基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實踐*

王志強 黃平 溫喜廉 黃文峰 張超洋

(1.廣州珠江建設發(fā)展有限公司,廣東廣州 510000;2.廣州粵建三和軟件股份公司,廣東廣州 510000)

0 引言

近年來在主管部門、行業(yè)協(xié)會、IT服務商的推動下,建筑行業(yè)的信息化與數(shù)字化步入發(fā)展快車道。而隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的應用價值逐漸被發(fā)現(xiàn),探索區(qū)塊鏈在建筑行業(yè)的應用領域、探索如何打造一個“建筑業(yè)+互聯(lián)網(wǎng)+區(qū)塊鏈”的創(chuàng)新性平臺,也已成為又一具有重大意義、深遠影響的議題。

運用互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、區(qū)塊鏈技術(shù)為建筑行業(yè)賦能的一個重要方向便是安全。如今作為社會經(jīng)濟發(fā)展的一個重要表現(xiàn)形式,建筑工程的規(guī)模越來越大,越來越多的工程在建設過程中需要采用高支模。而高支模的高度從幾米到十幾米,有的甚至高達幾十米,具有高空間、大跨度等特點,因此易發(fā)生高處墜落,更嚴重的是在施工過程中若發(fā)生支模坍塌,會造成其上作業(yè)人員的群死群傷,危害巨大。且由于支模坍塌事故的突發(fā)性,隱患往往來不及排查、事故即告發(fā)生。

因此施工單位在高支模作業(yè)前,必須編制相應的專項施工方案,施工過程中也必須指派專人按照專項方案進行監(jiān)督和監(jiān)測。隨著技術(shù)的發(fā)展,如今高支模的自動監(jiān)測技術(shù)已在全國范圍內(nèi)積極推廣,并帶來了便捷、節(jié)省資源等積極意義,但監(jiān)測數(shù)據(jù)仍存在被篡改或丟失的風險,監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲取、處理、整改等關鍵過程也無法進行真實性追溯。

本系統(tǒng)著眼于高支模的高危害性,在人為監(jiān)測、傳統(tǒng)自動化監(jiān)測的基礎上,致力于通過軟硬件結(jié)合,形成高支模監(jiān)測的數(shù)據(jù)采集、異常預警、異常處理、整改確認的完整業(yè)務閉環(huán),并通過區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)分布式存證及鏈上歷史數(shù)據(jù)查詢,實現(xiàn)對高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)的去中心化存儲和管理。

1 研究背景

高大模板支撐系統(tǒng)是指建設工程施工現(xiàn)場混凝土構(gòu)件模板支撐高度超過8m,或搭設跨度超過18m,或施工總荷載大于15kN/m2,或集中線荷載大于20kN/m的模板支撐系統(tǒng)[1]。主要用于電力系統(tǒng)、民用建筑、市區(qū)高架橋橋墩、橋梁等建設。

根據(jù)住建部統(tǒng)計數(shù)據(jù),模板坍塌事故已成為較大建筑生產(chǎn)安全事故之首:由于高空間、大跨度,高支模安全事故發(fā)生的原因主要是由于荷載作用,導致了過大的變形或荷載的產(chǎn)生,誘發(fā)體系內(nèi)構(gòu)件失效、直至局部或整體失去穩(wěn)定,從而發(fā)生高支模局部坍塌或整體傾覆,造成作業(yè)人員傷亡。高支模事故具有不穩(wěn)定性、隨機性、突發(fā)性等安全生產(chǎn)事故發(fā)生的顯著特征。

區(qū)塊鏈是利用現(xiàn)有的計算機技術(shù),組合而成的新技術(shù),是繼移動互聯(lián)網(wǎng)之后,最具有潛力的技術(shù)之一。相較于AI、IOT等技術(shù),區(qū)塊鏈可以在現(xiàn)有的業(yè)務場景上進行組合、拓展,其本質(zhì)是分布式的數(shù)據(jù)儲存、p2p共識、分布式哈希表、共識機制、加密算法等技術(shù)的集合。區(qū)塊鏈主要解決的是在信息大爆炸時代,數(shù)據(jù)失真、不安全、沒有價值的問題,通過PoW等共識算法,使得發(fā)布數(shù)據(jù)要進行一次共識,這樣確保了數(shù)據(jù)的真實性,又通過鏈式結(jié)構(gòu)存儲,點對點網(wǎng)絡備份,在去中心化的前提下保證了數(shù)據(jù)的安全可靠,不存在中心機構(gòu)作惡篡改的可能。

區(qū)塊鏈利用分布式存儲的賬本技術(shù),通過點對點網(wǎng)絡,區(qū)塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來驗證與存儲。向區(qū)塊鏈中寫入或者修改任何數(shù)據(jù),都需要該網(wǎng)絡半數(shù)以上的節(jié)點同意,才能成功,否則是不可能進行數(shù)據(jù)修改和更改的。利用密碼中的非對稱加密,對稱加密,以及哈希算法等技術(shù),有效的保證了數(shù)據(jù)的訪問安全和傳輸?shù)陌踩Ｋ员疚耐ㄟ^區(qū)塊鏈的技術(shù),實現(xiàn)了對高支模實時監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)的加密存儲,保證了高支模中各項數(shù)據(jù)無法篡改,真實有效。

2 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

區(qū)塊鏈由raft共識算法、點對點通信網(wǎng)絡、非關系型數(shù)據(jù)庫、可信代碼、RAS對稱加密、橢圓曲線加密等技術(shù)組成?；趨^(qū)塊鏈的高支模實時檢測系統(tǒng),運行在區(qū)塊鏈的可信代碼中及智能合約,將垂直位移,壓力等感器的數(shù)據(jù)上傳至鏈上。本系統(tǒng)設計進行了分層,用戶只會接觸的應用層簡單易用,只需要通過相應的服務,即可與區(qū)塊鏈進行數(shù)據(jù)交互,而區(qū)塊鏈底層在應用層之下提供服務。將高支模垂直位移數(shù)據(jù),壓力等數(shù)據(jù)上鏈,數(shù)據(jù)異常時通知現(xiàn)場施工人員或者負責人員進行勘察整改,將整改結(jié)果上鏈記錄。本系統(tǒng)還提供歷史數(shù)據(jù)查詢功能,查詢整改歷史。圖1為基于區(qū)塊鏈的高支模實時檢測系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)圖。

圖1 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)圖Fig.1 Overall technical architecture diagram of Blockchainbased real-time monitoring system with high support mode

3 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)的弊端

施工單位應依據(jù)國家現(xiàn)行相關標準規(guī)范,由項目技術(shù)負責人組織相關專業(yè)技術(shù)人員,結(jié)合工程實際,編制高大模板支撐系統(tǒng)的專項施工方案。施工單位應當指定專人對專項方案實施情況進行現(xiàn)場監(jiān)督和按規(guī)定進行監(jiān)測[2]。

高支模自動化監(jiān)測技術(shù)已逐漸在全國推廣使用,包括了高支模位移數(shù)據(jù)的采集、傳輸,這在一定程度上提高了監(jiān)測的便捷性、節(jié)省了人力資源、降低了施工風險,但此類傳統(tǒng)的監(jiān)測系統(tǒng)仍具有以下弊端:

(1)關鍵監(jiān)測項目缺失:傳統(tǒng)高支模監(jiān)測只能采集到支架位移等數(shù)據(jù),對于導致高支模事故高發(fā)的“整體傾斜、承載力”等項目,其關鍵節(jié)點數(shù)據(jù)沒有監(jiān)控在內(nèi);

(2)傳統(tǒng)的高支模監(jiān)測系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲在系統(tǒng)后臺,此種傳統(tǒng)的保存和管理技術(shù),不便于數(shù)據(jù)的查詢和使用,系統(tǒng)維護困難,且數(shù)據(jù)可能被篡改或丟失;

針對這三座山，一是要激活民營企業(yè)內(nèi)在潛力，融化市場的“冰山”。要提升產(chǎn)品核心競爭力，打造區(qū)域性品牌，并借助電子商務平臺，拓展優(yōu)勢產(chǎn)品的銷售半徑；鼓勵企業(yè)“走出去”，參與發(fā)展中國家的資源開發(fā)，依托本地優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)基礎，與有關國家合作建立境外生產(chǎn)加工基地。二是要健全融資信用保障體系，削低融資的“高山”。要通過健全民營企業(yè)融資信用保障體系，解決銀行不敢或不愿貸款給中小民營企業(yè)的問題。三是要以優(yōu)化創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)條件來跨越轉(zhuǎn)型的“火山”。

(3)高支模監(jiān)測不僅包括監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集和上傳,還包括監(jiān)測異常數(shù)據(jù)的預警、相關負責人對預警的響應與處理、整改結(jié)果的各方確認等關鍵環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的高支模監(jiān)測系統(tǒng)一方面未提供完整的解決方案,業(yè)務非閉環(huán),另一方面對于各監(jiān)測環(huán)節(jié)也無法進行真實性追溯。

綜上所述,高支模監(jiān)測的顆粒細度、可信度還有待提高、數(shù)據(jù)安全性還有待提高、整體解決方案還有待提出。

3.2 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)方式

所述系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集端、服務端(含數(shù)據(jù)服務端、區(qū)塊鏈服務端)以及區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡——實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的自動采集、實時上鏈、智能統(tǒng)計分析、多方協(xié)作、資料安全存儲——以解決施工單位自行監(jiān)控數(shù)據(jù)可信度低、第三方監(jiān)測應用低效、智能監(jiān)控水平低且碎片化的問題。本系統(tǒng)的具體的實現(xiàn)方式為:

(1)數(shù)據(jù)采集端用于采集高支模監(jiān)測數(shù)據(jù),并通過無線傳輸發(fā)送給數(shù)據(jù)服務端。

(2)數(shù)據(jù)服務端用于:接收所述高支模監(jiān)測數(shù)據(jù),將高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡;對高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算,若計算結(jié)果超出預設的閾值、達到報警條件,則生成高支模數(shù)據(jù)異常的報警信息,并將報警信息發(fā)送給高支模監(jiān)測相關的用戶;用戶完成對高支模的異常數(shù)據(jù)處理后,整改信息發(fā)送至區(qū)塊鏈服務端。

(3)區(qū)塊鏈服務端用于:公司本部、檢測單位用戶對高支模的報警信息、及其整改信息進行多方確認,確認結(jié)果發(fā)送至區(qū)塊鏈網(wǎng)絡。

(4)區(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡用于:存儲高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警信息、整改信息和整改確認結(jié)果。

圖2為基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務流程圖。

圖2 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)的業(yè)務流程圖Fig.2 Business flow chart of Blockchain-based real-time monitoring system with high support model

3.3 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)的特點

基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)具有以下特點:

(1)監(jiān)測、監(jiān)控降本增效、過程智能化。數(shù)據(jù)采集端自動采集高支模監(jiān)測數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)服務端自動對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行計算,并根據(jù)計算結(jié)果判斷高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)是否異常,若滿足報警條件,則生成高支模數(shù)據(jù)異常的報警信息,并將異常情況自動推送至相關責任人員。

(2)高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)無法篡改。高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)、報警信息及整改信息、整改確認結(jié)果通過哈希值運算后在鏈上存證,一旦存證將同步到各聯(lián)盟節(jié)點,無法被篡改和偽造,增強了數(shù)據(jù)的可信度。

(3)高支模監(jiān)測信息完整可追溯。高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)采集、異常預警、異常處理、整改確認全過程和內(nèi)容均可追溯,且方便查詢,為高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)異常原因的排查與歸責提供依據(jù)。

(4)去中心化安全穩(wěn)定。依托區(qū)塊鏈去中心化的技術(shù)特性,存證服務高度去中心化,為拓建建筑業(yè)開放的合作生態(tài)提供技術(shù)平臺。

(5)分布式存儲。合同文件在加密后將在鏈上進行分布式存儲和容災備份,即使有一方系統(tǒng)被破壞或刪除,也可自動恢復,提升數(shù)據(jù)的安全等級。

(6)系統(tǒng)維護管理簡單。區(qū)塊鏈系統(tǒng)具有高可用性,服務實現(xiàn)集群化,通過共識算法實現(xiàn)自動故障轉(zhuǎn)移。即使部分節(jié)點故障,也能快速拓展節(jié)點,系統(tǒng)不容易宕機。

4 系統(tǒng)應用效果

廣州珠江建設發(fā)展有限公司是一家廣州本地大型國有施工企業(yè),具有房屋建筑工程施工總承包一級資質(zhì),其在建工程項目眾多,對于高支模監(jiān)測管理,難度也相對較大。故該公司2020年5月開始聯(lián)合廣州粵建三和軟件有限公司,研發(fā)基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)。目前系統(tǒng)已完全開發(fā)、部署完成。白云區(qū)白云湖車輛段地塊(一期)項目率先開啟了本系統(tǒng)的應用:系統(tǒng)包含功能完善的軟件平臺、數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)、處理系統(tǒng)和展示系統(tǒng), 數(shù)據(jù)的釆集、處理、查詢和管理屬于基本的功能模塊,在整個系統(tǒng)中,嵌入?yún)^(qū)塊鏈聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡,保證數(shù)據(jù)真實、透明的流轉(zhuǎn),實現(xiàn)高效生產(chǎn)。

系統(tǒng)頁面如圖3、圖4、圖5、圖6所示:

圖3 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)——后臺項目管理頁面Fig.3 Blockchain-based Real-time Monitoring System of High Support Mold -- Background Project Management Page

圖4 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)——鏈上數(shù)據(jù)查詢頁面Fig.4 Blockchain-based High-Support Mode Real-time Monitoring System -- On-chain Data Query Page

圖5 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)——預警信息頁面Fig.5 Blockchain-based Real-time Monitoring System with High Support Mode -- Warning Information Page

圖6 基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng)——多方整改頁面Fig.6 Blockchain-based Real-time Monitoring System with High Support Mode -- Multi-party Rectification Page

管理員在后臺對進行了高支模監(jiān)測的項目進行管理:對接軟件平臺與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),將傳感器收集到的高支模監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳至區(qū)塊鏈中。數(shù)據(jù)一旦上傳區(qū)塊鏈后,便不可更改。即使管理員在后臺更改高支模監(jiān)測數(shù)據(jù),原始數(shù)據(jù)也將存證于區(qū)塊鏈平臺中,有唯一的哈希值,更改后的數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈平臺也將產(chǎn)生新的唯一哈希值與之對應,保證數(shù)據(jù)真實可靠,無法篡改。

傳感器收集到的水平位移監(jiān)測、豎向位移監(jiān)測和深層水平位移監(jiān)測、內(nèi)力等監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至區(qū)塊鏈平臺進行展示,并顯示監(jiān)測類型、測點編號、監(jiān)測時間、區(qū)塊鏈交易編號等內(nèi)容。多方監(jiān)管單位可通過高支模區(qū)塊鏈平臺實時監(jiān)管數(shù)據(jù),可有效對風險進行預防,極大降低了事故發(fā)生的幾率。

根據(jù)測點監(jiān)測編號和預設的監(jiān)測數(shù)據(jù)閾值索引表,獲取目標監(jiān)測數(shù)據(jù)對應的監(jiān)測閾值,根據(jù)監(jiān)測閾值,判斷目標監(jiān)測數(shù)據(jù)是否滿足報警條件。若是,則生成目標監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的報警信息,并向與目標高支模監(jiān)測相關的用戶發(fā)送報警信息;若否,則生成目標監(jiān)測數(shù)據(jù)正常的記錄信息,相關責任人可以對預警信息進行處理。預警項、預警內(nèi)容、預警時間等預警信息實時上鏈,責任人員如沒有在規(guī)定時間對預警信息進行處理,都可通過區(qū)塊鏈平臺進行取證追責。

已整改的預警信息,公司本部、項目部和檢測公司三方確認后,在高支模區(qū)塊鏈平臺上歸檔。設備名稱、處理人、處理時間等整改信息同步上傳到區(qū)塊鏈平臺,如若發(fā)生事故,可通過區(qū)塊鏈平臺各個節(jié)點進行事故原因溯源以及責任排查,實現(xiàn)整個建筑工程過程中的高效協(xié)同。

綜上,該系統(tǒng)實現(xiàn)了從監(jiān)測數(shù)據(jù)、預警數(shù)據(jù)、整改記錄以及確認歸檔整個高支模監(jiān)測流程的全過程追蹤。傳感器監(jiān)測的高支模數(shù)據(jù)發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)服務端,同時上鏈到區(qū)塊鏈服務器,全程保證了監(jiān)測數(shù)據(jù)的公開透明以及真實可靠。對于異常的高支模數(shù)據(jù),后臺形成預警后,也將實時上傳到區(qū)塊鏈服務器,利用區(qū)塊鏈去中心、防篡改、可追溯的特點,實現(xiàn)多方單位在區(qū)塊鏈平臺查看信息和整改確認,建造整個高支模監(jiān)測過程透明化以及責任化。

5 結(jié)語

本文從研究背景、技術(shù)架構(gòu)、系統(tǒng)實現(xiàn)、系統(tǒng)應用效果等方面,闡述了基于區(qū)塊鏈的高支模實時監(jiān)控系統(tǒng),實現(xiàn)了高支模作業(yè)在工地現(xiàn)場的智能化、安全化管理;利用區(qū)塊鏈的可追溯性、防篡改性、去中心化等特性,讓所有的數(shù)據(jù)都有據(jù)可依,有證可查,也可讓預警數(shù)據(jù)進行多方整改,多方認證,及時保障了高支模作業(yè)的安全。該系統(tǒng)對于有高支模作業(yè)的工地現(xiàn)場,有著非常重大的意義。