基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)系統(tǒng)管理淺析

于亞南，湯開杰，劉鑫鑫，聶學(xué)華

中國人民解放軍95894部隊(duì)

本文首先簡(jiǎn)述區(qū)塊鏈的研究現(xiàn)狀，以及在金融、政府治理、醫(yī)療等領(lǐng)域的應(yīng)用。以這些領(lǐng)域的應(yīng)用為背景，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)系統(tǒng)管理應(yīng)用。重點(diǎn)從模型架構(gòu)的組成、運(yùn)行機(jī)制的流程和問題的解決方法三方面對(duì)無人機(jī)系統(tǒng)管理應(yīng)用進(jìn)行分析闡釋。最后，對(duì)下一階段無人機(jī)系統(tǒng)管理的拓展運(yùn)用進(jìn)行發(fā)展展望。

近年來，世界很多國家、地區(qū)和組織高度關(guān)注區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用前景，區(qū)塊鏈相關(guān)應(yīng)用的研究呈現(xiàn)百家爭(zhēng)鳴的盛景。區(qū)塊鏈不再局限于數(shù)字貨幣基礎(chǔ)架構(gòu)，而是向數(shù)字化平臺(tái)相關(guān)應(yīng)用轉(zhuǎn)變。這種轉(zhuǎn)變必將在很多領(lǐng)域帶來顛覆式的深遠(yuǎn)影響。各國大力發(fā)展區(qū)塊鏈技術(shù)就是為探索這種技術(shù)運(yùn)用的更多可能性。2019年1月10日，國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室發(fā)布了《區(qū)塊鏈信息服務(wù)管理規(guī)定》。

基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)概述

區(qū)塊鏈研究現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈技術(shù)最早是2008年由化名為中本聰?shù)膶W(xué)者在發(fā)表的論文《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中提出。狹義來講，區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)的方式保證了不可篡改和不可偽造的分布式賬本。廣義來講，區(qū)塊鏈技術(shù)是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全、利用由自動(dòng)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(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式。區(qū)塊鏈從本質(zhì)上講是一個(gè)去中心化的數(shù)據(jù)庫。在眾多領(lǐng)域擁有具體應(yīng)用前景如圖1所示。在金融行業(yè)，區(qū)塊鏈憑借安全、靈活、低成本等優(yōu)勢(shì)，在數(shù)字貨幣領(lǐng)域飛速發(fā)展，如無中介的支付匯款、無中心的電子商務(wù)交易系統(tǒng)等。在政府治理方面，區(qū)塊鏈有助于構(gòu)建扁平化的組織架構(gòu)，增強(qiáng)工作的透明度，降低政府?dāng)?shù)據(jù)風(fēng)險(xiǎn)，提升政府公信力。在醫(yī)療領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)具有理論層面的適應(yīng)性，能夠提高醫(yī)療服務(wù)水平，簡(jiǎn)化冗余流程，減小錯(cuò)誤率，如電子病歷存證保管和藥品溯源等。在供應(yīng)鏈領(lǐng)域，各方在供應(yīng)鏈上構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的信息平臺(tái)，確保信息透明可靠，有助于滿足不同主體之間的相互信任、監(jiān)管溯源、數(shù)據(jù)安全等方面的需求。美國早已經(jīng)看到區(qū)塊鏈在安全領(lǐng)域的應(yīng)用潛力，早在2017年12月，美國總統(tǒng)特朗普正式簽署了7000億美元的2018年度國防預(yù)算法案，其中就有授權(quán)基于區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡(luò)安全應(yīng)用的研究。

圖1 區(qū)塊鏈應(yīng)用圖。

基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)管理概述

基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)系統(tǒng)管理，是指運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)將生產(chǎn)單位、運(yùn)輸單位、使用單位、借用單位等要素有機(jī)結(jié)合，將所有要素互聯(lián)互通，以觸發(fā)的方式自動(dòng)執(zhí)行契約，并通過分布式節(jié)點(diǎn)間的相互監(jiān)督和數(shù)據(jù)統(tǒng)一，進(jìn)而以去中心化、智能協(xié)同、集約高效的方式完成系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)更新?；趨^(qū)塊鏈的無人機(jī)系統(tǒng)管理不只是簡(jiǎn)單地運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，其核心在于生產(chǎn)單位可使用數(shù)字化技術(shù)，將生產(chǎn)出的每架無人機(jī)的信息全部記錄在區(qū)塊鏈中，并且在出廠后的所有事件中，都能在每架無人機(jī)專屬的區(qū)塊鏈中形成生產(chǎn)、運(yùn)輸、使用等軌跡。

基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)系統(tǒng)管理的核心思想在于，使用無人機(jī)產(chǎn)品的單位，在接收無人機(jī)時(shí)，只需在區(qū)塊鏈上查詢相關(guān)信息，就可以追溯無人機(jī)的整個(gè)生產(chǎn)過程、運(yùn)輸過程、流轉(zhuǎn)過程、維修情況、質(zhì)量狀況等，從而在使用之初就能對(duì)無人機(jī)有特別詳細(xì)的了解。傳統(tǒng)的無人機(jī)產(chǎn)品難以被追蹤整個(gè)生產(chǎn)、流轉(zhuǎn)、維修等過程。然而，若運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，將記錄無人機(jī)全壽命周期的所有關(guān)鍵信息，一旦形成記錄，不可隨意更改，因此能有效解決系統(tǒng)安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、過程監(jiān)督等信息化問題。

區(qū)塊鏈在無人機(jī)系統(tǒng)管理中的運(yùn)用

當(dāng)前無人機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用越來越廣泛，無人機(jī)生產(chǎn)廠商數(shù)量不斷增加，各種不同用途的無人機(jī)系統(tǒng)越來越多地執(zhí)行測(cè)繪、應(yīng)急救援、電力線路巡檢、環(huán)境治理、消防滅火、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)，消費(fèi)級(jí)無人機(jī)與工業(yè)級(jí)無人機(jī)的使用也存在諸多問題，無人機(jī)的運(yùn)營(yíng)監(jiān)管亟待解決。無人機(jī)系統(tǒng)的注冊(cè)登記、運(yùn)營(yíng)管理、維修保障過程難免會(huì)存在人為差錯(cuò)，為避免這種差錯(cuò)，需要在無人機(jī)狀態(tài)監(jiān)控、壽命控制、核查統(tǒng)計(jì)過程中投入相當(dāng)大的人力物力，在無人機(jī)流轉(zhuǎn)過程中如果對(duì)無人機(jī)狀態(tài)掌握不清楚，無人機(jī)的任務(wù)規(guī)劃和飛行使用也會(huì)存在漏洞，可靠性降低，實(shí)時(shí)掌握無人機(jī)產(chǎn)品狀態(tài)也是當(dāng)前急需解決的問題。基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)系統(tǒng)管理構(gòu)想能為解決以上兩方面的問題提供思路辦法。

模型架構(gòu)

區(qū)塊鏈的源頭為第一區(qū)塊，在第一區(qū)塊誕生之后，系統(tǒng)中的各節(jié)點(diǎn)通過不斷的計(jì)算尋找特定哈希函數(shù)對(duì)應(yīng)的數(shù)值解，當(dāng)任意一個(gè)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出符合要求的數(shù)值解后，就會(huì)在全網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行廣播，所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)都收到這條信息就會(huì)對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)證，若通過驗(yàn)證，說明這一事件為有效事件，其他節(jié)點(diǎn)就會(huì)放棄計(jì)算，新創(chuàng)建的區(qū)塊就會(huì)被加蓋時(shí)間戳，并將新區(qū)塊加到前一個(gè)區(qū)塊的后面。隨著越來越多節(jié)點(diǎn)加入到這一系統(tǒng)中，一個(gè)又一個(gè)哈希函數(shù)的數(shù)值解被找到，在不斷的重復(fù)過程中，新的區(qū)塊鏈不斷被生成、驗(yàn)證，最終形成一個(gè)鏈狀結(jié)構(gòu)。因此區(qū)塊鏈基本的架構(gòu)包括：區(qū)塊頭、哈希值、時(shí)間戳、區(qū)塊主體等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 模型結(jié)構(gòu)。

運(yùn)行機(jī)制

基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)系統(tǒng)管理具有去中心化的特點(diǎn)，每個(gè)與使用、生產(chǎn)、流轉(zhuǎn)等有關(guān)的節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)類似賬本的記錄終端，所有節(jié)點(diǎn)都會(huì)自動(dòng)記錄產(chǎn)品每次發(fā)生出廠、流轉(zhuǎn)、交接、修理、報(bào)廢等事件。這樣，如果某個(gè)節(jié)點(diǎn)想私自篡改事件的記錄是不可能的，因?yàn)槭录l(fā)生時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)均有記錄。整個(gè)體系的所有節(jié)點(diǎn)都將成為事件的公證人，沒有任何一個(gè)單位可以篡改事件，這就是分布式賬本，只要有51%以上賬本認(rèn)同的事件，就是系統(tǒng)權(quán)威。但是也引出了三個(gè)問題，首先如何保證所有節(jié)點(diǎn)都迅速知道一個(gè)事件的發(fā)生？第二個(gè)問題是，這樣一個(gè)事件讓所有節(jié)點(diǎn)都記錄，如何保護(hù)敏感隱私信息？第三個(gè)問題是，如何讓所有節(jié)點(diǎn)快速達(dá)成共識(shí)？

第一個(gè)問題在5G技術(shù)出現(xiàn)后已經(jīng)得到解決，5G技術(shù)具有數(shù)據(jù)傳輸速率高、低時(shí)延、低成本、低功耗等特點(diǎn)，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)10Gb/s，其通信帶寬足以滿足系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)微量級(jí)響應(yīng)的要求。

對(duì)于敏感隱私問題，如果在實(shí)際應(yīng)用中確實(shí)沒有必要公之于眾的具體事件，只需要通過一種特殊的加密方式進(jìn)行處理，例如將某型無人機(jī)產(chǎn)品出廠的事件轉(zhuǎn)換成一個(gè)二進(jìn)制的字符串，比如1001110……(共256位)。一旦某型無人機(jī)產(chǎn)品出廠事件發(fā)生，所有單位的賬本都會(huì)記錄1001110……(共256位)。到了需要檢驗(yàn)的時(shí)候，節(jié)點(diǎn)間只需要相互比對(duì)這個(gè)字符串是否一致，就能知道事件是否確實(shí)發(fā)生，這樣既保證了隱私，又保證了所有節(jié)點(diǎn)都是公證單位，這種加密方式就是哈希函數(shù)的基本原理，它的特殊之處在于，可以把任何信息都轉(zhuǎn)化為一個(gè)256位的二進(jìn)制字符串，無人機(jī)的出廠、維修或轉(zhuǎn)手至其他用戶，都可以通過哈希函數(shù)變成世界上獨(dú)一無二的256位二進(jìn)制字符串，并且只能將信息通過哈希函數(shù)解算出字符串，但是不能通過字符串倒推出這條信息，唯一的破解方法就是暴力解算，也就是靠猜測(cè)，不斷用不同的信息去猜測(cè)，試成功的可能性幾乎為零，這樣就保證了信息的隱私。

圖2 運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)，能有效解決無人機(jī)系統(tǒng)的安全、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、過程監(jiān)督等信息化問題。

圖4 基于區(qū)塊鏈的無人機(jī)系統(tǒng)管理具有去中心化的特點(diǎn)。

現(xiàn)在討論如何解決最后一個(gè)問題。隨著越來越多的設(shè)備出廠、流轉(zhuǎn)等事件發(fā)生，節(jié)點(diǎn)之間的事件也越來越多，如何才能快速核對(duì)如此多的事件？這時(shí)候可以采用如下辦法，例如將某型無人機(jī)出廠的第一個(gè)事件轉(zhuǎn)換成一個(gè)二進(jìn)制的字符串，比如轉(zhuǎn)換成1001110……(共256位)，當(dāng)這臺(tái)無人機(jī)又要從昆明運(yùn)輸?shù)綇V州的第二個(gè)事件發(fā)生時(shí)，將第二個(gè)事件的數(shù)據(jù)加密，這時(shí)把第一次紀(jì)錄的字符串也納入進(jìn)來，變成了將“1001110……(共256位)，某型無人機(jī)產(chǎn)品又要從昆明運(yùn)輸?shù)綇V州”這個(gè)信息進(jìn)行加密，得出一串?dāng)?shù)字，比如“1001111……(共256位)”，這樣只需要核對(duì)“1001111……(共256位)”就可以判斷這兩次事件是否確實(shí)發(fā)生過。第三次事件發(fā)生時(shí)，再將“1001111……(共256位)”納入進(jìn)去，以此類推，即使事件過程發(fā)生了一百萬次事件變更，也只需要核對(duì)最后一串字符，前面所有事件均能核對(duì)上。用這種辦法可以將一個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件變成一串字符，以現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將數(shù)萬個(gè)節(jié)點(diǎn)的事件變成一串字符，非常容易實(shí)現(xiàn)。而這一次次的事件就是區(qū)塊，通過加密方式把這些區(qū)塊串在一起，就是區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈就是為實(shí)現(xiàn)分布式賬本所采用的輔助手段，它的發(fā)明最開始為虛擬的數(shù)字貨幣提供了一種可行的密碼保障，但是后來越來越多的人發(fā)現(xiàn)它的價(jià)值不僅局限于此，還擁有非常廣闊的應(yīng)用空間，借助大數(shù)據(jù)、人工智能、超級(jí)算力等新技術(shù)，在數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)、應(yīng)用等多個(gè)方面為智能化系統(tǒng)管理提供底層技術(shù)支撐，對(duì)網(wǎng)絡(luò)化、信息化裝備及設(shè)施設(shè)備研發(fā)，互聯(lián)網(wǎng)+及云計(jì)算推廣等工程建設(shè)也具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

圖5 區(qū)塊鏈加密方式采用哈希函數(shù)的基本原理，保證了信息的隱私。

問題和解決方法

區(qū)塊鏈作為一項(xiàng)新興的技術(shù)，近年來處于技術(shù)發(fā)展的初期階段，同其他新技術(shù)一樣，存在不少短板弱項(xiàng)，現(xiàn)對(duì)三個(gè)典型問題進(jìn)行分析。

（1） 自由交互面臨有效監(jiān)管的挑戰(zhàn)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)搭建的系統(tǒng)，每個(gè)分布式節(jié)點(diǎn)都對(duì)等，節(jié)點(diǎn)之間可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)完成事務(wù)的處理，從而面臨自由交互和有效監(jiān)管的矛盾，具體應(yīng)用要滿足現(xiàn)行制度和法律法規(guī)，操作還有一定難度。任何一個(gè)新技術(shù)的運(yùn)用都會(huì)對(duì)現(xiàn)行監(jiān)管制度產(chǎn)生挑戰(zhàn)，這就要求在應(yīng)用的設(shè)計(jì)之初就應(yīng)主動(dòng)考慮法律監(jiān)管的因素，讓監(jiān)管部門成為節(jié)點(diǎn)的普通一員，參與驗(yàn)證，可能會(huì)成為一種解決策略，同時(shí)可以限制節(jié)點(diǎn)權(quán)限，例如信息單向訪問、交互閾值的限定等，讓節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中有法可依。

圖6 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)系統(tǒng)管理未來能獲得良好的應(yīng)用效果。

（2） 縮短每個(gè)節(jié)點(diǎn)共識(shí)形成的時(shí)間

區(qū)塊鏈技術(shù)非常完美地解決了系統(tǒng)內(nèi)每個(gè)節(jié)點(diǎn)的共識(shí)形成，但是這一共識(shí)的完成是通過競(jìng)爭(zhēng)-驗(yàn)證-同步-競(jìng)爭(zhēng)的循環(huán)，競(jìng)爭(zhēng)就是在競(jìng)爭(zhēng)記錄權(quán)，驗(yàn)證就是校驗(yàn)信息是否可信，同步就是將本地?cái)?shù)據(jù)更新，這一過程使得流程會(huì)經(jīng)歷比較長(zhǎng)的時(shí)間。通過改變哈希函數(shù)的解算難度可以調(diào)整用戶算出解的時(shí)間。雖然哈希函數(shù)降低難度可以縮短求解時(shí)間，但是過于簡(jiǎn)單會(huì)導(dǎo)致安全性降低，這就需要運(yùn)用5G技術(shù)的強(qiáng)大傳輸能力和超級(jí)計(jì)算機(jī)的強(qiáng)大運(yùn)算能力，通過這些技術(shù)的運(yùn)用，可以使以復(fù)雜哈希函數(shù)為基礎(chǔ)的系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)響應(yīng)速度達(dá)到微量級(jí)別，處理容量達(dá)到每秒萬級(jí)。

（3） 降低惡意節(jié)點(diǎn)引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)

在比較敏感系統(tǒng)的應(yīng)用中，有可能出現(xiàn)不計(jì)成本且數(shù)量占優(yōu)勢(shì)的惡意節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)會(huì)干擾或破壞敏感系統(tǒng)區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)的正常運(yùn)行。為保證系統(tǒng)的安全性和可靠性，必須降低惡意節(jié)點(diǎn)引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，這就對(duì)系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)入鏈初期的審核以及實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)中定期的系統(tǒng)體檢提出了較高要求，尤其在初期搭建敏感系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)高度重視所有節(jié)點(diǎn)的審驗(yàn)。

發(fā)展與展望

從理論上看，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)系統(tǒng)管理在未來既可以滿足保密要求、防止惡意篡改，又能夠極大節(jié)約管理成本，保證數(shù)據(jù)的可靠性、可信性和安全性，雖然存在的各種風(fēng)險(xiǎn)需要研究解決策略，但隨著各項(xiàng)針對(duì)性研究的深入，以及包括大數(shù)據(jù)采集、大數(shù)據(jù)預(yù)處理、大數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、大數(shù)據(jù)分析等大數(shù)據(jù)，包括全面感知、可靠傳輸、智能處理等物聯(lián)網(wǎng)，包括認(rèn)知計(jì)算、深度學(xué)習(xí)、機(jī)器學(xué)習(xí)等人工智能，預(yù)計(jì)傳輸能力是5G100倍的6G，運(yùn)算速度在每秒一太次以上的超級(jí)計(jì)算機(jī)等技術(shù)的發(fā)展，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的無人機(jī)系統(tǒng)管理的前景日趨寬廣，必能獲得良好應(yīng)用效果。