基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統的研究與實踐

鐘天杰，孫 劍，葉建新，曹書兵，鄺婧雯，張啟超

（1.廣州市住房城鄉建設行業監測與研究中心，廣東 廣州 510000；2 廣州粵建三和軟件股份有限公司，廣東 廣州 510000；3 廣州廣檢建設工程檢測中心有限公司，廣東 廣州 510000；4.廣州市建設科技中心，廣東 廣州 510000）

0 引言

近年來，我國城市高層、超高層建筑物的數量隨城市化的發展快速增長，在影響其安全的眾多因素之中，最為重要的當屬基坑工程［1］。同時，如何結合新興區塊鏈技術，助力建筑行業信息化和數字化發展，打造一個“基坑監測+物聯網+區塊鏈”的創新性平臺，已經勢在必行。傳統的人工基坑監測工作量大、數據傳輸和計算不及時可能會造成嚴重的后果。將自動化智能監測技術應用于實際深基坑工程監測中，可減少人工操作，達到降低成本、實時預警、數據溯源等多項功能，具有顯著的現實意義。傳統的深基坑監測管理系統將監測數據存儲在系統后臺數據庫中，容易造成數據被篡改或丟失，無法保證數據的安全；且深基坑監測數據上傳的過程中可能會存在數據不真實、溯源性差等情況。本文在自動化智能監測技術的基礎上，利用區塊鏈技術實現深基坑監測數據的分布式存證管理及鏈上歷史數據查詢，從而確保自動化監測數據真實可靠，便于溯源。基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統將自動化智能監測技術應用于實際工程中，可減少人工操作和數據的人為干預，達到實時預警，而去中心化的數據存儲和管理，保證了數據的真實性和可靠性。

1 研究背景

自然災害和施工管理不善而引發的工程事件屢見不鮮，傳統監測工作為勞動密集型，由人工監測完成，存在數據采集不規范、不及時，有人為誤差，人員投入多，監測成本高以及安全生產風險大等問題，監測數據的采集和處理的時效性以及監測數據信息共享越來越不適應信息化時代的要求，轉型是必然趨勢［2］。

區塊鏈被認為在互聯網之后最具有顛覆性的技術之一，互聯網解決了信息傳播的問題，加快了信息化、數字化的進程。由于互聯網的誕生，信息大爆炸，僅 2010 年的 youtube，每分鐘上傳的視頻時長就高達 35 h。由于互聯網缺乏信息鑒別能力，上傳的信息是否具有價值無法保證。區塊鏈的誕生解決了互聯網時代信息沒有價值的問題，通過去中心化、共識機制、不可篡改、可追溯等特性讓信息產生了價值。區塊鏈通過運行安全可靠的智能合約，無法篡改，無需中心擔保，達成共識即可傳遞價值。其本質是通過 P2P 通信的去中心化賬本，數據需通過全體節點共識后才可寫入，有效保證信息的安全和可靠。

物聯網技術在區塊鏈、人工智能、5G 等技術推動下高速發展，在建筑基坑安全監測領域解決了諸多棘手問題。借助區塊鏈技術、物聯網技術，與傳統基坑監測方法結合，開發出“基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統”，實現了監測數據智能分析處理、建筑基坑變形情況實時展示以及實時預警、數據溯源等功能，能夠降低基坑監測成本、降低工作強度，具有重大的社會效益和經濟價值。

本項目引入區塊鏈、物聯網等技術構建一種新型的深基坑安全智能監測系統，通過資源與技術整合，解決監測數據真實性、預警及時性、工作規范化等突出問題。系統同時具備人工和自動化兩種監測模式，實現數據自動上傳和在線解析、報告自動生成以及綜合預報警等多項功能。同時，利用區塊鏈技術的防篡改、可追溯、去中心優化等特點，提高監測數據的安全性，并基于鏈上可信數據做多方處理確認審批，實現全過程記錄和管理，保障深基坑監測工作的真實有效、安全高效。

2 系統技術架構

區塊鏈由共識算法、P2P 通信網絡、NoSQL 數據庫、智能合約、哈希函數、PKI 證書等技術組成。基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統，由建設單位、監測單位、平臺運營商等作為節點組成聯盟鏈，通過在區塊鏈上運行的智能合約，將深基坑監測數據上傳至鏈上。每個節點均配有獨立服務器或主機存儲全量數據，確保數據安全可靠，并通過 RAFT 共識算法保證節點數據一致性。

系統分為區塊鏈底層和應用層，通過應用層服務與區塊鏈進行數據交互，實現深基坑監測數據上鏈、監測數據在線分析，并在發現異常時發起預警通知，記錄處理結果。基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統的技術架構如圖1 所示。

圖1 基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統總體技術架構圖

為滿足系統性能要求，減少區塊交易上鏈延遲，關鍵是提高區塊鏈平臺吞吐性能。項目對現有聯盟鏈型區塊鏈平臺的源碼進行分析改造，通過加入緩存機制、細化節點類型、改進共識算法等方法升級改造區塊鏈底層技術，將區塊鏈平臺的吞吐量提高至 10 000 TPS 以上，交易上鏈延時縮短至 1 s 以下。

在信息安全及數據隱私方面，采用基于信息隱藏和聯邦學習框架，定制區塊鏈平臺上特定交易信息的隱私保護方案，并結合同態加密、混幣機制等技術實現信息加密訪問；使用國產自主研發的加密算法，替換通用的 ECDSA、RSA 等加密算法，實現加密可控的自主知識產權聯盟鏈。深入研究私自挖掘、日蝕攻擊、雙花攻擊等常見的區塊鏈系統攻擊方式原理，分別歸納出馬爾可夫決策模型，再采取如增加額外的安全礦工節點等方案，增強區塊鏈平臺的抗攻擊能力。基于區塊鏈系統管理維護中可獲知的有限信息，應用 Q-learning、DQN 等強化學習算法，動態調整投入的防御成本，提升的區塊鏈系統綜合收益。

3 基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統實現

基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統包括前端數據采集部分、深基坑監測系統以及區塊鏈平臺，實現監測數據采集上鏈、統計分析、多方協作等，提高數據可信度，解決數據應用低效、碎片化且智能化程度低的問題。基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統的業務流程如圖2 所示。

利用區塊鏈技術，將建筑工程深基坑傳感器所采集的原始監測數據、預警及處理信息、方案設計表等數據進行上鏈存證，保證相關數據不可篡改、不易丟失、便于溯源。

3.1 基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統總體設計

基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統由監測數據采集模塊、區塊鏈平臺、監測數據分析及預報警模塊、人工巡檢管理模塊、監測數據統計及監測報告幾個部分構成，系統總體設計如圖3 所示。

圖3 基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統總體設計圖

3.1.1 監測數據采集模塊

1）通過采集儀獲取傳感器以及監測設備（如水準儀、測斜儀、全站儀等）采集到的數據，同時通過無線發送模塊將采集到的數據發送出去。

2）接收端接收到數據后，對不同格式的數據進行解析，將處理后的原始數據通過基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統給到區塊鏈平臺（見圖2）。

圖2 基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統業務流程圖

3.1.2 區塊鏈平臺

在區塊鏈平臺上對原始數據進行計算處理及存證保存，處理完成后返回結果數據，系統根據檢測方案判斷是否符合預警條件。

3.1.3 數據分析及預報警模塊

如果系統判斷數據滿足預報警條件，首先會觸發給相關負責人員發送預報警提醒短信；其次，會將預報警信息發給現場監測，觸發深基坑現場聲光報警器，提醒現場人員。最后，系統會將預報警信息、用戶處理數據及多方確認結果給到區塊鏈平臺。

3.1.4 人工巡檢管理模塊

監測人員進行現場巡檢，將施工過程發現的問題通過移動端進行記錄，人工巡檢模塊主要具備以下功能。

1）及時記錄基坑現場巡視及人工監測的內容，如果發現異常情況及時產生報警記錄提醒相關單位。

2）實現巡檢項目電子化，制定任務計劃，規范巡檢并自動上傳巡檢信息［6，7］。

3）規范的巡檢記錄為自動生成監測報告提供素材。

3.1.5 監測數據統計及監測報告

系統根據配置的模板，結合深基坑監測數據以及巡檢記錄能夠自動生成監測報告；從不同維度對數據進行統計匯總，方便從整體上，或者從不同維度去了解深基坑情況。

3.2 深基坑安全智能監測系統特點

3.2.1 智能化監測

1）通過傳感器、監測設備定時自動采集現場周邊管線水平位移、水位等相關監測數據，有效降低人工監測成本和失誤，使數據采集過程自動化、智能化。

監測數據通過區塊鏈平臺上鏈存證，利用數字簽名確認身份，保證數據來源真實可靠，不可抵賴。且區塊鏈鏈上信息受司法認可，便于有效追責，提高查證驗證的效率，降低成本。

2）系統自動對深基坑監測原始數據進行計算。通過智能合約和 SDK 事先設置的規則，自動對傳感器傳輸過來的數據進行處理，避免人為介入操作。數據處理過程智能化，保證了規則一致性和處理結果的真實性。

智能判斷監測數據是否滿足預警條件，發現異常時通過短信等方式自動通知相關人員。預警信息及處理結果上鏈存證，基于區塊鏈技術保證數據真實記錄，監控過程更簡單直觀，有效提高了監控效率，降低監控成本。

3.2.2 深基坑監測數據無法篡改

深基坑監測數據、深基坑異常及處理數據、處理確認數據通過聯盟鏈智能合約自動處理，經哈希值運算后在鏈上存證。由于區塊鏈是去中心化分布式存儲，上鏈的監測數據將同步到各聯盟節點存證，即多方擁有相同賬本，不由單一機構保存和維護。因此，通過修改單一節點的數據并不能影響整個區塊鏈平臺上的數據。并且基于區塊鏈機制，每個節點連入區塊鏈網絡時會自動驗證本地賬本與其他節點賬本的一致性，一旦發現異常或缺失，將自動同步覆蓋，從而保證數據無法篡改和偽造，增強了數據的可信度。

而實際上修改區塊鏈上數據本身也是幾乎無法實現。首先區塊鏈是塊鏈式存儲結構，且本身并不提供修改和刪除操作，只能通過暴力破解的方式修改數據。其次因鏈上數據區塊的區塊頭會記錄上一區塊的哈希信息，而該哈希信息是通過區塊內信息通過一系列計算的結果，修改任一信息都將導致該結果的變化，從而逐一影響后續每一個區塊。修改數據這一操作需要足夠的計算能力才能實現，現有計算機性能需要上萬年的時間才能完成。結合上面的賬本同步覆蓋原理，即使成功篡改了本地數據也會被同步覆蓋。所以可以說，監測數據一旦上鏈將無法篡改。

3.2.3 深基坑監測信息完整可追溯

深基坑監測關鍵信息均上鏈存證，由區塊鏈平臺提供的可信數據，為監測數據的異常原因排查與歸責提供依據。區塊鏈數據不可刪除，所有上鏈數據將被永久保存，保證數據的完整性。當需要查詢歷史數據或查驗某個數據整個生命變化軌跡，只需通過 ID 即可從鏈上查詢出所有關聯數據，并基于可信時間戳提供有效數據存儲時間。

3.2.4 去中心化安全穩定

依托區塊鏈高度去中心化的存證服務，搭建開放的合作生態技術平臺，保證了自動化監測系統所采集的數據的真實性和完整性，傳感器的自身出錯和真實異常變化均同時被記錄，通過大數據分析其合理性，在處理過程中要加以甄別，通過這些甄別方法來提高監測數據的可靠性，防止誤報警的出現。

3.2.5 分布式存儲

區塊鏈技術采用分布式存儲，每個節點都有一份完整的數據備份，單個節點出現問題也不會對整個系統和數據記錄產生嚴重影響；所以只要有節點在運行，區塊鏈網絡就能保證全天 24 h 運行，單一節點因故停機并不會影響系統正常運行。監測及相關數據進行分布式存儲并完成容災備份，在數據被破壞或刪除時，可以自動恢復，保障數據安全。

3.2.6 系統維護管理簡單

區塊鏈具有高可用性，通過共識算法實現自動故障轉移。當節點出現故障或掉線，將自動切換可用節點繼續運作，保證系統不宕機。具備動態節點準入機制，允許在系統不停機情況下，添加新組織或節點到區塊鏈網絡中，并自動運行及同步賬本。即保證了系統的高可用性，同時增加了網絡的可維護性。

4 系統應用效果

基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統，目前系統已開始試運行。系統頁面如圖4、圖5 所示。

圖4 基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統鏈上數據查詢頁面

圖5 基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統區塊鏈瀏覽器頁面

系統包括鏈上數據、處理信息、處理歸檔等菜單功能。現場監測：將監測數據發送到基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統的同時，同步上鏈到區塊鏈平臺，保證了監測數據的安全性和完整性；系統對監測數據按標準值處理，形成預報警數據后，進行處理和歸檔并同步上鏈到區塊鏈平臺。基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統，利用區塊鏈去中心化的特點，讓預報警數據能夠被多家單位進行多方處理和互認，并進行歸檔，期間所有的處理過程數據，亦都會存在該區塊鏈服務器上，通過本系統進行展示和監控。

基于區塊鏈技術，系統應用實現以下功能效果。

4.1 高可用部署，防止系統宕機及數據丟失

基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統的區塊鏈網絡是由監測單位等 3 個節點所組成的聯盟鏈。每個節點都存有一份完整的數據，即使有一個節點宕機仍不影響系統的正常運行。在宕機、掉線或故障節點恢復后，基于區塊鏈機制也會自動從區塊鏈網絡上自動復制缺失信息形成完整的數據，并重新加入網絡中運行。

4.2 數據直接上鏈存證 減少人工操作

深基坑現場監測傳感器將采集原始數據傳到區塊鏈平臺上鏈存證，過程中無人工介入干預，保證上鏈數據完整不經修改。數據一旦上鏈后，無法篡改，從而保證傳感器采集數據真實保存，不受人工影響。基于區塊鏈數據不可篡改特點，可調出鏈上數據與系統中數據進行比對，核實數據是否經常篡改偽造，達到驗偽的效果。

4.3 數據永久保存

區塊鏈數據存儲只允許寫入，不允許對歷史數據進行修改或刪除，保證鏈上數據的完整性和可信度。因其數據的永久保存，隨時可查，為數據溯源提供了可信和完整數據。即使通過技術手段修改了數據并提交上鏈，對于區塊鏈網絡也是新增數據，歷史信息不會受到影響，并且保證歷史及修改后提交數據均可查詢，可以完整追溯所有數據修改軌跡。

5 結語

區塊鏈信用體系對于多方協作的建筑行業天然契合，賦能建筑工程信息化建設是一個創新領域。本文論述的基于區塊鏈的建筑工程深基坑安全智能監測系統，利用區塊鏈不可篡改、可追溯的特性，保證了深基坑工程監測數據的完整性和安全性，提供可信數據作為支撐。利用區塊鏈去中心化、多方協作的特點，使數據安全共享，實現監測預警等協同處理，保障工作落實和有效。該系統對于工程項目施工現場，尤其是深基坑的監測管理，起到了至關重要的作用。Q