基于區(qū)塊鏈技術(shù)的煤礦安全信息管理模型優(yōu)化構(gòu)建

魏引尚，崔恩偉

（西安科技大學(xué) 安全科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710054）

近年來，煤礦企業(yè)不斷整合安全信息資源，增加煤礦安全信息的利用率和可靠度，使煤礦安全管理有效性增強(qiáng)。在信息管理過程中，一方面，煤礦的特殊生產(chǎn)環(huán)境導(dǎo)致其日常安全生產(chǎn)信息分散[1]；而另一方面信息收集和分析手段都較為落后[2]。為了掌握第一手資料，煤礦企業(yè)更加需要通過有效的技術(shù)手段來提高信息收集能力，促進(jìn)安全信息共享，提高職能部門之間協(xié)同作業(yè)的能力。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N新型的分布式數(shù)據(jù)賬本技術(shù)，可以記錄數(shù)據(jù)、資產(chǎn)和所有在網(wǎng)絡(luò)參與者之間執(zhí)行和共享的相關(guān)交易[3]。區(qū)塊鏈最初在比特幣上應(yīng)用，如今區(qū)塊鏈已經(jīng)迅速延伸到醫(yī)療信息管理[4]、城市交通信息管理等方面[5-8]。智慧礦山對信息化管理提出更高的要求，區(qū)塊鏈因其分布式管理、信息可追溯等特點，適合礦井綜合自動化系統(tǒng)解決煤礦安全管理中存在的信息共享困難、信息更新傳遞速度不及時等問題。因此，提出區(qū)塊鏈技術(shù)在煤礦安全管理4 個領(lǐng)域中的應(yīng)用模型，旨在加強(qiáng)煤礦安全信息共享，提高煤礦安全信息管理效率。

1 煤礦安全信息共享基礎(chǔ)及途徑

1.1 作業(yè)人員

煤礦安全管理的核心就是人員管理，企業(yè)在獲取職工的學(xué)歷、能力與經(jīng)驗等安全信息面付出了大量成本。但是一方面，職工有可能隱瞞其真實安全素質(zhì)信息，造成信息失真。另一方面，在企業(yè)內(nèi)部，職工的安全培訓(xùn)、安全考核、證書獎勵、“三違”記錄等安全信息，由不同部門記錄。各個部門之間信息記錄與傳遞標(biāo)準(zhǔn)不同，妨礙部門之間的職工安全信息互通。由于上述原因，煤礦掌握的信息不足，人崗匹配不足，引起事故風(fēng)險不斷[9]。

1.2 機(jī)械設(shè)備

設(shè)施管理系統(tǒng)運行中需要解決的問題或挑戰(zhàn)包括：

1）設(shè)備信息可靠性。如果設(shè)備發(fā)生故障，必須快速修復(fù)。為實現(xiàn)這一點，備件必須隨時可用，或者必須有一個可靠的系統(tǒng)來快速采購備件。在與主要設(shè)備制造商或者同型號煤礦共享備件管理系統(tǒng)情況下，可以更快地獲得儲備配件。

2）設(shè)備故障信息及時性。設(shè)備所有的故障歷史都應(yīng)該準(zhǔn)確、及時地記錄和管理，但由于情況的嚴(yán)重性，在發(fā)生意外故障的情況下，準(zhǔn)確地記錄情況可能并不容易。此外，煤礦設(shè)施的運行、故障和維護(hù)記錄應(yīng)按照有關(guān)管理部門的規(guī)定報告，以免產(chǎn)生掩蓋故障的嫌疑。

1.3 作業(yè)環(huán)境

由于井下開采環(huán)境復(fù)雜，隨采動不停變化，為保障煤礦安全開采，需要布置各種傳感器和其他裝置對礦井環(huán)境進(jìn)行有效監(jiān)測，并將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)測中心，從而實現(xiàn)對監(jiān)測信息的融合，了解綜合環(huán)境，作出判斷，減少事故的發(fā)生[10]。煤礦環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)目標(biāo)主要有自然環(huán)境、生產(chǎn)環(huán)境（包括通風(fēng)、礦壓、瓦斯、粉塵等）。環(huán)境信息的真實性和可靠性是保證煤礦安全開采的前提，但在實際監(jiān)測過程中，一方面監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳、整理等環(huán)節(jié)中存在信息被竊取、惡意篡改等安全問題，另一方面，煤礦環(huán)境安全信息涉及種類繁多，各監(jiān)控子系統(tǒng)單獨承載相應(yīng)的內(nèi)容，現(xiàn)有的環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在信息共享困難。

1.4 制度安全

隨著時代發(fā)展，人們對煤礦安全要求越來越高。受生產(chǎn)環(huán)境變化、人員調(diào)動與技術(shù)更新等因素影響，煤礦企業(yè)通過不斷完善管理制度與技術(shù)規(guī)范，來提高管理水平。但是由于存在信息傳遞延遲、信息孤島等問題，各個職能部門缺少及時有效的信息交流和協(xié)調(diào)配合，造成安全責(zé)任人的混亂，資源材料的浪費，安全工作不能順利交接。

1.5 信息共享途徑

在傳統(tǒng)安全信息管理中，安全信息各監(jiān)控子系統(tǒng)單獨承載相應(yīng)的數(shù)據(jù)，各個職能部門之間依然存在安全信息缺失，信息傳輸不及時，信息不透明等問題。安全管理信息管理和區(qū)塊鏈的信息共享耦合，通過區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式賬本、共識機(jī)制、非對稱加密/數(shù)字簽名、哈希運算、時間戳/時序數(shù)據(jù)、智能合約等，實現(xiàn)對傳統(tǒng)安全信息管理覆蓋和升級。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在安全信息管理中的適用特征

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€數(shù)字化的、分散的公共賬本，在不依賴第三方的情況下，通過自己的分布式節(jié)點保存、驗證、傳輸和通信網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，具有去中心化、信息透明可信、防偽防篡改、永久儲存可追溯、系統(tǒng)可靠性高、自動化履約等特性。區(qū)塊鏈的技術(shù)特點為：

1）鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)。礦井綜合自動化系統(tǒng)可以將所有的生產(chǎn)資料和員工的數(shù)據(jù)以區(qū)塊鏈的模式，依次連接起來就形成了一個鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)存儲結(jié)構(gòu)，形成一個歷史型基礎(chǔ)數(shù)據(jù)鏈。區(qū)塊鏈這樣的鏈接形式保證了當(dāng)前數(shù)據(jù)區(qū)塊之前已經(jīng)上鏈的數(shù)據(jù)區(qū)塊中的數(shù)據(jù)從結(jié)構(gòu)上來說是追溯的?？梢酝晟瓢踩芾碇邪踩畔碓床幻鞯膯栴}。

2）分布式管理。區(qū)塊鏈的分布式管理，無需中心管理機(jī)構(gòu)來監(jiān)督數(shù)據(jù)交換操作，所有區(qū)塊中的信息分布在整個網(wǎng)絡(luò)中的多個節(jié)點上。區(qū)塊鏈分布式賬本是同步更新的，而不是中心節(jié)點控制信息。分布式管理可以保證多渠道共享安全管理信息，確保安全數(shù)據(jù)的快速傳達(dá)，并且保證信息的完整性。

3）共識機(jī)制。達(dá)成共識是分布式技術(shù)的關(guān)鍵特征之一，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的所有參與者在實施區(qū)塊鏈之前達(dá)成共識，對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一性安排。在煤礦安全信息管理中，該協(xié)議確保安全管理決策和安全信息在其整個生命周期內(nèi)是共享的、不變的，多方參與互相監(jiān)督，保證數(shù)據(jù)庫的可信賴程度。

4）時間戳。在區(qū)塊鏈技術(shù)的支持下的每一條交易，互聯(lián)網(wǎng)可以對IP 地址做標(biāo)記，并且采用包含時間戳的鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)將數(shù)據(jù)存儲在塊上，增加時間維度，跟蹤數(shù)據(jù)的來源。員工安全培訓(xùn)、現(xiàn)場“三違”隱患排查等安全信息，在管理過程能夠保證每條安全管理數(shù)據(jù)都真實可信，能夠有效地避免造假行為。

5）智能合約。智能合約是由區(qū)塊鏈自動執(zhí)行的，人們不能干涉或修改數(shù)據(jù)，一方面可以滿足平臺交易的效率，另一方面，它可以保證平臺的穩(wěn)定性。環(huán)境監(jiān)測、事故隱患瞞報和誤報等數(shù)據(jù)，依據(jù)由參與安全管理的部門共同協(xié)議制定的智能合約，保證信息源不被干預(yù)或修改。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的安全管理應(yīng)用場景及模式

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的煤礦安全信息管理模式如圖1。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的煤礦安全信息管理模式Fig.1 Coal mine safety information management mode based on blockchain technology

3.1 人力資源管理

引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)可以為安全管理決策提供有效的支持信息，提高職工安全信息的使用率和效率。通過構(gòu)建一條由人力資源部門、培訓(xùn)部門、安環(huán)部、職工等多方參與維護(hù)的煤礦職工安全素質(zhì)信息鏈條，將職工的安全素質(zhì)信息全部上鏈。為煤礦職工調(diào)配和管理、煤礦職工安全素質(zhì)評價、績效考核和薪酬發(fā)放上提供全面、真實、可靠的職工安全素質(zhì)信息，有效解決人力、物力和財力成本,提高安全管理效率，增加可信度。

3.2 設(shè)備安全管理

設(shè)備安全管理是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程，把設(shè)備生產(chǎn)廠家、設(shè)備管理部門、同型號設(shè)備的其他煤礦都統(tǒng)一上鏈，參與到設(shè)備的更新和維護(hù)環(huán)節(jié)中，在其采購、檢查、測試、校準(zhǔn)、維修、更換以及設(shè)備租賃等各個階段，區(qū)塊鏈在設(shè)備管理中的應(yīng)用如圖2，在維護(hù)檢測中做到，做到凡是檢測必有人名，落實安全責(zé)任制?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)的設(shè)備安全管理，可以實現(xiàn)設(shè)備從出廠到報廢的全壽命管理區(qū)塊鏈的時間戳功能和可溯源技術(shù)可有效解決煤礦設(shè)備的追蹤溯源問題，減少假冒產(chǎn)品被用作零備件。

圖2 區(qū)塊鏈在設(shè)備管理中的應(yīng)用Fig.2 Application of blockchain in equipment management

在煤礦安全管理上使用區(qū)塊鏈技術(shù)的目的是客觀、透明地管理安全信息和處理結(jié)果。區(qū)塊鏈的分散管理可以防止操作員隨意篡改數(shù)據(jù)來掩蓋操作員的失誤或錯誤，并監(jiān)控在發(fā)生事故時是否采取了適當(dāng)和必要的措施，實現(xiàn)事件和故障監(jiān)控的精確和透明性。區(qū)塊鏈技術(shù)可以確保故障響應(yīng)措施安全、快速地實施，并準(zhǔn)確地向監(jiān)管機(jī)構(gòu)報告。通過區(qū)塊鏈技術(shù)，預(yù)先指定的信息和數(shù)據(jù)可以自動上報相關(guān)部門，方便有關(guān)部門及時處理故障。

3.3 環(huán)境安全管理

歷史數(shù)據(jù)的真實性是檢測礦井環(huán)境安全的基礎(chǔ)，因此必須在煤礦檢測系統(tǒng)中保證數(shù)據(jù)的可靠性、完整性。把傳感器作為感性節(jié)點，將一段時間內(nèi)感應(yīng)到的數(shù)據(jù)（瓦斯?jié)舛取⒎蹓m濃度、CO 濃度、溫度等），發(fā)送至采集基站（具有數(shù)據(jù)整合、分類、傳遞的功能），在區(qū)塊鏈的保證下，產(chǎn)生的數(shù)據(jù)在驗證后，通過分布式賬本，完整、準(zhǔn)確的上傳至區(qū)塊鏈，環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入如圖3。區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)可以保證傳感器感知節(jié)點身份信息不可篡改，確保傳感器感知節(jié)點的有效性，使區(qū)塊鏈的身份證認(rèn)證安全可靠。所以，某一類型的監(jiān)測數(shù)據(jù)就能方便準(zhǔn)確地被查到歷史數(shù)據(jù)，通過查詢歷史記錄就可以對井下某一范圍內(nèi)監(jiān)測項目進(jìn)行追蹤分析。

圖3 環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)錄入Fig.3 Environmental monitoring data entry

3.4 規(guī)章制度更新

區(qū)塊鏈在提高信息更新方面有天然的優(yōu)勢，使安全制度規(guī)范變更的參與者成為區(qū)塊鏈上的一個節(jié)點，然后將變更后的信息區(qū)塊蓋上時間戳，打包發(fā)送至區(qū)塊鏈上。由于區(qū)塊鏈的分布式共享技術(shù)，隨著時間變化，不斷增加信息。并且它可以消除批準(zhǔn)所需的人工參與和繁重的文書工作, 可進(jìn)一步簡化其他管理操作。

總結(jié)上述論述，基于煤礦的人員管理系統(tǒng)、設(shè)備管理系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)、制度規(guī)范更新4 個維度出發(fā)，以其為基礎(chǔ)進(jìn)行煤礦安全數(shù)據(jù)收集、整合、匯總、處理，構(gòu)建安全信息管理區(qū)塊鏈模。

4 結(jié) 語

構(gòu)建了一種將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于煤礦安全系信息管理系統(tǒng)的優(yōu)化模型，從人、機(jī)、環(huán)、管4 個方面入手，構(gòu)建了4 種典型的應(yīng)用場景，說明了區(qū)塊鏈技術(shù)在安全信息管理方面數(shù)據(jù)傳遞效率高、信息準(zhǔn)，從而體現(xiàn)了智慧化礦山發(fā)展特征。通過區(qū)塊鏈的分布式管理，對礦井人員安全素質(zhì)、設(shè)備可靠性、安全環(huán)境監(jiān)測以及煤礦安全制度等信息實時準(zhǔn)確更新，實現(xiàn)了人員素質(zhì)準(zhǔn)確評價、設(shè)備快速修復(fù)和準(zhǔn)確記錄故障、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)溯源、避免安全責(zé)任人混亂。在信息化時代，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的煤礦安全信息管理模型，對于提高煤礦信息傳遞的效率、保證信息傳遞的真實性和完整性方面具有重要意義，同時也是促進(jìn)煤礦企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的重要途徑。