淺談區(qū)塊鏈在飛機(jī)維修數(shù)據(jù)儲(chǔ)存及共享中的應(yīng)用

葉定一

習(xí)近平總書記在中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應(yīng)用在新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革中起著重要作用。區(qū)塊鏈作為新一代信息技術(shù)代表在我國(guó)迅速生根、發(fā)芽，經(jīng)過這些年的發(fā)展，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)與多個(gè)行業(yè)的深度融合。區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用也已延伸到數(shù)字金融、物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、供應(yīng)鏈管理、數(shù)字資產(chǎn)交易等多個(gè)領(lǐng)域。

民航業(yè)作為國(guó)家戰(zhàn)略性、先導(dǎo)性產(chǎn)業(yè)，需要加快區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)融合，才能發(fā)揮區(qū)塊鏈在促進(jìn)數(shù)據(jù)共享、優(yōu)化業(yè)務(wù)流程、降低運(yùn)營(yíng)成本、提升協(xié)同效率、建設(shè)可信體系等方面的作用。以飛機(jī)維修數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和應(yīng)用為例，現(xiàn)在飛機(jī)維修數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存和應(yīng)用還處于比較原始的階段，大量的維修數(shù)據(jù)是以紙質(zhì)形式保存，紙質(zhì)的維修記錄通過授權(quán)人員簽名、蓋章等方式才能保證維修記錄的有效性。然而紙質(zhì)的維修記錄有著很多缺點(diǎn)：第一，儲(chǔ)存不便，通常需要專門的庫(kù)房存放；第二，無法備份，容易損壞或丟失；第三，維修記錄檢索和查閱十分不便；第四，資源消耗大，需要海量的紙質(zhì)工作單卡，不利于環(huán)保。與此同時(shí)現(xiàn)有的數(shù)字維修記錄又有信息共享范圍不廣，數(shù)據(jù)交換實(shí)時(shí)性不高，數(shù)據(jù)生命周期管理困難、數(shù)據(jù)正確性和安全性管理困難，數(shù)據(jù)信息泄露等諸多問題。而區(qū)塊鏈提供了鏈上數(shù)據(jù)不可篡改，共享可查的鏈上記錄能力，提供了多方信任和數(shù)據(jù)共享機(jī)制。區(qū)塊鏈技術(shù)利用共享記錄賬本可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)生命周期的追溯管理，還可以對(duì)數(shù)據(jù)共享授權(quán)實(shí)現(xiàn)精細(xì)化的管理。

因此，本文設(shè)計(jì)了一種基于區(qū)塊鏈的飛機(jī)維修數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享系統(tǒng)，旨在利用區(qū)塊鏈技術(shù)的可溯源、不可篡改、去中心化、高度安全等屬性解決當(dāng)前飛機(jī)維修數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享存在的問題。該系統(tǒng)將維修數(shù)據(jù)發(fā)布到區(qū)塊鏈上可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)層面的防篡改，同時(shí)將數(shù)字工卡進(jìn)行數(shù)字簽名保障了數(shù)據(jù)的有效性，通過時(shí)間戳保障了數(shù)據(jù)可信度，并利用智能合約實(shí)現(xiàn)了飛機(jī)維修數(shù)據(jù)的平臺(tái)化、智能化。

1區(qū)塊鏈技術(shù)簡(jiǎn)介

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一個(gè)去中心化的分布式賬本數(shù)據(jù)庫(kù)。其本身是一串使用密碼學(xué)相關(guān)聯(lián)所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)塊，每一個(gè)數(shù)據(jù)塊中包含了多次網(wǎng)絡(luò)交易有效確認(rèn)的信息。區(qū)塊是區(qū)塊鏈的基本單元，它由區(qū)塊頭和區(qū)塊體組成，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。

對(duì)區(qū)塊進(jìn)行隨機(jī)散列后加上時(shí)間戳，然后將隨機(jī)散列通過P2P網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行廣播就能證實(shí)特定數(shù)據(jù)必然于某特定時(shí)間是的確存在的。每個(gè)時(shí)間戳應(yīng)當(dāng)將前一個(gè)時(shí)間戳納入其隨機(jī)散列值中，每一個(gè)隨后的時(shí)間戳都對(duì)之前的一個(gè)時(shí)間戳進(jìn)行增強(qiáng)，這樣就形成了一個(gè)鏈條，如圖2所示。

基于區(qū)塊鏈的分布式、不可篡改、可追溯、透明性、多方交易、交叉驗(yàn)證等特性，數(shù)據(jù)權(quán)屬可以被有效界定，數(shù)據(jù)流通能夠被追蹤監(jiān)管、數(shù)據(jù)受益能夠被合理分享。區(qū)塊鏈可以不依托權(quán)威中心和市場(chǎng)環(huán)境形成基于密碼算法的信任機(jī)制，拓展了人類的信任半徑，從而讓互聯(lián)網(wǎng)中陌生人的合作成為可能。

2基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構(gòu)體系

在本文架構(gòu)體系中，數(shù)據(jù)的寫入是由工作者完成的，工作者在對(duì)電子工卡進(jìn)行數(shù)字簽名后，電子工卡就等待被打包寫入?yún)^(qū)塊完成上鏈。航空公司負(fù)責(zé)認(rèn)證的功能，通過頒發(fā)數(shù)字證書完成對(duì)具體人員的授權(quán)，確認(rèn)數(shù)據(jù)錄入和數(shù)據(jù)讀取的權(quán)力歸屬，通過“投票”確認(rèn)數(shù)據(jù)是否可以上鏈。數(shù)據(jù)需求方是指局方或飛機(jī)租賃公司需要查看維修數(shù)據(jù)的第三方，在得到認(rèn)證后可以查看鏈上的數(shù)據(jù)?；趨^(qū)塊鏈的維修數(shù)據(jù)架構(gòu)體系如圖3所示。

飛機(jī)維修數(shù)據(jù)對(duì)航空公司來說相當(dāng)重要，不能隨意對(duì)外公開，因此本文沒有采取比特幣、以太坊使用的公有鏈，而是使用了Hyperledger Fabric區(qū)塊鏈技術(shù)，在Hyperledger Fabric中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)必須經(jīng)過認(rèn)證后才能加入網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)Hyperledger Fabric采用了PDBF共識(shí)機(jī)制替代比特幣和以太坊采用的POW的共識(shí)機(jī)制，避免了POW共識(shí)算法的高電力消耗，同時(shí)提高了交易處理速度。

區(qū)塊鏈?zhǔn)怯梢粋€(gè)個(gè)區(qū)塊構(gòu)成的鏈條，區(qū)塊是基本的組成單位，一個(gè)區(qū)塊是由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構(gòu)成的，下面將對(duì)本文的區(qū)塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行闡述。

區(qū)塊頭的主要關(guān)鍵字段如下：

前塊哈希值（previous_hash）：對(duì)前一個(gè)區(qū)塊進(jìn)行哈希運(yùn)算獲得的哈希值，通過將前塊哈希值放到區(qū)塊頭使得兩個(gè)區(qū)塊得以鏈接從而形成區(qū)塊鏈。

工作指令樹（work order tree）：本區(qū)塊的所需要打包的工作指令形成的默克爾樹（Merkle Tree），通過工作指令樹，可以保證區(qū)塊體中的工作指令內(nèi)容不會(huì)被篡改。

飛機(jī)樹（aircraft tree）：主節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中所有飛機(jī)現(xiàn)有狀態(tài)取哈希值形成的默克爾樹，通過飛機(jī)指令樹，能夠查看指定時(shí)間飛機(jī)的狀態(tài)，例如適航指令在指定時(shí)間是否執(zhí)行。

零部件樹（parts tree）：主節(jié)點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)中所有零部件現(xiàn)有狀態(tài)取哈希值形成的默克爾樹，相當(dāng)于一個(gè)器材的不可更改的電子履歷證明。

區(qū)塊號(hào)（block number）：每個(gè)區(qū)塊都有一個(gè)區(qū)塊號(hào)，表明了當(dāng)前區(qū)塊在區(qū)塊鏈中的位置，第一個(gè)區(qū)塊為創(chuàng)世區(qū)塊，區(qū)塊號(hào)為0000000001。

頻道（channel）：頻道主要是用來完成授權(quán)功能，使得該系統(tǒng)可以從單一航司使用的系統(tǒng)，升級(jí)為一個(gè)多航司共享數(shù)據(jù)的平臺(tái)。

時(shí)間戳（time stamp）：當(dāng)前區(qū)塊生成的時(shí)間，可以用于判定區(qū)塊體中的工作指令上傳是否合規(guī)。

布隆過濾器（logsbloom）：通過布隆過濾器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)區(qū)塊中內(nèi)容的查找。

區(qū)塊體是由工作指令的具體內(nèi)容所組成的，工作指令中必須有飛機(jī)注冊(cè)號(hào)（reg number）、 上件件號(hào)序號(hào)（uppnsn）、下件件號(hào)序號(hào)（downpnsn）時(shí)間戳等幾個(gè)關(guān)鍵字段。通過工作指令中的這幾個(gè)序號(hào)，才能夠使得全節(jié)點(diǎn)可以對(duì)飛機(jī)樹、零部件樹進(jìn)行數(shù)據(jù)維護(hù)，并通過布隆過濾器查找所需要的信息。時(shí)間戳可以保障工作指令上鏈時(shí)的時(shí)間合法性。數(shù)字簽名能保證工作內(nèi)容的合法性。

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單示意圖如圖4所示。

生產(chǎn)部門將工作指令下發(fā)給工作者后，工作者可以在移動(dòng)終端上查找工作指令獲取今天需要完成的電子工卡，在執(zhí)行工作的工作內(nèi)容時(shí)，需要按照工卡的要求每完成一項(xiàng)，進(jìn)行一次數(shù)字簽名。在簽名的同時(shí)對(duì)該項(xiàng)工作內(nèi)容加蓋時(shí)間戳。整份工卡完成后，工作者需要對(duì)整份工卡進(jìn)行數(shù)字簽名。之后便進(jìn)入了數(shù)據(jù)上鏈階段。系統(tǒng)中的全結(jié)點(diǎn)，會(huì)審查上傳數(shù)據(jù)的時(shí)間戳是否合法、數(shù)字簽名是否有系統(tǒng)授權(quán)。審查通過后，全節(jié)點(diǎn)便會(huì)將該數(shù)據(jù)打包到區(qū)塊中，數(shù)據(jù)完成上鏈。

3智能合約

智能合約是一種無需中介、自我驗(yàn)證、自動(dòng)執(zhí)行合約條款的計(jì)算機(jī)交易協(xié)議。區(qū)塊鏈中的智能合約可以理解為儲(chǔ)存在區(qū)塊鏈上的代碼。這種智能合約繼承了區(qū)塊鏈的去中心化、去信任、不可篡改的特性，同時(shí)又具有可編程、可靈活嵌入各種數(shù)據(jù)和資產(chǎn)的功能，能夠幫助實(shí)現(xiàn)安全高效的信息交換、價(jià)值轉(zhuǎn)移和資產(chǎn)管理。

3.1智能合約的運(yùn)行機(jī)制

智能合約的運(yùn)行機(jī)制如圖5所示，智能合約一般具有值和狀態(tài)兩個(gè)屬性，代碼中用If-Then和What-If語(yǔ)句預(yù)置了合約條款的相應(yīng)觸發(fā)場(chǎng)景和響應(yīng)規(guī)則，智能合約經(jīng)多方共同協(xié)定、各自簽署后隨用戶發(fā)起的交易提交，經(jīng)P2P網(wǎng)絡(luò)傳播、礦工驗(yàn)證后儲(chǔ)存在區(qū)塊鏈特定區(qū)塊中，用戶得到返回合約地址及合約接口等信息后即可通過發(fā)起交易調(diào)用合約。礦工受系統(tǒng)預(yù)設(shè)的機(jī)制激勵(lì)，將貢獻(xiàn)自身算力驗(yàn)證交易，礦工收到合約創(chuàng)建或者執(zhí)行合約代碼，合約代碼依據(jù)可信外部數(shù)據(jù)源（也稱為預(yù)言機(jī)）和世界狀態(tài)的檢查信息自動(dòng)判斷當(dāng)前所處場(chǎng)景是否滿足合約觸發(fā)條件以嚴(yán)格執(zhí)行響應(yīng)規(guī)則并更新世界交易狀態(tài)，交易驗(yàn)證有效后被打包進(jìn)新的數(shù)據(jù)區(qū)塊，新區(qū)塊經(jīng)共識(shí)算法認(rèn)證后鏈接到區(qū)塊鏈主鏈，所有更新生效。

3.2智能合約的應(yīng)用

通過智能合約的應(yīng)用，飛機(jī)維修數(shù)據(jù)系統(tǒng)可以從原始的、單純的數(shù)據(jù)儲(chǔ)存系統(tǒng)擴(kuò)展為一個(gè)數(shù)據(jù)平臺(tái)，飛機(jī)維修的數(shù)據(jù)可以在平臺(tái)中自由的交流，飛機(jī)維修業(yè)務(wù)將實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。如下為幾個(gè)簡(jiǎn)單的構(gòu)想：

3.2.1航材索賠的自動(dòng)化賠付

在現(xiàn)有的航材索賠模式中，航材的索賠需要經(jīng)過“航材拆下-航材送修-OEM廠家接收-OEM廠家給出索賠結(jié)論-確認(rèn)索賠結(jié)論-給予賠付”的流程，需要航線、航材、工程、財(cái)務(wù)、OEM廠家的多方合作，賠付周期很長(zhǎng)。通過將索賠條款寫入智能合約中，在上傳維修記錄的同時(shí)，便可以通過預(yù)言機(jī)判斷器材索賠是否成立。索賠成立則自動(dòng)執(zhí)行合約中賠付程序，大大地縮短了索賠周期。

3.2.2二手航材的交易

在本文的區(qū)塊鏈中有零部件樹，通過零部件樹可以查詢到每一個(gè)器材的每一條工作記錄，比對(duì)區(qū)塊鏈上的零部件樹HASH值可以保證維修記錄真實(shí)性、有效性，完美地解決了二手航材中的航材來源的信任問題。航空公司可以將準(zhǔn)備出售的器材的通過智能合約放到一個(gè)公共地址中，需求方可以通過布隆過濾器在這個(gè)地址中查找符合自己需求的器材，找到符合需求的器材后，可以通過查詢區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)查看維修記錄，確認(rèn)購(gòu)買后可以通過智能合約完成購(gòu)買。

3.2.3維修數(shù)據(jù)的共享

各個(gè)航空公司都有自己的維修系統(tǒng)，有大量的維修數(shù)據(jù)，但航空公司之間的維修數(shù)據(jù)共享卻很少，究其原因就在于各航司的維修數(shù)據(jù)格式不統(tǒng)一，沒有一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)共享平臺(tái)。與此同時(shí)，飛機(jī)維修又在朝著預(yù)測(cè)維修、智能維修的方向發(fā)展，需要大量的維修數(shù)據(jù)作為支撐。通過智能合約即能實(shí)現(xiàn)單一件號(hào)的維修數(shù)據(jù)共享，也能實(shí)現(xiàn)多個(gè)航司的維修數(shù)據(jù)全面共享。航空公司甚至可以將自己的維修數(shù)據(jù)作為一種數(shù)字資產(chǎn)，出售給那些需要積累數(shù)據(jù)的企業(yè)。

3.2.4飛機(jī)退租/出售中的應(yīng)用

在飛機(jī)退租/出售時(shí)，往往涉及大量的維修記錄的核查。在本文的區(qū)塊鏈上有飛機(jī)狀態(tài)樹，通過智能合約查詢飛機(jī)狀態(tài)樹，可以快速將飛機(jī)的維修指令、修理記錄、串件記錄、時(shí)控件記錄等進(jìn)行一次全面梳理并分門別類進(jìn)行打包。租賃公司或售機(jī)公司可以快速地查詢所需要的維修記錄。租賃公司和售機(jī)公司通過對(duì)比區(qū)塊鏈上的哈希值，可以確保航空公司提供的維修數(shù)據(jù)的真實(shí)性和有效性。

3.2.5局方的審查

現(xiàn)在局方對(duì)飛機(jī)維修的審查，主要是以適航年檢和“法定自查”為主。通過智能合約可以使審查工作簡(jiǎn)單化、精細(xì)化。以適航指令的執(zhí)行為例，局方可以構(gòu)建一個(gè)智能合約，航空公司將執(zhí)行適航指令后的維修記錄發(fā)送到局方提供的智能合約地址。智能合約在收到條記錄后，將自動(dòng)進(jìn)行判斷將執(zhí)行過的適航指令的飛機(jī)進(jìn)行標(biāo)記。局方通過該智能合約可以實(shí)時(shí)看到該適航指令的執(zhí)行情況。

4結(jié)論

區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)解決了去中心化信任的問題，從代碼角度保證了鏈上數(shù)據(jù)的不可篡改，區(qū)塊鏈技術(shù)完美匹配了當(dāng)前行業(yè)對(duì)飛機(jī)維修數(shù)據(jù)安全性、準(zhǔn)確性的需求。同時(shí)智能合約的去中心化、去信任、自治自足給飛機(jī)維修提供了一個(gè)巨大的平臺(tái)，使得維修記錄不再是一堆放著庫(kù)房中的老古董文件，而變身成為預(yù)言機(jī)、驗(yàn)證器、交易資源。區(qū)塊鏈技術(shù)在金融行業(yè)已經(jīng)有了大量的應(yīng)用，但在民航特別是飛機(jī)維修工作中尚缺乏相關(guān)的研究。本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于區(qū)塊鏈的飛機(jī)維修數(shù)據(jù)安全儲(chǔ)存及共享系統(tǒng)，詳細(xì)描述了該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)原理，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以及智能合約的應(yīng)用，期望能對(duì)未來區(qū)塊鏈在民航業(yè)特別是飛機(jī)維修中的應(yīng)用提供有益的啟發(fā)與參考。

參考文獻(xiàn)

[1]張超， 李強(qiáng)， 陳子豪，等. Medical Chain：聯(lián)盟式醫(yī)療區(qū)塊鏈系統(tǒng)[J]. 自動(dòng)化學(xué)報(bào)， 2019， 45（8）：1495-1510.

[2]劉敬， 唐昊慶， 王郁，等. 電子工卡在民航維修系統(tǒng)的應(yīng)用與展望[J].民航管理， 2018，328（2）：85-89.

[3]谷寧?kù)o. 基于區(qū)塊鏈的電子政務(wù)數(shù)據(jù)共享設(shè)計(jì)研究[J]. 信息安全與通信保密， 2020（4）：91-97.

[4] Ouyang L W ， Wang S ， Yong Y ， et al. 智能合約：架構(gòu)及進(jìn)展[J]. Zidonghua Xuebao/Acta Automatica Sinica， 2019， 45（3）：445-457.

[5]孫賽. 區(qū)塊鏈電子病歷系統(tǒng)中共識(shí)機(jī)制的研究與實(shí)現(xiàn)[D]. 西安電子科技大學(xué).

[6]史文斌. 基于Hyperledger Fabric的區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)云服務(wù)化[D]. 浙江大學(xué)， 2018.

[7] 張慕楠 ，李耀輝 ，胡靜.飛機(jī)退租決策的影響因素分析[J]. 航空維修與工程， 2017（7）.