基于區(qū)塊鏈技術(shù)的環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備數(shù)字化管理

謝曉剛

(福建省生態(tài)環(huán)境信息中心，福建 福州 350001)

0 引言

近年來，我國生態(tài)文明建設(shè)進(jìn)入關(guān)鍵期、攻堅期和窗口期。福建省作為首個國家生態(tài)試驗(yàn)區(qū)，各級生態(tài)環(huán)境部門通過幾輪能力提升建設(shè)，陸續(xù)新增了一系列高效率、高精度、高品質(zhì)的環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備，生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力水平得到大幅提升。進(jìn)入新發(fā)展時期，面對“提氣、降碳、強(qiáng)生態(tài)，增水、固土、防風(fēng)險”的生態(tài)環(huán)境監(jiān)管要求，如何最大程度發(fā)揮環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備的作用和效益，為環(huán)境問題的治理和環(huán)境質(zhì)量的改善提供真實(shí)、準(zhǔn)確、全面的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用為我們指明了方向。

當(dāng)前，環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備傳統(tǒng)管理模式已經(jīng)束縛了生態(tài)環(huán)境監(jiān)測現(xiàn)代化的發(fā)展步伐。《關(guān)于加強(qiáng)數(shù)字政府建設(shè)的指導(dǎo)意見》指出，要全面推動生態(tài)環(huán)境保護(hù)數(shù)字化轉(zhuǎn)型。因此，亟須引入并充分利用現(xiàn)代數(shù)字技術(shù)，積極創(chuàng)新構(gòu)建新形勢下省、市、縣三級統(tǒng)籌管理、科學(xué)調(diào)配、動態(tài)跟蹤的儀器設(shè)備管理和維護(hù)的數(shù)字化模式，盡快實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，最大程度發(fā)揮儀器設(shè)備的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 福建省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測特征及儀器設(shè)備管理現(xiàn)狀

1.1 生態(tài)環(huán)境監(jiān)測的主要特征

1.1.1 監(jiān)測范圍廣

主要負(fù)責(zé)常規(guī)環(huán)境質(zhì)量、固定和移動污染源及各類突發(fā)環(huán)境事件應(yīng)急等方面的監(jiān)測，隨著形勢和任務(wù)的變化，今后還將進(jìn)一步拓展生態(tài)保護(hù)監(jiān)測、生物多樣性環(huán)境監(jiān)測等職能。

1.1.2 質(zhì)量要求高

高度重視監(jiān)測全過程的質(zhì)量保證，實(shí)驗(yàn)室和外場監(jiān)測儀器設(shè)備在使用過程，均有嚴(yán)格的質(zhì)量體系及相關(guān)規(guī)范要求，定期開展量值溯源、期間核查等工作，確保環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量。

1.1.3 協(xié)同配合強(qiáng)

影響環(huán)境質(zhì)量的因素多、涉及廣，不少環(huán)境監(jiān)測場景涉及監(jiān)測、執(zhí)法、應(yīng)急等多部門、跨地區(qū)協(xié)同配合的需求。

1.2 現(xiàn)有儀器設(shè)備的特點(diǎn)

1.2.1 數(shù)量眾多

據(jù)統(tǒng)計，僅一個編制30人左右的市級監(jiān)測站，各類儀器設(shè)備就有200余臺(套)，其中90%以上是通用儀器設(shè)備。同時，省級和縣級監(jiān)測站、三級環(huán)境執(zhí)法部門同樣配備了一定數(shù)量的監(jiān)測儀器設(shè)備，使得生態(tài)環(huán)境監(jiān)管系統(tǒng)的儀器設(shè)備總量規(guī)模相當(dāng)龐大。

1.2.2 種類繁多

環(huán)境監(jiān)測涉及到水、氣、土、聲、核與輻射等類別，不同類別里又有多種特征參數(shù)。因此，監(jiān)測儀器設(shè)備種類繁多，既有專用也有通用儀器設(shè)備，既有實(shí)驗(yàn)室大型高精度儀器，也有用于執(zhí)法和應(yīng)急監(jiān)測的小型便攜式設(shè)備，既有化學(xué)分析儀器，也有物理檢測設(shè)備。

1.2.3 兼容困難

環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備種類繁多，針對同一種項目的分析儀器，即使同樣是國產(chǎn)品牌，各廠家之間也沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范。以至于同一批采購的不同品牌產(chǎn)品，甚至是同一品牌的前后代產(chǎn)品，在數(shù)據(jù)格式、運(yùn)維周期、操作界面等方面都不統(tǒng)一，兼容性較差。

1.3 日常使用管理存在的問題

1.3.1 用保脫節(jié)

環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備在實(shí)際使用中，部分監(jiān)測站往往“重過程、輕保養(yǎng)”，操作人員除按規(guī)程正常操作外，容易忽視儀器設(shè)備的按時養(yǎng)護(hù)和零部件更換，甚至帶病作業(yè)，導(dǎo)致小故障演變成大問題。個別儀器設(shè)備開機(jī)次數(shù)少，使用頻次低，更是缺乏必要的常規(guī)維護(hù)保養(yǎng)。

1.3.2 管理粗放

目前，多數(shù)單位仍使用手工登記結(jié)合電子表格的方式進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備的管理。少數(shù)單位依托自建的信息化管理系統(tǒng)，對實(shí)驗(yàn)室分析用儀器設(shè)備進(jìn)行出入庫登記、查詢、報廢等傳統(tǒng)的信息化管理，尚未形成全省統(tǒng)一的，能夠科學(xué)、精準(zhǔn)、動態(tài)管理環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備的技術(shù)和制度體系。

1.3.3 采購混亂

儀器設(shè)備的采購需求一般由使用人員提出，必要性沒有得到系統(tǒng)科學(xué)地研究論證。有的超前配置高精尖儀器，在完成新項目方法驗(yàn)證或開展少量檢測工作后，便處于空閑待用狀態(tài)；有的為確保監(jiān)測工作的延續(xù)性和穩(wěn)定性，同類別、同性能設(shè)備重復(fù)配置，導(dǎo)致超配設(shè)備長期閑置。

2 儀器設(shè)備數(shù)字化管理創(chuàng)新模式

2.1 總體思路

針對環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備的特點(diǎn)，基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建起多方可信“直聯(lián)”鏈路，融合現(xiàn)代科技手段探索省、市、縣三級環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備綜合利用，多種數(shù)字化技術(shù)統(tǒng)一科學(xué)管理的創(chuàng)新模式，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的全生命周期有效管控、統(tǒng)籌調(diào)配、動態(tài)跟蹤、溯源核查，形成規(guī)范使用、穩(wěn)定運(yùn)行、精細(xì)維護(hù)和數(shù)據(jù)收集、軌跡追蹤、可靠溯源的一體化數(shù)字化管理體系，有力推動生態(tài)環(huán)境監(jiān)測能力現(xiàn)代化水平整體提升。

2.2 區(qū)塊鏈融合應(yīng)用

區(qū)塊鏈作為一種新興的互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫技術(shù)，其特點(diǎn)是去中心化、公開透明、可追溯和防篡改?！吨袊鴧^(qū)塊鏈發(fā)展報告(2021)》指出，目前中國區(qū)塊鏈發(fā)展正從單個技術(shù)突破向多技術(shù)融合應(yīng)用轉(zhuǎn)變，著重在核心場景尋求突破。區(qū)塊鏈技術(shù)的顯著特點(diǎn)非常適合將其作用為省、市、縣三級生態(tài)環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備跨地域、跨部門、跨種類和品牌型號統(tǒng)籌使用管理的支撐性技術(shù)框架[1]。

2.2.1 物聯(lián)網(wǎng)管理模式

通過在環(huán)境監(jiān)測儀器上安裝信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)相連接，監(jiān)測儀器通過傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與5G、衛(wèi)星遙感等技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對全省的儀器設(shè)備進(jìn)行實(shí)時有效管理。

2.2.2 大數(shù)據(jù)綜合分析

通過大數(shù)據(jù)分析研究，對不同地域、部門和類別的環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備信息、運(yùn)行維保參數(shù)進(jìn)行綜合判斷，從儀器使用、調(diào)度、采購、運(yùn)維、淘汰等生命全周期給出科學(xué)合理的建議。利用大數(shù)據(jù)分布式架構(gòu)，對環(huán)境監(jiān)測儀器使用過程產(chǎn)生的數(shù)量巨大、來源分散、格式多樣的數(shù)據(jù)參數(shù)進(jìn)行采集、存儲和關(guān)聯(lián)分析，對采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分布式數(shù)據(jù)挖掘，提供給使用者進(jìn)行綜合研判，保障各項監(jiān)測活動正常開展。

2.3 實(shí)施路徑

區(qū)塊鏈不僅是一種技術(shù)，更是一個包含服務(wù)和解決方案的產(chǎn)業(yè)。作為“數(shù)字福建”建設(shè)的一部分，區(qū)塊鏈服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(BSN)福建省區(qū)塊鏈主干網(wǎng)建設(shè)于2020年啟動，目前以“地方政府+城市節(jié)點(diǎn)服務(wù)商+主干網(wǎng)運(yùn)營商”為主的運(yùn)營體系已初步形成，極大降低了區(qū)塊鏈應(yīng)用的開發(fā)、部署、運(yùn)維、互通和監(jiān)管成本，從而為區(qū)塊鏈技術(shù)在福建省的普及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。同時，區(qū)塊鏈與其他技術(shù)的融合能夠克服區(qū)塊鏈本身技術(shù)不成熟的缺點(diǎn)，如可擴(kuò)展性、算法模型、數(shù)據(jù)上鏈的真實(shí)性和程序缺乏模塊性等問題。因此，可以通過與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能、數(shù)字孿生等多種技術(shù)融合，分階段、分步驟地實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備管理的數(shù)字化轉(zhuǎn)型[2]。

2.3.1 去中心化，可信登記

設(shè)備表單式管理模式效率低且無法保證溯源性，傳統(tǒng)的信息化管理系統(tǒng)架構(gòu)于中心化網(wǎng)絡(luò)體系下，系統(tǒng)的使用和維護(hù)依賴于中心數(shù)據(jù)庫，穩(wěn)定性安全性都難以保證，而使用區(qū)塊鏈技術(shù)可實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備精準(zhǔn)管理。區(qū)塊鏈的核心思想是去中心化，所有使用儀器設(shè)備的單位都可以通過各自所在的城市節(jié)點(diǎn)上鏈，行使“記賬權(quán)”登記各自儀器設(shè)備的各類信息。在鏈上，任意節(jié)點(diǎn)之間的權(quán)利和義務(wù)都是均等的，各節(jié)點(diǎn)彼此共享所有儀器設(shè)備的資料信息，具有高度可信性和透明性，便于設(shè)備在運(yùn)行、維護(hù)、出入庫過程中的信息采集、存儲和調(diào)用。即使遭受嚴(yán)重的黑客攻擊，只要黑客控制的節(jié)點(diǎn)數(shù)不超過總節(jié)點(diǎn)數(shù)的一半，系統(tǒng)就依然能正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)也不會被篡改，既保證了設(shè)備精準(zhǔn)管理，又能確保設(shè)備信息不泄露。

2.3.2 科學(xué)統(tǒng)籌，合理分配

儀器設(shè)備信息在區(qū)塊鏈上可實(shí)現(xiàn)全生命周期的完整記錄，在保證可信透明的同時，用大數(shù)據(jù)技術(shù)輔助可進(jìn)一步提升鏈上數(shù)據(jù)的價值和使用空間。通過對在用、閑置儀器設(shè)備的數(shù)量、分布、性能、年限、使用頻率等大量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘，科學(xué)統(tǒng)籌提出各節(jié)點(diǎn)儀器設(shè)備增配或淘汰的建議，根據(jù)監(jiān)測任務(wù)和人員配置情況，在各節(jié)點(diǎn)之間合理提出優(yōu)化配置調(diào)整對策，減少儀器設(shè)備的冗余，避免儀器設(shè)備的閑置，監(jiān)控設(shè)備性能，最大程度發(fā)揮儀器設(shè)備的整體效益。同時，區(qū)塊鏈能夠進(jìn)一步規(guī)范數(shù)據(jù)的使用，精細(xì)化授權(quán)范圍，建立數(shù)據(jù)橫向流通機(jī)制，進(jìn)一步提升大數(shù)據(jù)的完備性和安全性，使設(shè)備的管理更科學(xué)，分配更合理。

2.3.3 有效運(yùn)行，及時維護(hù)

基于區(qū)塊鏈的人工智能網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)定一致、有效的設(shè)備注冊、授權(quán)及完善的生命周期管理機(jī)制。多渠道采集整理儀器設(shè)備運(yùn)行參數(shù)、維保狀態(tài)，在人工智能技術(shù)的輔助下，每一臺儀器設(shè)備都可以通過區(qū)塊鏈形成流程化、數(shù)字化作業(yè)指導(dǎo)書，科學(xué)規(guī)范引導(dǎo)使用人進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)監(jiān)控、到期提醒、故障告警等功能，做到高效穩(wěn)定運(yùn)行和及時維護(hù)保養(yǎng)。而統(tǒng)一的區(qū)塊鏈基礎(chǔ)協(xié)議則可讓人工智能在與各類儀器設(shè)備互動過程中不斷積累學(xué)習(xí)，從而實(shí)現(xiàn)人工智能的智慧程度得以持續(xù)提升，設(shè)備維護(hù)、監(jiān)控更加及時，確保設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠。

2.3.4 動態(tài)跟蹤，全程可溯

物聯(lián)網(wǎng)通過應(yīng)用智能感知、識別技術(shù)與普適計算等方法實(shí)現(xiàn)信息交換，同樣能滿足區(qū)塊鏈的部署和運(yùn)營要求。同時，區(qū)塊鏈?zhǔn)堑湫偷腜2P網(wǎng)絡(luò)，與物聯(lián)網(wǎng)一樣具有分布式異構(gòu)特征，網(wǎng)中的每一臺儀器設(shè)備都具備自己在交互作用中的角色、行為和規(guī)則，對建立區(qū)塊鏈系統(tǒng)的共識機(jī)制具有重要的支持作用。因此，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在區(qū)塊鏈的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)每一臺儀器設(shè)備的鏈上動態(tài)跟蹤、實(shí)時掌控。另外，區(qū)塊鏈的可追溯特性從設(shè)備的資產(chǎn)登記、出入庫、使用、維護(hù)及運(yùn)行參數(shù)等信息都可以留存在區(qū)塊鏈上，實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的全程可溯。

隨著多物理尺度和多物理量建模、結(jié)構(gòu)化的過程管理、傳感和嵌入等技術(shù)的不斷成熟，在不久的將來，通過集成多學(xué)科、多物理量、多尺度、多概率的仿真過程，能夠?yàn)椴煌放?、不同型號、不同代次的儀器設(shè)備在數(shù)字世界創(chuàng)造一個唯一對應(yīng)的數(shù)字虛擬映射，形成真實(shí)世界和虛擬世界的“數(shù)字孿生”。儀器設(shè)備的使用管理人員能夠直接在區(qū)塊鏈的虛擬空間中，通過相應(yīng)的數(shù)字化產(chǎn)品對設(shè)備實(shí)體進(jìn)行全面監(jiān)管、操作、維護(hù)和調(diào)配，并精準(zhǔn)判斷其狀態(tài)可能發(fā)生的變化，及時作出響應(yīng)和處置。

3 結(jié)束語

環(huán)境監(jiān)測儀器設(shè)備管理數(shù)字化轉(zhuǎn)型既需要現(xiàn)代成熟科學(xué)技術(shù)手段的支撐保障，又有成功典型案例供參考借鑒，能夠有效解決生態(tài)環(huán)境部門對監(jiān)測儀器設(shè)備管理過程的難點(diǎn)和痛點(diǎn)。既能實(shí)現(xiàn)儀器設(shè)備的使用維護(hù)管理全過程追蹤，徹底解決設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)方面的不及時、不到位等問題，也能避免出現(xiàn)儀器設(shè)備運(yùn)行過程參數(shù)不穩(wěn)定影響檢測結(jié)果的情況，還能延長儀器設(shè)備的使用壽命。同時，還能在福建全省范圍內(nèi)統(tǒng)籌指導(dǎo)各使用單位科學(xué)精準(zhǔn)地更新配備儀器設(shè)備，有效減輕各級公共財政負(fù)擔(dān)，為生態(tài)環(huán)境持續(xù)改善和生態(tài)文明建設(shè)創(chuàng)新發(fā)展提供有力支撐。