基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系構(gòu)建研究

王 贏

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，河南 鄭州 450046）

0 引言

隨著全球氣候變暖和城市化進程的加快，導(dǎo)致城市水災(zāi)害頻發(fā)。河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害共造成292人遇難、47人失蹤［1］。現(xiàn)有的應(yīng)急情報服務(wù)體系仍存在很多問題：在災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警階段，各主體缺乏協(xié)同聯(lián)動，導(dǎo)致災(zāi)情信息的獲取和傳遞不暢，應(yīng)急響應(yīng)滯后；在災(zāi)中應(yīng)急救援和災(zāi)后重建階段，出現(xiàn)了賑災(zāi)盲點和救災(zāi)物資“大堵車”的情況，不能做到精準救援；各方臨時組建的應(yīng)急救援集群系統(tǒng)缺乏有序組織，救災(zāi)效率受到制約。

現(xiàn)有的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急管理中存在諸多問題，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點，可提供有效解決這些難題的方法［2］。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已應(yīng)用于金融、物流、版權(quán)登記、慈善等領(lǐng)域［3］，而基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的突發(fā)事件應(yīng)急情報體系的研究相對較少。現(xiàn)有的研究多是將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急管理的某一環(huán)節(jié)，或是理論論證區(qū)塊鏈應(yīng)用于應(yīng)急管理的可行性。李健等［4］對區(qū)塊鏈技術(shù)在突發(fā)事件應(yīng)急管理中的應(yīng)用優(yōu)勢進行分析，從健全區(qū)塊鏈應(yīng)用政策法規(guī)出發(fā)，提出完善的建議；金華［5］闡釋了區(qū)塊鏈架構(gòu)下應(yīng)急管理的可能圖景、潛在風(fēng)險與因應(yīng)之道；黃銳等［6］基于區(qū)塊鏈技術(shù)，提出建立兼顧實時性和準確性的傳染病早期聯(lián)合預(yù)警監(jiān)測平臺的構(gòu)想；王琳［7］對基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)急物資社會捐贈體系的構(gòu)建進行了詳細論述；賈宏偉等［8］分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在社會應(yīng)急救助中的應(yīng)用前景，認為區(qū)塊鏈可為解決社會應(yīng)急救助中的問題提供新的思路和有效支撐。

目前，以城市水災(zāi)害等突發(fā)事件為研究對象進行的研究多是從管理學(xué)角度出發(fā)，而基于區(qū)塊鏈為技術(shù)構(gòu)建的面向災(zāi)害全生命周期的應(yīng)急情報體系的研究相對較少。基于此，本研究以河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害為例，通過構(gòu)建貫穿城市水災(zāi)害突發(fā)事件全生命周期的應(yīng)急情報體系，利用區(qū)塊鏈技術(shù)，形成數(shù)據(jù)信息的協(xié)同共享，實現(xiàn)災(zāi)前自動監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)中救災(zāi)資源合理供需匹配、災(zāi)后精準恢復(fù)重建，以及全流程監(jiān)管追溯，為城市應(yīng)急響應(yīng)提供準確的情報分析，并為公眾提供公開的信息窗口。

1 基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系架構(gòu)設(shè)計

1.1 情報服務(wù)平臺整體結(jié)構(gòu)

在河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害中，政府部門在風(fēng)險評估與預(yù)警、信息傳輸與共享及應(yīng)急資源配置等方面存在很多不足之處。應(yīng)急情報服務(wù)平臺是城市水災(zāi)害等突發(fā)事件信息傳輸、存儲、分析、維護及應(yīng)用的載體，當(dāng)前迫切需要建立一個綜合性情報服務(wù)平臺，并能服務(wù)于突發(fā)事件應(yīng)急管理的全生命周期。本研究設(shè)計的服務(wù)平臺架構(gòu)包括5層，即數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、合約層和應(yīng)用層，實現(xiàn)對突發(fā)事件事前、事中和事后的科學(xué)協(xié)同管理。

1.2 多鏈式區(qū)塊鏈架構(gòu)

應(yīng)急管理主體要根據(jù)突發(fā)事件的發(fā)展進行動態(tài)決策。該體系在事前監(jiān)測預(yù)警階段側(cè)重于情報采集；在事中搶險救災(zāi)階段側(cè)重于對采集到的情報進行整合，輔助決策分析；在事后恢復(fù)重建階段側(cè)重于重新梳理，提高工作效率、改善效果。由于自然災(zāi)害的突發(fā)性和復(fù)雜性，需要面向災(zāi)害的全生命周期，對災(zāi)害各階段進行綜合把控和監(jiān)管。此外，突發(fā)事件具有完整的生命周期，可借助跨鏈技術(shù)使各鏈協(xié)同聯(lián)系，構(gòu)建以覆蓋突發(fā)事件全生命周期的監(jiān)管鏈為主鏈，災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警鏈、災(zāi)中搶險救災(zāi)鏈、災(zāi)后恢復(fù)重建鏈為子鏈的多鏈結(jié)構(gòu)。主鏈起中繼鏈的作用，各子鏈通過數(shù)據(jù)交換節(jié)點、中繼合約、跨鏈合約來完成與主鏈和其他子鏈的協(xié)同聯(lián)系，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時交換（見圖1）。多鏈協(xié)同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可保證每個環(huán)節(jié)的獨立性，使每條鏈上的節(jié)點數(shù)量降低，可有效加快運行速度，同時便于快速檢索。

圖1 基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報多鏈式網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭存放前塊哈希、隨機數(shù)、Merkle根和版本信息，區(qū)塊體用來記錄一定時間內(nèi)所生成的詳細數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈是所有區(qū)塊的串聯(lián)，當(dāng)有新的區(qū)塊產(chǎn)生時，會對前一個區(qū)塊的所有數(shù)據(jù)進行哈希運算，然后把計算結(jié)果作為前一個區(qū)塊的哈希保存在新的區(qū)塊頭中，所有區(qū)塊按生成順序進行連接［9］。基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系采用的是多鏈式區(qū)塊結(jié)構(gòu)，即以監(jiān)管鏈為主鏈，以災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警鏈、災(zāi)中搶險救災(zāi)鏈、災(zāi)后恢復(fù)重建鏈為子鏈的多鏈結(jié)構(gòu)。

1.3 組織結(jié)構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的P2P分布式組網(wǎng)協(xié)同技術(shù)和多鏈式主子網(wǎng)架構(gòu)模式，在城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報多鏈式區(qū)塊鏈中設(shè)置三類節(jié)點，分別是超級節(jié)點、骨干節(jié)點和業(yè)務(wù)節(jié)點，不同類型的節(jié)點通過分工合作，保證鏈網(wǎng)能夠穩(wěn)定運行。在“7·20”河南鄭州特大暴雨災(zāi)害應(yīng)急情報鏈網(wǎng)中，監(jiān)管鏈為主鏈，超級節(jié)點主要分布在監(jiān)管鏈上，由國家防汛抗旱總指揮部、國家應(yīng)急管理部及河南省人民政府、防汛抗旱指揮部、應(yīng)急管理廳組成。超級節(jié)點主要負責(zé)執(zhí)行主鏈共識，對全鏈網(wǎng)節(jié)點執(zhí)行CA認證，負責(zé)身份認證和撤銷，其可下載完整的全鏈網(wǎng)數(shù)據(jù)，對各子鏈進行實時監(jiān)管，具有鏈群管理的功能。骨干節(jié)點起著跨鏈橋接器的作用，是主鏈和子鏈間的“橋梁”，由鄭州市人民政府、防汛抗旱指揮部、應(yīng)急管理局組成。骨干節(jié)點具有錨定主鏈、子鏈共識、子鏈監(jiān)管、智能合約部署等功能，子鏈通過骨干節(jié)點與主鏈完成跨鏈交互的過程，同時擔(dān)負著跨鏈網(wǎng)關(guān)的職責(zé)，從而實現(xiàn)主子鏈的跨鏈通信。各子鏈中的節(jié)點主要有骨干節(jié)點和業(yè)務(wù)節(jié)點。業(yè)務(wù)節(jié)點負責(zé)協(xié)同骨干節(jié)點執(zhí)行共識、執(zhí)行業(yè)務(wù)活動，其權(quán)限由骨干節(jié)點進行管理［10］。在災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警鏈中，鄭州市應(yīng)急管理局為骨干節(jié)點，業(yè)務(wù)節(jié)點主要由鄭州市市氣象局、水利局、城建局、文廣新局、通信發(fā)展管理辦公室，及社區(qū)組織、公眾等組成；在災(zāi)中搶險救災(zāi)鏈中，鄭州市防汛抗旱指揮部為骨干節(jié)點，業(yè)務(wù)節(jié)點由武警鄭州支隊、鄭州消防救援支隊、鄭州警備區(qū)司令部、公安局、財政局，及志愿者組織、慈善協(xié)會、社會團體、行業(yè)協(xié)會、社區(qū)組織、企業(yè)、公眾等組成；在災(zāi)后恢復(fù)重建鏈中，鄭州市人民政府為骨干節(jié)點，業(yè)務(wù)節(jié)點由鄭州市財政局、民政局、交通運輸委員會，及保險公司、志愿者組織、慈善協(xié)會、社會團體、行業(yè)協(xié)會、社區(qū)組織、企業(yè)、公眾等組成。

2 基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系運行機制

應(yīng)急情報體系是以情報服務(wù)平臺為載體、以情報流為核心的有機整體。信息流的運行需要有完備的信息收集機制、信息整理機制和信息溝通機制。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系中，情報流的運行要由區(qū)塊鏈節(jié)點認證機制、共識機制、智能合約、分布式賬本及密碼學(xué)技術(shù)來維護才能高效有序運行。分布式賬本可解決數(shù)據(jù)記錄和存儲中的問題，共識機制可解決數(shù)據(jù)維護中的問題，智能合約可解決情報執(zhí)行中的問題，密碼學(xué)可解決情報安全中的問題。

2.1 節(jié)點認證與共識機制

子鏈上的節(jié)點在上鏈前要向主鏈中的超級節(jié)點提出申請，超級節(jié)點運用CA認證機制對用戶信息的合法性進行審核，在完成審核后會頒發(fā)CA證書，生成該用戶的私鑰和公鑰，允許上鏈運行。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一個分布式系統(tǒng)，多個區(qū)塊鏈節(jié)點共同維護一份數(shù)據(jù)，要通過合理的共識機制來保障數(shù)據(jù)的一致性與合法性［11］。基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系采用的是拜占庭容錯算法和信用證明共識機制。在網(wǎng)絡(luò)無法正常運行或存在散布錯誤信息的惡意節(jié)點時，拜占庭容錯算法仍能讓誠實節(jié)點達成共識，并能正常運行。信用證明是以區(qū)塊鏈上的節(jié)點信用為依據(jù)的共識機制。當(dāng)災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警鏈中的節(jié)點提供真實可靠的信息時，其信用值會增加，反之則會降低。在災(zāi)中搶險救災(zāi)鏈和災(zāi)后恢復(fù)重建鏈中，當(dāng)供給者節(jié)點滿足需求者節(jié)點的需求后，其信用值會增加，反之則會降低。

2.2 智能合約

2.2.1 災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警智能合約。以河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害應(yīng)急情報體系為例，在災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警鏈中，將《國家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》等文件中涉及的預(yù)警級別及響應(yīng)內(nèi)容進行整合，并將其腳本化，從而形成智能合約。運用智能合約對采集到的各項數(shù)據(jù)信息進行閾值判斷，并自動生成相應(yīng)的響應(yīng)預(yù)案。在接收到險情數(shù)據(jù)信息后，該體系按照智能合約的預(yù)置觸發(fā)條件和響應(yīng)規(guī)則自動進行預(yù)警和響應(yīng)。監(jiān)管鏈上的超級節(jié)點監(jiān)督災(zāi)前監(jiān)測預(yù)警鏈上骨干節(jié)點和業(yè)務(wù)節(jié)點對智能合約的執(zhí)行，超級節(jié)點的參與是智能合約能夠順利執(zhí)行的約束和保障。

2.2.2 災(zāi)中和災(zāi)后供需匹配智能合約。災(zāi)中搶險救災(zāi)和災(zāi)后恢復(fù)重建的核心是要解決受災(zāi)方和救災(zāi)方的供需匹配問題。當(dāng)前的災(zāi)中和災(zāi)后供需匹配是在政府或相關(guān)慈善機構(gòu)的主導(dǎo)下進行的，參與的人為因素較多，應(yīng)急響應(yīng)緩慢、供需錯配、捐贈透明信任等問題突出。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件災(zāi)中搶險救災(zāi)鏈和災(zāi)后恢復(fù)重建鏈中，供需雙方可直接聯(lián)系，智能合約將實現(xiàn)受災(zāi)需求方和救援供應(yīng)方的自動高效科學(xué)地匹配。若在指定時間內(nèi)需求方的需求被滿足，則供應(yīng)方的信用值將會增加，供需過程和結(jié)果將會被寫入?yún)^(qū)塊鏈；反之，供應(yīng)方的信用值會被降低，需求者的求援緊急程度會提升，并提高其下一輪匹配的優(yōu)先級，供需過程和結(jié)果都會被寫入?yún)^(qū)塊鏈中。

2.2.3 中繼合約與跨鏈合約。中繼合約與跨鏈合約是保證多鏈式區(qū)塊鏈運行的關(guān)鍵。主鏈上部署中繼合約，用于跨鏈時主子鏈間的數(shù)據(jù)同步與確認，保證主鏈作為中繼來實現(xiàn)鏈間的通信。子鏈通過跨鏈智能合約向主鏈發(fā)起注冊請求，以主鏈為中心，可與其他子鏈進行跨鏈操作，順利實現(xiàn)主子鏈間跨鏈，支撐跨鏈業(yè)務(wù)的核心邏輯，保證跨鏈交易的有效性與安全性［12］。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系中，監(jiān)管鏈上部署有中繼合約，其他子鏈上部署有跨鏈合約。

2.3 加密存儲追溯機制

由于城市水災(zāi)害應(yīng)急情報體系涉及的主體眾多，數(shù)據(jù)量大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時還要將具體的信息存儲起來，便于科學(xué)決策。在該體系中，將具體的數(shù)據(jù)以IPFS形式進行存儲，再將文件哈希值上傳到區(qū)塊鏈。節(jié)點在獲取具體數(shù)據(jù)時，可根據(jù)區(qū)塊鏈上的哈希值從對應(yīng)的IPFS文件系統(tǒng)中下載。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系中，監(jiān)管鏈中的超級節(jié)點會向各鏈節(jié)點分發(fā)生成的密鑰對，區(qū)塊鏈各節(jié)點的賬號是其公鑰，節(jié)點賬號運用私鑰對已通過驗證的信息進行簽名。用戶的保密信息僅對監(jiān)管鏈中的超級節(jié)點可見。

城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系的追溯功能是基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)連續(xù)性的特點。根據(jù)當(dāng)前區(qū)塊中的前一區(qū)塊哈希值就可追溯到前一區(qū)塊，并檢索到前一區(qū)塊的數(shù)據(jù)信息。國家防汛抗旱總指揮部、國家應(yīng)急管理部、各級政府，以及公眾等所有通過CA認證的用戶都可在該平臺上對預(yù)警信息、搶險救災(zāi)情況、災(zāi)后恢復(fù)重建情況進行查詢，監(jiān)管鏈上的超級節(jié)點用戶可實現(xiàn)追溯功能。災(zāi)情控制后還可利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可追溯的特點，對應(yīng)急管理的整個過程進行積極總結(jié)。一旦對重大事故進行追責(zé)，可把區(qū)塊鏈網(wǎng)作為一個完整的責(zé)任鏈條為調(diào)查提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 結(jié)語

隨著全球氣候變化和城市化進程的加快，城市水災(zāi)害突發(fā)事件頻發(fā)，傳統(tǒng)應(yīng)急情報服務(wù)體系中存在的缺點突顯。基于此，本研究通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，采用多鏈式聯(lián)盟鏈架構(gòu)，構(gòu)建了貫穿城市水災(zāi)害突發(fā)事件全生命周期的立體化應(yīng)急情報體系，實現(xiàn)了災(zāi)前自動監(jiān)測預(yù)警、災(zāi)中救災(zāi)資源合理供需匹配、災(zāi)后精準恢復(fù)重建及全流程監(jiān)管追溯，為城市水災(zāi)害突發(fā)事件快速響應(yīng)提供情報分析，以期為我國城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報體系的構(gòu)建提供理論參考。下一步的研究重點是進行系統(tǒng)原型的具體實現(xiàn)，并通過模擬測試對本研究提出的理論進行驗證。