基于区块链技术的环境监测仪器设备数字化管理

谢晓刚

(福建省生态环境信息中心，福建 福州 350001)

0 引言

近年来，我国生态文明建设进入关键期、攻坚期和窗口期。福建省作为首个国家生态试验区，各级生态环境部门通过几轮能力提升建设，陆续新增了一系列高效率、高精度、高品质的环境监测仪器设备，生态环境监测能力水平得到大幅提升。进入新发展时期，面对“提气、降碳、强生态，增水、固土、防风险”的生态环境监管要求，如何最大程度发挥环境监测仪器设备的作用和效益，为环境问题的治理和环境质量的改善提供真实、准确、全面的环境监测数据，现代数字技术的发展和应用为我们指明了方向。

当前，环境监测仪器设备传统管理模式已经束缚了生态环境监测现代化的发展步伐。《关于加强数字政府建设的指导意见》指出，要全面推动生态环境保护数字化转型。因此，亟须引入并充分利用现代数字技术，积极创新构建新形势下省、市、县三级统筹管理、科学调配、动态跟踪的仪器设备管理和维护的数字化模式，尽快实现环境监测仪器设备管理的数字化转型，最大程度发挥仪器设备的社会效益和经济效益。

1 福建省生态环境监测特征及仪器设备管理现状

1.1 生态环境监测的主要特征

1.1.1 监测范围广

主要负责常规环境质量、固定和移动污染源及各类突发环境事件应急等方面的监测，随着形势和任务的变化，今后还将进一步拓展生态保护监测、生物多样性环境监测等职能。

1.1.2 质量要求高

高度重视监测全过程的质量保证，实验室和外场监测仪器设备在使用过程，均有严格的质量体系及相关规范要求，定期开展量值溯源、期间核查等工作，确保环境监测数据质量。

1.1.3 协同配合强

影响环境质量的因素多、涉及广，不少环境监测场景涉及监测、执法、应急等多部门、跨地区协同配合的需求。

1.2 现有仪器设备的特点

1.2.1 数量众多

据统计，仅一个编制30人左右的市级监测站，各类仪器设备就有200余台(套)，其中90%以上是通用仪器设备。同时，省级和县级监测站、三级环境执法部门同样配备了一定数量的监测仪器设备，使得生态环境监管系统的仪器设备总量规模相当庞大。

1.2.2 种类繁多

环境监测涉及到水、气、土、声、核与辐射等类别，不同类别里又有多种特征参数。因此，监测仪器设备种类繁多，既有专用也有通用仪器设备，既有实验室大型高精度仪器，也有用于执法和应急监测的小型便携式设备，既有化学分析仪器，也有物理检测设备。

1.2.3 兼容困难

环境监测仪器设备种类繁多，针对同一种项目的分析仪器，即使同样是国产品牌，各厂家之间也没有统一的标准和规范。以至于同一批采购的不同品牌产品，甚至是同一品牌的前后代产品，在数据格式、运维周期、操作界面等方面都不统一，兼容性较差。

1.3 日常使用管理存在的问题

1.3.1 用保脱节

环境监测仪器设备在实际使用中，部分监测站往往“重过程、轻保养”，操作人员除按规程正常操作外，容易忽视仪器设备的按时养护和零部件更换，甚至带病作业，导致小故障演变成大问题。个别仪器设备开机次数少，使用频次低，更是缺乏必要的常规维护保养。

1.3.2 管理粗放

目前，多数单位仍使用手工登记结合电子表格的方式进行环境监测仪器设备的管理。少数单位依托自建的信息化管理系统，对实验室分析用仪器设备进行出入库登记、查询、报废等传统的信息化管理，尚未形成全省统一的，能够科学、精准、动态管理环境监测仪器设备的技术和制度体系。

1.3.3 采购混乱

仪器设备的采购需求一般由使用人员提出，必要性没有得到系统科学地研究论证。有的超前配置高精尖仪器，在完成新项目方法验证或开展少量检测工作后，便处于空闲待用状态；有的为确保监测工作的延续性和稳定性，同类别、同性能设备重复配置，导致超配设备长期闲置。

2 仪器设备数字化管理创新模式

2.1 总体思路

针对环境监测仪器设备的特点，基于区块链技术构建起多方可信“直联”链路，融合现代科技手段探索省、市、县三级环境监测仪器设备综合利用，多种数字化技术统一科学管理的创新模式，实现仪器设备的全生命周期有效管控、统筹调配、动态跟踪、溯源核查，形成规范使用、稳定运行、精细维护和数据收集、轨迹追踪、可靠溯源的一体化数字化管理体系，有力推动生态环境监测能力现代化水平整体提升。

2.2 区块链融合应用

区块链作为一种新兴的互联网数据库技术，其特点是去中心化、公开透明、可追溯和防篡改。《中国区块链发展报告(2021)》指出，目前中国区块链发展正从单个技术突破向多技术融合应用转变，着重在核心场景寻求突破。区块链技术的显著特点非常适合将其作用为省、市、县三级生态环境监测仪器设备跨地域、跨部门、跨种类和品牌型号统筹使用管理的支撑性技术框架[1]。

2.2.1 物联网管理模式

通过在环境监测仪器上安装信息传感设备，按约定的协议与网络相连接，监测仪器通过传播媒介进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监管等功能。物联网技术与5G、卫星遥感等技术结合，实现对全省的仪器设备进行实时有效管理。

2.2.2 大数据综合分析

通过大数据分析研究，对不同地域、部门和类别的环境监测仪器设备信息、运行维保参数进行综合判断，从仪器使用、调度、采购、运维、淘汰等生命全周期给出科学合理的建议。利用大数据分布式架构，对环境监测仪器使用过程产生的数量巨大、来源分散、格式多样的数据参数进行采集、存储和关联分析，对采集的海量数据进行分布式数据挖掘，提供给使用者进行综合研判，保障各项监测活动正常开展。

2.3 实施路径

区块链不仅是一种技术，更是一个包含服务和解决方案的产业。作为“数字福建”建设的一部分，区块链服务网络(BSN)福建省区块链主干网建设于2020年启动，目前以“地方政府+城市节点服务商+主干网运营商”为主的运营体系已初步形成，极大降低了区块链应用的开发、部署、运维、互通和监管成本，从而为区块链技术在福建省的普及应用奠定了基础。同时，区块链与其他技术的融合能够克服区块链本身技术不成熟的缺点，如可扩展性、算法模型、数据上链的真实性和程序缺乏模块性等问题。因此，可以通过与物联网、大数据、人工智能、数字孪生等多种技术融合，分阶段、分步骤地实现环境监测仪器设备管理的数字化转型[2]。

2.3.1 去中心化，可信登记

设备表单式管理模式效率低且无法保证溯源性，传统的信息化管理系统架构于中心化网络体系下，系统的使用和维护依赖于中心数据库，稳定性安全性都难以保证，而使用区块链技术可实现仪器设备精准管理。区块链的核心思想是去中心化，所有使用仪器设备的单位都可以通过各自所在的城市节点上链，行使“记账权”登记各自仪器设备的各类信息。在链上，任意节点之间的权利和义务都是均等的，各节点彼此共享所有仪器设备的资料信息，具有高度可信性和透明性，便于设备在运行、维护、出入库过程中的信息采集、存储和调用。即使遭受严重的黑客攻击，只要黑客控制的节点数不超过总节点数的一半，系统就依然能正常运行，数据也不会被篡改，既保证了设备精准管理，又能确保设备信息不泄露。

2.3.2 科学统筹，合理分配

仪器设备信息在区块链上可实现全生命周期的完整记录，在保证可信透明的同时，用大数据技术辅助可进一步提升链上数据的价值和使用空间。通过对在用、闲置仪器设备的数量、分布、性能、年限、使用频率等大量数据进行深度挖掘，科学统筹提出各节点仪器设备增配或淘汰的建议，根据监测任务和人员配置情况，在各节点之间合理提出优化配置调整对策，减少仪器设备的冗余，避免仪器设备的闲置，监控设备性能，最大程度发挥仪器设备的整体效益。同时，区块链能够进一步规范数据的使用，精细化授权范围，建立数据横向流通机制，进一步提升大数据的完备性和安全性，使设备的管理更科学，分配更合理。

2.3.3 有效运行，及时维护

基于区块链的人工智能网络可以设定一致、有效的设备注册、授权及完善的生命周期管理机制。多渠道采集整理仪器设备运行参数、维保状态，在人工智能技术的辅助下，每一台仪器设备都可以通过区块链形成流程化、数字化作业指导书，科学规范引导使用人进行维护保养，实现状态监控、到期提醒、故障告警等功能，做到高效稳定运行和及时维护保养。而统一的区块链基础协议则可让人工智能在与各类仪器设备互动过程中不断积累学习，从而实现人工智能的智慧程度得以持续提升，设备维护、监控更加及时，确保设备稳定运行、数据准确可靠。

2.3.4 动态跟踪，全程可溯

物联网通过应用智能感知、识别技术与普适计算等方法实现信息交换，同样能满足区块链的部署和运营要求。同时，区块链是典型的P2P网络，与物联网一样具有分布式异构特征，网中的每一台仪器设备都具备自己在交互作用中的角色、行为和规则，对建立区块链系统的共识机制具有重要的支持作用。因此，物联网技术在区块链的应用，可实现每一台仪器设备的链上动态跟踪、实时掌控。另外，区块链的可追溯特性从设备的资产登记、出入库、使用、维护及运行参数等信息都可以留存在区块链上，实现仪器设备运行状态的全程可溯。

随着多物理尺度和多物理量建模、结构化的过程管理、传感和嵌入等技术的不断成熟，在不久的将来，通过集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，能够为不同品牌、不同型号、不同代次的仪器设备在数字世界创造一个唯一对应的数字虚拟映射，形成真实世界和虚拟世界的“数字孪生”。仪器设备的使用管理人员能够直接在区块链的虚拟空间中，通过相应的数字化产品对设备实体进行全面监管、操作、维护和调配，并精准判断其状态可能发生的变化，及时作出响应和处置。

3 结束语

环境监测仪器设备管理数字化转型既需要现代成熟科学技术手段的支撑保障，又有成功典型案例供参考借鉴，能够有效解决生态环境部门对监测仪器设备管理过程的难点和痛点。既能实现仪器设备的使用维护管理全过程追踪，彻底解决设备维护保养方面的不及时、不到位等问题，也能避免出现仪器设备运行过程参数不稳定影响检测结果的情况，还能延长仪器设备的使用寿命。同时，还能在福建全省范围内统筹指导各使用单位科学精准地更新配备仪器设备，有效减轻各级公共财政负担，为生态环境持续改善和生态文明建设创新发展提供有力支撑。