區(qū)塊鏈在德州水資源監(jiān)控能力建設(shè)中應(yīng)用

邊曉南，夏文君，張洪亮

（德州市水利局，山東 德州253014）

區(qū)塊鏈是用分布式數(shù)據(jù)庫識別、傳播和記載信息的智能化對等網(wǎng)絡(luò)，也稱為價值互聯(lián)網(wǎng)。包含分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等技術(shù)的新型應(yīng)用模式。區(qū)塊鏈技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)底層的分布式數(shù)據(jù)庫技術(shù)，特點包括去中心化、點對點傳輸、透明、可追蹤、不可篡改、數(shù)據(jù)安全及信用的自我建立等。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，對提高德州市水資源管理效率，推動水資源信息化和取用水計量精準化，有著積極的作用。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的核心

1）區(qū)塊+鏈。區(qū)塊鏈將數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)進行創(chuàng)新性分解，數(shù)據(jù)分塊，每一個區(qū)塊上記錄上一個區(qū)塊形成之后的、該區(qū)塊被創(chuàng)建之前發(fā)生的所有交換活動和數(shù)據(jù)。每個區(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)，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)庫的嚴謹性。

2）分布式結(jié)構(gòu)。在中心化的體系中，數(shù)據(jù)集中記錄并存儲于服務(wù)器上。區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計采取完全不同的思路，讓每一個參與節(jié)點都記錄并存儲所有的數(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)建了一個分布式結(jié)構(gòu)。價值交換信息通過分布式傳播發(fā)送給整個網(wǎng)絡(luò)，通過分布式記賬確定信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，蓋上時間戳后生成區(qū)塊數(shù)據(jù)，再傳輸至各個節(jié)點，實現(xiàn)分布式存儲。

3）非對稱加密和授權(quán)技術(shù)。在傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲方式中，每個訪問用戶的秘鑰不一樣，服務(wù)器需要保存大量秘鑰，如果系統(tǒng)有上萬用戶和終端，則需要存儲對應(yīng)上萬的秘鑰，維護成本較大。在區(qū)塊鏈技術(shù)中，系統(tǒng)只需要保存自己的私鑰，用戶可以隨意下載系統(tǒng)公鑰，從而減輕了系統(tǒng)壓力。同時，存儲在區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)信息是公開的，但是賬戶身份信息是高度加密的，只有在數(shù)據(jù)擁有者授權(quán)的情況下才能訪問到，從而保證了數(shù)據(jù)的安全和個人的隱私。

4）可編程的智能合約。區(qū)塊鏈技術(shù)不僅可以支持可編程合約，而且具有去中心化、不可篡改、過程透明、可追蹤等優(yōu)點，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，實時部署到數(shù)據(jù)端進行分析計算的能力，以及抽取必要數(shù)據(jù)到中心節(jié)點進行融合分析的能力，為區(qū)塊鏈的發(fā)展開辟了廣闊的空間。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢

區(qū)塊鏈去中心化的分布式結(jié)構(gòu)無需中介參與、不可篡改的時間戳特征保證數(shù)據(jù)傳輸高效透明且高度安全。在中心化體系中，數(shù)據(jù)集中記錄并存儲于服務(wù)器上。而區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)設(shè)計采取了完全不同的思路，讓每個參與節(jié)點都記錄并存儲所有的數(shù)據(jù)，區(qū)塊鏈根據(jù)系統(tǒng)確定的協(xié)議構(gòu)建成一個分布式結(jié)構(gòu)，交換信息通過分布式傳播發(fā)送給整個網(wǎng)絡(luò)，通過分布式記賬確定信息數(shù)據(jù)內(nèi)容，生成區(qū)塊數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分布式存儲。區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用，可以推動建立安全可靠的數(shù)字經(jīng)濟，可廣泛應(yīng)用于互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、醫(yī)療、環(huán)保、水利、公共水務(wù)等各個領(lǐng)域。

2 水資源監(jiān)控能力建設(shè)現(xiàn)狀

德州市高度重視水資源監(jiān)控能力建設(shè)，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標準和規(guī)程，完善水量監(jiān)測計量管理辦法，建立健全水資源監(jiān)測計量工作機制。2014 年，德州市水利局投資178 萬元，建設(shè)完成了市級水資源監(jiān)控系統(tǒng)平臺，并實現(xiàn)了市縣水資源監(jiān)控平臺聯(lián)網(wǎng)。為全面加強水資源監(jiān)控能力建設(shè)，2017年，德州市水利局再次投資292.5 萬元，新裝市級遠程水量自動監(jiān)控設(shè)備223 套。

同時，隨著國家水資源遠程監(jiān)控能力建設(shè)的全面推進，德州市部分取用水戶納入國家水資源監(jiān)控系統(tǒng)平臺。截至目前，全市累計共安裝遠程水量自動監(jiān)控設(shè)備511 套，其中國家級監(jiān)控設(shè)備72 套，市級監(jiān)控設(shè)備256 套，縣級監(jiān)控設(shè)備183套，實現(xiàn)了全市年取水3 萬m3以上取用水戶遠程監(jiān)控全覆蓋。以各級水資源信息管理系統(tǒng)為依托，德州市各級水資源管理部門加強取用水戶的取水行為監(jiān)督管理，強化取用水戶信息管理和取水計量設(shè)施巡查工作，確保水資源稅征收工作持續(xù)穩(wěn)定開展。

3 存在的問題

3.1 現(xiàn)有水資源監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)存在的不足

目前的水資源監(jiān)控系統(tǒng)多采用中心化體系，即在機房架設(shè)服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫，由遠程計量設(shè)備通過移動數(shù)據(jù)發(fā)送至服務(wù)器接收，數(shù)據(jù)集中記錄并存儲于數(shù)據(jù)庫中。而傳統(tǒng)中心化體系面對日益增多的遠程終端的接入，是無法解決網(wǎng)絡(luò)傳輸瓶頸、網(wǎng)絡(luò)攻擊、服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫故障、數(shù)據(jù)丟失等固有缺陷，隨著水資源管理工作的深入推進，對取用水精準計量和優(yōu)化則提出了更高的要求。

3.2 水資源監(jiān)控覆蓋面不均衡

一是對用水量較小的取用水戶（如洗車、餐飲）不適合安裝現(xiàn)有遠程計量設(shè)備，用水成本和安裝成本矛盾突出。二是對偏遠地區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)地區(qū)的取用水戶安裝遠程計量設(shè)備條件不充分，電力、移動信號不能夠滿足施工條件。

3.3 遠程計量設(shè)備維護壓力日益增大

遠程計量設(shè)備屬于電子產(chǎn)品，與傳統(tǒng)機械水表相比，元器件容易老化，正常使用壽命一般在5年左右。取用水戶取水點的環(huán)境、水質(zhì)、設(shè)備間溫度濕度等因素，對遠程計量設(shè)備的損傷有重要影響。運營單位維修和運維的周期長，故障問題得不到及時解決。

4 對提升水資源監(jiān)控能力建設(shè)的作用

4.1 對數(shù)據(jù)及時性的提升

現(xiàn)有水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)核心在于信息的中心化處理，高度依賴遠程計量設(shè)施、中心機房和系統(tǒng)終端的網(wǎng)絡(luò)通暢程度。當因中間任一環(huán)節(jié)的網(wǎng)絡(luò)故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸延遲和丟失，水資源管理人員往往無法及時得到準確信息，耽誤水量計量和核定。區(qū)塊鏈技術(shù)則可以通過使用智能合約的遠程計量設(shè)備間進行安全通信、確保信息可以及時傳遞到水資源管理人員的終端系統(tǒng)內(nèi)。

4.2 對遠程監(jiān)控覆蓋面的提升

在即將全面鋪開的5G 時代和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，遠程計量設(shè)備也將更加智能化，水量信息通過水量傳感設(shè)備就能接入互聯(lián)網(wǎng)，通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)設(shè)備和設(shè)備之間的智能通信，更快地更新水量實時數(shù)據(jù)和取水異常信息，有效降低了水資源監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸壓力，降低了水資源監(jiān)控能力建設(shè)成本，提高小微用水戶遠程和偏遠地區(qū)用水戶的遠程計量設(shè)備安裝率，有效擴大遠程監(jiān)控的覆蓋面。

4.3 降低系統(tǒng)和設(shè)備的維護壓力

目前各級水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)由不同的軟件公司開發(fā)，遠程計量設(shè)備也分批采購不同廠家產(chǎn)品，因設(shè)備通用性問題，在后續(xù)開發(fā)和運維方面增加大量成本，而區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用，將改變目前的狀況。物聯(lián)網(wǎng)使遠程計量設(shè)備直接接入互聯(lián)網(wǎng)，區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)遠程計量設(shè)備、系統(tǒng)終端之間實現(xiàn)了互聯(lián)互通，分布式存儲，從而提高了遠程計量設(shè)備的兼容性，降低了設(shè)備維護難度，甚至能和傳統(tǒng)機械水表一樣的取用水戶自修自換，根據(jù)各級水資源監(jiān)控系統(tǒng)定義的智能協(xié)議自動接入系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲，從而大大提高了水資源遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行效率。