CN113987070A - 一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统 - Google Patents

一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于地质灾害领域，尤其涉及一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统。包括数据层、网络层、共识层、合约层和应用层，所述网络层用于构建P2P数据传输通道，并形成位于客户端节点的分布式存储系统，以及以各个职能部门为节点的区块链；所述数据层将将地质灾害专业监测数据和辅助预警数据转化为消息摘要，生成数字签名和时间戳，并上传至区块链。共识层和合约层共同嵌套在区块链的链码中，采用JavaScript语言将地质灾害相关的各类标准、规范、规程等编码为智能合约，形成的可执行代码通过链码实现。本技术方案解决了现有技术中对地质灾害的识别和预警所需要耗费的时间长和工作效率低的问题，以及对地质灾害的识别和预警不够准确及时的问题。

Description

一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统
技术领域
本发明属于地质灾害领域，尤其涉及一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统。
背景技术
近年来，区块链在各个行业的应用得以蓬勃发展，体现出极强的创新驱动的发展活力，被视为改变未来网络形态的颠覆性技术之一，是未来“价值互联网”的基石。区块链将与5G、物联网、人工智能、云计算等其他领域深度融合，共同为实体产业的转型升级赋能。
现有技术需要从气象、自然资源、应急、交通、建设等不同政府职能部门收集大量的数据，通过现场调查、监测数据分析等技术手段识别地质灾害风险点，综合研判地质灾害的类型和风险等级。由于地质灾害具有突发性、隐蔽性等特点，数据的收集、专家的研判等过程需要耗费大量的时间，现有地质灾害识别、预警和指挥调度较为耗时，且效率较低。
发明内容
针对上述技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，解决现有技术中对地质灾害的识别和预警所需要耗费的时间长和工作效率低的问题，以及对地质灾害的识别和预警不够准确和及时的问题。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，包括数据库、数据层、网络层、共识层、合约层和应用层：
所述数据库位于分布式存储系统内，用以存储各类专业监测数据和辅助预警数据；
所述数据层将将地质灾害专业监测数据和辅助预警数据转化为消息摘要，生成数字签名和时间戳，并上传至区块链；
所述网络层用以机构建P2P数据传输通道，并形成位于客户端节点的分布式存储系统，以及以各个职能部门为节点的区块链；
所述数据库位于分布式存储系统内，用以存储各类专业监测数据和辅助预警数据；
所述数据层将将地质灾害专业监测数据和辅助预警数据转化为消息摘要，生成数字签名和时间戳，并上传至区块链；
所述共识层嵌套于区块链的链码中，用于对客户端上传至链码内的消息摘要进行身份验证，以及对客户端上传消息的工作量进行验证；
所述合约层内含有嵌套在区块链中的智能合约，用以对客户端(请求方)通过API接口发起的地质灾害风险识别和预警相关的提案进行认证和研判，判断客户端节点上传的提案是否能写入区块链；
所述应用层对请求方(客户端)发出的地质灾害数据进行研判和响应，并将结果反馈给执行部门，使执行部门实现早期地质灾害风险识别和预警。
本技术方案的工作原理为：
本发明以物联网、5G或其他数据传输网络为物理基础，采用P2P的传输方式将各类监测数据存储于分布式系统的数据库中，通过Hash算法将数据库中的地质灾专业监测数据和辅助预警数据生成索引文件，索引文件再通过ShA 256算法形成监测数据的消息摘要上传至联盟链；联盟链内的节点包括但不限于自然资源、应急管理、地震、气象、交通、建设等政府职能部门和相关科研机构，将地质灾害预警和风险评估相关的标准和技术规范编写为智能合约并部署在区块链内，区块链内的各职能部门(节点)通过实用拜占庭容错算法(PBFT)综合研判地质灾害的风险点、灾害类别和风险等级，并将结果反馈给执行部门，使执行部门实现早期地质灾害风险识别和预警。
进一步限定，所述区块链中各个职能部门节点包括但不限于自然资源、应急管理、地震、气象、交通和建设等职能部门以及相关科研机构。
进一步限定，所述智能合约指的是采用JavaScript语言将地质灾害相关的国家标准、行业标准、地方标准和规范规程编码形成可执行代码，并部署到区块链上。
进一步限定，所述智能合约的执行流程为：
(1)客户端(请求方)向超级账本的背书节点发出调用链码的提案。
(2)节点对提案进行包括身份授权、消息错误、数字签名、时间戳等检查在内的各种检验，检验通过后创建模拟执行环境。
(3)执行环境调用各类地质灾害相关的标准和规范，对提案进行认证和研判。
(4)节点和链码容器(Docker)之间通过gRPC来交互信息，模拟执行地质灾害的风险点识别、类型和风险等级评价。
(5)链码的代码逻辑需要读写超级账本时，链码会通过容器(Docker)内的shim层发送相应操作类型的链码消息给节点，节点本地操作账本后返回响应消息。
(6)客户端(请求方)收到足够的背书节点的支持后，便可以将各节点的响应写入区块链。
进一步限定，所述共识层中采用实用拜占庭容错算法对请求方发出的地质灾害数据进行研判和响应。
进一步限定，所述共识层中实用拜占庭容错算法的算法流程如下：
(1)请求方(客户端)节点发起请求：请求方(客户端)寻找区块链内最近的节点作为主节点(节点2)，并向主节点发送请求调用服务操作；
(2)主节点广播：节点2收到请求端节点的请求后进行广播，广播至节点1、3和4；
(3)节点广播：节点1、3和4收到广播并对消息处理完后，再次向区块链中的其他节点广播消息，比如，节点3将收到的消息处理后再将消息传播至1、2、4；
(4)执行请求：节点1-4在节点广播阶段，如果收到2f+1以上数量相同的请求，则进入执行请求阶段，开始广播执行请求；
(5)反馈：节点1、2、3、4在执行请求阶段，如果收到2f+1以上数量的相同请求，则对请求方(客户端)节点反馈处理结果；
(6)所有节点都执行请求并将结果发回请求方(客户端)，请求方需要等待f+1个不同节点返回相同的结果，作为整个操作的最终结果；
在PBFT算法中，如果满足N≥3f+1，其中N为总节点数，f为有故障的节点总数，那么最终对地质灾害预警方案研判的一致性是可以达成的。
进一步限定，所述各类专业监测数据和辅助预警数据包括但不限于卫星遥感数据、现场监测数据、地质灾害现场驻守人员的调查资料、公众线索信息、气象数据、地震监测数据等。
进一步限定，所述区块链内各节点消息的传输和响应采用广播式传播。
上述技术方案中，系统的主要组成部分具体为：
数据库位于分布式存储系统中，包括但不限于卫星遥感数据(InSAR、无人机倾斜摄影、重力探测等)、现场监测数据(深度位移、地表位移、裂缝监测、应力监测等)、地质灾害现场驻守人员的调查资料(图片、草图、文字记录等)、公众线索信息(文字、语音、图片等)、气象数据、地震监测数据等。
数据层主要包括SHA 256算法，将地质灾害专业监测数据和辅助预警数据转化为消息摘要，生成数字签名和时间戳。
网络层的物理基础为物联网，主要包括3个部分：位于节点(客户端)的分布式存储系统，节点对节点的P2P网络，在物联网内授权、持有密钥的各职能部门形成的区块链。区块链内各节点消息的传输和响应采用广播式传播。
共识层和合约层共同嵌套在区块链的链码中。首先节点需要对请求方上传至区块链内的消息摘要进行身份授权验证，并对各类消息证明请求方的工作量，对各类地质灾害监测数据进行认证来证明请求方完成了相应的工作量。请求方需提供与监测数据相对应的Hash块值作为工作量的证明。区块链内的某一节点对Hash块值通过验证后，再通过块链发送给其他节点进行验证。该发明所述的工作量证明方案，对于请求方是适中的，对于验证方则是易于验证的。
合约层由区块链内的各节点共同商定，采用JavaScript语言将地质灾害相关的各类标准、规范、规程等编码为智能合约，形成的可执行代码通过链码实现，部署到区块链并永久在链上运行，不需要任何管理机构对执行代码的控制，各节点必须遵守智能合约的规定。
应用层包括但不限于自然资源、应急管理、地震、气象、交通、建设等各职能部门和相关科研机构，对请求方(客户端)发出的地质灾害数据进行研判和响应，并将结果反馈给执行部门，比如地质灾害调度中心或应急指挥救援系统，实现对地质灾害的早期识别和风险预警。
本技术方案取得的技术效果如下：
本发明与现有技术相比，可以跨越单个部门的数据中心化平台，多个政府职能部门(节点)同时研判地质灾害发生的可能性及危险性，避免了单独一个部门决策的风险，具有去中心化的优点；原始数据经Hash算法加密后再上传至网络中，且区块链内的各节点可追溯原始数据，具有数据隐私保护、防篡改、可追溯、开放、共享等优点。此外，区块链内的节点通过共识算法和智能合约识别地质灾害风险点、预判地质灾害的类别和等级，提高了地质灾害点识别和早期预警效率的准确性。本发明为地质灾害的早期识别和风险预警提供了有效的多部门协作方案，对于有效保障人民的生命和财产安全具有重要意义。
附图说明
图1本实施例中监测预警系统结构示意图。
图2为本实施例中各组成元素的结构及功能示意图。
图3为本实施中智能合约的结构示意图。
图4为本实施例中共识机制的工作原理及结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
参照图1所示的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，主要包括区块链的数据层、网络层、共识层、合约层和应用层，共识层和合约层嵌套在区块链的链码中。
其中，数据层将各类专业监测数据(包括但不限于卫星遥感、无人机倾斜摄影、雨量计、应力计、裂缝计、钻孔倾斜仪、位移计、测斜仪、光纤、微地震监测、重力监测、声波仪、次声探测仪等)和辅助预警数据(风力、温度、降雨、地震、坡体挖掘等)转化为长度为32个字节(256位)的消息摘要，并将添加了数字签名和时间戳的消息摘要传输至区块链中。区块链内的节点包括但不限于自然资源、应急管理、地震、气象、交通、建设等各职能部门和相关科研机构，
网络层的物理基础可以为物联网，也可以为5G网络或其他网络传输方式，主要包括3个部分：位于节点(客户端)的分布式存储系统，节点对节点的P2P网络，在物联网内授权、持有密钥的各职能部门形成的区块链。区块链内各节点消息的传输和响应采用广播式传播。
共识层和合约层共同嵌套在区块链的链码中。请求方(客户端)提供与获取的监测数据相对应的Hash块值作为工作量的证明，节点对请求方的各类消息证明请求方完成的工作量，对各类地质灾害监测数据进行认证，以此证明请求方完成了相应的工作量。
合约层由区块链内的各节点共同商定，采用JavaScript语言将地质灾害相关的各类标准、规范、规程等编码为智能合约，形成的可执行代码通过链码实现，部署到区块链并永久在链上运行，各节点必须遵守智能合约的规定。
应用层包括了自然资源、应急管理、地震、气象、交通、建设等各职能部门和相关科研机构，通过各政府职能部门对请求方(客户端)发起的同一事件进行判断，遵守共同表决、少数服从多数的原则，采用实用拜占庭容错算法(PBFT)对请求方发出的地质灾害数据进行研判和响应，并将结果反馈给执行部门，比如地质灾害调度中心或应急指挥救援系统，实现对地质灾害点的早期识别和风险预判。
图2示例了基于区块链的地质灾害监测预警系统结构。主要包括数据库、数据层、网络层、共识层、合约层、应用层等，其中，共识层和合约层嵌套在区块链的链码中。数据库位于分布式存储系统中，包括但不仅限于卫星遥感数据(InSAR、无人机倾斜摄影、重力探测等)、现场监测数据(深度位移、地表位移、裂缝监测、应力监测等)、地质灾害现场驻守人员的调查资料(图片、草图、文字记录等)、公众线索信息(文字、语音、图片等)、气象数据、地震监测数据等。数据层主要包括SHA256算法，将地质灾害专业监测数据和辅助预警数据转化为消息摘要，生成数字签名和时间戳。
网络层的物理基础为物联网，主要包括3个部分：位于节点(客户端)的分布式存储系统，节点对节点的P2P网络，在物联网内授权、持有密钥的各职能部门形成的区块链。区块链内各节点消息的传输和响应采用广播式传播。
共识层和合约层共同嵌套在区块链的链码中。首先节点需要对请求方上传至区块链内的消息摘要进行身份授权验证，并对各类消息证明请求方的工作量，对各类地质灾害监测数据进行认证来证明请求方完成了相应的工作量。请求方需提供与监测数据相对应的Hash块值作为工作量的证明。区块链内的某一节点对Hash块值通过验证后，再通过块链发送给其他节点进行验证。该发明所述的工作量证明方案，对于请求方是适中的，对于验证方则是易于验证的。
合约层由区块链内的各节点共同商定，采用JavaScript语言将地质灾害相关的各类标准、规范、规程等编码为智能合约，形成的可执行代码通过链码实现，部署到区块链并永久在链上运行，不需要任何管理机构对执行代码的控制，各节点必须遵守智能合约的规定。
应用层包括但不限于自然资源、应急管理、地震、气象、交通、建设等各职能部门和相关科研机构，对请求方(客户端)发出的地质灾害数据进行研判和响应，并将结果反馈给执行部门，比如地质灾害调度中心或应急指挥救援系统，实现对地质灾害的早期识别和风险预警。
图3示例了一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统的智能合约结构。区块链内的各职能部门共同商定地质灾害相关的国家标准、行业标准、地方标准、规范规程等，采用JavaScript语言编码为各节点必须遵守执行的可执行代码，并将代码部署到区块链内。客户端(请求方)通过API接口发起地质灾害风险识别和预警相关的提案，向区块链内的各职能部门(节点)发出请求。
智能合约嵌套在区块链的链码中，通过链码实现。链码在超级账本节点上的隔离沙盒(Docker容器)中执行，并通过gRPC协议来与节点进行交互。必要的交互包括调用链码、读写账本、返回响应结果等。具体的，智能合约的执行流程为：
1.客户端(请求方)向超级账本的背书节点发出调用链码的提案。
2.节点对提案进行包括身份授权、消息错误、数字签名、时间戳等检查在内的各种检验，检验通过后创建模拟执行环境。
3.执行环境调用各类地质灾害相关的标准和规范，对提案进行认证和研判。
4.节点和链码容器(Docker)之间通过gRPC来交互信息，模拟执行地质灾害的风险点识别、类型和风险等级评价。
5.链码的代码逻辑需要读写超级账本时，链码会通过容器(Docker)内的shim层发送相应操作类型的链码消息给节点，节点本地操作账本后返回响应消息。
6.客户端(请求方)收到足够多(指满足设定阈值)的背书节点的支持后，便可以将各节点的响应写入区块链。
图4示例了一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统的共识机制。该发明涉及的共识机制，通过各政府职能部门对请求方(客户端)发起的同一事件进行判断，遵守共同表决、少数服从多数的原则，采用实用拜占庭容错算法(PBFT)对请求方发出的地质灾害数据进行研判和响应，提高地质灾害风险点识别和预警方案的决策效率。
共识算法采用实用拜占庭容错算法(Practical Byzantine Fault Tolerant，PBFT)，解决了原始拜占庭容错算法效率不高的问题。PBFT是一种状态机制副本复制算法，即服务作为状态机进行建模。状态及在分布式系统不同节点进行副本复制。PBFT共识算法各个节点由业务的参与方或者监督方组成。安全性与稳定性由业务相关方保证，共识效率高，可以满足强降雨季节频繁的地质灾害识别和预警需求。
由于地质灾害专业监测数据和辅助预警数据存储在分布式系统中，区块链中的节点遵循智能合约，通过交换信息而达成共识，并按照相同的协作策略行动，系统很容易达成一致。
每一个请求方(客户端)的请求需要主节点广播、节点广播、执行请求、反馈4个阶段才能完成。PBFT的算法流程如下：
1.请求方(客户端)节点发起请求：请求方(客户端)寻找区块链内最近的节点作为主节点(节点2)，并向主节点发送请求调用服务操作；
2.主节点广播(Pre-Pre)：节点2收到请求端节点的请求后进行广播，广播至节点1、3和4；
3.节点广播(Promise)：节点1、3和4收到广播并对消息处理完后，再次向区块链中的其他节点广播消息，比如，节点3将收到的消息处理后再将消息传播至1、2、4。
4.执行请求(Commit)：节点1-4在节点广播阶段，如果收到2f+1以上数量相同的请求，则进入执行请求阶段，开始广播执行请求。
5.反馈(Reply)：节点1、2、3、4在执行请求阶段，如果收到2f+1以上数量的相同请求，则对请求方(客户端)节点反馈处理结果。
6.所有节点都执行请求并将结果发回请求方(客户端)，请求方需要等待f+1个不同节点返回相同的结果，作为整个操作的最终结果。
在PBFT算法中，如果满足N≥3f+1，其中N为总节点数，f为有故障的节点总数，那么最终对地质灾害预警方案研判的一致性是可以达成的。
综上，本发明提供的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，以物联网为物理基础，采用P2P的传输方式将各类监测数据存储于分布式系统的数据库中，通过Hash算法将数据库中的地质灾专业监测数据和辅助预警数据生成索引文件，索引文件再通过ShA256算法形成监测数据的消息摘要上传至区块链；区块链内的节点包括但不限于自然资源、应急管理、地震、气象、交通、建设等政府职能部门和相关科研机构，将地质灾害预警和风险评估相关的标准和技术规范作为智能合约，区块链内的各职能部门(节点)通过实用拜占庭容错算法(PBFT)综合研判地质灾害的风险点、灾害类别和风险等级。
与现有技术相比，可以跨越数据中心化平台，多个政府职能部门(节点)同时研判地质灾害发生的可能性及危险性，避免了单独一个部门决策的风险，具有去中心化的优点；原始数据经Hash算法加密后再上传至网络中，且区块链内的各节点可追溯原始数据，具有数据隐私保护、防篡改、可追溯、开放、共享等优点。此外，区块链内的节点通过共识算法和智能合约识别地质灾害风险点、预判地质灾害的类别和等级，提高了地质灾害识别和早期预警效率。本发明为地质灾害的早期识别和风险预警提供了有效的多部门协作方案，对于有效保障人民的生命和财产安全具有重要意义。
需要提前说明的是，在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

Claims (8)

1.一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，包括数据库、数据层、网络层、共识层、合约层、应用层，其特征在于：
所述数据库位于分布式存储系统内，用以存储各类专业监测数据和辅助预警数据；
所述数据层将将地质灾害专业监测数据和辅助预警数据转化为消息摘要，生成数字签名和时间戳，并上传至区块链；
所述网络层用以机构建P2P数据传输通道，并形成位于客户端节点的分布式存储系统，以及以各个职能部门为节点的区块链；
所述共识层嵌套于区块链的链码中，用于对客户端上传至链码内的消息摘要进行身份验证，以及对客户端上传消息的工作量进行验证；
所述合约层内含有嵌套在区块链中的智能合约，用以对客户端通过API接口发起的地质灾害风险识别和预警提案进行认证和研判，判断客户端节点上传的提案是否能写入区块链；
所述应用层对请求方发出的地质灾害数据进行研判和响应，并将结果反馈给执行部门，使执行部门实现早期地质灾害风险识别和预警。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，其特征在于，所述区块链中各个职能部门节点包括但不限于自然资源、应急管理、地震、气象、交通和建设职能部门以及相关科研机构。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，其特征在于，所述智能合约指的是采用JavaScript语言将地质灾害相关的国家标准、行业标准、地方标准、和规范规程形成可执行代码，并部署到区块链上。
4.根据权利要求3所述的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，其特征在于，所述智能合约的执行流程为：
(1)客户端向超级账本的背书节点发出调用链码的提案。
(2)节点对提案进行包括身份授权、消息错误、数字签名、时间戳的检验，检验通过后创建模拟执行环境。
(3)执行环境调用各类地质灾害相关的标准和规范，对提案进行认证和研判。
(4)节点和链码容器之间通过gRPC来交互信息，模拟执行地质灾害的风险点识别、类型和风险等级评价。
(5)链码的代码逻辑需要读写超级账本时，链码会通过容器内的shim层发送相应操作类型的链码消息给节点，节点本地操作账本后返回响应消息。
(6)客户端收到足够的背书节点的支持后，便可以将各节点的响应写入区块链。
5.根据权利要求1所述的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，其特征在于，所述共识层中采用实用拜占庭容错算法对请求方发出的地质灾害数据进行研判和响应。
6.根据权利要求5所述的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，其特征在于，所述共识层中实用拜占庭容错算法的算法流程如下：
(1)请求方节点发起请求：请求方寻找区块链内最近的节点作为节点2，并向主节点发送请求调用服务操作；
(2)主节点广播：节点2收到请求端节点的请求后进行广播，广播至节点1、3和4；
(3)节点广播：节点1、3和4收到广播并对消息处理完后，再次向区块链中的其他节点广播消息；
(4)执行请求：节点1-4在节点广播阶段，如果收到2f+1以上数量相同的请求，则进入执行请求阶段，开始广播执行请求；
(5)反馈：节点1、2、3、4在执行请求阶段，如果收到2f+1以上数量的相同请求，则对请求方节点反馈处理结果；
(6)所有节点都执行请求并将结果发回请求方，请求方需要等待f+1个不同节点返回相同的结果，作为整个操作的最终结果；
在PBFT算法中，如果满足N≥3f+1，其中N为总节点数，f为有故障的节点总数，那么最终对地质灾害预警方案研判的一致性是可以达成的。
7.根据权利要求1所述的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，其特征在于，所述各类专业监测数据和辅助预警数据包括但不限于卫星遥感数据、现场监测数据、地质灾害现场驻守人员的调查资料、公众线索信息、气象数据、地震监测数据。
8.根据权利要求1所述的一种基于区块链的地质灾害风险识别和预警系统，其特征在于，所述区块链内各节点消息的传输和响应采用广播式传播。
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