基于“区块链”技术的智慧环保管理体系构建思路

曾昊，刘志伟

（郑州轻工业大学政法学院）

1 引言

随着我国经济社会的快速发展，以及城市化进程的不断加快，城市流动人口越来越多，日益增长的生产、生活活动带来了大量的资源、能源、物质消耗和废弃物排放，这对城市环境带来巨大压力，城市生态环境亟待改善，城市环境治理也上升为政府工作的重要内容[1]。然而，目前我国城市传统的环境治理模式存在很多问题，例如对政府的依赖性太强、环境保护的管理体系碎片化，环保设施落后、环保支撑体系不足，市民环保意识淡薄、参与机制不健全，环保专项资金的使用效益不高等，不能满足从根本上开展城市环境治理的需要[2,3]。

单纯从某一方面对环境保护治理体系的修修补补很难从根本上医治生态环境问题的顽疾，而近年来我国在智慧城市建设方面的探索则为环境保护治理体系的改革提供新的方向。从信息汇集和资源整合的角度，智慧环保数字化平台的建立将会提高环保数据的采集能力，强化资源整合，增强数据共享，逐渐推动数据开放，提高环境监管程度；同时有助于深化环境数据的分析和应用，加强科学决策能力；此外加大信息透明力度，提升环保政务效能。

从多元化主体参与的角度，智慧环保管理体系将建立统一的政府监管、企业办事、公众服务三位一体的“互联网+公众参与、环保监管、应急管理与综合服务”大平台，实现各类主体广泛协作和全面服务于社会公众的新模式[4]，该模式具有传统环境管理模式无可比拟的强大优势。

①公众的环境知情权得以实现，能够通过大数据平台及时知晓生态环境的各种监测信息，有助于城市生产生活的科学、有序开展；

②居民还可以通过平台举报或投诉相关环境问题，提出相关意见或建议，广泛的公众参与完善了环境问题的监管系统，双向的信息互动搭建了公众利益诉求的表达机制，满足社会公众合法利益的同时，大大提升了环保管理的执法效率[5]；

③智慧环保管理系统还具有强大的宣传教育功能，可以向社会公众提供环境保护科普知识，培养公众环境保护素养，增加公众环境保护意识，增加公众环境保护技能[6]。

智慧环保管理体系建设的关键和难点是需要打破不同参与主体、不同部门间的信息孤岛问题，从采集、归档、共享、应用等环节建立畅通的渠道，为生态环保问题的监管和公共决策提供有力的技术支撑。而近年来区块链技术的快速发展，为智慧环保管理体系建设提供技术支撑，本文以下部分给予区块链技术分析智慧环保体系建设的思路和保障。

2 区块链技术在智慧环保管理体系中的用途及优势

区块链技术起源于电子货币和密码学领域，经历了以数字货币为代表的1.0时代和以智能合约为代表的2.0 时代，目前正在进入一个超越货币，与各行业深度融合的3.0 时代，在世界各国范围内引起高度重视。区块链技术由多方共同组建维持，并使用通用密码来确保传输和访问安全，能够实现一致数据备份、难以模仿更正和仿造的技术，它可以形成区块数据的链式存储结构和去中心化信任基础，成为众多加密数字信息的核心底层技术[7]。区块链技术如果与大数据、人工智能等新兴技术深度融合，将会出现更加复杂的异质森林结构和神经网络共识，具有“不可伪造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公开透明”、“集体维护”等特征。除了区块链基础技术的研究，行业内区块链的服务商之间也开展了激烈的竞争，出现了更多企业级的Pas 区块链云平台，单一的区块链服务正在快速演变为区块链服务的集成。此外，区块链技术的不断演进和发展，进一步提高了性能和可扩展性，拓宽了应用领域和应用场景，给各个行业带来了深刻的技术变革[8]，目前已应用于数据共享、电子认证、消息溯源等领域，同时，大规模节点通信带来的数据传输延时、成本高、隐私泄露、监管体系不健全等问题也限制了区块链应用的进一步发展。

智能环保管理体系是以信息化、数字化为基础，利用人工智能、大数据、云计算、物联网、移动互联网与智能传感终端形成操作系统。体系形成包含环境保护相关硬件、软件、数据信息的集成服务，即基于现代化的硬件设备和软件系统，实现环境保护相关信息的生成、感知、传输、整合、存储、处理和分析。从而实现对城市环境保护管理的各个环节的监控，关键信息的收集、预测和分析，为各种环境保护需求提供智能响应和辅助决策，为居民创造更高质量的生态环境。区块链技术所具有的“不可伪造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公开透明”等优势正是建设智慧环保管理体系所亟需的。例如在企业监管方面，区块链可以用于产品追溯，并通过使供应链更加透明来防止资源浪费、低效率和过度排污；在废弃物回收方面，可以以加密令牌的形式提供经济奖励，以换取可回收物品，鼓励公众参与并轻松透明地跟踪数据；在能源利用方面，点对点区块链能源系统将减少远距离传输带来的损失，减少对能源存储的需求，合理分配能源；碳计算、空气污染、监管机制的有效形成，有助于环境条约的有效达成，能够破解环境保护领域的各种争议。具体而言，区块链技术应用于智慧环保领域的突出优势体现为（见图1）：

①通过严格的身份验证和密码数据加密机制，区块链技术有效保障智能环保系统终端的安全。区块链系统下，每个终端设备都有自己的公钥和私钥对，通过智能合约维护终端身份列表，并检查设备是否有权限访问节点和上传数据，从而避免恶意中断访问和数据污染。此外，每个终端数据都会进行加密传输，以确保数据传输过程中不会发生数据泄露，并将传统环保架构中的计算存储层转化为分布式存储，在不改变原有存储架构的前提下，增加区块链分布式节点设备，集成了对等网络、VPN 等网络传输技术安全性。

图1 “区块链”在智慧环保中的应用以及优势

②区块链可以破解传统环保系统间的信息孤岛问题，实现信息共享。区块链在不改变原有系统的情况下，通过与CA 技术的融合，建立身份认证和共识权限设置功能，划分各个系统和人员之间的权利和责任，把原本匿名的信息链改造成可信的区块链，实现每个系统的原始数据或数据指纹在链上流通，特别适合跨企业、跨系统的数据共享。同时，区块链设定了时间矫正装置及自身的防篡改和可追踪特性，任何对数据的处理都会在链上进行标注和追踪。此外，相应数据广度的增加也大大据高了大数据分析和人工智能算法的准确性，可以实现更精准、更有针对性的服务和管理模式。

③区块链的边缘计算功能实现信息收集、传输、应用的即时性。当前智能城市管理系统数据处理运用最多的就是云计算方式，然而云计算需要数据存储到云端，对设备安全性、维护建设成本和准确性要求更高，且数据传输可能会有时滞，无法深入推广。区块链的分布式数据存储机制和对等网络拓扑结构可以很好地与边缘计算集成，其数据存储和处理更靠近数据源和使用终端，能够缩短数据延迟时间，减轻经费预算，并确保边缘节点的数据安全性，有利于系统高效、快速运转。此外，使用边缘设备作为区块链系统中的轻节点，不参与整个网络运行，还可以减少外部对区块链系统的攻击。

④区块链具有信息安全和隐私保护强大功能。智能环保管理系统所采集的信息往往包括各类身份、企业产品和服务、居民消费、位置等敏感信息，如果信息得不到有效保护，将会带来巨大的信息泄露、侵权等风险，甚至不利于国家安全，这也是我国智慧城市、智慧政务建设必须要解决的关键点。依托区块链的加密技术和算法，智慧环保管理系统可以把所有用户身份和用户数据信息相分离，通过哈希计算将需要保密的用户身份信息形成属于该用户的唯一标识，用户的其他行为数据直接和用户的哈希值进行捆绑，这样在确保用户环保行为信息的真实性、公开性同时，又能对身份信息进行隐私保护。此外，区块链的加密存储方式要求数据访问必须提供安全性更高的私钥，分布式存储一定程度上降低了数据全部被泄漏的风险。

⑤区块链技术可以最大限度地激活社会组织和公民参与环保治理的主动性。公众参与是智慧环保管理体系的重要内容[9]，区块链技术不可更改的特性，可以真实地将环境污染行为和公众提供的信息记录在系统中，确保公众参与信息的准确性、可靠性和长期性。环保行为监督和环保政策的公共决策过程中，参与者的信息都能够提及，便于奖惩机制的有效实施，提高公众对环境管理的参与度和积极性。公众提供环保污染线索或政策建议也可以选择匿名，企业或创业者还可以在平台上推介好的环保项目，并吸引投资者进行投资、众筹或赞助，并将其作为礼物进行赠送。环保平台还可以给公众提供环保科普知识库，有利于公众自愿学习，公众可以在区块链平台创建个人收藏目录，存储并分享其环保知识学习、环保信息、环保行为等相关信息。

3 基于区块链技术的智慧环保管理系统构建思路

鉴于区块连技术所具有的强大优势，之前基于“云计算”的智慧环保系统就需要重新构建，从而来实现有效的公众参与与环保监管，同时降低参与成本，保障公众信息安全[10]。区块链技术下智慧环保管理体系的构建的总体思路是，首先把感应器和相关软件安装在各种环境监控对象或参与对象的终端，然后通过区块链大数据将环保方面的物联网及社会公众连接起来，最后就形成一个“政府有效监管、公众主动参与、数据真实可靠、运行维护成本低廉、总体绩效显著”的现代化智慧环保管理系统。该系统的核心是建立综合信息管理系统和环境应急管理系统。

3.1 综合信息管理系统

综合信息管理系统主要实现环境监管、环境质量、环境技术和知识等信息征集和公开功能，实现了污染源监管的全覆盖，有效整合了各种环保信息，建立了环保技术交易市场，具体又体现在三个平台。

1）环境监管平台

区块链技术下所有潜在的环境污染源（包括生产污染、生活污染、自然因素等）都在系统的实时监控下，信息可以在非常短的时间无障碍地从污染源传递到监管部门，该平台对监控污染源全过程的动态查询与跟踪，监控内容包含数据-企业相关信息、项目审批流程、在线监控系统、历次监察执法记录等。此外，系统还支持以污染源的自身定义、以各类环保工作为主题的“专栏专题”、以企业为线索的档案查询方式。

2）环境质量查询平台

传统环境管理平台下所提供的环境质量等信息比较分散、且更新滞后，不利于生产生活决策，而区块链技术下所建立的环境质量平台对空气、水源、噪音等现场监控资料进行采集、存放、传输，归纳进各类分布式数据信息中心，数据可以自动分析处理，以图表的形式即时对外发布，除了保密数据外，社会公众可以及时查询到环境质量信息。

3）环境技术和知识普及交流平台

根基于大数据、全站搜索技术，结合“智慧环保”大数据信息中心，提供快速、全面、灵动、及时的资料搜索功能，方便相关工作人员搜索，实现随时“谷歌”应用。

3.2 环境应急管理系统

1）概述

非常规管理与常规管理相结合是环境应急管理的必然要求。突发环境事件的不确定性导致了非常规管理的必然性。此系统将信息数据资料、风险源头数据、污染扩散相关分析与应急管理过程充分结合起来，将环境应急管理工程规范化、系统化，为各级相关用户提供便于管控和使用的环境应急管理系统，同时该系统的建设也为在线监控、行政指挥、监管监察指引明确方向。

2）系统构成（见图2）

图2 环境应急管理平台系统

3）方案特点

①系统高度的及时性完全满足对突发环境事件的预防、响应、处置；

②多网络融合功能，为应急提供实用的通讯网络保障；

③整合应急响应数据资料，多部门协调联动的可操作化；

④系统结合智慧环保统计分析模型技术，科学准确的计算出污染的强度范围；

⑤实用性与科学性相结合，人的使用体验良好。

上述信息管理系统完善了智慧环保相关分析模型，为智慧环保的实现提供了更多方法。在公众参与方面，建设智慧环保平台后，政府与民众都可以通过手机APP，或者网页链接等方式，进入智慧环保大数据系统，直观，全面的了解到我们目前生活的生态环境状况。民众可以订阅环保新闻推送，提供个人监测信息。而相关专家可以使用智慧环保大数据平台进行研究。政府则可以在平台发布环保管理，方针决策。这一系统建成能够使不同使用者均有使用满足度，以及身份不同使用者在使用时观察视角也不同。