基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统的研究与实践

钟天杰，孙 剑，叶建新，曹书兵，邝婧雯，张启超

（1.广州市住房城乡建设行业监测与研究中心，广东 广州 510000；2 广州粤建三和软件股份有限公司，广东 广州 510000；3 广州广检建设工程检测中心有限公司，广东 广州 510000；4.广州市建设科技中心，广东 广州 510000）

0 引言

近年来，我国城市高层、超高层建筑物的数量随城市化的发展快速增长，在影响其安全的众多因素之中，最为重要的当属基坑工程［1］。同时，如何结合新兴区块链技术，助力建筑行业信息化和数字化发展，打造一个“基坑监测+物联网+区块链”的创新性平台，已经势在必行。传统的人工基坑监测工作量大、数据传输和计算不及时可能会造成严重的后果。将自动化智能监测技术应用于实际深基坑工程监测中，可减少人工操作，达到降低成本、实时预警、数据溯源等多项功能，具有显著的现实意义。传统的深基坑监测管理系统将监测数据存储在系统后台数据库中，容易造成数据被篡改或丢失，无法保证数据的安全；且深基坑监测数据上传的过程中可能会存在数据不真实、溯源性差等情况。本文在自动化智能监测技术的基础上，利用区块链技术实现深基坑监测数据的分布式存证管理及链上历史数据查询，从而确保自动化监测数据真实可靠，便于溯源。基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统将自动化智能监测技术应用于实际工程中，可减少人工操作和数据的人为干预，达到实时预警，而去中心化的数据存储和管理，保证了数据的真实性和可靠性。

1 研究背景

自然灾害和施工管理不善而引发的工程事件屡见不鲜，传统监测工作为劳动密集型，由人工监测完成，存在数据采集不规范、不及时，有人为误差，人员投入多，监测成本高以及安全生产风险大等问题，监测数据的采集和处理的时效性以及监测数据信息共享越来越不适应信息化时代的要求，转型是必然趋势［2］。

区块链被认为在互联网之后最具有颠覆性的技术之一，互联网解决了信息传播的问题，加快了信息化、数字化的进程。由于互联网的诞生，信息大爆炸，仅 2010 年的 youtube，每分钟上传的视频时长就高达 35 h。由于互联网缺乏信息鉴别能力，上传的信息是否具有价值无法保证。区块链的诞生解决了互联网时代信息没有价值的问题，通过去中心化、共识机制、不可篡改、可追溯等特性让信息产生了价值。区块链通过运行安全可靠的智能合约，无法篡改，无需中心担保，达成共识即可传递价值。其本质是通过 P2P 通信的去中心化账本，数据需通过全体节点共识后才可写入，有效保证信息的安全和可靠。

物联网技术在区块链、人工智能、5G 等技术推动下高速发展，在建筑基坑安全监测领域解决了诸多棘手问题。借助区块链技术、物联网技术，与传统基坑监测方法结合，开发出“基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统”，实现了监测数据智能分析处理、建筑基坑变形情况实时展示以及实时预警、数据溯源等功能，能够降低基坑监测成本、降低工作强度，具有重大的社会效益和经济价值。

本项目引入区块链、物联网等技术构建一种新型的深基坑安全智能监测系统，通过资源与技术整合，解决监测数据真实性、预警及时性、工作规范化等突出问题。系统同时具备人工和自动化两种监测模式，实现数据自动上传和在线解析、报告自动生成以及综合预报警等多项功能。同时，利用区块链技术的防篡改、可追溯、去中心优化等特点，提高监测数据的安全性，并基于链上可信数据做多方处理确认审批，实现全过程记录和管理，保障深基坑监测工作的真实有效、安全高效。

2 系统技术架构

区块链由共识算法、P2P 通信网络、NoSQL 数据库、智能合约、哈希函数、PKI 证书等技术组成。基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统，由建设单位、监测单位、平台运营商等作为节点组成联盟链，通过在区块链上运行的智能合约，将深基坑监测数据上传至链上。每个节点均配有独立服务器或主机存储全量数据，确保数据安全可靠，并通过 RAFT 共识算法保证节点数据一致性。

系统分为区块链底层和应用层，通过应用层服务与区块链进行数据交互，实现深基坑监测数据上链、监测数据在线分析，并在发现异常时发起预警通知，记录处理结果。基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统的技术架构如图1 所示。

图1 基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统总体技术架构图

为满足系统性能要求，减少区块交易上链延迟，关键是提高区块链平台吞吐性能。项目对现有联盟链型区块链平台的源码进行分析改造，通过加入缓存机制、细化节点类型、改进共识算法等方法升级改造区块链底层技术，将区块链平台的吞吐量提高至 10 000 TPS 以上，交易上链延时缩短至 1 s 以下。

在信息安全及数据隐私方面，采用基于信息隐藏和联邦学习框架，定制区块链平台上特定交易信息的隐私保护方案，并结合同态加密、混币机制等技术实现信息加密访问；使用国产自主研发的加密算法，替换通用的 ECDSA、RSA 等加密算法，实现加密可控的自主知识产权联盟链。深入研究私自挖掘、日蚀攻击、双花攻击等常见的区块链系统攻击方式原理，分别归纳出马尔可夫决策模型，再采取如增加额外的安全矿工节点等方案，增强区块链平台的抗攻击能力。基于区块链系统管理维护中可获知的有限信息，应用 Q-learning、DQN 等强化学习算法，动态调整投入的防御成本，提升的区块链系统综合收益。

3 基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统实现

基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统包括前端数据采集部分、深基坑监测系统以及区块链平台，实现监测数据采集上链、统计分析、多方协作等，提高数据可信度，解决数据应用低效、碎片化且智能化程度低的问题。基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统的业务流程如图2 所示。

利用区块链技术，将建筑工程深基坑传感器所采集的原始监测数据、预警及处理信息、方案设计表等数据进行上链存证，保证相关数据不可篡改、不易丢失、便于溯源。

3.1 基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统总体设计

基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统由监测数据采集模块、区块链平台、监测数据分析及预报警模块、人工巡检管理模块、监测数据统计及监测报告几个部分构成，系统总体设计如图3 所示。

图3 基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统总体设计图

3.1.1 监测数据采集模块

1）通过采集仪获取传感器以及监测设备（如水准仪、测斜仪、全站仪等）采集到的数据，同时通过无线发送模块将采集到的数据发送出去。

2）接收端接收到数据后，对不同格式的数据进行解析，将处理后的原始数据通过基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统给到区块链平台（见图2）。

图2 基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统业务流程图

3.1.2 区块链平台

在区块链平台上对原始数据进行计算处理及存证保存，处理完成后返回结果数据，系统根据检测方案判断是否符合预警条件。

3.1.3 数据分析及预报警模块

如果系统判断数据满足预报警条件，首先会触发给相关负责人员发送预报警提醒短信；其次，会将预报警信息发给现场监测，触发深基坑现场声光报警器，提醒现场人员。最后，系统会将预报警信息、用户处理数据及多方确认结果给到区块链平台。

3.1.4 人工巡检管理模块

监测人员进行现场巡检，将施工过程发现的问题通过移动端进行记录，人工巡检模块主要具备以下功能。

1）及时记录基坑现场巡视及人工监测的内容，如果发现异常情况及时产生报警记录提醒相关单位。

2）实现巡检项目电子化，制定任务计划，规范巡检并自动上传巡检信息［6，7］。

3）规范的巡检记录为自动生成监测报告提供素材。

3.1.5 监测数据统计及监测报告

系统根据配置的模板，结合深基坑监测数据以及巡检记录能够自动生成监测报告；从不同维度对数据进行统计汇总，方便从整体上，或者从不同维度去了解深基坑情况。

3.2 深基坑安全智能监测系统特点

3.2.1 智能化监测

1）通过传感器、监测设备定时自动采集现场周边管线水平位移、水位等相关监测数据，有效降低人工监测成本和失误，使数据采集过程自动化、智能化。

监测数据通过区块链平台上链存证，利用数字签名确认身份，保证数据来源真实可靠，不可抵赖。且区块链链上信息受司法认可，便于有效追责，提高查证验证的效率，降低成本。

2）系统自动对深基坑监测原始数据进行计算。通过智能合约和 SDK 事先设置的规则，自动对传感器传输过来的数据进行处理，避免人为介入操作。数据处理过程智能化，保证了规则一致性和处理结果的真实性。

智能判断监测数据是否满足预警条件，发现异常时通过短信等方式自动通知相关人员。预警信息及处理结果上链存证，基于区块链技术保证数据真实记录，监控过程更简单直观，有效提高了监控效率，降低监控成本。

3.2.2 深基坑监测数据无法篡改

深基坑监测数据、深基坑异常及处理数据、处理确认数据通过联盟链智能合约自动处理，经哈希值运算后在链上存证。由于区块链是去中心化分布式存储，上链的监测数据将同步到各联盟节点存证，即多方拥有相同账本，不由单一机构保存和维护。因此，通过修改单一节点的数据并不能影响整个区块链平台上的数据。并且基于区块链机制，每个节点连入区块链网络时会自动验证本地账本与其他节点账本的一致性，一旦发现异常或缺失，将自动同步覆盖，从而保证数据无法篡改和伪造，增强了数据的可信度。

而实际上修改区块链上数据本身也是几乎无法实现。首先区块链是块链式存储结构，且本身并不提供修改和删除操作，只能通过暴力破解的方式修改数据。其次因链上数据区块的区块头会记录上一区块的哈希信息，而该哈希信息是通过区块内信息通过一系列计算的结果，修改任一信息都将导致该结果的变化，从而逐一影响后续每一个区块。修改数据这一操作需要足够的计算能力才能实现，现有计算机性能需要上万年的时间才能完成。结合上面的账本同步覆盖原理，即使成功篡改了本地数据也会被同步覆盖。所以可以说，监测数据一旦上链将无法篡改。

3.2.3 深基坑监测信息完整可追溯

深基坑监测关键信息均上链存证，由区块链平台提供的可信数据，为监测数据的异常原因排查与归责提供依据。区块链数据不可删除，所有上链数据将被永久保存，保证数据的完整性。当需要查询历史数据或查验某个数据整个生命变化轨迹，只需通过 ID 即可从链上查询出所有关联数据，并基于可信时间戳提供有效数据存储时间。

3.2.4 去中心化安全稳定

依托区块链高度去中心化的存证服务，搭建开放的合作生态技术平台，保证了自动化监测系统所采集的数据的真实性和完整性，传感器的自身出错和真实异常变化均同时被记录，通过大数据分析其合理性，在处理过程中要加以甄别，通过这些甄别方法来提高监测数据的可靠性，防止误报警的出现。

3.2.5 分布式存储

区块链技术采用分布式存储，每个节点都有一份完整的数据备份，单个节点出现问题也不会对整个系统和数据记录产生严重影响；所以只要有节点在运行，区块链网络就能保证全天 24 h 运行，单一节点因故停机并不会影响系统正常运行。监测及相关数据进行分布式存储并完成容灾备份，在数据被破坏或删除时，可以自动恢复，保障数据安全。

3.2.6 系统维护管理简单

区块链具有高可用性，通过共识算法实现自动故障转移。当节点出现故障或掉线，将自动切换可用节点继续运作，保证系统不宕机。具备动态节点准入机制，允许在系统不停机情况下，添加新组织或节点到区块链网络中，并自动运行及同步账本。即保证了系统的高可用性，同时增加了网络的可维护性。

4 系统应用效果

基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统，目前系统已开始试运行。系统页面如图4、图5 所示。

图4 基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统链上数据查询页面

图5 基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统区块链浏览器页面

系统包括链上数据、处理信息、处理归档等菜单功能。现场监测：将监测数据发送到基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统的同时，同步上链到区块链平台，保证了监测数据的安全性和完整性；系统对监测数据按标准值处理，形成预报警数据后，进行处理和归档并同步上链到区块链平台。基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统，利用区块链去中心化的特点，让预报警数据能够被多家单位进行多方处理和互认，并进行归档，期间所有的处理过程数据，亦都会存在该区块链服务器上，通过本系统进行展示和监控。

基于区块链技术，系统应用实现以下功能效果。

4.1 高可用部署，防止系统宕机及数据丢失

基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统的区块链网络是由监测单位等 3 个节点所组成的联盟链。每个节点都存有一份完整的数据，即使有一个节点宕机仍不影响系统的正常运行。在宕机、掉线或故障节点恢复后，基于区块链机制也会自动从区块链网络上自动复制缺失信息形成完整的数据，并重新加入网络中运行。

4.2 数据直接上链存证 减少人工操作

深基坑现场监测传感器将采集原始数据传到区块链平台上链存证，过程中无人工介入干预，保证上链数据完整不经修改。数据一旦上链后，无法篡改，从而保证传感器采集数据真实保存，不受人工影响。基于区块链数据不可篡改特点，可调出链上数据与系统中数据进行比对，核实数据是否经常篡改伪造，达到验伪的效果。

4.3 数据永久保存

区块链数据存储只允许写入，不允许对历史数据进行修改或删除，保证链上数据的完整性和可信度。因其数据的永久保存，随时可查，为数据溯源提供了可信和完整数据。即使通过技术手段修改了数据并提交上链，对于区块链网络也是新增数据，历史信息不会受到影响，并且保证历史及修改后提交数据均可查询，可以完整追溯所有数据修改轨迹。

5 结语

区块链信用体系对于多方协作的建筑行业天然契合，赋能建筑工程信息化建设是一个创新领域。本文论述的基于区块链的建筑工程深基坑安全智能监测系统，利用区块链不可篡改、可追溯的特性，保证了深基坑工程监测数据的完整性和安全性，提供可信数据作为支撑。利用区块链去中心化、多方协作的特点，使数据安全共享，实现监测预警等协同处理，保障工作落实和有效。该系统对于工程项目施工现场，尤其是深基坑的监测管理，起到了至关重要的作用。Q