区块链技术在国家水权交易系统中的应用

Posted 2021-04-26 水利经济

摘         要

在区块链和我国经济社会融合发展的新形势下,为提高国家水权交易系统在安全性、适用性、可靠性、联动性等方面的性能,将区块链技术赋能于水权交易场景中,分析了区块链技术与国家水权交易系统的契合点,选择适用于国家水权交易系统的区块链类型,链接了交易所、交易用户、政府机构、投资者等合作参与方,探究了区块链技术与国家水权交易系统的集成应用。

区块链技术作为一种新信息技术正在受到广泛的关注和认可。作为一种分布式共享记账技术,区块链融合了分布式数据存储、点对点传输、共识机制、密码学等底层技术,具有去中心化、数据不可篡改、可溯源、开放性等特性。应用区块链技术能以较低的成本即可获得一种新型弱中心化信任建立机制和更大规模的多方管理协作模式,突破了过往中心化结构在信任、数据安全、监管等维度的瓶颈。2019年10月,习近平总书记在主持中共中央政治局第十八次集体学习时强调了区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中的重要作用,指出要加大投入力度,加快推动区块链技术和产业创新发展。在国家加大力度积极推进区块链和经济社会融合发展的新形势下,我国区块链技术的应用已向能源、农业、教育、医疗、水利等金融行业之外的各行业的应用场景延伸,区块链技术的集成应用正改变着诸多行业的运行规则和发展图景。

国家水权交易系统是由中国水权交易所开发的辐射全国的水权交易平台,覆盖国内水权市场上公开交易、政府回购及协议转让等多交易类型的信息挂牌、交易撮合、在线结算、成交公示等业务,为区域水权交易、取水权交易和灌溉用水户水权交易用户提供便捷、规范的交易平台。系统大大缩减了水权交易中间环节,降低了水权交易中不必要的成本,是交易规则得以顺利实施的有力载体及规范国内水权交易平稳有序开展的重要保障,已成为国内水权流转与交易信息汇总的权威平台。国家水权交易系统采用面向服务的体系架构(SOA)设计,部署在阿里云平台上,能够在多区域、大规模用户并发、高吞吐量交易数据的业务环境下高效运行 ,在软硬件维度都具有良好可拓展性,可根据业务发展完成系统扩展与升级,为未来全国大范围、高频度的水权交易流转提供了强有力的技术支撑。中国水权交易所一直在提升交易系统安全性、适用性、可靠性、联动性等方面做出尝试和努力。区块链技术的点对点的分布式记账方式、多节点共识机制、非对称加密和智能合约等多种技术手段为国家水权交易系统的改善升级提供了新的思路。笔者对区块链技术支持下的国家水权交易系统进行应用研究,构建基于区块链技术的水权交易系统架构,打造以“水权交易区块链”为载体的水权流转体系,探索实现区块链技术为水权交易赋能与价值提升。

1  区块链技术与国家水权交易系统的契合点分析

区块链技术具有智能合约、分布式记账、不可篡改、点对点等特质,与水权交易系统在共识、安全、效率、共享等方面的建设需求高度契合,具有广阔的应用空间。

1.1 以智能合约构建透明化水权交易规则体系共识机制

无论是公开交易、协议转让或是政府回购,当一笔水权交易发生时,卖水方挂牌/ 应牌、买水方挂牌/应牌、交易审核、保证金及交易价款缴纳、协议签订这一系列程序都是在水权交易规则体系的推动和规范下有序进行的。交易流程的流转及交易秩序的维护目前主要依托中国水权交易所及水行政主管部门作为每个节点的中介方或审核方确认和推动,在交易磋商、资金流转、协议签订等关键节点,对处于相对被动状态的出让方和受让方来说则存在着多方交互信任的挑战。

中国水权交易所作为水权交易系统的建设方,为相互陌生的水权交易用户开展交易提供了信用背书,区块链技术通过对智能合约的应用可以强化系统本身的信任机制。应用智能合约技术,将水权交易流程中的规则体系写入代码层,当合约的相关方在区块链上产生业务流转的时候,系统会自动触发一段代码来自动完成交易的流程,配合分布式分类账架构,使得交易规则体系及其在交易中的运行状态、执行过程具有透明性、不可篡改性和可溯源性。交易用户间可以通过算法程序建立互信,可以建立一种技术背书的共识机制,用数字信任来加持国家平台信用,构建透明、可靠的数字交易规则体系,推动具有高信任度的买卖双方“点对点”交易机制的培育,提升水权交易效率。此外,智能合约可以为水权交易业务流转带来可靠性的提升,针对不同的用户或者同一个用户不同时刻、不同终端设备的多次操作,对于输入交易系统相同的操作诉求,能够保证产生相同的输出,信任沿着区块链流转,消解履约风险,提升买卖双方的交易安全感。

1.2 以分布式结构保障水权交易数据的安全性与完整性

国家水权交易系统集成了自中国水权交易所开业以来国内水权交易全领域多维数据,涵盖了不同类型水权交易业务数据、交易用户数据、水权确权数据、结算数据、运营数据、监管数据、会员信息等。当前国家水权交易系统部署在云上,面对远距离掌控数据、脱离数据最终控制的负面因素,如何确保水权交易系统的数据不受侵害,保障数据安全性、完整性一直是水权交易系统的核心任务之一。区块链技术的分布式结构对传统数据记录机制的变革为保障国家水权交易系统的数据安全性和完整性提供了具体思路。区块链体系中的所有节点在公钥和私钥并存的加密机制下共同记录数据,维护备份同一本账本,当单点出现故障或受到攻击时,其他区块数据备份副本保障了数据完整和可靠,且区块链中每一笔交易数据都具有时间戳,数据一旦添加或交易已经完成,它就不能被编辑或删除。使用区块链来存储水权交易系统数据资源,配合可信硬件及可信安全程序,形成一个去中心化的分布式时间戳水权交易数据服务系统,可以有效地抵抗系统数据的丢失或未经授权的修改,保证系统中每条数据都真实可信,为系统数据存储建立安全壁垒,有效提升水权交易数据安全性和完整性。

1.3 支撑数据共享及联动,打通数据协作壁垒

水权交易实践的开展对水资源分配、水资源时空分布、用户取用水等要素数据有着综合应用需求,当前正在探索研究的水量水质双指标交易、生态补偿型交易、合同节水量交易等新类型的水权交易也需要动态掌握水环境、水生态、水利工程相关指标的监测数据。建立国家水权交易系统与国家水资源监控能力建设系统、取水许可电子证照系统、各地区/灌区水计量检测系统等信息化成果的数据共享联动与业务协同关系是提高水资源利用效率与效益、确保水权交易用水户节水激励效果、防范水权交易风险的关键点和难点所在。

对比传统的中心化数据共享模式,区块链技术为水权交易系统建设中打破各信息化成果壁垒制约找到了新的思路和模式,其分布式记账、共识机制、可溯源、加密算法、智能合约激励等机制具有信息透明、数据共享的特质,为系统数据共享和联动中异构数据的存储与交换、数据精准确权、安全共享、透明监管与授权、安全存储等技术瓶颈提供更为有效地解决方案。当水权交易、水资源分配、用户取用水情况等系列数据通过“链”上共建、共享、共用、共管,水资源“确权 交易 使用”实现全流程动态系统性掌控,建立水权交易评价体系和水权交易信用体系将成为区块链技术与水权交易结合的创新应用与价值转化新方向。

2 基于区块链技术的国家水权交易系统框架设计

基于区块链的技术特点及其与水权交易的契合点,笔者引入区块链作为底层技术基础对国家水权交易系统进行重设,链接交易用户、中国水权交易所、政府监管部门、金融机构、会员单位等多个参与方,构建水权、资金、交易信息、多系列数据的自主流转通道,以期提升水权交易系统的信任度、安全性、透明性等多方面性能(图1)。

图1 基于区块链技术的国家水权交易系统框架

2.1 区块链类型的确定 

区块链技术正从1.0阶段向3.0阶段发展,根据不同的场景和用户需求逐步形成了公有链、私有链和联盟链 3 个类型分支,在国家水权交易系统中应用区块链技术首先应该选择合适的区块链类型。

公有链没有节点准入限制,任何人都可以读取数据、发送交易且交易能够获得有效确认,其完全去中心化特质导致节点的监管难度大,法律属性及监管政策需多方协作共同推进。私有链通常在单独实体使用,链上的各类权限取决于单独实体的规则。联盟链是一种介于公有链和私有链中间的形态,其节点范围限定在经过注册和授权的有限数量的单位,与公有链及私有链相比,联盟链的开放程度是有限制的,但保留了一定的去中心化程度,效率及针对性更高,更适合当前阶段在民生、金融和商业领域的应用。基于国家水权交易系统的功能结构特性,在最大限度发挥区块链技术去中心化管理特性的基础上,平衡灌溉用水户、企业用水户等特定群体中的高共识成本,综合考虑当前区块链技术的成熟度不够及配套政策法规滞后可能带来的风险,笔者选择联盟链的形式作为国家水权交易系统的框架基础。

2.2 水权交易联盟链节点建设

在水权交易系统联盟链中,交易所、政府机构、部分交易用户、地方水权交易/ 收储转让中心、金融机构、投资者、会员单位、参与数据共享的其他信息系统等可通过注册成为链上节点,所有节点共同工作以实现联盟链整体利益最大化(图2)。

图2 水权交易系统联盟链结构

中国水权交易所是水权交易系统的开发者,推动整个联盟链体系的建设与维护管理,串联起联盟链中的各个节点,设立统一的技术标准和管理标准,集成安全、可靠的水权交易平台;政府机构对水权交易关键流程进行审核和监管,部分潜力地区政府积极探索在本地培育特色水权交易市场;地方水权收储转让机构对地方上用水户、行业、企业节余水权和节水改造节余水权等进行收储转让,形成联盟链支链,支链与总链、支链内部、支链间依靠地方水权收储转让机构并联共享联盟链的技术保障;各类共享信息系统结合水权交易应用需求,为联盟链输入相关水资源、水环境、水生态、水利工程等业务数据和感知数据,为水权交易从确权、到交易后评价的全周期提供数据支撑;金融机构为链上资金流转、支付结算提供技术支持和安全保障;会员单位与中国水权交易所是共同利益体,合作开拓水权交易上下游业务,共同培育水权交易市场,是联盟链上水权交易业务的重要推动节点;节水服务投资者通过集成先进技术、提供节水改造和管理的服务产生的节水量可以通过水权交易系统产生交易收益;交易双方的购水与售水需求是整个交易联盟链转动的发动机,确保结余水权与资金通过联盟链的运转和传送,安全、高效地反向流转到对方手中，形成水权确权、水权交易、全流程监管、在线结算、数据集成、信用评价反馈的可持续循环水权流转体系,是基于区块链技术的水权交易系统核心功能所在(图3)。

图3 水权通过“联盟链”流转

2.3 系统架构设计

结合国家水权交易系统的功能和性能需求,笔者将以区块链为底层技术的国家水权交易系统基础架构分为6层:业务平台层、智能合约层、共识层、网络层、数据层和基础设施层(图4)。

图4 基于区块链技术的国家水权交易系统框架

业务平台层深入水权交易系统业务需求,封装了国家水权交易系统的全部应用场景,交易主体通过业务品包括水权交易子系统、综合查询子系统、资金结算子系统、用户管理子系统、信用评价子系统及灌溉用水户手机 APP 应用,为交易用户提供全面、便捷的交易服务。

智能合约层封装系统中的脚本、代码、算法机制及智能合约。水权交易系统用户通过智能合约实现水资源的交易、结算、监管,覆盖水权交易业务流的基本规则和逻辑。将水权交易流程中交易双方、交易所、金融机构、监管方之间需要的公开交易合约、协议转让合约、交易结算合约、交易撮合规则、监管规则及交易流程逻辑等通过脚本代码和算法机制写入系统智能合约层,通过设置相应的触发条件和规则,完成合约的自动执行,降低水权交易中的信任成本,减少交易所及监管方的中间人环节,提升交易效率。

共识层所封装的共识机制是区块链系统最关键的技术之一,负责协调保证全网各节点数据记录一致性。PoW(工作量证明)、PoS(股权证明)、DPoS(授权股权证明)是目前比较常见的共识算法,在性能效率、去中心化程度、资源消耗等方面各有优劣,适用于不同特性的应用场景。考虑基于联盟链的国 家水权交易系统需均衡考虑安全性与系统交易性能,笔者选用 DPoS 授权股权证明作为系统的共识算法(表1)。

表1　共识算法性能对比

性能	PoW	PoS	DPoS
性能效率	低	较高	高
去中心化程度	完全	完全	完全
安全威胁	算力集中化	候选人作弊	候选人作弊
一致性	有分叉	有分叉	有分叉
资源消耗	高	中	低

系统网络层采用承载着 P2P(点对点)组网机制、数据传播机制、数据验证机制的 P2P 网络,交易系统中联盟链上的各节点通过点对点网络达成信息 的传输和服务的实现。

数据层用来存储水权交易系统中的交易数据、用户数据、结算数据及其他信息化成果的共享数据等,这些数据以一个个区块的封装打包方式加盖时间戳后存储在水权交易系统联盟链上,经过哈希算法将区块头尾相连,对称加密与非对称加密混合的加密机制保护,形成一个安全的分布式数据账本 ,实现水权交易基础数据和业务数据的存储以及水权交易的实现与安全保障(图5)。

图5 数据在联盟链中存储形式

基础设施层封装了基于联盟链技术的国家水权交易系统建设所需的基础软硬件设施,提供物理环境支撑。

3 展望

相对于传统的中心化系统架构,区块链技术可以推动国家水权交易系统向多方参与者间协作共享的方向发展,在安全、信任、效率、应用拓展等多方面提升性能水平,具有重要的实践和示范意义。然而,从技术层面、经济层面和风险防控层面来看,区块链技术在水权交易领域进一步应用还面临着诸多挑战,如运营管理机制的建设、数据开放程度的把握、用户共识基础的构筑、监管体系重塑、配套制度的完善等,相信随着水权水市场建设推进、区块链技术的发展以及水权交易与区块链之间更多融合潜力的挖掘,区块链技术和国家水权交易系统间能够实现深层次的交融拓展,打通水权交易“创新链、应用链、价值链”。

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