區(qū)塊鏈在智慧水利建設(shè)中的應(yīng)用研究

（河海大學(xué)，江蘇南京 210098）

我國(guó)面臨的人均水資源不足、時(shí)空分布不均、水環(huán)境污染等問(wèn)題日益復(fù)雜，以現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)為基礎(chǔ)的智慧水利建設(shè)十分必要。2018年，水利部印發(fā)《加快推進(jìn)新時(shí)代水利現(xiàn)代化的指導(dǎo)意見(jiàn)》（水規(guī)計(jì)〔2018〕39號(hào)），提出應(yīng)全面推進(jìn)智慧水利建設(shè)，建設(shè)全要素動(dòng)態(tài)感知水利監(jiān)測(cè)體系、高速泛在的水利信息網(wǎng)絡(luò)，提升水利信息化。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、公開(kāi)透明、難以篡改和安全可靠等特點(diǎn)，利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以解決智慧水利建設(shè)中的問(wèn)題，提升水利的信息化、數(shù)字化水平，推動(dòng)智慧水利的進(jìn)一步發(fā)展。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)簡(jiǎn)述

1.1 區(qū)塊鏈的概念

區(qū)塊鏈?zhǔn)欠植际綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，一般可以將技術(shù)基礎(chǔ)架構(gòu)模型分為基本模塊、核心模塊、交互模塊。基本模塊包括兩層，即數(shù)據(jù)層和塊層，數(shù)據(jù)層包括事務(wù)數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)，塊層包括鏈結(jié)構(gòu)；核心模塊包括共識(shí)層和契約層；交互模塊包括應(yīng)用層，對(duì)應(yīng)比特幣發(fā)展的三個(gè)階段。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有匿名性、去中心化、無(wú)法篡改、無(wú)須信任的共識(shí)機(jī)制等特征，去除了各類(lèi)系統(tǒng)應(yīng)用中的諸多約束條件，為較多想法的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)可能性[1]。

區(qū)塊鏈技術(shù)不是單一的信息技術(shù)，類(lèi)似于大數(shù)據(jù)、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，基于現(xiàn)有的技術(shù)，重新組合和開(kāi)發(fā)新的應(yīng)用功能。

1.2 區(qū)塊鏈的優(yōu)點(diǎn)

（1）去中心化：區(qū)塊鏈去中心化的特點(diǎn)使所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)均可以參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的記錄維護(hù)，無(wú)須第三方介入便可實(shí)現(xiàn)人對(duì)人、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的交易和互動(dòng)。區(qū)塊鏈去中心化的交互方式避免了單點(diǎn)故障，提升管理公平性，公開(kāi)透明的賬本，保證數(shù)據(jù)可靠及可追溯性，多種匿名機(jī)制利于居民隱私的保護(hù)，因此，區(qū)塊鏈有利于數(shù)據(jù)保護(hù)問(wèn)題的解決[2]。

（2）開(kāi)放性：區(qū)塊鏈系統(tǒng)是公開(kāi)透明的，在公有鏈上節(jié)點(diǎn)可以對(duì)區(qū)塊鏈內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，用戶(hù)可以通過(guò)區(qū)塊鏈接口查詢(xún)數(shù)據(jù)記錄或開(kāi)發(fā)相關(guān)應(yīng)用。

（3）信息不可篡改：當(dāng)信息加入至區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)時(shí)，會(huì)永久儲(chǔ)存至數(shù)據(jù)庫(kù)中，由于區(qū)塊鏈具有集體維護(hù)功能，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)修改不會(huì)影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，因此，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、可靠性較高。

（4）自治性：區(qū)塊鏈在應(yīng)用層利用契約和協(xié)議，依靠特定的數(shù)學(xué)算法構(gòu)建的機(jī)器信任，為系統(tǒng)構(gòu)建特定規(guī)則，所有節(jié)點(diǎn)必須遵守系統(tǒng)規(guī)則，人們無(wú)法對(duì)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換行為進(jìn)行干預(yù)。

2 區(qū)塊鏈在智慧水利中的應(yīng)用場(chǎng)景與優(yōu)勢(shì)分析

智慧水利的主要內(nèi)涵包括新信息通信技術(shù)的應(yīng)用、多部門(mén)多源信息的監(jiān)測(cè)與融合、系統(tǒng)集成及應(yīng)用[3]，區(qū)塊鏈作為一種新興的、與信息相關(guān)的技術(shù)，與智慧水利的內(nèi)涵有較高的耦合性，其技術(shù)特性可以滿(mǎn)足智慧水利建設(shè)的需求，在某些應(yīng)用場(chǎng)景中較傳統(tǒng)解決方案優(yōu)勢(shì)更明顯。

從區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)與智慧水利建設(shè)的實(shí)際需求出發(fā)，可以總結(jié)出水利工程建設(shè)、水體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、水權(quán)交易平臺(tái)與智慧水利綜合管理系統(tǒng)四個(gè)較為合適的應(yīng)用場(chǎng)景。

2.1 水利工程建設(shè)

在水利工程的施工建設(shè)中，需要對(duì)施工人員、功能設(shè)備、施工資源與質(zhì)量四個(gè)方面進(jìn)行管理[4]，涉及的數(shù)據(jù)包括施工人員、設(shè)備、施工材料、工程完成情況等具體信息，也包括人力資源、設(shè)備管理、采購(gòu)、倉(cāng)儲(chǔ)、調(diào)度等多部門(mén)，數(shù)據(jù)繁雜且管理決策主體較多。應(yīng)在區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的精細(xì)化管理與對(duì)多決策主體的支持，且一些數(shù)據(jù)有存證與公示的需求，如施工人員的考勤、設(shè)備的維修狀態(tài)、工程質(zhì)量評(píng)價(jià)等，需要借助區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

大型水利工程有許多標(biāo)準(zhǔn)細(xì)則、工程合同、建設(shè)方案等文件需要長(zhǎng)期保存，這些文件與數(shù)據(jù)是后期對(duì)水利工程進(jìn)行監(jiān)督與維護(hù)的重要依據(jù)，需要對(duì)其安全性多加關(guān)注。但目前部分文件仍以紙質(zhì)憑證為唯一依據(jù)，已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足智慧水利建設(shè)的需要。

區(qū)塊鏈以其公開(kāi)透明、不可篡改的技術(shù)特性，可以滿(mǎn)足水利工程建設(shè)管理與存檔的需要。建立區(qū)塊鏈水利工程建設(shè)管理系統(tǒng)，可對(duì)在建的水利工程項(xiàng)目進(jìn)行精細(xì)化管理，精密記錄工程中的數(shù)據(jù)變化。工程數(shù)據(jù)上鏈后可以形成無(wú)法篡改的電子化檔案，電子檔案在確保安全的同時(shí)可方便獲取，是水利工程監(jiān)督與后續(xù)維護(hù)的重要依據(jù)，也是智慧水利決策支持系統(tǒng)的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。

2.2 水體數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

智慧水利需要通過(guò)匯聚綜合數(shù)據(jù)與支撐平臺(tái)進(jìn)行多源、多種類(lèi)數(shù)據(jù)信息的匯集、整合[3]，區(qū)塊鏈可為水體數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)整合提供技術(shù)支撐。在目前水質(zhì)、水文數(shù)據(jù)的收集階段，仍有許多數(shù)據(jù)需要人工進(jìn)行記錄，數(shù)據(jù)易錯(cuò)且可以被篡改。在數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)階段，傳統(tǒng)的信息系統(tǒng)無(wú)法保證數(shù)據(jù)的安全，且中心式的系統(tǒng)運(yùn)維成本較高。

在數(shù)據(jù)的使用階段，不同地區(qū)、不同部門(mén)之間的信息流動(dòng)不暢通，形成信息孤島，不利于數(shù)據(jù)的有效使用。結(jié)合使用區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)水體數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)、記錄、存儲(chǔ)、調(diào)用的閉環(huán)。使用區(qū)塊鏈信息系統(tǒng)直接調(diào)用物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的相關(guān)接口，通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知的水體數(shù)據(jù)直接上鏈，調(diào)用時(shí)查看鏈上數(shù)據(jù)。

上鏈后，可提升水體數(shù)據(jù)的可用性與易用性，項(xiàng)目系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了來(lái)水環(huán)境可信檢測(cè)[5]的同時(shí)，促進(jìn)了數(shù)據(jù)的共享。

（1）水質(zhì)數(shù)據(jù)。傳統(tǒng)信息系統(tǒng)中存儲(chǔ)的水質(zhì)指標(biāo)可以被修改造假，區(qū)塊鏈中的水質(zhì)數(shù)據(jù)可以直接作為水質(zhì)存證，用來(lái)考核環(huán)保部門(mén)、河長(zhǎng)，可對(duì)污染進(jìn)行溯源與追責(zé)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的可用性。

（2）水文數(shù)據(jù)。上鏈能促進(jìn)水文數(shù)據(jù)在各部門(mén)間的流動(dòng)與共享，在水利工程建設(shè)、流域綜合治理等工作中，相關(guān)部門(mén)均可詳細(xì)查看水文數(shù)據(jù)，增強(qiáng)了數(shù)據(jù)的易用性。

2.3 水權(quán)交易平臺(tái)

水權(quán)交易作為優(yōu)化調(diào)節(jié)水資源配置的重要方法，其效用被人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，相關(guān)的試點(diǎn)與實(shí)踐有序進(jìn)行，但基于傳統(tǒng)技術(shù)的交易平臺(tái)，難以有效滿(mǎn)足水權(quán)交易的需求[6]。

區(qū)塊鏈技術(shù)最先被應(yīng)用于金融行業(yè)，關(guān)于交易與記賬的應(yīng)用較為成熟，在實(shí)踐中證明了區(qū)塊鏈應(yīng)用于交易系統(tǒng)中可信度高、精密記賬的優(yōu)勢(shì)，因此，基于區(qū)塊鏈構(gòu)建水權(quán)交易平臺(tái)十分必要。

基于區(qū)塊鏈的水權(quán)平臺(tái)可充分利用區(qū)塊鏈的技術(shù)特性，構(gòu)建透明化的水權(quán)交易規(guī)則體系[7]，優(yōu)化交易流程，滿(mǎn)足水權(quán)交易的需求。

利用智能合約的可更新性，方便修改具體交易規(guī)則，解決季節(jié)性可變水權(quán)的交易困境，滿(mǎn)足水權(quán)交易改革試點(diǎn)期間對(duì)交易規(guī)則頻繁修改的需要。利用智能合約滿(mǎn)足條件自動(dòng)執(zhí)行的特性可減少人工審核，優(yōu)化交易流程。利用區(qū)塊鏈分布存儲(chǔ)的技術(shù)特點(diǎn)，可以保證水權(quán)數(shù)據(jù)與交易數(shù)據(jù)的安全可靠，提升數(shù)據(jù)安全性，可通過(guò)降低系統(tǒng)運(yùn)維成本減少交易費(fèi)用，提升水權(quán)交易市場(chǎng)的活躍性。

2.4 智慧水利綜合管理系統(tǒng)

智慧水利是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，對(duì)信息流動(dòng)性與各業(yè)務(wù)模塊間的耦合性要求較高。智慧水利綜合管理系統(tǒng)包括水環(huán)境、水權(quán)、水利工程、水務(wù)等方面的管理模塊，融合了云計(jì)算、數(shù)據(jù)挖掘等技術(shù)，為系統(tǒng)提供智慧決策支持。以水利工程管理系統(tǒng)、水體數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)、水權(quán)交易系統(tǒng)為例，三者均屬于智慧水利綜合管理系統(tǒng)的子系統(tǒng)或子模塊之一，但在系統(tǒng)決策主體、數(shù)據(jù)類(lèi)型、依賴(lài)技術(shù)上均存在差異。因此，智慧水利下各功能模塊的數(shù)據(jù)流動(dòng)、決策主體的權(quán)限管理與數(shù)據(jù)挖掘的全面性，成為智慧水利建設(shè)效果的重要影響因素。

使用區(qū)塊鏈中聯(lián)盟鏈的相關(guān)技術(shù)，構(gòu)建基于多鏈的智慧水利綜合管理系統(tǒng)，可使系統(tǒng)更加有效地運(yùn)行。系統(tǒng)中不同功能模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在不同的鏈上，數(shù)據(jù)安全且有序。各決策主體通過(guò)CA授權(quán)訪(fǎng)問(wèn)不同的區(qū)塊鏈，在實(shí)現(xiàn)權(quán)限管理的同時(shí)，不影響信息流動(dòng)的效率。智慧決策支持系統(tǒng)直接調(diào)用區(qū)塊鏈接口，并對(duì)不同鏈上的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，可以獲取涉及多部門(mén)的、更加全面的數(shù)據(jù)，增強(qiáng)決策的科學(xué)性。此外，區(qū)塊鏈去中心化的特性，可減輕中心節(jié)點(diǎn)的處理壓力，減少智慧水利系統(tǒng)的建設(shè)與運(yùn)行成本，對(duì)智慧水利的建設(shè)推廣起到積極作用。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快，工業(yè)化程度的不斷提高，發(fā)展智慧水利尤為重要。本文介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)，總結(jié)了區(qū)塊鏈技術(shù)的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，探究了區(qū)塊鏈技術(shù)在水利工程建設(shè)、水體數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)水權(quán)交易平臺(tái)建設(shè)與智慧水利綜合管理系統(tǒng)四個(gè)方面的應(yīng)用。在智慧水利的視角下，區(qū)塊鏈相較于傳統(tǒng)技術(shù)在促進(jìn)水利信息流動(dòng)、簡(jiǎn)化業(yè)務(wù)流程與水利信息可信存證方面有顯著優(yōu)勢(shì)，其應(yīng)用落地是實(shí)現(xiàn)智慧水利精細(xì)化管理的重要途徑。目前，我國(guó)水資源形勢(shì)復(fù)雜，智慧水利行業(yè)的發(fā)展處于初級(jí)階段，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用研究還不成熟，具體的應(yīng)用場(chǎng)景及具體情況仍需要進(jìn)一步深度研究。