基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系構(gòu)建研究

王 贏

（河南農(nóng)業(yè)大學(xué)圖書館，河南 鄭州 450046）

0 引言

隨著全球氣候變暖和城市化進(jìn)程的加快，導(dǎo)致城市水災(zāi)害頻發(fā)。河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害共造成292人遇難、47人失蹤［1］?，F(xiàn)有的應(yīng)急情報(bào)服務(wù)體系仍存在很多問題：在災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警階段，各主體缺乏協(xié)同聯(lián)動(dòng)，導(dǎo)致災(zāi)情信息的獲取和傳遞不暢，應(yīng)急響應(yīng)滯后；在災(zāi)中應(yīng)急救援和災(zāi)后重建階段，出現(xiàn)了賑災(zāi)盲點(diǎn)和救災(zāi)物資“大堵車”的情況，不能做到精準(zhǔn)救援；各方臨時(shí)組建的應(yīng)急救援集群系統(tǒng)缺乏有序組織，救災(zāi)效率受到制約。

現(xiàn)有的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急管理中存在諸多問題，區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、不可篡改、可追溯等特點(diǎn)，可提供有效解決這些難題的方法［2］。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)已應(yīng)用于金融、物流、版權(quán)登記、慈善等領(lǐng)域［3］，而基于區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建的突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系的研究相對(duì)較少?，F(xiàn)有的研究多是將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于應(yīng)急管理的某一環(huán)節(jié)，或是理論論證區(qū)塊鏈應(yīng)用于應(yīng)急管理的可行性。李健等［4］對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在突發(fā)事件應(yīng)急管理中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析，從健全區(qū)塊鏈應(yīng)用政策法規(guī)出發(fā)，提出完善的建議；金華［5］闡釋了區(qū)塊鏈架構(gòu)下應(yīng)急管理的可能圖景、潛在風(fēng)險(xiǎn)與因應(yīng)之道；黃銳等［6］基于區(qū)塊鏈技術(shù)，提出建立兼顧實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性的傳染病早期聯(lián)合預(yù)警監(jiān)測(cè)平臺(tái)的構(gòu)想；王琳［7］對(duì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)急物資社會(huì)捐贈(zèng)體系的構(gòu)建進(jìn)行了詳細(xì)論述；賈宏偉等［8］分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在社會(huì)應(yīng)急救助中的應(yīng)用前景，認(rèn)為區(qū)塊鏈可為解決社會(huì)應(yīng)急救助中的問題提供新的思路和有效支撐。

目前，以城市水災(zāi)害等突發(fā)事件為研究對(duì)象進(jìn)行的研究多是從管理學(xué)角度出發(fā)，而基于區(qū)塊鏈為技術(shù)構(gòu)建的面向?yàn)?zāi)害全生命周期的應(yīng)急情報(bào)體系的研究相對(duì)較少?；诖?，本研究以河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害為例，通過構(gòu)建貫穿城市水災(zāi)害突發(fā)事件全生命周期的應(yīng)急情報(bào)體系，利用區(qū)塊鏈技術(shù)，形成數(shù)據(jù)信息的協(xié)同共享，實(shí)現(xiàn)災(zāi)前自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)中救災(zāi)資源合理供需匹配、災(zāi)后精準(zhǔn)恢復(fù)重建，以及全流程監(jiān)管追溯，為城市應(yīng)急響應(yīng)提供準(zhǔn)確的情報(bào)分析，并為公眾提供公開的信息窗口。

1 基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 情報(bào)服務(wù)平臺(tái)整體結(jié)構(gòu)

在河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害中，政府部門在風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與預(yù)警、信息傳輸與共享及應(yīng)急資源配置等方面存在很多不足之處。應(yīng)急情報(bào)服務(wù)平臺(tái)是城市水災(zāi)害等突發(fā)事件信息傳輸、存儲(chǔ)、分析、維護(hù)及應(yīng)用的載體，當(dāng)前迫切需要建立一個(gè)綜合性情報(bào)服務(wù)平臺(tái)，并能服務(wù)于突發(fā)事件應(yīng)急管理的全生命周期。本研究設(shè)計(jì)的服務(wù)平臺(tái)架構(gòu)包括5層，即數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、合約層和應(yīng)用層，實(shí)現(xiàn)對(duì)突發(fā)事件事前、事中和事后的科學(xué)協(xié)同管理。

1.2 多鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈架構(gòu)

應(yīng)急管理主體要根據(jù)突發(fā)事件的發(fā)展進(jìn)行動(dòng)態(tài)決策。該體系在事前監(jiān)測(cè)預(yù)警階段側(cè)重于情報(bào)采集；在事中搶險(xiǎn)救災(zāi)階段側(cè)重于對(duì)采集到的情報(bào)進(jìn)行整合，輔助決策分析；在事后恢復(fù)重建階段側(cè)重于重新梳理，提高工作效率、改善效果。由于自然災(zāi)害的突發(fā)性和復(fù)雜性，需要面向?yàn)?zāi)害的全生命周期，對(duì)災(zāi)害各階段進(jìn)行綜合把控和監(jiān)管。此外，突發(fā)事件具有完整的生命周期，可借助跨鏈技術(shù)使各鏈協(xié)同聯(lián)系，構(gòu)建以覆蓋突發(fā)事件全生命周期的監(jiān)管鏈為主鏈，災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警鏈、災(zāi)中搶險(xiǎn)救災(zāi)鏈、災(zāi)后恢復(fù)重建鏈為子鏈的多鏈結(jié)構(gòu)。主鏈起中繼鏈的作用，各子鏈通過數(shù)據(jù)交換節(jié)點(diǎn)、中繼合約、跨鏈合約來完成與主鏈和其他子鏈的協(xié)同聯(lián)系，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換（見圖1）。多鏈協(xié)同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可保證每個(gè)環(huán)節(jié)的獨(dú)立性，使每條鏈上的節(jié)點(diǎn)數(shù)量降低，可有效加快運(yùn)行速度，同時(shí)便于快速檢索。

圖1 基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)多鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分組成，區(qū)塊頭存放前塊哈希、隨機(jī)數(shù)、Merkle根和版本信息，區(qū)塊體用來記錄一定時(shí)間內(nèi)所生成的詳細(xì)數(shù)據(jù)。區(qū)塊鏈?zhǔn)撬袇^(qū)塊的串聯(lián)，當(dāng)有新的區(qū)塊產(chǎn)生時(shí)，會(huì)對(duì)前一個(gè)區(qū)塊的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行哈希運(yùn)算，然后把計(jì)算結(jié)果作為前一個(gè)區(qū)塊的哈希保存在新的區(qū)塊頭中，所有區(qū)塊按生成順序進(jìn)行連接［9］?；趨^(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系采用的是多鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)，即以監(jiān)管鏈為主鏈，以災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警鏈、災(zāi)中搶險(xiǎn)救災(zāi)鏈、災(zāi)后恢復(fù)重建鏈為子鏈的多鏈結(jié)構(gòu)。

1.3 組織結(jié)構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的P2P分布式組網(wǎng)協(xié)同技術(shù)和多鏈?zhǔn)街髯泳W(wǎng)架構(gòu)模式，在城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)多鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈中設(shè)置三類節(jié)點(diǎn)，分別是超級(jí)節(jié)點(diǎn)、骨干節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，不同類型的節(jié)點(diǎn)通過分工合作，保證鏈網(wǎng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在“7·20”河南鄭州特大暴雨災(zāi)害應(yīng)急情報(bào)鏈網(wǎng)中，監(jiān)管鏈為主鏈，超級(jí)節(jié)點(diǎn)主要分布在監(jiān)管鏈上，由國家防汛抗旱總指揮部、國家應(yīng)急管理部及河南省人民政府、防汛抗旱指揮部、應(yīng)急管理廳組成。超級(jí)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)執(zhí)行主鏈共識(shí)，對(duì)全鏈網(wǎng)節(jié)點(diǎn)執(zhí)行CA認(rèn)證，負(fù)責(zé)身份認(rèn)證和撤銷，其可下載完整的全鏈網(wǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)各子鏈進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)管，具有鏈群管理的功能。骨干節(jié)點(diǎn)起著跨鏈橋接器的作用，是主鏈和子鏈間的“橋梁”，由鄭州市人民政府、防汛抗旱指揮部、應(yīng)急管理局組成。骨干節(jié)點(diǎn)具有錨定主鏈、子鏈共識(shí)、子鏈監(jiān)管、智能合約部署等功能，子鏈通過骨干節(jié)點(diǎn)與主鏈完成跨鏈交互的過程，同時(shí)擔(dān)負(fù)著跨鏈網(wǎng)關(guān)的職責(zé)，從而實(shí)現(xiàn)主子鏈的跨鏈通信。各子鏈中的節(jié)點(diǎn)主要有骨干節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)。業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)協(xié)同骨干節(jié)點(diǎn)執(zhí)行共識(shí)、執(zhí)行業(yè)務(wù)活動(dòng)，其權(quán)限由骨干節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理［10］。在災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警鏈中，鄭州市應(yīng)急管理局為骨干節(jié)點(diǎn)，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)主要由鄭州市市氣象局、水利局、城建局、文廣新局、通信發(fā)展管理辦公室，及社區(qū)組織、公眾等組成；在災(zāi)中搶險(xiǎn)救災(zāi)鏈中，鄭州市防汛抗旱指揮部為骨干節(jié)點(diǎn)，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)由武警鄭州支隊(duì)、鄭州消防救援支隊(duì)、鄭州警備區(qū)司令部、公安局、財(cái)政局，及志愿者組織、慈善協(xié)會(huì)、社會(huì)團(tuán)體、行業(yè)協(xié)會(huì)、社區(qū)組織、企業(yè)、公眾等組成；在災(zāi)后恢復(fù)重建鏈中，鄭州市人民政府為骨干節(jié)點(diǎn)，業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)由鄭州市財(cái)政局、民政局、交通運(yùn)輸委員會(huì)，及保險(xiǎn)公司、志愿者組織、慈善協(xié)會(huì)、社會(huì)團(tuán)體、行業(yè)協(xié)會(huì)、社區(qū)組織、企業(yè)、公眾等組成。

2 基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系運(yùn)行機(jī)制

應(yīng)急情報(bào)體系是以情報(bào)服務(wù)平臺(tái)為載體、以情報(bào)流為核心的有機(jī)整體。信息流的運(yùn)行需要有完備的信息收集機(jī)制、信息整理機(jī)制和信息溝通機(jī)制。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系中，情報(bào)流的運(yùn)行要由區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)認(rèn)證機(jī)制、共識(shí)機(jī)制、智能合約、分布式賬本及密碼學(xué)技術(shù)來維護(hù)才能高效有序運(yùn)行。分布式賬本可解決數(shù)據(jù)記錄和存儲(chǔ)中的問題，共識(shí)機(jī)制可解決數(shù)據(jù)維護(hù)中的問題，智能合約可解決情報(bào)執(zhí)行中的問題，密碼學(xué)可解決情報(bào)安全中的問題。

2.1 節(jié)點(diǎn)認(rèn)證與共識(shí)機(jī)制

子鏈上的節(jié)點(diǎn)在上鏈前要向主鏈中的超級(jí)節(jié)點(diǎn)提出申請(qǐng)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)運(yùn)用CA認(rèn)證機(jī)制對(duì)用戶信息的合法性進(jìn)行審核，在完成審核后會(huì)頒發(fā)CA證書，生成該用戶的私鑰和公鑰，允許上鏈運(yùn)行。

區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一個(gè)分布式系統(tǒng)，多個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)一份數(shù)據(jù)，要通過合理的共識(shí)機(jī)制來保障數(shù)據(jù)的一致性與合法性［11］?；趨^(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系采用的是拜占庭容錯(cuò)算法和信用證明共識(shí)機(jī)制。在網(wǎng)絡(luò)無法正常運(yùn)行或存在散布錯(cuò)誤信息的惡意節(jié)點(diǎn)時(shí)，拜占庭容錯(cuò)算法仍能讓誠實(shí)節(jié)點(diǎn)達(dá)成共識(shí)，并能正常運(yùn)行。信用證明是以區(qū)塊鏈上的節(jié)點(diǎn)信用為依據(jù)的共識(shí)機(jī)制。當(dāng)災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警鏈中的節(jié)點(diǎn)提供真實(shí)可靠的信息時(shí)，其信用值會(huì)增加，反之則會(huì)降低。在災(zāi)中搶險(xiǎn)救災(zāi)鏈和災(zāi)后恢復(fù)重建鏈中，當(dāng)供給者節(jié)點(diǎn)滿足需求者節(jié)點(diǎn)的需求后，其信用值會(huì)增加，反之則會(huì)降低。

2.2 智能合約

2.2.1 災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警智能合約。以河南鄭州“7·20”特大暴雨災(zāi)害應(yīng)急情報(bào)體系為例，在災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警鏈中，將《國家突發(fā)公共事件總體應(yīng)急預(yù)案》等文件中涉及的預(yù)警級(jí)別及響應(yīng)內(nèi)容進(jìn)行整合，并將其腳本化，從而形成智能合約。運(yùn)用智能合約對(duì)采集到的各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行閾值判斷，并自動(dòng)生成相應(yīng)的響應(yīng)預(yù)案。在接收到險(xiǎn)情數(shù)據(jù)信息后，該體系按照智能合約的預(yù)置觸發(fā)條件和響應(yīng)規(guī)則自動(dòng)進(jìn)行預(yù)警和響應(yīng)。監(jiān)管鏈上的超級(jí)節(jié)點(diǎn)監(jiān)督災(zāi)前監(jiān)測(cè)預(yù)警鏈上骨干節(jié)點(diǎn)和業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)對(duì)智能合約的執(zhí)行，超級(jí)節(jié)點(diǎn)的參與是智能合約能夠順利執(zhí)行的約束和保障。

2.2.2 災(zāi)中和災(zāi)后供需匹配智能合約。災(zāi)中搶險(xiǎn)救災(zāi)和災(zāi)后恢復(fù)重建的核心是要解決受災(zāi)方和救災(zāi)方的供需匹配問題。當(dāng)前的災(zāi)中和災(zāi)后供需匹配是在政府或相關(guān)慈善機(jī)構(gòu)的主導(dǎo)下進(jìn)行的，參與的人為因素較多，應(yīng)急響應(yīng)緩慢、供需錯(cuò)配、捐贈(zèng)透明信任等問題突出。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件災(zāi)中搶險(xiǎn)救災(zāi)鏈和災(zāi)后恢復(fù)重建鏈中，供需雙方可直接聯(lián)系，智能合約將實(shí)現(xiàn)受災(zāi)需求方和救援供應(yīng)方的自動(dòng)高效科學(xué)地匹配。若在指定時(shí)間內(nèi)需求方的需求被滿足，則供應(yīng)方的信用值將會(huì)增加，供需過程和結(jié)果將會(huì)被寫入?yún)^(qū)塊鏈；反之，供應(yīng)方的信用值會(huì)被降低，需求者的求援緊急程度會(huì)提升，并提高其下一輪匹配的優(yōu)先級(jí)，供需過程和結(jié)果都會(huì)被寫入?yún)^(qū)塊鏈中。

2.2.3 中繼合約與跨鏈合約。中繼合約與跨鏈合約是保證多鏈?zhǔn)絽^(qū)塊鏈運(yùn)行的關(guān)鍵。主鏈上部署中繼合約，用于跨鏈時(shí)主子鏈間的數(shù)據(jù)同步與確認(rèn)，保證主鏈作為中繼來實(shí)現(xiàn)鏈間的通信。子鏈通過跨鏈智能合約向主鏈發(fā)起注冊(cè)請(qǐng)求，以主鏈為中心，可與其他子鏈進(jìn)行跨鏈操作，順利實(shí)現(xiàn)主子鏈間跨鏈，支撐跨鏈業(yè)務(wù)的核心邏輯，保證跨鏈交易的有效性與安全性［12］。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系中，監(jiān)管鏈上部署有中繼合約，其他子鏈上部署有跨鏈合約。

2.3 加密存儲(chǔ)追溯機(jī)制

由于城市水災(zāi)害應(yīng)急情報(bào)體系涉及的主體眾多，數(shù)據(jù)量大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同時(shí)還要將具體的信息存儲(chǔ)起來，便于科學(xué)決策。在該體系中，將具體的數(shù)據(jù)以IPFS形式進(jìn)行存儲(chǔ)，再將文件哈希值上傳到區(qū)塊鏈。節(jié)點(diǎn)在獲取具體數(shù)據(jù)時(shí)，可根據(jù)區(qū)塊鏈上的哈希值從對(duì)應(yīng)的IPFS文件系統(tǒng)中下載。在基于區(qū)塊鏈的城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系中，監(jiān)管鏈中的超級(jí)節(jié)點(diǎn)會(huì)向各鏈節(jié)點(diǎn)分發(fā)生成的密鑰對(duì)，區(qū)塊鏈各節(jié)點(diǎn)的賬號(hào)是其公鑰，節(jié)點(diǎn)賬號(hào)運(yùn)用私鑰對(duì)已通過驗(yàn)證的信息進(jìn)行簽名。用戶的保密信息僅對(duì)監(jiān)管鏈中的超級(jí)節(jié)點(diǎn)可見。

城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系的追溯功能是基于區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)連續(xù)性的特點(diǎn)。根據(jù)當(dāng)前區(qū)塊中的前一區(qū)塊哈希值就可追溯到前一區(qū)塊，并檢索到前一區(qū)塊的數(shù)據(jù)信息。國家防汛抗旱總指揮部、國家應(yīng)急管理部、各級(jí)政府，以及公眾等所有通過CA認(rèn)證的用戶都可在該平臺(tái)上對(duì)預(yù)警信息、搶險(xiǎn)救災(zāi)情況、災(zāi)后恢復(fù)重建情況進(jìn)行查詢，監(jiān)管鏈上的超級(jí)節(jié)點(diǎn)用戶可實(shí)現(xiàn)追溯功能。災(zāi)情控制后還可利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可追溯的特點(diǎn)，對(duì)應(yīng)急管理的整個(gè)過程進(jìn)行積極總結(jié)。一旦對(duì)重大事故進(jìn)行追責(zé)，可把區(qū)塊鏈網(wǎng)作為一個(gè)完整的責(zé)任鏈條為調(diào)查提供數(shù)據(jù)服務(wù)。

3 結(jié)語

隨著全球氣候變化和城市化進(jìn)程的加快，城市水災(zāi)害突發(fā)事件頻發(fā)，傳統(tǒng)應(yīng)急情報(bào)服務(wù)體系中存在的缺點(diǎn)突顯?；诖?，本研究通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，采用多鏈?zhǔn)铰?lián)盟鏈架構(gòu)，構(gòu)建了貫穿城市水災(zāi)害突發(fā)事件全生命周期的立體化應(yīng)急情報(bào)體系，實(shí)現(xiàn)了災(zāi)前自動(dòng)監(jiān)測(cè)預(yù)警、災(zāi)中救災(zāi)資源合理供需匹配、災(zāi)后精準(zhǔn)恢復(fù)重建及全流程監(jiān)管追溯，為城市水災(zāi)害突發(fā)事件快速響應(yīng)提供情報(bào)分析，以期為我國城市水災(zāi)害突發(fā)事件應(yīng)急情報(bào)體系的構(gòu)建提供理論參考。下一步的研究重點(diǎn)是進(jìn)行系統(tǒng)原型的具體實(shí)現(xiàn)，并通過模擬測(cè)試對(duì)本研究提出的理論進(jìn)行驗(yàn)證。