區(qū)塊鏈技術在存儲航空維修記錄領域的應用研究

李 強，彭 勇

（中國人民解放軍66350 部隊，河北保定 071000）

0 引言

飛機是一個復雜的系統(tǒng)，成千上萬個零部件協(xié)同工作才能確保飛行安全。隨著現(xiàn)代化程度越來越高，分工越來越細，各個部門的協(xié)作越來越廣泛。鑒于當前飛機每飛行1 h 都會生成大量數(shù)據(jù)的情況，確保如此復雜系統(tǒng)的維修過程質量是一項挑戰(zhàn)。為了滿足當前的質量要求，有必要利用新技術改進航空維修記錄的存儲方式。真正的革命不是計算機系統(tǒng)的擴展，而是存儲、使用和分析數(shù)據(jù)的方式。在航空工業(yè)中，更好的維修記錄數(shù)據(jù)不僅有助于商業(yè)決策，而且有助于提高安全性。只有在發(fā)布證明維修工作已完成的文件后，飛機才被視為適航。目前，這些文件以實物形式保存，存在記錄錯誤、證據(jù)搜集困難和缺乏透明度等問題。通過全面準確地了解整個維護過程及其對航空法規(guī)和維修規(guī)程的執(zhí)行情況，可以采取針對性措施減少計劃外停機時間。

區(qū)塊鏈是一種前沿技術，在未來一段時間內可能會顛覆許多行業(yè)的商業(yè)運作模式，也會對航空業(yè)產生重大影響。維護過程涉及到諸如基層維護、部件供應商或專業(yè)第三方等各方。準確的維護記錄對于飛機的適航性至關重要，可以通過使用分散的數(shù)據(jù)庫（如區(qū)塊鏈）來實現(xiàn)。本文在航空維修數(shù)據(jù)存儲領域引入?yún)^(qū)塊鏈技術，為確保飛行安全提供一種切實可行的實用解決方案。

1 區(qū)塊鏈技術簡介

區(qū)塊鏈技術最初是為加密貨幣交易開發(fā)的，但其應用遠不止于此。區(qū)塊鏈是私人或公共網(wǎng)絡成員之間的分布式數(shù)據(jù)庫。沒有一個中央機構負責數(shù)據(jù)存儲管理。任何數(shù)據(jù)交易都是基于先前所有參與者都接受的共識協(xié)議進行的。它產生了一個由無數(shù)相互連接的區(qū)塊組成的安全數(shù)字賬本。每個數(shù)據(jù)塊通過加密哈希與前一個數(shù)據(jù)塊連接，形成可靠的按時間順序排列的記錄鏈，如圖1 所示。每個塊存儲前一個塊的散列，確保任意兩個連續(xù)塊之間的連接。結果數(shù)據(jù)庫是不可修改的，這意味著它不能被逆轉或篡改[1]。

圖1 區(qū)塊之間的連接

共識協(xié)議的核心是一種算法，它確保每個交換的數(shù)據(jù)都經(jīng)過所有成員的驗證。區(qū)塊鏈是通過創(chuàng)建具有多層安全性的準確且分散的分類賬來建立信任。每個區(qū)塊的數(shù)字簽名是區(qū)塊鏈最重要的特征之一，其中包括使用加密哈希。哈希就像數(shù)字文檔的指紋。區(qū)塊鏈技術使用安全哈希算法，最常見的算法就是SHA256，它可以生成唯一的單向哈希，非常有用。這意味著不可能逆轉加密過程并返回原始文檔。此外，SHA256 滿足雪崩效應屬性，即如果需要加密的文件中只有一位發(fā)生更改，算法將觸發(fā)一系列更改，新生成的哈希將與未更改文檔的哈希完全不同。使區(qū)塊鏈技術強大的另一個安全層是“工作證明”概念[2]。只有在解決了計算難題后，才能向鏈中添加新的區(qū)塊。此外，還需執(zhí)行區(qū)塊鏈有效性檢查來驗證添加的區(qū)塊的正確性。

2 區(qū)塊鏈在航空領域的商業(yè)利益

研究探索一項新技術給經(jīng)濟社會發(fā)展帶來的巨大效益，對于人們接受新技術是至關重要的。航空維修記錄中使用區(qū)塊鏈技術具有如下主要優(yōu)勢[3]。

2.1 安全記錄

航空維修記錄在飛機的整個壽命周期中都很有價值。未來的維護任務是基于飛機歷史數(shù)據(jù)來組織的。過去記錄中的錯誤將導致未來更多的錯誤，就像雪崩一樣。錯誤的維護記錄會對飛機履歷文件的完整性產生負面影響。區(qū)塊鏈提供了一個安全的賬本，其中包含的數(shù)據(jù)不會被可擴展的硬件設施所破壞。

2.2 可訪問記錄

飛機維護記錄很復雜，涉及許多紙質文件和電子文件，存儲在不同的位置。有了區(qū)塊鏈技術，工程師、技術人員和管理人員可以在幾秒內輕松訪問公共或私人數(shù)據(jù)庫中的信息。

2.3 數(shù)據(jù)操作簡易

跟蹤飛機運行和維護活動的進程是一項具有挑戰(zhàn)性的任務。在區(qū)塊鏈中記錄飛機數(shù)據(jù)將為參與者創(chuàng)造一個數(shù)字環(huán)境，將非結構化、復雜的數(shù)據(jù)轉換為結構化、易于理解的信息。在進行調查或審計時，很容易提取相關和準確的信息。

2.4 提供透明度和保密性

分散的航空網(wǎng)絡將由各方組成，包括航空管理局和其他確保飛機正常運行的所有業(yè)務參與者。共享飛機記錄將增加維護和運營的透明度。這將迫使參與者改進自身的活動，千方百計提供高質量的服務，進而帶來更安全的飛行和獲得更多的客戶。在網(wǎng)絡上共享數(shù)據(jù)是建立信任的關鍵因素，根據(jù)共識協(xié)議對敏感信息進行保護，每個成員根據(jù)自己的角色只能獲得特定的信息。

2.5 準確可靠的數(shù)據(jù)

區(qū)塊鏈系統(tǒng)最重要的特征之一是不可變屬性。一旦添加了有效的信息區(qū)塊，就不能對其進行更改。準確的數(shù)據(jù)庫要有結構化、精確的、按時間順序排列的和完整的數(shù)據(jù)，以便能夠開展不同類型的分析。區(qū)塊鏈技術可以在這一方面發(fā)揮重要作用。

3 區(qū)塊鏈平臺——飛機行業(yè)的解決方案

無論從短期還是長遠來看，提高企業(yè)的效益和獲得客戶的信任都是行之有效的業(yè)務策略。在航空領域，區(qū)塊鏈技術可以擴大許多業(yè)務的規(guī)模，并將整個行業(yè)提升到一個新的水平。飛行記錄、維護任務、部件更換歷史記錄、故障、維修服務通報、適航指令等可以存儲在公共或私人區(qū)塊鏈中[4-6]。

對于航空業(yè)參與者而言，共享數(shù)據(jù)是互利共贏的。共享數(shù)據(jù)可以提高網(wǎng)絡信息的價值，也可獲得有價值信息數(shù)據(jù)。在航空業(yè)部署分散系統(tǒng)可能有以下參與者：制造商（Original Equipment Manufacturer，OEM）、航空公司、維護、維修和大修（Maintenance Repair and Overhaul，MRO）或專業(yè)第三方、航空管理局（Civil Aviation Authority，CAA）、零件供應商。所有這些成員都可以相互交互（表1）。

表1 參與者之間的互動

因為“智能合約”存儲在區(qū)塊中，區(qū)塊鏈中所有語言腳本都是可執(zhí)行的。這些數(shù)字合同就像是負責處理操作/數(shù)據(jù)事務的可信第三方。但是，它不是參與第三方，而是分布在網(wǎng)絡中的一段代碼，可以自動執(zhí)行某些任務。這些程序不是人為控制的，而是由網(wǎng)絡中所有成員事先擬定智能合約中的條款和條件。

考慮區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中智能合約應用的示例：某個型號的飛機必須每飛行200 h 必須進行某一項目的維護檢查。飛行和維護記錄都存儲在區(qū)塊鏈中。如果及時進行維護檢查，飛機狀態(tài)將保持“完好可飛”，否則其狀態(tài)將變?yōu)椤暗孛娑ㄆ诰S護”。自動執(zhí)行的邏輯操作將被編碼在智能合約中，任何人都無法更改。這項措施將防止飛機在維修任務期間執(zhí)行飛行任務。

選擇區(qū)塊鏈解決方案似乎增加了成本，但對航空公司、制造商以及乘客來說都是益處頗多。鑒于空中新飛機的數(shù)量呈指數(shù)級增長，獲得客戶的信任是航空公司一個持續(xù)的目標。使用區(qū)塊鏈技術方案的公司將更好地跟蹤其流程，改進其活動，并為其客戶提供更可靠的服務。因此，安全事故的數(shù)量將減少，而收入將大幅增長。

4 使用Python 編程語言開發(fā)區(qū)塊鏈應用程序

4.1 基本流程

創(chuàng)建區(qū)塊鏈應用程序的方法包括以下步驟：

（1）第一步是使用Spyder 軟件（可通過Anaconda 平臺獲得）設置Python 開發(fā)環(huán)境。

（2）第二步是組織文件結構，包括：①3 個python 文件，每個節(jié)點對應一個腳本，對應于網(wǎng)絡中涉及的各方。每個腳本僅通過運行應用程序的端口不同于其他腳本；②包含節(jié)點地址列表的json 文件；③1 個json 文件，包含5 個關鍵元素（“FlightHours”“Landings”“AircraftEfficiencyStatus”“StartMaintenanceTask”“End－MaintenanceTask”），每次在區(qū)塊鏈中記錄飛機事件時都需要這些元素。當前軟件是為2 個飛機事件開發(fā)的：①飛行事件，指飛機剛剛完成一次飛行，其壽命周期的一些相關信息可添加到區(qū)塊鏈中；②維修事件，指飛機剛剛開始或結束維修任務。

（3）第三步是開發(fā)具有以下結構的主腳本：①導入必要的庫；②構建區(qū)塊鏈類；③創(chuàng)建web 應用程序；④分散區(qū)塊鏈；⑤運行應用程序和結果。

4.2 構建區(qū)塊鏈類

在基于面向對象編程（Object Oriented Programming，OOP）概念創(chuàng)建計算機程序的過程中構建區(qū)塊鏈類。為了定義執(zhí)行區(qū)塊鏈類時應該發(fā)生什么，重寫了構造函數(shù)來初始化對象的狀態(tài)。因此，注冊了若干實例的屬性，如未來塊的空列表、未來飛機事件的空列表和網(wǎng)絡節(jié)點的空列表。此外，在構造函數(shù)中稱為“create_block”函數(shù)，負責創(chuàng)建創(chuàng)世紀塊。

構造函數(shù)中調用的“create_block”函數(shù)定義如下：該函數(shù)有兩個參數(shù)：nonce，這是一個先前通過解決加密難題確定的數(shù)字，以及前一個塊的哈希值。該函數(shù)獲取所有信息：當前索引、前一塊的哈希、預定的nonce 和飛機事件列表，將它們轉換并連接成一個字符串，在“Haslib”庫中的SHA256 加密哈希函數(shù)的幫助下對其進行編碼并將其轉換為唯一的十六進制哈希，這樣就創(chuàng)建了每個塊的哈希值（圖2）。

圖2 創(chuàng)建塊進程

區(qū)塊應當按照以下格式返回（圖3）。區(qū)塊鏈中的主要安全層之一是通過將前一塊的哈希存儲在當前塊中，從而提供任意2 個連續(xù)塊之間的連接。

圖3 區(qū)塊的格式

如上所述，區(qū)塊鏈系統(tǒng)包括所謂的“工作證明”以防止攻擊，它包括解決計算難題。這個過程也被稱為“挖礦”。

在開發(fā)的區(qū)塊鏈中，工作證明函數(shù)將前一個區(qū)塊作為參數(shù)。然后，在“while”循環(huán)中，nonce 與索引、前一個塊的哈希和飛機事件列表放在一起，并生成十六進制哈希，就像在“create_block”函數(shù)中一樣。為了驗證nonce，得到的十六進制哈希必須以3 個0 開始。否則，迭代將繼續(xù)，nonce 將遞增，直到滿足條件為止。目標是在多次迭代后找出正確的“nonce”，它將對應于一個前3 位為0 的哈希值。此外，還定義了一個“is_chain_valid”函數(shù)，以便在鏈中循環(huán)并驗證當前塊的上一個哈希值是否等于上一個塊的哈希值。除此驗證外，該函數(shù)還將檢查每個塊的哈希值，以確保它以3 個0 開始，作為區(qū)塊鏈一致性協(xié)議的一部分。

區(qū)塊鏈類中的另一個重要方法是“add_aircraftEvent”函數(shù)，該函數(shù)包含5 個參數(shù)：“FlightHours”“Landings”“AircraftEfficiencyStatus”“StartMaintenanceTask”“EndMaintenanceTask”（圖4）。此函數(shù)旨在收集用戶輸入，處理并將其附加到AircraftEvents 列表中，然后一起添加到未來塊中。

圖4 飛機事件列表格式

一方面，目的是在跟蹤飛機壽命的過程中獲得兩個最相關的參數(shù)：飛行小時數(shù)和起落次數(shù)。顯然，在實際產品區(qū)塊鏈應用中應收集更多參數(shù)，以便更好地跟蹤飛機使用情況。另一方面，飛機的壽命也受到維修方式的影響。在航空工業(yè)中，準確的時間線維修記錄是至關重要的。為此，又收集了2 個參數(shù)。當用戶開始維修操作時，將使用“StartMaintenanceTask”字段添加到飛機事件列表中。類似的，結束維護操作時，將通過“EndMaintenanceTask”字段創(chuàng)建一個新事件來完成維修記錄。第五個參數(shù)表示飛機狀態(tài)（有效/無效）。

區(qū)塊鏈類開發(fā)的下一個核心是包含共識算法，這是一種可確保所有節(jié)點在任何時候都包含相同鏈的算法。每當添加新塊時，分散網(wǎng)絡中的所有其他節(jié)點都將使用相同的鏈進行更新。這是區(qū)塊鏈應用的基本原則之一。共識函數(shù)將在分散網(wǎng)絡中的所有節(jié)點之間循環(huán)，檢查每條鏈，找出最長的鏈，并在包含比最長鏈短的鏈的任何節(jié)點中，用最長的鏈替換該鏈。

5 結束語

在航空領域，數(shù)據(jù)量呈指數(shù)級增長，細節(jié)可以決定飛行的安全。區(qū)塊鏈技術是航空業(yè)的解決方案，將徹底改變確保資產可追溯性的方式。航空業(yè)引入?yún)^(qū)塊鏈技術，不僅可以提高安全性，也是建立一種新的商業(yè)模式的嘗試，讓航空公司獲得客戶更多的信任同時也增強透明度。因此，傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)管理方法不再是航空業(yè)的最優(yōu)選擇。本文介紹了一種利用區(qū)塊鏈技術存儲和管理航空維修記錄的新方法。分析了區(qū)塊鏈技術對可能涉及的組織的影響。作為概念證明，搭建使用Python 編程語言開發(fā)區(qū)塊鏈的架構，以展示區(qū)塊鏈功能及其在航空行業(yè)的實用性。