区块链技术在智慧水利中应用的研究

万争

摘 要：新时代智慧水利行业需要结合物联网、5G、大数据、AI、云计算等信息化技术手段加快现代水利基础设施网络平台的建设，满足水利管理部门的高效快速的管理要求和新时期经济社会发展新要求。随着水利信息化的进一步发展，智慧水利建设的重要性逐渐凸显，智慧水利建设需要新兴的信息化技术提供技术支撑。区块链以其独特的技术原理与优势，在水利工程建设、水体数据存储、水权交易平台与智慧水利综合管理系统中得到广泛应用，相较于传统技术有显著优势，可有效推动智慧水利的建设与发展。文章对区块链技术进行介绍，研究区块链在智慧水利建设中的应用。

关键词：智慧水利;水利信息化;区块链

1 区块链技术原理与特点

目前普遍认为区块链是一种通过共识机制生成数据，使用块式-链式存储数据，应用密码学加密数据，利用智能合约操作数据，实现和管理事务处理的范式。区块链上，数据被多数节点的共识机制审核，节点将一个周期内审核通过的数据整合成一个区块，通过密码学和时间戳签名，生成唯一哈希值作为特征值，再将这些区块按照时间顺序连接到上一区块形成数据块链，区块链的基本结构如图1所示。每个节点是平等的关系，都拥有当前区块链内容的副本，并可以修改自己的副本。区块链通过只有大于50%的节点更改副本内容才能修改区块链内容的共识机制，保持各节点修改的副本内容一致，并且难以篡改。

2 区块链在智慧水利中的应用场景与优势分析

2.1 水利数据共享

区块链水利数据主要通过设备采集、人工填报、专项工作搜集或业务系统产生，虽然一些单位通过有关工作整合了部分数据，但水利数据总体上依然分散在各级水利部门、各业务系统中，信息孤岛现象较为严重。水利数据共享目前主要通过系统汇集、资源目录、电子地图、离线复制甚至纸质复印等方式开展，共享数据容易被复制和滥用。总体上，受限于体制机制和技术等因素，水利数据共享不足，效率不高。利用区块链技术构建覆盖水利部、流域管理机构和省级水行政主管部门的数据共享区块链，数据提供方通过SDK（软件开发工具包）连接区块链节点方式进行数据上链提交流程，具体流程包括：建立统一的水利信息资源元数据库，客户端后台调用接口，发起交易，将元数据文件写入区块链，进行可信存证，上传成功后，返回文件哈希值、区块ID、交易ID、时间戳等至客户端。数据使用方通过客户端查询或下载指定的一个文件或满足条件的一组文件。查询文件相当于向区块链系统发起一笔交易，相关经办方需用私钥对该笔交易进行签名，区块链系统将记录所有的数据查询与下载行为;查询数据可在区块链系统前端页面中对数据进行查看，查看的数据为关系型数据库中的数据。数据查询时，若对数据库返回的某数据存疑，则可向区块链系统发起校验请求，将该数据归属表单的整组数据进行哈希计算，再与区块链系统中的哈希值进行比对。比对成功，表示数据未被篡改;比对失败，数据库则从区块链中更新这一组数据，并标记不一致的数据字段。主要适用于水利数据中心建设、信息资源共享与交换等应用场景。

2.2 水利工程建设

在水利工程的施工建设中，需要对施工人员、功能设备、施工资源与质量四个方面进行管理，涉及的数据包括施工人员、设备、施工材料、工程完成情况等具体信息，也包括人力资源、设备管理、采购、仓储、调度等多部门，数据繁杂且管理决策主体较多。应在区块链实现对数据的精细化管理与对多决策主体的支持，且一些数据有存证与公示的需求，如施工人员的考勤、设备的维修状态、工程质量评价等，需要借助区块链技术实现。大型水利工程有许多标准细则、工程合同、建设方案等文件需要长期保存，这些文件与数据是后期对水利工程进行监督与维护的重要依据，需要对其安全性多加关注。但目前部分文件仍以纸质凭证为唯一依据，已经无法满足智慧水利建设的需要。区块链以其公开透明、不可篡改的技术特性，可以满足水利工程建设管理与存档的需要。建立区块链水利工程建设管理系统，可对在建的水利工程项目进行精细化管理，精密记录工程中的数据变化。工程数据上链后可以形成无法篡改的电子化档案，电子档案在确保安全的同时可方便获取，是水利工程监督与后续维护的重要依据，也是智慧水利决策支持系统的重要数据来源。

2.3 水权交易平台

水权交易作为优化调节水资源配置的重要方法，其效用被人们进一步认识，相关的试点与实践有序进行，但基于传统技术的交易平台，难以有效满足水权交易的需求[6]。区块链技术最先被应用于金融行业，关于交易与记账的应用较为成熟，在实践中证明了区块链应用于交易系统中可信度高、精密记账的优势，因此，基于区块链构建水权交易平台十分必要。基于区块链的水权平台可充分利用区块链的技术特性，构建透明化的水权交易规则体系，优化交易流程，满足水权交易的需求。利用智能合约的可更新性，方便修改具体交易规则，解决季节性可变水权的交易困境，满足水权交易改革试点期间对交易规则频繁修改的需要。利用智能合约满足条件自动执行的特性可减少人工审核，优化交易流程。利用区块链分布存储的技术特点，可以保证水权数据与交易数据的安全可靠，提升数据安全性， 可通过降低系统运维成本减少交易费用，提升水权交易市场的活跃性。

2.4 水利监督存证取证区块链

强监管是水利改革发展主基调的总基調、主旋律。目前支撑行业强监管的信息系统尚处于起步阶段，水利督查工作平台仅有填报上传、拍照存证、查询展示等基本功能，现场检查以描述记录、拍照录像、填报上传等方式为主，群众监督举报信息管理也是传统方式，急需加强“查、认、改、罚”和监督举报全流程的数据采集采信等能力建设。构建覆盖各类水利对象、各级水利部门督查队伍、相关机构的区块链，各级水利部门通过飞检、检查、稽察、调查、考核评价等方式进行督查情况实时上链锁定， 督查部门的问题认定、责任单位的问题整改、相关机构的责任追究等情况进行上链加密关联存储。上级部门通常主要掌握督查工作情况，不查看发现的具体问题及整改处罚情况，只在需要时按照授权查阅下级监督数据， 主管部门基于区块链的可追溯特点监管监督队伍，监督队伍基于区块链的不可篡改特性进行“查、认、改、罚”全流程闭环管理。水利监督存证取证区块链主要适用于水利监督检查全过程数据管理等应用场景。

3 结语

随着智慧水利的发展，不断积累的水利数据成为智慧水利行业发展的重要基石，数据的采集、存储和使用成了重点研究的领域。区块链作为新一代信息技术，通过构建跨层级和业务的水利信息共享交换、应用服务体系，可以促进资源高效集约，加速水利数据全面共享，提升水利监管能力，推进水利业务应用智能化转型。区块链技术的引入无疑是对智慧水利发展的一大助力，基于区块链的水利数据共享交换服务是数据存储与数据使用之间重要的环节，建立了数据共享交换的框架，并能够对数据共享交换的安全性提供保障。通过区块链技术建立安全、高效的水利数据共享交换体系，是水利治理能力现代化和水利信息化的体现，同时也是未来智慧水利发展的重要方向。

参考文献：

[1] 曾诗钦，霍如，黄韬，等.区块链技术研究综述：原理、进展与应用[J].通信学报，2020，41（1）：134-151.

[2] 张建云，刘九夫，金君良.关于智慧水利的认识与思考[J].水利水运工程学报，2019，（6）：1-7.