基于区块链的高支模实时监控系统的研究与实践*

王志强 黄平 温喜廉 黄文峰 张超洋

(1.广州珠江建设发展有限公司,广东广州 510000;2.广州粤建三和软件股份公司,广东广州 510000)

0 引言

近年来在主管部门、行业协会、IT服务商的推动下,建筑行业的信息化与数字化步入发展快车道。而随着区块链技术的应用价值逐渐被发现,探索区块链在建筑行业的应用领域、探索如何打造一个“建筑业+互联网+区块链”的创新性平台,也已成为又一具有重大意义、深远影响的议题。

运用互联网、物联网、区块链技术为建筑行业赋能的一个重要方向便是安全。如今作为社会经济发展的一个重要表现形式,建筑工程的规模越来越大,越来越多的工程在建设过程中需要采用高支模。而高支模的高度从几米到十几米,有的甚至高达几十米,具有高空间、大跨度等特点,因此易发生高处坠落,更严重的是在施工过程中若发生支模坍塌,会造成其上作业人员的群死群伤,危害巨大。且由于支模坍塌事故的突发性,隐患往往来不及排查、事故即告发生。

因此施工单位在高支模作业前,必须编制相应的专项施工方案,施工过程中也必须指派专人按照专项方案进行监督和监测。随着技术的发展,如今高支模的自动监测技术已在全国范围内积极推广,并带来了便捷、节省资源等积极意义,但监测数据仍存在被篡改或丢失的风险,监测数据的获取、处理、整改等关键过程也无法进行真实性追溯。

本系统着眼于高支模的高危害性,在人为监测、传统自动化监测的基础上,致力于通过软硬件结合,形成高支模监测的数据采集、异常预警、异常处理、整改确认的完整业务闭环,并通过区块链技术实现分布式存证及链上历史数据查询,实现对高支模监测数据的去中心化存储和管理。

1 研究背景

高大模板支撑系统是指建设工程施工现场混凝土构件模板支撑高度超过8m,或搭设跨度超过18m,或施工总荷载大于15kN/m2,或集中线荷载大于20kN/m的模板支撑系统[1]。主要用于电力系统、民用建筑、市区高架桥桥墩、桥梁等建设。

根据住建部统计数据,模板坍塌事故已成为较大建筑生产安全事故之首:由于高空间、大跨度,高支模安全事故发生的原因主要是由于荷载作用,导致了过大的变形或荷载的产生,诱发体系内构件失效、直至局部或整体失去稳定,从而发生高支模局部坍塌或整体倾覆,造成作业人员伤亡。高支模事故具有不稳定性、随机性、突发性等安全生产事故发生的显著特征。

区块链是利用现有的计算机技术,组合而成的新技术,是继移动互联网之后,最具有潜力的技术之一。相较于AI、IOT等技术,区块链可以在现有的业务场景上进行组合、拓展,其本质是分布式的数据储存、p2p共识、分布式哈希表、共识机制、加密算法等技术的集合。区块链主要解决的是在信息大爆炸时代,数据失真、不安全、没有价值的问题,通过PoW等共识算法,使得发布数据要进行一次共识,这样确保了数据的真实性,又通过链式结构存储,点对点网络备份,在去中心化的前提下保证了数据的安全可靠,不存在中心机构作恶篡改的可能。

区块链利用分布式存储的账本技术,通过点对点网络,区块链式数据结构来验证与存储。向区块链中写入或者修改任何数据,都需要该网络半数以上的节点同意,才能成功,否则是不可能进行数据修改和更改的。利用密码中的非对称加密,对称加密,以及哈希算法等技术,有效的保证了数据的访问安全和传输的安全。所以本文通过区块链的技术,实现了对高支模实时监测系统数据的加密存储,保证了高支模中各项数据无法篡改,真实有效。

2 基于区块链的高支模实时监控系统技术架构

区块链由raft共识算法、点对点通信网络、非关系型数据库、可信代码、RAS对称加密、椭圆曲线加密等技术组成。基于区块链的高支模实时检测系统,运行在区块链的可信代码中及智能合约,将垂直位移,压力等感器的数据上传至链上。本系统设计进行了分层,用户只会接触的应用层简单易用,只需要通过相应的服务,即可与区块链进行数据交互,而区块链底层在应用层之下提供服务。将高支模垂直位移数据,压力等数据上链,数据异常时通知现场施工人员或者负责人员进行勘察整改,将整改结果上链记录。本系统还提供历史数据查询功能,查询整改历史。图1为基于区块链的高支模实时检测系统的技术架构图。

图1 基于区块链的高支模实时监控系统总体技术架构图Fig.1 Overall technical architecture diagram of Blockchainbased real-time monitoring system with high support mode

3 基于区块链的高支模实时监控系统实现

3.1 传统监测系统的弊端

施工单位应依据国家现行相关标准规范,由项目技术负责人组织相关专业技术人员,结合工程实际,编制高大模板支撑系统的专项施工方案。施工单位应当指定专人对专项方案实施情况进行现场监督和按规定进行监测[2]。

高支模自动化监测技术已逐渐在全国推广使用,包括了高支模位移数据的采集、传输,这在一定程度上提高了监测的便捷性、节省了人力资源、降低了施工风险,但此类传统的监测系统仍具有以下弊端:

(1)关键监测项目缺失:传统高支模监测只能采集到支架位移等数据,对于导致高支模事故高发的“整体倾斜、承载力”等项目,其关键节点数据没有监控在内;

(2)传统的高支模监测系统将数据存储在系统后台,此种传统的保存和管理技术,不便于数据的查询和使用,系统维护困难,且数据可能被篡改或丢失;

针对这三座山，一是要激活民营企业内在潜力，融化市场的“冰山”。要提升产品核心竞争力，打造区域性品牌，并借助电子商务平台，拓展优势产品的销售半径；鼓励企业“走出去”，参与发展中国家的资源开发，依托本地优势产业基础，与有关国家合作建立境外生产加工基地。二是要健全融资信用保障体系，削低融资的“高山”。要通过健全民营企业融资信用保障体系，解决银行不敢或不愿贷款给中小民营企业的问题。三是要以优化创新创业条件来跨越转型的“火山”。

(3)高支模监测不仅包括监测数据的采集和上传,还包括监测异常数据的预警、相关负责人对预警的响应与处理、整改结果的各方确认等关键环节。传统的高支模监测系统一方面未提供完整的解决方案,业务非闭环,另一方面对于各监测环节也无法进行真实性追溯。

综上所述,高支模监测的颗粒细度、可信度还有待提高、数据安全性还有待提高、整体解决方案还有待提出。

3.2 基于区块链的高支模实时监控系统的具体实现方式

所述系统包括数据采集端、服务端(含数据服务端、区块链服务端)以及区块链联盟链网络——实现监测数据的自动采集、实时上链、智能统计分析、多方协作、资料安全存储——以解决施工单位自行监控数据可信度低、第三方监测应用低效、智能监控水平低且碎片化的问题。本系统的具体的实现方式为:

(1)数据采集端用于采集高支模监测数据,并通过无线传输发送给数据服务端。

(2)数据服务端用于:接收所述高支模监测数据,将高支模监测数据发送至区块链网络;对高支模监测数据进行计算,若计算结果超出预设的阈值、达到报警条件,则生成高支模数据异常的报警信息,并将报警信息发送给高支模监测相关的用户;用户完成对高支模的异常数据处理后,整改信息发送至区块链服务端。

(3)区块链服务端用于:公司本部、检测单位用户对高支模的报警信息、及其整改信息进行多方确认,确认结果发送至区块链网络。

(4)区块链联盟链网络用于:存储高支模监测数据、报警信息、整改信息和整改确认结果。

图2为基于区块链的高支模实时监控系统的业务流程图。

图2 基于区块链的高支模实时监控系统的业务流程图Fig.2 Business flow chart of Blockchain-based real-time monitoring system with high support model

3.3 基于区块链的高支模实时监控系统的特点

基于区块链的高支模实时监控系统具有以下特点:

(1)监测、监控降本增效、过程智能化。数据采集端自动采集高支模监测数据,数据服务端自动对监测数据进行计算,并根据计算结果判断高支模监测数据是否异常,若满足报警条件,则生成高支模数据异常的报警信息,并将异常情况自动推送至相关责任人员。

(2)高支模监测数据无法篡改。高支模监测数据、报警信息及整改信息、整改确认结果通过哈希值运算后在链上存证,一旦存证将同步到各联盟节点,无法被篡改和伪造,增强了数据的可信度。

(3)高支模监测信息完整可追溯。高支模监测数据采集、异常预警、异常处理、整改确认全过程和内容均可追溯,且方便查询,为高支模监测数据异常原因的排查与归责提供依据。

(4)去中心化安全稳定。依托区块链去中心化的技术特性,存证服务高度去中心化,为拓建建筑业开放的合作生态提供技术平台。

(5)分布式存储。合同文件在加密后将在链上进行分布式存储和容灾备份,即使有一方系统被破坏或删除,也可自动恢复,提升数据的安全等级。

(6)系统维护管理简单。区块链系统具有高可用性,服务实现集群化,通过共识算法实现自动故障转移。即使部分节点故障,也能快速拓展节点,系统不容易宕机。

4 系统应用效果

广州珠江建设发展有限公司是一家广州本地大型国有施工企业,具有房屋建筑工程施工总承包一级资质,其在建工程项目众多,对于高支模监测管理,难度也相对较大。故该公司2020年5月开始联合广州粤建三和软件有限公司,研发基于区块链的高支模实时监控系统。目前系统已完全开发、部署完成。白云区白云湖车辆段地块(一期)项目率先开启了本系统的应用:系统包含功能完善的软件平台、数据釆集系统、处理系统和展示系统, 数据的釆集、处理、查询和管理属于基本的功能模块,在整个系统中,嵌入区块链联盟链网络,保证数据真实、透明的流转,实现高效生产。

系统页面如图3、图4、图5、图6所示:

图3 基于区块链的高支模实时监控系统——后台项目管理页面Fig.3 Blockchain-based Real-time Monitoring System of High Support Mold -- Background Project Management Page

图4 基于区块链的高支模实时监控系统——链上数据查询页面Fig.4 Blockchain-based High-Support Mode Real-time Monitoring System -- On-chain Data Query Page

图5 基于区块链的高支模实时监控系统——预警信息页面Fig.5 Blockchain-based Real-time Monitoring System with High Support Mode -- Warning Information Page

图6 基于区块链的高支模实时监控系统——多方整改页面Fig.6 Blockchain-based Real-time Monitoring System with High Support Mode -- Multi-party Rectification Page

管理员在后台对进行了高支模监测的项目进行管理:对接软件平台与数据采集系统,将传感器收集到的高支模监测数据上传至区块链中。数据一旦上传区块链后,便不可更改。即使管理员在后台更改高支模监测数据,原始数据也将存证于区块链平台中,有唯一的哈希值,更改后的数据区块链平台也将产生新的唯一哈希值与之对应,保证数据真实可靠,无法篡改。

传感器收集到的水平位移监测、竖向位移监测和深层水平位移监测、内力等监测数据实时上传至区块链平台进行展示,并显示监测类型、测点编号、监测时间、区块链交易编号等内容。多方监管单位可通过高支模区块链平台实时监管数据,可有效对风险进行预防,极大降低了事故发生的几率。

根据测点监测编号和预设的监测数据阈值索引表,获取目标监测数据对应的监测阈值,根据监测阈值,判断目标监测数据是否满足报警条件。若是,则生成目标监测数据异常的报警信息,并向与目标高支模监测相关的用户发送报警信息;若否,则生成目标监测数据正常的记录信息,相关责任人可以对预警信息进行处理。预警项、预警内容、预警时间等预警信息实时上链,责任人员如没有在规定时间对预警信息进行处理,都可通过区块链平台进行取证追责。

已整改的预警信息,公司本部、项目部和检测公司三方确认后,在高支模区块链平台上归档。设备名称、处理人、处理时间等整改信息同步上传到区块链平台,如若发生事故,可通过区块链平台各个节点进行事故原因溯源以及责任排查,实现整个建筑工程过程中的高效协同。

综上,该系统实现了从监测数据、预警数据、整改记录以及确认归档整个高支模监测流程的全过程追踪。传感器监测的高支模数据发送到后台数据服务端,同时上链到区块链服务器,全程保证了监测数据的公开透明以及真实可靠。对于异常的高支模数据,后台形成预警后,也将实时上传到区块链服务器,利用区块链去中心、防篡改、可追溯的特点,实现多方单位在区块链平台查看信息和整改确认,建造整个高支模监测过程透明化以及责任化。

5 结语

本文从研究背景、技术架构、系统实现、系统应用效果等方面,阐述了基于区块链的高支模实时监控系统,实现了高支模作业在工地现场的智能化、安全化管理;利用区块链的可追溯性、防篡改性、去中心化等特性,让所有的数据都有据可依,有证可查,也可让预警数据进行多方整改,多方认证,及时保障了高支模作业的安全。该系统对于有高支模作业的工地现场,有着非常重大的意义。