基于聯(lián)盟鏈的橋梁管養(yǎng)信息平臺(tái)設(shè)計(jì)研究

田一鳴 謝黎明 徐寒亭 趙翔 杜賽賽

[摘? ? 要] 為解決現(xiàn)有橋梁管養(yǎng)數(shù)字化、信息化水平較低，多方協(xié)同效率低下，管理制度不完善等問題，提出采用區(qū)塊鏈技術(shù)，設(shè)計(jì)基于聯(lián)盟鏈的橋梁管養(yǎng)信息平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)管養(yǎng)全流程數(shù)據(jù)共享、可信，設(shè)計(jì)智能合約，實(shí)現(xiàn)人、財(cái)、物等管養(yǎng)資源鏈上流轉(zhuǎn)。通過數(shù)據(jù)積累，不斷提升管養(yǎng)水平、完善管養(yǎng)制度，創(chuàng)建一種全新的、常態(tài)化的管養(yǎng)模式。

[關(guān)鍵詞] 聯(lián)盟鏈;橋梁;管養(yǎng);信息平臺(tái)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 083

[中圖分類號(hào)] U445.7;TP315? ? [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]? A? ? ? [文章編號(hào)]? 1673 - 0194（2020）15- 0199- 03

1? ? ? 背景與現(xiàn)狀

橋梁是交通設(shè)施互聯(lián)互通的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)和樞紐工程，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)生活安全的重要保障。中國(guó)橋梁數(shù)量在2013年已躍居世界第一，我國(guó)現(xiàn)代化公路橋梁建設(shè)起步較晚，長(zhǎng)期以來重建設(shè)、輕養(yǎng)護(hù)的思想導(dǎo)致公路橋梁的養(yǎng)護(hù)工作不足，養(yǎng)護(hù)工作無法跟上建設(shè)速度，導(dǎo)致橋梁的養(yǎng)護(hù)工作嚴(yán)重滯后。很多公路橋梁投入使用之后，就逐漸開始出現(xiàn)問題[1]。目前，中國(guó)橋梁產(chǎn)業(yè)將步入創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要戰(zhàn)略機(jī)遇期，但“重建設(shè)，輕管養(yǎng)”的模式讓相當(dāng)一部分橋梁“帶病服役”，安全隱患不容小覷。對(duì)橋梁的維護(hù)和修葺是延續(xù)橋梁使用年限的重要保障。中國(guó)路網(wǎng)在役橋梁40%服役超20年，技術(shù)等級(jí)為三、四類的帶“病”橋梁達(dá)30%，約15%的橋梁為危橋，存在嚴(yán)重的安全隱患?，F(xiàn)有橋梁管養(yǎng)問題主要集中在以下幾個(gè)方面：

一是多方協(xié)同效率低。管養(yǎng)工作需多單位、跨部門協(xié)作，各單位工作機(jī)制、團(tuán)隊(duì)水平參差不齊，統(tǒng)籌協(xié)調(diào)難度大，管養(yǎng)實(shí)時(shí)性難以保障。二是數(shù)字化、信息化水平較低。因橋梁種類繁多、管養(yǎng)規(guī)則不統(tǒng)一，常存在管養(yǎng)存檔不全、資料缺失、已有信息系統(tǒng)因缺乏數(shù)據(jù)而成為擺設(shè)或者信息孤島等問題。三是管養(yǎng)制度不完善?，F(xiàn)有管養(yǎng)規(guī)范陳舊，讓眾多新橋帶“病”工作。同時(shí)，制度的執(zhí)行完全依賴人工，無法得到高效、嚴(yán)格執(zhí)行。此外，特殊養(yǎng)護(hù)完全依賴人工，應(yīng)急養(yǎng)護(hù)，超重、超載必須通行養(yǎng)護(hù)等特殊場(chǎng)景，完全依賴現(xiàn)場(chǎng)工程師經(jīng)驗(yàn)，缺乏實(shí)時(shí)、可靠的數(shù)據(jù)供決策者使用，自動(dòng)判別機(jī)制更是尚未起步。

作為橋梁工程全產(chǎn)業(yè)鏈的一環(huán)，橋梁管養(yǎng)可看作全產(chǎn)業(yè)鏈的縮影，它需要施工，也可反溯設(shè)計(jì)，需要多方協(xié)同，同時(shí)又涉及供應(yīng)鏈。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)和在工程監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使橋梁健康狀況信息實(shí)時(shí)采集和自主分析預(yù)警成為可能。將物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)與區(qū)塊鏈等新興技術(shù)和橋梁管養(yǎng)深度融合，打造信息化、智能化的橋梁管養(yǎng)產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新體系，是解決現(xiàn)有低層次重復(fù)、資源分散分隔、成果轉(zhuǎn)化不足和多產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域合作難等問題的一種策略[2]。為此，應(yīng)整合道路橋梁結(jié)構(gòu)、運(yùn)維環(huán)境、運(yùn)行荷載等數(shù)據(jù)資源， 構(gòu)建信息化綜合管理和服務(wù)平臺(tái)，研究設(shè)計(jì)基于聯(lián)盟鏈的橋梁管養(yǎng)信息平臺(tái)，為政府和管理部門提供運(yùn)維管理信息化支撐， 為現(xiàn)有管養(yǎng)工作提供增值服務(wù)。

2? ? ? 平臺(tái)設(shè)計(jì)方案

2.1? ?聯(lián)盟鏈

學(xué)術(shù)界對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)并沒有統(tǒng)一的定義，但一般認(rèn)為，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以鏈條的方式組合形成的特定數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證其不可篡改和不可偽造的去中心化、去信任的分布式共享總賬系統(tǒng)[3]。區(qū)塊鏈的提出是計(jì)算機(jī)科學(xué)的一個(gè)突破，它有望降低個(gè)人和組織建立、維護(hù)信任的成本，讓沒有信任關(guān)系的人們?cè)跓o中心化信任機(jī)構(gòu)的情況下合作[4]。區(qū)塊鏈可以分為3類：公共鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。其中聯(lián)盟鏈可以根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景來決定對(duì)公眾的開放程度，其網(wǎng)絡(luò)由成員機(jī)構(gòu)共同維護(hù)，節(jié)點(diǎn)通過成員機(jī)構(gòu)的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入，因此適用于物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)背景下多成員機(jī)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、授權(quán)、監(jiān)控和審計(jì)[5]。橋梁設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)及運(yùn)輸行業(yè)相關(guān)成員機(jī)構(gòu)可納入聯(lián)盟鏈成員機(jī)構(gòu)。基于此，平臺(tái)設(shè)計(jì)是采用聯(lián)盟鏈實(shí)現(xiàn)橋梁管養(yǎng)全過程數(shù)據(jù)共享。

2.2? ?平臺(tái)總體架構(gòu)

設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈服務(wù)API，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、診斷結(jié)果、養(yǎng)護(hù)定論等信息上鏈，并為第三方信息化應(yīng)用提供可信數(shù)據(jù)。與常規(guī)云平臺(tái)的最大差異在區(qū)塊鏈服務(wù)BaaS層，其完成數(shù)據(jù)上鏈、節(jié)點(diǎn)管理、共識(shí)算法、分布式賬本等服務(wù)工作，并最終打包成服務(wù)API供常規(guī)云平臺(tái)調(diào)用。平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

其中：區(qū)塊鏈平臺(tái)服務(wù)層（BaaS）擬選取開源協(xié)議Hyperledger Fabric（1.4 LTS），并配套實(shí)現(xiàn)資源創(chuàng)建、管控運(yùn)維、安全治理等BaaS基礎(chǔ)服務(wù)。區(qū)塊鏈應(yīng)用中間層主要實(shí)現(xiàn)BaaS與業(yè)務(wù)的對(duì)接，采用區(qū)塊鏈中間件等形式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈上流轉(zhuǎn)。

平臺(tái)整體采用微服務(wù)建構(gòu)，采用HTTP/HTTPS協(xié)議，為第三方信息化平臺(tái)提供準(zhǔn)入接口，同時(shí)提供數(shù)據(jù)輸出服務(wù)，實(shí)現(xiàn)橋梁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、診斷數(shù)據(jù)、養(yǎng)護(hù)記錄的無縫對(duì)接?？紤]數(shù)據(jù)上鏈代價(jià)，除區(qū)塊鏈服務(wù)外，項(xiàng)目擬開發(fā)、完善一系列業(yè)務(wù)系統(tǒng)和手機(jī)應(yīng)用終端。新業(yè)務(wù)系統(tǒng)研制同樣采用微服務(wù)架構(gòu)，手機(jī)端應(yīng)用可基于微信小程序等輕量化、跨平臺(tái)實(shí)現(xiàn)方式。

2.2? ?發(fā)布區(qū)塊鏈服務(wù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈

充分挖掘區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)勢(shì)，梳理管養(yǎng)業(yè)務(wù)流程，綜合分析監(jiān)測(cè)、診斷、養(yǎng)護(hù)數(shù)據(jù)上鏈的維度，在確保全程可信的條件下，降低數(shù)據(jù)上鏈代價(jià)。上鏈過程密切結(jié)合現(xiàn)有業(yè)務(wù)信息化系統(tǒng)，在信賴現(xiàn)有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分階段、分節(jié)點(diǎn)為數(shù)據(jù)打上印戳，防止數(shù)據(jù)篡改、提供溯源鏈路。人工產(chǎn)生的數(shù)據(jù)要做好數(shù)據(jù)證件鏈，結(jié)合文件系統(tǒng)，建立數(shù)據(jù)留存與追責(zé)機(jī)制。第三方系統(tǒng)（如資信系統(tǒng)等），在依賴第三方輸入的前提下，做好鏈上備份。將上述過程以數(shù)據(jù)傳輸方式進(jìn)行抽象表述，以監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上鏈共享為例，整個(gè)過程如圖2所示。

其中，數(shù)據(jù)處理模塊與數(shù)據(jù)校驗(yàn)?zāi)K完成節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)授信，服務(wù)應(yīng)用模塊完成鏈上數(shù)據(jù)的共享與價(jià)值輸送。

2.3? ?分布式賬本盤活現(xiàn)有信息系統(tǒng)

分布式賬本作為區(qū)塊鏈的核心之一保存在全節(jié)點(diǎn)或存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)之上，多副本模式大幅提高數(shù)據(jù)存儲(chǔ)安全。更為重要的是，智能合約的使用敦促多方共同參與維護(hù)賬本，同時(shí)盤活現(xiàn)有信息系統(tǒng)，讓生硬的代碼邏輯更加貼合管養(yǎng)業(yè)務(wù)，讓信息化系統(tǒng)不再成為擺設(shè)。

3? ? ? 橋梁管養(yǎng)的智能合約

智能合約作為“仲裁人”，在合約觸發(fā)前，負(fù)責(zé)監(jiān)管相關(guān)方資產(chǎn)，一旦觸發(fā)，將嚴(yán)格按照事先商定的規(guī)則自動(dòng)執(zhí)行，該過程無法人為干預(yù)。設(shè)計(jì)合約的前提是充分梳理業(yè)主、診斷單位、設(shè)計(jì)單位、養(yǎng)護(hù)單位、監(jiān)理單位等各方在一次管養(yǎng)過程中的角色和任務(wù)，約簡(jiǎn)數(shù)據(jù)流、確認(rèn)多方授信規(guī)則、預(yù)判價(jià)值流轉(zhuǎn)方式，合約的執(zhí)行流程如圖3所示。

充分利用項(xiàng)目承擔(dān)單位在橋梁管養(yǎng)領(lǐng)域的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)和工程經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合現(xiàn)有管養(yǎng)制度，制定符合項(xiàng)目實(shí)際的規(guī)則;梳理管養(yǎng)全流程各節(jié)點(diǎn)任務(wù)，確立任務(wù)的起始條件與終止條件以及參與各方資源等信息;設(shè)立合約的計(jì)算規(guī)則、執(zhí)行代價(jià)等合約技術(shù)參數(shù)，完成合約編碼。

基于上述流程，提前鎖定合約執(zhí)行所必備的人、財(cái)、物等資源，讓印在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范上的文字變成可執(zhí)行的合約機(jī)制。

典型的場(chǎng)景是，通過智能合約提高工程分包質(zhì)量，即各分包商、實(shí)施商上鏈，采用智能合約制定管養(yǎng)過程中的財(cái)、物分配流程，同時(shí)記錄合約執(zhí)行結(jié)果，為下一次管養(yǎng)提供資信參考，不斷提升管養(yǎng)團(tuán)隊(duì)服務(wù)水平，也為后期運(yùn)營(yíng)管養(yǎng)提供可信的數(shù)據(jù)支持。

4? ? ? 小? ? 結(jié)

通過對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)與橋梁工程管養(yǎng)模式的融合，研究設(shè)計(jì)基于聯(lián)盟鏈的橋梁管養(yǎng)信息資源共享平臺(tái)，該平臺(tái)應(yīng)能夠?qū)ΡO(jiān)測(cè)、診斷、養(yǎng)護(hù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化存儲(chǔ)，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，針對(duì)問題數(shù)據(jù)建立統(tǒng)一的錯(cuò)誤感知模型等，從而解決橋梁工程健康監(jiān)測(cè)、診斷和養(yǎng)護(hù)過程中的數(shù)據(jù)安全、數(shù)據(jù)可信、可追溯的問題，形成橋梁管養(yǎng)信息資源共享機(jī)制，提升橋梁管養(yǎng)水平。

主要參考文獻(xiàn)

[1]李永輝.談公路橋梁養(yǎng)護(hù)與維修加固施工關(guān)鍵技術(shù)[J].工程建設(shè)與設(shè)計(jì)，2018（7）：241-242.

[2]武智霞，韓鵬，鄭樹泉，等.橋梁健康監(jiān)測(cè)及養(yǎng)護(hù)平臺(tái)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2018（5）：109-114.

[3]劉敖迪，杜學(xué)繪，王娜，等.區(qū)塊鏈技術(shù)及其在信息安全領(lǐng)域的研究進(jìn)展[J].軟件學(xué)報(bào)，2018，29（6）：2092-2115.

[4]袁勇，王飛躍.區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望[J].自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2016，42（4）：481-494.

[5]喬蕊，曹琰，王清賢. 基于聯(lián)盟鏈的物聯(lián)網(wǎng)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)溯源機(jī)制[J].軟件學(xué)報(bào)，2019，30（6）：1614-1631.