區(qū)塊鏈技術在國家水權(quán)交易系統(tǒng)中的應用

劉云杰，劉 睿，鄧延利，石玉波

(1.水利部綜合事業(yè)局，北京 100053；2.中國水權(quán)交易所，北京 100053)

區(qū)塊鏈技術作為一種新信息技術正在受到廣泛的關注和認可。作為一種分布式共享記賬技術，區(qū)塊鏈融合了分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制、密碼學等底層技術，具有去中心化、數(shù)據(jù)不可篡改、可溯源、開放性等特性[1]。應用區(qū)塊鏈技術能以較低的成本即可獲得一種新型弱中心化信任建立機制和更大規(guī)模的多方管理協(xié)作模式，突破了過往中心化結(jié)構(gòu)在信任、數(shù)據(jù)安全、監(jiān)管等維度的瓶頸。2019年10月，習近平總書記在主持中共中央政治局第十八次集體學習時強調(diào)了區(qū)塊鏈技術的集成應用在新的技術革新和產(chǎn)業(yè)變革中的重要作用，指出要加大投入力度，加快推動區(qū)塊鏈技術和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。在國家加大力度積極推進區(qū)塊鏈和經(jīng)濟社會融合發(fā)展的新形勢下，我國區(qū)塊鏈技術的應用已向能源、農(nóng)業(yè)、教育、醫(yī)療、水利等金融行業(yè)之外的各行業(yè)的應用場景延伸，區(qū)塊鏈技術的集成應用正改變著諸多行業(yè)的運行規(guī)則和發(fā)展圖景。

國家水權(quán)交易系統(tǒng)是由中國水權(quán)交易所開發(fā)的輻射全國的水權(quán)交易平臺，覆蓋國內(nèi)水權(quán)市場上公開交易、政府回購及協(xié)議轉(zhuǎn)讓等多交易類型的信息掛牌、交易撮合、在線結(jié)算、成交公示等業(yè)務，為區(qū)域水權(quán)交易、取水權(quán)交易和灌溉用水戶水權(quán)交易用戶提供便捷、規(guī)范的交易平臺。系統(tǒng)大大縮減了水權(quán)交易中間環(huán)節(jié)，降低了水權(quán)交易中不必要的成本，是交易規(guī)則得以順利實施的有力載體及規(guī)范國內(nèi)水權(quán)交易平穩(wěn)有序開展的重要保障，已成為國內(nèi)水權(quán)流轉(zhuǎn)與交易信息匯總的權(quán)威平臺。國家水權(quán)交易系統(tǒng)采用面向服務的體系架構(gòu)(SOA)設計，部署在阿里云平臺上，能夠在多區(qū)域、大規(guī)模用戶并發(fā)、高吞吐量交易數(shù)據(jù)的業(yè)務環(huán)境下高效運行[2]，在軟硬件維度都具有良好可拓展性，可根據(jù)業(yè)務發(fā)展完成系統(tǒng)擴展與升級，為未來全國大范圍、高頻度的水權(quán)交易流轉(zhuǎn)提供了強有力的技術支撐。中國水權(quán)交易所一直在提升交易系統(tǒng)安全性、適用性、可靠性、聯(lián)動性等方面做出嘗試和努力。區(qū)塊鏈技術的點對點的分布式記賬方式、多節(jié)點共識機制、非對稱加密和智能合約等[1]多種技術手段為國家水權(quán)交易系統(tǒng)的改善升級提供了新的思路。筆者對區(qū)塊鏈技術支持下的國家水權(quán)交易系統(tǒng)進行應用研究，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術的水權(quán)交易系統(tǒng)架構(gòu)，打造以“水權(quán)交易區(qū)塊鏈”為載體的水權(quán)流轉(zhuǎn)體系，探索實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術為水權(quán)交易賦能與價值提升。

1 區(qū)塊鏈技術與國家水權(quán)交易系統(tǒng)的契合點分析

區(qū)塊鏈技術具有智能合約、分布式記賬、不可篡改、點對點等特質(zhì)，與水權(quán)交易系統(tǒng)在共識、安全、效率、共享等方面的建設需求高度契合，具有廣闊的應用空間。

1.1 以智能合約構(gòu)建透明化水權(quán)交易規(guī)則體系共識機制

無論是公開交易、協(xié)議轉(zhuǎn)讓或是政府回購，當一筆水權(quán)交易發(fā)生時，賣水方掛牌/應牌、買水方掛牌/應牌、交易審核、保證金及交易價款繳納、協(xié)議簽訂這一系列程序都是在水權(quán)交易規(guī)則體系的推動和規(guī)范下有序進行的。交易流程的流轉(zhuǎn)及交易秩序的維護目前主要依托中國水權(quán)交易所及水行政主管部門作為每個節(jié)點的中介方或?qū)徍朔酱_認和推動，在交易磋商、資金流轉(zhuǎn)、協(xié)議簽訂等關鍵節(jié)點，對處于相對被動狀態(tài)的出讓方和受讓方來說則存在著多方交互信任的挑戰(zhàn)。

中國水權(quán)交易所作為水權(quán)交易系統(tǒng)的建設方，為相互陌生的水權(quán)交易用戶開展交易提供了信用背書，區(qū)塊鏈技術通過對智能合約的應用可以強化系統(tǒng)本身的信任機制。應用智能合約技術，將水權(quán)交易流程中的規(guī)則體系寫入代碼層，當合約的相關方在區(qū)塊鏈上產(chǎn)生業(yè)務流轉(zhuǎn)的時候，系統(tǒng)會自動觸發(fā)一段代碼來自動完成交易的流程[3]，配合分布式分類賬架構(gòu)，使得交易規(guī)則體系及其在交易中的運行狀態(tài)、執(zhí)行過程具有透明性、不可篡改性和可溯源性。交易用戶間可以通過算法程序建立互信，可以建立一種技術背書的共識機制，用數(shù)字信任來加持國家平臺信用，構(gòu)建透明、可靠的數(shù)字交易規(guī)則體系，推動具有高信任度的買賣雙方“點對點”交易機制的培育，提升水權(quán)交易效率。此外，智能合約可以為水權(quán)交易業(yè)務流轉(zhuǎn)帶來可靠性的提升，針對不同的用戶或者同一個用戶不同時刻、不同終端設備的多次操作，對于輸入交易系統(tǒng)相同的操作訴求，能夠保證產(chǎn)生相同的輸出，信任沿著區(qū)塊鏈流轉(zhuǎn)，消解履約風險，提升買賣雙方的交易安全感。

1.2 以分布式結(jié)構(gòu)保障水權(quán)交易數(shù)據(jù)的安全性與完整性

國家水權(quán)交易系統(tǒng)集成了自中國水權(quán)交易所開業(yè)以來國內(nèi)水權(quán)交易全領域多維數(shù)據(jù)，涵蓋了不同類型水權(quán)交易業(yè)務數(shù)據(jù)、交易用戶數(shù)據(jù)、水權(quán)確權(quán)數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)、運營數(shù)據(jù)、監(jiān)管數(shù)據(jù)、會員信息等。當前國家水權(quán)交易系統(tǒng)部署在云上，面對遠距離掌控數(shù)據(jù)、脫離數(shù)據(jù)最終控制的負面因素，如何確保水權(quán)交易系統(tǒng)的數(shù)據(jù)不受侵害，保障數(shù)據(jù)安全性、完整性一直是水權(quán)交易系統(tǒng)的核心任務之一。

區(qū)塊鏈技術的分布式結(jié)構(gòu)對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄機制的變革為保障國家水權(quán)交易系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全性和完整性提供了具體思路。區(qū)塊鏈體系中的所有節(jié)點在公鑰和私鑰并存的加密機制下共同記錄數(shù)據(jù)，維護備份同一本賬本，當單點出現(xiàn)故障或受到攻擊時，其他區(qū)塊數(shù)據(jù)備份副本保障了數(shù)據(jù)完整和可靠，且區(qū)塊鏈中每一筆交易數(shù)據(jù)都具有時間戳，數(shù)據(jù)一旦添加或交易已經(jīng)完成，它就不能被編輯或刪除。使用區(qū)塊鏈來存儲水權(quán)交易系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源，配合可信硬件及可信安全程序，形成一個去中心化的分布式時間戳水權(quán)交易數(shù)據(jù)服務系統(tǒng)，可以有效地抵抗系統(tǒng)數(shù)據(jù)的丟失或未經(jīng)授權(quán)的修改，保證系統(tǒng)中每條數(shù)據(jù)都真實可信，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲建立安全壁壘，有效提升水權(quán)交易數(shù)據(jù)安全性和完整性。

1.3 支撐數(shù)據(jù)共享及聯(lián)動，打通數(shù)據(jù)協(xié)作壁壘

水權(quán)交易實踐的開展對水資源分配、水資源時空分布、用戶取用水等要素數(shù)據(jù)有著綜合應用需求，當前正在探索研究的水量水質(zhì)雙指標交易、生態(tài)補償型交易、合同節(jié)水量交易等新類型的水權(quán)交易也需要動態(tài)掌握水環(huán)境、水生態(tài)、水利工程相關指標的監(jiān)測數(shù)據(jù)。建立國家水權(quán)交易系統(tǒng)與國家水資源監(jiān)控能力建設系統(tǒng)、取水許可電子證照系統(tǒng)、各地區(qū)/灌區(qū)水計量檢測系統(tǒng)等信息化成果的數(shù)據(jù)共享聯(lián)動與業(yè)務協(xié)同關系是提高水資源利用效率與效益、確保水權(quán)交易用水戶節(jié)水激勵效果、防范水權(quán)交易風險的關鍵點和難點所在。

對比傳統(tǒng)的中心化數(shù)據(jù)共享模式，區(qū)塊鏈技術為水權(quán)交易系統(tǒng)建設中打破各信息化成果壁壘制約找到了新的思路和模式，其分布式記賬、共識機制、可溯源、加密算法、智能合約激勵等機制具有信息透明、數(shù)據(jù)共享的特質(zhì)，為系統(tǒng)數(shù)據(jù)共享和聯(lián)動中異構(gòu)數(shù)據(jù)的存儲與交換、數(shù)據(jù)精準確權(quán)、安全共享、透明監(jiān)管與授權(quán)、安全存儲等技術瓶頸提供更為有效地解決方案。當水權(quán)交易、水資源分配、用戶取用水情況等系列數(shù)據(jù)通過“鏈”上共建、共享、共用、共管，水資源“確權(quán)-交易-使用”實現(xiàn)全流程動態(tài)系統(tǒng)性掌控，建立水權(quán)交易評價體系和水權(quán)交易信用體系將成為區(qū)塊鏈技術與水權(quán)交易結(jié)合的創(chuàng)新應用與價值轉(zhuǎn)化新方向。

2 基于區(qū)塊鏈技術的國家水權(quán)交易系統(tǒng)框架設計

基于區(qū)塊鏈的技術特點及其與水權(quán)交易的契合點，筆者引入?yún)^(qū)塊鏈作為底層技術基礎對國家水權(quán)交易系統(tǒng)進行重設，鏈接交易用戶、中國水權(quán)交易所、政府監(jiān)管部門、金融機構(gòu)、會員單位等多個參與方，構(gòu)建水權(quán)、資金、交易信息、多系列數(shù)據(jù)的自主流轉(zhuǎn)通道，以期提升水權(quán)交易系統(tǒng)的信任度、安全性、透明性等多方面性能(圖1)。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術的國家水權(quán)交易系統(tǒng)框架

2.1 區(qū)塊鏈類型的確定

區(qū)塊鏈技術正從1.0階段向3.0階段發(fā)展[4]，根據(jù)不同的場景和用戶需求逐步形成了公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈3個類型分支[5]，在國家水權(quán)交易系統(tǒng)中應用區(qū)塊鏈技術首先應該選擇合適的區(qū)塊鏈類型。

公有鏈[6]沒有節(jié)點準入限制，任何人都可以讀取數(shù)據(jù)、發(fā)送交易且交易能夠獲得有效確認，其完全去中心化特質(zhì)導致節(jié)點的監(jiān)管難度大，法律屬性及監(jiān)管政策需多方協(xié)作共同推進。私有鏈通常在單獨實體使用，鏈上的各類權(quán)限取決于單獨實體的規(guī)則。聯(lián)盟鏈是一種介于公有鏈和私有鏈中間的形態(tài)，其節(jié)點范圍限定在經(jīng)過注冊和授權(quán)的有限數(shù)量的單位，與公有鏈及私有鏈相比，聯(lián)盟鏈的開放程度是有限制的，但保留了一定的去中心化程度，效率及針對性更高，更適合當前階段在民生、金融和商業(yè)領域的應用?；趪宜畽?quán)交易系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)特性，在最大限度發(fā)揮區(qū)塊鏈技術去中心化管理特性的基礎上，平衡灌溉用水戶、企業(yè)用水戶等特定群體中的高共識成本，綜合考慮當前區(qū)塊鏈技術的成熟度不夠及配套政策法規(guī)滯后可能帶來的風險，筆者選擇聯(lián)盟鏈的形式作為國家水權(quán)交易系統(tǒng)的框架基礎。

2.2 水權(quán)交易聯(lián)盟鏈節(jié)點建設

在水權(quán)交易系統(tǒng)聯(lián)盟鏈中，交易所、政府機構(gòu)、部分交易用戶、地方水權(quán)交易/收儲轉(zhuǎn)讓中心、金融機構(gòu)、投資者、會員單位、參與數(shù)據(jù)共享的其他信息系統(tǒng)等可通過注冊成為鏈上節(jié)點，所有節(jié)點共同工作以實現(xiàn)聯(lián)盟鏈整體利益最大化(圖2)。

圖2 水權(quán)交易系統(tǒng)聯(lián)盟鏈結(jié)構(gòu)

中國水權(quán)交易所是水權(quán)交易系統(tǒng)的開發(fā)者，推動整個聯(lián)盟鏈體系的建設與維護管理，串聯(lián)起聯(lián)盟鏈中的各個節(jié)點，設立統(tǒng)一的技術標準和管理標準，集成安全、可靠的水權(quán)交易平臺；政府機構(gòu)對水權(quán)交易關鍵流程進行審核和監(jiān)管，部分潛力地區(qū)政府積極探索在本地培育特色水權(quán)交易市場；地方水權(quán)收儲轉(zhuǎn)讓機構(gòu)對地方上用水戶、行業(yè)、企業(yè)節(jié)余水權(quán)和節(jié)水改造節(jié)余水權(quán)等進行收儲轉(zhuǎn)讓，形成聯(lián)盟鏈支鏈，支鏈與總鏈、支鏈內(nèi)部、支鏈間依靠地方水權(quán)收儲轉(zhuǎn)讓機構(gòu)并聯(lián)共享聯(lián)盟鏈的技術保障；各類共享信息系統(tǒng)結(jié)合水權(quán)交易應用需求，為聯(lián)盟鏈輸入相關水資源、水環(huán)境、水生態(tài)、水利工程等業(yè)務數(shù)據(jù)和感知數(shù)據(jù)，為水權(quán)交易從確權(quán)、到交易后評價的全周期提供數(shù)據(jù)支撐；金融機構(gòu)為鏈上資金流轉(zhuǎn)、支付結(jié)算提供技術支持和安全保障；會員單位與中國水權(quán)交易所是共同利益體，合作開拓水權(quán)交易上下游業(yè)務，共同培育水權(quán)交易市場，是聯(lián)盟鏈上水權(quán)交易業(yè)務的重要推動節(jié)點；節(jié)水服務投資者通過集成先進技術、提供節(jié)水改造和管理的服務產(chǎn)生的節(jié)水量可以通過水權(quán)交易系統(tǒng)產(chǎn)生交易收益；交易雙方的購水與售水需求是整個交易聯(lián)盟鏈轉(zhuǎn)動的發(fā)動機，確保結(jié)余水權(quán)與資金通過聯(lián)盟鏈的運轉(zhuǎn)和傳送，安全、高效地反向流轉(zhuǎn)到對方手中，形成水權(quán)確權(quán)、水權(quán)交易、全流程監(jiān)管、在線結(jié)算、數(shù)據(jù)集成、信用評價反饋的可持續(xù)循環(huán)水權(quán)流轉(zhuǎn)體系，是基于區(qū)塊鏈技術的水權(quán)交易系統(tǒng)核心功能所在(圖3)。

圖3 水權(quán)通過“聯(lián)盟鏈”流轉(zhuǎn)

2.3 系統(tǒng)架構(gòu)設計

結(jié)合國家水權(quán)交易系統(tǒng)的功能和性能需求，筆者將以區(qū)塊鏈為底層技術的國家水權(quán)交易系統(tǒng)基礎架構(gòu)分為6層：業(yè)務平臺層、智能合約層、共識層、網(wǎng)絡層、數(shù)據(jù)層和基礎設施層(圖4)。

圖4 基于區(qū)塊鏈技術的國家水權(quán)交易系統(tǒng)框架

業(yè)務平臺層深入水權(quán)交易系統(tǒng)業(yè)務需求，封裝了國家水權(quán)交易系統(tǒng)的全部應用場景，交易主體通過業(yè)務品包括水權(quán)交易子系統(tǒng)、綜合查詢子系統(tǒng)、資金結(jié)算子系統(tǒng)、用戶管理子系統(tǒng)、信用評價子系統(tǒng)及灌溉用水戶手機APP應用，為交易用戶提供全面、便捷的交易服務。

智能合約層[7]封裝系統(tǒng)中的腳本、代碼、算法機制及智能合約。水權(quán)交易系統(tǒng)用戶通過智能合約實現(xiàn)水資源的交易、結(jié)算、監(jiān)管，覆蓋水權(quán)交易業(yè)務流的基本規(guī)則和邏輯。將水權(quán)交易流程中交易雙方、交易所、金融機構(gòu)、監(jiān)管方之間需要的公開交易合約、協(xié)議轉(zhuǎn)讓合約、交易結(jié)算合約、交易撮合規(guī)則、監(jiān)管規(guī)則及交易流程邏輯等通過腳本代碼和算法機制寫入系統(tǒng)智能合約層，通過設置相應的觸發(fā)條件和規(guī)則，完成合約的自動執(zhí)行，降低水權(quán)交易中的信任成本，減少交易所及監(jiān)管方的中間人環(huán)節(jié)，提升交易效率。

共識層所封裝的共識機制是區(qū)塊鏈系統(tǒng)最關鍵的技術之一，負責協(xié)調(diào)保證全網(wǎng)各節(jié)點數(shù)據(jù)記錄一致性[8]。PoW(工作量證明)、PoS(股權(quán)證明)、DPoS(授權(quán)股權(quán)證明)是目前比較常見的共識算法，在性能效率、去中心化程度、資源消耗等方面各有優(yōu)劣，適用于不同特性的應用場景。考慮基于聯(lián)盟鏈的國家水權(quán)交易系統(tǒng)需均衡考慮安全性與系統(tǒng)交易性能，筆者選用DPoS授權(quán)股權(quán)證明作為系統(tǒng)的共識算法(表1)。

表1 共識算法性能對比

系統(tǒng)網(wǎng)絡層采用承載著P2P(點對點)組網(wǎng)機制、數(shù)據(jù)傳播機制、數(shù)據(jù)驗證機制的P2P網(wǎng)絡，交易系統(tǒng)中聯(lián)盟鏈上的各節(jié)點通過點對點網(wǎng)絡達成信息的傳輸和服務的實現(xiàn)。

數(shù)據(jù)層用來存儲水權(quán)交易系統(tǒng)中的交易數(shù)據(jù)、用戶數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)及其他信息化成果的共享數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)以一個個區(qū)塊的封裝打包方式加蓋時間戳后存儲在水權(quán)交易系統(tǒng)聯(lián)盟鏈上，經(jīng)過哈希算法將區(qū)塊頭尾相連，對稱加密與非對稱加密混合的加密機制保護，形成一個安全的分布式數(shù)據(jù)賬本[12]，實現(xiàn)水權(quán)交易基礎數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)的存儲以及水權(quán)交易的實現(xiàn)與安全保障(圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)在聯(lián)盟鏈中存儲形式

基礎設施層封裝了基于聯(lián)盟鏈技術的國家水權(quán)交易系統(tǒng)建設所需的基礎軟硬件設施，提供物理環(huán)境支撐。

3 展 望

相對于傳統(tǒng)的中心化系統(tǒng)架構(gòu)，區(qū)塊鏈技術可以推動國家水權(quán)交易系統(tǒng)向多方參與者間協(xié)作共享的方向發(fā)展，在安全、信任、效率、應用拓展等多方面提升性能水平，具有重要的實踐和示范意義。然而，從技術層面、經(jīng)濟層面和風險防控層面來看，區(qū)塊鏈技術在水權(quán)交易領域進一步應用還面臨著諸多挑戰(zhàn)，如運營管理機制的建設、數(shù)據(jù)開放程度的把握、用戶共識基礎的構(gòu)筑、監(jiān)管體系重塑、配套制度的完善等，相信隨著水權(quán)水市場建設推進、區(qū)塊鏈技術的發(fā)展以及水權(quán)交易與區(qū)塊鏈之間更多融合潛力的挖掘，區(qū)塊鏈技術和國家水權(quán)交易系統(tǒng)間能夠?qū)崿F(xiàn)深層次的交融拓展，打通水權(quán)交易“創(chuàng)新鏈、應用鏈、價值鏈”。