基于區(qū)塊鏈技術的建設工程動態(tài)監(jiān)測及監(jiān)管一體化系統(tǒng)研究

吳曄暉

（廣州地鐵集團有限公司 廣州510600）

0 引言

隨著城市建設的迅猛發(fā)展，地下空間在全球各大城市得到極大的開發(fā)與利用。由于土地資源的稀缺性，尤其是在大、中城市，大量興建高層、超高層建筑及其地下建（構）筑物，特大城市修建地鐵，深基坑施工都得到了普遍應用?；拥拈_挖面積、開挖深度、周邊環(huán)境復雜程度等方面都屢創(chuàng)新高。同時，包括橋梁、地鐵、隧道、公路在內的各類市政工程也在如火如荼的展開。然而，近年來，我國各類建設工程安全事故頻發(fā)，嚴重制約著我國建設工程的可持續(xù)發(fā)展，由此給有關單位和部門的安全監(jiān)測和監(jiān)管工作帶來了更為嚴苛的挑戰(zhàn)。

本研究提出了一種利用區(qū)塊鏈去中心化、無須第三方權威機構認證的數(shù)據(jù)存儲技術構建建設工程的監(jiān)管系統(tǒng)，能夠完美解決建設工程監(jiān)測數(shù)據(jù)真實性的一致認同問題，同時，監(jiān)測數(shù)據(jù)不可被篡改，不可被偽造、人為刪除后可強制恢復，保證了數(shù)據(jù)的完整性，對建設工程安全監(jiān)測及監(jiān)管有一定的意義。

1 區(qū)塊鏈技術特征及應用

2008年11月中本聰首次提出了區(qū)塊鏈概念，在2016年得到迅速發(fā)展，成為時下前沿的一項熱門新技術［1，2］。區(qū)塊鏈技術是一個使用加密方法形成的一種分布式數(shù)據(jù)庫［4］，具體的利用塊鏈式數(shù)據(jù)結構來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點共識算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎架構與計算方式［4］。區(qū)塊鏈技術具有如下幾個基本特征［5］：

1.1 開放性

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡的系統(tǒng)是開放的，各種設備都可以接入。除交易方私有信息會被加密外，區(qū)塊鏈中的其他數(shù)據(jù)都是對外開放的，系統(tǒng)信息透明可查，所有節(jié)點都允許拷貝完整的數(shù)據(jù)庫。各節(jié)點間只能按照一套嚴格的共識機制，通過競爭計算共同維護整個賬本的更新。當中的任一個節(jié)點失效，其余節(jié)點都可以不受失效節(jié)點的影響而保持正常工作。

1.2 去中心化和去信任

去中心化是區(qū)塊鏈技術最為突出和最為本質的特征。區(qū)塊鏈技術無需依賴第三方，也沒有中心化的設備與管理機構管制，基于協(xié)商一致的協(xié)議，通過分布式核算和存儲，所有節(jié)點能夠在系統(tǒng)內進行自動安全的自我驗證、數(shù)據(jù)交換和管理。

1.3 不可篡改和可追溯性

從數(shù)據(jù)的角度來看，區(qū)塊鏈是一種不可能被篡改的分布式數(shù)據(jù)庫。這里，分布式不僅僅體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的分布式核算和存儲，也體現(xiàn)在數(shù)據(jù)的分布式記錄，由系統(tǒng)的各參與者共同維護和記錄，一旦記錄了事務并更新了賬本則不可能再被更改，可隨時追本溯源。

由于區(qū)塊鏈技術的以上特性，國內外很多專家學者都在進行深入而廣泛的研究，并已在相關領域得到了應用［6-10］。

本文所提出的“區(qū)塊連+監(jiān)測”，是將區(qū)塊鏈技術應用于建設工程的監(jiān)測與管理，為未來全面在建設工程領域的應用提供了參考與借鑒。

2 建設工程一體化系統(tǒng)總體架構

基于區(qū)塊鏈的建設工程一體化系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)校驗模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊、數(shù)據(jù)分析模塊以及數(shù)據(jù)追溯模塊，其系統(tǒng)總體架構如圖1 所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)總體架構Fig.1 The Architecture of the System Based on Block-chain

各功能模塊作用如下：

2.1 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括電子測繪設備和巖土工程類傳感器兩大類。電子測繪儀器如全站儀等，主要用于對建設工程項目的水平位移以及沉降進行監(jiān)測，獲取水平位移及高程數(shù)據(jù)。

巖土工程類傳感器主要包括水位計（滲壓計）、應力計、測斜儀、錨索計、鋼筋計、土壓力盒、應變計、雨量計等等，用于對建設工程項目的地下水位、應力、深層水平位移、錨索拉力、鋼筋應力、應變、雨量等進行監(jiān)測，獲取巖土工程類數(shù)據(jù)。

對于一些不能進行自動化監(jiān)測的監(jiān)測項目或者監(jiān)測點可以通過人工監(jiān)測。

同時，每一種數(shù)據(jù)采集設備在出廠的時候都有唯一的一個設備序列號，該序列號加上監(jiān)測點位信息和儀器的鑒定信息等，利用哈希算法可以生成全網(wǎng)唯一的標識信息。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

數(shù)據(jù)處理模塊主要對數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)加上特征數(shù)據(jù)，特征數(shù)據(jù)主要包括對項目識別的唯一識別碼項目戳、監(jiān)測數(shù)據(jù)的監(jiān)測日期的時間戳以及對監(jiān)測單位認證的私鑰DSA 簽名的單位戳，從而構造無法被篡改、無法進行匿名的新區(qū)塊。

其中項目戳以及單位戳由監(jiān)管單位按照一定的規(guī)則進行統(tǒng)一管理及發(fā)放。項目戳應該具有識別行政地理位置以及項目類型的特征，便于高效率的進行數(shù)據(jù)的檢索以及查詢。單位戳可以以統(tǒng)一社會信用度代碼作為特征碼。監(jiān)測日期的時間戳由系統(tǒng)根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)布日期自動生成。

2.3 數(shù)據(jù)校驗模塊

將接受到來自數(shù)據(jù)處理模塊的數(shù)據(jù)進行拆包和校驗，檢查數(shù)據(jù)來源的可靠性，驗證數(shù)據(jù)的有效性，只有經過數(shù)據(jù)校驗模塊校驗的數(shù)據(jù)區(qū)塊才能形成區(qū)塊鏈。

2.4 數(shù)據(jù)傳輸模塊

利用哈希算法計算數(shù)據(jù)校驗模塊的數(shù)據(jù)的數(shù)字指紋，對區(qū)塊鏈進行加密，然后打包進入傳輸階段，網(wǎng)內每個參與者都擁有一份數(shù)據(jù)拷貝。

2.5 數(shù)據(jù)分析模塊

收到區(qū)塊鏈后進行分析解密，用從不對外公布的公鑰進行數(shù)字簽名的解密，然后對解密后的區(qū)塊數(shù)據(jù)按識別策略進行標識識別，根據(jù)數(shù)據(jù)結構分析策略對區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)進行結構化構造。

2.6 服務器

服務器包括本地服務器、可信服務器以及對外服務器三種。本地服務器是各數(shù)據(jù)監(jiān)測所在區(qū)域配置的分布式服務器之一，由各建設工程相關單位自行管理與維護；可信服務器用于政府監(jiān)管機構對用于數(shù)字簽名加解密的私鑰以及公鑰進行統(tǒng)一管理與維護；對外服務器主要用于開放數(shù)據(jù)的查詢與檢索或者提供API接口供開發(fā)者進行二次開發(fā)，用于對社會公眾自由查閱建設工程相關信息。

三種類型的服務器協(xié)同工作，既保障數(shù)據(jù)的真實性，又兼顧效率，組成一個去中心化的網(wǎng)絡系統(tǒng)，維持區(qū)塊鏈的正常運轉。

2.7 服務及應用

建設工程相關單位可以將保存在本地服務器上的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析與展示，也可以根據(jù)本單位實際情況以及監(jiān)測報表要求自行開發(fā)軟件，滿足企業(yè)自身的需求；政府監(jiān)管機構擁有對數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈私鑰以及公鑰加密、解密的管理與維護的權限，同時對項目的項目戳擁有制定命名規(guī)則以及統(tǒng)一分配的權限，也可根據(jù)政府監(jiān)管定位，開發(fā)更適合于監(jiān)管需求的系統(tǒng)；而對外服務器主要用于一些需要向大眾公開的信息的檢索與查閱，可提供相關接口供相關商業(yè)企業(yè)進行二次開發(fā)，滿足公眾的知情權。

在“互聯(lián)網(wǎng)+”高速發(fā)展的時代，信息展示的載體也多種多樣，包括手機、電腦、PAD、展示大廳等等，讓數(shù)據(jù)在相關建設單位之間實時共享，徹底破除信息壁壘，真正利用現(xiàn)代化的監(jiān)測技術來保障建設工程的安全與健康。

3 建設工程數(shù)據(jù)監(jiān)測及監(jiān)管

傳統(tǒng)的建設工程監(jiān)管機制，主要是依靠相關被監(jiān)測主體組織的自覺性以及執(zhí)法部門定期檢查，由于執(zhí)法主體和監(jiān)測力量分散，監(jiān)管往往難以到位。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，有些城市也在積極推進基于“互聯(lián)網(wǎng)+”的建設工程監(jiān)管體制，即通過政府出臺相關政策要求各責任主體將建設工程的相關數(shù)據(jù)上傳至服務器，以保存原始數(shù)據(jù)憑證。但是現(xiàn)有的監(jiān)測系統(tǒng)只是對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行儲存分析和信息發(fā)布，還不具備鑒別和防范監(jiān)測數(shù)據(jù)被篡改、被偽造、被入侵或被刪除的技術手段和能力，數(shù)據(jù)的真實性和安全性無法得到保障，而且若是沒有一個權威的第三方機構加以認證，其數(shù)據(jù)的可靠性也會存在一定的質疑。

當發(fā)生建設工程事故的時候，第三方監(jiān)測單位的監(jiān)測數(shù)據(jù)具有很重要的參考價值。真實、客觀的監(jiān)測數(shù)據(jù)信息能夠動態(tài)地反映建設工程的事故發(fā)生過程，是建設工程事故的“攝像機”，完整地記錄了建設工程從開始建設到最終完成期間內土體結構、支護結構以及周邊環(huán)境的整個變化過程，是處理和分析建設工程事故的重要事故原因、追究相關責任主體的重要證據(jù)。

基于區(qū)塊鏈技術的開放性，可實時上傳所有監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)；基于去中心化、去信任的機制，將建設工程的監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分布式存儲，可以有效解決數(shù)據(jù)的信任問題，解決建設工程各相關方的真實、準確性的一致認同問題；基于不可篡改、可追溯的特點可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的隨時追蹤，便于對事故的調查與處理。

4 結論

通過對建設工程監(jiān)測及監(jiān)管的區(qū)塊鏈應用研究，得到以下結論：

⑴創(chuàng)新性地將區(qū)塊鏈技術應用到建設工程的監(jiān)測及監(jiān)管中，利用區(qū)塊鏈技術的去中心化、永久保存、無法篡改、無須信任積累的信用建立范式等特點，解決了建設工程各相關單位數(shù)據(jù)真實性的一致認同問題，為建設工程事故的調查提供了數(shù)據(jù)支撐，對建設領域數(shù)據(jù)的監(jiān)測監(jiān)管研究具有很重要的借鑒意義。

⑵基于區(qū)塊鏈技術的分布式數(shù)據(jù)存儲可以實現(xiàn)建設工程監(jiān)測及監(jiān)管的一體化管理模式，完美解決建設工程數(shù)據(jù)真實性和安全性的問題，當出現(xiàn)質量問題或者有安全事故的時候，監(jiān)管機構可以對監(jiān)測單位各方數(shù)據(jù)進行追溯，從而分析事故造成的原因，追究相關單位和負責人的責任。

⑶該方法還可以廣泛應用于建設工程設備數(shù)據(jù)交互、電子投標、數(shù)據(jù)隱私保護、單位人員資質鑒定、電子證據(jù)的保存鑒定等多個技術領域，具有重要的研究價值和廣泛的應用場景。