浅谈区块链在飞机维修数据储存及共享中的应用

叶定一

习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调，区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用。区块链作为新一代信息技术代表在我国迅速生根、发芽，经过这些年的发展，目前已经实现与多个行业的深度融合。区块链技术应用也已延伸到数字金融、物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等多个领域。

民航业作为国家战略性、先导性产业，需要加快区块链产业融合，才能发挥区块链在促进数据共享、优化业务流程、降低运营成本、提升协同效率、建设可信体系等方面的作用。以飞机维修数据的储存和应用为例，现在飞机维修数据的储存和应用还处于比较原始的阶段，大量的维修数据是以纸质形式保存，纸质的维修记录通过授权人员签名、盖章等方式才能保证维修记录的有效性。然而纸质的维修记录有着很多缺点：第一，储存不便，通常需要专门的库房存放；第二，无法备份，容易损坏或丢失；第三，维修记录检索和查阅十分不便；第四，资源消耗大，需要海量的纸质工作单卡，不利于环保。与此同时现有的数字维修记录又有信息共享范围不广，数据交换实时性不高，数据生命周期管理困难、数据正确性和安全性管理困难，数据信息泄露等诸多问题。而区块链提供了链上数据不可篡改，共享可查的链上记录能力，提供了多方信任和数据共享机制。区块链技术利用共享记录账本可以实现数据生命周期的追溯管理，还可以对数据共享授权实现精细化的管理。

因此，本文设计了一种基于区块链的飞机维修数据存储和共享系统，旨在利用区块链技术的可溯源、不可篡改、去中心化、高度安全等属性解决当前飞机维修数据存储和共享存在的问题。该系统将维修数据发布到区块链上可实现系统层面的防篡改，同时将数字工卡进行数字签名保障了数据的有效性，通过时间戳保障了数据可信度，并利用智能合约实现了飞机维修数据的平台化、智能化。

1区块链技术简介

区块链本质上是一个去中心化的分布式账本数据库。其本身是一串使用密码学相关联所产生的数据块，每一个数据块中包含了多次网络交易有效确认的信息。区块是区块链的基本单元，它由区块头和区块体组成，基本结构如图1所示。

对区块进行随机散列后加上时间戳，然后将随机散列通过P2P网络进行广播就能证实特定数据必然于某特定时间是的确存在的。每个时间戳应当将前一个时间戳纳入其随机散列值中，每一个随后的时间戳都对之前的一个时间戳进行增强，这样就形成了一个链条，如图2所示。

基于区块链的分布式、不可篡改、可追溯、透明性、多方交易、交叉验证等特性，数据权属可以被有效界定，数据流通能够被追踪监管、数据受益能够被合理分享。区块链可以不依托权威中心和市场环境形成基于密码算法的信任机制，拓展了人类的信任半径，从而让互联网中陌生人的合作成为可能。

2基于区块链的系统架构体系

在本文架构体系中，数据的写入是由工作者完成的，工作者在对电子工卡进行数字签名后，电子工卡就等待被打包写入区块完成上链。航空公司负责认证的功能，通过颁发数字证书完成对具体人员的授权，确认数据录入和数据读取的權力归属，通过“投票”确认数据是否可以上链。数据需求方是指局方或飞机租赁公司需要查看维修数据的第三方，在得到认证后可以查看链上的数据。基于区块链的维修数据架构体系如图3所示。

飞机维修数据对航空公司来说相当重要，不能随意对外公开，因此本文没有采取比特币、以太坊使用的公有链，而是使用了Hyperledger Fabric区块链技术，在Hyperledger Fabric中网络节点必须经过认证后才能加入网络，同时Hyperledger Fabric采用了PDBF共识机制替代比特币和以太坊采用的POW的共识机制，避免了POW共识算法的高电力消耗，同时提高了交易处理速度。

区块链是由一个个区块构成的链条，区块是基本的组成单位，一个区块是由区块头和区块体构成的，下面将对本文的区块结构进行阐述。

区块头的主要关键字段如下：

前块哈希值（previous_hash）：对前一个区块进行哈希运算获得的哈希值，通过将前块哈希值放到区块头使得两个区块得以链接从而形成区块链。

工作指令树（work order tree）：本区块的所需要打包的工作指令形成的默克尔树（Merkle Tree），通过工作指令树，可以保证区块体中的工作指令内容不会被篡改。

飞机树（aircraft tree）：主节点对系统中所有飞机现有状态取哈希值形成的默克尔树，通过飞机指令树，能够查看指定时间飞机的状态，例如适航指令在指定时间是否执行。

零部件树（parts tree）：主节点对系统中所有零部件现有状态取哈希值形成的默克尔树，相当于一个器材的不可更改的电子履历证明。

区块号（block number）：每个区块都有一个区块号，表明了当前区块在区块链中的位置，第一个区块为创世区块，区块号为0000000001。

频道（channel）：频道主要是用来完成授权功能，使得该系统可以从单一航司使用的系统，升级为一个多航司共享数据的平台。

时间戳（time stamp）：当前区块生成的时间，可以用于判定区块体中的工作指令上传是否合规。

布隆过滤器（logsbloom）：通过布隆过滤器可以实现对区块中内容的查找。

区块体是由工作指令的具体内容所组成的，工作指令中必须有飞机注册号（reg number）、 上件件号序号（uppnsn）、下件件号序号（downpnsn）时间戳等几个关键字段。通过工作指令中的这几个序号，才能够使得全节点可以对飞机树、零部件树进行数据维护，并通过布隆过滤器查找所需要的信息。时间戳可以保障工作指令上链时的时间合法性。数字签名能保证工作内容的合法性。

区块链数据结构的简单示意图如图4所示。

生产部门将工作指令下发给工作者后，工作者可以在移动终端上查找工作指令获取今天需要完成的电子工卡，在执行工作的工作内容时，需要按照工卡的要求每完成一项，进行一次数字签名。在签名的同时对该项工作内容加盖时间戳。整份工卡完成后，工作者需要对整份工卡进行数字签名。之后便进入了数据上链阶段。系统中的全结点，会审查上传数据的时间戳是否合法、数字签名是否有系统授权。审查通过后，全节点便会将该数据打包到区块中，数据完成上链。

3智能合约

智能合约是一种无需中介、自我验证、自动执行合约条款的计算机交易协议。区块链中的智能合约可以理解为储存在区块链上的代码。这种智能合约继承了区块链的去中心化、去信任、不可篡改的特性，同时又具有可编程、可灵活嵌入各种数据和资产的功能，能够帮助实现安全高效的信息交换、价值转移和资产管理。

3.1智能合约的运行机制

智能合约的运行机制如图5所示，智能合约一般具有值和状态两个属性，代码中用If-Then和What-If語句预置了合约条款的相应触发场景和响应规则，智能合约经多方共同协定、各自签署后随用户发起的交易提交，经P2P网络传播、矿工验证后储存在区块链特定区块中，用户得到返回合约地址及合约接口等信息后即可通过发起交易调用合约。矿工受系统预设的机制激励，将贡献自身算力验证交易，矿工收到合约创建或者执行合约代码，合约代码依据可信外部数据源（也称为预言机）和世界状态的检查信息自动判断当前所处场景是否满足合约触发条件以严格执行响应规则并更新世界交易状态，交易验证有效后被打包进新的数据区块，新区块经共识算法认证后链接到区块链主链，所有更新生效。

3.2智能合约的应用

通过智能合约的应用，飞机维修数据系统可以从原始的、单纯的数据储存系统扩展为一个数据平台，飞机维修的数据可以在平台中自由的交流，飞机维修业务将实现质的飞跃。如下为几个简单的构想：

3.2.1航材索赔的自动化赔付

在现有的航材索赔模式中，航材的索赔需要经过“航材拆下-航材送修-OEM厂家接收-OEM厂家给出索赔结论-确认索赔结论-给予赔付”的流程，需要航线、航材、工程、财务、OEM厂家的多方合作，赔付周期很长。通过将索赔条款写入智能合约中，在上传维修记录的同时，便可以通过预言机判断器材索赔是否成立。索赔成立则自动执行合约中赔付程序，大大地缩短了索赔周期。

3.2.2二手航材的交易

在本文的区块链中有零部件树，通过零部件树可以查询到每一个器材的每一条工作记录，比对区块链上的零部件树HASH值可以保证维修记录真实性、有效性，完美地解决了二手航材中的航材来源的信任问题。航空公司可以将准备出售的器材的通过智能合约放到一个公共地址中，需求方可以通过布隆过滤器在这个地址中查找符合自己需求的器材，找到符合需求的器材后，可以通过查询区块链的数据查看维修记录，确认购买后可以通过智能合约完成购买。

3.2.3维修数据的共享

各个航空公司都有自己的维修系统，有大量的维修数据，但航空公司之间的维修数据共享却很少，究其原因就在于各航司的维修数据格式不统一，没有一个统一的数据共享平台。与此同时，飞机维修又在朝着预测维修、智能维修的方向发展，需要大量的维修数据作为支撑。通过智能合约即能实现单一件号的维修数据共享，也能实现多个航司的维修数据全面共享。航空公司甚至可以将自己的维修数据作为一种数字资产，出售给那些需要积累数据的企业。

3.2.4飞机退租/出售中的应用

在飞机退租/出售时，往往涉及大量的维修记录的核查。在本文的区块链上有飞机状态树，通过智能合约查询飞机状态树，可以快速将飞机的维修指令、修理记录、串件记录、时控件记录等进行一次全面梳理并分门别类进行打包。租赁公司或售机公司可以快速地查询所需要的维修记录。租赁公司和售机公司通过对比区块链上的哈希值，可以确保航空公司提供的维修数据的真实性和有效性。

3.2.5局方的审查

现在局方对飞机维修的审查，主要是以适航年检和“法定自查”为主。通过智能合约可以使审查工作简单化、精细化。以适航指令的执行为例，局方可以构建一个智能合约，航空公司将执行适航指令后的维修记录发送到局方提供的智能合约地址。智能合约在收到条记录后，将自动进行判断将执行过的适航指令的飞机进行标记。局方通过该智能合约可以实时看到该适航指令的执行情况。

4结论

区块链技术的出现解决了去中心化信任的问题，从代码角度保证了链上数据的不可篡改，区块链技术完美匹配了当前行业对飞机维修数据安全性、准确性的需求。同时智能合约的去中心化、去信任、自治自足给飞机维修提供了一个巨大的平台，使得维修记录不再是一堆放着库房中的老古董文件，而变身成为预言机、验证器、交易资源。区块链技术在金融行业已经有了大量的应用，但在民航特别是飞机维修工作中尚缺乏相关的研究。本文设计一个基于区块链的飞机维修数据安全储存及共享系统，详细描述了该系统的实现原理，区块链的数据结构，以及智能合约的应用，期望能对未来区块链在民航业特别是飞机维修中的应用提供有益的启发与参考。

参考文献

[1]张超， 李强， 陈子豪，等. Medical Chain：联盟式医疗区块链系统[J]. 自动化学报， 2019， 45（8）：1495-1510.

[2]刘敬， 唐昊庆， 王郁，等. 电子工卡在民航维修系统的应用与展望[J].民航管理， 2018，328（2）：85-89.

[3]谷宁静. 基于区块链的电子政务数据共享设计研究[J]. 信息安全与通信保密， 2020（4）：91-97.

[4] Ouyang L W ， Wang S ， Yong Y ， et al. 智能合约：架构及进展[J]. Zidonghua Xuebao/Acta Automatica Sinica， 2019， 45（3）：445-457.

[5]孙赛. 区块链电子病历系统中共识机制的研究与实现[D]. 西安电子科技大学.

[6]史文斌. 基于Hyperledger Fabric的区块链应用系统云服务化[D]. 浙江大学， 2018.

[7] 张慕楠 ，李耀辉 ，胡静.飞机退租决策的影响因素分析[J]. 航空维修与工程， 2017（7）.