基于區塊鏈技術的無人機系統管理淺析

于亞南，湯開杰，劉鑫鑫，聶學華

中國人民解放軍95894部隊

本文首先簡述區塊鏈的研究現狀，以及在金融、政府治理、醫療等領域的應用。以這些領域的應用為背景，提出基于區塊鏈技術的無人機系統管理應用。重點從模型架構的組成、運行機制的流程和問題的解決方法三方面對無人機系統管理應用進行分析闡釋。最后，對下一階段無人機系統管理的拓展運用進行發展展望。

近年來，世界很多國家、地區和組織高度關注區塊鏈技術的應用前景，區塊鏈相關應用的研究呈現百家爭鳴的盛景。區塊鏈不再局限于數字貨幣基礎架構，而是向數字化平臺相關應用轉變。這種轉變必將在很多領域帶來顛覆式的深遠影響。各國大力發展區塊鏈技術就是為探索這種技術運用的更多可能性。2019年1月10日，國家互聯網信息辦公室發布了《區塊鏈信息服務管理規定》。

基于區塊鏈的系統概述

區塊鏈研究現狀

區塊鏈技術最早是2008年由化名為中本聰的學者在發表的論文《比特幣：一種點對點電子現金系統》中提出。狹義來講，區塊鏈是一種按時間順序將數據塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，并以密碼學的方式保證了不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義來講，區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證與存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算范式。區塊鏈從本質上講是一個去中心化的數據庫。在眾多領域擁有具體應用前景如圖1所示。在金融行業，區塊鏈憑借安全、靈活、低成本等優勢，在數字貨幣領域飛速發展，如無中介的支付匯款、無中心的電子商務交易系統等。在政府治理方面，區塊鏈有助于構建扁平化的組織架構，增強工作的透明度，降低政府數據風險，提升政府公信力。在醫療領域，區塊鏈技術具有理論層面的適應性，能夠提高醫療服務水平，簡化冗余流程，減小錯誤率，如電子病歷存證保管和藥品溯源等。在供應鏈領域，各方在供應鏈上構建基于區塊鏈的信息平臺，確保信息透明可靠，有助于滿足不同主體之間的相互信任、監管溯源、數據安全等方面的需求。美國早已經看到區塊鏈在安全領域的應用潛力，早在2017年12月，美國總統特朗普正式簽署了7000億美元的2018年度國防預算法案，其中就有授權基于區塊鏈的網絡安全應用的研究。

圖1 區塊鏈應用圖。

基于區塊鏈的無人機管理概述

基于區塊鏈的無人機系統管理，是指運用區塊鏈技術將生產單位、運輸單位、使用單位、借用單位等要素有機結合，將所有要素互聯互通，以觸發的方式自動執行契約，并通過分布式節點間的相互監督和數據統一，進而以去中心化、智能協同、集約高效的方式完成系統管理數據庫的實時動態更新。基于區塊鏈的無人機系統管理不只是簡單地運用區塊鏈技術進行統計，其核心在于生產單位可使用數字化技術，將生產出的每架無人機的信息全部記錄在區塊鏈中，并且在出廠后的所有事件中，都能在每架無人機專屬的區塊鏈中形成生產、運輸、使用等軌跡。

基于區塊鏈的無人機系統管理的核心思想在于，使用無人機產品的單位，在接收無人機時，只需在區塊鏈上查詢相關信息，就可以追溯無人機的整個生產過程、運輸過程、流轉過程、維修情況、質量狀況等，從而在使用之初就能對無人機有特別詳細的了解。傳統的無人機產品難以被追蹤整個生產、流轉、維修等過程。然而，若運用區塊鏈技術，將記錄無人機全壽命周期的所有關鍵信息，一旦形成記錄，不可隨意更改，因此能有效解決系統安全、數據存儲、過程監督等信息化問題。

區塊鏈在無人機系統管理中的運用

當前無人機系統運用越來越廣泛，無人機生產廠商數量不斷增加，各種不同用途的無人機系統越來越多地執行測繪、應急救援、電力線路巡檢、環境治理、消防滅火、運輸等任務，消費級無人機與工業級無人機的使用也存在諸多問題，無人機的運營監管亟待解決。無人機系統的注冊登記、運營管理、維修保障過程難免會存在人為差錯，為避免這種差錯，需要在無人機狀態監控、壽命控制、核查統計過程中投入相當大的人力物力，在無人機流轉過程中如果對無人機狀態掌握不清楚，無人機的任務規劃和飛行使用也會存在漏洞，可靠性降低，實時掌握無人機產品狀態也是當前急需解決的問題。基于區塊鏈的無人機系統管理構想能為解決以上兩方面的問題提供思路辦法。

模型架構

區塊鏈的源頭為第一區塊，在第一區塊誕生之后，系統中的各節點通過不斷的計算尋找特定哈希函數對應的數值解，當任意一個節點計算出符合要求的數值解后，就會在全網內進行廣播，所有網絡節點都收到這條信息就會對其進行驗證，若通過驗證，說明這一事件為有效事件，其他節點就會放棄計算，新創建的區塊就會被加蓋時間戳，并將新區塊加到前一個區塊的后面。隨著越來越多節點加入到這一系統中，一個又一個哈希函數的數值解被找到，在不斷的重復過程中，新的區塊鏈不斷被生成、驗證，最終形成一個鏈狀結構。因此區塊鏈基本的架構包括：區塊頭、哈希值、時間戳、區塊主體等部分組成，具體結構如圖3所示。

圖3 模型結構。

運行機制

基于區塊鏈的無人機系統管理具有去中心化的特點，每個與使用、生產、流轉等有關的節點都有一個類似賬本的記錄終端，所有節點都會自動記錄產品每次發生出廠、流轉、交接、修理、報廢等事件。這樣，如果某個節點想私自篡改事件的記錄是不可能的，因為事件發生時，每個節點均有記錄。整個體系的所有節點都將成為事件的公證人，沒有任何一個單位可以篡改事件，這就是分布式賬本，只要有51%以上賬本認同的事件，就是系統權威。但是也引出了三個問題，首先如何保證所有節點都迅速知道一個事件的發生？第二個問題是，這樣一個事件讓所有節點都記錄，如何保護敏感隱私信息？第三個問題是，如何讓所有節點快速達成共識？

第一個問題在5G技術出現后已經得到解決，5G技術具有數據傳輸速率高、低時延、低成本、低功耗等特點，其數據傳輸速率最高可達10Gb/s，其通信帶寬足以滿足系統中每個節點微量級響應的要求。

對于敏感隱私問題，如果在實際應用中確實沒有必要公之于眾的具體事件，只需要通過一種特殊的加密方式進行處理，例如將某型無人機產品出廠的事件轉換成一個二進制的字符串，比如1001110……(共256位)。一旦某型無人機產品出廠事件發生，所有單位的賬本都會記錄1001110……(共256位)。到了需要檢驗的時候，節點間只需要相互比對這個字符串是否一致，就能知道事件是否確實發生，這樣既保證了隱私，又保證了所有節點都是公證單位，這種加密方式就是哈希函數的基本原理，它的特殊之處在于，可以把任何信息都轉化為一個256位的二進制字符串，無人機的出廠、維修或轉手至其他用戶，都可以通過哈希函數變成世界上獨一無二的256位二進制字符串，并且只能將信息通過哈希函數解算出字符串，但是不能通過字符串倒推出這條信息，唯一的破解方法就是暴力解算，也就是靠猜測，不斷用不同的信息去猜測，試成功的可能性幾乎為零，這樣就保證了信息的隱私。

圖2 運用區塊鏈技術，能有效解決無人機系統的安全、數據存儲、過程監督等信息化問題。

圖4 基于區塊鏈的無人機系統管理具有去中心化的特點。

現在討論如何解決最后一個問題。隨著越來越多的設備出廠、流轉等事件發生，節點之間的事件也越來越多，如何才能快速核對如此多的事件？這時候可以采用如下辦法，例如將某型無人機出廠的第一個事件轉換成一個二進制的字符串，比如轉換成1001110……(共256位)，當這臺無人機又要從昆明運輸到廣州的第二個事件發生時，將第二個事件的數據加密，這時把第一次紀錄的字符串也納入進來，變成了將“1001110……(共256位)，某型無人機產品又要從昆明運輸到廣州”這個信息進行加密，得出一串數字，比如“1001111……(共256位)”，這樣只需要核對“1001111……(共256位)”就可以判斷這兩次事件是否確實發生過。第三次事件發生時，再將“1001111……(共256位)”納入進去，以此類推，即使事件過程發生了一百萬次事件變更，也只需要核對最后一串字符，前面所有事件均能核對上。用這種辦法可以將一個節點的事件變成一串字符，以現在的網絡技術，將數萬個節點的事件變成一串字符，非常容易實現。而這一次次的事件就是區塊，通過加密方式把這些區塊串在一起，就是區塊鏈。區塊鏈就是為實現分布式賬本所采用的輔助手段，它的發明最開始為虛擬的數字貨幣提供了一種可行的密碼保障，但是后來越來越多的人發現它的價值不僅局限于此，還擁有非常廣闊的應用空間，借助大數據、人工智能、超級算力等新技術，在數據、網絡、應用等多個方面為智能化系統管理提供底層技術支撐，對網絡化、信息化裝備及設施設備研發，互聯網+及云計算推廣等工程建設也具有現實指導意義。

圖5 區塊鏈加密方式采用哈希函數的基本原理，保證了信息的隱私。

問題和解決方法

區塊鏈作為一項新興的技術，近年來處于技術發展的初期階段，同其他新技術一樣，存在不少短板弱項，現對三個典型問題進行分析。

（1） 自由交互面臨有效監管的挑戰

基于區塊鏈技術搭建的系統，每個分布式節點都對等，節點之間可以點對點完成事務的處理，從而面臨自由交互和有效監管的矛盾，具體應用要滿足現行制度和法律法規，操作還有一定難度。任何一個新技術的運用都會對現行監管制度產生挑戰，這就要求在應用的設計之初就應主動考慮法律監管的因素，讓監管部門成為節點的普通一員，參與驗證，可能會成為一種解決策略，同時可以限制節點權限，例如信息單向訪問、交互閾值的限定等，讓節點在網絡中有法可依。

圖6 基于區塊鏈技術的無人機系統管理未來能獲得良好的應用效果。

（2） 縮短每個節點共識形成的時間

區塊鏈技術非常完美地解決了系統內每個節點的共識形成，但是這一共識的完成是通過競爭-驗證-同步-競爭的循環，競爭就是在競爭記錄權，驗證就是校驗信息是否可信，同步就是將本地數據更新，這一過程使得流程會經歷比較長的時間。通過改變哈希函數的解算難度可以調整用戶算出解的時間。雖然哈希函數降低難度可以縮短求解時間，但是過于簡單會導致安全性降低，這就需要運用5G技術的強大傳輸能力和超級計算機的強大運算能力，通過這些技術的運用，可以使以復雜哈希函數為基礎的系統中的數據響應速度達到微量級別，處理容量達到每秒萬級。

（3） 降低惡意節點引發的風險

在比較敏感系統的應用中，有可能出現不計成本且數量占優勢的惡意節點，這些節點會干擾或破壞敏感系統區塊鏈應用系統的正常運行。為保證系統的安全性和可靠性，必須降低惡意節點引發的風險，這就對系統中節點入鏈初期的審核以及實際運轉中定期的系統體檢提出了較高要求，尤其在初期搭建敏感系統時，應高度重視所有節點的審驗。

發展與展望

從理論上看，基于區塊鏈技術的無人機系統管理在未來既可以滿足保密要求、防止惡意篡改，又能夠極大節約管理成本，保證數據的可靠性、可信性和安全性，雖然存在的各種風險需要研究解決策略，但隨著各項針對性研究的深入，以及包括大數據采集、大數據預處理、大數據存儲、大數據分析等大數據，包括全面感知、可靠傳輸、智能處理等物聯網，包括認知計算、深度學習、機器學習等人工智能，預計傳輸能力是5G100倍的6G，運算速度在每秒一太次以上的超級計算機等技術的發展，基于區塊鏈技術的無人機系統管理的前景日趨寬廣，必能獲得良好應用效果。