基于區塊鏈的燃氣管網完整性防偽溯源研究

張雪嬌，喬 佳，馬旭卿，鄭 凱，馬瑞莉，張佳維(北京市燃氣集團研究院，北京100011)

1 概述

燃氣管網的安全運行是保障城市平穩供氣的基礎。然而，第三方施工破壞、違章建筑占壓等行為可能導致燃氣管網的損壞，不利于燃氣管網的安全運行。因此，實時對燃氣管網進行監測、檢測，深入感知城市燃氣管網的運行規律與狀態，第一時間做出應急響應是確保燃氣管網安全運行的關鍵所在。

本文利用區塊鏈的優勢特征，依托云計算、大數據、物聯網、5G等新一代互聯網技術[1]，研究基于區塊鏈的燃氣管網完整性防偽溯源技術體系。基于區塊鏈的燃氣管網完整性數據的防偽溯源，依托各類傳感器、監測設備、檢測設備等物聯網設施，借助大數據分析技術，實時監測和檢測燃氣管網運行狀況，實現燃氣管網各生命周期完整性數據上鏈，保證燃氣管網數據的完整性[2]，實現燃氣管網的防偽溯源。此外，還可以全方位掌握燃氣管網的運行動態，達到快速預警和應急響應的目的[3]。

2 區塊鏈技術的典型特征

區塊鏈技術是集成塊鏈分布式數據結構、共識機制、非對稱加密算法、點對點網絡等一系列技術，并以特定形式結合形成的一種用于記錄和儲存數據的技術體系，具有去中心化、無第三方中介、安全高效、數據可防偽追溯、各方權責明晰的特征[4]。區塊鏈技術的創新應用模式已擴展到產品防偽溯源、能源交易、金融理財等多個領域[5]，區塊鏈未來的應用場景還將被更多實體經濟領域不斷挖掘，實現新一輪的指數級增長。

區塊鏈去中心化指的是區塊鏈系統中不存在中心硬件，通過共識機制、密碼學特征完成所有區塊之間的有序連接，基于對等網絡(P2P)，將區塊鏈中的每個節點通過點對點通信協議，完成數據的儲存、交換與共享。由于每個節點的數據可以查到帶有時間戳的數字簽名，因此，區塊鏈上的數據具有可追溯，不可篡改的特征[6]。

區塊鏈技術在燃氣領域應用時的去中心化特征表示形式見圖1，圖1中，黑色文本框表示燃氣領域區塊鏈體系的各類節點，具體包括燃氣企業、燃氣企業分公司、政府管理部門、監理單位、施工單位、設計單位、傳感器等物聯網設備共7個節點，紅色文本框表示鏈式數據記錄。各類節點要么直接通過鏈式數據記錄上傳數據，要么借助傳感器等物聯網設備通過鏈式數據記錄實時傳輸數據，每個節點都具有鏈式數據記錄的完整備份。各類節點之間的互動大體相同，這里以燃氣企業與其他節點的互動為例來說明。燃氣企業節點可與燃氣企業分公司、施工單位、設計單位直接聯系，提出要求，燃氣企業分公司、施工單位、設計單位可將工作進展及時報告給燃氣企業。燃氣企業可隨時接受政府管理部門的監督，及時報告燃氣管網運行情況，政府管理部門及時對燃氣企業進行指導與反饋。

圖1 區塊鏈在燃氣領域應用時的去中心化特征表示形式

區塊鏈中每個節點都具有相同的價值，所有節點共同管理與維護上鏈數據，不會因為某一節點的損壞而影響區塊鏈系統的整體功能。此外，區塊鏈中采用智能合約形成的特定程序能夠完成數據的自動讀取等一系列操作行為，不需要中介介入協調管理。

綜上所述，區塊鏈技術具有各方平等、安全穩定、成本低廉、運行快速的顯著優勢[7]。

3 燃氣管網完整性防偽溯源總體思路

燃氣管網完整性防偽溯源的應用場景滿足應用區塊鏈技術的條件，上鏈數據存在唯一性、安全性與時效性，因此，可以利用區塊鏈技術建立燃氣管網完整性防偽溯源應用總體思路。

① 建立區塊鏈平臺實現數據上鏈

利用云計算服務成本低、可靠性高的特點，可采用微軟公司2016年對外提供的基于云計算的操作系統(Azure)云平臺上的區塊鏈即服務(BaaS)，創建區塊鏈平臺[8]，在此平臺上進行數據上鏈等一系列操作，實現數據共享、分析與監督等功能。

② 依托共識算法確保數據的一致性

在區塊鏈去中心化體系中，若干個節點參與決策，達成共識，在互相沒有信任基礎的個體之間通過共識機制建立信任關系，使得各節點之間達成高效共識，防止數據被篡改，從而降低信用成本與交易成本。

區塊鏈的共識機制主要包括工作量證明(PoW)、股份授權證明(DPoS)以及實用拜占庭容錯算法(PBFT)等類型[9]。基于燃氣管網完整性防偽溯源應用場景中參與節點數量多、數據量大的特點，本文采用DPoS共識機制，通過不斷比選可信任節點記賬的方式，提高區塊鏈數據處理的水平，在很大程度上減少計算時間。

③ 依托當代信息技術支撐數據上鏈

依托云計算低成本的特點，利用微軟BaaS服務，創建區塊鏈環境；依托大數據海量儲存功能與高效敏捷分析能力，提升上鏈數據利用空間與使用價值；依托物聯網的識別與智能感知等技術[10]，支撐區塊鏈平臺的共識機制；依托5G移動通信技術，達到區塊鏈極速同步的效果，拓寬區塊鏈的應用領域。

④ 依托區塊鏈2.0版本實現場景落地

智能合約是區塊鏈2.0版本的主要技術指標，智能合約是基于預定事件觸發、不可篡改、自動執行的計算機程序，它是由多方共同參與制定并公示的合約機制，包含各方達成一致的權利和義務[11-12]。區塊鏈2.0版本對區塊鏈在各領域的應用場景落地提供了創新模式。燃氣管網完整性防偽溯源應用場景數據總量大，內容復雜，在數據儲存和管理中需要智能合約對所有環節采集的數據進行處理和把關。

4 燃氣管網完整性防偽溯源應用分析

4.1 燃氣管網完整性防偽溯源條件判斷

燃氣管網完整性數據包括管網設計、施工、運行、監測、維搶修、報廢等管網全生命周期數據，其中，燃氣設備數據包括生產廠家、應用范圍、使用期限等生產數據以及日常維護檢修數據。目前，我國城市燃氣管網總長度高達70×104km左右，附屬的燃氣設備數量多達(10～30)×104個。燃氣管網完整性數據量大，需要可追溯、不可篡改的分布式數據庫作為技術支撐。并且，正常情況下，燃氣管網壽命較長，燃氣管道和設備管理和維護周期長，需要設計單位、施工單位、燃氣企業分公司以及燃氣企業生產管理與監理部門在燃氣管網整個全生命周期中共同管理與維護。因此，利用區塊鏈技術可以全面掌握燃氣管網運行狀態，提高管網數據準確率和利用率，實現燃氣管網完整性的防偽溯源。

4.2 燃氣管網完整性防偽溯源技術體系

燃氣管網完整性防偽溯源技術體系的具體架構見圖2。

圖2 燃氣管網完整性防偽溯源技術體系

燃氣管網完整性防偽溯源技術體系自上而下分為以下5層：對象訪問層、數據互聯互通層、數據應用層、多源數據倉庫層、區塊鏈運行環境層[13-14]。

① 對象訪問層

對象訪問層主要是燃氣管網完整性防偽溯源應用場景下的各類訪問對象，此處的訪問對象對應區塊鏈系統中的各類節點，主要包括燃氣企業人員APP節點、瀏覽器節點以及外網訪問節點。這3種節點是根據系統使用方和使用權限的不同進行設計的，并且三者之間還可以相互轉化，在開通權限后實現其他節點以及其他系統中配置的功能。例如，燃氣企業運維人員在現場進行維搶修過程中，可通過APP手機端第一時間上傳現場數據，回到單位后可通過瀏覽器節點訪問內網，進行數據的監測、檢測與分析處理等工作。此外，在緊急情況下，還可在非辦公場所，在與區塊鏈系統管理人員聯系并取得權限后，在外網通過瀏覽器節點登錄系統，進行相關操作，達到實時掌握燃氣管網生產運行各項情況的目的。

② 數據互聯互通層

數據互聯互通層包含Oracle等數據庫、服務器之間的網絡通信協議以及系統對接接口3個組成部分，保障區塊鏈系統與其他應用系統之間順利地進行數據的傳輸和同步。

③ 數據應用層

數據應用層中，利用區塊鏈平臺上的數據，完成管網評價、風險控制以及效能評價工作。其中，管網評價模塊包括管網風險源辨識、管網泄漏評價模型、外力破壞評價模型以及管網腐蝕評價模型4個部分。風險控制模塊包括管網風險源防控、泄漏檢測設備設施、智能檢修設備設施、燃氣設備風險控制、應急搶修設備設施、腐蝕控制系統與設備設施6個部分。效能評價模塊包括燃氣管網完整性指標體系與效能評價、燃氣設備指標體系與效能評價2個部分。在數據應用層中，還將根據燃氣管網生產運行實際需要，通過分析和優化，不斷進行數據處理和應用層面的動態調整。

④ 多源數據倉庫層

多源數據倉庫層中，主要包括燃氣設備廠家提供的設備數據、燃氣管網設計單位提供的設計數據、燃氣管網施工單位提供的施工數據、燃氣企業提供的燃氣管網各類運行數據、搶修數據以及監測、檢測數據等。其中，部分燃氣管道和設備數據可通過嵌在管道壁上和燃氣設備上的傳感器進行實時采集。各方提供的數據通過股份授權證明機制DPoS驗證后進行數據上傳。在區塊鏈環境下，通過共識機制以特定方式將數據儲存于區塊中，通過哈希算法，數據形成的區塊頭上還通過記錄前面數據形成的區塊的哈希值不斷將大量數據區塊形成塊鏈式結構，將所有上鏈數據有序連接起來，從而打破了燃氣管網的數據孤島。在此過程中，每個區塊上的節點都具有時間戳的標志性數字簽名，可進行數據防偽溯源，保證了數據的可信性。并且所有節點都具有完整的數據副本，可防止系統被惡意攻擊，極大地保證了數據的安全性和完整性。

⑤ 區塊鏈運行環境層

區塊鏈運行環境層包含區塊鏈技術體系所特有的塊鏈式數據結構、智能合約、共識機制、操作系統、對等網絡、各類節點、分布式儲存數據庫等在內的硬件和軟件設施，是區塊鏈運行環境的基本保障。

需要說明的是，每個層級中包含的內容還可以根據技術體系的使用情況以及燃氣管網的建設和運行情況進行調整，不斷滿足燃氣企業生產運行的實際需要。

4.3 燃氣管網完整性防偽溯源體系優勢

基于區塊鏈的燃氣管網完整性防偽溯源技術體系的5個層級相互關聯，密不可分。

在獲取燃氣管道數據后，設計單位、施工單位、燃氣企業等責任方及時上傳數據，其他各方可以看到通過塊鏈式數據結構連接起來的所有數據，保證了每條燃氣管道數據的連通性和完整性，并可針對數據疑點進行溯源，保證了燃氣管道數據的準確性。

對于閥門、調壓箱、閥門井等燃氣設備設施，生產廠家將設備出廠數據、防偽商標數據上傳以及燃氣企業將設備監測檢測與維護數據上傳后，各方也可以隨時針對燃氣設備設施出現的問題進行防偽溯源，查找相關責任方(對應系統中的各類節點)，通過區塊鏈系統中建立的獎懲機制第一時間對故障設備設施做出響應，對系統中積極響應的節點及時進行獎勵，對需要承擔故障責任的節點進行懲罰，對采取消極態度響應的節點給予警告處理。因此，通過區塊鏈系統的這些機制，可以建立高效的燃氣設備設施防偽溯源體系，為燃氣企業安全運行提供借鑒和參考。

5 結論

基于區塊鏈技術的燃氣管網完整性防偽溯源技術體系包括對象訪問層、數據互聯互通層、數據應用層、多源數據倉庫層、區塊鏈運行環境層5個層級。通過對燃氣管網完整性防偽溯源總體思路、技術體系5個層級內容以及執行過程的描述，明確了區塊鏈條件下燃氣管網完整性防偽溯源的技術理念以及技術優勢，表明基于區塊鏈技術的燃氣管網完整性防偽溯源技術體系具有一定的可操作性，能夠滿足燃氣企業進行高效管理以及燃氣管網安全、穩定運行的需求，助力燃氣企業在燃氣管網方面的技術水平和安全運行能力的升級。