［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)境污染問題受到了人們高度的關(guān)注。如何高效可持續(xù)地實施環(huán)保舉措成為了亟待解決的問題。在環(huán)保行業(yè)，數(shù)據(jù)質(zhì)量是環(huán)境監(jiān)測工作的生命線，環(huán)保數(shù)據(jù)的真實性、綜合性、長期性是環(huán)境監(jiān)測基本的要求。然而近些年，我國環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)造假的新聞時有發(fā)生，數(shù)據(jù)造假已經(jīng)成為環(huán)?？v深推進(jìn)的大痛點之一。結(jié)合環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)造假的多項報道可以看出，當(dāng)前我國環(huán)境數(shù)據(jù)存儲的方式，仍以“傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)或移動互聯(lián)網(wǎng)”為主，采用的是關(guān)系型的數(shù)據(jù)庫，比如mysql、oracle 等，創(chuàng)建一條記錄，把某個地方某段時間的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)儲存在里面。這種傳統(tǒng)的儲存手段，很容易被人為干擾。有兩種普通也常見的干擾手段：①在后臺程序留后門，注入腳本代碼，直接操作數(shù)據(jù)庫，修改數(shù)據(jù)；② 掌握數(shù)據(jù)庫權(quán)限的人，直接登錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行update 操作，篡改真實數(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，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、不可篡改的獨特屬性，確保了環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實可靠性[1]。即便出現(xiàn)了篡改數(shù)據(jù)的情況，也會被區(qū)塊鏈系統(tǒng)自動檢測并剔除，并從其他儲存點同步健康的監(jiān)測數(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)污染物移動性強(qiáng)難管理的問題。文獻(xiàn)[6]中利用區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，解決了電動汽車充電行業(yè)“多買家多買家”情況下交易自治交易透明公開的問題，建立電動汽車充電行業(yè)買賣互信的環(huán)境，為買賣雙方提供一個高效的電力交易平臺。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題，使得廢棄紡織品過程公開透明可追溯，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)愈來愈多，出現(xiàn)了如下幾個問題：對于環(huán)境監(jiān)管環(huán)境監(jiān)管部門人力資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，監(jiān)管難度大，需要提高監(jiān)管效率；環(huán)保部門監(jiān)測的數(shù)據(jù)難以存證，還沒有達(dá)到不可篡改或者難以篡改的地步，企業(yè)和監(jiān)管部門之間沒有互相信任的環(huán)境，監(jiān)管主體難以服眾；環(huán)保設(shè)備故障不能及時預(yù)警等。為了解決這些問題，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)了實時監(jiān)測環(huán)保系統(tǒng)，實時監(jiān)測環(huán)保設(shè)備用電以及設(shè)備運行情況，并分析監(jiān)測的數(shù)據(jù)，以網(wǎng)頁圖表的表現(xiàn)形式直觀形象地展示出來，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)管部門的負(fù)擔(dān)，提升監(jiān)管效率；監(jiān)測的數(shù)據(jù)透明公開，監(jiān)測數(shù)據(jù)可溯源，不僅建立了一個讓環(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)管部門的執(zhí)行效率。

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

環(huán)保電力監(jiān)測系統(tǒng)是根據(jù)電力使用量來確定工廠或者企業(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，用網(wǎng)頁圖畫等展示出結(jié)果。本文研發(fā)的系統(tǒng)分3 個模塊實現(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)字信號處理和前向糾錯編碼技術(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)存儲的安全不可篡改性，讓整個監(jiān)管過程安全數(shù)據(jù)可信，透明公開。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)存儲在各個共識節(jié)點的區(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)。通過對環(huán)保設(shè)施運行的實時監(jiān)控，讓監(jiān)管人員及時掌握異常預(yù)警情況，并提前采取應(yīng)對措施，推動環(huán)保執(zhí)法由“被動響應(yīng)式事后處理”向“主動介入式事前管控”轉(zhuǎn)變，提升了執(zhí)法的預(yù)見性、主動性，大大提高了監(jiān)管部門的執(zhí)行效率。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

本文研發(fā)的系統(tǒng)分3 個模塊實現(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)通過電力儀表實時采集現(xiàn)場環(huán)保設(shè)備用電等，然后上傳設(shè)備編號、企業(yè)或工廠代號、設(shè)備運行情況以及設(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)距離無線電（Long Range Radio），是semtech 公司創(chuàng)建的低功耗局域網(wǎng)無線標(biāo)準(zhǔn)，它最大特點就是在同樣的功耗條件下比其他無線方式傳播的距離更遠(yuǎn)，實現(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)的無線射頻通信距離擴(kuò)大3～5 倍。在本文研究的應(yīng)用場景下，實時監(jiān)測環(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)計劃的執(zhí)行質(zhì)量，需要低成本的傳感器配以低功耗和長壽命的電池來追蹤設(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 無線通信，負(fù)責(zé)采集環(huán)保設(shè)備用電和設(shè)備運行狀況的等數(shù)據(jù)。然后利用lora 技術(shù)無線通信與網(wǎng)關(guān)連接，網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)將實時采集到的數(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)，上鏈到共識節(jié)點。區(qū)塊鏈正是一種按照時間順序?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，也可以說是去中心化共享賬本，能夠安全簡單、以時間順序作為先后順序和可以驗證地存儲流水賬本數(shù)據(jù)。此區(qū)塊鏈模塊間共識節(jié)點采用P2P 通信，多個節(jié)點組成一條環(huán)境監(jiān)測行業(yè)價值的互聯(lián)網(wǎng)去中心化公有鏈。公共區(qū)塊鏈，相對于私有鏈，也是區(qū)塊鏈普遍的一種形式，它是完全開放和透明的，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)過哈希計算后實時上鏈，既保證上鏈前數(shù)據(jù)真實，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)識一個區(qū)塊，區(qū)塊鏈中任意節(jié)點通過簡單的哈希計算都可以獲得這個區(qū)塊的哈希值，計算出的哈希值沒有變化也就意味著區(qū)塊鏈中的信息沒有被篡改。每個區(qū)塊都包含上一個區(qū)塊的哈希值和下一個區(qū)塊的值，就相當(dāng)于通過上一個區(qū)塊的哈希值掛鉤到上一個區(qū)塊尾，通過下一個區(qū)塊的哈希值掛鉤到下一個區(qū)塊鏈的頭，就形成一個鏈?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)測系統(tǒng)可以讓環(huán)保電力監(jiān)測數(shù)據(jù)公開透明，安全和不可篡改，讓多方工廠、企業(yè)和環(huán)保監(jiān)管部門建立了一個互信的平臺，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、防篡改屬性來記錄每一筆交易，讓所有環(huán)境監(jiān)測部門行業(yè)的上下游鏈條實現(xiàn)透明，促進(jìn)環(huán)境監(jiān)測市場提率，降低成本。數(shù)據(jù)展示模塊將區(qū)塊鏈模塊存儲的實時采集企業(yè)或者工廠的現(xiàn)場環(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)異常及時推送異常報警，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)測系統(tǒng)界面

圖3 主要展示了數(shù)據(jù)展示模塊網(wǎng)頁界面，以圖表的形式形象地展示了監(jiān)測的結(jié)果。系統(tǒng)通過以下3 個方面進(jìn)行監(jiān)測和判定：①通過關(guān)聯(lián)分析、超限分析、啟停時間分析，及時發(fā)現(xiàn)環(huán)保設(shè)備未開啟、異常關(guān)閉及減速、空轉(zhuǎn)等異常情況；② 通過停產(chǎn)限產(chǎn)錯峰分析，系統(tǒng)能夠根據(jù)環(huán)保局發(fā)布的停產(chǎn)限產(chǎn)和錯峰生產(chǎn)等應(yīng)急預(yù)案自動判斷分析，對企業(yè)拒執(zhí)行指令、違規(guī)生產(chǎn)等狀況第一時間向環(huán)保部門預(yù)警，提示異常；③給出企業(yè)環(huán)保設(shè)備運行報告，環(huán)保監(jiān)測平臺可以生成企業(yè)環(huán)保設(shè)備運行診斷報告，配合環(huán)保監(jiān)察部門分析設(shè)備環(huán)保設(shè)備運行情況，以便更準(zhǔn)確執(zhí)法。區(qū)塊鏈公開透明、智能合約的特點在一定程度上既讓參與各方都能了解整個運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)生的獎懲由程序來執(zhí)行而不依靠人為，從而進(jìn)一步降低污染監(jiān)測和處理的成本，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、信息無法篡改，公開透明、信息可溯源、智能合約自動執(zhí)行等技術(shù)優(yōu)勢。借助區(qū)塊鏈技術(shù)，將環(huán)保數(shù)據(jù)寫上區(qū)塊鏈，為環(huán)保事業(yè)的發(fā)展再添新動能。本文基于區(qū)塊鏈技術(shù)實現(xiàn)了環(huán)保設(shè)備電力實時監(jiān)測系統(tǒng)，面向所有環(huán)境監(jiān)測接口開放，去掉環(huán)境監(jiān)測行業(yè)中的渠道、發(fā)行、推廣運營等環(huán)節(jié)，創(chuàng)造讓用戶和用戶、用戶與監(jiān)管部門直接對接結(jié)算的生態(tài)圈。本文分3個模塊研究此系統(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)展示模塊通過關(guān)聯(lián)分析數(shù)據(jù)將環(huán)保設(shè)備異常使用和運行的情況展示出來，建立監(jiān)管部門和各企業(yè)的互信平臺，便于環(huán)保監(jiān)管部門高效執(zhí)法。此系統(tǒng)還可以應(yīng)用于產(chǎn)能設(shè)備監(jiān)測、監(jiān)測污水排放和監(jiān)測空氣排放質(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。