基于聯盟鏈的橋梁管養信息平臺設計研究

田一鳴 謝黎明 徐寒亭 趙翔 杜賽賽

[摘? ? 要] 為解決現有橋梁管養數字化、信息化水平較低，多方協同效率低下，管理制度不完善等問題，提出采用區塊鏈技術，設計基于聯盟鏈的橋梁管養信息平臺，實現管養全流程數據共享、可信，設計智能合約，實現人、財、物等管養資源鏈上流轉。通過數據積累，不斷提升管養水平、完善管養制度，創建一種全新的、常態化的管養模式。

[關鍵詞] 聯盟鏈;橋梁;管養;信息平臺

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 083

[中圖分類號] U445.7;TP315? ? [文獻標識碼]? A? ? ? [文章編號]? 1673 - 0194（2020）15- 0199- 03

1? ? ? 背景與現狀

橋梁是交通設施互聯互通的關鍵節點和樞紐工程，是國民經濟發展和社會生活安全的重要保障。中國橋梁數量在2013年已躍居世界第一，我國現代化公路橋梁建設起步較晚，長期以來重建設、輕養護的思想導致公路橋梁的養護工作不足，養護工作無法跟上建設速度，導致橋梁的養護工作嚴重滯后。很多公路橋梁投入使用之后，就逐漸開始出現問題[1]。目前，中國橋梁產業將步入創新驅動和轉型升級的重要戰略機遇期，但“重建設，輕管養”的模式讓相當一部分橋梁“帶病服役”，安全隱患不容小覷。對橋梁的維護和修葺是延續橋梁使用年限的重要保障。中國路網在役橋梁40%服役超20年，技術等級為三、四類的帶“病”橋梁達30%，約15%的橋梁為危橋，存在嚴重的安全隱患。現有橋梁管養問題主要集中在以下幾個方面：

一是多方協同效率低。管養工作需多單位、跨部門協作，各單位工作機制、團隊水平參差不齊，統籌協調難度大，管養實時性難以保障。二是數字化、信息化水平較低。因橋梁種類繁多、管養規則不統一，常存在管養存檔不全、資料缺失、已有信息系統因缺乏數據而成為擺設或者信息孤島等問題。三是管養制度不完善。現有管養規范陳舊，讓眾多新橋帶“病”工作。同時，制度的執行完全依賴人工，無法得到高效、嚴格執行。此外，特殊養護完全依賴人工，應急養護，超重、超載必須通行養護等特殊場景，完全依賴現場工程師經驗，缺乏實時、可靠的數據供決策者使用，自動判別機制更是尚未起步。

作為橋梁工程全產業鏈的一環，橋梁管養可看作全產業鏈的縮影，它需要施工，也可反溯設計，需要多方協同，同時又涉及供應鏈。物聯網技術的出現和在工程監測領域的廣泛應用，使橋梁健康狀況信息實時采集和自主分析預警成為可能。將物聯網、大數據與區塊鏈等新興技術和橋梁管養深度融合，打造信息化、智能化的橋梁管養產業鏈創新體系，是解決現有低層次重復、資源分散分隔、成果轉化不足和多產業領域合作難等問題的一種策略[2]。為此，應整合道路橋梁結構、運維環境、運行荷載等數據資源， 構建信息化綜合管理和服務平臺，研究設計基于聯盟鏈的橋梁管養信息平臺，為政府和管理部門提供運維管理信息化支撐， 為現有管養工作提供增值服務。

2? ? ? 平臺設計方案

2.1? ?聯盟鏈

學術界對區塊鏈技術并沒有統一的定義，但一般認為，區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以鏈條的方式組合形成的特定數據結構，并以密碼學方式保證其不可篡改和不可偽造的去中心化、去信任的分布式共享總賬系統[3]。區塊鏈的提出是計算機科學的一個突破，它有望降低個人和組織建立、維護信任的成本，讓沒有信任關系的人們在無中心化信任機構的情況下合作[4]。區塊鏈可以分為3類：公共鏈、聯盟鏈和私有鏈。其中聯盟鏈可以根據應用場景來決定對公眾的開放程度，其網絡由成員機構共同維護，節點通過成員機構的網關節點接入，因此適用于物聯網行業背景下多成員機構對動態數據的存儲、管理、授權、監控和審計[5]。橋梁設計、建設、運營及運輸行業相關成員機構可納入聯盟鏈成員機構。基于此，平臺設計是采用聯盟鏈實現橋梁管養全過程數據共享。

2.2? ?平臺總體架構

設計區塊鏈服務API，實現監測數據、診斷結果、養護定論等信息上鏈，并為第三方信息化應用提供可信數據。與常規云平臺的最大差異在區塊鏈服務BaaS層，其完成數據上鏈、節點管理、共識算法、分布式賬本等服務工作，并最終打包成服務API供常規云平臺調用。平臺架構設計如圖1所示。

其中：區塊鏈平臺服務層（BaaS）擬選取開源協議Hyperledger Fabric（1.4 LTS），并配套實現資源創建、管控運維、安全治理等BaaS基礎服務。區塊鏈應用中間層主要實現BaaS與業務的對接，采用區塊鏈中間件等形式實現數據鏈上流轉。

平臺整體采用微服務建構，采用HTTP/HTTPS協議，為第三方信息化平臺提供準入接口，同時提供數據輸出服務，實現橋梁監測數據、診斷數據、養護記錄的無縫對接。考慮數據上鏈代價，除區塊鏈服務外，項目擬開發、完善一系列業務系統和手機應用終端。新業務系統研制同樣采用微服務架構，手機端應用可基于微信小程序等輕量化、跨平臺實現方式。

2.2? ?發布區塊鏈服務，實現數據上鏈

充分挖掘區塊鏈技術優勢，梳理管養業務流程，綜合分析監測、診斷、養護數據上鏈的維度，在確保全程可信的條件下，降低數據上鏈代價。上鏈過程密切結合現有業務信息化系統，在信賴現有系統的基礎上，分階段、分節點為數據打上印戳，防止數據篡改、提供溯源鏈路。人工產生的數據要做好數據證件鏈，結合文件系統，建立數據留存與追責機制。第三方系統（如資信系統等），在依賴第三方輸入的前提下，做好鏈上備份。將上述過程以數據傳輸方式進行抽象表述，以監測數據上鏈共享為例，整個過程如圖2所示。

其中，數據處理模塊與數據校驗模塊完成節點數據授信，服務應用模塊完成鏈上數據的共享與價值輸送。

2.3? ?分布式賬本盤活現有信息系統

分布式賬本作為區塊鏈的核心之一保存在全節點或存儲節點之上，多副本模式大幅提高數據存儲安全。更為重要的是，智能合約的使用敦促多方共同參與維護賬本，同時盤活現有信息系統，讓生硬的代碼邏輯更加貼合管養業務，讓信息化系統不再成為擺設。

3? ? ? 橋梁管養的智能合約

智能合約作為“仲裁人”，在合約觸發前，負責監管相關方資產，一旦觸發，將嚴格按照事先商定的規則自動執行，該過程無法人為干預。設計合約的前提是充分梳理業主、診斷單位、設計單位、養護單位、監理單位等各方在一次管養過程中的角色和任務，約簡數據流、確認多方授信規則、預判價值流轉方式，合約的執行流程如圖3所示。

充分利用項目承擔單位在橋梁管養領域的獨特優勢和工程經驗，結合現有管養制度，制定符合項目實際的規則;梳理管養全流程各節點任務，確立任務的起始條件與終止條件以及參與各方資源等信息;設立合約的計算規則、執行代價等合約技術參數，完成合約編碼。

基于上述流程，提前鎖定合約執行所必備的人、財、物等資源，讓印在標準規范上的文字變成可執行的合約機制。

典型的場景是，通過智能合約提高工程分包質量，即各分包商、實施商上鏈，采用智能合約制定管養過程中的財、物分配流程，同時記錄合約執行結果，為下一次管養提供資信參考，不斷提升管養團隊服務水平，也為后期運營管養提供可信的數據支持。

4? ? ? 小? ? 結

通過對區塊鏈技術與橋梁工程管養模式的融合，研究設計基于聯盟鏈的橋梁管養信息資源共享平臺，該平臺應能夠對監測、診斷、養護等數據進行標準化存儲，對采集數據進行統計分析，針對問題數據建立統一的錯誤感知模型等，從而解決橋梁工程健康監測、診斷和養護過程中的數據安全、數據可信、可追溯的問題，形成橋梁管養信息資源共享機制，提升橋梁管養水平。

主要參考文獻

[1]李永輝.談公路橋梁養護與維修加固施工關鍵技術[J].工程建設與設計，2018（7）：241-242.

[2]武智霞，韓鵬，鄭樹泉，等.橋梁健康監測及養護平臺設計與實現[J].計算機應用與軟件，2018（5）：109-114.

[3]劉敖迪，杜學繪，王娜，等.區塊鏈技術及其在信息安全領域的研究進展[J].軟件學報，2018，29（6）：2092-2115.

[4]袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望[J].自動化學報，2016，42（4）：481-494.

[5]喬蕊，曹琰，王清賢. 基于聯盟鏈的物聯網動態數據溯源機制[J].軟件學報，2019，30（6）：1614-1631.