區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水務(wù)中的應(yīng)用初探

孫 鋒

(閩江學(xué)院，福建 福州 350108)

近年來，區(qū)塊鏈技術(shù)引起了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視[1]。區(qū)塊鏈技術(shù)擁有顯著的應(yīng)用優(yōu)勢：去中心化的分布式結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中可節(jié)省大量中介成本，不可篡改的時(shí)間戳特征可解決數(shù)據(jù)追蹤與信息防偽問題，安全的信任機(jī)制可解決物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的核心缺陷，靈活的可編程特性可幫助規(guī)范市場秩序。

區(qū)塊鏈技術(shù)所具有的無需中介參與、過程高效透明且數(shù)據(jù)高度安全等優(yōu)勢，使其可運(yùn)用在有以上需求的行業(yè)。在國外，區(qū)塊鏈推動(dòng)建立安全可靠的數(shù)字經(jīng)濟(jì)。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)還廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、醫(yī)療、體育等領(lǐng)域[2]。近幾年來，國內(nèi)的區(qū)塊鏈發(fā)展也受到了越來越多的關(guān)注。筆者介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)的基本概念，并對其在智慧水務(wù)中的應(yīng)用進(jìn)行了初探。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的起源

區(qū)塊鏈?zhǔn)前植际綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等技術(shù)的新型應(yīng)用模式。區(qū)塊鏈技術(shù)源自比特幣[3]，是互聯(lián)網(wǎng)底層的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，特點(diǎn)包括去中心化、點(diǎn)對點(diǎn)傳輸、透明、可追蹤、不可篡改、數(shù)據(jù)安全及信用的自我建立等。

比特幣只是區(qū)塊鏈技術(shù)方案在支付領(lǐng)域的一個(gè)試驗(yàn)性應(yīng)用，區(qū)塊鏈還可以用于更加廣闊的領(lǐng)域，例如醫(yī)療、供應(yīng)鏈、物聯(lián)網(wǎng)、安全認(rèn)證、社交以及人工智能等。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的核心

1.2.1 區(qū)塊+鏈

區(qū)塊鏈將數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新性分解，數(shù)據(jù)分塊，每個(gè)區(qū)塊通過特定的信息鏈接到上一區(qū)塊后，前后順序鏈接形成完整數(shù)據(jù)。

區(qū)塊按時(shí)間順序先后生成，每一個(gè)區(qū)塊記錄其在被創(chuàng)建期間發(fā)生的所有活動(dòng)，形成記錄合集。

區(qū)塊結(jié)構(gòu)具有兩個(gè)重要特性：第一，每一個(gè)區(qū)塊上記錄的交易是上一個(gè)區(qū)塊形成之后、該區(qū)塊被創(chuàng)建之前發(fā)生的所有交換活動(dòng)，因此保證了數(shù)據(jù)庫的完整性。第二，絕大多數(shù)情況下，一旦新區(qū)塊完成并被加入到區(qū)塊鏈的最后，該區(qū)塊的數(shù)據(jù)記錄就不能被改變或刪除，保證了數(shù)據(jù)庫的嚴(yán)謹(jǐn)性[4]。

1.2.2 分布式結(jié)構(gòu)

在中心化的體系中，數(shù)據(jù)集中記錄并存儲(chǔ)于服務(wù)器上。區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采取完全不同的思路，讓每一個(gè)參與節(jié)點(diǎn)都記錄并存儲(chǔ)所有的數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈根據(jù)系統(tǒng)確定的開源的、去中心化的協(xié)議，構(gòu)建了一個(gè)分布式結(jié)構(gòu)。價(jià)值交換信息通過分布式傳播發(fā)送給整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，通過分布式記賬確定信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，蓋上時(shí)間戳后生成區(qū)塊數(shù)據(jù)，再傳輸至各個(gè)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)[5]。

1.2.3 所有權(quán)的信任基礎(chǔ)——數(shù)學(xué)

區(qū)塊鏈設(shè)計(jì)者使用了密碼學(xué)的方式來解決共識(shí)機(jī)制，該機(jī)制的運(yùn)作原理是“非對稱加密數(shù)學(xué)”?！凹用堋焙汀敖饷堋钡倪^程中分別使用兩個(gè)密碼，且兩個(gè)密碼具有非對稱的特點(diǎn)。

從信任的角度來看，區(qū)塊鏈實(shí)際上是數(shù)學(xué)方法解決信任問題的產(chǎn)物。在區(qū)塊鏈技術(shù)中，所有規(guī)則事先都以算法程序的形式表述出來，需要求助中心化的第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)證，而只需信任數(shù)學(xué)算法就可以建立互信。

1.2.4 可編程的智能合約

腳本可以理解為一種可編程的智能合約。如果區(qū)塊鏈技術(shù)只是為了適應(yīng)某種特定的交易，那腳本的嵌入就沒有必要，系統(tǒng)可以直接定義完成價(jià)值交換活動(dòng)需要滿足的條件。然而，在一個(gè)去中心化的環(huán)境下，所有的協(xié)議都需要提前取得共識(shí)，腳本的引入則不可或缺。引入腳本后，區(qū)塊鏈技術(shù)會(huì)使系統(tǒng)有機(jī)會(huì)去處理一些無法預(yù)見的交易模式，保證了這一技術(shù)在未來的應(yīng)用中不會(huì)過時(shí)，增加了技術(shù)的實(shí)用性[6]。

在區(qū)塊鏈上搭建可信的智能引擎、智能應(yīng)用，為用戶提供去中心化的數(shù)據(jù)處理能力，實(shí)時(shí)部署到數(shù)據(jù)端進(jìn)行分析計(jì)算的能力，以及抽取必要數(shù)據(jù)到中心節(jié)點(diǎn)進(jìn)行融合分析的能力，為區(qū)塊鏈的發(fā)展開辟了廣闊的空間。

1.3 區(qū)塊鏈技術(shù)的模型

1.3.1 數(shù)據(jù)層

該層封裝了底層數(shù)據(jù)區(qū)塊的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，以及相關(guān)的非對稱公私鑰數(shù)據(jù)加密技術(shù)和時(shí)間戳等技術(shù)，是整個(gè)區(qū)塊鏈中最底層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

1.3.2 網(wǎng)絡(luò)層

包括P2P組網(wǎng)機(jī)制、數(shù)據(jù)傳播機(jī)制和數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制等。區(qū)塊鏈具有自動(dòng)組網(wǎng)功能。

1.3.3 共識(shí)層

封裝了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的各類共識(shí)機(jī)制算法。目前已有十余種共識(shí)機(jī)制算法。數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層是構(gòu)建區(qū)塊鏈技術(shù)的必要元素。

1.3.4 激勵(lì)層

將經(jīng)濟(jì)因素集成到區(qū)塊鏈技術(shù)體系中。

1.3.5 合約層

封裝各類腳本、算法和智能合約，是區(qū)塊鏈可編程特性的基礎(chǔ)。比特幣本身具有簡單腳本的編寫功能，而以太坊(Ethereum)極大地強(qiáng)化了編程語言協(xié)議，理論上可以編寫實(shí)現(xiàn)任何功能的應(yīng)用。

1.3.6 應(yīng)用層

封裝了區(qū)塊鏈的各種應(yīng)用場景和案例，例如搭建在以太坊上的各類區(qū)塊鏈應(yīng)用即部署在應(yīng)用層。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水務(wù)的應(yīng)用探索

智慧水務(wù)是智慧城市的重要組成部分，涵蓋了水文、水質(zhì)、水資源、供水、排水、防汛防澇等各個(gè)方面。通過各種信息傳感設(shè)備測量水文水質(zhì)等水利要素，并傳遞到互聯(lián)網(wǎng)上，進(jìn)行信息交換和通訊，以實(shí)現(xiàn)信息智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控、計(jì)算、管理、模擬、預(yù)測和管理，從而提升了供水智能化管理水平[7]。

智慧水務(wù)的核心在于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)采取中心化的體系結(jié)構(gòu)，成本高，安全性差，面臨諸多挑戰(zhàn)[8]。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，有助于更好地解決這些問題。

2.1 提升供水信息透明度

傳統(tǒng)的供水信息發(fā)布采取中心化模式，信息的獲取和發(fā)布對用戶不透明，容易出現(xiàn)延時(shí)和失真。尤其當(dāng)事故或者污染發(fā)生時(shí)，用戶往往無法在第一時(shí)間得到信息，造成嚴(yán)重的后果，例如美國弗林特市水污染事件[9]。

表1 區(qū)塊鏈對物聯(lián)網(wǎng)挑戰(zhàn)的應(yīng)對Tab.1 Blockchain’s response to the challenges of the Internet of things

與容易出現(xiàn)問題的中心化信息發(fā)布體系相比，使用更加公平、更加智能的區(qū)塊鏈供水信息發(fā)布是更理想的方式。將相關(guān)信息及時(shí)傳遞給公眾，既能減少損失，又能避免信息不對稱帶來的恐慌。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于分布式不可變的公共水信息，確保其數(shù)據(jù)真實(shí)度、數(shù)據(jù)安全性和數(shù)據(jù)驗(yàn)證方面的信任和參與，將對智慧水務(wù)的發(fā)展產(chǎn)生積極的影響，有助于更好地進(jìn)行決策。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N安全、透明、去中心化的公共賬本，記錄著各方的交易。如果使用一條公有鏈來記錄水質(zhì)和水量的相關(guān)數(shù)據(jù)，無論是政府、企業(yè)和個(gè)人，都無法通過非法行為隱藏或者篡改真實(shí)數(shù)據(jù)。

美國Genesis公司將區(qū)域鏈技術(shù)應(yīng)用于油氣田污水處理系統(tǒng)，為了減少當(dāng)?shù)孛癖妼ξ鬯幚碣|(zhì)量的擔(dān)憂，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采用以太坊(Ethereum)技術(shù)存儲(chǔ)發(fā)布，當(dāng)水質(zhì)變壞時(shí)系統(tǒng)也能預(yù)警，提高了人們對水質(zhì)數(shù)據(jù)的信任度。

2.2 智能水交易系統(tǒng)

區(qū)塊鏈技術(shù)還可以支持給定流域內(nèi)水權(quán)的點(diǎn)對點(diǎn)交易，給予用戶足夠的、或者是愿意與該地區(qū)的其他用戶共享超額資源的權(quán)利，此環(huán)節(jié)無需全天候依賴中心化的結(jié)果。

同一流域中的用戶可以根據(jù)最新的天氣信息、產(chǎn)品價(jià)格、市場趨勢和長期氣候變化趨勢(用戶可以通過移動(dòng)設(shè)備獲取這些信息)來決定用水策略。這為水務(wù)管理提供了一種新的信息獲取和實(shí)時(shí)管理辦法。個(gè)人消費(fèi)者、工業(yè)用戶、水務(wù)公司和政府管理部門，都可以使用這些信息來決定水資源的使用策略。

國外已有的應(yīng)用案例包括：Power Ledger公司與澳大利亞弗里曼特爾市合作，使用區(qū)塊鏈技術(shù)運(yùn)營一座太陽能光伏電站和分區(qū)水處理設(shè)施，驗(yàn)證區(qū)塊鏈技術(shù)在水資源和能源分配系統(tǒng)的可靠性。WATERIG公司在香港開展試點(diǎn)研究，鋪設(shè)雨水收集點(diǎn)，并將這些收集點(diǎn)與水處理系統(tǒng)相連接，進(jìn)入垂直農(nóng)業(yè)和城市溫室項(xiàng)目。不同的社區(qū)可以自行選擇最適合的方式來運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，建立自己的雨水收集點(diǎn)。

2.3 智能水管理系統(tǒng)

區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)技術(shù)的結(jié)合，將使城市的水資源管理系統(tǒng)更智能、安全、高效[10]。

區(qū)塊鏈技術(shù)結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對城市供水管網(wǎng)進(jìn)行全面、自動(dòng)化監(jiān)控，幫助解決管網(wǎng)漏失問題。在供水網(wǎng)絡(luò)中安裝水壓和水量數(shù)據(jù)的智能傳感器，采取非中心化的方式通信，傳感器可以相互傳遞數(shù)據(jù)并發(fā)出預(yù)警。

同樣的技術(shù)還可被用于家庭。智能傳感器之間能利用區(qū)塊鏈技術(shù)通信，識(shí)別異常的用水信息。系統(tǒng)可以幫助用戶了解用水情況，節(jié)約用水。當(dāng)用戶不在家時(shí)，一旦發(fā)生漏水，智能傳感器也能在第一時(shí)間告知用戶，甚至可以自動(dòng)關(guān)閉入戶水閥。

在這樣的系統(tǒng)中，如果把所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)揭粋€(gè)中心，并在此做出所有的系統(tǒng)決策，則其容易受到黑客攻擊和被操縱。區(qū)塊鏈技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的結(jié)合，可使信息安全得到有效保障，從而推動(dòng)智能水務(wù)的發(fā)展。

3 結(jié)語

基于區(qū)塊鏈的水務(wù)應(yīng)用目前還處于實(shí)驗(yàn)階段，技術(shù)轉(zhuǎn)換還需要一定時(shí)間的實(shí)踐。今后隨著人工智能的成熟，區(qū)塊鏈技術(shù)與人工智能結(jié)合，還將在水務(wù)管理的自動(dòng)化、智能化方面產(chǎn)生更大的進(jìn)步。