基于區塊鏈的高支模實時監控系統的研究與實踐


發布于2022-01-27

  作者:王志強 黃平 溫喜廉 黃文峰 張超洋

0 引言
      近年來在主管部門、行業協會、IT服務商的推動下,建筑行業的信息化與數字化步入發展快車道。而隨著區塊鏈技術的應用價值逐漸被發現,探索區塊鏈在建筑行業的應用領域、探索如何打造一個“建筑業+互聯網+區塊鏈”的創新性平臺,也已成為又一具有重大意義、深遠影響的議題。

  運用互聯網、物聯網、區塊鏈技術為建筑行業賦能的一個重要方向便是安全。如今作為社會經濟發展的一個重要表現形式,建筑工程的規模越來越大,越來越多的工程在建設過程中需要采用高支模。而高支模的高度從幾米到十幾米,有的甚至高達幾十米,具有高空間、大跨度等特點,因此易發生高處墜落,更嚴重的是在施工過程中若發生支模坍塌,會造成其上作業人員的群死群傷,危害巨大。且由于支模坍塌事故的突發性,隱患往往來不及排查、事故即告發生。

  因此施工單位在高支模作業前,必須編制相應的專項施工方案,施工過程中也必須指派專人按照專項方案進行監督和監測。隨著技術的發展,如今高支模的自動監測技術已在全國范圍內積極推廣,并帶來了便捷、節省資源等積極意義,但監測數據仍存在被篡改或丟失的風險,監測數據的獲取、處理、整改等關鍵過程也無法進行真實性追溯。

  本系統著眼于高支模的高危害性,在人為監測、傳統自動化監測的基礎上,致力于通過軟硬件結合,形成高支模監測的數據采集、異常預警、異常處理、整改確認的完整業務閉環,并通過區塊鏈技術實現分布式存證及鏈上歷史數據查詢,實現對高支模監測數據的去中心化存儲和管理。

1 研究背景
      高大模板支撐系統是指建設工程施工現場混凝土構件模板支撐高度超過8m,或搭設跨度超過18m,或施工總荷載大于15kN/㎡,或集中線荷載大于20kN/m的模板支撐系統。[]主要用于電力系統、民用建筑、市區高架橋橋墩、橋梁等建設。

  根據住建部統計數據,模板坍塌事故已成為較大建筑生產安全事故之首:由于高空間、大跨度,高支模安全事故發生的原因主要是由于荷載作用,導致了過大的變形或荷載的產生,誘發體系內構件失效、直至局部或整體失去穩定,從而發生高支模局部坍塌或整體傾覆,造成作業人員傷亡。高支模事故具有不穩定性、隨機性、突發性等安全生產事故發生的顯著特征。

  區塊鏈是利用現有的計算機技術,組合而成的新技術,是繼移動互聯網之后,最具有潛力的技術之一。相較于AI,IOT等技術,區塊鏈可以在現有的業務場景上進行組合,拓展,其本質是分布式的數據儲存,p2p共識,分布式哈希表,共識機制,加密算法等技術的集合。區塊鏈主要解決的是在信息大爆炸時代,數據失真、不安全、沒有價值的問題,通過PoW等共識算法,使得發布數據要進行一次共識,這樣確保了數據的真實性,又通過鏈式結構存儲,點對點網絡備份,在去中心化的前提下保證了數據的安全可靠,不存在中心機構作惡篡改的可能。

  區塊鏈利用分布式存儲的賬本技術,通過點對點網絡,區塊鏈式數據結構來驗證與存儲。向區塊鏈中寫入或者修改任何數據,都需要該網絡半數以上的節點同意,才能成功,否則是不可能進行數據修改和更改的。利用密碼中的非對稱加密,對稱加密,以及哈希算法等技術,有效的保證了數據的訪問安全和傳輸的安全。所以本文通過區塊鏈的技術,實現了對高支模實時監測系統數據的加密存儲,保證了高支模中各項數據無法篡改,真實有效。

2 基于區塊鏈的高支模實時監控系統技術架構
       區塊鏈由raft共識算法、點對點通信網絡、非關系型數據庫、可信代碼、RAS對稱加密、橢圓曲線加密等技術組成;趨^塊鏈的高支模實時檢測系統,運行在區塊鏈的可信代碼中及智能合約,將垂直位移,壓力等感器的數據上傳至鏈上。本系統設計進行了分層,用戶只會接觸的應用層簡單易用,只需要通過相應的服務,即可與區塊鏈進行數據交互,而區塊鏈底層在應用層之下提供服務。將高支模垂直位移數據,壓力等數據上鏈,數據異常時通知現場施工人員或者負責人員進行勘察整改,將整改結果上鏈記錄。本系統還提供歷史數據查詢功能,查詢整改歷史。圖1為基于區塊鏈的高支模實時檢測系統的技術架構圖。

圖1基于區塊鏈的高支模實時監控系統總體技術架構圖

3 基于區塊鏈的高支模實時監控系統實現

3.1 傳統監測系統的弊端
      施工單位應依據國家現行相關標準規范, 由項目技術負責人組織相關專業技術人員,結合工程實際,編制高大模板支撐系統的專項施工方案。施工單位應當指定專人對專項方案實施情況進行現場監督和按規定進行監測。

  高支模自動化監測技術已逐漸在全國推廣使用,包括了高支模位移數據的采集、傳輸,這在一定程度上提高了監測的便捷性、節省了人力資源、降低了施工風險,但此類傳統的監測系統仍具有以下弊端:

  (1)關鍵監測項目缺失:傳統高支模監測只能采集到支架位移等數據,對于導致高支模事故高發的“整體傾斜、承載力”等項目,其關鍵節點數據沒有監控在內;

  (2)傳統的高支模監測系統將數據存儲在系統后臺,此種傳統的保存和管理技術,不便于數據的查詢和使用,系統維護困難,且數據可能被篡改或丟失;

  (3)高支模監測不僅包括監測數據的采集和上傳,還包括監測異常數據的預警、相關負責人對預警的響應與處理、整改結果的各方確認等關鍵環節。傳統的高支模監測系統一方面未提供完整的解決方案,業務非閉環,另一方面對于各監測環節也無法進行真實性追溯。

  綜上所述,高支模監測的顆粒細度、可信度還有待提高、數據安全性還有待提高、整體解決方案還有待提出。

3.2 基于區塊鏈的高支模實時監控系統的具體實現方式
      所述系統包括數據采集端、服務端(含數據服務端、區塊鏈服務端)以及區塊鏈聯盟鏈網絡——實現監測數據的自動采集、實時上鏈、智能統計分析、多方協作、資料安全存儲——以解決施工單位自行監控數據可信度低、第三方監測應用低效、智能監控水平低且碎片化的問題。本系統的具體的實現方式為:

  (1)數據采集端用于采集高支模監測數據,并通過無線傳輸發送給數據服務端。

  (2)數據服務端用于:

  接收所述高支模監測數據,將高支模監測數據發送至區塊鏈網絡;對高支模監測數據進行計算,若計算結果超出預設的閾值、達到報警條件,則生成高支模數據異常的報警信息,并將報警信息發送給高支模監測相關的用戶;用戶完成對高支模的異常數據處理后,整改信息發送至區塊鏈服務端。

  公司本部、檢測單位用戶對高支模的報警信息、及其整改信息進行多方確認,確認結果發送至區塊鏈網絡。

  圖2為基于區塊鏈的高支模實時監控系統的業務流程圖。

圖2 基于區塊鏈的高支模實時監控系統的業務流程圖

3.3 基于區塊鏈的高支模實時監控系統的特點

       基于區塊鏈的高支模實時監控系統具有以下特點:

  (1)監測、監控降本增效、過程智能化

  數據采集端自動采集高支模監測數據,數據服務端自動對監測數據進行計算,并根據計算結果判斷高支模監測數據是否異常,若滿足報警條件,則生成高支模數據異常的報警信息,并將異常情況自動推送至相關責任人員。

  (2)高支模監測數據無法篡改

  高支模監測數據、報警信息及整改信息、整改確認結果通過哈希值運算后在鏈上存證,一旦存證將同步到各聯盟節點,無法被篡改和偽造,增強了數據的可信度。

  (3)高支模監測信息完整可追溯

  高支模監測數據采集、異常預警、異常處理、整改確認全過程和內容均可追溯,且方便查詢,為高支模監測數據異常原因的排查與歸責提供依據。

  (4)去中心化安全穩定

  依托區塊鏈去中心化的技術特性,存證服務高度去中心化,為拓建建筑業開放的合作生態提供技術平臺。

  (5)分布式存儲

  合同文件在加密后將在鏈上進行分布式存儲和容災備份,即使有一方系統被破壞或刪除,也可自動恢復,提升數據的安全等級。

  區塊鏈系統具有高可用性,服務實現集群化,通過共識算法實現自動故障轉移。即使部分節點故障,也能快速拓展節點,系統不容易宕機。

4 系統應用效果
      廣州珠江建設發展有限公司是一家廣州本地大型國有施工企業,具有房屋建筑工程施工總承包一級資質,其在建工程項目眾多,對于高支模監測管理,難度也相對較大。故該公司2020 年5月開始聯合廣州粵建三和軟件有限公司,研發基于區塊鏈的高支模實時監控系統。目前系統已完全開發、部署完成。白云區白云湖車輛段地塊(一期)項目率先開啟了本系統的應用:系統包含功能完善的軟件平臺、數據釆集系統、處理系統和展示系統,數據的釆集、處理、查詢和管理屬于基本的功能模塊,在整個系統中,嵌入區塊鏈聯盟鏈網絡,保證數據真實、透明的流轉,實現高效生產。

  系統頁面如圖3、4、5、6所示:

圖 3基于區塊鏈的高支模實時監控系統——后臺項目管理頁面

  管理員在后臺對進行了高支模監測的項目進行管理:對接軟件平臺與數據采集系統,將傳感器收集到的高支模監測數據上傳至區塊鏈中。數據一旦上傳區塊鏈后,便不可更改。即使管理員在后臺更改高支模監測數據,原始數據也將存證于區塊鏈平臺中,有唯一的哈希值,更改后的數據區塊鏈平臺也將產生新的唯一哈希值與之對應,保證數據真實可靠,無法篡改。