CN112217868B - 一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法 - Google Patents

一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，包括：将多个站点的水质监测终端和用户服务平台共同构成区块链的系统节点；某个水质监测终端获取水环境相关数据；采用非对称加密算法将采集到的水环境相关数据加密后传输给其他系统节点；根据区块链系统内部的共识机制，各系统节点达成共识后将接收到的数据上传至区块链并生成新的区块，各节点对新的区块进行同步更新备份，互为冗余；对每个节点提前部署相应的数据分析评价智能合约；将分析评价结果传送到用户服务平台，平台根据接收到的数据和分析结果进行展示、审核、决策。本发明可有效的保障自动监测系统在水质数据产生、传输、处理、分析评价等环节的真实性、完整性及安全性。

Description

一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法
技术领域
本发明涉及水环境监测领域，尤其涉及水环境监测物联网系统。
背景技术
数据质量是环境监测工作的底线和生命线，确保监测数据“真、准、全”，是环境监测的首要职责，也是《意见》的核心要义。2020年全国生态环境保护工作会议上，生态环境部部长李干杰表示，“借助刑法修改的契机，推动环境监测数据造假等违法行为入刑”。环境监测数据造假行为被定义为“破坏计算机信息系统罪”并负有刑事责任。近年来，我国对于环境监测数据造假行为的管制及惩罚力度空前，但由于环境监测数据造假难度小、成本低但非法利益极高，环境监测数据造假行为依然频繁发生。
目前水环境监测系统均为集中式系统架构，存在以下几个方面的问题：
①对数据真实性的信任来源于中心机构的诚信，并且若中心服务器出现故障，整个网络都将陷入瘫痪状态，监测数据备份和转移的难度较大；
②存储的数据和修改日志存在被删除或篡改的风险，增加了数据质量控制和管理的难度；
③仪器参数设置，无效数据识别，数据质量审核，水质类别研判等均由人工完成，数据处理过程通常带有人为主观成分且智能程度不高。
综上，亟待构建一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，保障自动监测系统在水质数据产生、传输、处理、应用等环节的真实性、完整性及安全性、容错性，防止数据采集后造假和人为干扰评价。
发明内容
针对现有集中式水环境自动监测方法的技术瓶颈，本发明提供一种基于区块链的水环境自动监测方法，对监测数据真实、完整、安全的保障具有重要的支撑作用。
本发明通过如下技术方案实现：
一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，包括如下步骤：
S1、将多个站点的水质监测终端和用户服务平台共同构成区块链的系统节点；
S2、某个水质监测终端获取水环境相关数据，所述水环境相关数据包括水质浓度数据、质控数据、日志数据、监测仪器相关参数；
S3、采用非对称加密算法将采集到的水环境相关数据加密后传输给其他系统节点；
S4、根据区块链系统内部的共识机制，各系统节点达成共识后将接收到的数据上传至区块链并生成新的区块，各节点对新的区块进行同步更新备份，互为冗余；
S5、对每个节点提前部署相应的数据分析评价智能合约以及无效数据的智能识别、多级审核中数据处理的阈值设置、水质类别与污染程度的自动研判；
S6、将分析评价结果传送到用户服务平台，平台根据接收到的数据和分析结果进行展示、审核、决策。
进一步的，所述区块链的系统节点构成分布式的p2p网络。
进一步的，步骤S2中的质控数据在合格范围内认为本次水质监测数据有效；流程日志用于水质和质控数据产出过程监控溯源，如果过程异常则数据视为无效；监测仪器相关参数，用于反算水质和质控数据，核查过程是否存在人为干扰。
进一步的，步骤S3具体为：某个水质监测终端采集水质浓度数据之后，将水质浓度数据、质控数据、日志数据、监测仪器相关参数等用接收方的公钥进行加密，并用自己的私钥对信息的摘要进行加密，将数据和数据摘要信息发送给其他节点进行共享，接收方节点采用对方的公钥解密摘要信息并用自己的私钥解密数据。
进一步的，步骤S4具体为：各节点根据工作量证明或Raft协议算法使各节点达成共识，由达成共识的节点将接受到的数据添加上链生产新的区块，其他节点同步更新各自区块，对上链数据相互备份。
进一步的，步骤S5中通过智能合约对各节点产生的水质浓度数据进行合理的筛选、分析、评价；无效数据的智能识别依据标样核查结果确定，如果标样核查不合格，表明仪器需要调试，监测数据认为无效；多级审核中数据处理阈值根据监测水体的历史监测结果判断，若过大或过小视为异常，需要人为检查仪器和现场环境，也可以依据流程日志和监测仪器相关参数判断数据是否存在人为干扰；水质类别的研判根据国家标准《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)判定；污染程度采用水质综合污染指数法进行自动判定。
进一步的，污染程度采用水质综合污染指数法进行自动判定的计算方法如下:
Figure BDA0002674729120000031
式中：P为水质综合污染指数；Pi为污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测浓度(mg/L)；Si为污染物i的评价标准浓度值(mg/L)；n为参加评价的污染物个数。
与现有集中式的水环境监测技术相比，本发明具有以下优势：
(1)相比于集中式系统架构，区块链本身即为一种异地容灾解决方案，去中心化的系统架构使得所有节点均可提供数据备份，极大程度提高了系统的容错能力。此外，区块链在安全层面摆脱了对中心服务器的依赖，除非控制网络中多数节点(取决于共识算法)，否则无法对链上数据进行修改；
(2)由于单个节点不能控制和更改区块链的内容，存储在区块链中的交易数据和修改日志均不可变，在过程繁琐复杂的水质数据质量控制中可简单有效地执行追溯管理和责任追究；
(3)所有数据通过Hash认证和非对称加密算法保密后上链传输或存储，用于确认数据共享的完整性和真实性，保障了信息传输与数据存储安全；
(4)区块链通过智能合约提供编程功能，智能合约可以帮助执行数据处理及质量控制，极大地增强了系统的安全性、灵活性及自动化程度。
附图说明
图1为本发明一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法其中一个实施的流程示意图；
图2本发明一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价系统的框架示意图；
图3为本发明系统内节点网络组成示意图；
图4为图1中步骤S2的数据产出示意图；
图5为图1中步骤S3的数据传输过程示意图；
图6为图1中步骤S4的节点共识后数据存入区块链示意图；
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，包括如下步骤：
S1、将多个站点的水质监测终端和用户服务平台共同构成区块链的系统节点；如图3所示，所有水环境自动监测站站点的监测终端和无主从之分且有相同的功能，每个终端机也是服务器。所述区块链的系统节点构成分布式的p2p网络。
S2、某个水质监测终端获取水环境相关数据，例如水质浓度数据、质控数据、日志数据、监测仪器相关参数等；如图4所示，某个水质监测终端对站点水体进行采样并经过一系列的自动分析，得到当地的水质浓度数据。水质自动监测过程中除了产生水质浓度数据外，为了提高数据质量还会产生诸多过程数据，包括质控数据(即标样核查数据)、日志数据、监测仪器相关参数等。当质控数据在合格范围内认为本次水质监测数据有效；流程日志，用于水质和质控数据产出过程监控溯源，如果过程异常则数据视为无效；监测仪器相关参数，可根据参数反算水质和质控数据，核查过程是否存在人为干扰。将水质浓度数据、质控数据、流程日志及监测仪器相关参数一起通过网络加密传输到各个节点。
S3、采用非对称加密算法将采集到的水环境相关数据加密后传输给其他系统节点；具体的，某个水质监测终端采集水质浓度数据之后，将水质浓度数据、质控数据、日志数据、监测仪器相关参数等用接收方的公钥进行加密，并用自己的私钥对信息的摘要进行加密，将数据和数据摘要信息发送给其他节点进行共享，接收方节点采用对方的公钥解密摘要信息并用自己的私钥解密数据，确保数据的完整性和真实性。
如图5所示，数据传输过程为了保证数据安全，需要经过非对称算法进行加密。以节点A向节点B传输为例，节点A首先用节点B的公钥对数据进行加密，采用hash算法将数据生成摘要信息，并用自身的私钥对摘要信息进行加密，将加密后的信息与信息摘要一并发送给节点B。节点B接受到这些信息后，先用节点A的公钥对摘要信息进行解密，确定信息来源是否为节点A，然后用自身的私钥对接受到的加密信息进行解密，最终获得节点A传来的数据明文。
S4、根据区块链系统内部的共识机制，各系统节点达成共识后将接收到的数据上传至区块链并生成新的区块，各节点对新的区块进行同步更新备份，互为冗余(如图6所示)；具体的，各节点根据工作量证明或Raft协议等主流共识算法使各节点达成共识，由达成共识的节点将接受到的数据添加上链生产新的区块，其他节点同步更新各自区块，对上链数据相互备份。
S5、对每个节点提前部署相应的数据分析评价智能合约以及无效数据的智能识别、多级审核中数据处理的阈值设置、水质类别的自动研判。其中通过智能合约对各节点产生的水质浓度数据进行合理的筛选、分析、评价；无效数据的智能识别依据标样核查结果确定，如果标样核查不合格，表明仪器需要调试，监测数据可认为无效；多级审核中数据处理阈值根据监测水体的历史监测结果判断，若过大或过小视为异常，需要人为检查仪器和现场环境，也可以依据流程日志和监测仪器相关参数判断数据是否存在人为干扰；水质类别的研判根据国家标准《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)判定；污染程度采用水质综合污染指数法计算并分析判定，计算方法如下:
Figure BDA0002674729120000061
式中：P为水质综合污染指数；Pi为污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测浓度(mg/L)；Si为污染物i的评价标准浓度值(mg/L)；n为参加评价的污染物个数。
S6、将分析评价结果传送到用户服务平台，平台根据接收到的数据和分析结果进行展示、统计和有效性审核，将水质分析评价的结果用于监管、考核等决策。
如图2所示，本发明实施例提供一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价系统，上述方法基于该系统进行，该系统包括数据层、网络传输层、共识层、合约层以及应用层。其中，数据层包括数据采集和存储，网络层有P2P网络、信息传播机制和验证机制组成，共识层则是系统内部所有节点达成共识(数据上链)的相关算法或机制，合约层是对数据进行理的筛选、分析、评价等一系列的算法，应用层是用户所需要专门模块，如数据展示、数据审核、用于地方或企业考核等。
本发明提可有效的保障自动监测系统在水质数据产生、传输、处理等环节的真实性、完整性及安全性，对防止数据采集后造假提供了重要的支撑，还提供了水质自动分析评价与异地容灾的解决方案。
以上所述，仅为本发明的某个案例的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，其特征在于包括如下步骤：
S1、将多个站点的水质监测终端和用户服务平台共同构成区块链的系统节点；
S2、某个水质监测终端获取水环境相关数据，所述水环境相关数据包括水质浓度数据、质控数据、日志数据、监测仪器相关参数；
S3、采用非对称加密算法将采集到的水环境相关数据加密后传输给其他系统节点；
S4、根据区块链系统内部的共识机制，各系统节点达成共识后将接收到的数据上传至区块链并生成新的区块，各节点对新的区块进行同步更新备份，互为冗余；
S5、对每个节点提前部署相应的数据分析评价智能合约以及无效数据的智能识别、多级审核中数据处理的阈值设置、水质类别与污染程度的自动研判；
S6、将分析评价结果传送到用户服务平台，平台根据接收到的数据和分析结果进行展示、审核、决策；
步骤S2中的质控数据在合格范围内认为本次水质监测数据有效；日志数据用于水质和质控数据产出过程监控溯源，如果过程异常则数据视为无效；监测仪器相关参数，用于反算水质浓度数据和质控数据，核查过程是否存在人为干扰；
步骤S3具体为：某个水质监测终端采集水质浓度数据之后，将水质浓度数据、质控数据、日志数据、监测仪器相关参数用接收方的公钥进行加密，并用自己的私钥对信息的摘要进行加密，将数据和数据摘要信息发送给其他节点进行共享，接收方节点采用对方的公钥解密摘要信息并用自己的私钥解密数据。
2.如权利要求1所述的基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，其特征在于：所述区块链的系统节点构成分布式的p2p网络。
3.如权利要求1所述的基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，其特征在于：步骤S4具体为：各节点根据工作量证明或Raft协议算法使各节点达成共识，由达成共识的节点将接受到的数据添加上链生产新的区块，其他节点同步更新各自区块，对上链数据相互备份。
4.如权利要求1所述的基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，其特征在于：步骤S5中通过智能合约对各节点产生的水质浓度数据进行合理的筛选、分析、评价；无效数据的智能识别依据标样核查结果确定，如果标样核查不合格，表明仪器需要调试，监测数据认为无效；多级审核中数据处理阈值根据监测水体的历史监测结果判断，若过大或过小视为异常，需要人为检查仪器和现场环境，也可以依据流程日志和监测仪器相关参数判断数据是否存在人为干扰；水质类别的研判根据国家标准《地表水环境质量标准》(GB3838-2002)判定，污染程度采用水质综合污染指数法进行自动判定。
5.如权利要求4所述的基于区块链的水环境自动监测与分析评价方法，其特征在于：污染程度采用水质综合污染指数法进行自动判定的计算方法如下:
Figure FDA0003989294850000021
式中：P为水质综合污染指数；Pi为污染物i的污染指数；Ci为污染物i的实测浓度；Si为污染物i的评价标准浓度值；n为参加评价的污染物个数。
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