基于區(qū)塊鏈的船舶數(shù)據(jù)共享應用研究

中圖分類號：TP309.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)18-0001-04

Abstract:Withtherapiddevelopmentoftheshipping industry，themasiveamountofdatageneratedbyshipsplaysakey roleinshipoperations，management，andsafety.However，traditionaldatasharingmodelssuferfromnumerousissessuchaspoor datasecurity，highriskoftampering，unclearownership，andlowsharingeficiency.Theadventofblockchaintechnologyhas broughtnewideasandmethodstoadressthesechallenges.Thispaperdelvesintotheaplicationofblockchain-basedshipdata sharing，coveringthecharacteristicsandavantagesofblockchainechologyitsaplicationarchitectureandeytecholgiesin shipdatasharing，analyzing thechalenges it faces，and thereby providing an outlook on future development trends.

Keywords:blockchain;ship data sharing;distributed storage;smart contract; application architecture

傳統(tǒng)船舶制造業(yè)供應鏈環(huán)境復雜，上下游企業(yè)間存在大量的“信息孤島”。打破信息孤島，實現(xiàn)不同制造階段的數(shù)據(jù)共享與業(yè)務協(xié)同是行業(yè)的迫切需求。然而，當前船舶數(shù)據(jù)的共享面臨著諸多問題，如數(shù)據(jù)的中心化存儲容易導致單點故障和數(shù)據(jù)泄露，數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中容易被篡改，不同主體之間的數(shù)據(jù)難以實現(xiàn)可信互聯(lián)互通和高效共享等。

本研究聚焦于基于區(qū)塊鏈的船舶數(shù)據(jù)共享應用，提出了一種全面且系統(tǒng)的基于區(qū)塊鏈的船舶數(shù)據(jù)共享框架，詳細闡述了其各個組成部分及其協(xié)同工作機制。該框架涵蓋基礎(chǔ)設施層、數(shù)據(jù)層、合約層、應用層和訪問控制層，通過這種分層架構(gòu)，有效地整合了船舶數(shù)據(jù)共享的各個環(huán)節(jié)。

同時，深入分析了該框架在提高數(shù)據(jù)安全性、降低篡改風險、增強數(shù)據(jù)可信度及提升數(shù)據(jù)共享效率等方面的顯著優(yōu)勢?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化特性結(jié)合IPFS分布式文件系統(tǒng)，消除了中心化存儲的單點故障風險，區(qū)塊鏈不可篡改的性質(zhì)確保了數(shù)據(jù)在各個階段的完整性，通過加密技術(shù)和共識機制保證了只有授權(quán)的參與者能夠訪問和修改數(shù)據(jù)。此外，智能合約的應用實現(xiàn)了自動化的業(yè)務邏輯和規(guī)則執(zhí)行，減少了人工干預和潛在錯誤，進一步提升了數(shù)據(jù)共享效率。

本研究旨在為航運業(yè)解決船舶數(shù)據(jù)共享難題提供一種創(chuàng)新的思路和方法，推動航運業(yè)朝著更加數(shù)字化、智能化和安全化的方向發(fā)展。

1船舶數(shù)據(jù)共享的需求與挑戰(zhàn)

1.1船舶數(shù)據(jù)共享的需求

1.1.1 設計與研發(fā)領(lǐng)域

提高設計效率和質(zhì)量：船舶設計復雜，不同設計階段和專業(yè)之間需要頻繁交流與協(xié)作。數(shù)據(jù)共享能讓設計師快速獲取其他相關(guān)專業(yè)的設計信息，如船體結(jié)構(gòu)設計人員可參考輪機設備的布置數(shù)據(jù)進行優(yōu)化設計，減少設計沖突和錯誤，提高整體設計效率和質(zhì)量。例如，在基本設計階段完成后，詳細設計人員能及時獲取相關(guān)數(shù)據(jù)并開展工作，避免重復建模和數(shù)據(jù)不一致的問題。

1.1.2生產(chǎn)與制造環(huán)節(jié)

質(zhì)量控制與追：共享質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)、工藝標準執(zhí)行情況等信息，便于對船舶建造的質(zhì)量進行全面監(jiān)控和管理。一旦出現(xiàn)質(zhì)量問題，可以快速追溯到問題環(huán)節(jié)和相關(guān)責任人，及時采取整改措施，提高船舶的質(zhì)量可靠性。

1.1.3 供應鏈協(xié)同方面

加強與供應商的合作：船舶建造業(yè)涉及眾多供應商，包括鋼材、設備、零部件等供應商。船廠與供應商之間共享需求預測、訂單信息、交付進度等數(shù)據(jù)，可以提高供應商的響應速度和供貨準確性，保障生產(chǎn)的連續(xù)性。同時，供應商也可以根據(jù)船廠的需求提前做好生產(chǎn)準備和資源調(diào)配。

1.2船舶數(shù)據(jù)共享面臨的挑戰(zhàn)

1.2.1 數(shù)據(jù)安全與隱私保護

船舶數(shù)據(jù)包含大量商業(yè)機密，如設計圖紙、運營數(shù)據(jù)等，一旦泄露可能對企業(yè)競爭力造成嚴重影響，數(shù)據(jù)在傳輸和存儲過程中可能遭受網(wǎng)絡攻擊，導致數(shù)據(jù)泄露或篡改，在共享時確保數(shù)據(jù)安全和隱私是關(guān)鍵問題。

1.2.2 數(shù)據(jù)異構(gòu)性

不同船舶、不同系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)格式和標準不統(tǒng)一，增加了數(shù)據(jù)整合和共享的難度。同時行業(yè)缺乏統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標準和接口規(guī)范，導致數(shù)據(jù)在不同系統(tǒng)間難以互通。需要對異構(gòu)數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換和處理，增加了數(shù)據(jù)共享的復雜性和成本。

1.2.3 數(shù)據(jù)信任問題

由于數(shù)據(jù)來源多樣，各方對數(shù)據(jù)的真實性和可靠性存在疑慮，影響了數(shù)據(jù)的共享和應用。在數(shù)據(jù)傳輸和存儲過程中，存在數(shù)據(jù)被篡改的風險，降低了數(shù)據(jù)的可信度。部分數(shù)據(jù)來源不明，難以追溯其生成和傳輸過程，增加了數(shù)據(jù)使用的不確定性。

1.2.4傳統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)的局限性

傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)存儲和管理方式易導致數(shù)據(jù)壟斷和信息不對稱，制約數(shù)據(jù)流通和共享。傳統(tǒng)架構(gòu)在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時擴展性差，難以滿足船舶行業(yè)日益增長的數(shù)據(jù)需求。中心化架構(gòu)存在單點故障風險，一旦中心節(jié)點出現(xiàn)問題，整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)共享和管理將受到影響。

1.2.5 數(shù)據(jù)質(zhì)量問題

數(shù)據(jù)采集過程中可能存在遺漏，導致數(shù)據(jù)不完整，影響數(shù)據(jù)分析和決策。數(shù)據(jù)采集設備和方法的局限性可能導致數(shù)據(jù)不準確，影響數(shù)據(jù)的可信度。數(shù)據(jù)更新不及時會導致使用過時數(shù)據(jù)進行決策，影響決策的準確性和有效性。

2 區(qū)塊鏈應用選擇

2.1 區(qū)塊鏈的基本概念

區(qū)塊鏈是一種依照時間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊，通過塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、密碼學和共識機制等技術(shù)手段，以鏈條形式確保數(shù)據(jù)一旦記錄便無法更改，形成不可篡改和不可偽造的分布式賬本技術(shù)。

2.1.1 聯(lián)盟鏈技術(shù)

聯(lián)盟鏈介于公有鏈和私有鏈之間，既保留了區(qū)塊鏈的部分去中心化特性，又引入了有限中心化管理，提升了系統(tǒng)的可運營性和效率。

2.1.2 共識機制

共識機制作為區(qū)塊鏈技術(shù)的核心與基礎(chǔ)，其主要功能在于驗證新區(qū)塊并確保在決策權(quán)高度分散的系統(tǒng)中數(shù)據(jù)能夠達到一致。在船舶數(shù)據(jù)共享應用環(huán)境中，各環(huán)節(jié)對數(shù)據(jù)的采集、傳輸、解析和分享均可以視為區(qū)塊鏈中的交易，這些交易需經(jīng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡確認，并在各環(huán)節(jié)達成共識后，方能被記錄在區(qū)塊鏈中。

2.2 區(qū)塊鏈與共識機制的選擇

在船舶數(shù)據(jù)共享的過程中，為了便于企業(yè)、政府監(jiān)管機構(gòu)和相關(guān)方準確監(jiān)督、管理、溯源，平臺需要具有高性能、高隱私性、高擴展性和良好的治理結(jié)構(gòu)等特點。聯(lián)盟鏈由于其節(jié)點數(shù)量較少，可以更快地達成共識，從而提供更快的交易驗證速度，參與者通常是預先確定的機構(gòu)或組織，數(shù)據(jù)只限于聯(lián)盟成員訪問，這大大提高了數(shù)據(jù)的隱私保護，還具備良好的擴展性和兼容性，具有較高的治理結(jié)構(gòu)和透明度。

Raft是一種分布式系統(tǒng)中用于管理復制日志的一致性算法，它通過選舉領(lǐng)導者(Leader)并由該領(lǐng)導者負責處理客戶端請求來簡化狀態(tài)機復制的過程。將Raft應用在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，可以大大加快共識的速度，加大區(qū)塊鏈系統(tǒng)的吞吐量。

2.3區(qū)塊鏈智能合約及其生命周期管理

智能合約在區(qū)塊鏈技術(shù)中扮演著核心角色，它不僅能夠明確交易各方的權(quán)責，還能對交易的執(zhí)行流程進行精細化的管理與控制。通過智能合約的編碼機制，交易規(guī)則和邏輯被有效地轉(zhuǎn)化為合同代碼，并得到加密算法的保護，從而確保了數(shù)據(jù)的真實性和完整性。在交易形成后，智能合約能夠在無須人工介入或第三方監(jiān)督的情況下，在智能合約服務平臺上自動執(zhí)行。整個交易過程被全面記錄，且這些記錄具有不可篡改性。

3基于區(qū)塊鏈的船舶數(shù)據(jù)共享關(guān)鍵技術(shù)

3.1船舶行業(yè)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)安全共享機制應用研究

在船舶行業(yè)數(shù)據(jù)共享與業(yè)務協(xié)同過程中，首先需要確定行業(yè)中上下游關(guān)鍵性確權(quán)數(shù)據(jù)或電子數(shù)據(jù)資產(chǎn)的關(guān)鍵性字段，如船用產(chǎn)品的生產(chǎn)編號、生產(chǎn)日期、生產(chǎn)者等關(guān)鍵信息，并完成數(shù)據(jù)采集。

其次，當數(shù)據(jù)采集完成，數(shù)據(jù)提供方將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)共享平臺，數(shù)據(jù)共享平臺將確權(quán)數(shù)據(jù)登記并記錄至船舶行業(yè)聯(lián)盟鏈中。

再次，數(shù)據(jù)需求方向數(shù)據(jù)共享平臺發(fā)起申請使用數(shù)據(jù)操作。數(shù)據(jù)提供方需要授權(quán)確認使用申請，發(fā)送密文數(shù)據(jù)給數(shù)據(jù)需求方。

最后，將數(shù)據(jù)需求方的數(shù)據(jù)請求和數(shù)據(jù)供給方的確權(quán)密鑰進行數(shù)據(jù)處理引擎計算工作，將確權(quán)數(shù)據(jù)解密并下發(fā)至數(shù)據(jù)需求方。

詳細步驟如圖1所示。

邏輯處理文件的分散存儲，包括文件多線程切分策略、節(jié)點信譽度計算策略及基于公平的文件分發(fā)機制。通過與上層區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層和協(xié)議層的協(xié)作，確保數(shù)據(jù)在存儲層中的可靠性、一致性和完整性。

3.2.2 區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈層采用Fabric，旨在將分布式存儲網(wǎng)絡架構(gòu)定位在區(qū)塊鏈領(lǐng)域。該層包含了一個完整的Fabric網(wǎng)絡架構(gòu)，包括CA認證節(jié)點、Orderer排序節(jié)點、Peer賬本記錄節(jié)點和錨節(jié)點、Kafka共識節(jié)點和Endorser背書節(jié)點等。這些服務共同構(gòu)建一個區(qū)塊鏈環(huán)境，為底層數(shù)據(jù)存儲層提供可靠性證明和不可篡改的數(shù)據(jù)強背書能力。

數(shù)據(jù)隱私安全計算服務

數(shù)據(jù)提供方 數(shù)據(jù)處理引整 18.原始數(shù)據(jù)銷毀原始數(shù)據(jù)不保存擎

1. 2.數(shù)據(jù)登記，

數(shù)據(jù)成 上傳數(shù)素 6.數(shù)據(jù)模型和計算工具 4.申請使用數(shù)據(jù)性說明數(shù)據(jù)確權(quán)共享平臺3.30 上鏈存證5.授權(quán)確認使用申請，發(fā)送密文數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)保護鏈

3.2基于區(qū)塊鏈的文件傳輸關(guān)鍵技術(shù)

船舶數(shù)據(jù)共享應用的文件存儲系統(tǒng)采用基于區(qū)塊鏈的分布式存儲系統(tǒng)，結(jié)合了去中心化屬性基于加密算法和公平的文件分發(fā)協(xié)議，旨在實現(xiàn)分布式存儲網(wǎng)絡的安全性、隱私保護能力及系統(tǒng)點對點網(wǎng)絡的公平自治性。圖2展示了基于區(qū)塊鏈的分布式存儲系統(tǒng)的分層模型圖，包括存儲層、區(qū)塊鏈層、協(xié)議層、管理層、接口層和應用層。

3.2.1 存儲層

作為系統(tǒng)的最底層，存儲層承載著分布式存儲網(wǎng)絡的核心功能。它由一個無中心的對等網(wǎng)絡構(gòu)成，節(jié)點由匿名的存儲設備組成。存儲層通過一系列算法和

3.2.3 協(xié)議層

協(xié)議層主要負責文件管理所需的安全算法、安全協(xié)議和區(qū)塊鏈共識機制等。通過運行各種算法，確保存儲在底層存儲層中的文件具有高度的安全性、可靠性和一致性。其中，基于公平的文件分發(fā)協(xié)議綜合考慮了系統(tǒng)中存儲節(jié)點的信譽度和系統(tǒng)吞吐量等指標，實現(xiàn)了文件的最大化分配；DCP-ABE為分布式存儲系統(tǒng)中的文件提供了訪問控制能力。

3.2.4 管理層

管理層負責對底層功能的集成管理，包括訪問控制策略的制定、隱私保護的具體實施、文件分發(fā)和訪問控制的具體管理方法、共識機制的管理及區(qū)塊鏈智能合約的管理。這些管理功能通過抽象底層資源和功能，提供給上層開發(fā)使用。

3.2.5 接口層

接口層結(jié)合管理層提供的抽象，設計了一個平臺的統(tǒng)一接入端，以SDK的形式提供給最上層的應用層進行系統(tǒng)的管理平臺開發(fā)。

3.2.6 應用層

應用層包含了區(qū)塊鏈管理模塊、區(qū)塊鏈性能監(jiān)控

模塊、屬性管理模塊及文件管理模塊等，為用戶提供了豐富的應用功能

4基于區(qū)塊鏈的船舶數(shù)據(jù)共享應用實踐

中國船級社自主研發(fā)了基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享平臺（CSBC），應用區(qū)塊鏈、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)標識解析技術(shù)建立行業(yè)數(shù)據(jù)共享平臺，實現(xiàn)了中國船級社與船東、產(chǎn)品廠、供方公司及設計單位之間的數(shù)據(jù)共享，促進了船舶行業(yè)業(yè)務協(xié)同。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的船舶數(shù)據(jù)共享平臺（CSBC）的總體技術(shù)架構(gòu)采用分層架構(gòu)設計，主要包括區(qū)塊鏈平臺、數(shù)據(jù)共享平臺和應用前置機3層。

4.1 區(qū)塊鏈平臺

區(qū)塊鏈平臺是CSBC平臺的核心，包含管理節(jié)點、核心節(jié)點和二級節(jié)點等幾種節(jié)點。根據(jù)基于區(qū)塊鏈的船舶數(shù)據(jù)共享關(guān)鍵技術(shù)要求，采用全域名解析方式部署。區(qū)塊鏈平臺數(shù)據(jù)加密和身份認證采用國密算法，增強用戶交易數(shù)據(jù)安全性。如圖3所示。

4.2 數(shù)據(jù)共享平臺

數(shù)據(jù)共享平臺主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與追溯服務，包括建立數(shù)據(jù)共享規(guī)范規(guī)則，針對應用進行管理，用戶賬戶及權(quán)限管理，對前置機的管理等。該平臺運用區(qū)塊鏈文件數(shù)據(jù)傳輸關(guān)鍵技術(shù)，為區(qū)塊鏈文件存儲提供整體解決方案，確保文件處理的每一步均得到妥善處理。

具有重要意義。

5結(jié)束語

本文對基于區(qū)塊鏈的船舶數(shù)據(jù)共享應用進行了深人研究，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的特性與優(yōu)勢，設計并提出了一個全面且系統(tǒng)的船舶數(shù)據(jù)共享框架，實現(xiàn)了在船舶設計、生產(chǎn)、供應鏈協(xié)同等多個環(huán)節(jié)中的應用。該框架通過分層架構(gòu)整合了船舶數(shù)據(jù)共享的各個環(huán)節(jié)，涵蓋了基礎(chǔ)設施、數(shù)據(jù)層、合約層、應用層及訪問控制層，從而有效提高了數(shù)據(jù)安全性，降低了篡改風險，增強了數(shù)據(jù)可信度，并顯著提升了數(shù)據(jù)共享效率。

本研究的結(jié)果表明，區(qū)塊鏈技術(shù)在船舶數(shù)據(jù)共享領(lǐng)域的應用能夠有效提高數(shù)據(jù)安全性、降低篡改風險、增強數(shù)據(jù)可信度及提升數(shù)據(jù)共享效率。本研究為船舶行業(yè)提供了一種新的數(shù)據(jù)管理和共享模式。此外，基于IPFS的分布式存儲系統(tǒng)和中國船級社自主研發(fā)的CSBC數(shù)據(jù)共享平臺的實際應用案例進一步驗證了本研究方案的可行性和有效性。

綜上所述，本研究為船舶數(shù)據(jù)共享提供了一種創(chuàng)新的思路和方法，對推動船舶行業(yè)數(shù)據(jù)共享的健康發(fā)展具有重要意義。

4.3 應用前置機

在用戶終端，CSBC提供共享交換前置機，運用基于數(shù)字信封技術(shù)的應用前置機技術(shù)，解決用戶入鏈的便捷性、高效性、可信性和安全性問題，是整體系統(tǒng)的最外層認證體系。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)共享平臺（CSBC）架構(gòu)（圖4)設計與實現(xiàn)，為船舶數(shù)據(jù)共享提供了新的解決方案，CSBC平臺實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可信交換、確保了數(shù)據(jù)的安全性，對推動船舶行業(yè)數(shù)據(jù)共享的健康發(fā)展

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