◇三門峽職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息傳媒學(xué)院 王瑞娜

在物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)快速的背景下，建設(shè)智慧城市，實(shí)現(xiàn)城市管理的信息化和智能化成為新時(shí)代每一座城市的發(fā)展新趨勢(shì)。智慧城市建設(shè)中會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳輸、處理的高效性和安全性，是智慧城市建設(shè)和發(fā)展必須解決的問題。本文將區(qū)塊鏈技術(shù)與智慧城市相結(jié)合，借助區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化部署、建立信任機(jī)制、數(shù)據(jù)交換過程透明和數(shù)據(jù)可溯源的特點(diǎn)，將該技術(shù)應(yīng)用到公共服務(wù)如交通、醫(yī)療、物流等領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了智慧城市安全、高效的數(shù)據(jù)交換。

隨著云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)等信息技術(shù)的快速發(fā)展，城市各行業(yè)或領(lǐng)域的運(yùn)行系統(tǒng)都會(huì)借助新技術(shù)去采集、傳輸、整合和分析相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，實(shí)現(xiàn)智能化的城市建設(shè)和管理已成為新時(shí)代背景下城市規(guī)劃的必然結(jié)果。然而，隨著智慧城市建設(shè)的不斷實(shí)踐化，智慧城市的建設(shè)和管理也面臨著很多問題。首先，對(duì)于城市各方面數(shù)據(jù)的采集和分析不夠完善，無法完成數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確化；其次，基于目前物聯(lián)網(wǎng)集成化程度不高，各平臺(tái)在數(shù)據(jù)分享、協(xié)同工作及數(shù)據(jù)安全等方面還面臨較大挑戰(zhàn)，因此，導(dǎo)致目前智慧城市建設(shè)出現(xiàn)數(shù)據(jù)孤島，無法高效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，保障數(shù)據(jù)安全，使智慧城市建設(shè)停留在數(shù)字化階段，距離理想中的數(shù)據(jù)化還有一定的距離。解決這些問題，不僅需要軟件技術(shù)的升級(jí)和更新，還需要升級(jí)硬件設(shè)備的底層協(xié)議，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到智慧城市的建設(shè)中能有效解決這些問題。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)的特點(diǎn)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)分布式的共享賬本和數(shù)據(jù)庫，它采用分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸[1]。區(qū)塊鏈存儲(chǔ)的基本單元是區(qū)塊，每個(gè)區(qū)塊內(nèi)都存放著數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)狀態(tài)以及其發(fā)生變化的所有過程及結(jié)果，而且新增加的區(qū)塊還會(huì)包含著上一個(gè)區(qū)塊的信息，每個(gè)區(qū)塊按照它生成的順序進(jìn)行排列鏈接，就構(gòu)成了區(qū)塊鏈。其底層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上是通過構(gòu)建共識(shí)機(jī)制，依據(jù)相關(guān)協(xié)議實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)間的數(shù)據(jù)交換，并通過加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)不被偽造和篡改，有效的提高了網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)交換的安全性。區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、共享賬本、信任機(jī)制和信息可溯源的特點(diǎn)，能夠在智慧城市建設(shè)中發(fā)揮積極的作用。

圖1 數(shù)據(jù)共享中區(qū)塊鏈應(yīng)用結(jié)構(gòu)

（1）去中心化部署：區(qū)塊鏈技術(shù)采用分布式賬本，其交易記賬由分布在不同地點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)共同完成，而且各節(jié)點(diǎn)之間自由鏈接并高度自治，各節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)自我驗(yàn)證、傳遞和管理，不需要中心管制，也不依賴第三方管理機(jī)構(gòu)，強(qiáng)調(diào)的是數(shù)據(jù)的去中心化管理。智慧城市建設(shè)中的數(shù)據(jù)共享網(wǎng)絡(luò)可采用分布式的布局，能夠降低數(shù)據(jù)被篡改、丟失及被漏洞攻擊的風(fēng)險(xiǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)的安全性進(jìn)行了保障[2]。

（2）建立信任機(jī)制：區(qū)塊鏈內(nèi)部建立了眾多種類的共識(shí)機(jī)制，形成節(jié)點(diǎn)交易的準(zhǔn)則和協(xié)議，依靠共識(shí)機(jī)制，用戶能夠通過不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，只有通過驗(yàn)證的數(shù)據(jù)才能進(jìn)行交換，因此單個(gè)節(jié)點(diǎn)并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的功能和安全，有效的保證了數(shù)據(jù)交換過程的安全性、真性和可驗(yàn)證性。

（3）數(shù)據(jù)交換過程透明：區(qū)塊鏈采用非對(duì)稱加密、數(shù)字簽名、哈希算法等密碼學(xué)技術(shù)，對(duì)賬戶身份信息或其他隱私信息進(jìn)行高度加密，只有數(shù)據(jù)擁有者授權(quán)才能訪問，提高了數(shù)據(jù)的可靠性和數(shù)據(jù)交易的安全性。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)提供了共享賬本服務(wù)，數(shù)據(jù)交易過程中每個(gè)參與者都能加入到內(nèi)部數(shù)據(jù)庫的記錄過程中，這樣不僅避免了數(shù)據(jù)造假和錯(cuò)漏問題，也在一定程度上公開了數(shù)據(jù)交易的過程和記錄，保障了數(shù)據(jù)交換的公平性[3]。

（4）數(shù)據(jù)可溯源：在數(shù)據(jù)爆發(fā)式增長的環(huán)境下，數(shù)據(jù)所有權(quán)的認(rèn)證是個(gè)難題。區(qū)塊鏈?zhǔn)莻€(gè)分散的數(shù)據(jù)庫，記錄了區(qū)塊鏈上每筆交易的輸入輸出，該技術(shù)對(duì)鏈上所有數(shù)據(jù)進(jìn)行分析的同時(shí)也追蹤了數(shù)據(jù)信息的變化，通過判斷信息與源數(shù)據(jù)的權(quán)重等級(jí)和追蹤記錄，來判斷數(shù)據(jù)的所有權(quán)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可溯源，打消數(shù)據(jù)使用的顧慮，以促進(jìn)數(shù)據(jù)共享。此外，區(qū)塊鏈還采用了時(shí)間戳服務(wù)機(jī)制，能夠證明數(shù)據(jù)寫入和發(fā)生交易的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)所有權(quán)和使用的分離，保證數(shù)據(jù)所有權(quán)的同時(shí)，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的資產(chǎn)化。

2 基于區(qū)塊鏈的智慧城市體系結(jié)構(gòu)

智慧城市是構(gòu)建在互聯(lián)網(wǎng)、局域網(wǎng)、城域網(wǎng)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等城市基礎(chǔ)通信資源的基礎(chǔ)上的，從智慧城市的實(shí)現(xiàn)功能及所起作用的角度來分析，智慧城市的體系架構(gòu)至少包含物理層、通信層、平臺(tái)層和應(yīng)用層四個(gè)模塊，圖2是基于區(qū)塊鏈的智慧城市體系架構(gòu)。

圖2 基于區(qū)塊鏈的智慧城市體系架構(gòu)

（1）物理層：物理層屬于智慧城市建設(shè)的感知部分，位于智慧城市體系結(jié)構(gòu)的最底端，其設(shè)備包括傳感器、無線網(wǎng)關(guān)和互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，用于數(shù)據(jù)信息的采集和處理，為智慧城市的建設(shè)和運(yùn)行提供基礎(chǔ)信息，例如智慧交通的感知部分可以是攝像頭、測(cè)速雷達(dá)等；智慧物流的感知部分可以是條形碼、RFID電子標(biāo)簽等；智慧農(nóng)業(yè)的感知部分可以是溫濕度傳感器、CO2濃度傳感器、光敏傳感器等；智慧醫(yī)療的感知部分可以是測(cè)量身體各項(xiàng)指征的傳感器、遠(yuǎn)程醫(yī)療監(jiān)護(hù)視頻等。智慧城市的物理層是通過各種檢測(cè)手段和技術(shù)，對(duì)城市中人和物的位置、狀態(tài)等信息進(jìn)行多種方式的感知，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集。

（2）通信層：智慧城市的通信層實(shí)現(xiàn)物理感知層的數(shù)據(jù)接入。智慧城市由各種不同的設(shè)備組成，這些設(shè)備遍及城市的各個(gè)地方，而且數(shù)據(jù)接口千差萬別并且涉及多種不同業(yè)務(wù)，因此，單一的通信技術(shù)無法滿足不同設(shè)備和不同業(yè)務(wù)的需求。目前，智慧城市的通信方式類型較多，如藍(lán)牙、WIFI、4G/5G、以太網(wǎng)、電力線載波、WAPI、無線LAN等通信技術(shù)，能夠滿足智慧城市通信覆蓋面積廣闊和高效傳輸及處理大量數(shù)據(jù)的需求。為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩院碗[私性，區(qū)塊鏈協(xié)議與通信層集成，可以在P2P網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過重疊網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議將交易記錄轉(zhuǎn)換成塊，然后將區(qū)塊鏈中的分發(fā)協(xié)議比特流用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的通信，最后通過部署智能合約實(shí)現(xiàn)自我執(zhí)行和自我驗(yàn)證[4]。

（3）平臺(tái)層：該層是智慧城市的核心部分，包含了數(shù)據(jù)中心、驗(yàn)證中心和審核中心。平臺(tái)層主要完成將物理感知層采集的數(shù)據(jù)根據(jù)智慧城市的應(yīng)用部分整合到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中。智慧城市產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是海量的，采用集中式的數(shù)據(jù)管理，對(duì)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)成本、計(jì)算分析能力和網(wǎng)絡(luò)寬帶等的要求都很高，因此可以采用分布式系統(tǒng)來完成數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和分析。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N分布式的分類賬，能夠按照時(shí)間戳提供的時(shí)序一個(gè)接一個(gè)的存儲(chǔ)記錄，而且每條記錄都含有唯一的加密簽名，所有的交易記錄都能被合法的用戶進(jìn)行審核和驗(yàn)證，能夠避免數(shù)據(jù)傳輸時(shí)被惡意的進(jìn)行竊取或者篡改。區(qū)塊鏈的分布式記賬分為公共分類賬和私有分類賬，其中公共分類賬是公開透明的，是一個(gè)沒有許可證的網(wǎng)絡(luò)，這意味著任何人都可以加入這個(gè)網(wǎng)絡(luò)，但其必須維護(hù)復(fù)雜的共享記錄，與私有分類帳相比，它不僅可能會(huì)遭到匿名攻擊，而且需要更多的時(shí)間才能達(dá)到共識(shí)。

（4）應(yīng)用層：智慧城市的應(yīng)用層體現(xiàn)在不同行業(yè)或領(lǐng)域的智慧應(yīng)用及應(yīng)用整合，其直接面向終端用戶。各應(yīng)用部分通過相關(guān)的感知部分智能采集相關(guān)領(lǐng)域的各種數(shù)據(jù)，并傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)、分析及加工，最終由應(yīng)用部分共享數(shù)據(jù)，由此為城市的各行業(yè)和領(lǐng)域提供信息化支持和服務(wù)。如智能家居系統(tǒng)可通過智能手機(jī)的應(yīng)用程序，遠(yuǎn)程控制家中電器、報(bào)警系統(tǒng)的開關(guān)等。此外，智慧+醫(yī)療、交通、金融、教育等，它們不僅能實(shí)現(xiàn)各自業(yè)務(wù)功能的智能化，而且它們之間的相互協(xié)作也能促使智慧化建設(shè)做出更好的決策。

3 區(qū)塊鏈在智慧城市建設(shè)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）有效提高系統(tǒng)管理效率。智慧城市的建設(shè)和運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于交通、醫(yī)療、政務(wù)、商務(wù)等不同領(lǐng)域，其采集的數(shù)據(jù)端口不同，而且數(shù)據(jù)類型繁多，導(dǎo)致信息的管理比較分散而且很難進(jìn)行統(tǒng)一的管控。采用區(qū)塊鏈技術(shù)可以將各類端口和信息分別置于區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)上，通過不同地點(diǎn)的分散的節(jié)點(diǎn)來應(yīng)對(duì)眾多不同服務(wù)端口的數(shù)據(jù)采集及對(duì)各系統(tǒng)中大量數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，這樣不僅能減少系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、管理、分析和處理的運(yùn)行成本，同時(shí)也能提高系統(tǒng)的運(yùn)作效率。對(duì)于公共服務(wù)機(jī)構(gòu)，借助區(qū)塊鏈的節(jié)點(diǎn)優(yōu)勢(shì)，不僅能降低機(jī)構(gòu)系統(tǒng)開發(fā)、運(yùn)行和管理的成本，還使得各部門權(quán)責(zé)分明，提高整個(gè)系統(tǒng)的管理效率，通過各部門多領(lǐng)域的信息協(xié)作共享，加大智慧城市建設(shè)的力度。

（2）促使城市管理的高效性。基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)平臺(tái)由區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)源和監(jiān)管服務(wù)等方面組成，其中監(jiān)管準(zhǔn)入服務(wù)對(duì)各類信息的出入權(quán)益進(jìn)行了嚴(yán)格的監(jiān)管，而且區(qū)塊鏈中節(jié)點(diǎn)和監(jiān)管準(zhǔn)入服務(wù)必須共同作用，才能實(shí)現(xiàn)信息的監(jiān)管，區(qū)塊鏈的這個(gè)功能能夠?qū)崿F(xiàn)智慧城市建設(shè)的多領(lǐng)域的管理，提高系統(tǒng)的管理效率。如區(qū)塊鏈技術(shù)在智慧交通管理中的應(yīng)用，天氣數(shù)據(jù)、交通車流量及道路狀況分別需要不同的參與者進(jìn)行數(shù)據(jù)的收集和分析，再由區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)進(jìn)行傳送以實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)和管理，最后通過監(jiān)管準(zhǔn)入服務(wù)進(jìn)行信息的判斷，合格的信息可以存儲(chǔ)到區(qū)塊鏈上[5]。需要進(jìn)行信息查閱的人可以通過相關(guān)的數(shù)據(jù)接口進(jìn)入?yún)^(qū)塊鏈進(jìn)行訪問，讓交通實(shí)現(xiàn)了智能化和信息化，提高了交通管理系統(tǒng)的效率。

（3）智能合約功能在各領(lǐng)域中的應(yīng)用。智能合約是在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)庫上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，能夠在滿足源代碼的寫入條件時(shí)自動(dòng)執(zhí)行，通過程序算法替代人仲裁和執(zhí)行合同。智能合約一旦制定好就不能修改，若節(jié)點(diǎn)要進(jìn)行數(shù)據(jù)交易就必須遵循相應(yīng)的準(zhǔn)則和協(xié)議。如智能合約在智慧醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)藥品供應(yīng)鏈的監(jiān)管與藥品鑒別，所有藥品供應(yīng)鏈的參與者，通過智能物聯(lián)設(shè)備采集藥品生產(chǎn)者、運(yùn)輸商、銷售商及醫(yī)院的相關(guān)信息，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)將這些數(shù)據(jù)上鏈，借助智能合約功能，保證數(shù)據(jù)的透明性、不可篡改性和永久有效性，確保數(shù)據(jù)安全與信息可回溯，同時(shí)，在采集數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時(shí)自動(dòng)報(bào)警，避免出現(xiàn)重大損失。

4 結(jié)語

根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)的特征及優(yōu)勢(shì)，其被運(yùn)用在智慧城市建設(shè)的不同行業(yè)和不同的終端設(shè)備中，為智慧城市的建設(shè)提供了底層的技術(shù)保障?；趨^(qū)塊鏈的智慧城市建設(shè)，不僅提高了民眾的參與度，也節(jié)約了城市管理的成本，提高了政府監(jiān)管的力度，提高了工作效率及服務(wù)水平，促使城市管理的信息化和智能化，使數(shù)據(jù)更好的為民眾服務(wù)，進(jìn)一步推動(dòng)城市建設(shè)。