區塊鏈在德州水資源監控能力建設中應用

邊曉南，夏文君，張洪亮

（德州市水利局，山東 德州253014）

區塊鏈是用分布式數據庫識別、傳播和記載信息的智能化對等網絡，也稱為價值互聯網。包含分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術的新型應用模式。區塊鏈技術是互聯網底層的分布式數據庫技術，特點包括去中心化、點對點傳輸、透明、可追蹤、不可篡改、數據安全及信用的自我建立等。區塊鏈技術的應用，對提高德州市水資源管理效率，推動水資源信息化和取用水計量精準化，有著積極的作用。

1 區塊鏈技術

1.1 區塊鏈技術的核心

1）區塊+鏈。區塊鏈將數據庫結構進行創新性分解，數據分塊，每一個區塊上記錄上一個區塊形成之后的、該區塊被創建之前發生的所有交換活動和數據。每個區塊通過特定的信息鏈接到上一區塊后，前后順序鏈接形成完整數據，絕大多數情況下，一旦新區塊完成并被加入到區塊鏈的最后，該區塊的數據記錄就不能被改變或刪除，保證了數據庫的嚴謹性。

2）分布式結構。在中心化的體系中，數據集中記錄并存儲于服務器上。區塊鏈結構設計采取完全不同的思路，讓每一個參與節點都記錄并存儲所有的數據。區塊鏈根據系統確定的開源的、去中心化的協議，構建了一個分布式結構。價值交換信息通過分布式傳播發送給整個網絡，通過分布式記賬確定信息數據內容，蓋上時間戳后生成區塊數據，再傳輸至各個節點，實現分布式存儲。

3）非對稱加密和授權技術。在傳統數據存儲方式中，每個訪問用戶的秘鑰不一樣，服務器需要保存大量秘鑰，如果系統有上萬用戶和終端，則需要存儲對應上萬的秘鑰，維護成本較大。在區塊鏈技術中，系統只需要保存自己的私鑰，用戶可以隨意下載系統公鑰，從而減輕了系統壓力。同時，存儲在區塊鏈上的數據信息是公開的，但是賬戶身份信息是高度加密的，只有在數據擁有者授權的情況下才能訪問到，從而保證了數據的安全和個人的隱私。

4）可編程的智能合約。區塊鏈技術不僅可以支持可編程合約，而且具有去中心化、不可篡改、過程透明、可追蹤等優點，在區塊鏈上搭建可信的智能引擎、智能應用，為用戶提供去中心化的數據處理能力，實時部署到數據端進行分析計算的能力，以及抽取必要數據到中心節點進行融合分析的能力，為區塊鏈的發展開辟了廣闊的空間。

1.2 區塊鏈技術的優勢

區塊鏈去中心化的分布式結構無需中介參與、不可篡改的時間戳特征保證數據傳輸高效透明且高度安全。在中心化體系中，數據集中記錄并存儲于服務器上。而區塊鏈結構設計采取了完全不同的思路，讓每個參與節點都記錄并存儲所有的數據，區塊鏈根據系統確定的協議構建成一個分布式結構，交換信息通過分布式傳播發送給整個網絡，通過分布式記賬確定信息數據內容，生成區塊數據，實現分布式存儲。區塊鏈技術的應用，可以推動建立安全可靠的數字經濟，可廣泛應用于互聯網業務、醫療、環保、水利、公共水務等各個領域。

2 水資源監控能力建設現狀

德州市高度重視水資源監控能力建設，根據相關技術標準和規程，完善水量監測計量管理辦法，建立健全水資源監測計量工作機制。2014 年，德州市水利局投資178 萬元，建設完成了市級水資源監控系統平臺，并實現了市縣水資源監控平臺聯網。為全面加強水資源監控能力建設，2017年，德州市水利局再次投資292.5 萬元，新裝市級遠程水量自動監控設備223 套。

同時，隨著國家水資源遠程監控能力建設的全面推進，德州市部分取用水戶納入國家水資源監控系統平臺。截至目前，全市累計共安裝遠程水量自動監控設備511 套，其中國家級監控設備72 套，市級監控設備256 套，縣級監控設備183套，實現了全市年取水3 萬m3以上取用水戶遠程監控全覆蓋。以各級水資源信息管理系統為依托，德州市各級水資源管理部門加強取用水戶的取水行為監督管理，強化取用水戶信息管理和取水計量設施巡查工作，確保水資源稅征收工作持續穩定開展。

3 存在的問題

3.1 現有水資源監控系統架構存在的不足

目前的水資源監控系統多采用中心化體系，即在機房架設服務器和數據庫，由遠程計量設備通過移動數據發送至服務器接收，數據集中記錄并存儲于數據庫中。而傳統中心化體系面對日益增多的遠程終端的接入，是無法解決網絡傳輸瓶頸、網絡攻擊、服務器和數據庫故障、數據丟失等固有缺陷，隨著水資源管理工作的深入推進，對取用水精準計量和優化則提出了更高的要求。

3.2 水資源監控覆蓋面不均衡

一是對用水量較小的取用水戶（如洗車、餐飲）不適合安裝現有遠程計量設備，用水成本和安裝成本矛盾突出。二是對偏遠地區、鄉鎮地區的取用水戶安裝遠程計量設備條件不充分，電力、移動信號不能夠滿足施工條件。

3.3 遠程計量設備維護壓力日益增大

遠程計量設備屬于電子產品，與傳統機械水表相比，元器件容易老化，正常使用壽命一般在5年左右。取用水戶取水點的環境、水質、設備間溫度濕度等因素，對遠程計量設備的損傷有重要影響。運營單位維修和運維的周期長，故障問題得不到及時解決。

4 對提升水資源監控能力建設的作用

4.1 對數據及時性的提升

現有水資源遠程監控系統核心在于信息的中心化處理，高度依賴遠程計量設施、中心機房和系統終端的網絡通暢程度。當因中間任一環節的網絡故障導致數據傳輸延遲和丟失，水資源管理人員往往無法及時得到準確信息，耽誤水量計量和核定。區塊鏈技術則可以通過使用智能合約的遠程計量設備間進行安全通信、確保信息可以及時傳遞到水資源管理人員的終端系統內。

4.2 對遠程監控覆蓋面的提升

在即將全面鋪開的5G 時代和物聯網技術的支持下，遠程計量設備也將更加智能化，水量信息通過水量傳感設備就能接入互聯網，通過區塊鏈技術實現設備和設備之間的智能通信，更快地更新水量實時數據和取水異常信息，有效降低了水資源監控系統的網絡數據傳輸壓力，降低了水資源監控能力建設成本，提高小微用水戶遠程和偏遠地區用水戶的遠程計量設備安裝率，有效擴大遠程監控的覆蓋面。

4.3 降低系統和設備的維護壓力

目前各級水資源遠程監控系統由不同的軟件公司開發，遠程計量設備也分批采購不同廠家產品，因設備通用性問題，在后續開發和運維方面增加大量成本，而區塊鏈和物聯網的應用，將改變目前的狀況。物聯網使遠程計量設備直接接入互聯網，區塊鏈技術實現遠程計量設備、系統終端之間實現了互聯互通，分布式存儲，從而提高了遠程計量設備的兼容性，降低了設備維護難度，甚至能和傳統機械水表一樣的取用水戶自修自換，根據各級水資源監控系統定義的智能協議自動接入系統實現數據傳輸和數據存儲，從而大大提高了水資源遠程監控系統運行效率。