佘佐超,李 喆,劉浩宇
(國網四川省電力公司成都供電公司, 四川 成都 610041)
隨著國家經濟、科技等方面的進步,城市治理呈現出科學化、人性化、智慧化的發展方向。近年,各大城市提出了智慧城市,旨在利用云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、數字孿生等信息化、數字化的新技術、新理念融入城市治理,通過打通城市的政務、交通、能源、制造、教育、醫療、金融等行業領域的系統、數據,推動城市資源共建共享,提升資源的運轉、運用效能,優化城市管理和服務,改善市民生活質量。為此,對交通、能源、制造、教育、醫療、金融等行業的數字化轉型提出了更高要求。
電力企業作為基礎能源的支撐企業,經過多年的信息化建設及應用,逐步完成了生產、經營、管理等業務從分散向集中、線下向線上、孤島向集成的轉變,初步實現了業務線上流轉,同時積累了較為豐富的數據資源。當前,電力數據作為社會經濟運行“晴雨表”和“風向標”,具有實時、真實、體量大、顆粒度細的特點。政府部門、行業協會、監管機構、社會企業等眾多組織機構高度關注和迫切期待電力數據的共享應用。
新冠疫情期間,電力數據在企業復產復工監測分析、商業景氣指數分析、涉疫小區人員流動及防控等方面也逐漸凸顯決策支撐作用。但是,電力數據在共享應用方面,仍然存在安全和信任問題以及安全保障機制、數據不一致、數據可溯性差、共享模式不確定等諸多問題。因此,依據區塊鏈技術具有去中心化、透明化以及智能合約、可追溯性、高數據安全等優勢或特點,在國內外學者針對區塊鏈技術對合同管理、數據交易、電子政務等領域的研究、探索及實踐的基礎上,構建了基于區塊鏈的電力數據共享模型,并列舉了部分區塊鏈下的電力數據共享應用場景,為進一步解決電力數據共享中存在的信任孤島、數據所有權、標準一致性控制等問題提供新的實現路徑。
1.1.1 區塊鏈的定義
區塊鏈是N個帶有標識的區塊通過其特定的邏輯進行有序鏈接形成的一種數據鏈條。區塊,即為數據等信息的集合,存儲了所有的相關信息和記錄,是區塊鏈的基本單元。為了保證區塊鏈的可追溯性,每個區塊都包含時間戳、Hash值等信息作為唯一標識。區塊由兩部分組成:1)區塊頭,包含有前一區塊基礎信息等數據,以此指向/鏈接到前一順序位置的區塊;2)區塊主體,記錄了本區塊在該鏈P2P網絡中的所有數據。每個區塊的區塊頭都存儲有基礎信息,以此輔助本區塊鏈接到前一個區塊,從而形成含有特定邏輯順序的鏈式結構,區塊鏈示意見圖1。

圖1 區塊鏈
1.1.2 區塊鏈加密技術
區塊鏈采用了非對稱加密算法,以實現該鏈內各用戶之間的相互信任。非對稱加密算法以兩個密鑰為基本條件:公鑰和私鑰。每組公開密鑰與私有密鑰一一對應:采用公開密鑰加密數據,則需使用對應的私有密鑰才能進行解密;反之,采用私有密鑰加密數據,則要用對應的公開密鑰才能解密其數據。
在每個區塊鏈網絡中,每個參與的用戶都擁有專屬的公鑰和私鑰,其中專屬公鑰廣播給該網絡中的所有用戶,而私鑰僅由用戶掌握。
用戶用私鑰加密信息,同時在數據尾部進行數字簽名;網絡中的其他用戶通過公鑰在獲取信息的同時,也明確地知道或驗證了數據源,以此實現可信交互。
區塊鏈特殊的數據結構組織形式,使區塊鏈技術具有5個主要特點:去中心化、透明化、智能合約、可追溯性以及數據安全性[1]。
1.2.1 去中心化
區塊鏈與傳統的信息技術在實現信息系統集中化、扁平化等方面相比,最本質的區別在于“去中心化”的架構。即整個區塊鏈網絡中,所有的節點優先級相同,不存在一個或多個優先級特殊的控制中心。同時,由于數據在多個節點存儲備份,使得基于區塊鏈的數據儲存具有較高的可靠性和魯棒性。
1.2.2 透明化
透明化,部分論述中也稱為數據集體維護,指整個區塊鏈系統的運作規則是公開透明的。類似于一個分布式數據庫[2],區塊鏈中的每個節點都記錄了相同的信息,每一條信息的更新都需要多節點共同認證。通過節點間相互監督來保證數據正確性的方式,從根本上彌補了傳統數據處理流程中的不足,同時更好地平衡各節點間的處理能力[3]。
1.2.3 智能合約
智能合約是指在每個區塊鏈內設定的規則下,各個區塊能夠自動執行合約簽訂的功能。在智能合約中,當每一個用戶達到提前設定好的判定條件后,區塊鏈系統會觸發該用戶強制與合約條件所屬的約定用戶執行合約簽訂并形成電子合約。這提高了合約執行的效率,更是強有力地保障了區塊鏈內各參與方的合約執行情況[4]。
1.2.4 可追溯性
可追溯性,是指區塊自新增到區塊鏈中起,其各種信息會被永久存儲記錄,確保了所有信息的可追溯。同時,在每一筆交易中,數據尾部均綁定了交易者的秘鑰信息(即數字簽名),以此確保所有的數據在遞傳的過程中的全部信息可追溯,且不可被摧毀或篡改[5]。
1.2.5 數據安全性
區塊鏈中的每個區塊都有唯一對應的Hash值,且每個區塊都會記錄上一個區塊的Hash值。同時修改所有區塊Hash值幾乎是不可能的,從而保證了區塊鏈中的數據可靠性。此外,由于區塊鏈中每一條數據都帶有對應用戶唯一識別的數字簽名,以此來保證數據的安全性[6]。
目前,電力企業通過物聯感知設備、信息系統等信息化建設,逐步實現生產、經營、管理等業務從分散向集中、線下向線上、孤島向集成的轉變,具備了業務線上流轉的基礎條件。隨著信息系統的投入使用,發電廠、供電公司、售電公司等電力企業均積累了較為豐富的數據資源。但是,電力數據在共享應用方面,仍然存在以下問題。
一方面,相關系統主要采用專業主導的建設模式進行設計開發、建設部署、運行維護,跨專業信息和數據共享需求也考慮不充分,在數據共享方面存在技術壁壘;另一方面,系統存在數據重復錄入、多源維護等“數據煙囪”的客觀現象,數據缺乏標準化治理,且數據在流轉前的預處理、歸屬權在現有系統中都未實現自動標識,無法進行共享應用。
近年來隨著互聯網技術的成熟和網絡大規模普及,數據總量呈現出指數級增長的趨勢。但在現有數據的共享過程中,缺乏自動化的監管手段,制約著數據共享的發展。如數據或數字產品在其共享過程中,無法向數據所屬方提供可信的瀏覽次數、引用次數、使用單位等信息,導致數據在沒有得到許可的情況下,被他人擅自使用。又如,數據被第三方進行篡改后使用,對數據所屬方造成不良影響,都折射出數據共享背后的信用問題。
隨著數據共享應用的發展,將會出現大量的數據服務產品。以產品屬性存在的數據或數字服務,需明確其所有權及責任。現有的系統架構及模式,缺乏精準的數據追溯手段。特別是對于多方參與的融合類數據應用,自動化的數據追溯手段在顆粒度、時效方面都存在技術盲區,不利于數據產品的推廣。后續數據產品形成服務產業化,眾多客戶群體將基于其接收的數據或數字產品進行決策,如果涉及糾紛等負面事件,數據溯源的作用將被放大[7-8]。
隨著數據應用的價值不斷提升,國內外專家在數據共享方面開展了諸多的研究實踐,推動了數據共享解決方案的不斷完善。但是,針對電力數據跨公司、跨單位共享的信任問題、數據安全問題,一直沒有較好的解決方案。
國際方面,早期專家為了解決數據共享問題,提出了數據空間的概念[9],意圖通過將數據以資源視圖或關聯的形式進行共享。經過技術的不斷發展和演變,形成了各種類型的數據空間模型,通過不斷優化、規范地進行數據管理和關聯展示,實現數據共享。
國內方面,近年隨著大數據等新技術在各個行業領域的不斷發展融合,在科學數據、醫療數據共享方面,也出現了不同的數據共享模型[10-11],分別通過區塊鏈、語義關聯等形式,實現數據共享。基于區塊鏈技術,還有專家提出過學分管理等應用模型[12]。在電力數據共享方面,文獻[13]曾提出設計了一種數據共享平臺,受傳統系統架構及當時的信息技術限制,僅通過系統權限分離部分實現了數據的監護功能,但缺乏對數據操作的全過程監督,數據安全存在較大的信任問題,無法實現跨機構、跨單位數據共享的推廣應用。文獻[14]基于Hadoop架構的電力企業數據共享模型,解決了以前通過數據總線進行數據共享的擴展能力低、低效容錯等問題,但在數據安全、信任機制等方面考慮不足,更適宜在具有大數據應用平臺的企業內部使用。文獻[15]研究了一種基于區塊鏈技術的數據共享機制,其機制注重于在保護數據私密性的前提下進行數據共享,卻未考慮在其機制中實現數據的可追溯等數據安全問題。文獻[16]探索研究了基于區塊鏈技術的數據共享交易模型,重點研究區塊鏈技術在電力數據防篡改、可溯源的監管機制等方面的支撐應用,以實現能源互聯網下區塊鏈技術和大數據技術的優勢互補;但是,未能充分考慮區塊鏈技術下的數據共享還具備智能合約的特性,故在其數據共享模型中缺乏共識機制、智能合約等數據共享過程中的應用模型。
為此,在國內外研究的基礎上,結合上面介紹的區塊鏈五大技術特性,圍繞數據共享的信任問題、數據安全問題,同時輔以在不同單位間數據共享的智能合約需求,初步構建了一個電力數據共享模型,實現數據在數據共享鏈上的全生命周期審計,推動電力數據在企業內外部的數據共享。
電力數據共享對于提高電力企業自身管理及優化客戶服務、降低單位能耗、推動政府智慧決策等方面具有重要意義。目前,電力企業積極響應國家數字化轉型戰略,在打破數據壁壘、建設數據中臺等方面進行探索。
以推進電力數據跨單位、跨部門的共享應用為目的,搭建基于區塊鏈的數據資源共享模型如圖2所示。區塊鏈模型主要有兩個角色:數據的提供方/輸出方和數據的接收方/使用方。無論是財政、稅務、公安等政府部門,還是金融、醫療、能源等領域的企業單位等,都作為區塊鏈的用戶適用于本模型。在本區塊鏈邏輯上,數據的提供方/輸出方和數據的接收方/使用方形成N:N的關系,組成區塊鏈網絡,鏈上共享著各類信息,包括政府機關、電力企業等能源行業、金融機構等數據方提供的可共享的數據。

圖2 區塊鏈的數據共享模型架構
基于區塊鏈的電力數據資源共享模型的邏輯架構,主要劃分為網絡層、區塊鏈基礎設施層和業務應用層。
1)網絡層:P2P網絡具有去中心化的特點。網絡層的核心作用是為區塊鏈中的各個節點提供點對點(P2P)的網絡服務,確保各節點的有效通信,是區塊鏈數據共享應用的基礎。該網絡主要負責區塊鏈上各節點之間的數據共享、智能合約的信息傳輸等功能,與每個用戶或數據輸出的出口進行連接。為了實現網絡連接,每個節點將會在網絡中廣播自身的地址信息,同時將收集的其他節點的地址信息保存形成清單。地址信息主要包括IP地址及端口號等內容。
2)區塊鏈基礎設施層:是整個模型中的核心層,為電力數據共享中互信、互認、互操作提供基礎服務能力。主要包括4項服務,即:區塊命名服務(BNS)、共享目錄服務、認證及信任服務和智能交換服務。
3)業務應用層:提供了針對電力數據共享與傳輸的程序或接口,用戶通過部署在應用層的各種總線系統、API接口等方式進行交互。
該模型下的區塊如圖3所示。

圖3 數據共享模型中的區塊
由于網絡層、業務應用層功能相對單一且易于理解,下面對數據共享模型架構的區塊鏈基礎設施層進行詳細介紹。
3.1.1 共享區塊鏈的命名服務(BNS)
目前,區塊鏈中各個節點的賬戶、智能合約等基本信息,在鏈上體現為一個特定的邏輯順序地址,該地址是每個節點/用戶在本區塊鏈網絡中的唯一標識。當一個節點在建立時,通過區塊鏈中已制定的規則自動生成,同時匹配用戶生成對應的一組私鑰和公鑰,用于后續的數據加密傳輸及數據標簽。生成的公鑰,將通過P2P網絡廣播給其他節點,用于數據共享的加密傳輸,同時作為地址信息;生成的私鑰,則由該節點用戶自行保存,用于數據共享過程中的數字簽名。
業務應用層雖然可以直接使用區塊的地址信息,但是這些地址信息數據長且編碼復雜,對于用戶在實際的數據共享過程中較難使用。為此,參照網絡模型中的域名解析服務器(DNS),在區塊鏈的基礎設施底層搭建區塊命名服務系統(BNS),使業務層基于業務邏輯就能鏈接到對應區塊,降低區塊鏈運行維護和使用人員管理大量區塊地址的難度,讓所有鏈上的參與者通過業務邏輯便捷地識別、定位和調用數據。數據共享過程對比如圖4所示。

圖4 傳統數據查詢與BNS對比
3.1.2 共享目錄服務
在電力數據共享中,需要一套臺賬來實現對區塊鏈內所有用戶及資源的統一管理,讓系統運維單位、各數據節點實現對數據的全生命周期管理,同時快速知悉鏈上數據,這就是設計共享目錄服務的初衷。臺賬中包括各個節點、各類數據的相關屬性,還包括數據的可使用范圍、數據與源系統的對應關系、數據的有效期、數據在數據庫中的位置信息等等,實現對信息資源從上鏈到使用、從存儲到資源定位等覆蓋數據全生命周期的增、刪、查、改功能。
通過共享目錄,構建基于區塊鏈的數據信息。每次數據交互時,均產生相關信息。其信息定義為
共享數據=Uid?T?t?data?Hash…?r
式中:Uid為數據方;T為日期,T(YY,MM,DD);t為時間,以秒計,t{1,2,…,86400 };data為具體共享的數據信息;Hash為對應時間的hash值;r為具體的授權信息。
1)注冊管理。類似于云平臺的租戶概念,每個上鏈的用戶或者節點,需要在平臺進行自動注冊,在經過身份鑒別、可共享數據資源等審查機制后,加入到區塊鏈中。注冊信息包括用戶或節點的基礎信息、數據目錄/清單、對應業務系統、數字證書等。
2)資源管理。輔助用戶、區塊鏈運維人員管理上鏈的資源,主要為數據資源/要素。對于單節點用戶,需要維護用戶資源、業務資源、數據要素等;對于建立了多個節點的用戶,還需要管理節點關系等內容。其中,業務資源包括業務邏輯、業務分類、業務關系等。數據要素則指具體的數據,也就是需要共享的明細數據或者中間結果。
HIV/AIDS患者因細胞免疫功能低下而容易發生各種侵襲性真菌感染(IFI),引起IFI的真菌幾乎包含所有已知的致病性真菌和某些條件致病性真菌,對患者危害較大[1-2]。而臨床癥狀缺乏典型、影像結果特異性低、活檢病理送檢率不高、直接或間接涂片鏡檢的檢出率低以及培養法所需時間長等不利因素,嚴重影響診斷的準確性和及時性,因此獲得準確、及時的診斷非常有必要[3]。 目前,(1,3)-β-D-葡聚糖檢測(G試驗)和半乳甘露聚糖檢測(GM試驗)在國內外已廣泛應用于IFI的診斷,并且被證實效果良好。為此,本研究擬探討G試驗聯合GM試驗對明確診斷HIV/AIDS患者合并IFI的價值。
3)授權管理。對區塊鏈中的數據資源進行授權管理。
4)定位服務。為區塊鏈中的各種資源提供定位,包括物理存儲位置信息、邏輯位置信息等,便于數據提供者對其數據的掌握。
5)查詢服務。提供組織機構查詢、用戶查詢、數據查詢等功能。
3.1.3 認證及信任服務
以前由于數據在沒有技術監控的情況下,存在數據質量差、數據操作不可監督、數據安全得不到保障等隱患,數據共享存在復雜的信任問題,導致電力企業與政府部門、外部單位和公眾無法實現電力數據共享。此外,電力數據共享本身就涉及在電力企業內部的跨系統業務數據共享問題。因此,為了實現不同機構、不同系統的數字共享,先要解決數據共享的互信問題。搭建認證及信任服務,解決電力企業內部的跨系統、跨部門數據共享的信任問題,同時促進不同機構、單位在統一的認證與信任體系之下實現數據共享,以此解決數據互信的問題。認證及信任服務的主要功能如下:
1)認證管理。為用戶、數據要素、信息系統提供認證服務。特別是針對系統的認證服務,通過為不同的系統提供數字證書(CA)認證,實現跨系統數據間的可信交互。
2)鑒權管理。為用戶或共享模型提供權限鑒別服務。根據權限規則匹配,對每一個用戶的數據輸出、數據接收操作進行權限鑒別,以指導是否進行下一步數據共享的操作。
4)憑證托管。為數據的存儲提供憑證,并能讓每個用戶都可以將憑證進行托管,便于數據共享基于智能合約的自動應用。
5)安全服務。為區塊鏈基礎設施各種安全模塊提供安全服務,適配各種密碼、算法以及數字證書等內容,以滿足國家密碼法等法規。
3.1.4 智能交換服務
在所提電力數據共享模型中,電力企業的各部門以及電力企業的上下游、合作方之間已通過區塊鏈的P2P網絡奠定了數據共享交互的基礎。鏈上的各個參與方,通過共享目錄服務、認證及信任服務,已經完成了數據交換的資源展示、定位并解決了互信問題,接下來需要搭建智能交換服務,利用區塊鏈技術實現對數據共享過程的支撐。在數據共享前,需要共享的雙方或多方達成共識,先將各方的信息資源進行標準化的描述、分類,然后形成智能合約,經鏈上流轉達成一致后,數據經由數據交換網關和安全傳輸協議實現共享交互[17]。
1)共識機制。在所提電力數據共享模型中,共識機制為各區塊鏈節點交換數據的標準一致性、有效性校驗等功能服務,促成資源交互涉及的各方就交換信息達成一致。
2)數據交換網關。負責監聽和驗證各個節點的數據交換、智能合約判定等請求。如果驗證通過,網關將數據、合約等信息按照BNS的解析地址進行傳輸;如果驗證不通過,直接丟棄該申請。
3)安全傳輸協議。在數據傳輸的過程中,為各方通信提供安全可靠的傳輸協議。
電力企業在傳統的數據共享模式下,各業務數據共享是通過系統接口對接來實現數據的交互共享,不同的系統對同一數據在語法、語義等方面都存在差異,例如電網設備信息在營銷、運檢等專業存在不同的命名規則及系統編號,缺乏共享的標準化處理。因此,在基于區塊鏈的電力數據共享的服務中,部門間通過共識機制將相同設備進行統一,經過1-1對應后,實現1-N其他屬性數據的互聯互通,促進跨專業數據共享。
隨著業務場景對數據應用需求的不斷深入,將衍生出過程數據在不同階段的跨專業應用需求,即單類數據的多方操作。傳統架構較難支撐相同數據在不同業務流程、系統中的流轉校驗、可追溯以及數據安全保障。通過區塊鏈數據共享模型,利用共識機制對多方的操作進行規則約束,利用智能合約對工程進行監督和記錄,利用安全傳輸協議保證數據傳輸的安全性,并在全過程對數據進行實時的一致性校驗、審計,從而支撐跨層級、跨部門的信息共享和業務協同。根據所提模型設計的電力數據共享流程如圖5所示。

圖5 電力數據共享的流程
從圖5的業務流程可以看出,在數據共享的過程中,如A節點向B節點申請共享或交換信息,A節點首先通過數據交換網關將數據請求在P2P網絡廣播,各節點判定條件查詢和驗證。B節點滿足條件,與A節點達成共識、生成智能合約。B節點通過數據定位、授權管理等服務向A節點進行授權。A、B雙方將區塊信息存儲到鏈上。數據交換網關在校驗A、B雙方的權責并通過驗證后,通過模型中的安全傳輸協議,對A、B節點的數據進行加密傳輸,最終實現數據共享。
綜上所述,區塊鏈下的數據共享應用可以分為兩類模式:資源共享、業務協同。
1)資源共享服務模式:支持兩個及以上的業務部門之間共享數據,通過去中心化的特性實時同步各節點數據,通過透明化及智能合約特性,在規則下有記錄地實現內部數據資源的授權共享。
2)業務協同服務模式:利用智能合約在區塊鏈上的觸發生成和自動運轉的特性,實現線上數據通過條件判定的形式,在多部門、多單位間安全可靠的流轉。
在外部數據共享上,更多將采用業務協同的模式。各數據合作方共同組建聯盟鏈或私有鏈,在創建基礎區塊鏈時明確各區塊的數據資源歸屬、用戶權限等問題。例如以下場景:鏈上某一個特定節點(算法模型),設定其能夠查閱地產、電力相關數據,同時能夠對地產及電力數據進行聯合分析并生成新的數據在鏈上進行共享。那么對應節點在上鏈前,需設定相應的權限,其分別在電力節點、政務節點具有相關數據的訪問和查詢權限,分別計算形成分階段的成果,再將結果反饋到本節點進行聯合分析,以此實現電力企業與外部機構/單位數據共享需求。
電力行業項目建設涉及的上下游企業或客戶相對分散,且行業跨度大。傳統的合同流轉,涉及的審批蓋章流程繁瑣,甚至存在多單位均使用不同的線上合同系統,須待所有相關單位流轉完畢后再共同簽訂成倍數量的合同,耗時長且效率低,同時還存在合同成本高、公章管控難以及合同管理不規范等問題。依托區塊鏈技術,上下游企業共同加入聯盟司法鏈,通過線上流轉達成共識、不可篡改、具有防偽證書的電子合同,在電子合同鏈上實現實時、安全的合同智能管理。幫助企業高效管理合同,更能提高合同的安全性、可靠性。
電力企業客戶群體巨大,特別是企業客戶,每月都需要電費發票進行稅務抵扣。所以,電力營銷業務涉及大量的增值稅發票開具。同時,電力行業聚集了大量的技術技能工人,行業內部的交流頻繁且人員培訓已進入常態化,每日有大量的差旅、培訓費用報銷需求。在過去的發票工作中,涉及人員開票、單據粘貼、報銷審核等多個環節以及繁瑣的信息復核工作,且發票多處抵扣等稅務風險無技術手段進行監控。基于區塊鏈技術打造區塊鏈電子發票,依托特定的算法約束,用戶使用手機、電腦等信息化渠道完成費用的線上支付,并填寫開票信息,即可完成開票、報銷流程,流程中產生的稅務數據若能與國家稅務局共同上鏈,實時電子發票的內容自動鏈上驗證、同步記錄電子發票的關鍵要素并代替財務人員自動完成信息填報的過程,自助生成報銷憑證,實現“交易即開票,開票即報銷”,減免了對公司所有外部客戶、內部人員的開票、報銷流程的講解或培訓,將大大節約企業內部的經營成本,更提升了電力企業的優質服務能力。此外,區塊鏈不可篡改的特性,將保障鏈上的所有機構、單位、部門和人員的財務數據一致,賬目數據準確完整,大幅度降低財務報銷人員的檢查、復核的工作量,規避人工對待賬務的誤操作風險(如數據錄入錯誤等),從根本上避免虛假票據、票據重復使用等稅務風險。
利用上述基于區塊鏈的數據共享模型,可推動電力企業內部跨專業的數據共享,提升企業經營管理質效。同時,依托電力企業數據共享鏈,可帶動上下游企業、數據應用相關機構或單位共同探索數據要素管理,形成數據共享應用的聯盟生態,有助于行業縱向及橫向的數字化發展,乃至為綜合能源的區塊鏈應用奠定基礎。但是,所提模型僅針對所分析的數據共享難點,在架構層面對基于區塊鏈技術的數據共享場景進行了設想,缺乏技術驗證及真實環境的實踐,是否能解決電力企業數據共享的信任問題,還需電力企業甚至信息行業隨著技術發展及時間進一步證明。同時,數據跨企業共享在數據標準、數據確權等方面的問題有待解決。隨著區塊鏈等技術在電力數據共享應用方面的不斷深入,在不久的將來,電力企業數據共享、數據應用會為企業管理、社會發展帶來更多的便捷,為智能電網、智慧城市賦能。