基于区块链的智慧城市时空大数据平台相关研究

概括

开展智慧城市时空大数据平台建设，不仅是提升城市治理能力的重要手段，也是实现城市共建、共治、共享的重要途径。 但在平台的实际设计和建设中，面临着数据共享、信息安全、设施建设和功能扩展等诸多问题。 区块链技术作为近年来新兴的数据和服务组织形式，已经成为未来社会协作和组织的技术基础之一。 文章以区块链技术为基础，提出了基于区块链的智慧城市大数据平台底层技术框架，并将基于区块链的资源共享流程串联起来，提出了基于智慧城市的资源共享流程。为有效解决传统大数据平台成本高、开放性低、安全性差等问题提供解决方案，促进政府资源监管和城市共建、共治、共享。

介绍

到2025年，中国将拥有10亿城市人口，城市规划和空间治理面临严峻挑战。 当前，智慧城市建设已成为解决各类城市问题的重要途径。 智慧城市建设对于实现城市高质量发展、提升城市竞争力具有重要意义。 是推进社会治理法治化、智能化、专业化的重要支点。

时空大数据平台作为智慧城市的核心基础之一，不仅是最基础的信息资源，也是其他信息交换、共享和协同应用的载体，为其他信息在城市中的应用提供了时空基础。由三维时空交织构成的四维环境，实现基于统一时空基础的规划、布局、分析和决策。 时空大数据平台需要整合跨地域、跨网络、跨部门、跨实体的各类独立政务数据源、互联网资源、物联网采集数据资源，挖掘海量数据的内在价值，最终服务于政府部门。公众。 但在平台实际建设过程中，面临数据孤岛分散、资源采集困难、运营成本高、网络安全隐患等问题。

2008年，一位名叫“中本聪”的学者首次提出区块链的概念，区块链及相关技术发展迅速。 习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习会议上指出，要抓住区块链技术融合、功能拓展、产业细分的机遇，用区块链促进数据共享、优化业务流程，并降低运营成本。 降成本，提升协同效率，构建可信体系。 根据工信部发布的《2018年中国区块链产业白皮书》比特币面向企业应用的区块链框架，区块链技术已在我国电子政务领域得到应用。 区块链具有去中心化、定时性、公开性和安全性等技术特征。 非常适合解决数据平台建设和资源共享的问题。 解决方案和计划。

一、研究背景及意义

2012年我国启动智慧城市时空信息云平台建设试点，随后相继制定修订了《智慧城市时空信息云平台试点建设技术导则》、《技术大纲》 《智慧城市时空信息云平台建设技术纲要（2015年版）》、《智慧城市时空大数据与云平台建设技术纲要（2017年版）》。2019年1月，自然资源部修订发布《智慧城市时空大数据与云平台建设技术纲要》。 《智慧城市时空大数据平台建设技术纲要（2019年版）》（以下简称《纲要》2019年版）。

2019版《纲要》利用原有通用平台、专业平台和个人平台的共享资源池和引擎，构建云平台，统一提供各类服务，增扩互联网在线爬虫等模块，增强系统的开放性和开放性。 自主学习等智能服务能力。 不仅如此，智慧城市时空大数据平台围绕自然资源管理核心功能，着力解决数据波动性和真实性问题，服务于公安、交通、环保、城管等领域。 ; 在数据的基础上，扩展实时位置信息，共享交通、环保、水利、气象等监测数据，以及基于互联网在线抓取的相关数据（图1）。

图1 时空大数据平台组成

根据2019版《纲要》要求，在技术层面，智慧城市时空大数据平台应具备高性能、高鲁棒性、抗攻击和强容灾能力； 在业务层面，需要配置访问管理、权限分级、信息授权等功能。 在平台建设过程中，如果采用传统的中心化技术，将需要大量的软硬件基础设施和持续的运营投入。 因此，面对实际设计和建设的更高要求，探索新一代技术迭代平台架构和资源共享模式迫在眉睫。

二、研究现状与概述

2.1 区块链相关研究现状

近年来，许多学者对区块链的基础技术进行了较为详尽的概述和研究。 Z.郑等人。 从架构、相关特性、共识算法、相关应用、研究挑战和方向等方面概述了区块链； 林等。 详细回顾了区块链技术面临的安全问题和挑战； Tschorsch 和 Scheuermann 对比特币的分布式加密货币的特点、相关概念、基本结构和应用进行了研究； Mukhopadhyay 等人。 比较总结了目前加密货币使用的主流挖矿技术； 桑卡尔等。 对广泛应用于区块链的共识机制进行研究； 李等。 从安全角度总结了区块链安全的研究现状，并讨论了未来的研究方向； 克里斯蒂迪斯等。 区块链和智能合约促进物联网的发展，并讨论了相关问题。

在基于区块链的智慧城市研究领域，Xie 等人。 从智慧市民、智慧医疗、智能电网、智慧交通、智慧政务等方面详细探讨了区块链技术在智慧城市领域的应用，探讨了基于区块链技术的研究挑战和未来研究方向连锁智慧城市； Scekic提出基于激励机制的居民共治智慧城市平台建设研究。

智慧政务与资源共享研究包括区块链技术创新政府治理模式研究、政府基础信息协同共享模式研究、智慧城市大数据基础平台设计与建设等。 对基于区块链的智慧城市时空大数据平台的架构模型和智能合约的深入研究相对缺乏。

2.2 区块链相关技术概述

区块链技术最初起源于比特币，其核心是基于所有参与者共识的公共账本，是一种广泛参与的分布式记账方式。 区块链技术具有去中心化、去信任化、集体维护、公开、自治、信息不可篡改、匿名等特点。 关联。 其块结构如图2所示。

图2 块结构

根据实际应用场景和需求，区块链技术已经演化出三种去中心化程度越来越高的应用模式，即公有链、联盟链和私有链（表1）。

表1 区块链应用模式对比

目前主流的区块链技术基础设施模型由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成（图3）。 其中，合约层主要封装了各种脚本、算法和智能合约，是区块链可编程特性的基础。 智能合约作为区块链最重要的特征，可以简单地看成是运行在区块链上的不可修改的程序代码。 与运行在中心服务上的传统程序相比，智能合约的代码是公开的、不可篡改的、自动执行的，可以有效避免传统中心化服务器可能出现的人为操纵和数据篡改等问题。

图 3 区块链基础架构模型

区块链技术的应用场景不仅限于比特币交易，还可以承载其他各种类型的业务。 广义上讲，区块链技术是一种利用加密的链式区块结构来验证和存储数据，利用分布式节点共识算法产生和更新数据，利用自动化脚本代码等智能合约对数据进行编程和操作的系统。 一种新的去中心化基础设施和分布式计算范式。 区块链技术通过统一的共享元数据、账本和执行代码，强化服务的去中心化、透明化、不可篡改等多方技术支撑能力，满足共同维护所有数据完整性和可靠性的需求。 它是一种适合多领域协作的手段和工具。

三、核心问题研究

3.1 基于区块链的智慧城市时空大数据平台架构设计

目前，我国政务资源大数据平台架构的主要模式大致分为点对点模式和集中式模式（图4）。 点对点模式主要用于横向信息共享，多用于层级之间、专业之间的信息共享，在同级单位之间应用较为广泛。 但是，在这种模式下，随着部门节点数量的增加，其连接和管理的复杂度将呈二次方增长。 集中式模式强调纵向信息共享比特币面向企业应用的区块链框架，是一种集中式的跨领域、跨部门、跨平台的信息共享模式。 该模型可以更好地为政府决策提供支持。 它是一种决策共享架构，但数据中心化趋势明显，对中心节点的依赖度过高。 当节点较多时，中心节点面临较大的负载和安全要求。 智慧城市的大数据服务面向城市中的各类机构和个人，更适合自下而上的分布式结构。 通过“服务-决策”和“集中-分布式”模式，更好地为政府决策和公共服务服务。

图4 主流大数据平台架构

本文提出的基于区块链的智慧城市时空大数据平台架构兼顾了传统点对点和中心化模式的优势。 既可以实现多个部门节点之间的点对点传输，又可以实现去中心化（图5）。 .

图5 基于区块链的时空大数据平台架构设计

在这种架构模型中，区块链节点被组织为联盟链节点，每个节点都受到监管服务器的严格控制，区块链数据只有经过许可访问才能获得。 这种模式可以加强隐私保护和非法信息屏蔽。 该架构涉及区块链节点网络、监管接入服务、相关机构部门、多维数据源服务等多种角色。 集成了实时数据采集和处理服务以及其他数据源和应用服务。 各横向纵向部门打破层级限制，在节点共识机制和智能合约自动运行的保障下，实现资源的协同共享。

对于联盟链节点，主要存储三类数据（图6）：第一类是元数据，元数据目录信息对外开放，允许其他组织通过目录获取所需数据。 第二类是智能合约数据。 每个区块链节点上都有一个执行器来驱动智能合约的运行。 执行器本质上是一个安全沙箱。 在执行智能合约时，它首先访问元数据，获取加密数据的位置，然后通过本地私钥对加密的私有数据进行数字签名，并通过多个执行者传输。 第三个是数据依赖执行器工作流生成的日志和状态数据。 该部分记录了获取加密数据的相关操作和智能合约的执行记录。

图6 联盟链节点中的数据存储

利用区块链分布式、去中心化的特点，平台可以将大量原有的服务器设备和海量存储离散分布在相关机构、部门等节点上，大大降低基础设施建设和运维成本。 不仅如此，各参与方根据自身相关业务需求进行特定的专业业务处理和计算，大大降低了统一平台的技术选型和研发难度，提高了特殊数据的处理能力。 在安全性方面，依托区块链的安全性、可靠性和可追溯性，可以有效保障平台的健壮性和安全性。 此外，在系统业务模型和数据模型扩展时，只需通过节点部署智能合约程序，无需重构后台架构和数据库结构，可显着提高系统的灵活性和可扩展性。系统。

3.2 基于智能合约的时空大数据平台资源协同共享流程

基于智能合约的智慧城市时空大数据平台资源共享流程分为五个核心步骤：智能合约生成、相关业务创建、表单验证、表单反馈、表单总备份（图7）。

图 7 基于智能合约的智慧城市时空大数据平台资源共享流程

(1) 智能合约生成。 首先，各组织的成员协商确定一份表明各方权利义务的承诺，并以可执行代码的形式组织成智能合约。 其次，智能合约由私钥签署，保证合约的有效性。 最后，区块链的共识节点广播智能合约，并向联盟链的各个节点注册。

（二）相关业务创建。 例如，机构A在申请业务时，平台首先通过节点验证其身份、信用状况等基本信息。 然后，使用机构A的私钥进行数字签名，形成共享表。 最后向其他机构发起查询请求并进行验证，并传至相关业务机构。

(3) 表单验证。 表格广播到全网后，各机构将表格临时缓存在区块中，进行查询或计算。 如果一个组织查询历史共享表，它会广播该区块的所有时间戳记录，并与全网其他组织核对，最终生成总表。

(4) 形成反馈。 经联盟链上组织验证后，通过数字签名将相应资源反馈给请求组织，请求组织根据联盟链中已有信息提醒、信息反馈不完整、不正确信息做出合理决策。反馈。

(5) 总表备份。 联盟链中的各个组织在通过传播验证后签署表格并编制通用表格，然后通过共识节点上传到联盟链，以供下次共享。 在具体实现中，当机构A请求机构B的资源时，执行者作为安全沙箱，实现资源的安全高效传输。 智能合约注册后，机构A和B之间的资源请求和反馈流程如图8所示。

图 8 资源交换工作流程示例

在执行器中，智能合约模块用于驱动工作流，工作流相关状态和所有外部数据记录（执行器日志/状态）写入联盟链进行归档。 共享主表（元数据）将记录在各联盟链节点的沙箱中，以数据目录的形式存储在各节点上。 当智能合约需要访问一些私有数据时，首先查询元数据信息，确认数据在组织B中，组织A的执行者向组织B发送资源请求。 key，然后在本地沙盒中用公钥解密。 同时，联盟链将输入数据以加密状态同步到其他节点沙箱。 这样，跨多个组织、多资源协作的工作流可以将相关数据存储在每个联盟链节点中，不向其他机构开放。

在时空大数据平台基于智能合约的资源协同共享流程下，资源的流转通过安全沙箱执行，全程可追溯，确保资源安全。 不仅如此，该流程依托通用的共享形式，改变了机构间资源拉动和推动的状态，实现了机构间资源一次共享、多次利用的效果，大大提高了资源共享的范围和效率。 在监管模型层面，各监管部门只参与相关机构的准入和智能合约的制定和注册，不参与具体流程。 在这种模式下，以往的政府主导推进转变为政府监督，各部门根据实际需要开展相关工作，不仅降低了政府运行成本和工作量，而且提高了服务效率，促进了资源和资源的有机整合。服务。

四、总结与展望

智慧城市建设已成为解决城市规划和空间治理的重要途径之一。 时空大数据平台作为智慧城市的基础设施，是智慧城市建设的基石。 自然资源部印发《智慧城市时空大数据平台建设技术纲要（2019年版）》，对时空大数据平台建设提出了更高要求。 基于区块链技术和2019年版《纲要》要求，提出基于区块链的时空大数据资源共享架构设计和基于智能合约的时空大数据平台资源协同共享流程。

平台架构由联盟链组织，在去中心化的同时保留准入和监管机制，涵盖区块链节点网络、相关机构部门、多维数据源服务等多种角色。 与传统模式相比，该模式可以大大降低基础设施建设和运维成本，具有健壮性、安全性、灵活性和可扩展性等特点。 资源共享与协作中一次共享、多次使用的特点，可以大大提高资源共享的范围和效率。 不仅如此，区块链技术的引入，将资源协同共享的工作模式从政府主导转变为政府监管、社会推动。 横向和纵向组织都突破了层级限制。 在节点智能合约自动运行的协同共享模型保障下，实现资源高效安全的协同共享。

智慧城市建设要充分融合生态文明建设理念和科学规划，共同打造宜居城市。 在国土空间规划领域，基于区块链的智慧城市时空大数据平台，可以有效整合空间规划相关的时空大数据，打通国土空间规划、国土空间治理等数据和服务通过联盟链。 在平台联盟链的安全机制保障下，可以有效促进各部门的数据共享和业务协同，实现城市规划、建设、管理和服务全过程的精细化和智能化。 不仅如此，时空大数据云平台架构能够有效支撑各级“多规合一”工作，连接各级机构，大幅降低平台建设和运营成本，打造专业的空间规划平台.

在业务层面，后续研究将继续探索区块链在国土空间规划领域的发展与应用； 在技​​术层面，基于智能合约和激励机制，将进一步释放时空大数据平台的开放性和创造性； 并且平台的参与者将进一步扩大，每个参与者都可以自由制定智能合约，利用开放的大数据提供相关服务。 在这种模式下，城市居民也可以参与城市的共建共治。 在政府机构、社会组织、商业企业和居民的共同参与下，进一步推动高质量发展的空间治理，实现城市健康可持续发展。 .