区块链技术在智慧水利体系建设中的应用展望_徐健.pdf

收稿日期：；修回日期：基金项目：国家重点研发计划项目（）；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研基金项目（，）作者简介：徐 健（），男，湖北襄阳人，工程师，硕士，主要从事水利信息化研究。：通信作者：徐 坚（），男，湖北武汉人，工程师，硕士，主要从事水利信息化、水文遥感等方面的研究。：，（）：，区块链技术在智慧水利体系建设中的应用展望徐 健，徐 坚，魏思奇，赵保成，肖 潇，李国忠，（长江科学院 空间信息技术应用研究所，武汉；武汉市智慧流域工程技术研究中心，武汉；长江科学院 流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室，武汉）摘 要：当水利信息化进入大数据时代，遇到的最大难题，可能不是信息不足，而是信息的过载；可能不是信息的“触手可及”，而是信息的孤岛问题。区块链是一种去中心化的分布式账本，确认后的数据块一旦上链就很难篡改，上链后的数据块均带有时间戳，可以避免在非涉密数据管理过程中出现数据孤岛、数据质量低、数据泄露等情况。结合区块链技术去中心化、不可篡改、可追溯的特性，探究其在智慧水利体系建设中的应用前景，在水利数据安全与共享、水利业务应用、智慧水利综合管理平台 个层面阐述相关应用，并指出了区块链在水利应用中存在的风险和挑战。研究表明区块链技术为水利信息化、智能化带来新的突破，有助于打破行业数据共享壁垒，促进数据共建共享。关键词：区块链技术；智慧水利；水利大数据；数据共建共享；水利信息化中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，；，；，）：，：；研究背景水利是国民经济和社会发展的基础和命脉，是人类赖以生存的保证。当前，区块链、大数据、云计算等新一代信息技术不断涌现，人类的生产和生活方式正在被数字经济深刻改变，水利现代化已不再局限于“工程水利”，而是“资源水利、民生水利、生态水利、第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 智慧水利”，水利治理能力提升和治理现代化体系建设迫在眉睫。智慧水利作为水利智能化、现代化的切入点和突破口，是今后一个时期中国水利改革发展的重点任务。区块链技术的出现，使得智慧水利体系建设能够更好地实现信息共享、数据安全、透明公开与动态监管。利用区块链等新技术、新理念加强水利信息获取、传输、分析支持能力，推动算法、算力建设，对构建智慧水利体系具有深远意义。交易内容哈希值交易内容哈希值签名签名Me r k l e 根节点哈希值从A 到B 的交易从B 到C 的交易交易1 2哈希值交易3 4哈希值交易1哈希值交易2哈希值交易3哈希值交易4哈希值交易1交易2交易3交易4节点A 的私钥节点B 的私钥节点A 的公钥节点A 的数字签名节点B的地址节点C的地址MERKLE树结构交易记录机构节点B 的数字签名节点B的公钥必须匹配验证验证版本号时间戳难度值随机数交易信息版本号时间戳难度值随机数交易信息区块链结构区块N上一区块哈希值Me r k l e根节点区块N+1上一区块哈希值Me r k l e根节点区块区块区块头区块头图 区块链结构 区块链区块链是一种分布式共享数据库，通过去中心化和去信任的方式来对其进行维护，链上的数据具有透明公开、防篡改、防伪造、可追溯、集体维护等特点，是一种解决信任问题、降低信任成本的信息技术方案。区块链的结构区块链是一种以时间顺序将数据区块相连的链式数据结构。区块产生是有时间先后之分，每个区块能够存储创建这期间所发生的大多数的交易，通过时间戳等让这些区块连接起来，同时能加强对上一个交易的确认。由于按照时间链接，会形成按照时间顺序产生区块高度，导致区块高度越来越多，从而形成一个长长的链。在区块里还包含自身带有的结构，一个完整的区块结构包括：区块头和区块体。整体数据结构如图 所示。区块头里面存储着区块的头信息，用于链接到前面的区块，为区块数据库完整性提供保障，包含版本号、上一个区块哈希值、时间戳、难度值、随机数及 根节点，详细描述如表 所示。表 区块头基本信息 序号名称位数数据类型描述版本号用于确定区块集的验证规则上一区块哈希值用于链接上一区块时间戳用于记录该区块生成的时间难度值区块头哈希必须小于或等于它的值随机数用于证明工作量难度的随机数 根节点用于验证区块体交易的总哈希值 区块体可以理解为账本的一种表现形式，用于记录一定时间内所生成的详细数据，包括区块创建过程中生成的以及当前区块经过验证的所有数据，可以是交易信息，也可以是其他某种信息。区块链的特点对于区块链的特点措辞不尽相同，但“去中心化、公开透明、安全可靠、可追溯”四个特点基本上得到了共识。（）去中心化。区块链的数据本质为全网节点共同维护，整个网络节点的权利与义务相同，不再依靠中央处理节点。（）公开透明。区块链中整体的运作规则是公开透明的，所有的数据内容也是公开的，节点之间通过共识机制实现信任。（）安全可靠。区块链是全分布式存储的，每个节点既各自为政，又充当中心节点，不会出现中心节点被攻击，核心账本或数据丢失的情况。此外，在共识机制下修改数据需要所有节点达成一致，并且同步修改全网所有节点，使得数据篡改的可能性非常低。（）可追溯。区块链是一种链式数据结构，记录着每次修改的痕迹，可清晰地追溯数据和交易活动的变化过程。区块链的核心技术区块链包括分布式存储、密码学、共识机制以及智能合约四大核心技术，它们在区块链中分别起到了数据的存储、数据的处理、数据的安全以及数据的应用作用。（）分布式存储。分布式存储是一种通过网络将数据分散存储至多台数据服务器上的数据存储技术。第 期徐 健 等 区块链技术在智慧水利体系建设中的应用展望（）密码学。密码学是一门将信息进行加密处理与传递以及分析加密信息的学科，区块链中每一个数据区块之间通过密码学建立起联系以提高安全性。（）共识机制。共识可理解为不同群体所寻求的共同的认识、价值、想法等，共识机制就是确定达成和维护共识的方式。为了保证节点愿意主动去记账，区块链形成了一个重要的共识机制，这种共识机制也被称为区块链的灵魂。（）智能合约。智能合约是一种以计算机语言编写、由计算机自动验证和执行的代码化的合同，是纸质合同的数字化形式，基于区块链中的可信数据自动执行。区块链在智慧水利中的应用智慧水利体系建设依托区块链、大数据、云计算、人工智能及 等新一代信息技术，构建天地空水立体监测感知体系，建设互联互通的水利信息网络，加强计算和存储能力建设，集成水利大数据中心，搭建智慧应用云平台，形成较为完善的信息化管理体系，进一步提高水利综合管理能力。区块链四大核心技术，不仅能够将水利系统内部各信息平台进行纵向集成，而且可以横向集成各相关业务部门，突破信息孤岛制约，建立数据流通机制，进行数据交换和共享，提升水利业务智慧化管理水平，推动智慧水利体系建设走向全社会领域的共建共享。基于智慧水利体系建设总体架构和区块链技术特点，本文将从水利数据安全与共享、水利业务应用及智慧水利综合管理平台三个层面阐述智慧水利体系建设中区块链技术的相关应用。水利数据安全与共享水利数据来源复杂形式多样，纵向涉及水利工程建设与运行、水文水资源、水旱灾害防御、水生态环境保护与修复、农村水利水电、河湖治理、水土保持等业务领域，横向联通交通、气象、林业、市政、农业、环保和国土等诸多单位，相互之间不联通，造成“信息孤岛”。区块链本质上是一个基于密码学通过分散和不信任来集体维护的、安全可信的分布式共享数据库。数据流通过程中的认证、篡改、追溯等关键问题可以通过区块链技术来改善，这也为解决水利数据管理中存在的数据壁垒及数据安全问题提供了可行性。如图（）所示，传统模式下无法实时验证授权的有效性，数据流通未得到有效的控制和审计。图（）展示了区块链模式下数据流通的完整过程。各用户或节点对记录的方式与位置进行共识验证，达成共识后向数据提供者授予相应权限。对于共享策略，按策略格式、合规性等进行验证，达成共识后确认上链。对于读取数据的请求，按共享策略验证读取条件，达成共识后授权，并从链上的认证节点返回授权信息和相应的数据。数据提供者授权授权授权媒介1媒介2数据请求者D数据请求者C数据请求者A数据提供者授权授权上链身份验证身份验证身份验证身份验证身份验证数据请求者E数据请求者D数据请求者C数据请求者B数据请求者A(a)(b)数据请求者B图 传统模式及区块链模式下数据流通过程 相比于传统模式，区块链模式中所有节点都可以进行数据计算和记录，数据全程不可篡改，且授权记录可以实时共享，查询效率高。此外，每个区块的交易信息构成一个完整的、不可篡改的明细列表，通过验证交易信息的真实性来达到信息防伪和路径可追溯的目的。可以看出，借助区块链技术来实现水利数据的安全与共享有着广泛的应用前景。水利业务应用 水文水资源（）供水管理。当前供水设备的操作、维护、供水等全链条数据是存储在独立的系统中，缺乏数据备份和监管，一旦出现安全和生产事故，难以核实记录的真实性和一致性。通过区块链技术可以将监测设备、传输网络及存储单元等进行系统整合，保证供水过程全链条数据的可靠性、安全性。同时，其可追溯和防篡改等特性可以对供水过程进行监督，发现疑似问题即可追溯整个流通过程，极大提高供水过程的智能化管理水平。（）水权交易。水权交易在水资源配置中可以 长江科学院院报 年 更好地发挥市场的能动作用，但是水权交易管理模式上仍然存在诸多问题。传统水权交易模式主要是通过纸质合同来约束用水主体，整个过程中水质水量变化等不受核查，容易出现投机倒把行为，导致水权交易数据不可信，交易过程中需要人工多次数据审核，不仅耗时长而且效率低。此外，水权交易过程中涉及的业务数据、用户数据、确权数据、结算数据、运营数据等均存储在中心化的数据库中，不仅需要数据备份，还需要保障数据安全。通过区块链技术分布式记录水权交易数据，增强数据安全性和可信度。同时，通过智能合约机制替代人工数据审核，简化水权交易流程，节约水权确认时间，提高工作效率，为水权交易更加高效、安全的运转提供新的思路。（）用水管理。最严格水资源管理制度考核办法对水资源管理提出了实时精确的要求，强调实时精确对水资源“用水耗水排水”的全过程管理，然而在落实过程中，受人员、资金、设备等条件制约，往往存在用水户违规用水、违规排污及数据造假等行为。通过将用各个环节信息上链，使其不可篡改，并且对外公开，在保证水资源管理全链条数据的真实性的同时，减少汇总审核数据过程中的人力成本。水利工程建设与运行（）工程招投标。区块链的核心理念是去中心化和不可篡改，加上开放透明、智能合约等特点，在工程招投标过程中，可以完成报名、审核、缴费、竞价和合同签署的全过程实时链上交易项目，能够有效地降低该项工作的时间成本，提升工作效率。此外，防篡改数据、记录时点、存储资料等都可以在区块链上完成，作为区块链的参与者各相关单位均可以看到数据流通的全链条信息，全程真实、公开、安全、可回溯，确保相关单位的知情权、参与权。（）工程建设。水利工程建设涉及建设单位、承包商、勘察设计、施工、监理、设计、供应商等多方业务单位，以往需要建设方控制项目进度，高效获取设计、施工、监理等各个流程数据，不仅工作繁琐而且难度大。基于区块链分布式账本技术，以共建共享原则进行全面数据归集，各方上传工程建设成本、进度、质量、环保、验收等方面的信息，实现各方信息高效协同。不仅可以确保施工文件真实性，简化签字、盖章等审批流程，便于相关工程数据的采集和存储，保证项目进度；还可以对数据进行高效检索，分析和加工数据，为水利工程管理提供相应的增值服务，进一步控制成本、质量和安全，实现工程管理水平的整体提高。（）工程项目管理。通常工程项目涉及到诸多劳务环节和多层级工程分包关系，通过区块链在项目全生命周期内创建一个可复查的交易记录和多事件认证，对各个区块进行密码“锁定”，做到劳务人员的身份数字化，全程透明跟踪与广播，实现真正的劳务用工考勤、劳务黑名单禁入制。同时，业主与各分包单位之间的合同签订、资金支付等信息通过智能合约机制进行管理，可以解决传统工程项目管理长期存在的违法分包、转包、挪用专款、工资拖延、支付难等问题。基于区块链技术的工程项目管理，可以做到工程项目全生命周期管理，实现合同关系、劳务用工、资金使用及项目效益管理等透明化。农村安全供水当前我国农村供水工程体系已基本建成，整体供水保障水平显著提升，其中自来水普及率达，集中供水率达。但整体上水质检测能力不足，对供水全流程水质监测不够，水质检测监控体系尚未建立，同时环保等部门的数据缺乏共享，对农村安全供水情况无法及时全面地了解。通过将饮用水水源的全链条水质监测数据上传至区块链，在实现数据共享的同时防止数据被篡改，做到水质情况全程追溯，确保从“水源头”到“水龙头”的水质数据安全，提升农村供水安全智能化管理水平，完善农村饮水安全监管机制。水利监督管理水利行业监督工作多以考核、检查、调查、评价等方式进行，通过拍照录像、现象描述、数据上传等方式进行电子存证，电子存证普遍具有易消亡、易篡改、技术依赖性强等特点，与传统实物证据相比，电子存证的合法性、真实性、安全性难以保证。通过将监督过程中录音、照片、视频及文字描述等取证文件、时间及位置信息实时上传至区块链锁定，防止取证内容被修改，确保取证有效性、实时性、可追溯性，实现“查、认、改、罚”和监督举报全流程闭环管理。智慧水利综合管理平台智慧水利综合管理平台是一项系统性工程，对数据流动性及业务模块之间的耦合性要求较高。基于区块链技术充分整合现有软硬件基础，构建一套安全、共享、透明、高效的架构体系，可使平台更加有效地运行。平台包括物理层、区块链层、接口层、应用层和监管层，通过将物理层获取的数据接入至区块链层来保证数据的安全性与可靠性，再由接口层提供数据至应用层，整体在监管层的管控下运行，总体架构如图 所示。智慧水利综合管理平台总体架构详述如下：（）物理层。物理层主要包括基础网络、服务 第 期徐 健 等 区块链技术在智慧水利体系建设中的应用展望成像设备传感器边缘设备基础网络物理层监控网管鉴权认证监管层区块链层智慧水利一张图应用层水资源数据服务接口雨情数据服务接口水土保持数据服务接口水情数据服务接口水文数据服务接口水利工程数据服务接口空间数据服务接口水利工程管理系统水旱灾害防御系统接口层水资源综合管理系统服务器虚拟机网络账本智能合约身份共识隐私计算安全保障体系标准规范制度图 智慧水利综合管理平台总体架构 器、虚拟机、传感器、成像设备、边缘设备等，为上层架构提供设施设备支撑，保证上层服务安全平稳运行。（）区块链层。区块链层主要负责将数据安全的存储在云端的账本里面，并对数据进行计算和统计分析，提供安全、智能、高效的数据服务。（）接口层。主要对数据模块进行封装，为应用层提供便捷的调用接口。应用层通过远程过程调用（）接口与其他节点进行通信，对本地账本数据进行访问、写入等操作。（）应用层。应用层主要提供基于应用场景的程序和接口，直接与用户进行交互，不用去探究区块链底层的细节，根据网络访问入口为用户提供多元化服务，实现数据的共建共治共享。（）监管层。监管层涉及整体架构自上而下的网管、监控以及相关认证、鉴权等服务。负责获取可信生产和交易数据并进行合规性审查，通过大数据分析技术进行分析以把握整体动态。区块链在水利应用中存在的风险和挑战 （）缺乏标准化。区块链技术在系统稳定、风险管理、应用安全及业务支持等方面还不够成熟，缺乏行业内普遍认可的技术标准。长此以往，不仅难以形成统一的发展路线，造成资源的浪费，而且会带来某种程度上的技术垄断和数据垄断。（）效率问题值得商榷。理论强调分布式系统中最多只能同时满足一致性（）、可用性（）和分区容错性（）这三项中的两项。这也就意味着若要追求高效率即可用性，就要牺牲一致性和容错性，而为了一致性和容错性，又必须放弃效率。当区块链上的节点数量不断增加时，如何保证系统性能和处理效率还值得商榷。（）基础资源支撑不足。作为传统行业，水利信息化基础设施薄弱，新一代信息技术应用不足。区块链中数据流通过程均基于分布式的系统结构，整个网络中不存在中心节点，加之水利数据具有海量、长时序等特征，对现有计算能力、存储量、网络带宽等基础资源提出了巨大考验。结 语区块链作为新一代信息技术，相较于传统技术在促进水利数据流动、业务流程提速增效等方面有着较为显著的优势，通过构建跨业务、跨层级的水利数据安全与共享框架、应用服务体系及智慧水利综合管理平台，可以促进资源高效集约，提升水利行业监管能力，推动智慧水利体系建设走向智能化。然而，区块链在智慧水利体系建设中的技术研究和实践应用尚处于起步阶段，存在着一定的风险和挑战，如何迎接这些风险挑战，找到区块链在智慧水利中的最佳适用场景仍需要进一步深入研究。参考文献：李肇桀，张 旺，王亦宁 年水利现代化远景目标展望水利发展研究，（）：中国水利报为全面建设社会主义现代化国家提供坚实水利支撑中国水利报，（）孙世友，鱼京善，杨红粉，等基于智慧大脑的水利现代化体系研究中国水利，（）：王元地，李 粒，胡谍区块链研究综述中国矿业大学学报（社会科学版），（）：曾诗钦，霍如，黄韬，等区块链技术研究综述：原理、进展与应用通信学报，（）：代闯闯，栾海晶，杨雪莹，等区块链技术研究综述计算机科学，（增刊）：高永琳 基于区块链的安全技术研究北京：华北电力大学，姜 鑫，王 飞区块链技术与应用综述电脑与电信，（）：耿博耘，闫书明，王超区块链关键技术综述信息系统工程，（）：刘敖迪，杜学绘，王 娜，等区块链技术及其在信息安全领域的研究进展软件学报，（）：（下转第 页）长江科学院院报 年 参考文献：冯文凯，易小宇，白慧林，等 白鹤滩水库初次蓄水对双河段岸坡稳定性的影响预测分析 科学技术与工程，（）：冯 振，吴中海，曹佳文，等 小江断裂带巧家段巨型古滑坡及其工程地质特征 地球学报，（）：许 强，董秀军，李为乐 基于天空地一体化的重大地质灾害隐患早期识别与监测预警 武汉大学学报（信息科学版），（）：李振洪，宋闯，余琛，等 卫星雷达遥感在滑坡灾害探测和监测中的应用：挑战与对策 武汉大学学报（信息科学版），（）：张永双，刘筱怡，姚鑫 基于 技术的古滑坡复活早期识别方法研究：以大渡河流域为例 水利学报，（）：娄连惠，刘强，谭玉敏 基于时间序列 的巴东地表形变分析 长江科学院院报，（）：，姚 鑫，邓建辉，刘星洪，等 青藏高原泛三江并流区活动性滑坡 初步识别与发育规律分析工程科学与技术，（）：冯文凯，顿佳伟，易小宇，等 基于 技术的金沙江流域沃达村巨型老滑坡形变分析 工程地质学报，（）：许 强 对地质灾害隐患早期识别相关问题的认识与思考 武 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