新時(shí)期區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水務(wù)的應(yīng)用分析

李燦波

（濰坊市市政工程設(shè)計(jì)研究院有限公司）

1 引言

在我國社會體系中，區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用場景較多，包括醫(yī)療領(lǐng)域、教育領(lǐng)域、通信領(lǐng)域。近年來，智慧水務(wù)建設(shè)趨勢逐漸明朗，但水務(wù)系統(tǒng)的升級仍存在較多阻礙，區(qū)塊鏈技術(shù)滲透在智慧水務(wù)系統(tǒng)后，能夠使我國水務(wù)系統(tǒng)順利進(jìn)入“智慧化決策”階段。但是為保障智慧水務(wù)系統(tǒng)滿足社會水務(wù)管理的實(shí)際需求，還應(yīng)基于區(qū)塊鏈技術(shù)，優(yōu)化智慧水務(wù)建設(shè)方案。

2 智慧水務(wù)相關(guān)概述

“智慧水務(wù)”是基于現(xiàn)代信息技術(shù)體系，在GIS、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)的支持下，智能感知、監(jiān)控城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)，并利用各類先進(jìn)技術(shù)手段，分析水務(wù)數(shù)據(jù)，處理水務(wù)信息。隨后在系統(tǒng)“智能感知”后，應(yīng)用仿真技術(shù)、人工智能技術(shù)對水務(wù)業(yè)務(wù)進(jìn)行智能決策。智慧水務(wù)是針對社會水務(wù)活動(dòng)的綜合性管理系統(tǒng)，有利于促進(jìn)水務(wù)管理的精細(xì)化、智能化發(fā)展[1]。

近年來，我國智慧水務(wù)技術(shù)體系逐漸完善，但對于水務(wù)決策仍依賴于基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)資源。為保障水務(wù)智慧管理決策的合理性，區(qū)塊鏈技術(shù)可憑借自身“可追蹤”、“去中心化”、“不可篡改”特征，在系統(tǒng)內(nèi)打造分布式數(shù)據(jù)庫，并聯(lián)合水務(wù)系統(tǒng)現(xiàn)有的技術(shù)終端，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)剡M(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲、轉(zhuǎn)換、安全管理，夯實(shí)我國智慧水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

3 我國智慧水務(wù)的發(fā)展階段

相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2021年我國智慧化水務(wù)建設(shè)中的投資數(shù)額即將突破100億元。國家針對“智慧水務(wù)”建設(shè)提出一系列政策方針，且現(xiàn)代信息技術(shù)更為成熟，預(yù)計(jì)智慧水務(wù)在未來會進(jìn)入高速發(fā)展階段，行業(yè)規(guī)模將從2021年的159億元突破到251億元。

智慧水務(wù)建設(shè)是較為復(fù)雜的系統(tǒng)工程，不可一蹴而就，需要?dú)v經(jīng)4個(gè)發(fā)展階段：

①通過城鎮(zhèn)水務(wù)系統(tǒng)的信息化建設(shè)，完善水務(wù)系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施，使其具有“自動(dòng)采集水務(wù)數(shù)據(jù)”的功能。

②在物聯(lián)網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的支持下，整合水務(wù)系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，提升其自動(dòng)化水平，使其能夠和手機(jī)、電腦終端連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程水務(wù)管理。

③基于智慧水務(wù)平臺，共享行業(yè)內(nèi)的水務(wù)管理資源、水務(wù)信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，促進(jìn)智慧水務(wù)系統(tǒng)中的信息共享，實(shí)現(xiàn)水務(wù)管理信息互聯(lián)互通。

④在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、區(qū)塊鏈等技術(shù)的驅(qū)動(dòng)下，增加水務(wù)系統(tǒng)決策的智慧化程度，真正意義地實(shí)現(xiàn)“智慧水務(wù)”。

4 智慧水務(wù)中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的必要性

目前，我國智慧水務(wù)建設(shè)中的“數(shù)據(jù)孤島”問題、“數(shù)據(jù)價(jià)值挖掘不到位”的問題非常突出，導(dǎo)致智慧水務(wù)系統(tǒng)的決策能力較弱，且數(shù)據(jù)采集、分析過程中無法保障水務(wù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。智慧水務(wù)作為城市智慧化建設(shè)的重要結(jié)構(gòu)，水務(wù)系統(tǒng)運(yùn)行期間需采集大量的城市防汛數(shù)據(jù)、水質(zhì)信息、水文數(shù)據(jù)、排水?dāng)?shù)據(jù)，并通過網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)分析作用，監(jiān)測、處理水務(wù)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)水務(wù)智慧化管理[2]。但物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)支持下的“中心化”技術(shù)結(jié)構(gòu)會存在一定數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)，需要借助區(qū)塊鏈技術(shù)解決智慧水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)問題。

由此可見，區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，可通過“去中心化”的基本模式，為水務(wù)業(yè)務(wù)的智慧管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持，有利于增強(qiáng)水務(wù)管理決策的科學(xué)性。同時(shí)能夠用基礎(chǔ)水務(wù)數(shù)據(jù)，反映城鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)的真實(shí)情況，便于相關(guān)主體在水務(wù)管理中做好排水規(guī)劃、水資源配置工作，確保城市水務(wù)治理效果。

5 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的智慧水務(wù)建設(shè)

5.1 確保供水信息的可靠性

智慧水務(wù)系統(tǒng)中，區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)是作為一種數(shù)據(jù)透明、公開且去中心化的管理型賬本，可追蹤水務(wù)管理中的水交易信息、供水信息。若使用傳統(tǒng)的“公有鏈”，在記錄水量、水質(zhì)信息時(shí)都會因個(gè)體、企業(yè)的違規(guī)操作導(dǎo)致數(shù)據(jù)不真實(shí)。區(qū)塊鏈技術(shù)可通過采集不可變的供水信息、其他水務(wù)信息，幫助智慧水務(wù)管理驗(yàn)證系統(tǒng)內(nèi)水信息的真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)水?dāng)?shù)據(jù)的有效驗(yàn)證，為其制定管理決策打好基礎(chǔ)。比如基于傳統(tǒng)“中心化”的公有鏈，智慧水務(wù)系統(tǒng)在追溯水質(zhì)污染源頭、其他水務(wù)問題時(shí)所獲取的信息存在失真、延時(shí)情況，繼而影響水務(wù)決策的有效性[3]。

5.2 實(shí)現(xiàn)水交易的智慧管理

智慧水務(wù)系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)后，其管理效率更為高效，智能化程度加深，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)“水交易”的智慧管理。

①技術(shù)融合后，智慧水務(wù)系統(tǒng)可全面、實(shí)時(shí)監(jiān)控城鎮(zhèn)范圍內(nèi)的“供水管網(wǎng)”，不僅能夠排查管網(wǎng)運(yùn)行期間的漏失隱患，還能夠利用智能化的水量數(shù)據(jù)、水壓數(shù)據(jù)傳感器，去中心化采集、傳輸基礎(chǔ)水信息，發(fā)現(xiàn)異常水交易問題后，由傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換分析并給出預(yù)警信息。

②中心化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中，水交易數(shù)據(jù)的管理難度較大。區(qū)塊鏈技術(shù)，可以在智慧水務(wù)系統(tǒng)中針對水交易建立無中心數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)，即在信任某一加密算法的前提下，利用區(qū)塊鏈技術(shù)的可溯源、透明、不可篡改特點(diǎn)，管理水費(fèi)交易、污染權(quán)排放交易等，且區(qū)塊鏈底層結(jié)構(gòu)具有可編程、可加載特點(diǎn)，可結(jié)合智慧水務(wù)的實(shí)際需求，擴(kuò)大系統(tǒng)在水交易中的應(yīng)用場景。

③基于區(qū)塊鏈技術(shù)，智慧水務(wù)可實(shí)現(xiàn)城鎮(zhèn)特定區(qū)域內(nèi)水權(quán)“點(diǎn)對點(diǎn)交易”，讓用戶根據(jù)可靠的水交易信息，了解、共享水污染超額、水權(quán)利用時(shí)的共享數(shù)據(jù)資源，合理地進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)的水交易。

不僅如此，在區(qū)塊鏈技術(shù)的支持下，智慧水務(wù)系統(tǒng)中的傳感設(shè)備可實(shí)現(xiàn)水?dāng)?shù)據(jù)的安全傳輸，讓用水主體能夠掌握日常用水情況，做好水資源管理。發(fā)生漏水情況后，傳感設(shè)備可發(fā)送提醒信息，或自動(dòng)關(guān)閉水閘，減少水資源浪費(fèi)。

5.3 提升智慧水務(wù)管理效率

智慧水務(wù)系統(tǒng)中，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠提升水務(wù)管理效率，使系統(tǒng)有效地利用、處理水務(wù)信息，具體的應(yīng)用思路如下：

①通過應(yīng)用“區(qū)塊鏈去中心化、分布式賬本體系”，在智慧水務(wù)中建立數(shù)據(jù)共識機(jī)制、智能合約，建設(shè)用水企業(yè)、用水個(gè)體的數(shù)字化身份，并在水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)字空間中，對各主體的用水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行確權(quán)。隨后利用非對稱加密技術(shù)、點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)存儲、保護(hù)相關(guān)的水務(wù)信息，實(shí)現(xiàn)水交易、水務(wù)訪問時(shí)的隱私保護(hù)[4]。另外，智慧水務(wù)建設(shè)中，水務(wù)管理范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)信息較為復(fù)雜，區(qū)塊鏈技術(shù)可在各地區(qū)的水文數(shù)據(jù)、水利數(shù)據(jù)、環(huán)保數(shù)據(jù)的采集中加強(qiáng)數(shù)據(jù)溯源、數(shù)據(jù)保護(hù)，為智慧水務(wù)管理提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

②區(qū)塊鏈技術(shù)可促進(jìn)智慧水務(wù)管理的靈活性，為城鎮(zhèn)范圍內(nèi)相同流域的用水主體提供差異化的用水建議，使其根據(jù)天氣和氣候信息、水價(jià)格、市場趨勢，結(jié)合自身需求進(jìn)行定制化用水。在此過程中，智慧水務(wù)管理的信息獲取更為高效，甚至能夠?qū)崟r(shí)地管理水務(wù)業(yè)務(wù)，為智慧水務(wù)系統(tǒng)中個(gè)體消費(fèi)者、企業(yè)用戶、工業(yè)用水主體、水務(wù)公司、水務(wù)管理部門提供其所需的數(shù)據(jù)信息，優(yōu)化其對水資源的應(yīng)用策略。比如，某公司在智慧水務(wù)管理中，基于區(qū)塊鏈技術(shù)驗(yàn)證電力生產(chǎn)時(shí)水資源的分區(qū)使用效果，結(jié)果表示區(qū)塊鏈技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)水資源的合理分配。因此，智慧水務(wù)系統(tǒng)同樣可利用該技術(shù)，分配水資源，加強(qiáng)水資源管理。

5.4 保障基礎(chǔ)水務(wù)數(shù)據(jù)的安全性

在智慧水務(wù)中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)時(shí)，該技術(shù)不僅可實(shí)現(xiàn)水務(wù)數(shù)據(jù)的有效處理，還能夠促進(jìn)水務(wù)數(shù)據(jù)的深入分析，保障基礎(chǔ)水務(wù)數(shù)據(jù)的安全性，為水務(wù)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能業(yè)務(wù)、業(yè)務(wù)智能創(chuàng)造良好條件。具體來說，針對智慧水務(wù)系統(tǒng)中物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)面臨的“費(fèi)用、容量”約束問題，以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)缺陷問題、服務(wù)器停擺問題、操作問題，區(qū)塊鏈技術(shù)可通過以下方式，維護(hù)水務(wù)數(shù)據(jù)的安全性。

①利用智慧水務(wù)系統(tǒng)中的“智能合約”使智能化設(shè)備安全通信，且通信過程中無須增設(shè)系統(tǒng)中的“中心實(shí)體”。

②依據(jù)智慧水務(wù)系統(tǒng)中所傳遞的安全信息，自動(dòng)驗(yàn)證水務(wù)訪問簽名、設(shè)備標(biāo)識、消息發(fā)送主體身份權(quán)限，確保水務(wù)數(shù)據(jù)傳遞時(shí)的加密管理效果。

③基于去中心化的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，直接用計(jì)算機(jī)、智慧水務(wù)設(shè)備記錄存儲對應(yīng)的水務(wù)信息，從而避免系統(tǒng)在面臨網(wǎng)絡(luò)攻擊、軟件運(yùn)行問題時(shí)出現(xiàn)停機(jī)情況。

④通過數(shù)據(jù)不可欺騙的技術(shù)優(yōu)勢，檢測智慧水務(wù)系統(tǒng)中的違規(guī)行為，并阻止分散后進(jìn)行設(shè)備互鎖，即發(fā)現(xiàn)某一設(shè)備區(qū)塊鏈更新異常后，拒絕該設(shè)備的通信請求。

5.5 優(yōu)化水務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)服務(wù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)是從數(shù)據(jù)服務(wù)層面應(yīng)用在智慧水務(wù)系統(tǒng)中，并通過數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為智慧水務(wù)建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)服務(wù)體系。即利用區(qū)塊鏈技術(shù)，開發(fā)獨(dú)立的服務(wù)系統(tǒng)，如“區(qū)塊鏈BaaS服務(wù)結(jié)構(gòu)”，該服務(wù)結(jié)構(gòu)可應(yīng)用在系統(tǒng)的“公有云”、“水務(wù)業(yè)務(wù)”中，或保持獨(dú)立，通過RESTful接口為智慧水務(wù)系統(tǒng)提供“數(shù)據(jù)溯源”、“注冊區(qū)塊鏈賬戶”、“水務(wù)數(shù)據(jù)驗(yàn)證”等服務(wù)[5]。

①智慧水務(wù)系統(tǒng)中的區(qū)塊鏈服務(wù)層可憑借該技術(shù)的不可篡改、分布式賬本特性，為水務(wù)系統(tǒng)上層業(yè)務(wù)管理提供可信的數(shù)據(jù)服務(wù)。比如，評估水務(wù)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)信息的“健康狀態(tài)”，驗(yàn)證其真實(shí)性，驗(yàn)證流程如下。

首先，在智慧水務(wù)系統(tǒng)利用物聯(lián)網(wǎng)平臺的標(biāo)識ID管理智能水表時(shí)，憑借區(qū)塊鏈技術(shù)，創(chuàng)建BaaS服務(wù)接口，注冊區(qū)塊鏈個(gè)賬，激活后用區(qū)塊鏈賬戶一一映射已有的標(biāo)識ID。其次，根據(jù)智能水表顯示的數(shù)據(jù)，由區(qū)塊鏈賬戶驗(yàn)證其健康狀態(tài)數(shù)據(jù)，未發(fā)現(xiàn)異常后通過NBIoT傳輸?shù)街腔鬯畡?wù)系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)平臺，并從區(qū)塊鏈BaaS服務(wù)結(jié)構(gòu)中的數(shù)據(jù)接口錄入該智能水表的基礎(chǔ)水交易信息。

②區(qū)塊鏈技術(shù)可實(shí)現(xiàn)智慧水務(wù)系統(tǒng)高并發(fā)量的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。區(qū)塊鏈BaaS服務(wù)結(jié)構(gòu)會結(jié)合智慧水務(wù)系統(tǒng)的應(yīng)用場景，以及水務(wù)數(shù)據(jù)“高并發(fā)”的特點(diǎn)，自動(dòng)化地拓展數(shù)據(jù)驗(yàn)證功能。從而在系統(tǒng)進(jìn)行水務(wù)管理、處理智能水表數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)健康狀態(tài)的驗(yàn)證模型，并利用系統(tǒng)已有的技術(shù)架構(gòu)，多節(jié)點(diǎn)地接入數(shù)據(jù)，自動(dòng)緩沖數(shù)據(jù)庫，滿足智慧水務(wù)系統(tǒng)中高并發(fā)數(shù)據(jù)的上鏈驗(yàn)證、分析需求，提升智慧水務(wù)管理期間數(shù)據(jù)寫入效率，從系統(tǒng)底層驗(yàn)證高并發(fā)水務(wù)數(shù)據(jù)的可靠性。同時(shí)能夠在水交易管理中，利用BaaS服務(wù)結(jié)構(gòu)，突破區(qū)塊鏈層吞吐海量水務(wù)數(shù)據(jù)時(shí)的限制，滿足未來智慧水務(wù)系統(tǒng)高效管理的根本需求。

6 結(jié)語

綜上所述，智慧水務(wù)系統(tǒng)建設(shè)中，區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)透明性、不可篡改性特征能夠增強(qiáng)水務(wù)管理中基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的真實(shí)性，減少水務(wù)管理風(fēng)險(xiǎn)。因此，在推進(jìn)水務(wù)系統(tǒng)智能化建設(shè)時(shí)，還應(yīng)合理利用區(qū)塊鏈技術(shù)，優(yōu)化智慧水務(wù)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，改善水務(wù)業(yè)務(wù)環(huán)境，為水務(wù)智能化管理提供更可靠的數(shù)據(jù)資源，確保智慧水務(wù)決策的合理性。