區塊鏈作為一種新興的互聯網數據庫技術，其特點是去中心化、公開透明、可追溯和防篡改?！吨袊鴧^塊鏈發展報告(2021)》指出，目前中國區塊鏈發展正從單個技術突破向多技術融合應用轉變，著重在核心場景尋求突破。區塊鏈技術的顯著特點非常適合將其作用為省、市、縣三級生態環境監測儀器設備跨地域、跨部門、跨種類和品牌型號統籌使用管理的支撐性技術框架[1]。

2.2.1 物聯網管理模式

通過在環境監測儀器上安裝信息傳感設備，按約定的協議與網絡相連接，監測儀器通過傳播媒介進行信息交換和通信，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監管等功能。物聯網技術與5G、衛星遙感等技術結合，實現對全省的儀器設備進行實時有效管理。

2.2.2 大數據綜合分析

通過大數據分析研究，對不同地域、部門和類別的環境監測儀器設備信息、運行維保參數進行綜合判斷，從儀器使用、調度、采購、運維、淘汰等生命全周期給出科學合理的建議。利用大數據分布式架構，對環境監測儀器使用過程產生的數量巨大、來源分散、格式多樣的數據參數進行采集、存儲和關聯分析，對采集的海量數據進行分布式數據挖掘，提供給使用者進行綜合研判，保障各項監測活動正常開展。

2.3 實施路徑

區塊鏈不僅是一種技術，更是一個包含服務和解決方案的產業。作為“數字福建”建設的一部分，區塊鏈服務網絡(BSN)福建省區塊鏈主干網建設于2020年啟動，目前以“地方政府+城市節點服務商+主干網運營商”為主的運營體系已初步形成，極大降低了區塊鏈應用的開發、部署、運維、互通和監管成本，從而為區塊鏈技術在福建省的普及應用奠定了基礎。同時，區塊鏈與其他技術的融合能夠克服區塊鏈本身技術不成熟的缺點，如可擴展性、算法模型、數據上鏈的真實性和程序缺乏模塊性等問題。因此，可以通過與物聯網、大數據、人工智能、數字孿生等多種技術融合，分階段、分步驟地實現環境監測儀器設備管理的數字化轉型[2]。

2.3.1 去中心化，可信登記

設備表單式管理模式效率低且無法保證溯源性，傳統的信息化管理系統架構于中心化網絡體系下，系統的使用和維護依賴于中心數據庫，穩定性安全性都難以保證，而使用區塊鏈技術可實現儀器設備精準管理。區塊鏈的核心思想是去中心化，所有使用儀器設備的單位都可以通過各自所在的城市節點上鏈，行使“記賬權”登記各自儀器設備的各類信息。在鏈上，任意節點之間的權利和義務都是均等的，各節點彼此共享所有儀器設備的資料信息，具有高度可信性和透明性，便于設備在運行、維護、出入庫過程中的信息采集、存儲和調用。即使遭受嚴重的黑客攻擊，只要黑客控制的節點數不超過總節點數的一半，系統就依然能正常運行，數據也不會被篡改，既保證了設備精準管理，又能確保設備信息不泄露。

2.3.2 科學統籌，合理分配

儀器設備信息在區塊鏈上可實現全生命周期的完整記錄，在保證可信透明的同時，用大數據技術輔助可進一步提升鏈上數據的價值和使用空間。通過對在用、閑置儀器設備的數量、分布、性能、年限、使用頻率等大量數據進行深度挖掘，科學統籌提出各節點儀器設備增配或淘汰的建議，根據監測任務和人員配置情況，在各節點之間合理提出優化配置調整對策，減少儀器設備的冗余，避免儀器設備的閑置，監控設備性能，最大程度發揮儀器設備的整體效益。同時，區塊鏈能夠進一步規范數據的使用，精細化授權范圍，建立數據橫向流通機制，進一步提升大數據的完備性和安全性，使設備的管理更科學，分配更合理。

2.3.3 有效運行，及時維護

基于區塊鏈的人工智能網絡可以設定一致、有效的設備注冊、授權及完善的生命周期管理機制。多渠道采集整理儀器設備運行參數、維保狀態，在人工智能技術的輔助下，每一臺儀器設備都可以通過區塊鏈形成流程化、數字化作業指導書，科學規范引導使用人進行維護保養，實現狀態監控、到期提醒、故障告警等功能，做到高效穩定運行和及時維護保養。而統一的區塊鏈基礎協議則可讓人工智能在與各類儀器設備互動過程中不斷積累學習，從而實現人工智能的智慧程度得以持續提升，設備維護、監控更加及時，確保設備穩定運行、數據準確可靠。

2.3.4 動態跟蹤，全程可溯

物聯網通過應用智能感知、識別技術與普適計算等方法實現信息交換，同樣能滿足區塊鏈的部署和運營要求。同時，區塊鏈是典型的P2P網絡，與物聯網一樣具有分布式異構特征，網中的每一臺儀器設備都具備自己在交互作用中的角色、行為和規則，對建立區塊鏈系統的共識機制具有重要的支持作用。因此，物聯網技術在區塊鏈的應用，可實現每一臺儀器設備的鏈上動態跟蹤、實時掌控。另外，區塊鏈的可追溯特性從設備的資產登記、出入庫、使用、維護及運行參數等信息都可以留存在區塊鏈上，實現儀器設備運行狀態的全程可溯。

隨著多物理尺度和多物理量建模、結構化的過程管理、傳感和嵌入等技術的不斷成熟，在不久的將來，通過集成多學科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，能夠為不同品牌、不同型號、不同代次的儀器設備在數字世界創造一個唯一對應的數字虛擬映射，形成真實世界和虛擬世界的“數字孿生”。儀器設備的使用管理人員能夠直接在區塊鏈的虛擬空間中，通過相應的數字化產品對設備實體進行全面監管、操作、維護和調配，并精準判斷其狀態可能發生的變化，及時作出響應和處置。

3 結束語

環境監測儀器設備管理數字化轉型既需要現代成熟科學技術手段的支撐保障，又有成功典型案例供參考借鑒，能夠有效解決生態環境部門對監測儀器設備管理過程的難點和痛點。既能實現儀器設備的使用維護管理全過程追蹤，徹底解決設備維護保養方面的不及時、不到位等問題，也能避免出現儀器設備運行過程參數不穩定影響檢測結果的情況，還能延長儀器設備的使用壽命。同時，還能在福建全省范圍內統籌指導各使用單位科學精準地更新配備儀器設備，有效減輕各級公共財政負擔，為生態環境持續改善和生態文明建設創新發展提供有力支撐。