基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工程項目質(zhì)量管理系統(tǒng)架構(gòu)研究

李俊亭 李穎涵

(西安石油大學(xué)經(jīng)濟管理學(xué)院，陜西 西安 710065)

0 引言

工程質(zhì)量貫穿工程項目的立項、設(shè)計、施工及竣工驗收各個階段，是建筑行業(yè)關(guān)注的重點。目前，工程項目質(zhì)量管理中仍存在一些問題，如參與主體缺乏全過程管理意識、施工過程質(zhì)量責(zé)任落實不到位、工程監(jiān)理不力、質(zhì)量管理體系不完善等[1]。此外，在工程項目質(zhì)量管理中，各參與主體之間信息傳遞與共享、數(shù)據(jù)安全、監(jiān)管溯源等問題也亟待解決。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化、去信任的分布式記賬技術(shù)，主要涵蓋分布式數(shù)據(jù)存儲、點對點傳輸、共識機制以及加密算法等計算機技術(shù)，具有公開透明、安全可靠、開放共識等特點。區(qū)塊鏈技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于物流[2]、證券[3]、公益慈善[4]等領(lǐng)域。目前，已有學(xué)者將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于工程項目。在工程項目招投標(biāo)、設(shè)計以及施工階段引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)具有重要的現(xiàn)實意義[5]。但是，現(xiàn)有研究局限于工程項目供應(yīng)鏈信息管理，基于項目全生命周期的質(zhì)量管理研究并不多見。因此，本文將區(qū)塊鏈技術(shù)作為工程項目質(zhì)量管理平臺的技術(shù)支撐，構(gòu)建工程項目質(zhì)量管理區(qū)塊鏈平臺，以期提升工程項目質(zhì)量管理水平。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)的概念及特點

2008年，中本聰?shù)谝淮翁岢隽藚^(qū)塊鏈的概念，指出區(qū)塊鏈?zhǔn)怯糜谟涗洷忍貛沤灰椎馁~本。區(qū)塊中記錄了一段時間內(nèi)所有節(jié)點上發(fā)生的交易狀態(tài)和結(jié)果，即存儲交易信息的結(jié)構(gòu)體。區(qū)塊按時間順序排列并結(jié)合密碼算法構(gòu)成鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，即區(qū)塊鏈。

根據(jù)技術(shù)原理與應(yīng)用場景，區(qū)塊鏈一般分為公有鏈、專有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈在節(jié)點數(shù)量上沒有限制，系統(tǒng)中的任意節(jié)點都可以讀取、發(fā)送并參與交易的共識記賬，是完全去中心化的系統(tǒng)。專有鏈也稱為私有鏈，節(jié)點主要來自機構(gòu)內(nèi)部，必須經(jīng)過認(rèn)證和授權(quán)，是完全中心化的系統(tǒng)。聯(lián)盟鏈則服務(wù)于利益相關(guān)的不同主體組建的業(yè)務(wù)聯(lián)盟，節(jié)點來自聯(lián)盟中的機構(gòu)，需要經(jīng)過認(rèn)證與授權(quán)，是多中心化的系統(tǒng)。聯(lián)盟鏈具有運行維護成本低、交易速度快、擴展性良好以及隱私性強等特點。

區(qū)塊鏈技術(shù)利用塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)驗證存儲數(shù)據(jù)，采用分布式節(jié)點共識機制生成更新數(shù)據(jù)，通過自動化腳本代碼組成智能合約操作數(shù)據(jù)，通過密碼學(xué)的非對稱加密算法保證數(shù)據(jù)傳輸與訪問的安全性。因此，區(qū)塊鏈具有公開透明、共同監(jiān)督、集體維護、不可篡改、可溯源、去中心等特點。

2 工程項目質(zhì)量管理存在的問題及研究現(xiàn)狀

工程項目質(zhì)量管理是保證工程項目順利實施的重要環(huán)節(jié)之一。在項目實施過程中，由于參與主體繁多、項目持續(xù)時間長、數(shù)據(jù)信息易被篡改、監(jiān)管過程流于形式，參與方溝通不協(xié)調(diào)、施工信息不完善、管理體系不健全等問題普遍存在。

現(xiàn)階段，我國的工程質(zhì)量智能化管理仍處于探索階段。有學(xué)者指出，針對工程質(zhì)量智能化管理的研究主要分為兩類：一是開發(fā)實時監(jiān)控智能化系統(tǒng)并應(yīng)用于實際管理；二是利用信息化技術(shù)設(shè)計儀器設(shè)備投入工程實施[6]。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在工程項目中的應(yīng)用主要基于供應(yīng)鏈信息平臺。該平臺通過完善信息交互途徑提高信息交互質(zhì)量，實現(xiàn)建設(shè)項目全生命周期管理并提升項目信息的可追溯性[7]。通過區(qū)塊鏈技術(shù)能夠促進各參與方的信息共享，提高信息傳遞效率[8]。

研究發(fā)現(xiàn)，目前供應(yīng)鏈信息平臺主要存在以下問題：信息孤島現(xiàn)象未改善、質(zhì)量監(jiān)管數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不一致、質(zhì)量監(jiān)管主體之間未形成完整閉合且可追溯的鏈條等。因此，急需構(gòu)建工程項目質(zhì)量管理區(qū)塊鏈平臺。

3 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于工程項目質(zhì)量管理的優(yōu)勢

3.1 適用性分析

根據(jù)工程項目質(zhì)量管理特點，采用聯(lián)盟鏈的形式進行工程項目質(zhì)量管理。聯(lián)盟鏈數(shù)據(jù)庫是由分布式主體構(gòu)成，與傳統(tǒng)的單一主體相比，分布式數(shù)據(jù)庫保證了各參與主體之間工程質(zhì)量信息交互的安全性、透明性及可信性。節(jié)點之間利用共識機制制定智能合約，并通過P2P網(wǎng)絡(luò)擴散至區(qū)塊鏈。當(dāng)條件滿足時，智能合約自動識別、執(zhí)行，與傳統(tǒng)的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等文件相比更加安全可靠，避免了人為或外部等因素的干擾。綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)簡化了工程項目質(zhì)量管理流程，降低了參與主體之間的溝通協(xié)調(diào)成本，提高了工程質(zhì)量管理效率。

3.2 應(yīng)用優(yōu)勢

傳統(tǒng)的質(zhì)量管理流程主要分為規(guī)劃階段、實施階段和控制階段。規(guī)劃階段需要制定項目管理計劃、利益相關(guān)方登記冊、質(zhì)量核對單等重要文件；實施階段需要嚴(yán)格把控質(zhì)量測量指標(biāo)、執(zhí)行質(zhì)量管理計劃并進行過程改進等；控制階段需要核對工作績效、可交付成果以及進行經(jīng)驗總結(jié)等。在整個管理過程中，容易出現(xiàn)參與主體之間協(xié)調(diào)度低、信任度低以及管理效率低等問題。

基于本文構(gòu)建的工程項目質(zhì)量管理區(qū)塊鏈平臺，首先，將質(zhì)量管理主要參與主體作為節(jié)點組建聯(lián)盟鏈，將質(zhì)量信息上傳網(wǎng)絡(luò)并進行驗證；其次，通過股份授權(quán)證明機制(Delegated Proof of Stake，DPOS)篩選出授權(quán)節(jié)點，各參與主體通過電子化合約，直接簽署合同；最后，將各節(jié)點之間發(fā)生的交易模塊上傳形成區(qū)塊，區(qū)塊中包括前一區(qū)塊的區(qū)塊編號、時間戳、交易記錄與原始數(shù)據(jù)等信息。工程項目質(zhì)量管理區(qū)塊鏈平臺運作流程，如圖1所示。

由此可見，區(qū)塊鏈技術(shù)將所有節(jié)點納入系統(tǒng)，共同參與數(shù)據(jù)的傳輸、存儲、管理、讀取，增強了節(jié)點之間交易的安全性并減少了冗余環(huán)節(jié)。區(qū)塊鏈所有節(jié)點自動保存交易副本并為交易共同背書，解決了參與主體之間的信任問題。所有交易信息按時間順序排列，包括交易內(nèi)容、交易時間、交易雙方等。此外，每個區(qū)塊中包含時間戳，為交易溯源提供了保證。每個節(jié)點保存了所有交易信息，不僅保證了交易的安全性，而且監(jiān)督了交易雙方的履約行為。智能合約在無干預(yù)、無監(jiān)管的環(huán)境下自主運行，避免了人為與外部因素的干擾。綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)在工程項目質(zhì)量管理中具有顯著優(yōu)勢。

4 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工程項目質(zhì)量管理模式設(shè)計

4.1 模型構(gòu)建

工程項目質(zhì)量管理區(qū)塊鏈平臺模型如圖2所示。將聯(lián)盟鏈節(jié)點劃分為建設(shè)單位、勘察設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理方、供應(yīng)商和其他單位。其中，建設(shè)單位節(jié)點由牽引整個工程項目實施的單位構(gòu)成；勘察設(shè)計單位節(jié)點由勘察單位與設(shè)計單位構(gòu)成；施工單位節(jié)點由承擔(dān)工程項目建設(shè)任務(wù)的單位構(gòu)成；監(jiān)理方節(jié)點由工程監(jiān)理單位構(gòu)成；供應(yīng)商節(jié)點由為項目提供設(shè)備器械以及原材料的企業(yè)構(gòu)成；其他單位節(jié)點由負(fù)責(zé)項目運營維護等工作的單位構(gòu)成。

各節(jié)點通過P2P網(wǎng)絡(luò)上傳驗證自身信息，獲取各自的節(jié)點身份標(biāo)識IP及密鑰，保證了信息數(shù)據(jù)的安全性與一致性[9]。聯(lián)盟鏈上所有節(jié)點必須提供項目相關(guān)的質(zhì)量信息，主要包括施工信息、資產(chǎn)更新信息、設(shè)備物資運輸信息以及質(zhì)量核對信息等。相關(guān)參與主體可以結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對物資設(shè)備進行追蹤檢查，將收集的原始數(shù)據(jù)(如照片視頻、環(huán)境信息等)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號上傳至系統(tǒng)。

4.2 系統(tǒng)架構(gòu)

工程項目質(zhì)量管理區(qū)塊鏈平臺架構(gòu)如圖3所示。該平臺主要包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、合約層和應(yīng)用層。其中，數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)層是基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)層，共識層和合約層是中間協(xié)議層，應(yīng)用層是應(yīng)用服務(wù)層。

4.2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層是構(gòu)成數(shù)據(jù)區(qū)塊的基礎(chǔ)。從工程項目成立到完成會產(chǎn)生大量信息，信息在節(jié)點之間流轉(zhuǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)信息共享。區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)主要來自各節(jié)點上傳的自身數(shù)據(jù)以及節(jié)點之間交易產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。例如，建設(shè)單位上傳項目管理計劃、相關(guān)方信息、項目需求文件、質(zhì)量測量指標(biāo)、政府法規(guī)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等；勘察設(shè)計單位上傳設(shè)計文件、設(shè)計圖樣、設(shè)計變更請求等；施工方上傳施工人員資質(zhì)、施工現(xiàn)場照片、施工進度、設(shè)備物資庫存情況等；監(jiān)理單位上傳質(zhì)量監(jiān)測結(jié)果、問題解決方案、改進計劃等；供應(yīng)商上傳原材料/設(shè)備質(zhì)量監(jiān)測信息、物流狀況、物資名稱及庫存情況等；其他單位上傳檢驗設(shè)備與運營驗收結(jié)果等。需要注意的是，上傳的信息并不是直接存入?yún)^(qū)塊，而是經(jīng)過所有節(jié)點共同審核驗證、達成共識并進行全網(wǎng)廣播后才能存入?yún)^(qū)塊。區(qū)塊中記錄的前一區(qū)塊的哈希值、本區(qū)塊的哈希值、時間戳、交易信息等有效保證了平臺數(shù)據(jù)的安全性與可靠性。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層主要包括區(qū)塊鏈系統(tǒng)的組網(wǎng)方式、消息傳播機制與數(shù)據(jù)驗證機制等要素?；诠?jié)點分布式、自治性以及開放性特點，通常采用P2P網(wǎng)絡(luò)分布式應(yīng)用架構(gòu)?；跀?shù)據(jù)傳播協(xié)議，新生成的交易數(shù)據(jù)由生成該數(shù)據(jù)的節(jié)點向全網(wǎng)進行廣播。通過監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)中廣播的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)塊，驗證數(shù)據(jù)的有效性，確保數(shù)據(jù)的安全性和真實性。

4.2.3 共識層

共識層主要包括區(qū)塊鏈系統(tǒng)的共識算法。共識機制作為整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)與核心，決定了參與節(jié)點對某些數(shù)據(jù)達成一致的方式。目前，共識機制分為經(jīng)典分布式共識機制與區(qū)塊鏈共識機制。區(qū)塊鏈共識機制主要分為以下4類：工作量證明機制、權(quán)益證明機制、股份授權(quán)證明機制、Pool驗證池。根據(jù)工程項目質(zhì)量管理特點，本文采用股份授權(quán)證明機制。

4.2.4 合約層

合約層包括區(qū)塊鏈中各類腳本代碼、算法與智能合約等。智能合約是能夠自我執(zhí)行的協(xié)議，通過將協(xié)議電子化嵌入計算機代碼，在參與方同意交互且滿足合約定義規(guī)則時，協(xié)議自動執(zhí)行。通過智能合約執(zhí)行的交易，每個階段都會有數(shù)字記錄及簽名，保證了交易的安全性和可溯性。此外，智能合約不僅提高了工程項目合約的公平性、項目主體間的協(xié)作效率，而且大大降低了工程項目運營成本。

4.2.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層是工程項目質(zhì)量管理應(yīng)用場景的實現(xiàn)，主要包括工程項目的質(zhì)量管理、工程質(zhì)量問題的溯源改進、參與主體的權(quán)限管理和合同管理等。通過工程項目質(zhì)量管理區(qū)塊鏈平臺，參與主體能夠有效解決信任問題，解決信息孤島問題；通過質(zhì)量信息在各主體間的交互，保證質(zhì)量管理活動有序進行，促進各參與主體的協(xié)作共贏，保證質(zhì)量管理目標(biāo)的實現(xiàn)。

5 結(jié)語

區(qū)塊鏈平臺作為一種新型的信息技術(shù)，具有去中心化、去信任、安全透明等特點，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文提出將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于工程項目質(zhì)量管理，構(gòu)建質(zhì)量管理區(qū)塊鏈模型，并對5個層級的系統(tǒng)架構(gòu)進行分析，有效解決了工程項目質(zhì)量管理中存在的問題。今后，在實際開發(fā)應(yīng)用過程中，應(yīng)注重完善平臺架構(gòu)，深化平臺實踐應(yīng)用能力，以更好地提升工程項目質(zhì)量管理水平。