基于區(qū)塊鏈的建筑行業(yè)信息化系統(tǒng)

楊英浩， 黃喜兵， 羅 祥

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

建筑工程行業(yè)是我國(guó)的支柱產(chǎn)業(yè)，關(guān)系著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和民生安全，然而建筑工程項(xiàng)目具有建設(shè)周期長(zhǎng)，建設(shè)資金量大，人員流動(dòng)性大和項(xiàng)目參與企業(yè)眾多等特點(diǎn)。規(guī)范化的工程管理需要記錄項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中的海量數(shù)據(jù)和檔案。能否管理好這些工程數(shù)據(jù)，直接體現(xiàn)了建筑企業(yè)管理工程項(xiàng)目的水平。建筑工程信息化的實(shí)質(zhì)是充分利用計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)建設(shè)過(guò)程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)性的收集、存儲(chǔ)、加工并將其用于輔助決策，從而大大提高管理效率，降低管理費(fèi)用[1]。近些年來(lái)，信息化的發(fā)展大大促進(jìn)了建筑工程的現(xiàn)代化，引起建筑工程管理方式的變革。但是目前我國(guó)建筑工程行業(yè)的信息化發(fā)展遲緩，信息化程度落后于全行業(yè)[2]，其發(fā)展過(guò)程也存在一些問(wèn)題:

(1)信息難以共享，形成數(shù)據(jù)孤島。很多建筑企業(yè)不重視整體信息化建設(shè)，而是單獨(dú)部署B(yǎng)IM設(shè)計(jì)平臺(tái)、工地智能化平臺(tái)、財(cái)務(wù)管理軟件以及OA辦公系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品進(jìn)行專項(xiàng)管理。這些產(chǎn)品雖然對(duì)提高項(xiàng)目建設(shè)效率起到了一定作用,但這些管理軟件沒(méi)有提供多接口，各業(yè)務(wù)模塊相互獨(dú)立,彼此完全沒(méi)有交互,形成了數(shù)據(jù)孤島,增加了項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)統(tǒng)籌協(xié)調(diào)的成本與負(fù)擔(dān),造成推諉矛盾不斷。所建成的信息化系統(tǒng)對(duì)企業(yè)核心業(yè)務(wù)管控作用有限。

(2)信息化流于表面導(dǎo)致工作量不減反增。推廣十多年的BIM技術(shù)還停留在設(shè)計(jì)翻模的階段，施工現(xiàn)場(chǎng)管理也未真正實(shí)現(xiàn)無(wú)紙化和智能化，紙質(zhì)檔案的管理模式仍在同步運(yùn)行，同樣一份文件，除網(wǎng)上填報(bào)外，還需人工填寫和簽字，這無(wú)疑使項(xiàng)目各參與方工作量成倍增加。

(3)中心化信息管理系統(tǒng)使得電子檔案易于篡改，數(shù)據(jù)原始性難以保證，這也為數(shù)據(jù)的追溯造成困難。

(4)信息化價(jià)值難以量化，前期搭建平臺(tái)投入大，但后期產(chǎn)生的價(jià)值很大一部分都是隱形的，比如工程進(jìn)度可視化、管理流程信息化、溝通效率提升等，很難獨(dú)立量化，致使管理層對(duì)其作用的認(rèn)可度低。

這些短板制約著建筑行業(yè)信息化的發(fā)展和推廣,也使信息化所能起的監(jiān)管作用有限。如果長(zhǎng)期無(wú)法解決企業(yè)在工程項(xiàng)目管理過(guò)程中的實(shí)際需求,信息化建設(shè)將極有可能淪為形式主義。

區(qū)塊鏈的概念由學(xué)者"中本聰"(或研究團(tuán)隊(duì))于2008年提出[3],作為比特幣的底層技術(shù),區(qū)塊鏈?zhǔn)窃诙喾街g建立信任的理想機(jī)制[4],可以為建筑行業(yè)信息化發(fā)展提供新的解決方案[5-6],使土木工程無(wú)紙化、信息化、智慧化真正成為現(xiàn)實(shí)可能的目標(biāo),從而提升監(jiān)管水平。

本文針對(duì)當(dāng)前建筑行業(yè)信息化建設(shè)中的存在的問(wèn)題,基于區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行探索,對(duì)區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)及整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì),并詳細(xì)說(shuō)明了該系統(tǒng)的運(yùn)行流程,為區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑行業(yè)信息化中的應(yīng)用提供思路。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈的定義

關(guān)于區(qū)塊鏈的定義目前尚未形成一個(gè)公認(rèn)的說(shuō)法。狹義地講,區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N以區(qū)塊為單位來(lái)存儲(chǔ)有效數(shù)據(jù)并按時(shí)間順序串聯(lián)的鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)結(jié)構(gòu)，通過(guò)密碼學(xué)方法保證不可抵賴、不可篡改、可附加的分布式共享賬本(Decentralizedsharedledger)。廣義的區(qū)塊鏈技術(shù)則是利用加密鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)來(lái)驗(yàn)證與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、利用工作量證明(ProofofWork,PoW)、權(quán)益證明(ProofofStake,PoS)等節(jié)點(diǎn)共識(shí)機(jī)制來(lái)生成和更新數(shù)據(jù)、利用自動(dòng)化腳本代碼來(lái)編程和處理數(shù)據(jù)的一種去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)與分布式計(jì)算范式[7]。

1.2 區(qū)塊鏈的分類

根據(jù)準(zhǔn)入機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)配置方式不同可以將區(qū)塊鏈分成公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈，3種區(qū)塊鏈的特點(diǎn)和區(qū)別如表1所示。

聯(lián)盟鏈(Consortiumblockchain)是目前中國(guó)最具應(yīng)用前景的一種區(qū)塊鏈。相對(duì)公鏈來(lái)說(shuō)聯(lián)盟鏈在企業(yè)數(shù)據(jù)安全和隱私保護(hù)方面更具優(yōu)勢(shì),但去中心化程度又高于私有鏈。通常適用于為一個(gè)項(xiàng)目中的多個(gè)利益相關(guān)方的共同協(xié)作提供服務(wù)，與建筑工程這種項(xiàng)目型行業(yè)具有天然的契合性。

表1 各類區(qū)塊鏈特點(diǎn)對(duì)比

2 基于區(qū)塊鏈的工程管理信息化系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 基本概念

2.1.1 節(jié)點(diǎn)

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)主要分為群組節(jié)點(diǎn)和組外節(jié)點(diǎn)2類。其中群組節(jié)點(diǎn)又分為超級(jí)節(jié)點(diǎn)和權(quán)益節(jié)點(diǎn)，超級(jí)節(jié)點(diǎn)由權(quán)益節(jié)點(diǎn)投票選出并對(duì)權(quán)益節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)，參與出塊和同步區(qū)塊，而權(quán)益節(jié)點(diǎn)只負(fù)責(zé)同步區(qū)塊，不參與出塊。同時(shí)對(duì)超級(jí)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)督。組外節(jié)點(diǎn)則是已經(jīng)完成區(qū)塊鏈準(zhǔn)入但尚未通過(guò)群組準(zhǔn)入的節(jié)點(diǎn)，既不參與群組的共識(shí)過(guò)程，也沒(méi)有查看賬本的權(quán)限。

2.1.2 賬戶

由于智能合約在支付管理和索賠方面的具有重要作用，建筑區(qū)塊鏈系統(tǒng)選擇能夠穩(wěn)定執(zhí)行智能合約的賬戶模型。與節(jié)點(diǎn)一樣，賬戶也分為2類，即用戶賬戶和合約賬戶。2種賬戶都包括賬戶地址和賬戶余額，區(qū)別是用戶賬戶由實(shí)體控制，可以發(fā)起交易并使用私鑰對(duì)交易進(jìn)行簽名。而合約賬戶還包括一個(gè)狀態(tài)和執(zhí)行代碼，賬戶資金的轉(zhuǎn)移完全由代碼控制，不受人為操作的影響。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)

整體架構(gòu)上，本系統(tǒng)被劃分為數(shù)據(jù)層、共識(shí)層、網(wǎng)絡(luò)層、合約層和應(yīng)用層。

2.2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層的主要作用是收集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，可以定期同步更新每個(gè)節(jié)點(diǎn)的本地賬本并使用加密算法和時(shí)間戳保證工程項(xiàng)目信息的不可篡改和可追溯性。

2.2.2 網(wǎng)絡(luò)層

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層采用一種私人數(shù)據(jù)連接技術(shù)—點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸技術(shù)，能夠安全地連接2個(gè)及2個(gè)以上的私人數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點(diǎn),每個(gè)節(jié)點(diǎn)既是數(shù)據(jù)的接收者又是數(shù)據(jù)的發(fā)送者，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以從根源上保障區(qū)塊鏈賬本的安全。

2.2.3 共識(shí)層

共識(shí)層負(fù)責(zé)對(duì)數(shù)據(jù)區(qū)塊進(jìn)行驗(yàn)證并排序，確保每個(gè)節(jié)點(diǎn)都完成賬本同步。為了使建筑聯(lián)盟鏈兼具安全性和高吞吐量，共識(shí)層采用股份授權(quán)證明機(jī)制(Delegateproofofstake，DPOS)和拜占庭容錯(cuò)機(jī)制(Byzantinefaulttolerance，BFT)相結(jié)合的共識(shí)機(jī)制，即BFT-DPOS機(jī)制，這種共識(shí)機(jī)制融合了DPOS和BFT2種共識(shí)算法的優(yōu)勢(shì)，不但避免了網(wǎng)絡(luò)分叉，還大大提高了單位時(shí)間內(nèi)可確認(rèn)的交易數(shù)量，使得該區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)更具實(shí)用性。

2.2.4 合約層

合約層主要包括合約開(kāi)發(fā)語(yǔ)言、合約代碼庫(kù)和區(qū)塊鏈交互接口。在搭建區(qū)塊鏈的過(guò)程中，建筑項(xiàng)目的各參與方可以就一些合同條款達(dá)成一致性意見(jiàn)，利用合約語(yǔ)言和合約庫(kù)將合同代碼化并嵌入?yún)^(qū)塊中，通過(guò)區(qū)塊鏈交互接口對(duì)合約進(jìn)行驗(yàn)證和執(zhí)行。

2.2.5 應(yīng)用層

應(yīng)用層包含了終端用戶用于與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交互的應(yīng)用程序,包括腳本、應(yīng)用程序接口、用戶界面、框架。對(duì)于這些應(yīng)用來(lái)說(shuō)，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是后端系統(tǒng)，它們通常通過(guò)應(yīng)用程序接口與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)連接。設(shè)置應(yīng)用層的目的是將區(qū)塊鏈?zhǔn)褂谜咚枰墓δ艽a化，并將其制作成應(yīng)用程序提供給終端用戶，便于使用者操作。

3 基于區(qū)塊鏈的工程管理信息化系統(tǒng)的運(yùn)行流程

大型建設(shè)項(xiàng)目涉及到許多大大小小的實(shí)體企業(yè)且各參與方與項(xiàng)目的利益相關(guān)性有很大差別，要求所有企業(yè)都參與聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)的共識(shí)過(guò)程顯然不合理，因此建立在民主選舉之上的DPOS共識(shí)機(jī)制非常適用于建筑聯(lián)盟鏈。但DPOS機(jī)制下的生成的區(qū)塊不能立即被驗(yàn)證，只有當(dāng)輪到其他超級(jí)節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生新區(qū)塊并串聯(lián)其后時(shí)，才算驗(yàn)證了該區(qū)塊。要使該區(qū)塊成為不可逆狀態(tài)，需要2/3的超級(jí)節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證。節(jié)點(diǎn)越多交易確認(rèn)速度越慢，這大大限制了聯(lián)盟鏈的擴(kuò)展性。而PBFT共識(shí)機(jī)制只需在出塊者廣播新區(qū)塊后收到超過(guò)總數(shù)2/3的超級(jí)節(jié)點(diǎn)返回簽名就可以使新區(qū)塊不可逆，流程更簡(jiǎn)潔，效率更高，因此在區(qū)塊驗(yàn)證階段引入PBFT共識(shí)機(jī)制，可以有效縮短區(qū)塊驗(yàn)證時(shí)間。BFT-DPoS機(jī)制的共識(shí)流程分為2個(gè)階段：

第1階段：權(quán)益委托證明(DPoS)——選舉超級(jí)節(jié)點(diǎn)/規(guī)定出塊順序和任期。

第2階段：實(shí)用拜占庭容錯(cuò)(PBFT)——區(qū)塊生產(chǎn)/驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)建筑行業(yè)信息化發(fā)展遲緩的原因進(jìn)行了探索，并針對(duì)這些問(wèn)題引入了當(dāng)下熱門的新興互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)—區(qū)塊鏈，分析了區(qū)塊鏈關(guān)鍵技術(shù)與建筑行業(yè)的適配性，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種建筑工程管理信息化系統(tǒng)。區(qū)塊鏈作為我國(guó)新基建的重要組成部分，雖然還有一些技術(shù)和制度方面的缺陷需要解決，但重塑傳統(tǒng)行業(yè)的潛力太大，不容忽視。建筑業(yè)是世界上規(guī)模最大最古老的行業(yè)之一，它所建造的基礎(chǔ)設(shè)施是國(guó)家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和生產(chǎn)力發(fā)展的支柱。促進(jìn)建筑行業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型，使其為迎接新時(shí)代的挑戰(zhàn)做好準(zhǔn)備，是我們作為建筑行業(yè)從業(yè)者固有的責(zé)任。