基于联盟链的公安情报数据共享和激励方法*

崔梦天 董国庆 姜 玥 贺春林 M.S.Mariani

(1.西南民族大学国家民族委员会计算机系统重点实验室 成都 610041；2.西华师范大学计算机学院 南充 637001;3.苏黎世大学信息系 苏黎世 8050; 4.弗里堡大学 数据与网络中心 弗里堡 1700)

公安情报工作是公安机关预防和打击犯罪的重要支撑和保障，高效、准确的情报工作是公安机关核心战斗力的强大“引擎”和“倍增器”[1]。

近年来，诸多学者对我国公安情报共享问题进行了深入的理论研究和实践探索。张苗苗等人从主体共创价值视角，研究公安情报共享中的共创关系及价值实现过程,构建了公安情报共享价值共创利益冲突协调机制[2]。随着各省的公安信息化建设稳步向前，我国公安机关智慧化改革也取得了前所未有的成绩。粤、港、澳三地建立了加密电邮专线系统，进行犯罪动态、警讯交流、线索协查等情报共享[3]。但以上系统的共享动力匮乏，情报来源狭隘，虽然系统都采用了中心化存储方式，但是不具备情报分享的激励机制，在不及时备份的情况下，若遇到攻击或者设备损坏容易造成数据的泄露、丢失等。

为此，本文针对现阶段公安情报共享中存在的共享动力不足等问题，利用联盟链在保证数据安全的同时进行共享的技术特性，建立了联盟链与公安情报关系匹配模型和数据存储结构，提出了一种基于联盟链的公安情报共享和激励的方案，为我国完善公安情报信息化建设和促进公安情报共享体系提供建议和实施方案。

1 建立基于联盟链的公安情报关系匹配模型和数据存储结构

1.1 关系匹配模型

随着我国“情报主导警务”的理念不断深入，地方公安机关按照职责同构的架构建立了综合情报部门[4]。公安情报结合联盟链的节点授权性、自信任性、数据安全性等技术特性，建立联盟链与公安情报的关系匹配模型，具体如图1所示。

该模型当中，根据公安情报指挥中心的级别不同，可按照规则分配不同的权限，构成联盟链中网络节点，共同维护共享网络；采用分布式的存储方式，避免了单节点损坏造成数据丢失的风险；联盟链中同样采取的是链式存储结构，可以轻易检查到数据的源头，数据的可溯源性高；通过智能合约技术，我们可以方便的制定激励机制，降低贡献主体的消极态度，提高部门之间横向共享的动力。

图1 联盟链与公安情报的关系匹配模型

1.2 数据存储结构

公安情报具有一定的保密性，本文提出的公安情报共享和激励方案只适用于授权的参与者，因此，本论文选择联盟链作为底层框架，既可保证所提方案的效率又可以提高安全性。

以市(州)级公安情报中心搜索整理的公安情报进行跨省市、跨部门、跨警种共享这一应用场景为例，对联盟链在公安情报中应用进行方案设计。该方案将各市(州)级公安情报中心看作是数据提供者，同时也看作是数据服务者。该方案设计如图2所示。

图2 整体架构

为了方便数据的存储和提高联盟链在公安情报工作中的适应性，提出新的的基于区块链的公安情报数据存储结构，具体如图3所示。其中区块体的公安情报数据(Public security intelligence，简称PSI)为该方案的主要数据，包括公安情报的详细内容数据；交易服务数据(Transaction Service Data，简称TSD)则是为实现有效激励机制作基础数据，包括数据使用情况等。

2 基于智能合约的公安情报共享激励机制设计

图3 基于区块链的公安情报数据存储结构

公安情报数据共享受制于技术以外，更掣肘于激励不足[5]。本方案中的激励机制的设定和完成过程，主要依赖于自定义的情报贡献度和智能合约通过联盟链中的交易数据动态完成，避免了人工的干预，从而形成公安情报共享的制度动力。

定义1(共享因子)：共享因子Si用来评估节点i是否积极的参加共享。节点i参与的公安情报共享次数越多，共享因子Si的值就越大。节点i共享因子Si的计算公式为：

(1)

其中C0表示节点的初始情报贡献度，qi表示为节点i发起的情报共享请求次数，ri和pi分别表示情报被拒绝上链和成功参与上链的次数。

定义2(价值因子)：价值因子Vi即在网络中该节点i共享的情报被请求的次数和，价值因子Vi用来衡量节点i分享的公安情报的价值程度，节点i上传的公安情报被请求次数越高，意味着Vi值越大。

为防止其他节点刻意请求该节点的情报，假设该网络中共有m个节点，节点i成功上链的情报个数为n，则有Vi∈[0,mn]。

定义3(情报贡献度)：设共享因子Si和价值因子Vi，节点i的情报贡献度的计算函数为Ci=f(Si,Vi)。

为了方便比较情报贡献度的大小，可使用离差标准化方法[6]对其进行归一化处理。假设对序列C1,C2,…,Cn进行变换，可以由公式(2)得到新的序列。

(2)

最后，为了更好的激励联盟链中所有的节点共享情报，可采用两种指标策略：

a.当Ci≥C0时，说明节点i处于正常共享水平以上，可根据政策划等级给予奖励；

b.当Ci

3 实验及理论分析

实验硬件设备为4台Windows10，CPU 8G，硬盘512G台式计算机，利用以上设备搭建联盟链环境，使用Docker容器技术模拟情报指挥中心节点，观察通信时间的可行性，并设置宕机节点检验共识的安全性。

3.1 通信时间可行性

通信时间即完成一次共识系统所需要的时间。公安情报共享系统本身安全性较高，同时为了方便观察数据，不设置恶意节点。为了提高系统通信的真实性，设置共享的数据大小为1M，不同节点数测试通信时间10次，最终取10次的平均通信时间。如图4所示，通信时间随着节点的增加而增加，当存在100个节点时，共识平均时间需要29s左右，且拟合曲线二次方系数较小，满足公安情报共享的特定环境需要。

图5 一次共识通信时间

3.2 可靠性分析

采用联盟链技术来存储公安情报因为其数据的加密性保证了数据的隐私安全，在此主要考虑共识的安全性，PBFT共识机制保证了部分节点宕机也可以进行共识上链。与此同时，即使主节点被破坏，依靠PBFT共识算法的视图切换机制同样可以保证共识的顺利进行。图5展示了在系统拥有50个情报中心节点的情况下，设置10个宕机节点，共识机制仍然可以保证情报中心之间的数据流动。相对于集中式服务器的系统来说，数据存储更为可靠，不会因为被攻击造成数据丢失和泄露。

图5 设置10个宕机节点

3.3 基于博弈论的情报贡献度价值分析

假设情报中心都参与博弈，设α为公安情报共享收益，β表示贡献度收益，γ表示公安情报共享成本，且γ≪α，Pi和Pj为情报中心组中任意一组博弈人，共享的概率分别为p和q。策略集为{共享，共享}、{共享，不共享}、{不共享，不共享}三种。Pi和Pj的效用矩阵如图6所示。

图6 效用矩阵

由效用矩阵得到Pi的期望效用函数为：

ui(p,q)=pq(α+β-γ)+p(1-q)(β-γ)+(1-p)qα=p(β-γ)+qα

Pj的期望效用函数为：

uj(p,q)=pq(α+β-γ)+p(1-q)α+(1-p)q(β-γ)=q(β-γ)+pα

其中α，β和γ都是定值，此时的max(ui)和max(uj)的大小取决于共享概率p和q。共享概率又依赖于授权用户的情报贡献度Ci和Cj，即共享概率的高低取决于情报贡献度的高低。

从上述博弈论的模型可以看出，{共享，共享}为最优策略集。只有联盟链中的所有情报中心节点积极参与公安情报的共享，才能提高情报贡献度，从而期望效用函数的收益才会越大。

4 结 语

本文基于区块链技术的去中心化、防篡改、分布式存储、自信任等特性，提出了一种构建公安情报共享和带有激励机制的信息化平台的方法。一方面利用区块链技术打破了中心化系统在公安情报存储和分享的局限性，提升了数据的安全性；另一方面在联盟链的基础上，结合智能合约和情报贡献度加入了激励机制，避免了人为干预的可能，降低贡献主体的消极态度，提高部门之间横向共享的动力。本方案是按照现行公安情报工作机构的体制进行设计的，可以有效解决现行中心化系统中数据丢失和共享动力不足等问题，提高公安情报在各部门之间的流动性，为科学预警打下坚实基础。但研究未涉及实际工作中如何选取有效的网络节点和激励机制中具体的奖励内容，未来的研究将结合这些方面构建完整的公安情报共享信息化平台。