張雪嬌，喬 佳，馬旭卿，鄭 凱，馬瑞莉，張佳維(北京市燃氣集團研究院，北京100011)

1 概述

燃氣管網(wǎng)的安全運行是保障城市平穩(wěn)供氣的基礎(chǔ)。然而，第三方施工破壞、違章建筑占壓等行為可能導(dǎo)致燃氣管網(wǎng)的損壞，不利于燃氣管網(wǎng)的安全運行。因此，實時對燃氣管網(wǎng)進行監(jiān)測、檢測，深入感知城市燃氣管網(wǎng)的運行規(guī)律與狀態(tài)，第一時間做出應(yīng)急響應(yīng)是確保燃氣管網(wǎng)安全運行的關(guān)鍵所在。

本文利用區(qū)塊鏈的優(yōu)勢特征，依托云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、5G等新一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)[1]，研究基于區(qū)塊鏈的燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系?；趨^(qū)塊鏈的燃氣管網(wǎng)完整性數(shù)據(jù)的防偽溯源，依托各類傳感器、監(jiān)測設(shè)備、檢測設(shè)備等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施，借助大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，實時監(jiān)測和檢測燃氣管網(wǎng)運行狀況，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)各生命周期完整性數(shù)據(jù)上鏈，保證燃氣管網(wǎng)數(shù)據(jù)的完整性[2]，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)的防偽溯源。此外，還可以全方位掌握燃氣管網(wǎng)的運行動態(tài)，達到快速預(yù)警和應(yīng)急響應(yīng)的目的[3]。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)的典型特征

區(qū)塊鏈技術(shù)是集成塊鏈分布式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、共識機制、非對稱加密算法、點對點網(wǎng)絡(luò)等一系列技術(shù)，并以特定形式結(jié)合形成的一種用于記錄和儲存數(shù)據(jù)的技術(shù)體系，具有去中心化、無第三方中介、安全高效、數(shù)據(jù)可防偽追溯、各方權(quán)責(zé)明晰的特征[4]。區(qū)塊鏈技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用模式已擴展到產(chǎn)品防偽溯源、能源交易、金融理財?shù)榷鄠€領(lǐng)域[5]，區(qū)塊鏈未來的應(yīng)用場景還將被更多實體經(jīng)濟領(lǐng)域不斷挖掘，實現(xiàn)新一輪的指數(shù)級增長。

區(qū)塊鏈去中心化指的是區(qū)塊鏈系統(tǒng)中不存在中心硬件，通過共識機制、密碼學(xué)特征完成所有區(qū)塊之間的有序連接，基于對等網(wǎng)絡(luò)(P2P)，將區(qū)塊鏈中的每個節(jié)點通過點對點通信協(xié)議，完成數(shù)據(jù)的儲存、交換與共享。由于每個節(jié)點的數(shù)據(jù)可以查到帶有時間戳的數(shù)字簽名，因此，區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)具有可追溯，不可篡改的特征[6]。

區(qū)塊鏈技術(shù)在燃氣領(lǐng)域應(yīng)用時的去中心化特征表示形式見圖1，圖1中，黑色文本框表示燃氣領(lǐng)域區(qū)塊鏈體系的各類節(jié)點，具體包括燃氣企業(yè)、燃氣企業(yè)分公司、政府管理部門、監(jiān)理單位、施工單位、設(shè)計單位、傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備共7個節(jié)點，紅色文本框表示鏈式數(shù)據(jù)記錄。各類節(jié)點要么直接通過鏈式數(shù)據(jù)記錄上傳數(shù)據(jù)，要么借助傳感器等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備通過鏈式數(shù)據(jù)記錄實時傳輸數(shù)據(jù)，每個節(jié)點都具有鏈式數(shù)據(jù)記錄的完整備份。各類節(jié)點之間的互動大體相同，這里以燃氣企業(yè)與其他節(jié)點的互動為例來說明。燃氣企業(yè)節(jié)點可與燃氣企業(yè)分公司、施工單位、設(shè)計單位直接聯(lián)系，提出要求，燃氣企業(yè)分公司、施工單位、設(shè)計單位可將工作進展及時報告給燃氣企業(yè)。燃氣企業(yè)可隨時接受政府管理部門的監(jiān)督，及時報告燃氣管網(wǎng)運行情況，政府管理部門及時對燃氣企業(yè)進行指導(dǎo)與反饋。

圖1 區(qū)塊鏈在燃氣領(lǐng)域應(yīng)用時的去中心化特征表示形式

區(qū)塊鏈中每個節(jié)點都具有相同的價值，所有節(jié)點共同管理與維護上鏈數(shù)據(jù)，不會因為某一節(jié)點的損壞而影響區(qū)塊鏈系統(tǒng)的整體功能。此外，區(qū)塊鏈中采用智能合約形成的特定程序能夠完成數(shù)據(jù)的自動讀取等一系列操作行為，不需要中介介入?yún)f(xié)調(diào)管理。

綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)具有各方平等、安全穩(wěn)定、成本低廉、運行快速的顯著優(yōu)勢[7]。

3 燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源總體思路

燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源的應(yīng)用場景滿足應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的條件，上鏈數(shù)據(jù)存在唯一性、安全性與時效性，因此，可以利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源應(yīng)用總體思路。

① 建立區(qū)塊鏈平臺實現(xiàn)數(shù)據(jù)上鏈

利用云計算服務(wù)成本低、可靠性高的特點，可采用微軟公司2016年對外提供的基于云計算的操作系統(tǒng)(Azure)云平臺上的區(qū)塊鏈即服務(wù)(BaaS)，創(chuàng)建區(qū)塊鏈平臺[8]，在此平臺上進行數(shù)據(jù)上鏈等一系列操作，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、分析與監(jiān)督等功能。

② 依托共識算法確保數(shù)據(jù)的一致性

在區(qū)塊鏈去中心化體系中，若干個節(jié)點參與決策，達成共識，在互相沒有信任基礎(chǔ)的個體之間通過共識機制建立信任關(guān)系，使得各節(jié)點之間達成高效共識，防止數(shù)據(jù)被篡改，從而降低信用成本與交易成本。

區(qū)塊鏈的共識機制主要包括工作量證明(PoW)、股份授權(quán)證明(DPoS)以及實用拜占庭容錯算法(PBFT)等類型[9]?；谌細夤芫W(wǎng)完整性防偽溯源應(yīng)用場景中參與節(jié)點數(shù)量多、數(shù)據(jù)量大的特點，本文采用DPoS共識機制，通過不斷比選可信任節(jié)點記賬的方式，提高區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)處理的水平，在很大程度上減少計算時間。

③ 依托當(dāng)代信息技術(shù)支撐數(shù)據(jù)上鏈

依托云計算低成本的特點，利用微軟BaaS服務(wù)，創(chuàng)建區(qū)塊鏈環(huán)境；依托大數(shù)據(jù)海量儲存功能與高效敏捷分析能力，提升上鏈數(shù)據(jù)利用空間與使用價值；依托物聯(lián)網(wǎng)的識別與智能感知等技術(shù)[10]，支撐區(qū)塊鏈平臺的共識機制；依托5G移動通信技術(shù)，達到區(qū)塊鏈極速同步的效果，拓寬區(qū)塊鏈的應(yīng)用領(lǐng)域。

④ 依托區(qū)塊鏈2.0版本實現(xiàn)場景落地

智能合約是區(qū)塊鏈2.0版本的主要技術(shù)指標，智能合約是基于預(yù)定事件觸發(fā)、不可篡改、自動執(zhí)行的計算機程序，它是由多方共同參與制定并公示的合約機制，包含各方達成一致的權(quán)利和義務(wù)[11-12]。區(qū)塊鏈2.0版本對區(qū)塊鏈在各領(lǐng)域的應(yīng)用場景落地提供了創(chuàng)新模式。燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源應(yīng)用場景數(shù)據(jù)總量大，內(nèi)容復(fù)雜，在數(shù)據(jù)儲存和管理中需要智能合約對所有環(huán)節(jié)采集的數(shù)據(jù)進行處理和把關(guān)。

4 燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源應(yīng)用分析

4.1 燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源條件判斷

燃氣管網(wǎng)完整性數(shù)據(jù)包括管網(wǎng)設(shè)計、施工、運行、監(jiān)測、維搶修、報廢等管網(wǎng)全生命周期數(shù)據(jù)，其中，燃氣設(shè)備數(shù)據(jù)包括生產(chǎn)廠家、應(yīng)用范圍、使用期限等生產(chǎn)數(shù)據(jù)以及日常維護檢修數(shù)據(jù)。目前，我國城市燃氣管網(wǎng)總長度高達70×104km左右，附屬的燃氣設(shè)備數(shù)量多達(10～30)×104個。燃氣管網(wǎng)完整性數(shù)據(jù)量大，需要可追溯、不可篡改的分布式數(shù)據(jù)庫作為技術(shù)支撐。并且，正常情況下，燃氣管網(wǎng)壽命較長，燃氣管道和設(shè)備管理和維護周期長，需要設(shè)計單位、施工單位、燃氣企業(yè)分公司以及燃氣企業(yè)生產(chǎn)管理與監(jiān)理部門在燃氣管網(wǎng)整個全生命周期中共同管理與維護。因此，利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以全面掌握燃氣管網(wǎng)運行狀態(tài)，提高管網(wǎng)數(shù)據(jù)準確率和利用率，實現(xiàn)燃氣管網(wǎng)完整性的防偽溯源。

4.2 燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系

燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系的具體架構(gòu)見圖2。

圖2 燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系

燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系自上而下分為以下5層：對象訪問層、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層、多源數(shù)據(jù)倉庫層、區(qū)塊鏈運行環(huán)境層[13-14]。

① 對象訪問層

對象訪問層主要是燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源應(yīng)用場景下的各類訪問對象，此處的訪問對象對應(yīng)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的各類節(jié)點，主要包括燃氣企業(yè)人員APP節(jié)點、瀏覽器節(jié)點以及外網(wǎng)訪問節(jié)點。這3種節(jié)點是根據(jù)系統(tǒng)使用方和使用權(quán)限的不同進行設(shè)計的，并且三者之間還可以相互轉(zhuǎn)化，在開通權(quán)限后實現(xiàn)其他節(jié)點以及其他系統(tǒng)中配置的功能。例如，燃氣企業(yè)運維人員在現(xiàn)場進行維搶修過程中，可通過APP手機端第一時間上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)，回到單位后可通過瀏覽器節(jié)點訪問內(nèi)網(wǎng)，進行數(shù)據(jù)的監(jiān)測、檢測與分析處理等工作。此外，在緊急情況下，還可在非辦公場所，在與區(qū)塊鏈系統(tǒng)管理人員聯(lián)系并取得權(quán)限后，在外網(wǎng)通過瀏覽器節(jié)點登錄系統(tǒng)，進行相關(guān)操作，達到實時掌握燃氣管網(wǎng)生產(chǎn)運行各項情況的目的。

② 數(shù)據(jù)互聯(lián)互通層

數(shù)據(jù)互聯(lián)互通層包含Oracle等數(shù)據(jù)庫、服務(wù)器之間的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議以及系統(tǒng)對接接口3個組成部分，保障區(qū)塊鏈系統(tǒng)與其他應(yīng)用系統(tǒng)之間順利地進行數(shù)據(jù)的傳輸和同步。

③ 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

數(shù)據(jù)應(yīng)用層中，利用區(qū)塊鏈平臺上的數(shù)據(jù)，完成管網(wǎng)評價、風(fēng)險控制以及效能評價工作。其中，管網(wǎng)評價模塊包括管網(wǎng)風(fēng)險源辨識、管網(wǎng)泄漏評價模型、外力破壞評價模型以及管網(wǎng)腐蝕評價模型4個部分。風(fēng)險控制模塊包括管網(wǎng)風(fēng)險源防控、泄漏檢測設(shè)備設(shè)施、智能檢修設(shè)備設(shè)施、燃氣設(shè)備風(fēng)險控制、應(yīng)急搶修設(shè)備設(shè)施、腐蝕控制系統(tǒng)與設(shè)備設(shè)施6個部分。效能評價模塊包括燃氣管網(wǎng)完整性指標體系與效能評價、燃氣設(shè)備指標體系與效能評價2個部分。在數(shù)據(jù)應(yīng)用層中，還將根據(jù)燃氣管網(wǎng)生產(chǎn)運行實際需要，通過分析和優(yōu)化，不斷進行數(shù)據(jù)處理和應(yīng)用層面的動態(tài)調(diào)整。

④ 多源數(shù)據(jù)倉庫層

多源數(shù)據(jù)倉庫層中，主要包括燃氣設(shè)備廠家提供的設(shè)備數(shù)據(jù)、燃氣管網(wǎng)設(shè)計單位提供的設(shè)計數(shù)據(jù)、燃氣管網(wǎng)施工單位提供的施工數(shù)據(jù)、燃氣企業(yè)提供的燃氣管網(wǎng)各類運行數(shù)據(jù)、搶修數(shù)據(jù)以及監(jiān)測、檢測數(shù)據(jù)等。其中，部分燃氣管道和設(shè)備數(shù)據(jù)可通過嵌在管道壁上和燃氣設(shè)備上的傳感器進行實時采集。各方提供的數(shù)據(jù)通過股份授權(quán)證明機制DPoS驗證后進行數(shù)據(jù)上傳。在區(qū)塊鏈環(huán)境下，通過共識機制以特定方式將數(shù)據(jù)儲存于區(qū)塊中，通過哈希算法，數(shù)據(jù)形成的區(qū)塊頭上還通過記錄前面數(shù)據(jù)形成的區(qū)塊的哈希值不斷將大量數(shù)據(jù)區(qū)塊形成塊鏈式結(jié)構(gòu)，將所有上鏈數(shù)據(jù)有序連接起來，從而打破了燃氣管網(wǎng)的數(shù)據(jù)孤島。在此過程中，每個區(qū)塊上的節(jié)點都具有時間戳的標志性數(shù)字簽名，可進行數(shù)據(jù)防偽溯源，保證了數(shù)據(jù)的可信性。并且所有節(jié)點都具有完整的數(shù)據(jù)副本，可防止系統(tǒng)被惡意攻擊，極大地保證了數(shù)據(jù)的安全性和完整性。

⑤ 區(qū)塊鏈運行環(huán)境層

區(qū)塊鏈運行環(huán)境層包含區(qū)塊鏈技術(shù)體系所特有的塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、智能合約、共識機制、操作系統(tǒng)、對等網(wǎng)絡(luò)、各類節(jié)點、分布式儲存數(shù)據(jù)庫等在內(nèi)的硬件和軟件設(shè)施，是區(qū)塊鏈運行環(huán)境的基本保障。

需要說明的是，每個層級中包含的內(nèi)容還可以根據(jù)技術(shù)體系的使用情況以及燃氣管網(wǎng)的建設(shè)和運行情況進行調(diào)整，不斷滿足燃氣企業(yè)生產(chǎn)運行的實際需要。

4.3 燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源體系優(yōu)勢

基于區(qū)塊鏈的燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系的5個層級相互關(guān)聯(lián)，密不可分。

在獲取燃氣管道數(shù)據(jù)后，設(shè)計單位、施工單位、燃氣企業(yè)等責(zé)任方及時上傳數(shù)據(jù)，其他各方可以看到通過塊鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)連接起來的所有數(shù)據(jù)，保證了每條燃氣管道數(shù)據(jù)的連通性和完整性，并可針對數(shù)據(jù)疑點進行溯源，保證了燃氣管道數(shù)據(jù)的準確性。

對于閥門、調(diào)壓箱、閥門井等燃氣設(shè)備設(shè)施，生產(chǎn)廠家將設(shè)備出廠數(shù)據(jù)、防偽商標數(shù)據(jù)上傳以及燃氣企業(yè)將設(shè)備監(jiān)測檢測與維護數(shù)據(jù)上傳后，各方也可以隨時針對燃氣設(shè)備設(shè)施出現(xiàn)的問題進行防偽溯源，查找相關(guān)責(zé)任方(對應(yīng)系統(tǒng)中的各類節(jié)點)，通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)中建立的獎懲機制第一時間對故障設(shè)備設(shè)施做出響應(yīng)，對系統(tǒng)中積極響應(yīng)的節(jié)點及時進行獎勵，對需要承擔(dān)故障責(zé)任的節(jié)點進行懲罰，對采取消極態(tài)度響應(yīng)的節(jié)點給予警告處理。因此，通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)的這些機制，可以建立高效的燃氣設(shè)備設(shè)施防偽溯源體系，為燃氣企業(yè)安全運行提供借鑒和參考。

5 結(jié)論

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系包括對象訪問層、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通層、數(shù)據(jù)應(yīng)用層、多源數(shù)據(jù)倉庫層、區(qū)塊鏈運行環(huán)境層5個層級。通過對燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源總體思路、技術(shù)體系5個層級內(nèi)容以及執(zhí)行過程的描述，明確了區(qū)塊鏈條件下燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源的技術(shù)理念以及技術(shù)優(yōu)勢，表明基于區(qū)塊鏈技術(shù)的燃氣管網(wǎng)完整性防偽溯源技術(shù)體系具有一定的可操作性，能夠滿足燃氣企業(yè)進行高效管理以及燃氣管網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行的需求，助力燃氣企業(yè)在燃氣管網(wǎng)方面的技術(shù)水平和安全運行能力的升級。