基于區(qū)塊鏈的建筑信息模型圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作系統(tǒng)

申玉民，王金龍*，胡殿凱，劉星宇

（1.青島理工大學(xué)信息與控制工程學(xué)院，山東青島 266525；2.銘數(shù)科技（青島）有限公司，山東青島 266041）

0 引言

建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是一種管理整個(gè)建筑生命周期中的基本建筑設(shè)計(jì)和項(xiàng)目數(shù)據(jù)的方法［1］。在建筑物整個(gè)生命周期中，BIM提供統(tǒng)一的表示、數(shù)據(jù)框架和組織，可以與各種數(shù)據(jù)庫(kù)集成，簡(jiǎn)化文檔管理，可視化分析過程和結(jié)果以及提供可持續(xù)性分析和仿真［2］。當(dāng)前，BIM在大型建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維的應(yīng)用越來越廣泛［3-5］。一些大型項(xiàng)目的BIM圖紙由于其復(fù)雜性，工作量巨大，往往涉及建筑、結(jié)構(gòu)、設(shè)備等多個(gè)專業(yè)，為了提高效率，這些BIM圖紙的設(shè)計(jì)往往需要多人協(xié)同創(chuàng)作［6］。但是多人協(xié)同創(chuàng)作BIM圖紙通常會(huì)帶來BIM圖紙版本混亂、版權(quán)劃分無準(zhǔn)確依據(jù)的問題［6-8］。

傳統(tǒng)BIM圖紙的多人協(xié)同創(chuàng)作大多是依靠BIM設(shè)計(jì)軟件Revit中自帶的工作共享或模型鏈接模式實(shí)現(xiàn)的［9-10］，但是該方法存在對(duì)計(jì)算機(jī)性能要求高、單向更新的缺點(diǎn)［9］，并且無法記錄和追溯每次創(chuàng)作后的BIM圖紙信息。之后出現(xiàn)了基于Wiki［11］和云服務(wù)的多人協(xié)同創(chuàng)作系統(tǒng)，但是由于Wiki僅適用于像知識(shí)共享［12］或協(xié)作學(xué)習(xí)［13-14］等場(chǎng)景下的文本信息多人協(xié)同創(chuàng)作過程，所以無法應(yīng)用到BIM圖紙的多人協(xié)同創(chuàng)作過程中來。云服務(wù)應(yīng)用范圍更加廣泛，可以緩解本地計(jì)算機(jī)性能對(duì)BIM圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作過程效率的約束，因此研究者提出將云服務(wù)與BIM技術(shù)結(jié)合起來，開發(fā)了基于云服務(wù)的BIM協(xié)同系統(tǒng)［15］，使用云服務(wù)器代替本地計(jì)算機(jī)完成BIM圖紙的計(jì)算和協(xié)作，同時(shí)將每次創(chuàng)作后的BIM圖紙信息存儲(chǔ)到服務(wù)器中，解決了傳統(tǒng)BIM圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作方法存在的計(jì)算機(jī)性能要求高等問題，但是由于所有數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在云服務(wù)器中，如果被黑客侵入惡意刪除或修改數(shù)據(jù)會(huì)造成嚴(yán)重的數(shù)據(jù)安全問題［16］，雖然可以通過加密、授權(quán)等方式避免一些相關(guān)問題，但是仍然存在一些安全漏洞未被解決，數(shù)據(jù)安全無法保證。針對(duì)基于云服務(wù)的BIM協(xié)同系統(tǒng)存在的問題，一些研究者開始嘗試?yán)脜^(qū)塊鏈解決建筑信息化應(yīng)用問題［17-20］，區(qū)塊鏈具有的去中心化、可追溯以及防篡改等特性可以較好地解決上述BIM圖紙信息記錄、數(shù)據(jù)安全等問題。Zheng等［21］提出使用區(qū)塊鏈記錄單人創(chuàng)作過程中每次創(chuàng)作后的BIM圖紙信息，利用區(qū)塊鏈防篡改和可追溯的性質(zhì)，完整記錄BIM圖紙整個(gè)創(chuàng)作過程并且保證了數(shù)據(jù)的安全性，實(shí)現(xiàn)了單人創(chuàng)作BIM圖紙信息的記錄，但是并未考慮多人協(xié)同創(chuàng)作BIM圖紙的信息記錄問題。因此，在多人協(xié)同創(chuàng)作BIM圖紙的情況下，如何準(zhǔn)確、安全地記錄BIM圖紙的創(chuàng)作過程就成為一個(gè)亟待解決的問題，這也是保障設(shè)計(jì)者們的責(zé)權(quán)利問題的關(guān)鍵。

基于上述研究背景和出現(xiàn)的問題，本文對(duì)基于區(qū)塊鏈的BIM圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作系統(tǒng)進(jìn)行了研究，使用區(qū)塊鏈技術(shù)記錄BIM圖紙整個(gè)創(chuàng)作過程，解決了多人協(xié)同創(chuàng)作BIM圖紙版本混亂、不易溯源以及存在數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)的問題。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)具有良好的性能，能夠滿足和解決BIM圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作實(shí)際應(yīng)用中的需求和問題。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)模型

建筑信息模型（BIM）圖紙通常需要多名設(shè)計(jì)者同時(shí)在一張圖紙上創(chuàng)作，由于對(duì)數(shù)據(jù)泄露、利益沖突、信息濫用的擔(dān)憂，當(dāng)前往往需要嚴(yán)格的許可管理［17］。因此，使用聯(lián)盟鏈構(gòu)建基于區(qū)塊鏈的BIM圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作系統(tǒng)。

如圖1所示，本文提出的BIM圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作系統(tǒng)采用聯(lián)盟鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建的系統(tǒng)模型主要由BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者和BIM圖紙負(fù)責(zé)人構(gòu)成的創(chuàng)作信息記錄鏈，以及BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)組成。BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者加入創(chuàng)作信息記錄鏈需要獲得BIM圖紙負(fù)責(zé)人的許可，入鏈后BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者可以通過遠(yuǎn)程過程調(diào)用（Remote Procedure Call，RPC）協(xié)議由已部署的智能合約向創(chuàng)作信息記錄鏈中發(fā)送通過解析BIM圖紙構(gòu)造的BIM圖紙信息并保存，然后將完整BIM圖紙保存到BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，其他BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者如果需要?jiǎng)?chuàng)作BIM圖紙，可以從創(chuàng)作信息記錄鏈中獲取圖紙最后一次創(chuàng)作后的唯一BIM圖紙信息并根據(jù)該信息在BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索獲取對(duì)應(yīng)的BIM圖紙進(jìn)行創(chuàng)作。

圖1 本文系統(tǒng)模型Fig.1 The proposed systemmodel

模型中主要包含如下實(shí)體。

1）BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者：各個(gè)BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者各自獨(dú)立，和BIM圖紙負(fù)責(zé)人共同組成創(chuàng)作信息記錄鏈，共同維護(hù)鏈上數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的分中心化維護(hù)。BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者加入到創(chuàng)作信息記錄鏈中需要獲取BIM圖紙負(fù)責(zé)人的許可。

2）BIM圖紙負(fù)責(zé)人：BIM圖紙負(fù)責(zé)人是BIM圖紙的發(fā)起者和所有者，主要負(fù)責(zé)授權(quán)BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者加入創(chuàng)作信息記錄鏈。

3）BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)：用于存儲(chǔ)初始以及每次創(chuàng)作后的BIM圖紙，存儲(chǔ)格式=｛BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息hash，創(chuàng)作后完整BIM圖紙｝。

本文系統(tǒng)使用聯(lián)盟鏈作為BIM圖紙信息的存儲(chǔ)媒介，利用區(qū)塊鏈技術(shù)保證各設(shè)計(jì)者用戶上傳的BIM圖紙信息的不可篡改和公開透明，為以后設(shè)計(jì)者用戶間可能發(fā)生的版權(quán)糾紛問題提供存證。同時(shí)使用設(shè)計(jì)者用戶私鑰對(duì)BIM圖紙信息簽名，進(jìn)一步降低了多人協(xié)同創(chuàng)作BIM圖紙潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈的BIM圖紙多人創(chuàng)作系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示，包括以下六層結(jié)構(gòu)。

圖2 本文系統(tǒng)架構(gòu)Fig.2 The proposed system architecture

1）用戶層。包括BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者和BIM圖紙負(fù)責(zé)人兩類用戶，BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者用戶主要完成對(duì)BIM圖紙的創(chuàng)作，BIM圖紙負(fù)責(zé)人用戶是BIM圖紙的所有者和管理者，主要負(fù)責(zé)為BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者用戶授權(quán)。

2）應(yīng)用服務(wù)層。主要包括針對(duì)系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)的服務(wù)功能。針對(duì)用戶操作場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了用戶注冊(cè)和初始BIM圖紙上傳功能；針對(duì)數(shù)字簽名提取驗(yàn)證場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定和用戶數(shù)字簽名提取驗(yàn)證功能；針對(duì)BIM圖紙修改提交場(chǎng)景，設(shè)計(jì)了修改后BIM圖紙?zhí)峤灰约白钚翨IM圖紙獲取功能。

3）節(jié)點(diǎn)層。包括BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者用戶節(jié)點(diǎn)和BIM圖紙負(fù)責(zé)人用戶節(jié)點(diǎn)兩種類型，一個(gè)BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者用戶節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者用戶，用戶的各種操作都由節(jié)點(diǎn)完成。

4）合約層。主要包括為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)提供相應(yīng)功能的智能合約。具體來說，用戶注冊(cè)合約對(duì)應(yīng)用戶注冊(cè)功能；BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定合約對(duì)應(yīng)BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定功能；BIM圖紙最新修改信息獲取合約對(duì)應(yīng)最新BIM圖紙獲取功能；BIM圖紙修改信息上傳合約對(duì)應(yīng)修改后BIM圖紙?zhí)峤还δ?；?shù)字簽名驗(yàn)證合約對(duì)應(yīng)用戶數(shù)字簽名提取驗(yàn)證功能。

5）共識(shí)層。采用Kafka共識(shí)機(jī)制，保證區(qū)塊鏈交易能夠快速地在所有區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)之間達(dá)成一致性共識(shí)并上鏈存儲(chǔ)。

6）數(shù)據(jù)層。主要包括創(chuàng)作信息記錄鏈。創(chuàng)作信息記錄鏈由所有節(jié)點(diǎn)共同維護(hù)，保證了BIM圖紙信息記錄的公開和透明。

為了方便系統(tǒng)調(diào)用，使用fabric-go-sdk封裝合約鏈碼并向系統(tǒng)和用戶暴露接口，具體接口名稱和屬性見表1。

表1 接口名稱和屬性Tab.1 Interfacenamesand attributes

下面將分別介紹系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能和流程。

1.2.1 用戶操作模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶注冊(cè)和初始BIM圖紙上傳兩種功能，具體流程如圖3所示。

圖3 用戶操作模塊流程Fig.3 Flowchart of user operation module

1）用戶注冊(cè)。

如圖3虛線所示，BIM圖紙預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶User2發(fā)起用戶注冊(cè)請(qǐng)求，將用戶注冊(cè)信息user發(fā)送到系統(tǒng)為之分配的用戶節(jié)點(diǎn)Pu，調(diào)用UserRegister（）接口觸發(fā)用戶注冊(cè)合約使用橢圓曲線加密算法為用戶生成唯一的公私鑰對(duì)，并將用戶注冊(cè)信息與公私鑰對(duì)綁定，即私鑰=Map［用戶名，用戶密碼］。最后，用戶節(jié)點(diǎn)Pu將公私鑰對(duì)返回給用戶。

其中，用戶注冊(cè)信息user定義如下：

user=｛name，pwd，id_encryption｝

其中name、pwd、id_encryption分別代表用戶名、用戶密碼以及經(jīng)過SHA1（）函數(shù)加密過的用戶身份證號(hào)。將身份證號(hào)加密是為了防止用戶節(jié)點(diǎn)被不法黑客入侵帶來的用戶真實(shí)身份信息泄露問題。

2）初始BIM圖紙上傳。

設(shè)定BIM圖紙的預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶User2已經(jīng)在系統(tǒng)中進(jìn)行了用戶注冊(cè)。如圖3序號(hào)①所示，預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶User2發(fā)起B(yǎng)IM圖紙初始信息上傳請(qǐng)求，將初始BIM圖紙上傳到對(duì)應(yīng)的用戶節(jié)點(diǎn)Pu。隨后用戶節(jié)點(diǎn)Pu使用ifcOpenShell解析BIM圖紙，獲取BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息BIM_main，然后調(diào)用PutChangeRecord（）接口觸發(fā)BIM圖紙修改信息上傳合約生成BIM圖紙初始信息記錄BIM_init，同時(shí)將BIM圖紙初始信息記錄BIM_init打包成交易后共識(shí)上鏈，如圖3序號(hào)②和③所示。最后用戶節(jié)點(diǎn)Pu將初始BIM圖紙上傳到BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中，如圖3序號(hào)④所示。

其中，BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息BIM_main定義如下：

BIM_main=｛GUID，app_name，per，org，action，T，mod_date，mod_user，mod_app｝

其內(nèi)容依次為BIM圖紙全局唯一標(biāo)識(shí)符（Globally Unique Identifier，GUID）、BIM圖紙創(chuàng)建應(yīng)用名稱、創(chuàng)建人信息、創(chuàng)建人所屬組織信息、修改狀態(tài)、BIM圖紙創(chuàng)建時(shí)間戳、修改日期、修改用戶、修改應(yīng)用。由于某些項(xiàng)目在BIM圖紙創(chuàng)建時(shí)未設(shè)置等原因，上述某些內(nèi)容可能為空。

BIM圖紙初始信息記錄BIM_init定義如下：

BIM_init=｛GUID，uploader_name，version，main_hash，uploader_sign，root_hash，T，MRS_hash，uploader_pub｝

具體包括BIM圖紙全局唯一標(biāo)識(shí)符GUID、上傳者用戶名uploader_name、BIM圖紙版本version、BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息哈希值main_hash、上傳者私鑰簽名uploader_sign、溯源哈希值root_hash、時(shí)間戳T、BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定交易哈希值MRS_hash、上傳者公鑰uploader_pub。其中：由于是初始BIM圖紙，所以初始BIM圖紙版本設(shè)為1，之后每次上傳BIM圖紙版本默認(rèn)加1；BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定交易哈希值由下文數(shù)字簽名提取驗(yàn)證模塊調(diào)用PutRightRecord（）接口完成BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定合約生成；root_hash表示當(dāng)前圖紙的上一次修改交易哈希值，該值可以通過交易自帶的GetTxID（）函數(shù)獲取，由于這是BIM圖紙的初始信息，所以設(shè)定為BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定交易哈希值。

具體實(shí)例如圖4所示。原始BIM為一個(gè)房屋模型，包括家具、門、窗、墻等組件。用戶User2首先解析初始BIM圖紙得到BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息BIM_main，然后將其和用戶名一同輸入初始BIM圖紙上傳界面，點(diǎn)擊界面中的上傳按鈕后調(diào)用PutChangeRecord（）接口生成BIM圖紙初始信息記錄BIM_init，然后將BIM_init打包成交易后共識(shí)上鏈，同時(shí)將初始BIM圖紙上傳到BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中。由于是初始圖紙，BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息中修改狀態(tài)action默認(rèn)為“NOCHANGE”，BIM圖紙初始信息記錄中將溯源哈希root_hash設(shè)置為和圖5中BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定交易哈希值MRS_hash相同。

圖4 初始BIM圖紙上傳示意圖Fig.4 Schematic diagram of initial BIM drawing uploading

在本文系統(tǒng)中，修改后BIM圖紙信息被分別存儲(chǔ)在若干個(gè)區(qū)塊中，區(qū)塊包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩個(gè)部分，區(qū)塊頭中包括頭哈希Hash_h、父哈希Hash_pre、時(shí)間戳T以及默克爾樹根MT_Root。其中，頭哈希由父哈希和本區(qū)塊頭中的其他信息進(jìn)行哈希運(yùn)算得到。區(qū)塊體中主要存儲(chǔ)BIM圖紙修改記錄BIM_change。

其中，BIM圖紙修改記錄BIM_change定義如下：

BIM_change=｛GUID，modifier_name，version，main_hash，modifier_sign，root_hash，T，MRS_hash，modifier_pub｝

其內(nèi)容依次為BIM圖紙全局唯一標(biāo)識(shí)符、修改者用戶名、BIM圖紙版本、實(shí)體實(shí)例信息哈希值、修改者私鑰簽名、溯源哈希值、時(shí)間戳、BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定交易哈希值以及修改者公鑰。其中，root_hash表示當(dāng)前圖紙的上一次修改記錄哈希值，如果這是當(dāng)前BIM圖紙的第一次修改，則該值設(shè)定為BIM圖紙初始信息上傳交易哈希值，該值可以通過交易自帶的GetTxID（）函數(shù)獲取。

1.2.2 數(shù)字簽名提取驗(yàn)證模塊

本模塊主要實(shí)現(xiàn)用戶數(shù)字簽名提取驗(yàn)證以及BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定兩個(gè)功能。系統(tǒng)中的所有用戶操作都需要進(jìn)行用戶數(shù)字簽名驗(yàn)證，驗(yàn)證用戶是不是BIM圖紙的預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶，從而保證系統(tǒng)的安全性和魯棒性，因此本模塊在系統(tǒng)中非常重要。

1）用戶數(shù)字簽名提取驗(yàn)證。

用戶數(shù)字簽名提取驗(yàn)證功能在系統(tǒng)中是通過觸發(fā)數(shù)字簽名驗(yàn)證合約實(shí)現(xiàn)的，主要有如下步驟：首先獲取用戶簽名的原數(shù)據(jù)、用戶私鑰簽名以及用戶公鑰，然后將其傳入數(shù)字簽名驗(yàn)證合約中的verify（）驗(yàn)證函數(shù)使用用戶公鑰解密用戶私鑰簽名得到解密后的明文，和用戶簽名的原數(shù)據(jù)做對(duì)比，如果相同則說明用戶有權(quán)利進(jìn)行操作或者原數(shù)據(jù)沒有被篡改。

用戶數(shù)字簽名提取驗(yàn)證功能步驟雖然比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)很重要，它進(jìn)一步保證了系統(tǒng)中用戶各類操作的合法性和安全性。

2）BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定。

BIM圖紙預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶對(duì)應(yīng)的用戶節(jié)點(diǎn)解析完初始BIM圖紙后，調(diào)用PutRightRecord（）接口觸發(fā)BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定合約根據(jù)預(yù)先設(shè)定的設(shè)計(jì)者列表，使用列表中設(shè)計(jì)者的私鑰對(duì)BIM圖紙初始信息記錄BIM_init中的全局唯一標(biāo)識(shí)符簽名，從而得到設(shè)計(jì)者數(shù)字簽名列表，然后繼續(xù)生成BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定記錄MRS，最后將BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定記錄MRS打包成交易后共識(shí)上鏈。

其中，BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定記錄MRS定義如下：

MRS=｛BIM_desc，sign_list，GUID，main_hash，co_desc，T，MRS_hash｝

其 中BIM_desc、sign_list、GUID、main_hash、co_desc、T、MRS_hash分別代表BIM圖紙描述、設(shè)計(jì)者私鑰簽名列表、BIM圖紙全局唯一標(biāo)識(shí)符、實(shí)體實(shí)例信息哈希值、設(shè)計(jì)者公司簡(jiǎn)介、時(shí)間戳以及此次BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定交易哈希值。

圖5說明了BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定的整個(gè)過程，設(shè)定圖4中初始BIM圖紙的預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶為User1和User2。當(dāng)用戶User2對(duì)應(yīng)的用戶節(jié)點(diǎn)解析完初始BIM圖紙后，將解析得到的初始BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息和預(yù)設(shè)用戶名列表輸入BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定界面，點(diǎn)擊界面中的設(shè)定按鈕后調(diào)用PutRightRecord（）接口使用預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶User1和User2的私鑰對(duì)BIM圖紙全局唯一標(biāo)識(shí)符簽名并生成設(shè)計(jì)者私鑰簽名列表sign_list，然后繼續(xù)生成BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定記錄MRS，最后將記錄打包成交易共識(shí)上鏈存儲(chǔ)。圖4中BIM圖紙初始信息記錄的MRS_hash即為此次BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定記錄中的MRS_hash。

圖5 BIM圖紙修改權(quán)設(shè)定示意圖Fig.5 Schematic diagram of setting BIM drawingmodification right

1.2.3 BIM圖紙修改提交模塊

為了滿足BIM圖紙頻繁修改的需求，避免BIM圖紙頻繁修改導(dǎo)致的BIM圖紙版本混亂和版權(quán)劃分無準(zhǔn)確依據(jù)等問題，本模塊使用智能合約技術(shù)自動(dòng)檢驗(yàn)用戶操作合法性，自動(dòng)記錄合法用戶的修改操作，利用智能合約規(guī)范鏈上交易者的行為，有效防止了上述問題的產(chǎn)生。

本模塊主要實(shí)現(xiàn)修改后BIM圖紙?zhí)峤灰约白钚翨IM圖紙獲取兩個(gè)功能。模塊完整流程如圖6所示。

圖6 BIM圖紙修改提交模塊流程Fig.6 Flowchart of BIM drawing modification and submission module

1）最新BIM圖紙獲取。

如圖6序號(hào)①和②所示，BIM圖紙預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶User2發(fā)起最新BIM圖紙獲取請(qǐng)求，觸發(fā)數(shù)字簽名驗(yàn)證合約驗(yàn)證當(dāng)前用戶是否是BIM圖紙的預(yù)設(shè)修改用戶，如果驗(yàn)證通過，則繼續(xù)進(jìn)行后面操作，否則拒絕請(qǐng)求并退出。然后，調(diào)用QueryChangeRecord（）接口觸發(fā)BIM圖紙最新修改信息獲取合約從創(chuàng)作信息記錄鏈上查詢最新BIM圖紙信息hash，即區(qū)塊鏈中BIM圖紙最后一次修改記錄中的實(shí)體實(shí)例信息哈希值，見圖6序號(hào)③。隨后，用戶節(jié)點(diǎn)Pu將查詢到的最新BIM圖紙信息hash返回給用戶，用戶根據(jù)該hash去BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中查找最新BIM圖紙進(jìn)行創(chuàng)作，如圖6序號(hào)④～⑥所示。

2）修改后BIM圖紙?zhí)峤弧?/p>

BIM圖紙預(yù)設(shè)設(shè)計(jì)者用戶User2在修改完BIM圖紙后，發(fā)起B(yǎng)IM圖紙修改信息提交請(qǐng)求。隨后觸發(fā)數(shù)字簽名驗(yàn)證合約驗(yàn)證當(dāng)前用戶是否是圖紙預(yù)設(shè)修改用戶，如果驗(yàn)證通過，則繼續(xù)進(jìn)行后面操作，否則拒絕請(qǐng)求并退出，如圖6下半部分序號(hào)（1）和（2）所示。之后，調(diào)用PutChangeRecord（）接口觸發(fā)BIM圖紙最新修改信息獲取合約查詢當(dāng)前鏈上最新BIM圖紙修改信息記錄中的BIM圖紙版本并和本地修改前BIM圖紙版本比較，根據(jù)比較結(jié)果和接口預(yù)設(shè)規(guī)則返回最新BIM圖紙修改信息記錄或NULL，見圖6序號(hào)（3）和（4）。如圖6序號(hào)（5）～（7）所示，如果返回最新BIM圖紙修改信息記錄則根據(jù)記錄從BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中獲取完整BIM圖紙并與本地修改后BIM圖紙使用腳本通過Revit等建模軟件實(shí)現(xiàn)BIM圖紙融合，然后使用ifcOpenShell解析融合后BIM圖紙獲得BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息BIM_main，繼而生成BIM圖紙修改信息記錄BIM_change，之后將BIM_change打包成交易后共識(shí)上鏈。最后，用戶節(jié)點(diǎn)Pu將融合后的完整BIM圖紙上傳到BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)。

上述流程提到的PutChangeRecord（）接口預(yù)設(shè)規(guī)則如下：

a）如果當(dāng)前鏈上BIM圖紙版本等于本地修改前BIM圖紙圖紙版本加1，說明本地修改前BIM圖紙圖紙被多位設(shè)計(jì)者修改，則返回當(dāng)前鏈上最新BIM圖紙修改信息記錄并獲取完整BIM圖紙與本地修改后BIM圖紙融合，融合后BIM圖紙版本設(shè)為本地修改前BIM圖紙版本加1；

b）如果當(dāng)前鏈上BIM圖紙版本為NULL或小于本地修改前BIM圖紙圖紙版本加1，說明本地修改后BIM圖紙為最新版，則返回NULL，本地修改后BIM圖紙版本設(shè)為本地修改前BIM圖紙版本加1；

c）如果當(dāng)前鏈上BIM圖紙版本大于本地修改前BIM圖紙版本加1，說明本地修改后BIM圖紙前已有多個(gè)版本，則返回當(dāng)前鏈上最新BIM圖紙修改信息記錄并獲取完整BIM圖紙與本地修改后BIM圖紙融合，融合后BIM圖紙版本設(shè)為當(dāng)前鏈上最新BIM圖紙版本加1。

當(dāng)上傳初始BIM圖紙時(shí)，經(jīng)查詢鏈上最新BIM圖紙版本為NULL，應(yīng)用接口規(guī)則b返回NULL后直接將接口生成的BIM圖紙初始信息記錄和初始BIM圖紙上傳到區(qū)塊鏈和BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中，初始BIM圖紙版本號(hào)為1。圖7以各版本BIM圖紙鏈上次序?yàn)槔f明多位BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者在同一初始版本BIM圖紙的基礎(chǔ)上進(jìn)行協(xié)作修改提交的流程，圖中數(shù)字代表BIM圖紙版本號(hào)，大寫字母代表BIM圖紙?jiān)O(shè)計(jì)者。

圖7 多人協(xié)作修改提交示意圖Fig.7 Schematic diagram of multi-person collaborativemodification and submission

下面將對(duì)圖7中的多人協(xié)作修改提交流程做詳細(xì)解釋。

1）A、B、C、D四位設(shè)計(jì)者同時(shí)獲取版本1的初始BIM圖紙進(jìn)行修改。

2）設(shè)計(jì)者A首先創(chuàng)作完，首先查看當(dāng)前鏈中最新BIM圖紙版本號(hào)，結(jié)果是1，比本地修改前BIM圖紙版本加1要小，根據(jù)PutChangeRecord（）接口規(guī)則b，將本地修改后BIM圖紙版本設(shè)為本地修改前BIM圖紙版本加1后直接上傳到區(qū)塊鏈和BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中，記為版本A2。

3）設(shè)計(jì)者B隨后創(chuàng)作完畢，首先查看當(dāng)前鏈中最新BIM圖紙版本號(hào)，結(jié)果是2，和本地修改前BIM圖紙版本加1相同，根據(jù)PutChangeRecord（）接口規(guī)則a，返回當(dāng)前鏈上最新BIM圖紙修改信息記錄并獲取完整BIM圖紙與本地修改后BIM圖紙融合，將融合后的BIM圖紙版本設(shè)為本地修改前BIM圖紙版本加1后上傳到區(qū)塊鏈和BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中，記為版本AB2，此時(shí)設(shè)計(jì)者E獲取版本AB2的BIM圖紙進(jìn)行創(chuàng)作。

4）設(shè)計(jì)者E創(chuàng)作完畢，首先查看當(dāng)前鏈中最新BIM圖紙版本號(hào)，結(jié)果是2，比本地修改前BIM圖紙版本加1要小，根據(jù)PutChangeRecord（）接口規(guī)則b，將本地修改后BIM圖紙版本設(shè)為本地修改前BIM圖紙版本加1后直接上傳到區(qū)塊鏈和BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中，記為版本E3。

5）此時(shí)設(shè)計(jì)者C創(chuàng)作完畢，首先查看當(dāng)前鏈中最新BIM圖紙版本號(hào)，結(jié)果是3，比本地修改前BIM圖紙版本加1要大，根據(jù)PutChangeRecord（）接口規(guī)則c，返回當(dāng)前鏈上最新BIM圖紙修改信息記錄并獲取完整BIM圖紙與本地修改后BIM圖紙融合，將融合后的BIM圖紙版本設(shè)為當(dāng)前鏈上最新BIM圖紙版本加1后上傳到區(qū)塊鏈和BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中，記為版本C4。以上就是圖7中多人協(xié)作修改提交流程的詳細(xì)解釋，未說明設(shè)計(jì)者D的修改提交操作和設(shè)計(jì)者C同理，在此不再贅述，按照此方法上傳修改后BIM圖紙可以較好地解決多人協(xié)同創(chuàng)作同一BIM圖紙上傳時(shí)帶來的融合或版本控制問題。

BIM圖紙修改提交具體實(shí)例如圖8所示，圖中僅展示主要步驟。設(shè)定這是圖4中初始BIM圖紙的第一次修改，修改操作為刪除圖紙中的一個(gè)家具組件。用戶User2發(fā)起B(yǎng)IM圖紙最新信息獲取請(qǐng)求，通過最新BIM圖紙獲取界面調(diào)用QueryChangeRecord（）接口從本地區(qū)塊鏈中搜索BIM圖紙最新實(shí)體實(shí)例信息hash，然后根據(jù)該hash從BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)獲取最新BIM圖紙進(jìn)行修改，如圖8中序號(hào)①和②所示。用戶User2修改完BIM圖紙之后，將修改狀態(tài)action設(shè)置為“DELETED”，然后發(fā)起B(yǎng)IM圖紙修改提交請(qǐng)求，將用戶名和修改后BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息輸入修改后BIM圖紙?zhí)峤唤缑?，點(diǎn)擊提交按鈕后調(diào)用PutChangeRecord（）接口查詢鏈上最新BIM圖紙版本并和本地修改前BIM圖紙版本加1比較，發(fā)現(xiàn)鏈上最新BIM圖紙版本比本地修改前BIM圖紙版本加1要小，根據(jù)PutChangeRecord（）接口規(guī)則b，將本地修改后的BIM圖紙版本設(shè)為本地修改前的BIM圖紙版本加1，然后解析修改后的BIM圖紙獲取BIM圖紙實(shí)體實(shí)例信息，生成BIM圖紙修改信息記錄BIM_change并打包成交易共識(shí)上鏈，如圖8中序號(hào)③～⑤所示，最后將修改后的BIM圖紙上傳到BIM圖紙數(shù)據(jù)庫(kù)中。

圖8 BIM圖紙修改提交示意圖Fig.8 Schematic diagram of BIM drawing modification and submission

2 系統(tǒng)測(cè)試評(píng)估

2.1 系統(tǒng)環(huán)境介紹

本文系統(tǒng)基于Hyperledger Fabric1.4框架結(jié)合智能合約技術(shù)開發(fā)實(shí)現(xiàn)。本文系統(tǒng)安全機(jī)制依靠Fabric成熟的安全機(jī)制，選用的共識(shí)機(jī)制Kafka也是Fabric自帶的共識(shí)機(jī)制，因此系統(tǒng)安全性得到保障。

2.2 區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能測(cè)試

實(shí)驗(yàn)用設(shè)備為兩臺(tái)筆記本，兩臺(tái)筆記本均為8 GB內(nèi)存且都使用4核lntel Core i5處理器，每臺(tái)筆記本都運(yùn)行4核2 GB內(nèi)存的虛擬機(jī)兩臺(tái)。虛擬機(jī)中均搭載Ubuntu18.04系統(tǒng)。Kafka實(shí)驗(yàn)環(huán)境共有3個(gè)ZooKeeper服務(wù)、4個(gè)Kafka服務(wù)、3個(gè)排序節(jié)點(diǎn)服務(wù)、2個(gè)組織。每個(gè)組織一個(gè)證書頒發(fā)機(jī)構(gòu)（Certificate Authority，CA）服務(wù)、3個(gè)節(jié)點(diǎn)，組織1兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，組織2一個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一個(gè)CouchDB。背書策略設(shè)定為每個(gè)組織中至少一個(gè)背書節(jié)點(diǎn)參與背書。

圖9為實(shí)驗(yàn)BIM，包括家具、門、窗以及墻組件。預(yù)設(shè)修改用戶為User1、User2以及User3，每位用戶對(duì)應(yīng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)，User1和User2屬于組織1，User3屬于組織2。

圖9 實(shí)驗(yàn)BIMFig.9 Experimental BIM

系統(tǒng)性能測(cè)試相關(guān)指標(biāo)主要包括：節(jié)點(diǎn)提交交易到系統(tǒng)出塊的時(shí)間Btime、最長(zhǎng)出塊等待時(shí)間Btimeout、區(qū)塊最大交易數(shù)MMCount。其中，Btimeout與MMCount為系統(tǒng)的出塊條件，滿足其中之一的條件即可出塊。

2.2.1 出塊時(shí)間測(cè)試

針對(duì)同時(shí)間段內(nèi)多用戶節(jié)點(diǎn)并發(fā)交易的場(chǎng)景，進(jìn)行系統(tǒng)出塊時(shí)間測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)在處理多節(jié)點(diǎn)并發(fā)交易時(shí)，出塊時(shí)間是否能夠滿足用戶日常應(yīng)用。測(cè)試環(huán)境設(shè)定如下：每個(gè)組織中的用戶節(jié)點(diǎn)都不停地發(fā)送1 000條BIM圖紙修改提交交易，測(cè)試系統(tǒng)的平均出塊時(shí)間是否滿足要求，即小于設(shè)定的最大出塊時(shí)間。本文按照Fabric聯(lián)盟鏈出塊常規(guī)設(shè)定Btimeout為2 s，本文系統(tǒng)共3個(gè)用戶節(jié)點(diǎn)，故設(shè)定MMCount為3。

一共進(jìn)行20次測(cè)試，每次測(cè)試后計(jì)算平均出塊時(shí)間，結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，出塊時(shí)間一開始呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，到第9次測(cè)試左右到達(dá)最大出塊時(shí)間，之后圍繞平均出塊時(shí)間上下波動(dòng)，這種結(jié)果的原因是隨著測(cè)試次數(shù)的增加，大量的測(cè)試數(shù)據(jù)占用了較多的系統(tǒng)內(nèi)存，所以會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生一定影響。經(jīng)過20次測(cè)試，本文系統(tǒng)處理BIM圖紙修改提交交易的平均出塊時(shí)間為0.467 85 s，最大時(shí)間為0.55 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于設(shè)定的最大出塊時(shí)間2 s，故實(shí)驗(yàn)的出塊條件為達(dá)到區(qū)塊最大交易數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文系統(tǒng)能夠完善處理3個(gè)節(jié)點(diǎn)并發(fā)提交的3 000條交易請(qǐng)求，能夠滿足正常系統(tǒng)的應(yīng)用需求。

圖10 出塊時(shí)間Fig.10 Block generation time

2.2.2 系統(tǒng)處理速率測(cè)試

針對(duì)多用戶并發(fā)大量交易請(qǐng)求的場(chǎng)景，進(jìn)行系統(tǒng)處理速率測(cè)試，測(cè)試系統(tǒng)在處理多節(jié)點(diǎn)并發(fā)交易時(shí)，系統(tǒng)在保證最大出塊時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定出塊的條件下的處理速率。測(cè)試環(huán)境設(shè)定如下：每個(gè)組織中的節(jié)點(diǎn)同時(shí)發(fā)出400、800、1 200、1 600、2000、2400條交易請(qǐng)求，測(cè)試系統(tǒng)在保證最大出塊時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定出塊的條件下的處理速率。

測(cè)試結(jié)果如圖11所示。由圖11可以看出，隨著用戶請(qǐng)求頻率的增加，系統(tǒng)處理速率最初是線性增加的，直到用戶請(qǐng)求頻率達(dá)到每秒1 600次交易時(shí)，系統(tǒng)處理速率逐漸達(dá)到飽和，約為每秒1 568次交易。隨后系統(tǒng)處理速率由于數(shù)據(jù)量過大占用內(nèi)存等原因而開始下降。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)在保證最大出塊時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定出塊的條件下的最大處理速率為每秒1 568次交易，完全可以滿足用戶日常的正常使用需求以及系統(tǒng)的使用標(biāo)準(zhǔn)。

圖11 系統(tǒng)處理速率Fig.11 System processing rate

3 結(jié)語

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N通過去中心化和去信任化，依靠集體共同維護(hù)的數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，作為近幾年的新興技術(shù)已經(jīng)在各行各業(yè)引起了廣泛的關(guān)注和研究熱潮。BIM通過數(shù)字化手段，將建筑的各種信息整合于一個(gè)三維模型信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，與區(qū)塊鏈技術(shù)有很好的契合點(diǎn)。本文結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)，提出了基于區(qū)塊鏈的BIM圖紙多人協(xié)同創(chuàng)作系統(tǒng)，將BIM圖紙整個(gè)創(chuàng)作過程中的所有創(chuàng)作后BIM圖紙信息上鏈存儲(chǔ)，依靠區(qū)塊鏈可追溯、防篡改等特性，解決了BIM圖紙版本混亂、不易溯源以及存在數(shù)據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。最后，設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明系統(tǒng)具有良好的性能，能夠滿足用戶日常需求。本文提出的BIM圖紙多人創(chuàng)作系統(tǒng)可以為后續(xù)的版權(quán)劃分工作提供依據(jù)，后續(xù)可以對(duì)此展開研究。