（2020年度“華蘇杯”獲獎論文三等獎）面向特種設備檢驗的物聯網與區塊鏈融合平臺應用

張 瑞 汪 軍 袁慶祝

中博信息技術研究院有限公司

0 引言

2019年10月24日，習近平總書記在主持中共中央政治局第十八次集體學習時強調，區塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產業變革中起著重要作用。我們要把區塊鏈作為核心技術自主創新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關鍵核心技術，加快推動區塊鏈技術和產業創新發展。他指出，區塊鏈技術應用已延伸到數字金融、物聯網、智能制造、供應鏈管理、數字資產交易等多個領域。目前，全球主要國家都在加快布局區塊鏈技術發展。我國在區塊鏈領域擁有良好基礎，要加快推動區塊鏈技術和產業創新發展，積極推進區塊鏈和經濟社會融合發展。

在特種設備數量日益增長的今天，隨著市場經濟的發展和信息化時代的到來，人們對特種設備的質量技術監督工作效率提出了更高的要求。但目前看來，部分已建系統有的因政府投資耗盡，陷入停滯階段；有的因管理模式存在不足，安裝的物聯網設備大量掉線或被人為破壞，未發揮出預期的效果；有的因各部門之間信息不能共享，難以形成智能的、統一有效的安全生產系統監管機制。

1 現狀

物聯網市場正經歷著前所未有的快速發展期，國內有不少專家學者對物聯網技術在特種設備行業應用開展了相關的研究，但整體上仍存在不少問題。

（1）設備安全水平低。設備安全可以從技術標準及設備質量安全兩個方面去評估。基于目前的檢驗監察手段，設備一旦投入使用，對于設備的技術參數、制造、安裝、維護、檢驗等數據無法溯源，信息共享度較低；已部署的物聯網設備無法通過遠程手段進行更新，無法保證物聯網的安全；設備身份無法得到有效認證。

（2）數據時效性及安全性低。對特種設備進行現場檢驗，檢驗員仍舊需要填寫大量原始記錄，檢驗后再手動錄入計算機系統，數據準確性及安全性無法保障。檢驗人員長時間在現場辦公，由于網絡、時空等不利因素，檢驗任務的數據傳輸、信息反饋、報告出具等效率都被大幅度降低，因而影響監管部門的監管力度。

（3）事故應對能力低。風險管理尚未深入到安全隱患排查閉環管理流程中，現有的研究不能充分利用治理隱患時積累的重要經驗。對危險源現場情況不能做到實時動態監測，同時缺乏對生產細節的監控，無法生成完善的應急預案，不能及時地應對事故。

對上述問題，展開研究，利用物聯網+區塊鏈的技術特點設計解決方案。

2 區塊鏈技術簡介

區塊鏈是一個分布式的共享賬本和數據庫，具有去中心化、不可篡改、全程留痕、可以追溯、集體維護、公開透明等特點。區塊鏈由一串使用密碼學方法產生的數據塊組成，每一個區塊都包含了上一個區塊的哈希值，從創始區塊開始連接到當前區塊，形成塊鏈。

傳統互聯網是無法攻擊區塊鏈的底層架構的。區塊鏈技術主要采用的是非對稱性加密，用戶只需保管自己的私鑰完整即可，即使數據被竊取，也能確保安全性。基于區塊鏈的優勢，數據提供者無法篡改用戶的相關信息。

未來，物聯網的世界將會以上億級別的節點形式存在，將區塊鏈的分布式賬本技術融入其中，這些節點能夠充分達到物聯網的存儲需求。區塊鏈的去中心化技術將省去大量的計算機集群，從而大大降低物聯網的運營、維護成本。

3 研發思路

平臺建設的總體目標是業務智能化、管理精細化、決策科學化。平臺以支撐特種設備監察檢驗業務的價值鏈和人財物一體的有效管控為主線，打造統一架構的信息化一體化平臺，將特種設備監察檢驗業務集成為一體化的核心體系，打通用戶與檢驗、檢驗與監察、不同檢驗業務部門之間的“經脈”，實現業務流程的有效集成與銜接。

如圖1所示，將不同類型的IOT設備部署在特種設備上，通過主流IOT（Internet of Things）連接技術（如WIFI、藍牙、RFID、ZigBee、NB-IoT、LoRa等），以實時或離線等形式，采集設備數據信息。經過大數據挖掘、分析、深度學習等技術進行初步處理。最終將有價值的數據納入區塊鏈，變為無法更改的電子存證，不僅增加了參與者造假抵賴的成本，也明確了職責范圍。通過區塊鏈的結構，追本溯源，及時了解設備的各種狀態。根據實時搜集的數據，采取必要的反應措施，增強多方協作的可能。

圖1 平臺研發思路

4 系統實現方案

4.1 技術架構

系統架構如圖2所示。

圖2 系統架構

（1）物聯網傳感器

傳感器網絡位于網絡的末梢，它是互聯網、移動網延伸至各個領域的觸角，傳感器對于特定的物質現象，如聲、光、震動、氣體、生物等，具有觀察和測量功能，并將測量結果通過網絡傳送至相應的計算處理平臺進行控制與管理。針對特種設備的傳感器包括測重傳感器、風速傳感器、轉角傳感器、高度傳感器、RFID標簽、高性能工業終端、激光位移傳感器、高清數字視頻監控等類型。

（2）數據源

平臺通過傳感器及傳感網絡動態采集特種設備基本信息，例如設備參數、運行數據、故障數據等。通過數據采集平臺采集維保數據、檢驗數據、監察數據、投訴數據、運行日志、互聯網數據等信息。平臺基于區塊鏈的數據共治，代替數據大集中，聯合設備生產制造商、使用單位、維護單位、檢驗機構、監察單位等多家機構組建聯盟鏈，原始數據自治，不上鏈，按照數據交換的原則共同治理。將特種設備的關鍵信息按照順序相連，組成鏈式結構，融入密碼學知識，確保信息的不可篡改、不可偽造。

（3）存儲層

存儲層搭建了最底層的調制解調器結構，主要包括底層的數據鏈式結構、非對稱的密鑰加密、時間戳等技術。在設計數據結構時，平臺參考了Haber與Stornetta的研究工作，他們通過文檔時間戳的數字公證服務技術來證明電子文檔的首創時間。時間戳可以對文檔的哈希指針進行簽名，新的文檔又可以對當前文檔簽名，以此類推，基于時間戳的鏈便可建立，并且無法更改。

（4）網絡層

區塊鏈網絡沒有中心節點，任意兩個節點間可以直接進行傳輸。平臺選擇P2P協議作為網絡傳輸協議，主要滿足兩點：一是完全分布式，二是可容忍單點故障。在這個網絡中，節點將會一直監聽鏈上的數據，當節點接收到新數據、新鏈或者區塊時，會第一時間驗證其有效性（數字簽名等），如果驗證無效，則停止傳播。

（5）擴展層

智能合約封裝了預定義的若干狀態及轉換規則、觸發合約執行的情景（如到達特定時間或發生特定事件等）、特定情景下的應對行動等。區塊鏈會實時監測智能合約的狀態，只有滿足特定條件的智能合約才能被激活、執行。

擴展層使用的技術包括分布式存儲、機器學習、VR、物聯網、大數據等。

（6）應用層

未來，各種應用場景主要封裝在應用層。

4.2 技術應用能力

本平臺的應用要求參與到鏈上的所有節點共同維護物聯網與區塊鏈數據。區塊鏈的應用流程如圖3所示，物聯網設備、檢驗檢測數據、檢驗報告等業務數據信息需要發起認證或者請求，數據發送出去后會被打包記錄到某一個區塊中，由該區塊向網絡中其他節點發布廣播，進行確認。確認無誤則正式納入區塊中存儲，并將該區塊的隨機散列值視為最新的區塊散列值，最終保證了平臺業務數據傳輸和訪問的安全。

圖3 區塊鏈應用流程

如圖4所示，基于區塊鏈的應用流程，將開展以下業務應用：

圖4 應用能力架構

（1）設備身份認證及安全升級。基于區塊鏈，將物聯網設備使用前的合法認證憑證注冊到區塊鏈，并且可以通過智能合約設置設備訪問權限。設備需向物聯網平臺和網絡設備節點發送接入和鑒權請求，區塊鏈系統根據節點共識機制來對接入設備的身份標識進行認證和管理，保證設備接入物聯網平臺的合法性。固件供應商通過區塊鏈網絡將最新版本的固件信息發布到各驗證節點的分布式賬本中，設備節點通過向驗證節點或相鄰的其他設備節點發起固件版本校驗請求并通過智能合約、共識機制等方式確認設備當前固件最新版本和固件完整性。

（2）自動生成原始記錄、檢驗報告。應用智能校驗規則和智能合約，檢驗人員根據預先設定的原始記錄信息進行數據采集，上傳至系統，即刻會被動態解析，原始記錄則自動轉換為檢驗報告，并且自動生成檢驗的不符合項、檢驗結論及相關通知書。

（3）電子報告可追溯。區塊鏈會在電子報告生成、傳送、儲存以及使用的整個過程中都蓋上“戳”。如果一份電子報告已經生成并且發放，就不可能再多次生成了，因為它已經被區塊鏈蓋上“已生成”的“戳”，并且這些“戳”可追溯、可實時查看，無法篡改，防止造假，而這正是普通紙質報告、普通電子報告所不能杜絕的問題。

（4）構建實時提醒和實時分析機制。利用大數據的深度學習及區塊鏈的智能合約技術，平臺可對報告效率、超期未檢設備分布情況、整改情況、隱患分布情況等進行統計分析，將風險管理深入到安全隱患排查閉環管理流程中，提高檢驗效率，提供數據支撐。平臺充分利用治理隱患時積累的重要經驗，實現對檢驗全過程的動態監管，提高隱患排查的效率，加強風險管控。

（5）建設設備鏈數據交換與共享平臺。利用安全移動身份認證技術完成設備的廠商身份認證，輕量級可靠電子簽名完成設備的基本數據授權，利用數字信封加密安全交換完成數據的安全交換，數據全流程追溯技術，確保數據從生成、授權、請求交換、安全交換的全生命周期追溯，為數據的利益分配提供依據，為各地市、監察與檢驗之間建立良好合作的數據信息交換，按各行業需求直接調用、共享相關數據，打破信息孤島化的現狀。

4.3 應用實踐

面向特種設備檢驗的物聯網與區塊鏈融合技術已經計劃在某省局特檢院進行部署應用，預計部署后可以實現檢驗業務智能化管理，實現對檢驗業務派單的自動調度、檢驗路徑的有效規劃和檢驗報告的移動化填報，提高派單效率、檢驗效率和報告出具效率，大幅降低管理及服務成本。可在系統的有效管理下，提高檢驗過程的效率、有效性和規范性，有效控制上述活動中違法違規行為的產生及危害，提高檢驗業務人員的工作效率，促進工作流程管理，有效降低檢驗報告填報環節的錯誤，節約人力資源，減少可能出現的經濟損失。

5 結束語

基于物聯網、區塊鏈、大數據等主流技術的研究，設計實現了“基于物聯網+區塊鏈技術智慧特檢平臺”，為每一臺在用的特種設備建立一個唯一的“身份證”，保證設備接入的安全性，打破傳統模式下受檢單位獲知信息滯后、報告真偽難辨等問題。利用大數據及區塊鏈數據可追溯技術，能夠分析出一段時期內產品的質量狀況，為各方提供方便快捷的產品質量檢測與數據分析服務。平臺本著“全面參與、互聯互通”的原則，連接著質量檢測機構、企業客戶、政府機構、社會公眾等各利益相關方，實現特種設備協同監管，打造特種設備質量安全追溯體系，提高安全監管和應急救援的決策水平，推動特種設備向數字化、網絡化、智能化發展。