区块链技术在智慧水务中的应用初探

孙 锋

(闽江学院，福建 福州 350108)

近年来，区块链技术引起了学术界和产业界的高度重视[1]。区块链技术拥有显著的应用优势：去中心化的分布式结构在实际应用中可节省大量中介成本，不可篡改的时间戳特征可解决数据追踪与信息防伪问题，安全的信任机制可解决物联网技术的核心缺陷，灵活的可编程特性可帮助规范市场秩序。

区块链技术所具有的无需中介参与、过程高效透明且数据高度安全等优势，使其可运用在有以上需求的行业。在国外，区块链推动建立安全可靠的数字经济。此外，区块链技术还广泛应用于互联网业务、医疗、体育等领域[2]。近几年来，国内的区块链发展也受到了越来越多的关注。笔者介绍了区块链技术的基本概念，并对其在智慧水务中的应用进行了初探。

1 区块链技术

1.1 区块链技术的起源

区块链是包含分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等技术的新型应用模式。区块链技术源自比特币[3]，是互联网底层的分布式数据库技术，特点包括去中心化、点对点传输、透明、可追踪、不可篡改、数据安全及信用的自我建立等。

比特币只是区块链技术方案在支付领域的一个试验性应用，区块链还可以用于更加广阔的领域，例如医疗、供应链、物联网、安全认证、社交以及人工智能等。

1.2 区块链技术的核心

1.2.1 区块+链

区块链将数据库结构进行创新性分解，数据分块，每个区块通过特定的信息链接到上一区块后，前后顺序链接形成完整数据。

区块按时间顺序先后生成，每一个区块记录其在被创建期间发生的所有活动，形成记录合集。

区块结构具有两个重要特性：第一，每一个区块上记录的交易是上一个区块形成之后、该区块被创建之前发生的所有交换活动，因此保证了数据库的完整性。第二，绝大多数情况下，一旦新区块完成并被加入到区块链的最后，该区块的数据记录就不能被改变或删除，保证了数据库的严谨性[4]。

1.2.2 分布式结构

在中心化的体系中，数据集中记录并存储于服务器上。区块链结构设计采取完全不同的思路，让每一个参与节点都记录并存储所有的数据。区块链根据系统确定的开源的、去中心化的协议，构建了一个分布式结构。价值交换信息通过分布式传播发送给整个网络，通过分布式记账确定信息数据内容，盖上时间戳后生成区块数据，再传输至各个节点，实现分布式存储[5]。

1.2.3 所有权的信任基础——数学

区块链设计者使用了密码学的方式来解决共识机制，该机制的运作原理是“非对称加密数学”。“加密”和“解密”的过程中分别使用两个密码，且两个密码具有非对称的特点。

从信任的角度来看，区块链实际上是数学方法解决信任问题的产物。在区块链技术中，所有规则事先都以算法程序的形式表述出来，需要求助中心化的第三方机构进行认证，而只需信任数学算法就可以建立互信。

1.2.4 可编程的智能合约

脚本可以理解为一种可编程的智能合约。如果区块链技术只是为了适应某种特定的交易，那脚本的嵌入就没有必要，系统可以直接定义完成价值交换活动需要满足的条件。然而，在一个去中心化的环境下，所有的协议都需要提前取得共识，脚本的引入则不可或缺。引入脚本后，区块链技术会使系统有机会去处理一些无法预见的交易模式，保证了这一技术在未来的应用中不会过时，增加了技术的实用性[6]。

在区块链上搭建可信的智能引擎、智能应用，为用户提供去中心化的数据处理能力，实时部署到数据端进行分析计算的能力，以及抽取必要数据到中心节点进行融合分析的能力，为区块链的发展开辟了广阔的空间。

1.3 区块链技术的模型

1.3.1 数据层

该层封装了底层数据区块的链式结构，以及相关的非对称公私钥数据加密技术和时间戳等技术，是整个区块链中最底层的数据结构。

1.3.2 网络层

包括P2P组网机制、数据传播机制和数据验证机制等。区块链具有自动组网功能。

1.3.3 共识层

封装了网络节点的各类共识机制算法。目前已有十余种共识机制算法。数据层、网络层、共识层是构建区块链技术的必要元素。

1.3.4 激励层

将经济因素集成到区块链技术体系中。

1.3.5 合约层

封装各类脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。比特币本身具有简单脚本的编写功能，而以太坊(Ethereum)极大地强化了编程语言协议，理论上可以编写实现任何功能的应用。

1.3.6 应用层

封装了区块链的各种应用场景和案例，例如搭建在以太坊上的各类区块链应用即部署在应用层。

2 区块链技术在智慧水务的应用探索

智慧水务是智慧城市的重要组成部分，涵盖了水文、水质、水资源、供水、排水、防汛防涝等各个方面。通过各种信息传感设备测量水文水质等水利要素，并传递到互联网上，进行信息交换和通讯，以实现信息智能化识别、定位、跟踪、监控、计算、管理、模拟、预测和管理，从而提升了供水智能化管理水平[7]。

智慧水务的核心在于物联网技术。物联网技术采取中心化的体系结构，成本高，安全性差，面临诸多挑战[8]。将区块链技术应用于物联网技术，有助于更好地解决这些问题。

2.1 提升供水信息透明度

传统的供水信息发布采取中心化模式，信息的获取和发布对用户不透明，容易出现延时和失真。尤其当事故或者污染发生时，用户往往无法在第一时间得到信息，造成严重的后果，例如美国弗林特市水污染事件[9]。

表1 区块链对物联网挑战的应对Tab.1 Blockchain’s response to the challenges of the Internet of things

与容易出现问题的中心化信息发布体系相比，使用更加公平、更加智能的区块链供水信息发布是更理想的方式。将相关信息及时传递给公众，既能减少损失，又能避免信息不对称带来的恐慌。将区块链技术应用于分布式不可变的公共水信息，确保其数据真实度、数据安全性和数据验证方面的信任和参与，将对智慧水务的发展产生积极的影响，有助于更好地进行决策。

区块链是一种安全、透明、去中心化的公共账本，记录着各方的交易。如果使用一条公有链来记录水质和水量的相关数据，无论是政府、企业和个人，都无法通过非法行为隐藏或者篡改真实数据。

美国Genesis公司将区域链技术应用于油气田污水处理系统，为了减少当地民众对污水处理质量的担忧，系统中的数据采用以太坊(Ethereum)技术存储发布，当水质变坏时系统也能预警，提高了人们对水质数据的信任度。

2.2 智能水交易系统

区块链技术还可以支持给定流域内水权的点对点交易，给予用户足够的、或者是愿意与该地区的其他用户共享超额资源的权利，此环节无需全天候依赖中心化的结果。

同一流域中的用户可以根据最新的天气信息、产品价格、市场趋势和长期气候变化趋势(用户可以通过移动设备获取这些信息)来决定用水策略。这为水务管理提供了一种新的信息获取和实时管理办法。个人消费者、工业用户、水务公司和政府管理部门，都可以使用这些信息来决定水资源的使用策略。

国外已有的应用案例包括：Power Ledger公司与澳大利亚弗里曼特尔市合作，使用区块链技术运营一座太阳能光伏电站和分区水处理设施，验证区块链技术在水资源和能源分配系统的可靠性。WATERIG公司在香港开展试点研究，铺设雨水收集点，并将这些收集点与水处理系统相连接，进入垂直农业和城市温室项目。不同的社区可以自行选择最适合的方式来运用区块链技术，建立自己的雨水收集点。

2.3 智能水管理系统

区块链技术与物联网(IoT)技术的结合，将使城市的水资源管理系统更智能、安全、高效[10]。

区块链技术结合物联网技术对城市供水管网进行全面、自动化监控，帮助解决管网漏失问题。在供水网络中安装水压和水量数据的智能传感器，采取非中心化的方式通信，传感器可以相互传递数据并发出预警。

同样的技术还可被用于家庭。智能传感器之间能利用区块链技术通信，识别异常的用水信息。系统可以帮助用户了解用水情况，节约用水。当用户不在家时，一旦发生漏水，智能传感器也能在第一时间告知用户，甚至可以自动关闭入户水阀。

在这样的系统中，如果把所有数据都传输到一个中心，并在此做出所有的系统决策，则其容易受到黑客攻击和被操纵。区块链技术与物联网技术的结合，可使信息安全得到有效保障，从而推动智能水务的发展。

3 结语

基于区块链的水务应用目前还处于实验阶段，技术转换还需要一定时间的实践。今后随着人工智能的成熟，区块链技术与人工智能结合，还将在水务管理的自动化、智能化方面产生更大的进步。