基于區(qū)塊鏈技術(shù)的鐵路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入存儲(chǔ)方法研究

婁星宇 王齊榮

目前，在鐵路邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)中，預(yù)防、減少、阻止邊坡災(zāi)害，減少因?yàn)?zāi)害所導(dǎo)致地經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡任被認(rèn)為是最有效的措施。鐵路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性是鐵路邊坡災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的重要保證，利用區(qū)塊鏈技術(shù)錄入存儲(chǔ)鐵路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)是保證鐵路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)安全性的有效解決方案。將鐵路監(jiān)測(cè)信息分類，形成記錄特定項(xiàng)目的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)將各個(gè)特定項(xiàng)目的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)的通過(guò)Hash加密方法加密打包成區(qū)塊，并將各個(gè)區(qū)塊組鏈構(gòu)成時(shí)間邏輯上并行的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)置數(shù)據(jù)中心，從而儲(chǔ)存通過(guò)分析特定類別的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)得出的邊坡穩(wěn)定性的結(jié)果信息。根據(jù)鐵路邊坡監(jiān)測(cè)工程實(shí)際特點(diǎn)和區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)設(shè)置邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的依空間信息的數(shù)據(jù)鏈，完成基于區(qū)塊鏈技術(shù)的鐵路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)空組網(wǎng)。

區(qū)塊鏈； 鐵路； 邊坡； 數(shù)據(jù)庫(kù)； 預(yù)警系統(tǒng)

U216.41+9.1 A

［定稿日期］2022-01-24

［作者簡(jiǎn)介］婁星宇（1997—），男，碩士，主要從事鐵路線路研究工作。

截至2020年7月底，中國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到14.14萬(wàn)km，位居世界第二，其中高鐵總里程達(dá)到3.6萬(wàn)km，位居世界第一。2020年9月，黨中央、國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)新建雅安至林芝段鐵路，新建正線預(yù)計(jì)1 000余公里，其中線路橋隧比預(yù)計(jì)90%以上，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)難度較大，是對(duì)中國(guó)基建的一次考驗(yàn)［1］。中國(guó)已經(jīng)從鐵路建設(shè)的量要求進(jìn)入到對(duì)質(zhì)與創(chuàng)新的要求的全新階段，已經(jīng)從對(duì)鐵路技術(shù)的掌握轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)技術(shù)創(chuàng)新的全新征程。鐵路邊坡，作為鐵路建設(shè)運(yùn)營(yíng)中的基礎(chǔ)性工程，影響并決定了鐵路建設(shè)的安全可靠性。鐵路邊坡監(jiān)測(cè)管理系統(tǒng)目前缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式，邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸、儲(chǔ)存信息化程度有待提升，邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)的效率與準(zhǔn)確性受到了的制約。因此，建立一個(gè)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)的、技術(shù)先進(jìn)的、安全高效的鐵路邊監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，依靠信息技術(shù)全面提高數(shù)據(jù)管理水平，為鐵路邊坡監(jiān)測(cè)提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐是必要且實(shí)際的。

本文研究?jī)?nèi)容集中于區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路邊坡監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用，提出了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的鐵路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入存儲(chǔ)系統(tǒng)的架構(gòu)方案，利用區(qū)塊鏈的自有技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為鐵路邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)提供一種去中心化的、信任度可判別的、可追溯的數(shù)據(jù)架構(gòu)方式，有效提高了鐵路邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)效率，使系統(tǒng)信息化水平進(jìn)一步提升變?yōu)榭赡堋?/p>

1 區(qū)塊鏈技術(shù)的相關(guān)技術(shù)

2008年Satoshi Nakamoto在《比特幣：一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)》中闡述了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的比特幣虛擬貨幣［2］，2013年Vitalik Buterin在比特幣的基礎(chǔ)上改進(jìn)推出了區(qū)塊鏈2.0版本的虛擬加密貨幣以太坊［3］。區(qū)塊鏈技術(shù)是一種新型的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，與一般數(shù)據(jù)庫(kù)相比，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、高冗余度、高可信度的優(yōu)勢(shì)，適用重要數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)架構(gòu)。

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)類型選取

區(qū)塊鏈技術(shù)根據(jù)訪問(wèn)和管理權(quán)限分為3種類型：公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈，如表1所示。鐵路邊坡監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)需要記錄大量數(shù)據(jù)，綜合考慮各方面，本文采用私有鏈的方式進(jìn)行研究。

1.2 區(qū)塊鏈技術(shù)數(shù)據(jù)架構(gòu)

工信部指導(dǎo)發(fā)布的《區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用發(fā)展白皮書2016》中對(duì)于區(qū)塊鏈技術(shù)做出定義：區(qū)塊鏈技術(shù)是一種按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)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)方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本技術(shù)［4］。實(shí)際案例中，區(qū)塊鏈?zhǔn)抢孟嚓P(guān)技術(shù)驗(yàn)證具體數(shù)據(jù)并給出整體數(shù)據(jù)的信任體系的技術(shù)過(guò)程。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)方式是區(qū)塊鏈技術(shù)命名的主要依據(jù)，該技術(shù)可以分為區(qū)塊和鏈2個(gè)部分。

區(qū)塊是鏈結(jié)構(gòu)的基本數(shù)據(jù)單元，存儲(chǔ)對(duì)應(yīng)事件的信息，區(qū)塊可以分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體2個(gè)部分。區(qū)塊頭包含上一區(qū)塊標(biāo)識(shí)、時(shí)間戳、默克爾樹根等標(biāo)志與指向性信息，區(qū)塊體負(fù)責(zé)記錄代表的項(xiàng)目信息，如圖1所示。

區(qū)塊頭是區(qū)塊間指向的信息標(biāo)記點(diǎn)，這種信息間的指向標(biāo)記確保了信息的安全，同時(shí)構(gòu)成了區(qū)塊鏈去中心化的基本原理。區(qū)塊頭由2個(gè)部分構(gòu)成：默克爾根、時(shí)間戳。默克爾根是鏈上事件信息總和的加密結(jié)果，按照“二叉樹”規(guī)則生成，作用原理如圖2所示。時(shí)間戳是表征區(qū)塊事件信息在特點(diǎn)時(shí)間節(jié)點(diǎn)下已經(jīng)存在、完整、可驗(yàn)的指標(biāo)［5］，時(shí)間戳往往設(shè)置為唯一標(biāo)識(shí)某一刻時(shí)間的字符序列。由于單一區(qū)塊下形成的中心化系統(tǒng)中時(shí)間戳的篡改無(wú)需成本，時(shí)間戳在單一區(qū)塊中的作用不顯著［6］。在鏈?zhǔn)絽^(qū)塊中結(jié)合默克爾加密技術(shù)，則構(gòu)成可信的去中心化系統(tǒng)，整體時(shí)間戳系統(tǒng)的可信度和篡改成本大幅增加。系統(tǒng)中區(qū)塊數(shù)量伴隨時(shí)間戳數(shù)量與可信度的提升而提升，時(shí)間戳系統(tǒng)構(gòu)成去中心化系統(tǒng)中時(shí)間鏈可信度的基礎(chǔ)依據(jù)。

1.3 加密算法

加密算法是區(qū)塊鏈技術(shù)信息安全的重要保障。區(qū)塊鏈應(yīng)用的加密技術(shù)建立在信息共享公開的基礎(chǔ)上［7］，兼顧去中心化和安全性要求。常用的加密方式有3種：對(duì)稱加密、非對(duì)稱加密、散列加密，三者對(duì)比如表2所示。區(qū)塊鏈技術(shù)要求加密的過(guò)程是單向不可逆的，散列加密更適用這一要求。散列算法又稱哈希算法，是利用有限域上橢圓曲線的離散對(duì)數(shù)對(duì)輸入進(jìn)行加密，在保證安全性的基礎(chǔ)上快速、儲(chǔ)存量小、低帶寬要求地獲得較短的密鑰［8］。

常用的哈希加密算法包括SHA-1、SHA-256、SHA-384、SHA-512、MD2、MD5等。將文本信息“hello human”采用不同的哈希算法加密，在不同程度約束的情況下枚舉求解，得到約束程度與耗時(shí)關(guān)系如圖3所示。哈希算法破解難度與約束程度大致成指數(shù)相關(guān)，指定信息的加密約束足夠高，信息安全程度趨近于無(wú)窮。

1.4 Hash加密通訊基本原理

哈希加密通訊是利用哈希加密單向不可逆的特點(diǎn)，其過(guò)程類似無(wú)標(biāo)底競(jìng)標(biāo)過(guò)程，由3步驟組成。第一步競(jìng)標(biāo)各方廣播競(jìng)標(biāo)價(jià)的加密結(jié)果，第二步各方公布競(jìng)標(biāo)價(jià)格，第三步校驗(yàn)各方價(jià)格與加密結(jié)果的一致性，具體過(guò)程如圖4所示。

2 鐵路邊坡監(jiān)測(cè)信息錄入與存儲(chǔ)架構(gòu)

鐵路邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)趨于時(shí)間上的實(shí)時(shí)化、內(nèi)容上的多樣化，對(duì)于邊坡監(jiān)測(cè)產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)，采用區(qū)塊鏈技術(shù)可以有效地保證數(shù)據(jù)的安全性，同時(shí)提升整體數(shù)據(jù)被篡改的成本和難度。

2.1 基礎(chǔ)錄入單元及單復(fù)鏈的選擇

采用區(qū)塊鏈技術(shù)按照分布式賬本的方式記錄數(shù)據(jù)時(shí)，鐵路邊坡監(jiān)測(cè)得數(shù)據(jù)是多方面的，設(shè)置單一的數(shù)據(jù)鏈，會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)錄入的過(guò)程中容錯(cuò)率低。以某日的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例，原數(shù)據(jù)記錄采用不同的格式轉(zhuǎn)換成哈希值時(shí)，結(jié)果完全不同，見表3。這使得驗(yàn)證信息時(shí)很難以程序化的流程驗(yàn)證信息的準(zhǔn)確性，同時(shí)給分析利用數(shù)據(jù)時(shí)造成困擾。

為了提升信息記錄和驗(yàn)證效率，減少邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)后期的運(yùn)維成本，本文采用多條數(shù)據(jù)鏈并行的方式進(jìn)行架構(gòu)。按照不同的單元將信息分解，并各自形成區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)記錄，結(jié)果如表4所示。這種記錄形式下，數(shù)據(jù)錄入和存儲(chǔ)的可靠性和容錯(cuò)率進(jìn)一步提升，為數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用提供了基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

2.2 整體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和安全性保障措施

并行的數(shù)據(jù)鏈結(jié)構(gòu)中，當(dāng)數(shù)據(jù)記錄的時(shí)間逐漸延展，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)會(huì)趨于網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，此時(shí)原先適用于鏈狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的默克爾樹技術(shù)不再適用于整體的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。本文采用設(shè)置數(shù)據(jù)中心的方式進(jìn)行解決。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的秩序是建立數(shù)據(jù)驗(yàn)證的必要前提，多條數(shù)據(jù)鏈并行時(shí)，建立一種新的適用于網(wǎng)狀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是必要的。針對(duì)數(shù)據(jù)類型的多樣性，網(wǎng)絡(luò)狀的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以被適用其中，具體結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫(kù)與數(shù)據(jù)中心

為解決網(wǎng)絡(luò)狀數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的時(shí)空順序，從而建立起整體鏈狀的完整數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)了解決方案。通過(guò)組成網(wǎng)狀數(shù)據(jù)的各個(gè)項(xiàng)目按照相同的時(shí)空排列方式分別組鏈。數(shù)據(jù)中心記錄各個(gè)項(xiàng)目的秩序信息，并補(bǔ)充時(shí)間、空間的驗(yàn)證信息，如圖6所示。這種解決方案中，數(shù)據(jù)中心本質(zhì)上是記錄各個(gè)項(xiàng)目的關(guān)系的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫(kù)。

3 邊坡監(jiān)測(cè)信息錄入和存儲(chǔ)方式

3.1 項(xiàng)目的組鏈方式

以連續(xù)7天的鐵路邊坡監(jiān)測(cè)位移量為例見表5，組建邊坡位移量的數(shù)據(jù)鏈，具體步驟如下。結(jié)果見圖7。

第一步：創(chuàng)建創(chuàng)世區(qū)塊。其他的邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)將以初始區(qū)塊的內(nèi)容為基礎(chǔ)進(jìn)行組鏈，同時(shí)默認(rèn)初始區(qū)塊的時(shí)間點(diǎn)為0。

第二步：將每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按照預(yù)設(shè)的格式進(jìn)行整理。

第三步：將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行Hash加密，為了確保加密數(shù)據(jù)的安全性，設(shè)置時(shí)間戳進(jìn)行控制，此例中選用加密數(shù)據(jù)的年月日為對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳。

第四步：將整理好的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)內(nèi)容和加密出的Hash值打包整理成區(qū)塊，以加密數(shù)據(jù)為鏈?zhǔn)菂^(qū)塊聯(lián)通前后區(qū)塊，構(gòu)成區(qū)塊鏈。

第五步：架構(gòu)默克爾樹，確定默克爾根。

3.2 空間信息組鏈方式

在對(duì)鐵路邊坡監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)進(jìn)行架構(gòu)時(shí)，具體的項(xiàng)目無(wú)論是按照時(shí)間還是按照空間進(jìn)行組鏈，都只能是單一基本要素的組鏈，這與鐵路邊坡數(shù)據(jù)上時(shí)間和空間的高度關(guān)聯(lián)性不相匹配。

為了解決這種矛盾，本文采取了圖8的數(shù)據(jù)鏈的組合方式。每個(gè)時(shí)刻的數(shù)據(jù)中心的記錄內(nèi)容結(jié)合地理信息形成一個(gè)新的數(shù)據(jù)區(qū)塊，包含地理信息的數(shù)據(jù)區(qū)塊根據(jù)地理位置的先后秩序組成該時(shí)刻的數(shù)據(jù)記錄的空間鏈。

3.3 區(qū)塊的識(shí)別

區(qū)塊按照時(shí)間和空間進(jìn)行組網(wǎng)之后，并行的數(shù)據(jù)鏈之間是沒(méi)有任何區(qū)別的，如何區(qū)分不同的數(shù)據(jù)鏈，是后續(xù)有效使用時(shí)空區(qū)塊數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的重要前提。本文采用了如下的方式進(jìn)行標(biāo)記，以某鐵路邊坡記錄數(shù)據(jù)為例進(jìn)行說(shuō)明。本文通過(guò)對(duì)所需要的Hash代碼進(jìn)行相應(yīng)的約束，約束為重度01、內(nèi)摩擦角02、邊坡角03，標(biāo)記結(jié)果如表6所示。

4 結(jié)論

區(qū)塊鏈作為一種數(shù)據(jù)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，實(shí)質(zhì)是通過(guò)犧牲數(shù)據(jù)存儲(chǔ)效率和算力來(lái)保證數(shù)據(jù)的去中心化和安全性的數(shù)據(jù)庫(kù)。作為一種數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)形式，區(qū)塊鏈本身是不具有功能的。為了使區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)更適用于鐵路邊坡監(jiān)測(cè)，本文類比于細(xì)胞結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)鏈進(jìn)行探究：

（1）數(shù)據(jù)的核心：本文提出了將原有的一條數(shù)據(jù)鏈記錄所有信息的結(jié)構(gòu)調(diào)整為多條數(shù)據(jù)鏈并行的結(jié)構(gòu)。在本文采用的數(shù)據(jù)記錄結(jié)構(gòu)中，有現(xiàn)場(chǎng)直接監(jiān)測(cè)得到的各個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的數(shù)據(jù)鏈構(gòu)成了數(shù)據(jù)的核心。

（2）空間信息的組鏈：鐵路邊坡監(jiān)測(cè)的工程實(shí)際當(dāng)中，數(shù)據(jù)不僅是同一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)時(shí)間上的聯(lián)系，還在于同一時(shí)間地理信息上的關(guān)聯(lián)性。本文提出了數(shù)據(jù)鏈技術(shù)在時(shí)間和空間上的應(yīng)用，是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息更符合鐵路邊坡監(jiān)測(cè)的實(shí)際。

（3）數(shù)據(jù)識(shí)別與接收機(jī)制：并行的數(shù)據(jù)鏈之間，除了記錄的信息有所區(qū)別，在結(jié)構(gòu)形式上是完全一樣的。數(shù)據(jù)從并行的數(shù)據(jù)鏈中，經(jīng)過(guò)分析得出結(jié)果，在記錄到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)鏈中需要一定的識(shí)別標(biāo)志。為此，本文對(duì)并行的數(shù)據(jù)鏈中信息加密后的Hash值進(jìn)行約束，從而對(duì)各個(gè)區(qū)塊進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)記，為數(shù)據(jù)的分析和運(yùn)用提供基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

［1］ 謝毅， 寇峻瑜， 姜梅，等. 中國(guó)鐵路發(fā)展概況與技術(shù)展望［J］. 高速鐵路技術(shù)， 2020， 11（1）：11-16.

［2］ 關(guān)靜.區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域及存在問(wèn)題研究綜述［J］.科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021，11（12）：134-136+139.

［3］ Buterin V . A next-generation smart contract and decentralized application platform［R］. 2014.

［4］ 仲盛， 黃欣沂. 區(qū)塊鏈應(yīng)用中的安全隱私專題簡(jiǎn)介［J］. 中國(guó)科學(xué)：信息科學(xué)， 2020， 50（3）：161-162.

［5］ 袁亮. 時(shí)間戳在區(qū)塊鏈技術(shù)中的運(yùn)用研究［J］. 中國(guó)化工貿(mào)易， 2017， 9（15）：109-110.

［6］ Ren Y， Zhu F， Sharma P K ， et al. Data Query Mechanism Based on Hash Computing Power of Blockchain in Internet of Things［J］. Sensors （Basel， Switzerland）， 2020， 20（1）.

［7］ Nakamoto S . Bitcoin： A Peer-to-Peer Electronic Cash System［R］. 2009.

［8］ 李明株，劉瑞芹.橢圓曲線數(shù)字簽名的兩種改進(jìn)算法［J］.華北科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2020，18（5）：84-87+102.