基于区块链的燃气管网完整性防伪溯源研究

张雪娇，乔 佳，马旭卿，郑 凯，马瑞莉，张佳维(北京市燃气集团研究院，北京100011)

1 概述

燃气管网的安全运行是保障城市平稳供气的基础。然而，第三方施工破坏、违章建筑占压等行为可能导致燃气管网的损坏，不利于燃气管网的安全运行。因此，实时对燃气管网进行监测、检测，深入感知城市燃气管网的运行规律与状态，第一时间做出应急响应是确保燃气管网安全运行的关键所在。

本文利用区块链的优势特征，依托云计算、大数据、物联网、5G等新一代互联网技术[1]，研究基于区块链的燃气管网完整性防伪溯源技术体系。基于区块链的燃气管网完整性数据的防伪溯源，依托各类传感器、监测设备、检测设备等物联网设施，借助大数据分析技术，实时监测和检测燃气管网运行状况，实现燃气管网各生命周期完整性数据上链，保证燃气管网数据的完整性[2]，实现燃气管网的防伪溯源。此外，还可以全方位掌握燃气管网的运行动态，达到快速预警和应急响应的目的[3]。

2 区块链技术的典型特征

区块链技术是集成块链分布式数据结构、共识机制、非对称加密算法、点对点网络等一系列技术，并以特定形式结合形成的一种用于记录和储存数据的技术体系，具有去中心化、无第三方中介、安全高效、数据可防伪追溯、各方权责明晰的特征[4]。区块链技术的创新应用模式已扩展到产品防伪溯源、能源交易、金融理财等多个领域[5]，区块链未来的应用场景还将被更多实体经济领域不断挖掘，实现新一轮的指数级增长。

区块链去中心化指的是区块链系统中不存在中心硬件，通过共识机制、密码学特征完成所有区块之间的有序连接，基于对等网络(P2P)，将区块链中的每个节点通过点对点通信协议，完成数据的储存、交换与共享。由于每个节点的数据可以查到带有时间戳的数字签名，因此，区块链上的数据具有可追溯，不可篡改的特征[6]。

区块链技术在燃气领域应用时的去中心化特征表示形式见图1，图1中，黑色文本框表示燃气领域区块链体系的各类节点，具体包括燃气企业、燃气企业分公司、政府管理部门、监理单位、施工单位、设计单位、传感器等物联网设备共7个节点，红色文本框表示链式数据记录。各类节点要么直接通过链式数据记录上传数据，要么借助传感器等物联网设备通过链式数据记录实时传输数据，每个节点都具有链式数据记录的完整备份。各类节点之间的互动大体相同，这里以燃气企业与其他节点的互动为例来说明。燃气企业节点可与燃气企业分公司、施工单位、设计单位直接联系，提出要求，燃气企业分公司、施工单位、设计单位可将工作进展及时报告给燃气企业。燃气企业可随时接受政府管理部门的监督，及时报告燃气管网运行情况，政府管理部门及时对燃气企业进行指导与反馈。

图1 区块链在燃气领域应用时的去中心化特征表示形式

区块链中每个节点都具有相同的价值，所有节点共同管理与维护上链数据，不会因为某一节点的损坏而影响区块链系统的整体功能。此外，区块链中采用智能合约形成的特定程序能够完成数据的自动读取等一系列操作行为，不需要中介介入协调管理。

综上所述，区块链技术具有各方平等、安全稳定、成本低廉、运行快速的显著优势[7]。

3 燃气管网完整性防伪溯源总体思路

燃气管网完整性防伪溯源的应用场景满足应用区块链技术的条件，上链数据存在唯一性、安全性与时效性，因此，可以利用区块链技术建立燃气管网完整性防伪溯源应用总体思路。

① 建立区块链平台实现数据上链

利用云计算服务成本低、可靠性高的特点，可采用微软公司2016年对外提供的基于云计算的操作系统(Azure)云平台上的区块链即服务(BaaS)，创建区块链平台[8]，在此平台上进行数据上链等一系列操作，实现数据共享、分析与监督等功能。

② 依托共识算法确保数据的一致性

在区块链去中心化体系中，若干个节点参与决策，达成共识，在互相没有信任基础的个体之间通过共识机制建立信任关系，使得各节点之间达成高效共识，防止数据被篡改，从而降低信用成本与交易成本。

区块链的共识机制主要包括工作量证明(PoW)、股份授权证明(DPoS)以及实用拜占庭容错算法(PBFT)等类型[9]。基于燃气管网完整性防伪溯源应用场景中参与节点数量多、数据量大的特点，本文采用DPoS共识机制，通过不断比选可信任节点记账的方式，提高区块链数据处理的水平，在很大程度上减少计算时间。

③ 依托当代信息技术支撑数据上链

依托云计算低成本的特点，利用微软BaaS服务，创建区块链环境；依托大数据海量储存功能与高效敏捷分析能力，提升上链数据利用空间与使用价值；依托物联网的识别与智能感知等技术[10]，支撑区块链平台的共识机制；依托5G移动通信技术，达到区块链极速同步的效果，拓宽区块链的应用领域。

④ 依托区块链2.0版本实现场景落地

智能合约是区块链2.0版本的主要技术指标，智能合约是基于预定事件触发、不可篡改、自动执行的计算机程序，它是由多方共同参与制定并公示的合约机制，包含各方达成一致的权利和义务[11-12]。区块链2.0版本对区块链在各领域的应用场景落地提供了创新模式。燃气管网完整性防伪溯源应用场景数据总量大，内容复杂，在数据储存和管理中需要智能合约对所有环节采集的数据进行处理和把关。

4 燃气管网完整性防伪溯源应用分析

4.1 燃气管网完整性防伪溯源条件判断

燃气管网完整性数据包括管网设计、施工、运行、监测、维抢修、报废等管网全生命周期数据，其中，燃气设备数据包括生产厂家、应用范围、使用期限等生产数据以及日常维护检修数据。目前，我国城市燃气管网总长度高达70×104km左右，附属的燃气设备数量多达(10～30)×104个。燃气管网完整性数据量大，需要可追溯、不可篡改的分布式数据库作为技术支撑。并且，正常情况下，燃气管网寿命较长，燃气管道和设备管理和维护周期长，需要设计单位、施工单位、燃气企业分公司以及燃气企业生产管理与监理部门在燃气管网整个全生命周期中共同管理与维护。因此，利用区块链技术可以全面掌握燃气管网运行状态，提高管网数据准确率和利用率，实现燃气管网完整性的防伪溯源。

4.2 燃气管网完整性防伪溯源技术体系

燃气管网完整性防伪溯源技术体系的具体架构见图2。

图2 燃气管网完整性防伪溯源技术体系

燃气管网完整性防伪溯源技术体系自上而下分为以下5层：对象访问层、数据互联互通层、数据应用层、多源数据仓库层、区块链运行环境层[13-14]。

① 对象访问层

对象访问层主要是燃气管网完整性防伪溯源应用场景下的各类访问对象，此处的访问对象对应区块链系统中的各类节点，主要包括燃气企业人员APP节点、浏览器节点以及外网访问节点。这3种节点是根据系统使用方和使用权限的不同进行设计的，并且三者之间还可以相互转化，在开通权限后实现其他节点以及其他系统中配置的功能。例如，燃气企业运维人员在现场进行维抢修过程中，可通过APP手机端第一时间上传现场数据，回到单位后可通过浏览器节点访问内网，进行数据的监测、检测与分析处理等工作。此外，在紧急情况下，还可在非办公场所，在与区块链系统管理人员联系并取得权限后，在外网通过浏览器节点登录系统，进行相关操作，达到实时掌握燃气管网生产运行各项情况的目的。

② 数据互联互通层

数据互联互通层包含Oracle等数据库、服务器之间的网络通信协议以及系统对接接口3个组成部分，保障区块链系统与其他应用系统之间顺利地进行数据的传输和同步。

③ 数据应用层

数据应用层中，利用区块链平台上的数据，完成管网评价、风险控制以及效能评价工作。其中，管网评价模块包括管网风险源辨识、管网泄漏评价模型、外力破坏评价模型以及管网腐蚀评价模型4个部分。风险控制模块包括管网风险源防控、泄漏检测设备设施、智能检修设备设施、燃气设备风险控制、应急抢修设备设施、腐蚀控制系统与设备设施6个部分。效能评价模块包括燃气管网完整性指标体系与效能评价、燃气设备指标体系与效能评价2个部分。在数据应用层中，还将根据燃气管网生产运行实际需要，通过分析和优化，不断进行数据处理和应用层面的动态调整。

④ 多源数据仓库层

多源数据仓库层中，主要包括燃气设备厂家提供的设备数据、燃气管网设计单位提供的设计数据、燃气管网施工单位提供的施工数据、燃气企业提供的燃气管网各类运行数据、抢修数据以及监测、检测数据等。其中，部分燃气管道和设备数据可通过嵌在管道壁上和燃气设备上的传感器进行实时采集。各方提供的数据通过股份授权证明机制DPoS验证后进行数据上传。在区块链环境下，通过共识机制以特定方式将数据储存于区块中，通过哈希算法，数据形成的区块头上还通过记录前面数据形成的区块的哈希值不断将大量数据区块形成块链式结构，将所有上链数据有序连接起来，从而打破了燃气管网的数据孤岛。在此过程中，每个区块上的节点都具有时间戳的标志性数字签名，可进行数据防伪溯源，保证了数据的可信性。并且所有节点都具有完整的数据副本，可防止系统被恶意攻击，极大地保证了数据的安全性和完整性。

⑤ 区块链运行环境层

区块链运行环境层包含区块链技术体系所特有的块链式数据结构、智能合约、共识机制、操作系统、对等网络、各类节点、分布式储存数据库等在内的硬件和软件设施，是区块链运行环境的基本保障。

需要说明的是，每个层级中包含的内容还可以根据技术体系的使用情况以及燃气管网的建设和运行情况进行调整，不断满足燃气企业生产运行的实际需要。

4.3 燃气管网完整性防伪溯源体系优势

基于区块链的燃气管网完整性防伪溯源技术体系的5个层级相互关联，密不可分。

在获取燃气管道数据后，设计单位、施工单位、燃气企业等责任方及时上传数据，其他各方可以看到通过块链式数据结构连接起来的所有数据，保证了每条燃气管道数据的连通性和完整性，并可针对数据疑点进行溯源，保证了燃气管道数据的准确性。

对于阀门、调压箱、阀门井等燃气设备设施，生产厂家将设备出厂数据、防伪商标数据上传以及燃气企业将设备监测检测与维护数据上传后，各方也可以随时针对燃气设备设施出现的问题进行防伪溯源，查找相关责任方(对应系统中的各类节点)，通过区块链系统中建立的奖惩机制第一时间对故障设备设施做出响应，对系统中积极响应的节点及时进行奖励，对需要承担故障责任的节点进行惩罚，对采取消极态度响应的节点给予警告处理。因此，通过区块链系统的这些机制，可以建立高效的燃气设备设施防伪溯源体系，为燃气企业安全运行提供借鉴和参考。

5 结论

基于区块链技术的燃气管网完整性防伪溯源技术体系包括对象访问层、数据互联互通层、数据应用层、多源数据仓库层、区块链运行环境层5个层级。通过对燃气管网完整性防伪溯源总体思路、技术体系5个层级内容以及执行过程的描述，明确了区块链条件下燃气管网完整性防伪溯源的技术理念以及技术优势，表明基于区块链技术的燃气管网完整性防伪溯源技术体系具有一定的可操作性，能够满足燃气企业进行高效管理以及燃气管网安全、稳定运行的需求，助力燃气企业在燃气管网方面的技术水平和安全运行能力的升级。