區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的應(yīng)用研究

李輝，曾云峰，羅敏

(1.成都農(nóng)業(yè)科技職業(yè)學(xué)院機(jī)電信息學(xué)院，成都，611130；2.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川崇州，611200)

前言

隨著第三次信息技術(shù)浪潮的到來，以“感知、互聯(lián)和智能”等為基本特征的大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈等技術(shù)及其應(yīng)用，極大地改變了各個行業(yè)的效率和效能。水利信息化、現(xiàn)代化、智能化發(fā)展迎來了良好契機(jī)，發(fā)展智慧水利，正成為水利現(xiàn)代化的強(qiáng)力抓手和必然選擇。

2019年國家發(fā)改委及水利部印發(fā)的《國家節(jié)水行動方案》指出，要瞄準(zhǔn)世界先進(jìn)技術(shù)，加大節(jié)水產(chǎn)品和技術(shù)研發(fā)，加強(qiáng)大數(shù)據(jù)、人工智能、區(qū)塊鏈等新一代信息技術(shù)與節(jié)水技術(shù)、管理及產(chǎn)品的深度融合，重點(diǎn)支持用水精準(zhǔn)計量、水資源高效循環(huán)利用、精準(zhǔn)節(jié)水灌溉控制等先進(jìn)技術(shù)及適用設(shè)備研發(fā)[1]。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的優(yōu)越性

1.1 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€共享數(shù)據(jù)庫，存儲于其中的數(shù)據(jù)和信息具有“不可偽造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公開透明”、“集體維護(hù)”等特征。區(qū)塊鏈技術(shù)通過共識機(jī)制和智慧合約將技術(shù)與智慧相融合，奠定了堅實(shí)的“信任”基礎(chǔ)，創(chuàng)造了可靠的“合作”機(jī)制，具有廣闊的運(yùn)用前景。2019年1月10日，國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室發(fā)布《區(qū)塊鏈信息服務(wù)管理規(guī)定》[2]。習(xí)近平總書記在中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)，要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新重要突破口，構(gòu)建區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)生態(tài)，加快推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，積極探索“區(qū)塊鏈+”在各個領(lǐng)域的運(yùn)用[3]?！皡^(qū)塊鏈”已走進(jìn)大眾視野，成為社會的關(guān)注焦點(diǎn)。

1.2 水利數(shù)據(jù)的特點(diǎn)

(1)監(jiān)測數(shù)據(jù)多樣，數(shù)據(jù)量大。水利系統(tǒng)涉及建設(shè)監(jiān)管部門多，施工監(jiān)測數(shù)據(jù)量大、日常運(yùn)行維護(hù)數(shù)據(jù)眾多、更新頻率高、數(shù)據(jù)積累速度快，因此，對于水利系統(tǒng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與維護(hù)是一個重要難題。

(2)更新頻率快，時效性高。水利數(shù)據(jù)以物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，具備了物聯(lián)網(wǎng)傳感器設(shè)備數(shù)據(jù)產(chǎn)生頻率快、時效性高的特點(diǎn)。因此，在進(jìn)行水利數(shù)據(jù)的采集、應(yīng)用和管理時，傳輸速度和數(shù)據(jù)處理能力便成了智慧水利系統(tǒng)關(guān)鍵的技術(shù)因素[3]。

(3)跨部門使用，使用頻次高。智慧水利是智慧城市重要的組成部分，水利數(shù)據(jù)往往在水利、政府等多部門交叉使用，具有高頻次的使用率。

1.3 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的優(yōu)越性

(1)區(qū)塊鏈系統(tǒng)是以數(shù)學(xué)算法為基礎(chǔ)的去中心化系統(tǒng)，極大程度上降低了水利行業(yè)的建設(shè)和管理成本，提高了智慧水利建設(shè)中的分布式處理效能。公開透明的信息在公有鏈上節(jié)點(diǎn)可以對區(qū)塊鏈內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問，保證了海量水利數(shù)據(jù)的可靠性及可追溯性。

(2)區(qū)塊鏈信息具有不可篡改性，當(dāng)信息加入至區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)時，會永久儲存至數(shù)據(jù)庫中。同時，由于區(qū)塊鏈具有集體維護(hù)功能，任何一個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)修改不會影響其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)內(nèi)容，因此，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)穩(wěn)定性、可靠性較高。水利行業(yè)存在配水管網(wǎng)覆蓋區(qū)域龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)測大時滯性等問題，而區(qū)塊鏈結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，能將海量的水利信息進(jìn)行及時分析和處理，以更加智能和精細(xì)的方式，打造水聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

(3)自治性區(qū)塊鏈在應(yīng)用層利用契約和協(xié)議，依靠特定的數(shù)學(xué)算法構(gòu)建的機(jī)器信任，為系統(tǒng)構(gòu)建特定規(guī)則，所有節(jié)點(diǎn)必須遵守系統(tǒng)規(guī)則，人們無法對節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換行為進(jìn)行干預(yù)。智能合約的出現(xiàn)使得基于區(qū)塊鏈的兩個人不只是可以進(jìn)行簡單的價值轉(zhuǎn)移，而可以設(shè)定復(fù)雜的規(guī)則，由智能合約自動、自治地執(zhí)行，這極大地擴(kuò)展了區(qū)塊鏈的應(yīng)用可能性，也提高了水利系統(tǒng)的開放性與共享性，有助于推動水利行業(yè)的信息化、智慧化建設(shè)與管理。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水利建設(shè)中的應(yīng)用

2.1 基于區(qū)塊鏈的水資源管理系統(tǒng)

我國是一個水資源匱乏的國家，人均水資源僅為世界人均量的1/4。水資源缺乏、利用率低，水?dāng)?shù)據(jù)的可信度低、數(shù)字化程度低、數(shù)據(jù)量少、數(shù)據(jù)精度低，水資源數(shù)據(jù)耦合性和匹配度差、數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象嚴(yán)重[4]。水資源環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)作為監(jiān)控雨情、水情、墑情變化過程和地下水位、水質(zhì)動態(tài)等信息的重要平臺，是水資源合理開發(fā)利用、城市發(fā)展建設(shè)、保障社會民生安全、防汛救災(zāi)的重要保障，也是國家現(xiàn)代化治理體系中的重要環(huán)節(jié)[5]。

2.1.1 促進(jìn)水資源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范化

長期以來，我國的水資源數(shù)據(jù)缺乏統(tǒng)一規(guī)范的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，主要表現(xiàn)在數(shù)據(jù)分類分級問題、數(shù)據(jù)版本和質(zhì)量控制問題，數(shù)據(jù)整合問題等。水資源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是實(shí)現(xiàn)水資源開放共享的重要前提?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的水資源環(huán)境監(jiān)管，采用標(biāo)準(zhǔn)化、統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)描述標(biāo)識體系描述水資源及其環(huán)境的特征，記錄設(shè)施運(yùn)行和監(jiān)控全流程中的數(shù)據(jù)，形成統(tǒng)一規(guī)范的水資源數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化體系結(jié)構(gòu)，為全面水資源信息共享，提高水利行業(yè)的整體管理水平和現(xiàn)代化、信息化進(jìn)程具有積極的促進(jìn)作用。

2.1.2 提高水資源數(shù)據(jù)使用效率

通過區(qū)塊鏈技術(shù)形成的水資源數(shù)據(jù)體系通過泛在化互聯(lián)技術(shù)將分散的水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式存儲與管理，讓所有的水資源成為“可描述、可計算、可分類、可共享”的數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，最終形成全局性的水聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，有效保障了水資源數(shù)據(jù)的計算可信度和數(shù)字化，切實(shí)提高了水資源數(shù)據(jù)的使用效率。同時，數(shù)據(jù)的不可篡改性也有效保障了數(shù)據(jù)的安全性與共享性，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可信計算、互聯(lián)互通、高效管理。

2.1.3 實(shí)現(xiàn)水資源數(shù)據(jù)開放共享

水文水資源信息共享體系主要由政策法規(guī)與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系、數(shù)據(jù)資源整合與共享數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)平臺建設(shè)以及共享數(shù)據(jù)運(yùn)行服務(wù)和效果評估體系構(gòu)成。通過對水資源數(shù)據(jù)進(jìn)行深加工和處理，如通過關(guān)聯(lián)分析、序列模式分析、分類分析、聚類分析等先進(jìn)的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息的再加工和處理，生成能夠滿足不同主題、科學(xué)研究需要的各類綜合性數(shù)據(jù)，打通水資源共享壁壘，全面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的兼容共享、互聯(lián)互通。

2.2 基于區(qū)塊鏈的水資源均衡配置與調(diào)度系統(tǒng)

水資源宏觀配置和微觀調(diào)度是實(shí)現(xiàn)水資源合理調(diào)配的兩個關(guān)鍵?，F(xiàn)有的調(diào)度方法是基于水利工程安全的前提下，依據(jù)水利工程的運(yùn)行規(guī)則及性能對已知的水資源進(jìn)行供水策略的制定，其中最大的約束點(diǎn)在于水利工程的運(yùn)行性能以及所能支配的水資源量，對于二者采用的技術(shù)缺乏耦合性研究。

2.2.1 水資源配置區(qū)塊鏈

水資源合理配置是根據(jù)多年的歷史來水和用水資料，建立合理配置模型進(jìn)行系列操作求解。把該配置模型應(yīng)用于某個具體調(diào)度時段(如月、日等)進(jìn)行調(diào)度時，未必能獲得最佳效益，甚至出現(xiàn)較大的偏差。

水資源配置區(qū)塊鏈模型構(gòu)建過程中，考慮規(guī)劃層面的相關(guān)控制條件與原則，包括水量平衡條件、水資源總量控制條件、節(jié)水優(yōu)先原則等，得出各水源利用方案以及社會經(jīng)濟(jì)需水方案。具體內(nèi)容包括生態(tài)節(jié)點(diǎn)處月均徑流量值；不同水利工程合理供水范圍；不同水源實(shí)際供水量；水資源宏觀配置方案以月為計算時段。以供需平衡分析為基礎(chǔ)繪制概化系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)圖，網(wǎng)絡(luò)圖包括節(jié)點(diǎn)如計算分區(qū)、水庫、引提水樞紐、輸水交匯點(diǎn)、湖泊及濕地、水傳輸系統(tǒng)。

2.2.2 水資源均衡調(diào)度區(qū)塊鏈

水資源調(diào)度方案除了受到當(dāng)前條件下各行業(yè)用水需求形勢、經(jīng)濟(jì)政策、水資源稟賦等多種因素影響外，同時也受到水利有關(guān)部門水量宏觀配置方案的嚴(yán)格約束，因此，需要在事前約束與實(shí)時影響之間取得水資源調(diào)度方案的均衡。因此，如何實(shí)現(xiàn)水資源宏觀配置與水資源微觀調(diào)度的緊密耦合是水資源調(diào)配研究領(lǐng)域中的重要課題。

基于區(qū)塊鏈的多目標(biāo)均衡調(diào)度模型的參數(shù)包括渠系、河道、排水渠道的蒸發(fā)和滲漏比例、當(dāng)?shù)匚纯貜搅骺衫盟勘壤?、計算分區(qū)灌溉渠系蒸發(fā)、滲漏及入河比例。生活用水、生態(tài)用水、工業(yè)用水需水量的數(shù)據(jù)可通過配置方案中的月數(shù)據(jù)平均求得；農(nóng)業(yè)用水參考當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)灌溉制度表，根據(jù)農(nóng)作物種類、種植結(jié)構(gòu)及灌溉定額劃分成旬?dāng)?shù)據(jù)。綜合進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)的耦合，在社會效益目標(biāo)中，以水資源宏觀配置方案生成的各分區(qū)各用水戶實(shí)際供水量耦合代替多目標(biāo)均衡調(diào)度模型中的各用水戶需水量；在生態(tài)效益目標(biāo)中，以宏觀配置方案所得的旬均徑流量值耦合代替自然狀態(tài)下旬均徑流量值。

2.3 基于區(qū)塊鏈的數(shù)字水權(quán)與交易服務(wù)管理

我國是一個缺水國家，也是一個用水大國。如何更好地使用和管理水資源是一項(xiàng)十分重要的社會問題。數(shù)字水權(quán)的核心就是把資源水變成商品水，結(jié)合區(qū)塊鏈，用安全、透明和分布式記賬技術(shù)來記錄各方之間的交易，保證數(shù)據(jù)不丟失，把每一方水管理起來，通過確權(quán)實(shí)現(xiàn)從資源到資產(chǎn)的轉(zhuǎn)變，提高全民的節(jié)水意識，增強(qiáng)節(jié)水主動性和獲得感，最終提高整個社會的水資源利用效率。用智能合約在無須人為干預(yù)下自動完成交易驗(yàn)證流程，用權(quán)限管理可控地管理用水戶。同時，家庭、行業(yè)消費(fèi)者、水務(wù)管理人員和政策制定者都能獲得關(guān)于水質(zhì)和水量的數(shù)據(jù)，這樣的透明度會幫助消費(fèi)者做出何時儲存、何時用水的方案，也可以幫助防止地方當(dāng)局篡改或扣留水質(zhì)數(shù)據(jù)的貪腐行為。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，給予用戶足夠的共享超額資源的權(quán)利。例如，同一水域中的農(nóng)民可以根據(jù)最新的天氣信息、作物價格、市場趨勢和長期氣候變化趨勢(農(nóng)民可以通過移動設(shè)備獲取這些信息)來決定是否交易他們的配額。

2.4 水利工程建管運(yùn)維一體化區(qū)塊鏈平臺

隨著信息技術(shù)和現(xiàn)代通信技術(shù)的發(fā)展，水利工程建設(shè)和運(yùn)管信息化程度逐步提高。大型的水利工程是關(guān)系國計民生的重大項(xiàng)目，因其施工復(fù)雜，海量的紙質(zhì)數(shù)據(jù)和檔案管理滯后，集中化的電子管理數(shù)據(jù)原始性和安全性難以保證。區(qū)塊鏈以其分布式存儲、不可篡改和加密安全性的特點(diǎn)為水利工程信息化、智慧化提供了全新的解決方案。作為分布式的共享數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈記錄了水利工程施工、管理、運(yùn)維各個時間節(jié)點(diǎn)的全部處理信息，各個區(qū)塊按照時間先后順序形成了清晰有序的鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)[6]。區(qū)塊鏈記錄對于所有的節(jié)點(diǎn)都是開放、透明的，當(dāng)其中某個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)遭到篡改時，其他節(jié)點(diǎn)記錄的數(shù)據(jù)可以對數(shù)據(jù)原始性進(jìn)行有效校驗(yàn)，可以防止任何區(qū)塊中的數(shù)據(jù)被篡改。這為水利工程施工、管理和運(yùn)維提供了一體化的安全、可信的系統(tǒng)環(huán)境。

2.4.1 水利工程招投標(biāo)信息區(qū)塊鏈

水利工程是關(guān)系國計民生的重要工程，現(xiàn)有的工程招投標(biāo)信息由投標(biāo)方自行提供，存在真假難辨的隱患，在評標(biāo)過程中也容易造成大量時間和精力的耗費(fèi)?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的水利工程數(shù)字身份證，經(jīng)由行政主管部門、水利行業(yè)企業(yè)各級審批后其信息上傳加密存儲在區(qū)塊鏈中，數(shù)據(jù)信息存在無法篡改真實(shí)可靠的特性。在招投標(biāo)過程中通過數(shù)字解密可快速讀取區(qū)塊鏈中的相關(guān)信息，極大程度上減少了招投標(biāo)工作量，降低了成本，提高了效率，也保障了信息的安全。

2.4.2 水利工程建設(shè)運(yùn)維區(qū)塊鏈

水利工程建設(shè)與運(yùn)維是一種中心化的工程建設(shè)模式，設(shè)計、材料、施工等各個環(huán)節(jié)工藝復(fù)雜，工作繁瑣，管理難度大。各建設(shè)單位與部門多線溝通影響了互聯(lián)互通的效率，也制約了工程建設(shè)的進(jìn)度和效率?；趨^(qū)塊鏈的工程建設(shè)與運(yùn)維，將建設(shè)單位與人員信息、材料設(shè)備信息、造價經(jīng)費(fèi)使用信息、工程驗(yàn)收信息、工程運(yùn)維等所有信息以清晰明快的節(jié)點(diǎn)形式進(jìn)行智能合約部署，互聯(lián)互通節(jié)約了溝通成本，也提升了項(xiàng)目智慧化建設(shè)與運(yùn)維水平?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性和安全性特點(diǎn)，也確保了水利工程建設(shè)的安全執(zhí)行。

2.4.3 水利工程數(shù)字檔案管理區(qū)塊鏈

水利工程建設(shè)單位來自各行各業(yè)，工程檔案存在不夠規(guī)范統(tǒng)一、真?zhèn)涡源嬉?、易被篡改等問題?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的水利工程數(shù)字檔案管理系統(tǒng)，通過數(shù)字簽名、時間戳等關(guān)鍵技術(shù)，可有效防止信息偽造、篡改。同時，形成完備的數(shù)字檔案系統(tǒng)，為工程檔案的管理與維護(hù)提供了極大的便利。

3 結(jié)語

區(qū)塊鏈作為新一代信息技術(shù)，正在以全新的方式促進(jìn)水資源規(guī)范化標(biāo)準(zhǔn)化管理，促進(jìn)水利高效集約建設(shè)，加速水資源數(shù)據(jù)全面共享，推進(jìn)水利行業(yè)智能化轉(zhuǎn)型。這就要求廣大水利工作者繼續(xù)加大對區(qū)塊鏈技術(shù)在水利行業(yè)的前沿研究與創(chuàng)新應(yīng)用，全面推動智慧水利建設(shè)與發(fā)展。