基于区块链的大体积混凝土温度监测系统的研究与实践

卜继斌，聂策明，丁昌银，黄文峰，张启超，朱新鹏

（1、广州珠江建设发展有限公司 广州510075；2、广州粤建三和软件股份公司 广州510640）

0 引言

建筑行业的信息化和数字化飞速发展，如何结合目前趋势正盛的区块链，打造一个“建筑业+互联网+区块链”的创新性平台，已经势在必行。一个建筑工程项目的开工，离不开大体积混凝土的使用，通常大体积混凝土散热的不均匀性会产生较高的温度应力，从而导致结构开裂现象比较普遍［1］。针对此类问题，在施工过程中，对于原材料的温度、出机温度、混凝土内外温度等数据，都需要精准地记录以便减少混凝土温度裂缝的出现。传统的大体积混凝土监管系统，是将温度数据直接存储在系统后台，这种传统的保存和管理技术，不便于查询和使用，数据还可能被篡改或丢失。另外，在温度数据上传的过程，还存在不完全真实性追溯的弊端。本文利用区块链技术，搭建基于区块链的大体积混凝土温度监测系统，利用区块链的分布式存证管理特性，实现了对大体积混凝土温度数据的去中心化存储和管理，保证了数据的真实性和可靠性。

1 研究背景

在施工过程中，由于大体积混凝土的横截面尺寸大，内部产生的热量难以在短时间内消散，大量热量聚集，导致温度急剧上升。虽然水泥的内部出现了很大的温度差，但是外界的温度较为稳定，这种内外温度差会在一定程度上损害水泥的内部结构［2］，降低工程质量。因此在建筑施工过程中须严格控制大混凝土结构的内外温差。

近年来大体积混凝土的自动化监测技术已逐渐在全国各地进行推广使用，利用温度计、应变计等自动化监测设备进行数据采集，并通过物联网技术将数据传输至信息监测平台，虽便捷性、人力资源节省等方面有所改善，但监测数据存在丢失或修改的风险，因此混凝土温度监测的数据安全性还有待提高。所以，一个既能满足大体积混凝土的自动化监测，又能提高其安全性的新型自动化监测产品方案，由此而生。

由于互联网的诞生，信息爆炸性呈现，但互联网对信息没有鉴别能力，任何人都可以上传信息，无论信息是否有价值。区块链的诞生解决了互联网时代信息没有价值的问题，区块链上运行的智能合约，即可信代码，代码在区块链上公开透明，一旦生效，无法篡改，保证合约的安全可靠，不需要任何中心做担保，即可双方达成共识，传递价值［3］。

区块链的本质是去中心化的账本，通过P2P点对点网络进行通信，有效地保障了信息的安全性和可靠性。任何人都可以对整个区块链网络进行审查，不存在单一用户进行控制的可能。所有写入账本的数据都需要全体节点进行共识，通过共识后才能将数据写入区块链。

利用区块链技术的以上特点，既可以提高监测数据的安全性，又可以直接利用链上数据做多方整改确认审批，进行全过程记录和管理，保障大体积混凝土数据监测的真实性、安全性，以及过程处理的及时性和有效性。

2 基于区块链的大体积混凝土温度监测系统技术架构

区块链是一种将数据按照时间顺序组合成块，数据块以链的方式相连，数据分布式存储在网络的所有节点中，以加密算法方式保证数据的不可篡改和伪造的去中心化共享数据［4］，具有防篡改，可追溯，去中心优化等特点。在传统的大体积混凝土的自动化监测中，由于可能存在信息的不对称问题，需要依靠一个中心化的管理机构建立信用体系，让所有数据都集中在一个中心服务器上。

区块链是一种特定的数据结构，这种数据结构根据时间顺序以链条的方式将不同的数据区块组合在一定，并且对数据进行加密，保证数据不可伪造和篡改［5］。基于区块链的大体积混凝土温度检测系统，通过在区块链上运行的智能合约，将温度传感器的数据上传至链上。系统进行了分层设计，将区块链的底层技术，隐藏在了应用层之下，只需要通过应用层的服务，即可与区块链进行数据交互，提供混凝土温度上链，温度异常时通知现场施工人员进行整改，将整改结果上链，还有链上历史数据查询功能。基于区块链的大体积混凝土温度检测系统的技术架构如图1所示。

图1 基于区块链的大体积混凝土温度监测系统总体技术架构Fig.1 Overall Technical Architecture of Mass Concrete Temperature Monitoring System Based on Blockchain

3 基于区块链的大体积混凝土温度监测系统实现

3.1 传统的大体积混凝土温度监测系统的弊端

近年来大体积混凝土的自动化监测技术逐渐在全国推广使用，国内大多数混凝土温度监测仪器设备能实现按预设的时间间隔自动读取并记录温度数据［6］。包括了大体积混凝土温度、应力数据的采集、传输，在一定程度上提高了监测的便捷性、节省了人力资源、降低了施工风险，但此类传统的监测系统仍具有以下弊端：

⑴传统的监管系统将温度数据储在系统后台，这种传统的保存和管理技术，不便于查询和使用、系统维护困难，且数据可能被篡改或丢失。

⑵消息传输链过长，信息存在滞后性。企业内部各部门之间信息不能实现实时共享［7］，对于异常的混凝土温度监测数据，传统的监管系统存在无法及时报警、相关负责人无法及时处理、处理结果无法及时确认的问题。混凝土监测管控流程无法完整追溯。

而基于区块链的大体积混凝土温度监测系统，就可实现监测数据自动采集实时上链、智能统计分析、多方协作管理、资料安全存储，解决施工企业自行监控数据可信度低、第三方监测数据应用低效、项目整体数据管理智能监控水平低且碎片化的问题。

3.2 基于区块链的大体积混凝土温度监测系统的具体实现方式

区链按照对外信息共享的程度不同分为公有链、私有链和联盟链［8］。其中，联盟链是企业间通过共享服务、标准设置和长期采购协议等契约合作方式来达到优势互补、开拓市场、分担风险以及获得创新资源、提升创新能力和竞争能力的一种网络组织［9］。本系统区块链联盟网络应用于存储所述混凝土温度数据、报警分析结果及处理记录、整改确认记录。整个系统具体实现方式为：

⑴接收所述混凝土温度数据，将混凝土温度数据发送至所述区块链网络。

⑵对所述混凝土温度数据进行温差计算，判断计算结果是否超出预设的阈值，若是，则混凝土温度数据满足报警条件、生成混凝土温度异常的报警信息，并向与混凝土温度监控相关的用户发送报警信息。

⑶用户在服务端完成对异常数据的处理，整改数据也将发送至所述区块链网络。

⑷公司本部、检测单位用户对混凝土温度异常的报警信息、及其处理结果进行多方确认，确认信息也将发送至区块链网络。

基于区块链的大体积混凝土温度检测系统的业务流程如图2所示。

图2 基于区块链的大体积混凝土温度监测系统的业务流程Fig.2 Business Flow Chart of Mass Concrete Tempera⁃ture Monitoring System Based on Blockchain

3.3 基于区块链的大体积混凝土温度监测系统的优点

3.3.1 监测、监控降本增效、过程智能化

数据采集端自动采集混凝土温度数据，服务端自动对混凝土温度数据进行温差计算，并根据计算结果判断混凝土温度数据是否满足报警条件，从而及时监测出出现异常的混凝土温度数据，生成混凝土温度异常的报警信息，并可以针对异常情况自动通知相关人员。

3.3.2 混凝土温度监测数据无法篡改

混凝土温度监测数据、混凝土温度异常及整改数据、整改确认数据通过哈希值运算后在链上存证，一旦存证将同步到各联盟节点，无法篡改和伪造，增强了数据的可信度。

3.3.3 混凝土温度监测信息完整可追溯

混凝土温度采集、异常预警、异常处理、整改确认全过程和内容均可追溯，查询方便，为混凝土温度异常原因的排查与归责提供依据。

3.3.4 去中心化安全稳定

依托区块链去中心化的技术特性，存证服务高度去中心化，为拓建建筑业开放的合作生态提供技术平台。

3.3.5 分布式存储

合同文件在加密后将在链上进行分布式存储和容灾备份，即使有一方系统被破坏或删除，也可自动恢复，提升数据的安全等级。

3.3.6 系统维护管理简单

区块链系统具有高可用性，服务实现集群化，通过共识算法实现自动故障转移。即使部分节点故障，也能快速拓展节点，系统不容易宕机。

4 系统应用效果

对于在建工程项目众多的大型施工企业，对于大体积混凝土的温度监测管理，难度也相对较大。研发基于区块链的大体积混凝土温度监测系统，可以大大地改善这个问题。

系统页面如图3所示。

图3 基于区块链的大体积混凝土温度监测系统Fig.3 Mass Concrete Temperature Monitoring System Based on Blockchain

通过后台系统的传感器进行混凝土温度的采集，后台管理员可通过实测数据对系统项目进行监控，以序号为4的大体积混凝土实测数据为例：第503次测试，测点编号为WD-02-13，传感器在监测点采集的温度值为102.616 4℃，采集时间跟系统上传到区块链时间为2021年4月25日7时22分11秒，安全状态标记为红色，状态异常，系统将会给预警处理人员发送预警信息，如果安全状态标记为蓝色，则状态正常。

监测数据同步上链到区块链服务器，用户可在区块链平台上查看温度、采集时间等项目信息以及关联的区块链信息。

管理员在后台设定温度预警值后，系统会对传感器在监测点实时收集到的数据（当前值）进行判断，如果当前值超过预警值，系统将会给预警处理人员发送预警信息。

设备名称、预警信息、报警类型等信息实时公开，多家单位查看并进行整改确认后方能归档。实现多方整改流程的便利性，信息源可及时追溯，信息流程公开透明，减少企业协助间很多不必要的环节。

5 结语

区块链技术的异军突起，让整个建筑工程信息化行业，有了一个崭新的创新和实用领域［10］，本文论述的基于区块链的大体积混凝土温度监测系统，弥补了工地现场对大体积混凝土温度监测安全性的不足，利用区块链的可追溯性和防篡改性，让所有的数据都有据可依，有证可查；利用区块链的去中心化特点，让监控分析出的预警数据得以进行多方整改操作，保证了其严谨性和有效性。该系统对于施工企业的工地现场，尤其是大体积混凝土的监测管理，起到了至关重要的作用。