基于區塊鏈技術的鐵路邊坡監測數據錄入存儲方法研究

婁星宇 王齊榮

目前，在鐵路邊坡災害監測預警系統中，預防、減少、阻止邊坡災害，減少因災害所導致地經濟損失及人員傷亡任被認為是最有效的措施。鐵路邊坡監測數據的安全性和穩定性是鐵路邊坡災害監測預警系統的重要保證，利用區塊鏈技術錄入存儲鐵路邊坡監測數據是保證鐵路邊坡監測數據安全性的有效解決方案。將鐵路監測信息分類，形成記錄特定項目的邊坡監測數據庫。基于區塊鏈技術將各個特定項目的邊坡監測數據庫的通過Hash加密方法加密打包成區塊，并將各個區塊組鏈構成時間邏輯上并行的區塊鏈數據庫。基于區塊鏈技術設置數據中心，從而儲存通過分析特定類別的邊坡監測數據庫得出的邊坡穩定性的結果信息。根據鐵路邊坡監測工程實際特點和區塊鏈技術的特點設置邊坡監測數據的依空間信息的數據鏈，完成基于區塊鏈技術的鐵路邊坡監測數據時空組網。

區塊鏈； 鐵路； 邊坡； 數據庫； 預警系統

U216.41+9.1 A

［定稿日期］2022-01-24

［作者簡介］婁星宇（1997—），男，碩士，主要從事鐵路線路研究工作。

截至2020年7月底，中國鐵路運營總里程達到14.14萬km，位居世界第二，其中高鐵總里程達到3.6萬km，位居世界第一。2020年9月，黨中央、國務院批準新建雅安至林芝段鐵路，新建正線預計1 000余公里，其中線路橋隧比預計90%以上，建設、運營難度較大，是對中國基建的一次考驗［1］。中國已經從鐵路建設的量要求進入到對質與創新的要求的全新階段，已經從對鐵路技術的掌握轉變為對技術創新的全新征程。鐵路邊坡，作為鐵路建設運營中的基礎性工程，影響并決定了鐵路建設的安全可靠性。鐵路邊坡監測管理系統目前缺乏統一的數據管理方式，邊坡監測數據傳輸、儲存信息化程度有待提升，邊坡監測預警系統的效率與準確性受到了的制約。因此，建立一個統一標準的、技術先進的、安全高效的鐵路邊監測數據錄入系統，依靠信息技術全面提高數據管理水平，為鐵路邊坡監測提供強有力的數據支撐是必要且實際的。

本文研究內容集中于區塊鏈技術在鐵路邊坡監測系統中的應用，提出了基于區塊鏈技術的鐵路邊坡監測數據錄入存儲系統的架構方案，利用區塊鏈的自有技術優勢，為鐵路邊坡監測預警系統提供一種去中心化的、信任度可判別的、可追溯的數據架構方式，有效提高了鐵路邊坡監測預警系統數據的結構效率，使系統信息化水平進一步提升變為可能。

1 區塊鏈技術的相關技術

2008年Satoshi Nakamoto在《比特幣：一種點對點的電子現金系統》中闡述了基于區塊鏈技術的比特幣虛擬貨幣［2］，2013年Vitalik Buterin在比特幣的基礎上改進推出了區塊鏈2.0版本的虛擬加密貨幣以太坊［3］。區塊鏈技術是一種新型的數據庫技術，與一般數據庫相比，區塊鏈技術具有去中心化、高冗余度、高可信度的優勢，適用重要數據的存儲架構。

1.1 區塊鏈技術類型選取

區塊鏈技術根據訪問和管理權限分為3種類型：公有鏈、聯盟鏈、私有鏈，如表1所示。鐵路邊坡監測預警系統需要記錄大量數據，綜合考慮各方面，本文采用私有鏈的方式進行研究。

1.2 區塊鏈技術數據架構

工信部指導發布的《區塊鏈技術和應用發展白皮書2016》中對于區塊鏈技術做出定義：區塊鏈技術是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數據結構，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本技術［4］。實際案例中，區塊鏈是利用相關技術驗證具體數據并給出整體數據的信任體系的技術過程。區塊鏈數據結構方式是區塊鏈技術命名的主要依據，該技術可以分為區塊和鏈2個部分。

區塊是鏈結構的基本數據單元，存儲對應事件的信息，區塊可以分為區塊頭和區塊體2個部分。區塊頭包含上一區塊標識、時間戳、默克爾樹根等標志與指向性信息，區塊體負責記錄代表的項目信息，如圖1所示。

區塊頭是區塊間指向的信息標記點，這種信息間的指向標記確保了信息的安全，同時構成了區塊鏈去中心化的基本原理。區塊頭由2個部分構成：默克爾根、時間戳。默克爾根是鏈上事件信息總和的加密結果，按照“二叉樹”規則生成，作用原理如圖2所示。時間戳是表征區塊事件信息在特點時間節點下已經存在、完整、可驗的指標［5］，時間戳往往設置為唯一標識某一刻時間的字符序列。由于單一區塊下形成的中心化系統中時間戳的篡改無需成本，時間戳在單一區塊中的作用不顯著［6］。在鏈式區塊中結合默克爾加密技術，則構成可信的去中心化系統，整體時間戳系統的可信度和篡改成本大幅增加。系統中區塊數量伴隨時間戳數量與可信度的提升而提升，時間戳系統構成去中心化系統中時間鏈可信度的基礎依據。

1.3 加密算法

加密算法是區塊鏈技術信息安全的重要保障。區塊鏈應用的加密技術建立在信息共享公開的基礎上［7］，兼顧去中心化和安全性要求。常用的加密方式有3種：對稱加密、非對稱加密、散列加密，三者對比如表2所示。區塊鏈技術要求加密的過程是單向不可逆的，散列加密更適用這一要求。散列算法又稱哈希算法，是利用有限域上橢圓曲線的離散對數對輸入進行加密，在保證安全性的基礎上快速、儲存量小、低帶寬要求地獲得較短的密鑰［8］。

常用的哈希加密算法包括SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512、MD2、MD5等。將文本信息“hello human”采用不同的哈希算法加密，在不同程度約束的情況下枚舉求解，得到約束程度與耗時關系如圖3所示。哈希算法破解難度與約束程度大致成指數相關，指定信息的加密約束足夠高，信息安全程度趨近于無窮。

1.4 Hash加密通訊基本原理

哈希加密通訊是利用哈希加密單向不可逆的特點，其過程類似無標底競標過程，由3步驟組成。第一步競標各方廣播競標價的加密結果，第二步各方公布競標價格，第三步校驗各方價格與加密結果的一致性，具體過程如圖4所示。

2 鐵路邊坡監測信息錄入與存儲架構

鐵路邊坡監測技術趨于時間上的實時化、內容上的多樣化，對于邊坡監測產生的大量的數據，采用區塊鏈技術可以有效地保證數據的安全性，同時提升整體數據被篡改的成本和難度。

2.1 基礎錄入單元及單復鏈的選擇

采用區塊鏈技術按照分布式賬本的方式記錄數據時，鐵路邊坡監測得數據是多方面的，設置單一的數據鏈，會導致數據錄入的過程中容錯率低。以某日的邊坡監測數據為例，原數據記錄采用不同的格式轉換成哈希值時，結果完全不同，見表3。這使得驗證信息時很難以程序化的流程驗證信息的準確性，同時給分析利用數據時造成困擾。

為了提升信息記錄和驗證效率，減少邊坡監測數據錄入系統后期的運維成本，本文采用多條數據鏈并行的方式進行架構。按照不同的單元將信息分解，并各自形成區塊鏈數據記錄，結果如表4所示。這種記錄形式下，數據錄入和存儲的可靠性和容錯率進一步提升，為數據分析和應用提供了基礎結構。

2.2 整體數據結構和安全性保障措施

并行的數據鏈結構中，當數據記錄的時間逐漸延展，數據結構會趨于網狀結構，此時原先適用于鏈狀數據結構的默克爾樹技術不再適用于整體的網狀結構。本文采用設置數據中心的方式進行解決。數據結構的秩序是建立數據驗證的必要前提，多條數據鏈并行時，建立一種新的適用于網狀數據的數據結構是必要的。針對數據類型的多樣性，網絡狀的數據結構可以被適用其中，具體結構形式如圖5所示。

2.3 數據庫與數據中心

為解決網絡狀數據結構的時空順序，從而建立起整體鏈狀的完整數據結構，本文設計了解決方案。通過組成網狀數據的各個項目按照相同的時空排列方式分別組鏈。數據中心記錄各個項目的秩序信息，并補充時間、空間的驗證信息，如圖6所示。這種解決方案中，數據中心本質上是記錄各個項目的關系的區塊鏈數據庫。

3 邊坡監測信息錄入和存儲方式

3.1 項目的組鏈方式

以連續7天的鐵路邊坡監測位移量為例見表5，組建邊坡位移量的數據鏈，具體步驟如下。結果見圖7。

第一步：創建創世區塊。其他的邊坡監測數據將以初始區塊的內容為基礎進行組鏈，同時默認初始區塊的時間點為0。

第二步：將每一個時間節點的監測數據按照預設的格式進行整理。

第三步：將監測數據進行Hash加密，為了確保加密數據的安全性，設置時間戳進行控制，此例中選用加密數據的年月日為對應的時間戳。

第四步：將整理好的監測數據內容和加密出的Hash值打包整理成區塊，以加密數據為鏈是區塊聯通前后區塊，構成區塊鏈。

第五步：架構默克爾樹，確定默克爾根。

3.2 空間信息組鏈方式

在對鐵路邊坡監測數據記錄系統進行架構時，具體的項目無論是按照時間還是按照空間進行組鏈，都只能是單一基本要素的組鏈，這與鐵路邊坡數據上時間和空間的高度關聯性不相匹配。

為了解決這種矛盾，本文采取了圖8的數據鏈的組合方式。每個時刻的數據中心的記錄內容結合地理信息形成一個新的數據區塊，包含地理信息的數據區塊根據地理位置的先后秩序組成該時刻的數據記錄的空間鏈。

3.3 區塊的識別

區塊按照時間和空間進行組網之后，并行的數據鏈之間是沒有任何區別的，如何區分不同的數據鏈，是后續有效使用時空區塊數據網絡的重要前提。本文采用了如下的方式進行標記，以某鐵路邊坡記錄數據為例進行說明。本文通過對所需要的Hash代碼進行相應的約束，約束為重度01、內摩擦角02、邊坡角03，標記結果如表6所示。

4 結論

區塊鏈作為一種數據的鏈式結構，實質是通過犧牲數據存儲效率和算力來保證數據的去中心化和安全性的數據庫。作為一種數據庫的存儲形式，區塊鏈本身是不具有功能的。為了使區塊鏈數據結構更適用于鐵路邊坡監測，本文類比于細胞結構對數據鏈進行探究：

（1）數據的核心：本文提出了將原有的一條數據鏈記錄所有信息的結構調整為多條數據鏈并行的結構。在本文采用的數據記錄結構中，有現場直接監測得到的各個監測項目的數據鏈構成了數據的核心。

（2）空間信息的組鏈：鐵路邊坡監測的工程實際當中，數據不僅是同一個監測點時間上的聯系，還在于同一時間地理信息上的關聯性。本文提出了數據鏈技術在時間和空間上的應用，是區塊鏈數據信息更符合鐵路邊坡監測的實際。

（3）數據識別與接收機制：并行的數據鏈之間，除了記錄的信息有所區別，在結構形式上是完全一樣的。數據從并行的數據鏈中，經過分析得出結果，在記錄到數據中心的數據鏈中需要一定的識別標志。為此，本文對并行的數據鏈中信息加密后的Hash值進行約束，從而對各個區塊進行相應的標記，為數據的分析和運用提供基礎。

參考文獻

［1］ 謝毅， 寇峻瑜， 姜梅，等. 中國鐵路發展概況與技術展望［J］. 高速鐵路技術， 2020， 11（1）：11-16.

［2］ 關靜.區塊鏈技術應用領域及存在問題研究綜述［J］.科技創新與應用，2021，11（12）：134-136+139.

［3］ Buterin V . A next-generation smart contract and decentralized application platform［R］. 2014.

［4］ 仲盛， 黃欣沂. 區塊鏈應用中的安全隱私專題簡介［J］. 中國科學：信息科學， 2020， 50（3）：161-162.

［5］ 袁亮. 時間戳在區塊鏈技術中的運用研究［J］. 中國化工貿易， 2017， 9（15）：109-110.

［6］ Ren Y， Zhu F， Sharma P K ， et al. Data Query Mechanism Based on Hash Computing Power of Blockchain in Internet of Things［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2020， 20（1）.

［7］ Nakamoto S . Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System［R］. 2009.

［8］ 李明株，劉瑞芹.橢圓曲線數字簽名的兩種改進算法［J］.華北科技學院學報，2020，18（5）：84-87+102.