基于區(qū)塊鏈技術(shù)的建筑工程信息交互平臺架構(gòu)

文｜上海隧道工程股份有限公司 劉立慧；上海城建信息科技有限公司 胡海斌；上海環(huán)境集團股份有限公司 龔衛(wèi)東；天津城建大學 張睿

0.引言

國家“十三五”規(guī)劃中明確指出“信息化”將是建筑工程的發(fā)展方向。目前土木各行各業(yè)均在探討如何通過革新工程各個環(huán)節(jié)信息管理的方式方法，吸收新興產(chǎn)業(yè)帶來的發(fā)展福利，促進建筑行業(yè)現(xiàn)代化。

在諸多新興技術(shù)中，隨著區(qū)塊鏈技術(shù)的日益成熟，其去中心化、透明性、防篡改、數(shù)據(jù)溯源等方面具有的巨大潛力已逐漸被開發(fā)出來并應用于傳統(tǒng)領(lǐng)域。

近年來，由于區(qū)塊鏈技術(shù)在國家層面的推廣應用，尤其是在2019年，國家領(lǐng)導提出了區(qū)塊鏈可以視為產(chǎn)業(yè)核心技術(shù)的重要點且有利于自主創(chuàng)新，全國都務必抓緊部署，擴大其應用范圍，至此，區(qū)塊鏈技術(shù)逐步進入大眾視野，也成為熱點領(lǐng)域。目前，區(qū)塊鏈早已跳出了數(shù)字貨幣等金融領(lǐng)域，在物流管理[1]、電子政務[2]、教育資源[3]等領(lǐng)域逐漸開花結(jié)果。土木建筑工程行業(yè)不少研究者同樣指出了區(qū)塊鏈在工程領(lǐng)域的應用前景[4][5][6]，但實際應用案例并不多，特別是在道路工程領(lǐng)域更是鮮有研究。

因此，本文針對建筑工程的特點，指出區(qū)塊鏈的典型應用場景，并基于區(qū)塊鏈技術(shù)架構(gòu)建筑工程的信息交互平臺為區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑工程施工管理中的應用提供思路。

1.區(qū)塊鏈技術(shù)的概念及特點

1.1 區(qū)塊鏈的概念

從狹義上來講，區(qū)塊鏈是一種鏈式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，“區(qū)塊”存儲數(shù)據(jù)信息，將無數(shù)個“區(qū)塊”按照時間順序進行排序，并將其鏈接，鏈接完后的個體即為區(qū)塊鏈，如果進行加密，則可以將其當作不可篡改的分布式分類賬本[7]；從廣義的角度來看，區(qū)塊鏈的存儲和驗證方式，主要是以“塊”類型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成[8]，通常開發(fā)者采用分布式的節(jié)點中蘊含的一致性算法去更新數(shù)據(jù)，為達到數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和訪問的安全性，必須進行加密處理。

1.2 區(qū)塊鏈的安全機制

（1）哈希算法

哈希算法，也即散列算法，其核心思想是把任意長度的輸入（文本、圖片、表單等）利用不可逆的方式，生成固定長度的字符串，即稱為哈希值。試圖逆向進行哈希算法并非易事，因此整個算法隱秘性良好。

（2）非對稱加密算法

非對稱加密算法用于解決用戶間信任問題，用戶身份一般通過密鑰和私鑰進行標注，且設置了用戶專屬的公鑰和私鑰。明文數(shù)據(jù)一般通過公鑰進行加密而成為密文，但如果試圖解密，一定需要通過非公開的私鑰，電子簽名就是非對稱加密算法的一項成功應用。

（3）時間戳

各個“區(qū)塊”的排列鏈接順序，包含了數(shù)據(jù)的時間信息。每次賬本或信息的變更都會記錄，記錄下的信息則會形成時間戳。例如，在工程應用方面，采用時間戳記錄改擴建工程中的信息，可以有效對項目工序、進度的監(jiān)管。

1.3 區(qū)塊鏈特征

在工程領(lǐng)域，目前最具有應用價值的特點在于去中心化、不可篡改及可追溯。去中心化使信息向工程參與各方共享成為可能，多方透明，防止黑箱操作。不可篡改和可追溯特性對于降低工程人為事故風險及事后追責有重要意義。

區(qū)塊鏈的發(fā)展可大致分為三個階段，其本身特性隨著發(fā)展在不斷完善。目前區(qū)塊鏈正處于2.0 階段，嵌入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)中用來處理參與者之間的相互信任和身份問題的智能合約，是該階段的關(guān)鍵技術(shù)，并在各領(lǐng)域進行擴展應用。在2.0 階段，其優(yōu)勢更為顯著，因為可以有效解決最重要的信任問題，以在多場景中實現(xiàn)良好的資分配日。

圖1 區(qū)塊鏈的階段特點

2.區(qū)塊鏈技術(shù)在工程建設中的應用

2.1 施工過程信息交互

發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化的特性，為工程參建單位：建業(yè)主單位、設計單位、施工單位等提供信息共享平臺，是區(qū)塊鏈技術(shù)典型的應用之一。可共享的工程信息例如：建設單位對工程不同階段的需求，設計的變更以及施工單位的工程質(zhì)量進度等。在施工過程產(chǎn)生任何交互的信息變更，都可被記錄并加密，相關(guān)方可以實時了解信息變更情況。

2.2 工序安排及質(zhì)量控制

所有參與到一個具體單位工程中的不同專業(yè)施工隊可作為一個區(qū)塊，將其施工作業(yè)內(nèi)容寫入?yún)^(qū)塊中，工程施工進度將從施工開始記錄，通過時間戳，一直記錄到施工結(jié)束。另外，可以將施工工序（如道路工程中明顯的工序?qū)哟?，地基處理、路基施工、路床施工、基層施工、面層施工等）寫入智能合約，確定好工序內(nèi)容及人、機、料安排。此外，施工流水節(jié)奏、步距也可寫入?yún)^(qū)塊。

通過將施工信息以時間戳的方式寫入?yún)^(qū)塊，串聯(lián)成鏈，將方便施工單位自檢人員、監(jiān)理工程師、業(yè)主現(xiàn)場管理人員進行工程質(zhì)量控制：遺漏某一環(huán)節(jié)的質(zhì)量檢測，后續(xù)的施工信息將無法寫入，提醒相關(guān)單位按約定進行質(zhì)量控制。

2.3 人員管理及責任追溯

如今工程追責均是終身制，完成一項工程需“寫書立碑”，但畢竟這類利用實體記錄的信息存在篡改的可能。且當事故發(fā)生后，僅僅找出第一責任人是不夠的，進行事故分析、總結(jié)對于吸取教訓、優(yōu)化后續(xù)工程施工具有非常重要的意義。通過記錄了工程全過程人員、質(zhì)量、工序、環(huán)境、進度管理的區(qū)塊鏈信息可以查看施工工程記錄，一旦察覺到質(zhì)量問題，則可迅速追本溯源，分清責任，找出工程漏洞或技術(shù)缺陷。將為事故分析人員提供全面的信息。這點充分利用了區(qū)塊鏈技術(shù)的安全性、不可篡改性、可追溯性。

2.4 運維管理

以道路工程運營為例：為保證交通安全，會在事故易發(fā)地或者限速、限行區(qū)域智能化的采用誘導分流或進行速度限制。如果發(fā)生一些違規(guī)，如超速行為，區(qū)塊鏈智能合約則會生效，并迅速執(zhí)行違約措施。

3.區(qū)塊鏈工程信息交互平臺構(gòu)建

3.1 平臺的選擇

根據(jù)不同區(qū)塊鏈平臺的應用條件和特點，研究進行了以下劃分：公共鏈（免許可鏈）；私有鏈（許可鏈）；聯(lián)盟鏈（混合鏈）。

總的來說，在區(qū)塊鏈的網(wǎng)絡中，去中心化的程度越高，安全性則會越強，以及信用問題的解決程度越好，但同時交易的效率隨之降低。應用于工程的區(qū)塊鏈平臺一方面需要保證可共享成員內(nèi)部的去中心化，一方面要篩選對非相關(guān)成員的訪問即具有權(quán)限管理功能，因此宜選用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的聯(lián)盟鏈形式構(gòu)建交互平臺。

3.2 平臺整體架構(gòu)

工程參與各方在區(qū)塊鏈交互平臺中以節(jié)點形式存在，以既定的共識機制運行，進行各自表單的生成和審批并進行分布式記賬，根據(jù)記錄按時生成區(qū)塊。

表1 不同平臺區(qū)塊鏈類型對比

整體上說區(qū)塊鏈網(wǎng)絡是分散的系統(tǒng)，一般可被分為六個層，見表2所示。

圖2 工程參與單位節(jié)點

表2 區(qū)塊鏈平臺的六個結(jié)構(gòu)層及技術(shù)組件

結(jié)合工程信息交互的需求，交互平臺的架構(gòu)宜為：由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡層組成基礎設施層，構(gòu)成平臺的基礎；由共識層和合約層組成平臺的開發(fā)層，包含平臺的智能合約和共識算法；除了位于頂層的應用層，還應設置儲存層及安全層，分別用于平臺的分布式存儲和身份認證、權(quán)限管理，見圖3。

圖3 區(qū)塊鏈平臺整體架構(gòu)設計圖

3.3 平臺各層級設計

（1）基礎設施層設計

基礎設施層中包含供系統(tǒng)使用的各種服務器及網(wǎng)絡設施，用以提供上層結(jié)構(gòu)所需的數(shù)據(jù)資源并支持區(qū)塊鏈的服務資源。

基礎設施層所提供的數(shù)據(jù)資源包含平臺中出現(xiàn)的各類信息?；A設施將這些龐雜的信息進行整合后，提供給平臺中的各個單位節(jié)點調(diào)用。服務資源與數(shù)據(jù)資源不同，它并不提供數(shù)據(jù)，僅是提供工程相關(guān)方服務，只要相關(guān)方處于平臺的節(jié)點中，即可以使用基礎層所提供的服務。

（2）安全層設計

工程中部分數(shù)據(jù)是對參建各方公開共享，有些是僅對部分單位開放，有些甚至屬于單位內(nèi)部信息，因此安全層的設計目的在于對各個單位的訪問權(quán)限進行設定，限制單位的訪問范圍。實現(xiàn)方法主要為：身份驗證即及訪問控制。非對稱加密算法的應用是該層的主要技術(shù)手段，也即公鑰和私鑰。首先，參與到信息交互平臺的單位需要通過資格審查，必須是工程相關(guān)方，或受邀請方才可以入駐。其次，信息交互需要一定程度的監(jiān)管，非核心節(jié)點不能對區(qū)塊鏈中數(shù)據(jù)進行操作。

（3）儲存層設計

采用區(qū)塊鏈進行分布式記賬，例如平臺中的大宗建材交易，買入者為施工單位，賣出者為建材企業(yè)，賣出者可以根據(jù)自身需求進行優(yōu)化。該系統(tǒng)提供給各方有效的監(jiān)督，提高了安全性，也為相關(guān)數(shù)據(jù)的根源性提供追蹤的可行性。

（4）開發(fā)層設計

開發(fā)層主要為實現(xiàn)平臺內(nèi)各單位節(jié)點的信息交互及輔助平臺各功能程序的設計。主要的內(nèi)容包括：接口管理、智能合約和共識機制。

（5）應用層設計

應用層的作用是供工程各主體參建方開展所需業(yè)務。業(yè)主單位、各大供應商、施工單位、設計院等在應用層對信息進行分發(fā)，傳播及審查，區(qū)塊鏈則對所有數(shù)據(jù)起到記錄作用。各參建主體可在自己的權(quán)限范圍內(nèi)進行信息的查詢。另外，政府監(jiān)管機構(gòu)可通過配備平臺PC 端，對數(shù)據(jù)進行實時監(jiān)控，并對相關(guān)建設活動進行授權(quán)以及監(jiān)管。如在北京市“區(qū)塊鏈+政務服務”中，累計落地了140 個區(qū)塊鏈應用場景，解決了傳統(tǒng)數(shù)據(jù)共享模式難以共享的310 余項數(shù)據(jù)的困境。其中設立的首貸服務中心，建設中小微企業(yè)確權(quán)及供應鏈金融服務平臺和企業(yè)電子身份認證信息系統(tǒng)，企業(yè)填報數(shù)據(jù)可以減少80%、而銀行的開戶時間節(jié)約40%。

南京江北新區(qū)公建中心構(gòu)建的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的信息交互平臺于2022年上線，設計該系統(tǒng)時，工作人員深入分析公建中心傳統(tǒng)工作模式的弊端，并利用區(qū)塊鏈技術(shù)逐一解決工作中存在的問題，據(jù)此設計建筑工程信息交互平臺。這也是該地區(qū)第一次將區(qū)塊鏈技術(shù)用于建筑工程管理，實現(xiàn)對建筑工程建設全過程的信息管理，輔助公建中心工作人員完成日常工作，避免工作過程中信息丟失，實現(xiàn)建筑工程相關(guān)信息的快速傳輸，保證了信息的時效性。該平臺投入使用后，取得良好的管理效果，滿足公建中心的日常工作需要，且信息交互速度快，不僅減輕了工作人員的工作壓力，還能提高信息管理效率，充分展現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)的應用優(yōu)勢。

為保證基于區(qū)塊鏈技術(shù)的建筑工程信息交互平臺發(fā)揮應有作用，該地區(qū)共建中心領(lǐng)導提出應用該平臺的要求，確保參與公建中心日常工作的人員熟練掌握平臺應用方式，確保區(qū)塊鏈技術(shù)可被合理用于日常工作，助力地區(qū)建筑行業(yè)發(fā)展。該管理平臺作用范圍廣，可實現(xiàn)與建筑工程各個環(huán)節(jié)工作人員的信息對接，擴充系統(tǒng)中存儲信息內(nèi)容，并對工作人員提出以下幾點要求：

第一，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的建筑工程系統(tǒng)投入使用后，工作人員需不斷優(yōu)化系統(tǒng)的性能，豐富區(qū)塊鏈上的內(nèi)容，提升區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑工程信息管理中的應用價值。由此將區(qū)塊鏈技術(shù)作為行業(yè)發(fā)展的動力，擴大區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑行業(yè)的應用范圍，轉(zhuǎn)變建筑行業(yè)的發(fā)展模式，實現(xiàn)現(xiàn)代技術(shù)在建筑工程管理中的科學運用。

第二，利用基于區(qū)塊鏈技術(shù)的建筑管理平臺實現(xiàn)對建筑工程的統(tǒng)一管理，通過建筑工程方上傳數(shù)據(jù)監(jiān)督其建設情況，分析建筑工程建設中存在的風險，及時采取措施規(guī)避風險，保證建筑工程建設項目順利完成。工作人員操作平臺的記錄完整記錄在平臺中，調(diào)取相關(guān)信息即可實現(xiàn)監(jiān)管目標，引起工作人員對該平臺的重視。

第三，提升公建中心工作人員的創(chuàng)新意識，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的建筑工程管理平臺開發(fā)僅是建筑行業(yè)管理技術(shù)創(chuàng)新的開始，要求各工作人員積極探索區(qū)塊鏈技術(shù)的創(chuàng)新應用方式，將更多先進技術(shù)用于建筑工程管理，推動建筑行業(yè)快速發(fā)展。同時完善獎勵措施，以實際獎勵鼓勵工作人員創(chuàng)新技術(shù)應用方式，保持高漲的工作熱情，調(diào)整區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑工程管理中的應用方式。提高管理效果。

由此可見，區(qū)塊鏈技術(shù)在建筑工程管理中具有較高的應用價值，合理設計平臺架構(gòu)可提升平臺的利用價值。其他地區(qū)也可借鑒該地區(qū)的基于區(qū)塊鏈技術(shù)建筑工程信息交互平臺的設計經(jīng)驗，結(jié)合實際工作需要合理設置平臺結(jié)構(gòu)，保證平臺的實際應用價值。

4.結(jié)論

建筑工程作為一門傳統(tǒng)學科，已伴隨人類社會發(fā)展了數(shù)千年。信息技術(shù)的發(fā)展為伎學科注入了新活力。區(qū)塊鏈技術(shù)在去中心化、防篡改、數(shù)據(jù)溯源等方面具有巨大的潛力，本文設計了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工程管理平臺架構(gòu)，得到以下主要結(jié)論：

（1）區(qū)塊鏈技術(shù)目前已拓展到醫(yī)療教育等傳統(tǒng)行業(yè)，但與建筑工程領(lǐng)域的融合還不夠深入。通過分析區(qū)塊鏈技術(shù)的特點發(fā)現(xiàn)，區(qū)塊鏈技術(shù)在施工過程的信息交互、物資采購、質(zhì)量管理、進度與人員安排、事故分析與責任追溯等領(lǐng)域有很大的適用空間。

（2）基于區(qū)塊鏈的建筑工程信息交互平臺架構(gòu)累計五層。應用層可以為整個工程的參建單位提供信息交互窗口；開發(fā)層可以實現(xiàn)平臺內(nèi)各單位節(jié)點的信息交互及輔助平臺各功能程序；儲存層可以記錄數(shù)據(jù)走向，方便追根溯源；安全層可以為開發(fā)者做好身份認證和權(quán)限管理的工作；基礎設施層可以完美的為各主體提供各類數(shù)據(jù)資源以及相關(guān)的服務資源。

（3）區(qū)塊鏈所采用的關(guān)鍵技術(shù)，哈希算法、非對稱加密算法和時間戳，一方面保證了數(shù)據(jù)不可偽造、不可逆推等安全性，另一方面為平臺帶來數(shù)據(jù)可追溯和透明性。進一步深化區(qū)塊鏈和建筑工程的融合可更好地解決工程長期存在的管理混亂、黑箱操作等問題。