吴晔晖

（广州地铁集团有限公司 广州510600）

0 引言

随着城市建设的迅猛发展，地下空间在全球各大城市得到极大的开发与利用。由于土地资源的稀缺性，尤其是在大、中城市，大量兴建高层、超高层建筑及其地下建（构）筑物，特大城市修建地铁，深基坑施工都得到了普遍应用。基坑的开挖面积、开挖深度、周边环境复杂程度等方面都屡创新高。同时，包括桥梁、地铁、隧道、公路在内的各类市政工程也在如火如荼的展开。然而，近年来，我国各类建设工程安全事故频发，严重制约着我国建设工程的可持续发展，由此给有关单位和部门的安全监测和监管工作带来了更为严苛的挑战。

本研究提出了一种利用区块链去中心化、无须第三方权威机构认证的数据存储技术构建建设工程的监管系统，能够完美解决建设工程监测数据真实性的一致认同问题，同时，监测数据不可被篡改，不可被伪造、人为删除后可强制恢复，保证了数据的完整性，对建设工程安全监测及监管有一定的意义。

1 区块链技术特征及应用

2008年11月中本聪首次提出了区块链概念，在2016年得到迅速发展，成为时下前沿的一项热门新技术［1，2］。区块链技术是一个使用加密方法形成的一种分布式数据库［4］，具体的利用块链式数据结构来验证与存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式［4］。区块链技术具有如下几个基本特征［5］：

1.1 开放性

区块链网络的系统是开放的，各种设备都可以接入。除交易方私有信息会被加密外，区块链中的其他数据都是对外开放的，系统信息透明可查，所有节点都允许拷贝完整的数据库。各节点间只能按照一套严格的共识机制，通过竞争计算共同维护整个账本的更新。当中的任一个节点失效，其余节点都可以不受失效节点的影响而保持正常工作。

1.2 去中心化和去信任

去中心化是区块链技术最为突出和最为本质的特征。区块链技术无需依赖第三方，也没有中心化的设备与管理机构管制，基于协商一致的协议，通过分布式核算和存储，所有节点能够在系统内进行自动安全的自我验证、数据交换和管理。

1.3 不可篡改和可追溯性

从数据的角度来看，区块链是一种不可能被篡改的分布式数据库。这里，分布式不仅仅体现在数据的分布式核算和存储，也体现在数据的分布式记录，由系统的各参与者共同维护和记录，一旦记录了事务并更新了账本则不可能再被更改，可随时追本溯源。

由于区块链技术的以上特性，国内外很多专家学者都在进行深入而广泛的研究，并已在相关领域得到了应用［6-10］。

本文所提出的“区块连+监测”，是将区块链技术应用于建设工程的监测与管理，为未来全面在建设工程领域的应用提供了参考与借鉴。

2 建设工程一体化系统总体架构

基于区块链的建设工程一体化系统主要包括数据采集模块、数据处理模块、数据校验模块、数据传输模块、数据分析模块以及数据追溯模块，其系统总体架构如图1 所示。

图1 基于区块链的系统总体架构Fig.1 The Architecture of the System Based on Block-chain

各功能模块作用如下：

2.1 数据采集模块

数据采集模块主要包括电子测绘设备和岩土工程类传感器两大类。电子测绘仪器如全站仪等，主要用于对建设工程项目的水平位移以及沉降进行监测，获取水平位移及高程数据。

岩土工程类传感器主要包括水位计（渗压计）、应力计、测斜仪、锚索计、钢筋计、土压力盒、应变计、雨量计等等，用于对建设工程项目的地下水位、应力、深层水平位移、锚索拉力、钢筋应力、应变、雨量等进行监测，获取岩土工程类数据。

对于一些不能进行自动化监测的监测项目或者监测点可以通过人工监测。

同时，每一种数据采集设备在出厂的时候都有唯一的一个设备序列号，该序列号加上监测点位信息和仪器的鉴定信息等，利用哈希算法可以生成全网唯一的标识信息。

2.2 数据处理模块

数据处理模块主要对数据采集模块采集到的数据加上特征数据，特征数据主要包括对项目识别的唯一识别码项目戳、监测数据的监测日期的时间戳以及对监测单位认证的私钥DSA 签名的单位戳，从而构造无法被篡改、无法进行匿名的新区块。

其中项目戳以及单位戳由监管单位按照一定的规则进行统一管理及发放。项目戳应该具有识别行政地理位置以及项目类型的特征，便于高效率的进行数据的检索以及查询。单位戳可以以统一社会信用度代码作为特征码。监测日期的时间戳由系统根据数据发布日期自动生成。

2.3 数据校验模块

将接受到来自数据处理模块的数据进行拆包和校验，检查数据来源的可靠性，验证数据的有效性，只有经过数据校验模块校验的数据区块才能形成区块链。

2.4 数据传输模块

利用哈希算法计算数据校验模块的数据的数字指纹，对区块链进行加密，然后打包进入传输阶段，网内每个参与者都拥有一份数据拷贝。

2.5 数据分析模块

收到区块链后进行分析解密，用从不对外公布的公钥进行数字签名的解密，然后对解密后的区块数据按识别策略进行标识识别，根据数据结构分析策略对区块链数据进行结构化构造。

2.6 服务器

服务器包括本地服务器、可信服务器以及对外服务器三种。本地服务器是各数据监测所在区域配置的分布式服务器之一，由各建设工程相关单位自行管理与维护；可信服务器用于政府监管机构对用于数字签名加解密的私钥以及公钥进行统一管理与维护；对外服务器主要用于开放数据的查询与检索或者提供API接口供开发者进行二次开发，用于对社会公众自由查阅建设工程相关信息。

三种类型的服务器协同工作，既保障数据的真实性，又兼顾效率，组成一个去中心化的网络系统，维持区块链的正常运转。

2.7 服务及应用

建设工程相关单位可以将保存在本地服务器上的监测数据进行分析与展示，也可以根据本单位实际情况以及监测报表要求自行开发软件，满足企业自身的需求；政府监管机构拥有对数据区块链私钥以及公钥加密、解密的管理与维护的权限，同时对项目的项目戳拥有制定命名规则以及统一分配的权限，也可根据政府监管定位，开发更适合于监管需求的系统；而对外服务器主要用于一些需要向大众公开的信息的检索与查阅，可提供相关接口供相关商业企业进行二次开发，满足公众的知情权。

在“互联网+”高速发展的时代，信息展示的载体也多种多样，包括手机、电脑、PAD、展示大厅等等，让数据在相关建设单位之间实时共享，彻底破除信息壁垒，真正利用现代化的监测技术来保障建设工程的安全与健康。

3 建设工程数据监测及监管

传统的建设工程监管机制，主要是依靠相关被监测主体组织的自觉性以及执法部门定期检查，由于执法主体和监测力量分散，监管往往难以到位。

随着互联网技术的发展，有些城市也在积极推进基于“互联网+”的建设工程监管体制，即通过政府出台相关政策要求各责任主体将建设工程的相关数据上传至服务器，以保存原始数据凭证。但是现有的监测系统只是对监测数据进行储存分析和信息发布，还不具备鉴别和防范监测数据被篡改、被伪造、被入侵或被删除的技术手段和能力，数据的真实性和安全性无法得到保障，而且若是没有一个权威的第三方机构加以认证，其数据的可靠性也会存在一定的质疑。

当发生建设工程事故的时候，第三方监测单位的监测数据具有很重要的参考价值。真实、客观的监测数据信息能够动态地反映建设工程的事故发生过程，是建设工程事故的“摄像机”，完整地记录了建设工程从开始建设到最终完成期间内土体结构、支护结构以及周边环境的整个变化过程，是处理和分析建设工程事故的重要事故原因、追究相关责任主体的重要证据。

基于区块链技术的开放性，可实时上传所有监测设备的数据；基于去中心化、去信任的机制，将建设工程的监测数据进行分布式存储，可以有效解决数据的信任问题，解决建设工程各相关方的真实、准确性的一致认同问题；基于不可篡改、可追溯的特点可以实现数据的随时追踪，便于对事故的调查与处理。

4 结论

通过对建设工程监测及监管的区块链应用研究，得到以下结论：

⑴创新性地将区块链技术应用到建设工程的监测及监管中，利用区块链技术的去中心化、永久保存、无法篡改、无须信任积累的信用建立范式等特点，解决了建设工程各相关单位数据真实性的一致认同问题，为建设工程事故的调查提供了数据支撑，对建设领域数据的监测监管研究具有很重要的借鉴意义。

⑵基于区块链技术的分布式数据存储可以实现建设工程监测及监管的一体化管理模式，完美解决建设工程数据真实性和安全性的问题，当出现质量问题或者有安全事故的时候，监管机构可以对监测单位各方数据进行追溯，从而分析事故造成的原因，追究相关单位和负责人的责任。

⑶该方法还可以广泛应用于建设工程设备数据交互、电子投标、数据隐私保护、单位人员资质鉴定、电子证据的保存鉴定等多个技术领域，具有重要的研究价值和广泛的应用场景。