王 贏

(河南農業(yè)大學圖書館 鄭州 450046)

信息過載和多源異構是城鎮(zhèn)應急管理現(xiàn)代化面對的挑戰(zhàn)之一，現(xiàn)有預警信息系統(tǒng)在精準度和時效性上仍存在很多不足。區(qū)塊鏈的出現(xiàn)為國家應急體系創(chuàng)新治理帶來了新的契機[1]，不論在國家發(fā)展戰(zhàn)略還是應用可行性方面都與現(xiàn)代化的應急管理有著天然吻合性。區(qū)塊鏈擁有分布式、可追溯等技術特點，在鏈式結構中借助共識算法更新數(shù)據(jù)，借助時間戳、非對稱加密等方式保證數(shù)據(jù)不可篡改，利用智能合約對數(shù)據(jù)自動處理[2]?，F(xiàn)有突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)中存在的諸多問題，如多主體協(xié)同共享難度大、信息雜亂無序、信息傳遞延遲、風險預估不準確、缺少有力監(jiān)管等，區(qū)塊鏈技術可以為這些難題提供解決辦法。本文嘗試運用區(qū)塊鏈的技術優(yōu)勢，構建數(shù)據(jù)協(xié)同共享、災害自動預警的信息系統(tǒng)，為提升全社會防災減災能力提供有效支持。

1 研究綜述

突發(fā)事件是指突然發(fā)生，造成或者可能造成嚴重社會危害，需要采取應急處置措施予以應對的自然災害、事故災難、公共衛(wèi)生事件和社會安全事件[3]。預警信息系統(tǒng)是采集、處理、分發(fā)各種災情信息的樞紐[4]。突發(fā)事件監(jiān)測預警體系建設是推進國家治理體系和治理能力現(xiàn)代化的必然要求[5]，對此的研究涉及不同角度和不同學科，主要在信息管理、醫(yī)學、公共管理、地理科學等專業(yè)領域。

信息管理領域的研究者主要從三方面探討：a.突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)的相關理論研究，涉及概念、構成要素、評價指標等。范維澄[6]論述了如何構建智慧精準的多層公共安全防護體系；汪明敏[7]對“預警”進行了概念界定；樊博等[8]在協(xié)作治理理論框架下闡釋了應急情報協(xié)同管理的理論機理。b.借助不同技術構建突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)。張海濤等[3]通過構建情景圖譜的方法預測突發(fā)事件未來發(fā)展趨勢；陳石定等[9]選用 Spring Cloud 微服務框架進行預警信息生成、發(fā)布。c.預警信息系統(tǒng)在具體突發(fā)事件中的應用。由于新冠肺炎疫情的影響，近幾年學者們對突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)的構建多以公共衛(wèi)生事件為研究對象。黃茂漢[10]構建了疫情防控父子區(qū)塊鏈情報模型；歐陽麗煒等[11]采用區(qū)塊鏈智能合約與人工智能相結合的技術，對傳染病監(jiān)測與預警實現(xiàn)的框架進行了研究。有部分學者對其它類型突發(fā)事件進行了探討，如徐緒堪等[12]提出了利用情報對城市水災害突發(fā)事件進行分析的框架；曾子明等[13]用社會計算方法構建了社會安全事件智能情報服務體系；張思龍等[14]提出了基于情報感知的網絡輿情研判與預警系統(tǒng)架構。

綜上所述，突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)建設已經成為研究熱點之一，將區(qū)塊鏈技術應用于突發(fā)事件預警中的研究多局限于公共衛(wèi)生事件，且論述理論框架構建的較多，深入到具體實現(xiàn)的較少。因此，本文以區(qū)塊鏈為技術支撐，從體系架構、運行機制和主要流程三方面闡釋突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)構建，以“7·20”河南鄭州特大暴雨災害為實證，利用灰色關聯(lián)故障樹分析法編制智能合約，突出區(qū)塊鏈技術在突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)中的應用優(yōu)勢，為完善突發(fā)事件應急管理提供新的視角。

2 基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)設計

2.1 體系架構

2.1.1預警信息平臺框架

預警信息平臺是災害信息采集、傳輸、存儲、分析、維護及應用的載體。目前需要整合已建成的分散在各個業(yè)務部門的監(jiān)測預警系統(tǒng)，建立一個集前端監(jiān)測、實時預警、信息發(fā)布、風險預警教育等功能于一體的綜合性預警信息平臺?；趨^(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息平臺框架由5層構成，如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息平臺

數(shù)據(jù)層通過各種物聯(lián)網設備、移動終端等自動采集和存儲致災、承災情景信息，以及各類防災減災知識。網絡層通過非對稱加密傳輸機制、P2P組網機制等技術，傳輸和驗證節(jié)點之間的數(shù)據(jù)，并實時更新數(shù)據(jù)層中存儲的各種信息。共識層通過封裝共識算法解決各節(jié)點之間的相互信任問題，實現(xiàn)各節(jié)點賬本的一致性。合約層通過封裝各類腳本代碼，實現(xiàn)在預置條件下不受人為控制的自動響應。應用層通過封裝多種應用場景，以小程序和APP等形式展現(xiàn)，利用API接口實現(xiàn)應用層和底層平臺的交互[16]，支持監(jiān)測預警過程中的信息檢索、數(shù)據(jù)溯源、流程監(jiān)管等，以及防災減災知識的學習。

2.1.2組織結構

基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)將傳統(tǒng)縱向的信息傳遞模式變成橫向的、去中心化的信息協(xié)同模式，解決了信息孤島及信息不同步問題。依據(jù)區(qū)塊鏈的點對點分布式組網協(xié)同技術，在突發(fā)事件預警信息區(qū)塊鏈中設置主管理節(jié)點、管理節(jié)點和普通節(jié)點，不同類型節(jié)點分工合作，保證鏈網穩(wěn)定運行。主管理節(jié)點對全鏈節(jié)點執(zhí)行CA認證，負責身份認證和撤銷；可下載完整的全鏈網數(shù)據(jù)，負責對節(jié)點進行實時監(jiān)管。管理節(jié)點負責新加入節(jié)點的身份校驗；負責對交易信息是否合法進行驗證，對共享信息進行排序、打包、背書及廣播；負責節(jié)點的準入和清退、對訪問進行控制及對交易申請進行審核[17]。普通節(jié)點承擔記賬功能，對突發(fā)事件中產生的實時信息進行提案、上傳，經過管理節(jié)點確認后在全網進行發(fā)布。

2.1.3網絡架構

突發(fā)事件具有突發(fā)性、復雜性，對其監(jiān)測預警涉及“天地空”立體化、全方位的信息。目前，我國城市預警信息的采集和發(fā)布涉及多個部門，每個部門都建有各自的預警系統(tǒng)，如氣象預警、洪水預警、電力預警、地質災害預警、通信預警等[18-19]。本文構建的預警系統(tǒng)通過互聯(lián)網進行部署，新的區(qū)塊鏈節(jié)點注冊認證成功后接入鏈中。已建成的系統(tǒng)利用數(shù)字身份管理軟件工具開發(fā)包(SDK)和應用程序接口(API)技術接入?yún)^(qū)塊鏈平臺，實現(xiàn)各機構災情信息共享。

2.1.4區(qū)塊結構

區(qū)塊由區(qū)塊頭和區(qū)塊體構成。區(qū)塊頭中存儲了前塊哈希、隨機數(shù)、默克爾根和版本信息，區(qū)塊體記錄了一定時間內區(qū)塊創(chuàng)建過程中經過驗證的所有交易信息。所有區(qū)塊串聯(lián)在一起構成區(qū)塊鏈，當有新的區(qū)塊產生時，會對前一個區(qū)塊的所有數(shù)據(jù)做一個哈希運算，然后把計算的結果作為前一個區(qū)塊的哈希保存在新的區(qū)塊頭中，所有區(qū)塊按生成順序相連接[20]。默克爾根、前區(qū)塊哈希、時間戳保障了區(qū)塊信息的不可篡改及可追溯。突發(fā)事件監(jiān)測預警信息區(qū)塊的物理及邏輯結構如圖2所示。

圖2 區(qū)塊結構

2.2 運行機制

預警信息系統(tǒng)是以服務平臺為載體、以信息采集、處理、分發(fā)為核心的有機整體。基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)中信息流的運行主要靠區(qū)塊鏈節(jié)點認證機制、共識機制、非對稱加密技術、智能合約來維持高效有序運行。分布式賬本解決數(shù)據(jù)記錄、存儲的問題；共識機制解決數(shù)據(jù)維護的問題；智能合約解決數(shù)據(jù)執(zhí)行的問題；密碼學解決數(shù)據(jù)安全的問題。

2.2.1節(jié)點認證和共識機制

只有充分保障個人隱私和信息安全，才能打破數(shù)據(jù)孤島，調動整合資源實現(xiàn)“共建共治共享”應急管理的新治理格局。區(qū)塊鏈節(jié)點認證技術可使多元主體廣泛納入預警信息鏈中，保證數(shù)據(jù)源的安全。新節(jié)點在上鏈之前要向主管理節(jié)點提起申請，管理節(jié)點運用CA認證機制審核用戶信息的合法性，審核通過后頒發(fā)CA證書, 生成該用戶的密鑰對及交易地址，允許該用戶成為節(jié)點并上鏈運行。區(qū)塊鏈系統(tǒng)是一種分布式系統(tǒng)，多個區(qū)塊鏈節(jié)點共同維護一份數(shù)據(jù)，需通過合理的共識機制保障數(shù)據(jù)一致性與合法性[10]。本系統(tǒng)采用拜占庭容錯算法和信用證明共識機制。拜占庭容錯算法是一種容錯能力，即網絡在存在惡意節(jié)點散布錯誤信息的情況下仍能讓誠實節(jié)點達成共識正常運行。信用證明是以區(qū)塊鏈上節(jié)點信用為依據(jù)的共識機制，當某個節(jié)點上報虛假預警信息時其信用值將會減少。

2.2.2智能合約

傳統(tǒng)的監(jiān)測預警模式是發(fā)現(xiàn)險情后按層級逐級上報來確定應急響應級別，可能會使響應滯后、延誤最佳響應時機。智能合約可預先將規(guī)則條款代碼化并封裝在區(qū)塊鏈上，當設定的條件被觸發(fā)后將自動執(zhí)行協(xié)議，減少人為干預和手工文書工作。編制合理的智能合約是實現(xiàn)科學自動預警的關鍵。該系統(tǒng)的智能合約編制如下:

a.利用突發(fā)事件案例庫中的歷史數(shù)據(jù)，采用深度學習算法和故障樹分析法，建立故障樹模型，并總結確定不同警戒值的區(qū)間范圍繪出警度表。在故障樹模型中將突發(fā)事件作為頂事件，分析引起頂事件的各種風險因素及其因果邏輯關系，設定最基本原因為底事件，引起頂事件發(fā)生的數(shù)量最少的底事件組合為最小割集。

b.專家節(jié)點對采集到的關鍵數(shù)據(jù)進行打分，確定各底事件的不可靠概率，進而求出各底事件的重要度Ij:

(1)

其中Yi為含第i個底事件的最小割集發(fā)生概率之和，PT是頂事件發(fā)生概率。

c.利用灰色理論比較待檢模式向量與典型故障模式向量的關聯(lián)，計算出各底事件的關聯(lián)度ri：

(2)

(3)

其中Δij(K)為待檢矢量與歸一化處理后的特征矩陣中的每個數(shù)值的序列差[21]，p一般取0.5。

d.計算出待檢模式的預警值C：

(4)

其中n為基本事件的個數(shù)。

e.比對警度表，確定警度類型。經判斷一旦觸發(fā)警戒閥值，區(qū)塊鏈將自動按預設規(guī)則響應，即向相關的節(jié)點發(fā)布預警信息，如圖3所示。

圖3 智能合約運行

2.2.3加密存儲追溯機制

數(shù)據(jù)存儲是信息流高效運行的保障。突發(fā)事件預警信息涉及主體眾多，數(shù)據(jù)量大且結構復雜，又需要將具體的信息存儲起來便于調用。IPFS是一種分布式存儲方案，采用P2P方式將具有相同文件管理模式的設備連接在一起，與區(qū)塊鏈分布式部署的特點非常契合[10]。基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)將以IPFS形式存儲具體數(shù)據(jù)，在區(qū)塊鏈上僅存儲文件哈希值，需要獲取具體數(shù)據(jù)時，節(jié)點可根據(jù)哈希值從對應的IPFS文件中獲取。

非對稱加密技術的加密解密主要靠密鑰實現(xiàn)。本系統(tǒng)中主管理節(jié)點為其它節(jié)點生成分發(fā)密鑰對，區(qū)塊鏈各個節(jié)點的賬號是其公鑰，對驗證信息進行簽名時使用私鑰。公鑰加密的信息只能用私鑰解密，用戶的保密信息僅對主管理節(jié)點可見。

追溯功能是基于區(qū)塊鏈的串聯(lián)結構加以實現(xiàn)的，每一個數(shù)據(jù)區(qū)塊的哈希值在前一區(qū)塊和后一區(qū)塊中都有顯示，數(shù)據(jù)一旦上鏈就不能篡改。所有通過CA認證的節(jié)點都可以隨時在信息平臺對預警信息進行查詢，主管理節(jié)點可以實現(xiàn)追溯功能。突發(fā)事件控制后還可利用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)可追溯的特點，對監(jiān)測預警的整個過程進行積極總結。

2.3 運行流程

根據(jù)區(qū)塊鏈技術的特點和預警信息系統(tǒng)的功能目標,本系統(tǒng)運作的主要流程包括征兆信息收集、征兆信息分析、預警信息發(fā)布，具體如圖4所示。

圖4 突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)運作流程

在征兆信息收集階段，通過物聯(lián)網設備等設施對災害易發(fā)生的關鍵點進行監(jiān)測，將獲取的數(shù)據(jù)存儲在災害案例庫中。通過深度學習算法對案例庫中所有信息進行處理，提取出導致災害發(fā)生的關鍵信息。區(qū)塊鏈中的普通節(jié)點發(fā)起關鍵信息申請上鏈交易，管理節(jié)點對普通節(jié)點的身份及交易的合法性進行驗證，如果驗證通過，此關鍵信息將被發(fā)送至背書節(jié)點。

在征兆信息分析階段，背書節(jié)點在收到交易后，利用CA認證機制驗證普通節(jié)點簽名及交易的合法性；然后調用智能合約進行實時計算，如果此關鍵信息交易的預警值超過一定閥值，則自動進行報警響應，即背書節(jié)點將預警信息申請上鏈的交易添加上數(shù)字簽名發(fā)送至管理節(jié)點。

在預警信息發(fā)布階段，管理節(jié)點收到背書響應后先對背書節(jié)點簽名和背書結果一致性進行驗證，然后將此段時間背書結果發(fā)送給排序節(jié)點。排序節(jié)點在收到交易后按時間順序將此段的所有交易進行排序，并打包發(fā)送至確認節(jié)點。確認節(jié)點在進行驗證后會將排序節(jié)點打包的區(qū)塊廣播給所有記賬節(jié)點，同時受主管理節(jié)點監(jiān)督。

3 案例分析

“7·20”河南鄭州特大暴雨災害(以下簡稱“7·20”災害)是一場多災并發(fā)、造成重大人員傷亡和財產損失的特別重大自然災害。對其預警涉及主體、環(huán)節(jié)眾多，本文以“7·20”災害中郭家咀水庫漫頂險情為例，論證基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)的科學性與可行性。

3.1 鏈網設置

在“7·20”災害預警鏈中，主管理節(jié)點由國家防總、應急管理部、河南省政府、河南省防指、河南省應急管理廳組成。管理節(jié)點由鄭州市政府、市防指、應急管理局組成。普通節(jié)點由市氣象、水利、城管、通信、宣傳等部門、社區(qū)組織、公眾組成。該鏈網通過互聯(lián)網部署，新的區(qū)塊鏈節(jié)點注冊認證成功后接入鏈中。已建成的系統(tǒng)利用SDK和API技術接入?yún)^(qū)塊鏈平臺，實現(xiàn)各機構災情信息共享?；趨^(qū)塊鏈的“7·20”災害預警信息系統(tǒng)網絡架構如圖5所示。

圖5 基于區(qū)塊鏈的"7.20"災害預警信息系統(tǒng)網絡架構

3.2 智能合約編制

在鄭州市洪澇歷史案例庫中利用深度學習算法和故障樹分析法對有關郭家咀水庫的數(shù)據(jù)進行分析，將水庫災害作為頂事件，分析造成頂事件的因果邏輯關系，用Xi表示底事件，并統(tǒng)計頂事件發(fā)生的概率，繪出郭家咀水庫洪災的故障樹和警度表，如圖6和表1所示。

表1 郭家咀水庫洪災預警

3.3 預警結果測試

通過國家應急管理部官網、中國知網等途徑收集到“7·20”災害中郭家咀水庫漫頂險情的相關數(shù)據(jù)信息[22-23]。a.2021年7月20日6時鄭州市小時降雨量為20mm，氣象部門發(fā)布暴雨紅色預警，郭家咀水庫水位正常。b.7月20日17時鄭州市小時降雨量為201.9mm，突破歷史極值, 水庫水位達汛期限制水位158m。c.7月20日20時鄭州市小時降雨量為21mm，水位離壩頂只有2m，仍繼續(xù)上漲。d.7月21日0時40分，郭家咀水庫發(fā)生漫壩，造成重大經濟損失和社會影響。利用故障樹分析法和灰色關聯(lián)理論，請相關專家對郭家咀水庫6時、17時、20時的12個底事件Xi的不可靠概率進行打分，按照公式(1)(2)算出各底事件的重要度Ij，和關聯(lián)度ri。按照公式(4)計算出3個時刻的預警值(見表2)。根據(jù)搜集到的“7·20”災害資料[23]顯示7月20日6時氣象部門發(fā)布了暴雨紅色預警，但庫水位正常，安排了專人密切關注水位變化，屬基本安全狀態(tài)；17時水庫水位達汛期限制水位158m，水位上漲迅猛，屬危險狀態(tài)；20時水位離壩頂只有2m, 仍繼續(xù)上漲，經會商要采取臨時開挖泄洪通道措施，屬非常危險狀態(tài)。由表1與表2綜合可知，該區(qū)塊鏈預警信息系統(tǒng)得出的預警結果與實際情況吻合，表明此系統(tǒng)在突發(fā)事件預警中具有有效性，可以對不同的警情進行準確評估，為應急管理提供決策支持。

表2 預警結果

4 基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)優(yōu)勢分析

4.1 信息收集覆蓋面廣

在傳統(tǒng)的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)中，不同災害監(jiān)測預警系統(tǒng)間由于數(shù)據(jù)格式不一致無法進行互聯(lián)互通；公眾只是被動接收預警信息，雙向溝通程度不足。而本系統(tǒng)使多元主體通過聯(lián)盟鏈鏈接起來，使已建成的各機構系統(tǒng)接入主鏈中，打破信息孤島，使征兆信息收集的覆蓋面擴大，避免遺漏一些不顯著線索，為科學預警提供有效支持。

4.2 信息分析精準

在傳統(tǒng)的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)是單鏈式縱向傳輸，任何層級出現(xiàn)延遲或故障都將影響數(shù)據(jù)質量和分析結果；對突發(fā)事件的預警需要人工甄別和上報，存在人為決策現(xiàn)象。而本系統(tǒng)利用智能合約技術，實現(xiàn)自動化閥值判斷，同時結合專家節(jié)點打分，可使預警更高效、精準。

4.3 信息傳遞高效

在傳統(tǒng)的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)中，信息需要逐級審核才能傳輸完成；物聯(lián)網設備呈中心化管理，接入設備增多運載性能將會降低。而本系統(tǒng)利用P2P分布式組網技術、密碼學技術，可實現(xiàn)點對點安全傳輸，節(jié)約時間成本；采用IPFS分布式存儲方案，可有效存儲海量信息并減輕鏈上存儲負擔，信息獲取方便，系統(tǒng)運行速度更快。

5 結 語

本文通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術，利用灰色關聯(lián)故障樹分析法編制智能合約，利用分布式賬本、共識機制、非對稱加密等核心技術鏈接起突發(fā)事件監(jiān)測預警多元主體，并以“7·20”災害為實證，形成了數(shù)據(jù)信息的協(xié)同共享，實現(xiàn)了災害自動監(jiān)測預警，構建了滿足現(xiàn)代化應急管理需求的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)，有效解決了現(xiàn)有預警系統(tǒng)存在的條塊壁壘、信息冗余、程序遲滯等問題，有助于提升全社會防災減災能力，為推進“共建共治共享”新治理格局形成奠定基礎。

本研究主要論述了基于區(qū)塊鏈的突發(fā)事件預警信息系統(tǒng)的架構、運行機制及主要流程。下一步將通過編程對系統(tǒng)原型進行具體實現(xiàn)，并增加樣本量對本文提出的模型進行模擬測試。