基于區(qū)塊鏈的輸變電工程見證取樣及檢測管理系統(tǒng)研究

吳斯陽 劉曉東 陳志安 蔣成 呂剛

（1.湖南電力工程咨詢有限公司 湖南省長沙市 410001 2.廣州粵建三和軟件股份有限公司 廣東省廣州市 510640）

1 引言

電網(wǎng)輸變電工程見證取樣工作作為工程質(zhì)量保障的重要環(huán)節(jié)，具有法定和強制執(zhí)行的地位，但在工程管理工作中，由于來自業(yè)主、監(jiān)理、施工單位及檢測部門等多方面的原因，導(dǎo)致見證取樣及送檢工作難以確切落實，造成工程質(zhì)量缺陷或留下工程安全隱患[1,2]。

輸變電工程具有點多、面廣、線長的特點，特別是輸電線路工程，在野外、偏遠和高山大嶺地點施工是常態(tài)。材料運輸困難，商業(yè)砼等難以送至高山陡坡的施工地點。取樣和見證人員翻山越嶺體力消耗大，存在見證取樣、養(yǎng)護送樣過程中工作不到位、履職不盡責(zé)的現(xiàn)象。

見證取樣和送檢工作是保證建設(shè)工程質(zhì)量檢測公證性、科學(xué)性、權(quán)威性的首要環(huán)節(jié)，對工程質(zhì)量意義重大，并且為監(jiān)理單位驗收、評估工程質(zhì)量提供了直接依據(jù)[3]。由此可見，生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)混凝土，監(jiān)理單位見證、施工單位取樣，進行第三方試驗室送檢，這幾個環(huán)節(jié)中，如何做到不存在弄虛作假現(xiàn)象，并形成閉環(huán)溯源混凝土全過程，讓建設(shè)管理單位和質(zhì)量監(jiān)管部門能準(zhǔn)確了解輸變電工程混凝土從生產(chǎn)到使用、監(jiān)測的全過程狀態(tài)，并依據(jù)監(jiān)管數(shù)據(jù)進行綜合統(tǒng)計分析，準(zhǔn)確判斷混凝土生產(chǎn)質(zhì)量，判斷問題工程，及時查處各方責(zé)任主體的造假或不作為行為，確保建筑工程的質(zhì)量具有重要意義[4,5,]。

本項目針對以上問題，通過建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的輸變電工程見證取樣平臺[6,7,8]，建立檢測機構(gòu)內(nèi)部的試驗管理系統(tǒng)與通過唯一性標(biāo)識可實現(xiàn)樣品從送檢、檢測試驗、檢測試驗報告各環(huán)節(jié)全過程監(jiān)控，檢測機構(gòu)出具的試驗報告附加含見證取樣唯一性標(biāo)識信息的防偽二維碼[9]，工程質(zhì)量監(jiān)管人員可通過智能終端掃描防偽二維碼進行逆向溯源，根據(jù)輸變電工程檢測試驗技術(shù)管理規(guī)范要求的制取試件、登記臺賬、送檢、檢測試驗、檢測試驗報告管理等的幾個環(huán)節(jié)，實現(xiàn)工程質(zhì)量的閉環(huán)監(jiān)管[10]。

同時利用區(qū)塊鏈技術(shù)的趨于成熟，可以保障數(shù)據(jù)的可追蹤，公開透明，內(nèi)容不被篡改，不會丟失，很好的解決現(xiàn)有的諸多問題[11]。

2 樣品檢測流程分析

2.1 見證取樣

本項目通過對工程施工過程原材料的質(zhì)量檢測全過程監(jiān)管，同時結(jié)合芯片技術(shù)對工地現(xiàn)場混凝土取樣進行身份標(biāo)識，杜絕施工單位采用虛假混凝土試塊，確保檢測單位出具的檢測報告，真實地反映工程實體的質(zhì)量情況。見證取樣流程如圖1所示。

圖1：見證取樣流程

工作流程：

（1）施工單位通過手機客戶端，掃描真實有效的混凝土運輸單上的二維碼完成收貨。

（2）施工單位取樣人員通過手機客戶端登記混凝土樣品信息，生成見證記錄。

（3）施工單位取樣人員在取樣時，人臉識別通過后，再掃描收貨完成的混凝土運輸單上的二維碼，獲取混凝土生產(chǎn)信息，然后在混凝土試塊中植入RFID 芯片，并將試塊的生產(chǎn)信息通過手機NFC 或者芯片植入客戶端寫入芯片，將芯片作為混凝土試塊的身份標(biāo)識。對混凝土試塊和取樣人員進行拍照并定位，完成取樣操作。

（4）見證人員進行現(xiàn)場見證，人臉識別通過后，對已取樣并植入芯片的樣品和見證人進行拍照并定位，針對輸電線路工程特點，特別還設(shè)計了將桿塔施工地理位置與見證取樣位置的比對功能，位置基本匹配后，方能完成見證操作。

（5）最后將樣品送往檢測單位。

2.2 試驗室檢測管理

工作流程：

（1）檢測機構(gòu)在收樣時，檢查混凝土試塊外觀后，通過驗樣客戶端，配合RFID 芯片讀卡器，讀取芯片中的信息并進行校驗，校驗通過后，通過驗樣端自動將芯片中的樣品信息同步至基于區(qū)塊鏈的輸變電工程見證取樣及工程檢測管理系統(tǒng)；

（2）檢測單位的力學(xué)類檢測試驗機完成檢測后，將包括自動采集原始記錄、力值曲線圖、破型圖、檢測數(shù)據(jù)及檢測報告在內(nèi)的數(shù)據(jù)上傳至基于區(qū)塊鏈的輸變電工程見證取樣及工程檢測管理系統(tǒng)；

（3）對于混凝土試塊檢測不合格始數(shù)據(jù)，建設(shè)單位可以通過手機客戶端對檢測不合格數(shù)據(jù)進行處理，完成檢測不合格閉環(huán)。

（4）監(jiān)督員通過手機客戶端，掃描報告二維碼驗證報告真?zhèn)?，下載見證記錄、檢測數(shù)據(jù)記錄。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求分析

3.1.1 業(yè)務(wù)功能需求分析

（1）檢測工作可控、可信化、可溯源。

1.履行工程主體各方職責(zé)。

見證取樣環(huán)節(jié)由工程責(zé)任主體多方共同完成。系統(tǒng)程序需明確取樣人員，見證職責(zé)，樣品見證上傳步驟。

2.增強工程建設(shè)信息化水平，加大在線監(jiān)管和質(zhì)量溯源。

工程建設(shè)領(lǐng)域的信息化相對其它行業(yè)比較滯后，需將區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)融入到工程檢測信息系統(tǒng)中，增強工程見證取樣及工程檢測管理信息化水平。

針對溯源問題，檢測報告和數(shù)據(jù)可能被篡改，多方責(zé)任主體各持一詞。系統(tǒng)需采用智能芯片技術(shù)、生物特征識別技術(shù)和區(qū)塊鏈技術(shù)，保證數(shù)據(jù)上鏈后的真實性。

（2）提高工程檢測工作和職能部門監(jiān)管效率。

1.系統(tǒng)需實現(xiàn)各部門數(shù)據(jù)的共享，以及數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性、安全性、準(zhǔn)確性，效率性，完成質(zhì)量檢測、監(jiān)管模式的統(tǒng)一。

2.系統(tǒng)需實現(xiàn)業(yè)務(wù)全覆蓋、信息全共享、檢測過程全監(jiān)控，并具有統(tǒng)計分析匯總以及預(yù)警指揮督辦的檢測監(jiān)管功能。

3.1.2 非功能需求

（1）數(shù)據(jù)采集需求。數(shù)據(jù)應(yīng)來源于現(xiàn)場見證取樣樣品的植入或捆綁、包裝等方式的物聯(lián)網(wǎng)組件，如混凝土試塊的植入RFID芯片，還包括部分表單錄入信息、人體生物識別信息、衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)等。

由于業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)具有規(guī)模龐大，伴隨業(yè)務(wù)流程持續(xù)產(chǎn)生、產(chǎn)生數(shù)據(jù)的業(yè)務(wù)鏈條長、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)度高等特點，平臺應(yīng)支持數(shù)據(jù)的輕量化、移動化、掃碼化采集應(yīng)用，確保數(shù)據(jù)采集的高效、可靠和低成本，并在低帶寬和低終端配置下有良好的用戶使用體驗。

（2）數(shù)據(jù)傳輸需求。系統(tǒng)需部署在互聯(lián)網(wǎng)云平臺，通過移動通訊技術(shù)將工程檢測采集數(shù)據(jù)上傳到云平臺，并實現(xiàn)與基建管理平臺、區(qū)塊鏈平臺等系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互。

（3）數(shù)據(jù)安全共享。確保數(shù)據(jù)安全、受控，并實現(xiàn)跨專業(yè)共享。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.2.1 系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計

基于區(qū)塊鏈的輸變電工程見證取樣和工程檢測管理系統(tǒng)整體架構(gòu)分為感知層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層、訪問層4 層。系統(tǒng)的建設(shè)依據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和公司體系保證系統(tǒng)的質(zhì)量和安全。系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2所示。

圖2：系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

感知層：采用RFID 智能芯片或防偽二維碼等，植入、粘貼或捆扎于送樣件。現(xiàn)場或檢測前使用掃描槍、手機APP 等掃描送樣件上的RFID 智能芯片或防偽二維碼，獲取與送樣件一對一關(guān)聯(lián)的序列號信息。

數(shù)據(jù)層：將RFID 智能芯片或防偽二維碼在WEB 平臺進行掃描登記，關(guān)聯(lián)具體工程和工程取樣部位，獲取送樣件數(shù)據(jù)，對采集到的數(shù)據(jù)進行上鏈統(tǒng)一存儲。上鏈后的數(shù)據(jù)分為業(yè)務(wù)采集數(shù)據(jù)、核心數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)核心數(shù)據(jù)三大類。

應(yīng)用層：前端系統(tǒng)包括Web 端與移動端兩部分。Web 端主要用于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)分析、系統(tǒng)管理和應(yīng)用配置、流程處理等業(yè)務(wù)；移動端包括樣品數(shù)據(jù)采集、人員位置管理、移動業(yè)務(wù)處理、風(fēng)險管控、消息中心、信息查詢等功能。Web 端功能涵蓋移動端大部分功能。需要拍照片、定位信息、掃描信息等的功能均放置在移動端。

訪問層：訪問層是用戶直接交互的界面，用戶可通過電腦、移動設(shè)備和監(jiān)控大屏直接訪問系統(tǒng)。

3.2.2 功能模塊設(shè)計

（1）備案管理。實現(xiàn)對從事電力工程質(zhì)量檢測的檢測機構(gòu)、檢測人員、檢測設(shè)備備案登記管理。檢測機構(gòu)通過該平臺錄入信息后提交備案申請，系統(tǒng)會根據(jù)設(shè)定的資質(zhì)要求進行預(yù)評審并將預(yù)評審不符合項警示給相關(guān)備案審批人員，審批人員可根據(jù)預(yù)評審結(jié)果給予備案通過或不通過。

（2）工程管理。實現(xiàn)工程項目管理，可針對項目進度提供工程進度、工程信息查詢，能幫助主管部門隨時隨地查詢項目情況。

（3）人員管理。實現(xiàn)檢測機構(gòu)對工作人員的信息、人員的資質(zhì)的統(tǒng)一管理，完成人員基本信息采集、指紋信息采集、人臉圖像采集以及照片信息采集。杜絕無資格人員開展檢測業(yè)務(wù)工作，杜絕出現(xiàn)檢測人員掛靠、多單位工作現(xiàn)象的發(fā)生。

（4）樣品封裝。施工方資料員或取樣員，預(yù)先在平臺登記好見證取樣送檢材料的樣品信息。

施工方取樣員，在監(jiān)理在場的情況下現(xiàn)場取樣、封樣，在抽檢樣品上植入RFID 芯片或粘貼二維碼標(biāo)識作為送檢樣品的唯一標(biāo)識，并綁定見證取樣系統(tǒng)樣品信息。

（5）見證取樣。取樣員與見證員通過智能手機客戶端實現(xiàn)樣品取樣、見證過程的GPS 定位、拍照，形成現(xiàn)場取樣信息與現(xiàn)場見證信息同步至系統(tǒng)；本模塊可以掌握見證信息查詢，見證時間異常、見證范圍異常信息，主管部門可以在平臺對時間、地點異常的數(shù)據(jù)查看，對檢測行為進行監(jiān)督，實現(xiàn)差異化監(jiān)管。

（6）送檢驗樣。檢測方驗證員，在取樣員、見證員在場情況下通過掃描RFID 芯片或二維碼驗證現(xiàn)場見證取樣信息，通過指紋或人臉識別驗證人員身份信息，確保見證取樣過程真實性與檢驗樣品的真實性。

（7）盲樣檢測。委托方將樣品送至檢測機構(gòu)，在收樣室進行相關(guān)系列的填寫，檢測機構(gòu)出給樣品編號，隱去委托方先關(guān)信息，檢測人員憑樣品編號完成盲樣檢測及檢測數(shù)據(jù)（采集數(shù)據(jù)與報告信息上傳），保證實驗結(jié)果的客觀公正性。

（8）報告驗證。報告真?zhèn)悟炞C。通過專用報告驗證程序，實現(xiàn)檢測報告在平臺的真?zhèn)悟炞C（注：檢測報告由第三方試驗室上傳）。

（9）行為監(jiān)管。實現(xiàn)對檢測單位的誠信評價，對檢測行為的監(jiān)督管理，對檢測內(nèi)容的動態(tài)匯總、分析，實時監(jiān)控檢測全過程，保證驗樣過程的真實性。對企業(yè)進行評分、排名，加強誠信建設(shè)；對檢測單位人員、設(shè)備超資質(zhì)、預(yù)警、異常情況進行監(jiān)督管理。

（10）與區(qū)塊鏈平臺對接。通過使用區(qū)塊鏈技術(shù)，建立見證取樣聯(lián)盟鏈，將施工單位、建設(shè)單位、監(jiān)理單位、檢測機構(gòu)、主管部門、材料設(shè)備單位組成一個聯(lián)盟鏈生態(tài)，收集見證取樣全流程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的公開、共享、透明、不可篡改。

4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計如下：

（1）檢測企業(yè)信息：包括企業(yè)ID，機構(gòu)編號，統(tǒng)一社會信用代碼，企業(yè)名稱，聯(lián)系人姓名，聯(lián)系人手機號碼，經(jīng)營范圍。

（2）人員信息：包括人員ID，姓名，所屬企業(yè)名稱，出生日期，性別，證件類型，證件號碼。

（3）工程信息：包括工程ID，工程編號，工程名稱，建設(shè)單位，施工單位，監(jiān)理單位，監(jiān)督站，監(jiān)督員，工程狀態(tài)。

（4）樣品信息：包括樣品ID，樣品編號，委托編號，生產(chǎn)廠家，工程名稱，工程部位，檢測參數(shù)，檢測項目，位置信息，取樣時間，取樣人，原材料信息等。

（5）報告信息：包括報告ID，客戶編號，主檢試驗員，樣品編號，報告編號，工程部位，檢測參數(shù)，檢測項目，試驗日期，報告日期，結(jié)論標(biāo)識，結(jié)論等。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)

5.1 系統(tǒng)架構(gòu)實現(xiàn)

本系統(tǒng)基于Spring+Springmvc+jpa 開發(fā)，區(qū)塊鏈通過分布式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點維護的不可篡改的賬本。這些節(jié)點通過執(zhí)行被共識協(xié)議驗證過的交易來各自維護一個賬本的副本，賬本以區(qū)塊的形式存在，每個區(qū)塊通過哈希和之前的區(qū)塊相連[12,13]。

區(qū)塊鏈提供標(biāo)準(zhǔn)http API 服務(wù)，本系統(tǒng)通過 API 服務(wù)進行信息交互，如圖3所示。

圖3：系統(tǒng)架構(gòu)圖

本系統(tǒng)分為移動應(yīng)用和后端。

5.1.1 移動應(yīng)用

通過移動應(yīng)用提供樣品信息錄入、工地現(xiàn)場取樣、見證、定位和拍照等功能，方便客戶便捷工作。

5.1.2 后端

Web 服務(wù)器提供系統(tǒng)的接口服務(wù)，區(qū)塊鏈提供數(shù)據(jù)接入服務(wù)，移動應(yīng)用收集樣品信息數(shù)據(jù)請求接口服務(wù)，再中轉(zhuǎn)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)接入服務(wù)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)存入?yún)^(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)是查詢。

5.2 區(qū)塊鏈環(huán)境部署

第一步，下載fabric 相關(guān)組件（linux 環(huán)境下）

https://github.com/hyperledger/fabric/releases/download/v1.4.11/hyperledger-fabric-linux-amd64-1.4.11.tar.gz

第二步，執(zhí)行命令生成證書配置及創(chuàng)世區(qū)塊

第三步，啟動網(wǎng)絡(luò)

第四步，構(gòu)建sdk 或者部署cli 節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)交互

5.3 數(shù)據(jù)上鏈

5.3.1 檢測機構(gòu)備案管理

檢測機構(gòu)備案上鏈。

5.3.2 工程管理

實現(xiàn)工程項目管理，將工程信息上鏈，實現(xiàn)工程信息查詢及存證，后續(xù)流程工程數(shù)據(jù)全部從鏈上獲取。

5.3.3 檢測機構(gòu)人員管理

實現(xiàn)檢測機構(gòu)對工作人員的信息、人員的資質(zhì)的統(tǒng)一管理，完成人員基本信息采集、指紋信息采集、人臉圖像采集以及照片信息采集。杜絕無資格人員開展檢測業(yè)務(wù)工作，杜絕出現(xiàn)檢測人員掛靠、多單位工作現(xiàn)象的發(fā)生。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，保證數(shù)據(jù)不可篡改，后續(xù)流程人員數(shù)據(jù)全部從鏈上提供，確保數(shù)據(jù)真實性。

5.3.4 見證取樣過程數(shù)據(jù)上鏈

取樣員與見證員通過智能手機客戶端實現(xiàn)樣品取樣、見證過程的GPS 定位、拍照，形成現(xiàn)場取樣信息與現(xiàn)場見證信息同步至區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

5.3.5 盲樣檢測報告數(shù)據(jù)上鏈

委托方將樣品送至檢測機構(gòu)，在收樣室進行相關(guān)系列的填寫，檢測機構(gòu)出給樣品編號，隱去委托方先關(guān)信息，檢測人員憑樣品編號完成盲樣檢測及檢測數(shù)據(jù)（采集數(shù)據(jù)與報告信息上傳），保證實驗結(jié)果的客觀公正性。檢測完成后，采集數(shù)據(jù)及檢測報告全部上傳區(qū)塊鏈。

5.3.6 區(qū)塊鏈瀏覽器

通過系統(tǒng)中展示交易ID，跳轉(zhuǎn)區(qū)塊鏈瀏覽器展示區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)情況。管控平臺每筆檢測數(shù)據(jù)，均可在區(qū)塊鏈中匹配記錄，查詢數(shù)據(jù)一致性，高亮提醒篡改情況。

5.4 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)交易

如圖4所示，提供了區(qū)塊鏈交易處理流程的時序圖。區(qū)塊鏈基于Fabric 架構(gòu)構(gòu)建，包括安裝有相應(yīng)的App 或SDK（Software Development Kit） 的客戶端（client）、 背書節(jié)點（Endorsing Peer，EP）、排序節(jié)點（Ordering Node）和記賬節(jié)點（Committing Peer）。

圖4：區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)交易交易時序圖

其中，客戶端可以為施工單位節(jié)點、取樣節(jié)點、見證節(jié)點、檢測節(jié)點和監(jiān)管節(jié)點中的任意一個。

客戶端主要用于發(fā)起交易消息至背書節(jié)點。背書節(jié)點主要用于接收客戶端的交易消息、驗證交易、預(yù)處理等業(yè)務(wù)，并將簽名后的數(shù)據(jù)回傳至客戶端。排序節(jié)點主要用于按照指定的算法將交易進行排序，并將排序結(jié)果返回給記賬節(jié)點，排序節(jié)點不關(guān)注具體的交易細節(jié)。記賬節(jié)點是區(qū)塊中的全節(jié)點，需要記錄完整的區(qū)塊信息，并驗證每筆交易的正確性，最終將交易信息打包至區(qū)塊鏈的節(jié)點[14,15]。

5.5 系統(tǒng)界面

系統(tǒng)已成功上線運行，客戶端包括企業(yè)管理，工程管理，見證管理，檢測管理，異常數(shù)據(jù)處理，行為監(jiān)控，系統(tǒng)管理7 個功能界面。系統(tǒng)運行界面如圖5所示。

圖5：系統(tǒng)界面

6 結(jié)語

本文提出了一種能夠加強監(jiān)管力度、保證建設(shè)工程質(zhì)量的用于建設(shè)輸變電工程質(zhì)量檢測管理的區(qū)塊鏈系統(tǒng)。區(qū)塊鏈作為近幾年在各類高新企業(yè)中大量運用的技術(shù)，已經(jīng)非常成熟，利用它自身的特點融入到樣品檢測系統(tǒng)中，有助于輸變電工程中混凝土質(zhì)量管理；有助于各節(jié)點上鏈相互協(xié)作；有助于動態(tài)監(jiān)管試驗檢測流程和實時查看試驗報告；有助于輸變電工程追責(zé)溯源；有助于研究混凝土檢測數(shù)據(jù)，增強輸變電工程工作效率。通過數(shù)據(jù)的積累，有利于輸變電工程混凝土見證取樣管理模式的創(chuàng)新，為今后輸變電工程資源配置，管理優(yōu)化奠定了基礎(chǔ)。