基于區(qū)塊鏈技術(shù)的環(huán)保電力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

［劉淑霞］

1 引言

目前，與經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展如影隨形的環(huán)境污染問(wèn)題受到了人們高度的關(guān)注。如何高效可持續(xù)地實(shí)施環(huán)保舉措成為了亟待解決的問(wèn)題。在環(huán)保行業(yè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量是環(huán)境監(jiān)測(cè)工作的生命線，環(huán)保數(shù)據(jù)的真實(shí)性、綜合性、長(zhǎng)期性是環(huán)境監(jiān)測(cè)基本的要求。然而近些年，我國(guó)環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)造假的新聞時(shí)有發(fā)生，數(shù)據(jù)造假已經(jīng)成為環(huán)?？v深推進(jìn)的大痛點(diǎn)之一。結(jié)合環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)造假的多項(xiàng)報(bào)道可以看出，當(dāng)前我國(guó)環(huán)境數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的方式，仍以“傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”為主，采用的是關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫(kù)，比如mysql、oracle 等，創(chuàng)建一條記錄，把某個(gè)地方某段時(shí)間的環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)儲(chǔ)存在里面。這種傳統(tǒng)的儲(chǔ)存手段，很容易被人為干擾。有兩種普通也常見(jiàn)的干擾手段：①在后臺(tái)程序留后門(mén)，注入腳本代碼，直接操作數(shù)據(jù)庫(kù)，修改數(shù)據(jù)；② 掌握數(shù)據(jù)庫(kù)權(quán)限的人，直接登錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行update 操作，篡改真實(shí)數(shù)據(jù)。但如果這些數(shù)據(jù)使用了區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行存儲(chǔ)，就直接杜絕了人為干擾的情況。區(qū)塊鏈技術(shù)分布式、可信任、不可篡改的獨(dú)特屬性，確保了環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)可靠性[1]。即便出現(xiàn)了篡改數(shù)據(jù)的情況，也會(huì)被區(qū)塊鏈系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)并剔除，并從其他儲(chǔ)存點(diǎn)同步健康的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

利用區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、高安全性和不可篡改的特點(diǎn)使得環(huán)保舉措得到了前所未有的提升效果，它在各行各業(yè)的環(huán)保舉措中應(yīng)用廣泛[2～4]。文獻(xiàn)[5]中利用區(qū)塊鏈技術(shù)為依托解決了船舶行業(yè)污染物污染海洋的問(wèn)題，利用可溯源不可篡改等特性解決了船舶行業(yè)污染物移動(dòng)性強(qiáng)難管理的問(wèn)題。文獻(xiàn)[6]中利用區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，解決了電動(dòng)汽車充電行業(yè)“多買(mǎi)家多買(mǎi)家”情況下交易自治交易透明公開(kāi)的問(wèn)題，建立電動(dòng)汽車充電行業(yè)買(mǎi)賣互信的環(huán)境，為買(mǎi)賣雙方提供一個(gè)高效的電力交易平臺(tái)。文獻(xiàn)[7]中利用區(qū)塊鏈技術(shù)解決廢棄紡織品利用率低的問(wèn)題，使得廢棄紡織品過(guò)程公開(kāi)透明可追溯，提高顧客和企業(yè)間的信任，從而達(dá)到提高廢棄紡織品的利用率的目的。而且現(xiàn)在大型企業(yè)和中小企業(yè)愈來(lái)愈多，出現(xiàn)了如下幾個(gè)問(wèn)題：對(duì)于環(huán)境監(jiān)管環(huán)境監(jiān)管部門(mén)人力資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，監(jiān)管難度大，需要提高監(jiān)管效率；環(huán)保部門(mén)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)難以存證，還沒(méi)有達(dá)到不可篡改或者難以篡改的地步，企業(yè)和監(jiān)管部門(mén)之間沒(méi)有互相信任的環(huán)境，監(jiān)管主體難以服眾；環(huán)保設(shè)備故障不能及時(shí)預(yù)警等。為了解決這些問(wèn)題，本文結(jié)合區(qū)塊鏈的共享、可溯源、不可篡改等特性，利用現(xiàn)有技術(shù)區(qū)塊鏈，研究和現(xiàn)了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)保系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)保設(shè)備用電以及設(shè)備運(yùn)行情況，并分析監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)，以網(wǎng)頁(yè)圖表的表現(xiàn)形式直觀形象地展示出來(lái)，將預(yù)警使用異常和用電異常的環(huán)保設(shè)備。人防變?yōu)榧挤?，減少了環(huán)保監(jiān)管部門(mén)的負(fù)擔(dān)，提升監(jiān)管效率；監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)透明公開(kāi)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可溯源，不僅建立了一個(gè)讓環(huán)保監(jiān)管和企業(yè)互信的環(huán)境，踐行了環(huán)保人人有責(zé)的思想，還讓環(huán)保措施真正落地，大大提高環(huán)保監(jiān)管部門(mén)的執(zhí)行效率。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)下的環(huán)保電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

環(huán)保電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)電力使用量來(lái)確定工廠或者企業(yè)的環(huán)保設(shè)備是否正常使用，從而判斷企業(yè)是否使用了環(huán)保設(shè)備，將工廠或者企業(yè)代碼、環(huán)保設(shè)備電力使用量等記錄上傳到區(qū)塊鏈模塊中，然后將采集的數(shù)據(jù)分析出來(lái)，用網(wǎng)頁(yè)圖畫(huà)等展示出結(jié)果。本文研發(fā)的系統(tǒng)分3 個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集模塊、區(qū)塊鏈模塊和數(shù)據(jù)展示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊主要是利用lora 技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，使用lora 技術(shù)[8]能夠讓采集的數(shù)據(jù)以低發(fā)射功率獲得更廣的傳輸范圍和距離，達(dá)到低功耗傳輸距離遠(yuǎn)數(shù)據(jù)傳輸。LoRa 融合了數(shù)字?jǐn)U頻、數(shù)字信號(hào)處理和前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)[9]。Lora 技術(shù)保證了采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和傳輸?shù)陌踩訹10]，區(qū)塊鏈技術(shù)保證了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的安全不可篡改性，讓整個(gè)監(jiān)管過(guò)程安全數(shù)據(jù)可信，透明公開(kāi)。系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

如圖1 所示，數(shù)據(jù)采集模塊是采集工廠或者企業(yè)的環(huán)保設(shè)備用電數(shù)據(jù)，然后上傳給區(qū)塊鏈模塊。區(qū)塊鏈模塊將這些采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在各個(gè)共識(shí)節(jié)點(diǎn)的區(qū)塊中。數(shù)據(jù)展示模塊分析數(shù)據(jù)之后用網(wǎng)頁(yè)的形式展現(xiàn)，可以直觀的看到環(huán)保設(shè)備使用異常的工廠或者企業(yè)。通過(guò)對(duì)環(huán)保設(shè)施運(yùn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)控，讓監(jiān)管人員及時(shí)掌握異常預(yù)警情況，并提前采取應(yīng)對(duì)措施，推動(dòng)環(huán)保執(zhí)法由“被動(dòng)響應(yīng)式事后處理”向“主動(dòng)介入式事前管控”轉(zhuǎn)變，提升了執(zhí)法的預(yù)見(jiàn)性、主動(dòng)性，大大提高了監(jiān)管部門(mén)的執(zhí)行效率。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本文研發(fā)的系統(tǒng)分3 個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)：數(shù)據(jù)采集模塊、區(qū)塊鏈模塊和數(shù)據(jù)展示模塊。

3.1 數(shù)據(jù)采集模塊

本文研究系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊分為環(huán)保設(shè)備、電力儀表和設(shè)備網(wǎng)關(guān)三部分。此模塊主要是使用lora 技術(shù)通過(guò)電力儀表實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保設(shè)備用電等，然后上傳設(shè)備編號(hào)、企業(yè)或工廠代號(hào)、設(shè)備運(yùn)行情況以及設(shè)備用電量等信息。電力儀表主要功能是采集環(huán)保設(shè)備用電數(shù)據(jù)，電力儀表終端內(nèi)置lora。lora 就是遠(yuǎn)距離無(wú)線電（Long Range Radio），是semtech 公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)，它最大特點(diǎn)就是在同樣的功耗條件下比其他無(wú)線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實(shí)現(xiàn)了低功耗和遠(yuǎn)距離的統(tǒng)一，它在同樣的功耗下比傳統(tǒng)的無(wú)線射頻通信距離擴(kuò)大3～5 倍。在本文研究的應(yīng)用場(chǎng)景下，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)環(huán)保設(shè)備的數(shù)據(jù)，這些信息數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行交匯，所選網(wǎng)絡(luò)的特性直接關(guān)乎到生產(chǎn)計(jì)劃的執(zhí)行質(zhì)量，需要低成本的傳感器配以低功耗和長(zhǎng)壽命的電池來(lái)追蹤設(shè)備、監(jiān)控狀態(tài)，而lora 便是合理的最好的通信方式。數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)流圖如圖2 所示。

圖2 數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)據(jù)流

從圖2 可以看出電力儀表內(nèi)置的lora 無(wú)線通信，負(fù)責(zé)采集環(huán)保設(shè)備用電和設(shè)備運(yùn)行狀況的等數(shù)據(jù)。然后利用lora 技術(shù)無(wú)線通信與網(wǎng)關(guān)連接，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝轉(zhuǎn)發(fā)到區(qū)塊鏈模塊。網(wǎng)關(guān)與區(qū)塊鏈模塊的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器之間通過(guò)TCP/IP 協(xié)議通信。

3.2 區(qū)塊鏈模塊

區(qū)塊鏈模塊主要是將收集的數(shù)據(jù)放到區(qū)塊鏈的存數(shù)取數(shù)服務(wù)，上鏈到共識(shí)節(jié)點(diǎn)。區(qū)塊鏈正是一種按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊以鏈的形式組合成特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并用密碼學(xué)方式保證了數(shù)據(jù)的不可篡改和不可偽造，也可以說(shuō)是去中心化共享賬本，能夠安全簡(jiǎn)單、以時(shí)間順序作為先后順序和可以驗(yàn)證地存儲(chǔ)流水賬本數(shù)據(jù)。此區(qū)塊鏈模塊間共識(shí)節(jié)點(diǎn)采用P2P 通信，多個(gè)節(jié)點(diǎn)組成一條環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)價(jià)值的互聯(lián)網(wǎng)去中心化公有鏈。公共區(qū)塊鏈，相對(duì)于私有鏈，也是區(qū)塊鏈普遍的一種形式，它是完全開(kāi)放和透明的，這表明著鏈上的任何工廠或者企業(yè)都可以看到每一筆監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

數(shù)據(jù)采集模塊采集的環(huán)保設(shè)備用電原文數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)哈希計(jì)算后實(shí)時(shí)上鏈，既保證上鏈前數(shù)據(jù)真實(shí)，也保護(hù)了數(shù)據(jù)隱私。區(qū)塊鏈的哈希值能夠唯一而精準(zhǔn)地標(biāo)識(shí)一個(gè)區(qū)塊，區(qū)塊鏈中任意節(jié)點(diǎn)通過(guò)簡(jiǎn)單的哈希計(jì)算都可以獲得這個(gè)區(qū)塊的哈希值，計(jì)算出的哈希值沒(méi)有變化也就意味著區(qū)塊鏈中的信息沒(méi)有被篡改。每個(gè)區(qū)塊都包含上一個(gè)區(qū)塊的哈希值和下一個(gè)區(qū)塊的值，就相當(dāng)于通過(guò)上一個(gè)區(qū)塊的哈希值掛鉤到上一個(gè)區(qū)塊尾，通過(guò)下一個(gè)區(qū)塊的哈希值掛鉤到下一個(gè)區(qū)塊鏈的頭，就形成一個(gè)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)的區(qū)塊鏈。由此可以看出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電力環(huán)保監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以讓環(huán)保電力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)公開(kāi)透明，安全和不可篡改，讓多方工廠、企業(yè)和環(huán)保監(jiān)管部門(mén)建立了一個(gè)互信的平臺(tái)，可以高效地落地環(huán)保舉措。

3.3 數(shù)據(jù)展示模塊

利用區(qū)塊鏈的防偽、防篡改屬性來(lái)記錄每一筆交易，讓所有環(huán)境監(jiān)測(cè)部門(mén)行業(yè)的上下游鏈條實(shí)現(xiàn)透明，促進(jìn)環(huán)境監(jiān)測(cè)市場(chǎng)提率，降低成本。數(shù)據(jù)展示模塊將區(qū)塊鏈模塊存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)采集企業(yè)或者工廠的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)保設(shè)備用電量等數(shù)據(jù)，進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)推送異常報(bào)警，數(shù)據(jù)展示模塊的界面如圖3 所示。

圖3 環(huán)保設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)界面

圖3 主要展示了數(shù)據(jù)展示模塊網(wǎng)頁(yè)界面，以圖表的形式形象地展示了監(jiān)測(cè)的結(jié)果。系統(tǒng)通過(guò)以下3 個(gè)方面進(jìn)行監(jiān)測(cè)和判定：①通過(guò)關(guān)聯(lián)分析、超限分析、啟停時(shí)間分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)環(huán)保設(shè)備未開(kāi)啟、異常關(guān)閉及減速、空轉(zhuǎn)等異常情況；② 通過(guò)停產(chǎn)限產(chǎn)錯(cuò)峰分析，系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)保局發(fā)布的停產(chǎn)限產(chǎn)和錯(cuò)峰生產(chǎn)等應(yīng)急預(yù)案自動(dòng)判斷分析，對(duì)企業(yè)拒執(zhí)行指令、違規(guī)生產(chǎn)等狀況第一時(shí)間向環(huán)保部門(mén)預(yù)警，提示異常；③給出企業(yè)環(huán)保設(shè)備運(yùn)行報(bào)告，環(huán)保監(jiān)測(cè)平臺(tái)可以生成企業(yè)環(huán)保設(shè)備運(yùn)行診斷報(bào)告，配合環(huán)保監(jiān)察部門(mén)分析設(shè)備環(huán)保設(shè)備運(yùn)行情況，以便更準(zhǔn)確執(zhí)法。區(qū)塊鏈公開(kāi)透明、智能合約的特點(diǎn)在一定程度上既讓參與各方都能了解整個(gè)運(yùn)作流程和透明的利益分配，又能讓用戶的行為以及行為產(chǎn)生的獎(jiǎng)懲由程序來(lái)執(zhí)行而不依靠人為，從而進(jìn)一步降低污染監(jiān)測(cè)和處理的成本，可信度逐漸提升。

4 結(jié)論

當(dāng)前環(huán)境保護(hù)難以突破，其中非常重要一點(diǎn)就在于信任機(jī)制的缺失。而區(qū)塊鏈具有去中心化、信息無(wú)法篡改，公開(kāi)透明、信息可溯源、智能合約自動(dòng)執(zhí)行等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。借助區(qū)塊鏈技術(shù)，將環(huán)保數(shù)據(jù)寫(xiě)上區(qū)塊鏈，為環(huán)保事業(yè)的發(fā)展再添新動(dòng)能。本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)了環(huán)保設(shè)備電力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，面向所有環(huán)境監(jiān)測(cè)接口開(kāi)放，去掉環(huán)境監(jiān)測(cè)行業(yè)中的渠道、發(fā)行、推廣運(yùn)營(yíng)等環(huán)節(jié)，創(chuàng)造讓用戶和用戶、用戶與監(jiān)管部門(mén)直接對(duì)接結(jié)算的生態(tài)圈。本文分3個(gè)模塊研究此系統(tǒng)：數(shù)據(jù)采集模塊、區(qū)塊鏈模塊和數(shù)據(jù)展示模塊。數(shù)據(jù)采集模塊利用lora 技術(shù)將電力儀表采集的環(huán)保設(shè)備用電情況和運(yùn)行狀況傳輸?shù)絽^(qū)塊鏈模塊。區(qū)塊鏈模塊將這些數(shù)據(jù)上鏈。然后數(shù)據(jù)展示模塊通過(guò)關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)將環(huán)保設(shè)備異常使用和運(yùn)行的情況展示出來(lái)，建立監(jiān)管部門(mén)和各企業(yè)的互信平臺(tái)，便于環(huán)保監(jiān)管部門(mén)高效執(zhí)法。此系統(tǒng)還可以應(yīng)用于產(chǎn)能設(shè)備監(jiān)測(cè)、監(jiān)測(cè)污水排放和監(jiān)測(cè)空氣排放質(zhì)量等情況，大大提高環(huán)保事業(yè)的監(jiān)管和執(zhí)行效率。