基于區(qū)塊鏈技術的鐵路邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入存儲方法研究

婁星宇 王齊榮

目前，在鐵路邊坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)中，預防、減少、阻止邊坡災害，減少因災害所導致地經(jīng)濟損失及人員傷亡任被認為是最有效的措施。鐵路邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的安全性和穩(wěn)定性是鐵路邊坡災害監(jiān)測預警系統(tǒng)的重要保證，利用區(qū)塊鏈技術錄入存儲鐵路邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)是保證鐵路邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)安全性的有效解決方案。將鐵路監(jiān)測信息分類，形成記錄特定項目的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫。基于區(qū)塊鏈技術將各個特定項目的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫的通過Hash加密方法加密打包成區(qū)塊，并將各個區(qū)塊組鏈構成時間邏輯上并行的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫?；趨^(qū)塊鏈技術設置數(shù)據(jù)中心，從而儲存通過分析特定類別的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)庫得出的邊坡穩(wěn)定性的結果信息。根據(jù)鐵路邊坡監(jiān)測工程實際特點和區(qū)塊鏈技術的特點設置邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)的依空間信息的數(shù)據(jù)鏈，完成基于區(qū)塊鏈技術的鐵路邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)時空組網(wǎng)。

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

U216.41+9.1 A

［定稿日期］2022-01-24

［作者簡介］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，中國鐵路運營總里程達到14.14萬km，位居世界第二，其中高鐵總里程達到3.6萬km，位居世界第一。2020年9月，黨中央、國務院批準新建雅安至林芝段鐵路，新建正線預計1 000余公里，其中線路橋隧比預計90%以上，建設、運營難度較大，是對中國基建的一次考驗［1］。中國已經(jīng)從鐵路建設的量要求進入到對質(zhì)與創(chuàng)新的要求的全新階段，已經(jīng)從對鐵路技術的掌握轉變?yōu)閷夹g創(chuàng)新的全新征程。鐵路邊坡，作為鐵路建設運營中的基礎性工程，影響并決定了鐵路建設的安全可靠性。鐵路邊坡監(jiān)測管理系統(tǒng)目前缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)管理方式，邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸、儲存信息化程度有待提升，邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)的效率與準確性受到了的制約。因此，建立一個統(tǒng)一標準的、技術先進的、安全高效的鐵路邊監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)，依靠信息技術全面提高數(shù)據(jù)管理水平，為鐵路邊坡監(jiān)測提供強有力的數(shù)據(jù)支撐是必要且實際的。

本文研究內(nèi)容集中于區(qū)塊鏈技術在鐵路邊坡監(jiān)測系統(tǒng)中的應用，提出了基于區(qū)塊鏈技術的鐵路邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入存儲系統(tǒng)的架構方案，利用區(qū)塊鏈的自有技術優(yōu)勢，為鐵路邊坡監(jiān)測預警系統(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)架構方式，有效提高了鐵路邊坡監(jiān)測預警系統(tǒng)數(shù)據(jù)的結構效率，使系統(tǒng)信息化水平進一步提升變?yōu)榭赡堋?/p>

1 區(qū)塊鏈技術的相關技術

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

1.1 區(qū)塊鏈技術類型選取

區(qū)塊鏈技術根據(jù)訪問和管理權限分為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)測預警系統(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行研究。

1.2 區(qū)塊鏈技術數(shù)據(jù)架構

工信部指導發(fā)布的《區(qū)塊鏈技術和應用發(fā)展白皮書2016》中對于區(qū)塊鏈技術做出定義：區(qū)塊鏈技術是一種按照時間順序將數(shù)據(jù)區(qū)塊以順序相連的方式組合成的一種鏈式數(shù)據(jù)結構，并以密碼學方式保證的不可篡改和不可偽造的分布式賬本技術［4］。實際案例中，區(qū)塊鏈是利用相關技術驗證具體數(shù)據(jù)并給出整體數(shù)據(jù)的信任體系的技術過程。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結構方式是區(qū)塊鏈技術命名的主要依據(jù)，該技術可以分為區(qū)塊和鏈2個部分。

區(qū)塊是鏈結構的基本數(shù)據(jù)單元，存儲對應事件的信息，區(qū)塊可以分為區(qū)塊頭和區(qū)塊體2個部分。區(qū)塊頭包含上一區(qū)塊標識、時間戳、默克爾樹根等標志與指向性信息，區(qū)塊體負責記錄代表的項目信息，如圖1所示。

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

1.3 加密算法

加密算法是區(qū)塊鏈技術信息安全的重要保障。區(qū)塊鏈應用的加密技術建立在信息共享公開的基礎上［7］，兼顧去中心化和安全性要求。常用的加密方式有3種：對稱加密、非對稱加密、散列加密，三者對比如表2所示。區(qū)塊鏈技術要求加密的過程是單向不可逆的，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數(shù)對輸入進行加密，在保證安全性的基礎上快速、儲存量小、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關系如圖3所示。哈希算法破解難度與約束程度大致成指數(shù)相關，指定信息的加密約束足夠高，信息安全程度趨近于無窮。

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，其過程類似無標底競標過程，由3步驟組成。第一步競標各方廣播競標價的加密結果，第二步各方公布競標價格，第三步校驗各方價格與加密結果的一致性，具體過程如圖4所示。

2 鐵路邊坡監(jiān)測信息錄入與存儲架構

鐵路邊坡監(jiān)測技術趨于時間上的實時化、內(nèi)容上的多樣化，對于邊坡監(jiān)測產(chǎn)生的大量的數(shù)據(jù)，采用區(qū)塊鏈技術可以有效地保證數(shù)據(jù)的安全性，同時提升整體數(shù)據(jù)被篡改的成本和難度。

2.1 基礎錄入單元及單復鏈的選擇

采用區(qū)塊鏈技術按照分布式賬本的方式記錄數(shù)據(jù)時，鐵路邊坡監(jiān)測得數(shù)據(jù)是多方面的，設置單一的數(shù)據(jù)鏈，會導致數(shù)據(jù)錄入的過程中容錯率低。以某日的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，原數(shù)據(jù)記錄采用不同的格式轉換成哈希值時，結果完全不同，見表3。這使得驗證信息時很難以程序化的流程驗證信息的準確性，同時給分析利用數(shù)據(jù)時造成困擾。

為了提升信息記錄和驗證效率，減少邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)后期的運維成本，本文采用多條數(shù)據(jù)鏈并行的方式進行架構。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，結果如表4所示。這種記錄形式下，數(shù)據(jù)錄入和存儲的可靠性和容錯率進一步提升，為數(shù)據(jù)分析和應用提供了基礎結構。

2.2 整體數(shù)據(jù)結構和安全性保障措施

并行的數(shù)據(jù)鏈結構中，當數(shù)據(jù)記錄的時間逐漸延展，數(shù)據(jù)結構會趨于網(wǎng)狀結構，此時原先適用于鏈狀數(shù)據(jù)結構的默克爾樹技術不再適用于整體的網(wǎng)狀結構。本文采用設置數(shù)據(jù)中心的方式進行解決。數(shù)據(jù)結構的秩序是建立數(shù)據(jù)驗證的必要前提，多條數(shù)據(jù)鏈并行時，建立一種新的適用于網(wǎng)狀數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)結構是必要的。針對數(shù)據(jù)類型的多樣性，網(wǎng)絡狀的數(shù)據(jù)結構可以被適用其中，具體結構形式如圖5所示。

2.3 數(shù)據(jù)庫與數(shù)據(jù)中心

為解決網(wǎng)絡狀數(shù)據(jù)結構的時空順序，從而建立起整體鏈狀的完整數(shù)據(jù)結構，本文設計了解決方案。通過組成網(wǎng)狀數(shù)據(jù)的各個項目按照相同的時空排列方式分別組鏈。數(shù)據(jù)中心記錄各個項目的秩序信息，并補充時間、空間的驗證信息，如圖6所示。這種解決方案中，數(shù)據(jù)中心本質(zhì)上是記錄各個項目的關系的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫。

3 邊坡監(jiān)測信息錄入和存儲方式

3.1 項目的組鏈方式

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

第一步：創(chuàng)建創(chuàng)世區(qū)塊。其他的邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)將以初始區(qū)塊的內(nèi)容為基礎進行組鏈，同時默認初始區(qū)塊的時間點為0。

第二步：將每一個時間節(jié)點的監(jiān)測數(shù)據(jù)按照預設的格式進行整理。

第三步：將監(jiān)測數(shù)據(jù)進行Hash加密，為了確保加密數(shù)據(jù)的安全性，設置時間戳進行控制，此例中選用加密數(shù)據(jù)的年月日為對應的時間戳。

第四步：將整理好的監(jiān)測數(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)為鏈是區(qū)塊聯(lián)通前后區(qū)塊，構成區(qū)塊鏈。

第五步：架構默克爾樹，確定默克爾根。

3.2 空間信息組鏈方式

在對鐵路邊坡監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄系統(tǒng)進行架構時，具體的項目無論是按照時間還是按照空間進行組鏈，都只能是單一基本要素的組鏈，這與鐵路邊坡數(shù)據(jù)上時間和空間的高度關聯(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。每個時刻的數(shù)據(jù)中心的記錄內(nèi)容結合地理信息形成一個新的數(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刻的數(shù)據(jù)記錄的空間鏈。

3.3 區(qū)塊的識別

區(qū)塊按照時間和空間進行組網(wǎng)之后，并行的數(shù)據(jù)鏈之間是沒有任何區(qū)別的，如何區(qū)分不同的數(shù)據(jù)鏈，是后續(xù)有效使用時空區(qū)塊數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的重要前提。本文采用了如下的方式進行標記，以某鐵路邊坡記錄數(shù)據(jù)為例進行說明。本文通過對所需要的Hash代碼進行相應的約束，約束為重度01、內(nèi)摩擦角02、邊坡角03，標記結果如表6所示。

4 結論

區(qū)塊鏈作為一種數(shù)據(jù)的鏈式結構，實質(zhì)是通過犧牲數(shù)據(jù)存儲效率和算力來保證數(shù)據(jù)的去中心化和安全性的數(shù)據(jù)庫。作為一種數(shù)據(jù)庫的存儲形式，區(qū)塊鏈本身是不具有功能的。為了使區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結構更適用于鐵路邊坡監(jiān)測，本文類比于細胞結構對數(shù)據(jù)鏈進行探究：

（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構調(diào)整為多條數(shù)據(jù)鏈并行的結構。在本文采用的數(shù)據(jù)記錄結構中，有現(xiàn)場直接監(jiān)測得到的各個監(jiān)測項目的數(shù)據(jù)鏈構成了數(shù)據(jù)的核心。

（2）空間信息的組鏈：鐵路邊坡監(jiān)測的工程實際當中，數(shù)據(jù)不僅是同一個監(jiān)測點時間上的聯(lián)系，還在于同一時間地理信息上的關聯(lián)性。本文提出了數(shù)據(jù)鏈技術在時間和空間上的應用，是區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)信息更符合鐵路邊坡監(jiān)測的實際。

（3）數(shù)據(jù)識別與接收機制：并行的數(shù)據(jù)鏈之間，除了記錄的信息有所區(qū)別，在結構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)過分析得出結果，在記錄到數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)鏈中需要一定的識別標志。為此，本文對并行的數(shù)據(jù)鏈中信息加密后的Hash值進行約束，從而對各個區(qū)塊進行相應的標記，為數(shù)據(jù)的分析和運用提供基礎。

參考文獻

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