基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测方法研究

余 敏，彭家从，柏 帆，吴佩颖

（国网浙江省电力有限公司宁海县供电公司，浙江 宁波 315600）

0 引言

随着近年来智慧城市化进程的推进，电力电缆入地已成为配电网电力传输的主流方向[1]。作为配电网的重要一环，地下电缆井的建设在保障配电网安全稳定运行的过程中愈加重要，由此导致了电缆井的快速增加，进而使得电缆井盖数量与日俱增[2-3]。这既影响了城市美观，也给监管部门带来了巨大的监管压力，使得诸如井盖移位、行人误坠、井下起火、井内电缆被盗等电力电缆井安全事故屡有发生，并在事故发生后常常因监管不力、故障定位不准等原因，极大地拖延了故障修复进度以及责任的落实，对社会的发展造成重大的经济损失和安全隐患[4]。直至2019年国家标准《数字化城市管理信息系统智能井盖基础信息》的正式编制，愈发表明仅依靠传统人工巡查的管理方式已无法实现对电缆井盖的实时监控和及时预警，亟需一种能够对电缆井盖进行有效实时监控和管理的方法手段[5]。而从中央政治局第十八次集体学习中针对“区块链”的相关政策表明，区块链技术的发展已成必然[6]，其去中心化、开放透明、不可篡改、可溯源等特性恰好为上述难题提供了新的研究思路。为此，文中采用区块联盟链技术来解决智能电缆井盖监测数据的采集、存储问题，以期实现智能电缆井盖监测环节信息共享的同时，实现各参与主体责任的落实。

1 国内外研究现状

随着智慧城市化进程的加快，城市井盖数量日渐增长，传统的人工巡检已无法实现实时监测，并且由于存有多处公共窨井，各方打开井盖无记录，无法对窨井进行有效的管理与责任追究，进而导致井盖事故频发[7-8]。因此，近年来国内外众多学者对此竞相开展了研究。

在电缆井盖信息预警与实时监控方面，传统的人工巡查效率低下，无法实现对井盖状态的实时监控和及时预警，易造成安全隐患。为此，文献[9]借助云服务和物联网技术，研发了一种加装有电子密码锁、GSM实时报警以及后台智能锁控系统的智能电缆井盖，通过实现对非正常开启电缆井盖行为的实时监控，在确保行人、车辆安全的同时，也更好地保障了电力电缆设备的安全运行。文献[10]和文献[11]针对目前城市建设中井盖易倾斜、易盗、巡检不及时等安全问题，设计了一种涵盖数据采集、传输和处理功能的低功耗智能井盖管理系统，在实现对井盖的实时监测和记录的同时，也起到了预警效果。文献[12]结合物联网技术设计了一种低功耗智能化井盖监测终端，实现对井盖状态的远程实时监测，使得井盖状态在发生异常时能够及时得到处理，减少因井盖破损、移位等异常情况而引发的安全事故。在地下电缆井状况实时监控方面，由于电缆井常常处于潮湿、阴暗的恶劣环境中，对电缆井中自身环境状况、设备的使用情况等信息监测困难。为此，文献[13]提出了一些关于电缆井监控的技术和手段，但其中的各类监控数据可视化仍是传统形式，始终未能与被监控物体的空间位置进行结合，缺乏直观性。之后，文献[14]针对电力井盖建设的运维管理现状，提出一种基于高压电缆通道的高效智能化电缆井盖监控系统，实现对电力井盖潮湿、有毒气体等恶劣环境的实时监测，保障了电力系统设备的安全运行。文献[15]为提高地下电缆井运维信息化水平，利用GIS和物联网集成技术构建了一种地下电缆井在线监测系统，并以嘉善县配电网络为领域进行落地试验，实现了对地下电缆井中电缆中间接头温度、电缆井水位、有毒气体，井盖翻动等的实时监测管理。在电缆井盖事故责任追责方面，随着井盖数量的增多，不可避免的产生了多处公共窨井，由于其无打开记录的原因，使得事故发生后责任往往无法精准落实，进而导致这类井盖的管理愈加困难。为此，文献[16]基于NB-IoT技术设计了一种智慧井盖监测系统，实现了对城市井盖的智能化管理，为后期智慧市政大数据分析提供了技术基础。

通过上述文献可知，目前供电公司关于电缆井盖的智能监测体系尚处于完善阶段，对于电缆井盖状态监测数据的采集、处理以及责任落实等方面仍缺乏相关应对措施。为此，文中通过查阅众多相关国内外研究文献后发现，区块联盟链技术的去中心化、可溯源、不可篡改等特性可有效提升数据质量，在有效推动井盖监测数据的优化管理的同时，实现数据溯源保真，为井盖事故的追责提供可信线索。

2 区块联盟链技术与智能电缆井盖数据监测的融合

作为电缆井不可或缺的一部分，电缆井盖是电缆井内部设备安全运行的必要保障，精确实时的井盖状态信息对供电企业良性建设以及智慧城市健康发展至关重要。但由于在智慧城市化建设过程中，城市电力电缆井盖分布广、数量庞大，目前运行管理部门仍主要采取人工巡检的方式来进行井盖的维护工作，使得监测数据的精确性、及时性无法得到保障，这对井盖的运维管理带来了极大的阻碍。同时，由于在井盖的管理维护过程中会牵涉到众多参与主体，而目前监测数据的管理平台大都是中心化的，各主体间缺乏信任，使得在监测、管理数据信息的过程中各方无法实现实时共享，导致电缆井盖监测数据的“信息孤岛”现象严重。此外，多方利益主体的存在也使得在众多电缆井盖分布中存有大量井盖处于无人管理状态，各方操作运维时缺乏相应维修记录，从而导致井盖状态异常后发生的人员伤亡、财产损失及系统故障等事故无法得到及时处理，对后期事故责任的追究造成阻碍，也给社会的安全稳定造成极大隐患。

近年来随着“互联网+”思维的兴起以及社会各行业数字化转型的需要，具有去中心化、可溯源、不可篡改等特性的区块链技术得到了极大的提高[17-18]，这也为智能电缆井盖监测数据的治理提供了新的思路。其中，作为区块链中应用最广的一类，联盟链技术与智能电缆井盖数据监测相结合将极大地提高系统平台的可拓展性，也能更好地保护监测数据的安全。在进行电缆井盖维护时，利用联盟链技术可仅需部分网络节点作为认证对象，即可保障井盖监测数据的真实性，在实现智能化的同时提高平台的信息认证效率。在进行监测数据管理时，可利用联盟链技术搭建去中心化的数据管理平台，能够有效解决井盖监测数据冗余、“信息孤岛”问题，实现多主体间的信息共享，并为后期智能数据分析奠定基础。在进行井盖事故追责时，可根据联盟链技术具备的可溯源、不可篡改等特点，对相应事故井盖信息进行逐级追溯，进而实现参与方责任的落实。区块联盟链技术与智能电缆井盖数据监测的兼容性具体分析结果如表1所示。

表1 区块联盟链与智能电缆井盖数据监测的兼容性分析

3 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测模型搭建

3.1 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据模型架构

在智慧化城市的建设过程中，电缆井是电力配电网的重要组成部分，而电缆井盖的状态稳定对电缆井内设备安全运行以及行人安全至关重要，对其进行实时的状态信息监测有助于电缆井突发事故的及时处理。因此在进行电缆井盖监测过程中，为实现数据的智能化采集、存储的同时，保障监测数据的真实可靠，进而完成为后期电缆井盖数据分析和事故责任落实奠定基础的目的，文中依据管理知识体系和区块联盟链技术等相关知识，构建了一种基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测模型，其结构框架主要由采集层、数据层、网络共识层、合约层及应用层5个部分组成，如图1所示。

图1 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测模型框架

采集层由众多传感器感知节点和无线传输模块组成，主要负责电缆井盖监测数据的采集工作，通过无线传输模块将固定时段内井盖位置、电缆井温湿度等信息传输到相应系统节点处的数据处理中心。数据层将符合阈值条件的数据利用哈希算法进行Merkle层级的非对称加密融合，并建立新区块。网络共识层将新区块进行网络广播，系统中的管理节点对该区块中的信息进行共识，确保存入区块链中的数据真实可靠。合约层通过制定智能合约对采集的数据进行筛选，实现数据交互。应用层用户可通过后台的智能电缆井盖数据监测平台进行监测数据的可视化查询的同时，也能实现数据保真、责任落实的目的。

3.2 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据采集

由于电缆井盖分布广且零散，为保障井盖状态数据的实时监控，需在每个电缆井盖的监测现场都单独安装有不同类型的监测模块，因此导致智能电缆井盖监测数据在采集过程中往往存在多格式、多来源等问题，使得数据信息冗余现象严重，对智能电缆井盖监测数据的高效存储、应用分析等操作产生阻碍。所以，为保障数据质量，减轻数据存储压力，文中将借助区块链中的智能合约技术对采集的井盖监测数据进行预处理。

智能合约作为一段可编程的自动化脚本代码，在基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统中存在多种类型，包括节点认证管理合约、电压电流类电气参数收集合约、温湿度/GPS定位图像采集合约等。这些合约由众多管理节点共同负责管理与维护，其一旦被部署，便不会受任何因素的约束而开始自动执行。基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统内部智能合约运行流程如图2所示。将由井盖现场监测模块采集的数据信息先存入本地数据库，再经过诊断库中的智能合约进行数据的初步诊断，并将诊断结果反馈给诊断中心，然后得出的优质数据及诊断结果将被存入一个新区块中；之后借助多节点的分布式存储优势对同步数据进行共识脱敏处理，确认数据真实可靠，直至最后将该区块链入主链，用于后期的数据共享与智能分析。

图2 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统智能合约运行流程

3.3 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据存储

井盖状态量数据在经过智能合约的初步诊断后，还需对清洗后的数据通过哈希算法和Merkle结构树进行信息的集成，实现数据格式的统一和信息的融合，进而才能完成井盖监测数据的上链存储操作过程。电缆井盖监测数据的融合存储可概括成四个步骤，如图3所示。

图3 基于区块联盟链的电缆井盖监测数据融合存储过程

1）通过电缆井盖中监控模块对电缆井的温湿度、GPS定位以及电路设备电气参数等信息进行采集，并将各项数据指标进行相关性映射和归集。

2）根据实际的智能电缆井盖数据监测系统的需要，制定相应的节点认证管理合约、电压电流类电气参数收集合约、温湿度/GPS定位图像采集合约等智能合约，将监测信息进行筛选，提高存储数据质量。

3）以非对称加密技术为核心，借助特定哈希函数和Merkle结构树对井盖监测数据进行非对称加密，并将冗长的数据信息转化为固定长度的数学进制密文进行数据区块的存储，从而完成对电缆井盖监测数据的融合过程。

4）在将井盖监测信息进行上链存储时，每隔固定时段将建立一个新区块。该区块由区块头和区块体组成，区块头中包含索引号、前一哈希、时间戳、Merkle根等基本信息；区块体主要存放GPS定位、温湿度、维修记录等井盖监测信息。其余管理节点将根据该区块基本信息对其进行合法性确认，并把合法区块添加到自身主链中，进而完成数据存储操作。

3.4 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据维护

由于监测设备模块故障、传输线路老化、电缆井环境恶劣等因素都会造成电缆井盖监测数据的失真或缺失，进而对监测数据后期的智能分析造成阻碍。因此，为实现井盖监测数据保真，需在数据的上链过程中对存储的信息进行合法性验证，并通过智能电缆井盖数据监测系统对出现异常数据的节点进行重新采集。

为此，智能电缆井盖数据监测系统在实现对数据信息的融合加密并生成一个新区块后，还将对该区块的信息进行维护，如图4所示。每当一个系统节点生成一个新区块，就会将其通过系统的拓扑式网络进行广播，系统内的其余节点将根据该区块的索引、时间戳、哈希值及Merkle根等基本信息进行合法性共识，并将验证结果反馈给系统管理节点。当管理节点收到的反馈中通过数≥2/3时，将赋予自身数字签名并再次进行系统广播，并将该区块链接到自身主链上，同时系统内其余节点的数据账本也将进行同步。合法区块的上链过程一旦结束，系统节点即会进入下一区块的生成过程。通过系统内所有节点的共同维护将提高智能电缆井盖数据监测系统的可靠性，实现井盖监测数据的质量保真，为井盖事件的追责提供依据。

图4 智能电缆井盖数据维护流程

4 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测仿真模拟

4.1 智能电缆井盖数据监测系统初始化模拟

为构建基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统，文中借助Java、Html、JavaScript、Css等编程语言和IDEA、Atom、Sql Server 2008等开发工具，在jdk-8u211-windows-x64、apache-tomcat-8.5.55-windows-x64等运行环境下进行搭建。系统的正常运行需在本地部署区块链程序后，通过localhost端口进行程序的初始化操作，并完成系统地图的下载。基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统初始化模拟过程如图5所示。

图5 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统初始化模拟

为保障数据信息的隐私安全，用户可通过47.96.0.155：8081/login.html地址进入系统登入界面进行账号的注册与登录操作，进而在系统操作界面完成系统功能的操作过程。系统按用户角色自身的业务范围大小，将对其赋予不同的访问权限。系统管理者作为权限最大的用户，可对智能电缆井盖数据监测系统的构造进行拓展，对系统的功能进行增删查改等操作。供电公司员工可根据工作需要对电缆井盖监测数据信息进行下载应用，诊断系统节点处井盖的状态信息及电缆井情况，维护系统的安全与稳定。街道居民可通过进入系统查询自身附近的井盖信息，了解周边井盖情况。

4.2 智能电缆井盖数据监测系统效果模拟

为验证智能电缆井盖数据监测系统底层区块链网络架构的适用性，文中以吉林市、杭州市、北京市等地区内的电缆井盖为监测节点，构造了一种基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测网络。在初次进入操作界面时，需先对原有节点ID信息进行注册存储，用以完善电缆井盖节点网络的搭建。之后借助井盖上安装的监测模块进行实时监测，并将采集的数据上传至后台数据库，再经过智能合约中约束条款的筛选，将符合阈值的信息进行整理提交，进而完成数据的上链操作。井盖信息一旦以区块的形式加入区块链，那么这些数据信息则无法被二次篡改，用户可通过登录系统界面查看所有的区块信息，为数据价值的分析以及事故的处理提供依据。基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统信息存储过程如图6所示。

图6 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统信息存储

基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统的信息来源主要依赖于监测模块的实时采集。通过将电缆井盖的信息存入区块链网络，系统用户即可在监测系统的操作界面根据井盖ID进行电缆井信息的具体查询，包括电缆井温湿度、井盖倾斜状态、井盖GPS定位、开盖照片等信息。基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统信息提取结果如图7所示。

图7 基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统信息提取

经过上述的系统功能验证表明，本文设计的基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统在研究过程中紧密结合电缆井盖事故多发原因，以区块链网络作为底层架构，增添开盖图像取证环节，这保证了在实现井盖监测数据保真、数据来源可追溯的同时，也为后期的智能分析与纠纷追责提供了现实依据。此外，该系统也满足了供电公司对于智能电缆井盖监测数据应用的安全透明、可追溯、不可篡改及易监管的功能需求，通过Web服务层的封装使得成果展示更加的直观易懂，满足其正常的使用需求。

5 结语

随着智慧城市的发展，配电网的安全稳定运行已与电缆井的建设紧密相连。为解决相应的井盖移位、行人误坠、井下起火、井内电缆被盗等电缆井安全事故，并及时处理故障定位、责任落实等问题，文中提出了一种基于区块联盟链的智能电缆井盖数据监测系统。经过研究仿真表明，该系统可实现电缆井盖的倾斜状态、GPS定位、开盖图像、井内温湿度等信息的采集与存储，能够保障电缆井盖监测数据真实可靠、实现监测数据精准溯源的同时，也实现了配电网在电缆井环节中各参与主体间责任的落实，为后期的运维保障提供了决策依据。但文中设计的系统随着网络节点的增多，对系统的共识压力逐渐增大，若在未来投入企业级应用，还需对实现节点的高效共识进行深入研究。