區(qū)塊鏈技術(shù)在BIM構(gòu)件管理領(lǐng)域的應(yīng)用展望

區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種去中心化的分布式數(shù)據(jù)庫賬本技術(shù)，具有不可偽造、全程留痕、集體維護(hù)等優(yōu)勢。本文分析區(qū)塊鏈技術(shù)在以多用戶創(chuàng)建、分布式質(zhì)量驗(yàn)證、數(shù)據(jù)來源及去向可追溯為目標(biāo)的BIM構(gòu)件管理系統(tǒng)中的適用性，并探討這類應(yīng)用的基本數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，以期為BIM知識成果管理提供新思路。

BIM構(gòu)件管理現(xiàn)狀

在BIM技術(shù)應(yīng)用工作中，非常重要的成果之一就是構(gòu)件。構(gòu)件作為組成BIM模型的基礎(chǔ)單元，描述其幾何信息、專業(yè)屬性及狀態(tài)信息，是傳遞模型信息的基本載體。創(chuàng)建者在制作一個(gè)“好”構(gòu)件時(shí)，要充分考慮到形體參變、可視化表達(dá)、信息承載、使用性能等多個(gè)方面。如何讓花費(fèi)了時(shí)間和精力的構(gòu)件創(chuàng)建者能夠了解自己的成果在項(xiàng)目中有多少次應(yīng)用，應(yīng)用在哪些工作場景中，甚至能否創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，是BIM構(gòu)件管理的意義所在，也是促進(jìn)BIM構(gòu)件“多創(chuàng)建、多分享、多受益”良性循環(huán)的關(guān)鍵。目前，很多BIM技術(shù)應(yīng)用企業(yè)及軟件開發(fā)單位也進(jìn)行了相關(guān)的嘗試和探索，但是基本只能滿足構(gòu)件加密這類的需求，對于構(gòu)件應(yīng)用的場景、頻次等相關(guān)信息收集仍缺乏有效的解決方案。

筆者所在的上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司（以下簡稱“上海市政院”）建立的SMEDI-BIM構(gòu)件庫管理系統(tǒng)，一個(gè)突出特點(diǎn)就是大部分管理對象均為市政行業(yè)專有的構(gòu)件，尤其是一些構(gòu)件體現(xiàn)了上海市政院在工藝、工序等方面獨(dú)有的技術(shù)方案，因此在管理系統(tǒng)建立時(shí)對構(gòu)件的知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)進(jìn)行了考慮。SMEDI-BIM管理系統(tǒng)的管理對象，主要為Revit構(gòu)件和CATIA構(gòu)件。針對Revit構(gòu)件，采用族文件加密的方式，未登錄管理系統(tǒng)的用戶無權(quán)打開或者在項(xiàng)目中調(diào)用構(gòu)件；CATIA構(gòu)件則通過達(dá)索3DE平臺生命周期定義中的“成熟度”屬性，來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問限制及數(shù)據(jù)保護(hù)，在“設(shè)計(jì)已發(fā)布”狀態(tài)下，任何人不能對構(gòu)件進(jìn)行修改。

但是，這種構(gòu)件加密的解決方案也存在很大的局限性。由于項(xiàng)目交付越來越多地要求提供可編輯的項(xiàng)目文件，而客戶不會安裝構(gòu)件庫管理系統(tǒng)插件或登錄設(shè)計(jì)單位內(nèi)部3DE平臺，因此，多數(shù)情況下需要對構(gòu)件文件及應(yīng)用構(gòu)件的項(xiàng)目文件進(jìn)行解密或?qū)С鰹榉窃募袷?，解密后的?gòu)件又可以任意傳播和使用。由此可見，這種構(gòu)件加密方式只是縮小了構(gòu)件傳播的范圍，但不能徹底解決知識產(chǎn)權(quán)保護(hù)的問題。若要進(jìn)一步收集BIM構(gòu)件應(yīng)用的數(shù)據(jù)信息，則需要通過大數(shù)據(jù)分析了解應(yīng)用場景和頻次，以便集中資源持續(xù)維護(hù)和改進(jìn)應(yīng)用較多的構(gòu)件。然而，這樣的功能需求暫時(shí)沒能夠?qū)崿F(xiàn)。

區(qū)塊鏈技術(shù)原理及應(yīng)用

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)區(qū)塊用類似鏈表的方式組成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并以密碼學(xué)方式保證其不可篡改和不可偽造的分布式去中心化賬本，能夠安全存儲簡單的、有前后關(guān)系的、能在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行驗(yàn)證的數(shù)據(jù)。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、時(shí)序數(shù)據(jù)、集體維護(hù)等特點(diǎn)。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的驗(yàn)證、記錄、存儲、維護(hù)和傳輸?shù)冗^程均是基于分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，采用純數(shù)學(xué)方法而不是中心機(jī)構(gòu)來建立分布式節(jié)點(diǎn)間的信任關(guān)系，從而形成去中心化的可信任的分布式系統(tǒng)；區(qū)塊鏈采用帶有時(shí)間戳的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)存儲數(shù)據(jù)，從而為數(shù)據(jù)增加了時(shí)間維度，具有極強(qiáng)的可驗(yàn)證性和可追溯性；區(qū)塊鏈系統(tǒng)采用特定的經(jīng)濟(jì)激勵(lì)機(jī)制來保證分布式系統(tǒng)中所有節(jié)點(diǎn)均可參與數(shù)據(jù)區(qū)塊的驗(yàn)證過程，并通過共識算法來選擇特定的節(jié)點(diǎn)將新區(qū)塊添加到區(qū)塊鏈[1]-[2]。

基于上述特點(diǎn)，區(qū)塊鏈技術(shù)非常適用于系統(tǒng)各方需要同時(shí)查看同一目標(biāo)數(shù)據(jù)，且數(shù)據(jù)存儲在去中心化的每個(gè)節(jié)點(diǎn)，其來源都可以被追溯，能夠保證從未被篡改的業(yè)務(wù)場景。迄今為止，區(qū)塊鏈技術(shù)最成功的應(yīng)用就是數(shù)字加密貨幣。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2020年11月，全球共有7849種加密貨幣，總市值約5772億美元。日趨完善的數(shù)字貨幣發(fā)行、流通和衍生領(lǐng)域技術(shù)、模式和機(jī)制，也為區(qū)塊鏈的發(fā)展提供了理論驗(yàn)證和實(shí)踐基礎(chǔ)。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)字版權(quán)保護(hù)[3]、供應(yīng)鏈[4]、能源交易[5]等領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用前景。

區(qū)塊鏈技術(shù)在BIM構(gòu)件管理領(lǐng)域的應(yīng)用展望

基于上述背景，本文提出了一套應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的BIM構(gòu)件管理系統(tǒng)解決方案。相對于加密數(shù)字貨幣等場景對系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全和收益分配等方面的重點(diǎn)關(guān)注，BIM構(gòu)件管理側(cè)重于集體驗(yàn)證、集體維護(hù)、數(shù)據(jù)溯源等方面，這也使得區(qū)塊鏈技術(shù)在BIM構(gòu)件管理領(lǐng)域的應(yīng)用需要有其個(gè)性化裁剪。這個(gè)系統(tǒng)的基礎(chǔ)架構(gòu)由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)共識層、控制層和應(yīng)用層組成，以滿足構(gòu)件管理的業(yè)務(wù)場景需求。各個(gè)層級的主要功能具體如下。

數(shù)據(jù)層：通過特定的算法，將接收到的BIM構(gòu)件相關(guān)數(shù)據(jù)封裝為一個(gè)帶有時(shí)間戳的新數(shù)據(jù)區(qū)塊，存儲在數(shù)據(jù)層。在這個(gè)過程中，通過散列算法的哈希函數(shù)將任意長度的原始構(gòu)件數(shù)據(jù)編碼為由數(shù)字和子母組成的、特定長度的字符串，以便于統(tǒng)一存儲和識別。時(shí)間戳確保了區(qū)塊數(shù)據(jù)的不可篡改和不可偽造。而區(qū)塊鏈的Merkle樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，使得構(gòu)件庫管理系統(tǒng)的各節(jié)點(diǎn)用戶能夠快速地校驗(yàn)區(qū)塊數(shù)據(jù)。非對稱加密技術(shù)則是各節(jié)點(diǎn)用戶將隨機(jī)數(shù)生成器生成的256位隨機(jī)數(shù)作為私鑰，結(jié)合系統(tǒng)為其提供的公鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，接收到構(gòu)件數(shù)據(jù)的用戶節(jié)點(diǎn)先應(yīng)用對方的公鑰驗(yàn)證數(shù)據(jù)來源，再用自己的私鑰解密數(shù)據(jù)，保證了數(shù)據(jù)的安全可靠。

網(wǎng)絡(luò)共識層：用以封裝系統(tǒng)Peerto-Peer（P2P）的組網(wǎng)方式、信息傳播協(xié)議以及數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制、共識算法等要素。在P2P網(wǎng)絡(luò)模式下，系統(tǒng)中的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)用戶地位都是平等的，不存在任何中心化的特殊節(jié)點(diǎn)和層級結(jié)構(gòu)。當(dāng)任一節(jié)點(diǎn)用戶創(chuàng)建構(gòu)件后，就由這個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)出廣播以便全網(wǎng)的其他節(jié)點(diǎn)都能夠接收到構(gòu)件數(shù)據(jù)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都將收集到的構(gòu)件數(shù)據(jù)存儲到一個(gè)區(qū)塊中，并根據(jù)特定的數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制對其進(jìn)行驗(yàn)證，當(dāng)數(shù)據(jù)通過絕大部分的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證后即成為合格構(gòu)件納入到管理系統(tǒng)。

控制層：由處理模型、控制合約和執(zhí)行環(huán)境組成，通過共識協(xié)議形成統(tǒng)一的數(shù)據(jù)賬本后，各類應(yīng)用經(jīng)由控制層與賬本產(chǎn)生交互。系統(tǒng)在控制層將業(yè)務(wù)的邏輯轉(zhuǎn)化為區(qū)塊數(shù)據(jù)的具體操作。在節(jié)點(diǎn)封裝通用的執(zhí)行環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對區(qū)塊數(shù)據(jù)、組織結(jié)構(gòu)的控制。

應(yīng)用層：用以實(shí)踐BIM構(gòu)件管理的業(yè)務(wù)場景，通過調(diào)用控制合約提供的接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

面臨的實(shí)際問題

應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的BIM構(gòu)件庫管理系統(tǒng)基本架構(gòu)

上述設(shè)想的應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的BIM構(gòu)件庫管理系統(tǒng)解決方案，是較理想化的工作場景。在系統(tǒng)中的各個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，都遵循統(tǒng)一流程對構(gòu)件進(jìn)行審核后入庫，并在應(yīng)用構(gòu)件前驗(yàn)證身份和數(shù)據(jù)的合法性。但是，當(dāng)構(gòu)件被傳播到系統(tǒng)之外，非授權(quán)用戶在使用這些構(gòu)件時(shí)，并沒有安裝相關(guān)插件，就不可能通過操作觸發(fā)事件，更不會像驗(yàn)證比特幣交易真實(shí)性那樣主動發(fā)起合法性驗(yàn)證要求。因此，在BIM構(gòu)件本身植入相關(guān)語句以便在應(yīng)用時(shí)觸發(fā)系統(tǒng)驗(yàn)證，是實(shí)現(xiàn)管理目標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)。目前，各大主流BIM軟件的原生構(gòu)件尚未開放這一程序接口，開發(fā)實(shí)踐難度較大。

結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、時(shí)序數(shù)據(jù)、集體維護(hù)等特點(diǎn)，使其適用于多方參與的生產(chǎn)環(huán)境中的信任建立、資源共享和產(chǎn)權(quán)保護(hù)等場景。本文對在BIM構(gòu)件管理領(lǐng)域應(yīng)用經(jīng)過裁剪的區(qū)塊鏈技術(shù)，通過數(shù)據(jù)的可追溯性共享調(diào)動系統(tǒng)中各參與方積極性并實(shí)現(xiàn)效益最大化的前景進(jìn)行了展望，以期為未來落地解決方案提供啟發(fā)與借鑒。