区块链技术在智慧水利建设中的应用研究

2021-01-17李辉曾云峰罗敏

四川水利 2021年6期

李辉，曾云峰，罗敏

(1.成都农业科技职业学院机电信息学院，成都，611130；2.四川水利职业技术学院信息工程系，四川崇州，611200)

前言

随着第三次信息技术浪潮的到来，以“感知、互联和智能”等为基本特征的大数据、物联网、区块链等技术及其应用，极大地改变了各个行业的效率和效能。水利信息化、现代化、智能化发展迎来了良好契机，发展智慧水利，正成为水利现代化的强力抓手和必然选择。

2019年国家发改委及水利部印发的《国家节水行动方案》指出，要瞄准世界先进技术，加大节水产品和技术研发，加强大数据、人工智能、区块链等新一代信息技术与节水技术、管理及产品的深度融合，重点支持用水精准计量、水资源高效循环利用、精准节水灌溉控制等先进技术及适用设备研发[1]。

1 区块链技术在智慧水利建设中的优越性

1.1 区块链

区块链是一个共享数据库，存储于其中的数据和信息具有“不可伪造”、“全程留痕”、“可以追溯”、“公开透明”、“集体维护”等特征。区块链技术通过共识机制和智慧合约将技术与智慧相融合，奠定了坚实的“信任”基础，创造了可靠的“合作”机制，具有广阔的运用前景。2019年1月10日，国家互联网信息办公室发布《区块链信息服务管理规定》[2]。习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调，要把区块链作为核心技术自主创新重要突破口，构建区块链产业生态，加快推动区块链技术和产业创新发展，积极探索“区块链+”在各个领域的运用[3]。“区块链”已走进大众视野，成为社会的关注焦点。

1.2 水利数据的特点

(1)监测数据多样，数据量大。水利系统涉及建设监管部门多，施工监测数据量大、日常运行维护数据众多、更新频率高、数据积累速度快，因此，对于水利系统产生的海量数据进行管理与维护是一个重要难题。

(2)更新频率快，时效性高。水利数据以物联网监测数据为基础，具备了物联网传感器设备数据产生频率快、时效性高的特点。因此，在进行水利数据的采集、应用和管理时，传输速度和数据处理能力便成了智慧水利系统关键的技术因素[3]。

(3)跨部门使用，使用频次高。智慧水利是智慧城市重要的组成部分，水利数据往往在水利、政府等多部门交叉使用，具有高频次的使用率。

1.3 区块链技术在智慧水利建设中的优越性

(1)区块链系统是以数学算法为基础的去中心化系统，极大程度上降低了水利行业的建设和管理成本，提高了智慧水利建设中的分布式处理效能。公开透明的信息在公有链上节点可以对区块链内的数据进行访问，保证了海量水利数据的可靠性及可追溯性。

(2)区块链信息具有不可篡改性，当信息加入至区块链节点时，会永久储存至数据库中。同时，由于区块链具有集体维护功能，任何一个节点的数据修改不会影响其他节点的数据内容，因此，区块链的数据稳定性、可靠性较高。水利行业存在配水管网覆盖区域庞大、结构复杂，监测大时滞性等问题，而区块链结合物联网、大数据等技术，能将海量的水利信息进行及时分析和处理，以更加智能和精细的方式，打造水联网系统。

(3)自治性区块链在应用层利用契约和协议，依靠特定的数学算法构建的机器信任，为系统构建特定规则，所有节点必须遵守系统规则，人们无法对节点间的数据交换行为进行干预。智能合约的出现使得基于区块链的两个人不只是可以进行简单的价值转移，而可以设定复杂的规则，由智能合约自动、自治地执行，这极大地扩展了区块链的应用可能性，也提高了水利系统的开放性与共享性，有助于推动水利行业的信息化、智慧化建设与管理。

2 区块链技术在智慧水利建设中的应用

2.1 基于区块链的水资源管理系统

我国是一个水资源匮乏的国家，人均水资源仅为世界人均量的1/4。水资源缺乏、利用率低，水数据的可信度低、数字化程度低、数据量少、数据精度低，水资源数据耦合性和匹配度差、数据孤岛现象严重[4]。水资源环境监测系统作为监控雨情、水情、墒情变化过程和地下水位、水质动态等信息的重要平台，是水资源合理开发利用、城市发展建设、保障社会民生安全、防汛救灾的重要保障，也是国家现代化治理体系中的重要环节[5]。

2.1.1 促进水资源数据标准化规范化

长期以来，我国的水资源数据缺乏统一规范的技术标准，主要表现在数据分类分级问题、数据版本和质量控制问题，数据整合问题等。水资源数据标准化是实现水资源开放共享的重要前提。基于区块链技术的水资源环境监管，采用标准化、统一化的数据描述标识体系描述水资源及其环境的特征，记录设施运行和监控全流程中的数据，形成统一规范的水资源数据标准化体系结构，为全面水资源信息共享，提高水利行业的整体管理水平和现代化、信息化进程具有积极的促进作用。

2.1.2 提高水资源数据使用效率

通过区块链技术形成的水资源数据体系通过泛在化互联技术将分散的水资源数据进行分布式存储与管理，让所有的水资源成为“可描述、可计算、可分类、可共享”的数据节点，最终形成全局性的水联网系统，有效保障了水资源数据的计算可信度和数字化，切实提高了水资源数据的使用效率。同时，数据的不可篡改性也有效保障了数据的安全性与共享性，切实实现了数据的可信计算、互联互通、高效管理。

2.1.3 实现水资源数据开放共享

水文水资源信息共享体系主要由政策法规与技术标准体系、数据资源整合与共享数据库系统、数据共享网络平台建设以及共享数据运行服务和效果评估体系构成。通过对水资源数据进行深加工和处理，如通过关联分析、序列模式分析、分类分析、聚类分析等先进的数据挖掘技术进行数据信息的再加工和处理，生成能够满足不同主题、科学研究需要的各类综合性数据，打通水资源共享壁垒，全面实现数据的兼容共享、互联互通。

2.2 基于区块链的水资源均衡配置与调度系统

水资源宏观配置和微观调度是实现水资源合理调配的两个关键。现有的调度方法是基于水利工程安全的前提下，依据水利工程的运行规则及性能对已知的水资源进行供水策略的制定，其中最大的约束点在于水利工程的运行性能以及所能支配的水资源量，对于二者采用的技术缺乏耦合性研究。

2.2.1 水资源配置区块链

水资源合理配置是根据多年的历史来水和用水资料，建立合理配置模型进行系列操作求解。把该配置模型应用于某个具体调度时段(如月、日等)进行调度时，未必能获得最佳效益，甚至出现较大的偏差。

水资源配置区块链模型构建过程中，考虑规划层面的相关控制条件与原则，包括水量平衡条件、水资源总量控制条件、节水优先原则等，得出各水源利用方案以及社会经济需水方案。具体内容包括生态节点处月均径流量值；不同水利工程合理供水范围；不同水源实际供水量；水资源宏观配置方案以月为计算时段。以供需平衡分析为基础绘制概化系统网络图，网络图包括节点如计算分区、水库、引提水枢纽、输水交汇点、湖泊及湿地、水传输系统。

2.2.2 水资源均衡调度区块链

水资源调度方案除了受到当前条件下各行业用水需求形势、经济政策、水资源禀赋等多种因素影响外，同时也受到水利有关部门水量宏观配置方案的严格约束，因此，需要在事前约束与实时影响之间取得水资源调度方案的均衡。因此，如何实现水资源宏观配置与水资源微观调度的紧密耦合是水资源调配研究领域中的重要课题。

基于区块链的多目标均衡调度模型的参数包括渠系、河道、排水渠道的蒸发和渗漏比例、当地未控径流可利用水量比例、计算分区灌溉渠系蒸发、渗漏及入河比例。生活用水、生态用水、工业用水需水量的数据可通过配置方案中的月数据平均求得；农业用水参考当地农业灌溉制度表，根据农作物种类、种植结构及灌溉定额划分成旬数据。综合进行目标函数的耦合，在社会效益目标中，以水资源宏观配置方案生成的各分区各用水户实际供水量耦合代替多目标均衡调度模型中的各用水户需水量；在生态效益目标中，以宏观配置方案所得的旬均径流量值耦合代替自然状态下旬均径流量值。

2.3 基于区块链的数字水权与交易服务管理

我国是一个缺水国家，也是一个用水大国。如何更好地使用和管理水资源是一项十分重要的社会问题。数字水权的核心就是把资源水变成商品水，结合区块链，用安全、透明和分布式记账技术来记录各方之间的交易，保证数据不丢失，把每一方水管理起来，通过确权实现从资源到资产的转变，提高全民的节水意识，增强节水主动性和获得感，最终提高整个社会的水资源利用效率。用智能合约在无须人为干预下自动完成交易验证流程，用权限管理可控地管理用水户。同时，家庭、行业消费者、水务管理人员和政策制定者都能获得关于水质和水量的数据，这样的透明度会帮助消费者做出何时储存、何时用水的方案，也可以帮助防止地方当局篡改或扣留水质数据的贪腐行为。区块链技术还可以支持给定流域内水权的点对点交易，给予用户足够的共享超额资源的权利。例如，同一水域中的农民可以根据最新的天气信息、作物价格、市场趋势和长期气候变化趋势(农民可以通过移动设备获取这些信息)来决定是否交易他们的配额。

2.4 水利工程建管运维一体化区块链平台

随着信息技术和现代通信技术的发展，水利工程建设和运管信息化程度逐步提高。大型的水利工程是关系国计民生的重大项目，因其施工复杂，海量的纸质数据和档案管理滞后，集中化的电子管理数据原始性和安全性难以保证。区块链以其分布式存储、不可篡改和加密安全性的特点为水利工程信息化、智慧化提供了全新的解决方案。作为分布式的共享数据库，区块链记录了水利工程施工、管理、运维各个时间节点的全部处理信息，各个区块按照时间先后顺序形成了清晰有序的链式数据结构[6]。区块链记录对于所有的节点都是开放、透明的，当其中某个节点的数据遭到篡改时，其他节点记录的数据可以对数据原始性进行有效校验，可以防止任何区块中的数据被篡改。这为水利工程施工、管理和运维提供了一体化的安全、可信的系统环境。

2.4.1 水利工程招投标信息区块链

水利工程是关系国计民生的重要工程，现有的工程招投标信息由投标方自行提供，存在真假难辨的隐患，在评标过程中也容易造成大量时间和精力的耗费。基于区块链技术的水利工程数字身份证，经由行政主管部门、水利行业企业各级审批后其信息上传加密存储在区块链中，数据信息存在无法篡改真实可靠的特性。在招投标过程中通过数字解密可快速读取区块链中的相关信息，极大程度上减少了招投标工作量，降低了成本，提高了效率，也保障了信息的安全。

2.4.2 水利工程建设运维区块链

水利工程建设与运维是一种中心化的工程建设模式，设计、材料、施工等各个环节工艺复杂，工作繁琐，管理难度大。各建设单位与部门多线沟通影响了互联互通的效率，也制约了工程建设的进度和效率。基于区块链的工程建设与运维，将建设单位与人员信息、材料设备信息、造价经费使用信息、工程验收信息、工程运维等所有信息以清晰明快的节点形式进行智能合约部署，互联互通节约了沟通成本，也提升了项目智慧化建设与运维水平。基于区块链技术的不可篡改性和安全性特点，也确保了水利工程建设的安全执行。

2.4.3 水利工程数字档案管理区块链

水利工程建设单位来自各行各业，工程档案存在不够规范统一、真伪性存疑、易被篡改等问题。基于区块链技术的水利工程数字档案管理系统，通过数字签名、时间戳等关键技术，可有效防止信息伪造、篡改。同时，形成完备的数字档案系统，为工程档案的管理与维护提供了极大的便利。