區(qū)塊鏈技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用展望

成 飛，張 磊，李 民

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

0 引言

水利行業(yè)信息化、數(shù)字化和智能化發(fā)展較為落后，近十年來(lái)，行業(yè)各方大力推行BIM技術(shù)，在數(shù)字化設(shè)計(jì)、智慧化運(yùn)維、大數(shù)據(jù)分析、云共享等領(lǐng)域頗有建樹(shù)，然而距離其他行業(yè)的現(xiàn)代化應(yīng)用還有差距，科技創(chuàng)新略顯不足。近年來(lái)，區(qū)塊鏈技術(shù)在全球范圍內(nèi)大火，這個(gè)源于加密數(shù)字貨幣的計(jì)算機(jī)新技術(shù)，目前正在向垂直領(lǐng)域延伸，蘊(yùn)含著巨大的變革潛力，有望成為數(shù)字經(jīng)濟(jì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的重要組件，正在改變諸多行業(yè)的發(fā)展圖景[1]。

2019年10月，習(xí)近平總書(shū)記在主持中央政治局學(xué)習(xí)時(shí)強(qiáng)調(diào)，區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應(yīng)用在新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革中起著重要作用。我們要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展。我國(guó)在區(qū)塊鏈領(lǐng)域擁有良好基礎(chǔ)，要加快推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展，積極推進(jìn)區(qū)塊鏈和經(jīng)濟(jì)社會(huì)融合發(fā)展。

那么如何將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用在水利行業(yè)中來(lái)幫助我們追趕超越？本文將對(duì)這一問(wèn)題展開(kāi)討論展望。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 區(qū)塊鏈的定義

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)去中心化的分布式系統(tǒng)，其本身是一串使用密碼學(xué)關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)塊。因其最重要的特點(diǎn)是每一節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)一份完整的數(shù)據(jù)，所以在狹義的理解中，很多人都管區(qū)塊鏈叫做分布式賬本或分布式數(shù)據(jù)庫(kù)。廣義上的區(qū)塊鏈則代表的是一種技術(shù)，是利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法來(lái)生成和更新數(shù)據(jù)、利用密碼學(xué)的方式保證數(shù)據(jù)傳輸和訪問(wèn)的安全、利用由自動(dòng)化腳本代碼組成的智能合約來(lái)編程和操作數(shù)據(jù)的一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)與計(jì)算范式[2～3]。

1.2 區(qū)塊鏈的結(jié)構(gòu)

區(qū)塊是鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的基本單元，主要包含區(qū)塊主體和區(qū)塊頭兩部分。文件通過(guò)非對(duì)稱加密算法加密后形成區(qū)塊主體，在區(qū)塊主體上加上區(qū)塊編號(hào)、時(shí)間戳、上一區(qū)塊哈希值、默克爾樹(shù)根等信息組成的區(qū)塊頭。

圖1 區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)圖

按區(qū)塊編號(hào)順序?qū)⑶耙粋€(gè)區(qū)塊的哈希值放入后一個(gè)區(qū)塊的區(qū)塊頭中形成了塊塊相連的區(qū)塊鏈，這種特殊的“塊-鏈”形式可以防止事后造假、抵賴和篡改。對(duì)鏈上任何內(nèi)容的修改，會(huì)造成本區(qū)塊哈希值的改變，正所謂“牽一發(fā)而動(dòng)全身”，后續(xù)每個(gè)區(qū)塊哈希值均會(huì)改變，文件真實(shí)性因此會(huì)受到影響[4]。

1.3 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)包含了多個(gè)基礎(chǔ)技術(shù):哈希運(yùn)算、默克爾樹(shù)、數(shù)字簽名、非對(duì)稱加密算法、共識(shí)算法、智能合約和P2P網(wǎng)絡(luò)等。

1.4 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)

1.4.1 去中心化透明可信

區(qū)塊鏈技術(shù)不依賴第三方管理機(jī)構(gòu)或硬件設(shè)施，沒(méi)有中心管制，所有節(jié)點(diǎn)均是對(duì)等節(jié)點(diǎn)，大家平等地發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)中的消息，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都保存有該鏈上的所有信息。每個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到信息后由共識(shí)算法進(jìn)行驗(yàn)證，保證所有節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的一致性。整個(gè)系統(tǒng)對(duì)所有節(jié)點(diǎn)均是透明、公開(kāi)的，信息是可信的。

1.4.2 難以篡改

在傳統(tǒng)信息系統(tǒng)的安全方案中，安全依賴于層層設(shè)防的訪問(wèn)控制。而通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)（公有鏈）記錄的數(shù)據(jù)任何人都可以訪問(wèn)，但由于巧妙的設(shè)計(jì)并輔以密碼學(xué)和共識(shí)機(jī)制，區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)記錄方式使得修改某一數(shù)據(jù)需要變更所有的后續(xù)數(shù)據(jù)，難度極大。實(shí)踐證明，市值達(dá)千億美金的比特幣在全球黑客的攻擊下運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，足以見(jiàn)證要篡改通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)記錄的數(shù)據(jù)的難度有多大[5～6]。

1.4.3 可追溯

想要直接更改區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)是不被允許的，但可以通過(guò)新增數(shù)據(jù)塊來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的變化，并在區(qū)塊鏈上留下完整記錄的。這樣我們可以針對(duì)某一數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈上追查與其相關(guān)的全部歷史變更。

1.4.4 安全可靠

區(qū)塊鏈不受任何人或?qū)嶓w控制，數(shù)據(jù)在所有節(jié)點(diǎn)上完成復(fù)制分發(fā)，單個(gè)節(jié)點(diǎn)被攻擊或出現(xiàn)故障，不影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)據(jù)安全性有保障。

1.5 區(qū)塊鏈的分類(lèi)

區(qū)塊鏈可按照訪問(wèn)和管理權(quán)限可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈。

公有鏈即為全員均可參與，不受任何單個(gè)機(jī)構(gòu)或私人控制，數(shù)據(jù)完全開(kāi)放透明。應(yīng)用典型代表是加密數(shù)字貨幣比特幣、以太坊等。

聯(lián)盟鏈常用于多個(gè)互相已知身份的組織之間構(gòu)建，需要嚴(yán)格的身份認(rèn)證和權(quán)限管理，適用于組織間需要達(dá)成共識(shí)的業(yè)務(wù)。比如多個(gè)銀行之間的支付結(jié)算、多個(gè)企業(yè)之間的物流供應(yīng)鏈管理、政府部門(mén)之間的數(shù)據(jù)共享等。應(yīng)用案例典型代表是超級(jí)賬本（Hyperledger）。

私有鏈指不對(duì)外開(kāi)放，僅僅在組織內(nèi)部使用。相比中心化數(shù)據(jù)庫(kù)，私有鏈能夠防止內(nèi)部某個(gè)節(jié)點(diǎn)篡改數(shù)據(jù)，故意隱瞞或篡改數(shù)據(jù)的情況很容易被發(fā)現(xiàn)，發(fā)生錯(cuò)誤時(shí)也能追蹤錯(cuò)誤來(lái)源，最大的好處是加密審計(jì)和自證清白。應(yīng)用案例典型代表是如螞蟻金服等。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用場(chǎng)景展望

2.1 工程招投標(biāo)信息驗(yàn)證

水利工程招投標(biāo)活動(dòng)中，招標(biāo)方會(huì)要求投標(biāo)方提供信用中國(guó)查詢截圖、行賄犯罪檔案查詢、相關(guān)業(yè)績(jī)簡(jiǎn)介、高級(jí)技術(shù)人員從業(yè)經(jīng)歷等信息，以便驗(yàn)證企業(yè)實(shí)力。此類(lèi)信息由投標(biāo)方自己提供，真?zhèn)坞y以辨別，在資格審查及評(píng)標(biāo)過(guò)程中往往耗費(fèi)大量精力和時(shí)間。

由行政主管部門(mén)制作發(fā)放基于區(qū)塊鏈技術(shù)的水利行業(yè)數(shù)字身份證，水利行業(yè)企業(yè)經(jīng)審批后上傳加密的企業(yè)經(jīng)營(yíng)信息和高級(jí)技術(shù)人員從業(yè)信息存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈中，此數(shù)據(jù)信息因企業(yè)和個(gè)人無(wú)法私自篡改而真實(shí)可靠。在招投標(biāo)活動(dòng)中通過(guò)解碼驗(yàn)證數(shù)字身份證后可快速讀取區(qū)塊鏈中相關(guān)信息，從而降低招投標(biāo)工作量，降低招投標(biāo)成本。

2.2 基于智能合約的建設(shè)管理

水利工程開(kāi)展涉及多家單位，原本中心化的工程建設(shè)模式需要建設(shè)方控制定計(jì)劃，實(shí)時(shí)獲得設(shè)計(jì)、施工、材料、設(shè)備制造環(huán)節(jié)中所有信息，工作繁瑣、難度大。在整個(gè)工程中，設(shè)計(jì)進(jìn)度、設(shè)備制造進(jìn)度、施工進(jìn)度等變化以及突發(fā)信息等都掌握在各自獨(dú)立的單位中，而這些單位之間的多線溝通影響了互聯(lián)互通的效率，也制約了工程在實(shí)際建造過(guò)程中的進(jìn)度。

構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工程信息記錄數(shù)據(jù)庫(kù)，包括參建各方人員信息記錄、工程設(shè)計(jì)圖紙及BIM信息、工程變更信息、地質(zhì)編錄信息、材料設(shè)備信息、造價(jià)信息、驗(yàn)收信息等，加強(qiáng)互聯(lián)，節(jié)省溝通成本，也能清晰明快地找出制約進(jìn)度的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，理清關(guān)鍵問(wèn)題思路，同時(shí)可以部署智能合約，提升項(xiàng)目智慧化建設(shè)管理水平。

智能合約在滿足一定條件時(shí)就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，基于區(qū)塊鏈不可篡改及安全性高的特點(diǎn)，可以確保智能合約的安全執(zhí)行。建設(shè)單位通過(guò)部署基于區(qū)塊鏈的智能合約，設(shè)定各合同執(zhí)行條件，待各方上傳數(shù)據(jù)后自動(dòng)執(zhí)行，簡(jiǎn)化建設(shè)單位工作量。比如，當(dāng)設(shè)計(jì)單位上傳階段范圍內(nèi)的全部設(shè)計(jì)文件到區(qū)塊鏈中，可觸發(fā)智能合約付款條件，系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行付款流程向財(cái)務(wù)提交付款申請(qǐng)，財(cái)務(wù)人員響應(yīng)后付款給設(shè)計(jì)單位，并將轉(zhuǎn)賬記錄上傳記錄在鏈上，完成該部分合約履行。

2.3 水利工程數(shù)字檔案

水利工程檔案記錄往往內(nèi)容不完善。每一項(xiàng)水利工程大相徑庭，參建單位來(lái)自各行各業(yè)，管理水平參差不齊，相關(guān)的工程檔案存在記錄緩慢存檔不規(guī)范、易被篡改、真實(shí)性存疑等問(wèn)題。

基于區(qū)塊鏈的電子檔案保存系統(tǒng)可以在檔案真實(shí)性上進(jìn)行突破，數(shù)字簽名、時(shí)間戳和數(shù)字摘要這三大技術(shù)的應(yīng)用，可以防止偽造、篡改，防止時(shí)間上作假、檢驗(yàn)原文件是否被破壞[7]。同時(shí)，由于參建單位可以共同將各自建設(shè)檔案上傳形成工程檔案聯(lián)盟鏈，可以較全地收集工程所有的信息，方便后期查找使用。

2.4 設(shè)計(jì)單位出案流程及設(shè)計(jì)版權(quán)

水利設(shè)計(jì)單位引進(jìn)區(qū)塊鏈技術(shù)，可將其應(yīng)用在設(shè)計(jì)報(bào)告和圖紙的校審、交付、存檔等質(zhì)量管理體系中。密鑰權(quán)限分開(kāi)給予設(shè)計(jì)人及校審人，設(shè)計(jì)人僅有設(shè)計(jì)權(quán)利，經(jīng)審查后的內(nèi)容不能被私自修改，設(shè)計(jì)文件的原始版本、修改和變更也可以在區(qū)塊鏈中追溯到。出案交付的設(shè)計(jì)文件在被存檔的同時(shí)，加密共享到整個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上。

設(shè)計(jì)單位的另一個(gè)應(yīng)用方向是設(shè)計(jì)文件的版權(quán)保護(hù)。在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)字新時(shí)代，信息傳播異常簡(jiǎn)單，普通人非常容易具備零成本復(fù)制、迅速傳播的能力，侵犯版權(quán)非常容易。而版權(quán)維權(quán)則較為復(fù)雜，版權(quán)確認(rèn)、侵權(quán)舉證、驗(yàn)證等較為困難，時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本高。

設(shè)計(jì)單位可以加入基于區(qū)塊鏈數(shù)字版權(quán)聯(lián)盟來(lái)保護(hù)自己的設(shè)計(jì)文件版權(quán)。數(shù)字版權(quán)聯(lián)盟由版權(quán)運(yùn)營(yíng)方、版權(quán)所有人、消費(fèi)者代表和可信機(jī)構(gòu)搭建的區(qū)塊鏈版權(quán)聯(lián)盟鏈。版權(quán)運(yùn)營(yíng)方上傳版權(quán)信息至區(qū)塊鏈中，國(guó)家授權(quán)中心提供時(shí)間戳，公證處作為節(jié)點(diǎn)之一保證任何時(shí)刻可出具帶有司法效力的公證證明。當(dāng)發(fā)現(xiàn)侵權(quán)行為時(shí)，快速調(diào)用版權(quán)服務(wù)中的侵權(quán)取證接口，對(duì)侵權(quán)內(nèi)容抓取取證，并將取證結(jié)果保存在版權(quán)平臺(tái)中；將侵權(quán)行為固化為證據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存。對(duì)于已進(jìn)行侵權(quán)存證操作的侵權(quán)內(nèi)容，版權(quán)服務(wù)提供持續(xù)性的侵權(quán)監(jiān)控、侵權(quán)追蹤等服務(wù)，確保侵權(quán)方對(duì)于侵權(quán)內(nèi)容采取相應(yīng)處理。

2.5 機(jī)電設(shè)備管理

在機(jī)電設(shè)備管理領(lǐng)域，基于區(qū)塊鏈構(gòu)建水利工程建設(shè)方、生產(chǎn)廠家、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位參與的設(shè)備信息全生命管理系統(tǒng)，全程跟蹤設(shè)備設(shè)計(jì)參數(shù)、制造方案、材料采買(mǎi)、生產(chǎn)進(jìn)度、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、出廠運(yùn)輸、安裝調(diào)試、運(yùn)行狀態(tài)、維修記錄等信息，提高設(shè)備管理的效率效益。

2.6 事故調(diào)查取證

目前基于區(qū)塊鏈的電子數(shù)據(jù)存證已在司法中有諸多應(yīng)用，2018年9月，杭州互聯(lián)網(wǎng)法院就引入螞蟻區(qū)塊鏈技術(shù)，成為全球首個(gè)推出區(qū)塊鏈司法存證平臺(tái)的法院。水利行業(yè)中，因區(qū)塊鏈技術(shù)可提供溯源性追索，在工程項(xiàng)目質(zhì)量安全事故調(diào)查時(shí)，可以快速清晰地查證到究竟是哪一步未按照質(zhì)量安全規(guī)范進(jìn)行操作，應(yīng)當(dāng)由哪家參建單位哪位工程師負(fù)責(zé)，進(jìn)一步保證了建設(shè)工程項(xiàng)目質(zhì)量安全，有利于政府監(jiān)管部門(mén)對(duì)市場(chǎng)參與者的實(shí)時(shí)監(jiān)督和事后追責(zé)[8]。

3 水利行業(yè)應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的建議

1）區(qū)塊鏈技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用多種多樣，因前期需要巨大投入導(dǎo)致企業(yè)積極性不高，需要政府大力支持及引導(dǎo)。水利行業(yè)主管部門(mén)可通過(guò)行業(yè)協(xié)會(huì)調(diào)查了解行業(yè)具體需求，出臺(tái)水利行業(yè)區(qū)塊鏈應(yīng)用指導(dǎo)意見(jiàn)和操作指引，推動(dòng)區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑行業(yè)的落地應(yīng)用。

2）當(dāng)前區(qū)塊鏈的從業(yè)人才非常缺乏，懂水利工程又具備區(qū)塊鏈從業(yè)背景的人更是鳳毛麟角，行業(yè)內(nèi)急需從其他行業(yè)引進(jìn)人才，才能更好更快地將區(qū)塊鏈技術(shù)在水利行業(yè)的應(yīng)用落實(shí)。

3）水利行業(yè)企業(yè)在培育人才的同時(shí)，可以尋求行業(yè)以外的力量幫助建立區(qū)塊鏈應(yīng)用系統(tǒng)，如引進(jìn)已經(jīng)成型的螞蟻區(qū)塊鏈技術(shù)、華為云區(qū)塊鏈服務(wù)構(gòu)建水利行業(yè)的應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為新興技術(shù)，在金融、保險(xiǎn)、物流、司法、能源等領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始小規(guī)模應(yīng)用，其多方互信的特點(diǎn)決定了區(qū)塊鏈技術(shù)在未來(lái)會(huì)成為一項(xiàng)基礎(chǔ)技術(shù)而廣泛的應(yīng)用在各行各業(yè)中，而水利行業(yè)是一個(gè)傳統(tǒng)行業(yè)，其信息化、數(shù)字化是近幾年才開(kāi)始大力發(fā)展的，新技術(shù)的應(yīng)用一直比較落后。水利行業(yè)內(nèi)各方及從業(yè)人員加大努力，不斷創(chuàng)新，才能將區(qū)塊鏈技術(shù)在水利行業(yè)中有更多的應(yīng)用場(chǎng)景，在實(shí)際項(xiàng)目生產(chǎn)管理中落地。