基于联盟链的桥梁管养信息平台设计研究

田一鸣 谢黎明 徐寒亭 赵翔 杜赛赛

[摘    要] 为解决现有桥梁管养数字化、信息化水平较低，多方协同效率低下，管理制度不完善等问题，提出采用区块链技术，设计基于联盟链的桥梁管养信息平台，实现管养全流程数据共享、可信，设计智能合约，实现人、财、物等管养资源链上流转。通过数据积累，不断提升管养水平、完善管养制度，创建一种全新的、常态化的管养模式。

[关键词] 联盟链;桥梁;管养;信息平台

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 15. 083

[中图分类号] U445.7;TP315    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）15- 0199- 03

1      背景与现状

桥梁是交通设施互联互通的关键节点和枢纽工程，是国民经济发展和社会生活安全的重要保障。中国桥梁数量在2013年已跃居世界第一，我国现代化公路桥梁建设起步较晚，长期以来重建设、轻养护的思想导致公路桥梁的养护工作不足，养护工作无法跟上建设速度，导致桥梁的养护工作严重滞后。很多公路桥梁投入使用之后，就逐渐开始出现问题[1]。目前，中国桥梁产业将步入创新驱动和转型升级的重要战略机遇期，但“重建设，轻管养”的模式让相当一部分桥梁“带病服役”，安全隐患不容小觑。对桥梁的维护和修葺是延续桥梁使用年限的重要保障。中国路网在役桥梁40%服役超20年，技术等级为三、四类的带“病”桥梁达30%，约15%的桥梁为危桥，存在严重的安全隐患。现有桥梁管养问题主要集中在以下几个方面：

一是多方協同效率低。管养工作需多单位、跨部门协作，各单位工作机制、团队水平参差不齐，统筹协调难度大，管养实时性难以保障。二是数字化、信息化水平较低。因桥梁种类繁多、管养规则不统一，常存在管养存档不全、资料缺失、已有信息系统因缺乏数据而成为摆设或者信息孤岛等问题。三是管养制度不完善。现有管养规范陈旧，让众多新桥带“病”工作。同时，制度的执行完全依赖人工，无法得到高效、严格执行。此外，特殊养护完全依赖人工，应急养护，超重、超载必须通行养护等特殊场景，完全依赖现场工程师经验，缺乏实时、可靠的数据供决策者使用，自动判别机制更是尚未起步。

作为桥梁工程全产业链的一环，桥梁管养可看作全产业链的缩影，它需要施工，也可反溯设计，需要多方协同，同时又涉及供应链。物联网技术的出现和在工程监测领域的广泛应用，使桥梁健康状况信息实时采集和自主分析预警成为可能。将物联网、大数据与区块链等新兴技术和桥梁管养深度融合，打造信息化、智能化的桥梁管养产业链创新体系，是解决现有低层次重复、资源分散分隔、成果转化不足和多产业领域合作难等问题的一种策略[2]。为此，应整合道路桥梁结构、运维环境、运行荷载等数据资源， 构建信息化综合管理和服务平台，研究设计基于联盟链的桥梁管养信息平台，为政府和管理部门提供运维管理信息化支撑， 为现有管养工作提供增值服务。

2      平台设计方案

2.1   联盟链

学术界对区块链技术并没有统一的定义，但一般认为，区块链是一种按照时间顺序将数据区块以链条的方式组合形成的特定数据结构，并以密码学方式保证其不可篡改和不可伪造的去中心化、去信任的分布式共享总账系统[3]。区块链的提出是计算机科学的一个突破，它有望降低个人和组织建立、维护信任的成本，让没有信任关系的人们在无中心化信任机构的情况下合作[4]。区块链可以分为3类：公共链、联盟链和私有链。其中联盟链可以根据应用场景来决定对公众的开放程度，其网络由成员机构共同维护，节点通过成员机构的网关节点接入，因此适用于物联网行业背景下多成员机构对动态数据的存储、管理、授权、监控和审计[5]。桥梁设计、建设、运营及运输行业相关成员机构可纳入联盟链成员机构。基于此，平台设计是采用联盟链实现桥梁管养全过程数据共享。

2.2   平台总体架构

设计区块链服务API，实现监测数据、诊断结果、养护定论等信息上链，并为第三方信息化应用提供可信数据。与常规云平台的最大差异在区块链服务BaaS层，其完成数据上链、节点管理、共识算法、分布式账本等服务工作，并最终打包成服务API供常规云平台调用。平台架构设计如图1所示。

其中：区块链平台服务层（BaaS）拟选取开源协议Hyperledger Fabric（1.4 LTS），并配套实现资源创建、管控运维、安全治理等BaaS基础服务。区块链应用中间层主要实现BaaS与业务的对接，采用区块链中间件等形式实现数据链上流转。

平台整体采用微服务建构，采用HTTP/HTTPS协议，为第三方信息化平台提供准入接口，同时提供数据输出服务，实现桥梁监测数据、诊断数据、养护记录的无缝对接。考虑数据上链代价，除区块链服务外，项目拟开发、完善一系列业务系统和手机应用终端。新业务系统研制同样采用微服务架构，手机端应用可基于微信小程序等轻量化、跨平台实现方式。

2.2   发布区块链服务，实现数据上链

充分挖掘区块链技术优势，梳理管养业务流程，综合分析监测、诊断、养护数据上链的维度，在确保全程可信的条件下，降低数据上链代价。上链过程密切结合现有业务信息化系统，在信赖现有系统的基础上，分阶段、分节点为数据打上印戳，防止数据篡改、提供溯源链路。人工产生的数据要做好数据证件链，结合文件系统，建立数据留存与追责机制。第三方系统（如资信系统等），在依赖第三方输入的前提下，做好链上备份。将上述过程以数据传输方式进行抽象表述，以监测数据上链共享为例，整个过程如图2所示。

其中，数据处理模块与数据校验模块完成节点数据授信，服务应用模块完成链上数据的共享与价值输送。

2.3   分布式账本盘活现有信息系统

分布式账本作为区块链的核心之一保存在全节点或存储节点之上，多副本模式大幅提高数据存储安全。更为重要的是，智能合约的使用敦促多方共同参与维护账本，同时盘活现有信息系统，让生硬的代码逻辑更加贴合管养业务，让信息化系统不再成为摆设。

3      桥梁管养的智能合约

智能合约作为“仲裁人”，在合约触发前，负责监管相关方资产，一旦触发，将严格按照事先商定的规则自动执行，该过程无法人为干预。设计合约的前提是充分梳理业主、诊断单位、设计单位、养护单位、监理单位等各方在一次管养过程中的角色和任务，约简数据流、确认多方授信规则、预判价值流轉方式，合约的执行流程如图3所示。

充分利用项目承担单位在桥梁管养领域的独特优势和工程经验，结合现有管养制度，制定符合项目实际的规则;梳理管养全流程各节点任务，确立任务的起始条件与终止条件以及参与各方资源等信息;设立合约的计算规则、执行代价等合约技术参数，完成合约编码。

基于上述流程，提前锁定合约执行所必备的人、财、物等资源，让印在标准规范上的文字变成可执行的合约机制。

典型的场景是，通过智能合约提高工程分包质量，即各分包商、实施商上链，采用智能合约制定管养过程中的财、物分配流程，同时记录合约执行结果，为下一次管养提供资信参考，不断提升管养团队服务水平，也为后期运营管养提供可信的数据支持。

4      小    结

通过对区块链技术与桥梁工程管养模式的融合，研究设计基于联盟链的桥梁管养信息资源共享平台，该平台应能够对监测、诊断、养护等数据进行标准化存储，对采集数据进行统计分析，针对问题数据建立统一的错误感知模型等，从而解决桥梁工程健康监测、诊断和养护过程中的数据安全、数据可信、可追溯的问题，形成桥梁管养信息资源共享机制，提升桥梁管养水平。

主要参考文献

[1]李永辉.谈公路桥梁养护与维修加固施工关键技术[J].工程建设与设计，2018（7）：241-242.

[2]武智霞，韩鹏，郑树泉，等.桥梁健康监测及养护平台设计与实现[J].计算机应用与软件，2018（5）：109-114.

[3]刘敖迪，杜学绘，王娜，等.区块链技术及其在信息安全领域的研究进展[J].软件学报，2018，29（6）：2092-2115.

[4]袁勇，王飞跃.区块链技术发展现状与展望[J].自动化学报，2016，42（4）：481-494.

[5]乔蕊，曹琰，王清贤. 基于联盟链的物联网动态数据溯源机制[J].软件学报，2019，30（6）：1614-1631.