基于區塊鏈的建筑行業信息化系統

楊英浩， 黃喜兵， 羅 祥

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

建筑工程行業是我國的支柱產業，關系著國民經濟和民生安全，然而建筑工程項目具有建設周期長，建設資金量大，人員流動性大和項目參與企業眾多等特點。規范化的工程管理需要記錄項目實施過程中的海量數據和檔案。能否管理好這些工程數據，直接體現了建筑企業管理工程項目的水平。建筑工程信息化的實質是充分利用計算機技術、網絡技術和大數據技術對建設過程中的數據進行系統性的收集、存儲、加工并將其用于輔助決策，從而大大提高管理效率，降低管理費用[1]。近些年來，信息化的發展大大促進了建筑工程的現代化，引起建筑工程管理方式的變革。但是目前我國建筑工程行業的信息化發展遲緩，信息化程度落后于全行業[2]，其發展過程也存在一些問題:

(1)信息難以共享，形成數據孤島。很多建筑企業不重視整體信息化建設，而是單獨部署BIM設計平臺、工地智能化平臺、財務管理軟件以及OA辦公系統等一系列產品進行專項管理。這些產品雖然對提高項目建設效率起到了一定作用,但這些管理軟件沒有提供多接口，各業務模塊相互獨立,彼此完全沒有交互,形成了數據孤島,增加了項目團隊統籌協調的成本與負擔,造成推諉矛盾不斷。所建成的信息化系統對企業核心業務管控作用有限。

(2)信息化流于表面導致工作量不減反增。推廣十多年的BIM技術還停留在設計翻模的階段，施工現場管理也未真正實現無紙化和智能化，紙質檔案的管理模式仍在同步運行，同樣一份文件，除網上填報外，還需人工填寫和簽字，這無疑使項目各參與方工作量成倍增加。

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

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

這些短板制約著建筑行業信息化的發展和推廣,也使信息化所能起的監管作用有限。如果長期無法解決企業在工程項目管理過程中的實際需求,信息化建設將極有可能淪為形式主義。

區塊鏈的概念由學者"中本聰"(或研究團隊)于2008年提出[3],作為比特幣的底層技術,區塊鏈是在多方之間建立信任的理想機制[4],可以為建筑行業信息化發展提供新的解決方案[5-6],使土木工程無紙化、信息化、智慧化真正成為現實可能的目標,從而提升監管水平。

本文針對當前建筑行業信息化建設中的存在的問題,基于區塊鏈技術進行探索,對區塊鏈結構及整體架構進行設計,并詳細說明了該系統的運行流程,為區塊鏈技術在建筑行業信息化中的應用提供思路。

1 區塊鏈技術

1.1 區塊鏈的定義

關于區塊鏈的定義目前尚未形成一個公認的說法。狹義地講,區塊鏈是一種以區塊為單位來存儲有效數據并按時間順序串聯的鏈式存儲結構，通過密碼學方法保證不可抵賴、不可篡改、可附加的分布式共享賬本(Decentralizedsharedledger)。廣義的區塊鏈技術則是利用加密鏈式區塊結構來驗證與存儲數據、利用工作量證明(ProofofWork,PoW)、權益證明(ProofofStake,PoS)等節點共識機制來生成和更新數據、利用自動化腳本代碼來編程和處理數據的一種去中心化基礎架構與分布式計算范式[7]。

1.2 區塊鏈的分類

根據準入機制和網絡配置方式不同可以將區塊鏈分成公有鏈、私有鏈和聯盟鏈，3種區塊鏈的特點和區別如表1所示。

聯盟鏈(Consortiumblockchain)是目前中國最具應用前景的一種區塊鏈。相對公鏈來說聯盟鏈在企業數據安全和隱私保護方面更具優勢,但去中心化程度又高于私有鏈。通常適用于為一個項目中的多個利益相關方的共同協作提供服務，與建筑工程這種項目型行業具有天然的契合性。

表1 各類區塊鏈特點對比

2 基于區塊鏈的工程管理信息化系統架構設計

2.1 基本概念

2.1.1 節點

區塊鏈網絡的節點主要分為群組節點和組外節點2類。其中群組節點又分為超級節點和權益節點，超級節點由權益節點投票選出并對權益節點負責，參與出塊和同步區塊，而權益節點只負責同步區塊，不參與出塊。同時對超級節點進行監督。組外節點則是已經完成區塊鏈準入但尚未通過群組準入的節點，既不參與群組的共識過程，也沒有查看賬本的權限。

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，建筑區塊鏈系統選擇能夠穩定執行智能合約的賬戶模型。與節點一樣，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，區別是用戶賬戶由實體控制，可以發起交易并使用私鑰對交易進行簽名。而合約賬戶還包括一個狀態和執行代碼，賬戶資金的轉移完全由代碼控制，不受人為操作的影響。

2.2 系統架構

整體架構上，本系統被劃分為數據層、共識層、網絡層、合約層和應用層。

2.2.1 數據層

數據層的主要作用是收集和存儲數據，可以定期同步更新每個節點的本地賬本并使用加密算法和時間戳保證工程項目信息的不可篡改和可追溯性。

2.2.2 網絡層

區塊鏈系統的網絡層采用一種私人數據連接技術—點對點傳輸技術，能夠安全地連接2個及2個以上的私人數據服務節點,每個節點既是數據的接收者又是數據的發送者，這種網絡結構可以從根源上保障區塊鏈賬本的安全。

2.2.3 共識層

共識層負責對數據區塊進行驗證并排序，確保每個節點都完成賬本同步。為了使建筑聯盟鏈兼具安全性和高吞吐量，共識層采用股份授權證明機制(Delegateproofofstake，DPOS)和拜占庭容錯機制(Byzantinefaulttolerance，BFT)相結合的共識機制，即BFT-DPOS機制，這種共識機制融合了DPOS和BFT2種共識算法的優勢，不但避免了網絡分叉，還大大提高了單位時間內可確認的交易數量，使得該區塊鏈網絡更具實用性。

2.2.4 合約層

合約層主要包括合約開發語言、合約代碼庫和區塊鏈交互接口。在搭建區塊鏈的過程中，建筑項目的各參與方可以就一些合同條款達成一致性意見，利用合約語言和合約庫將合同代碼化并嵌入區塊中，通過區塊鏈交互接口對合約進行驗證和執行。

2.2.5 應用層

應用層包含了終端用戶用于與區塊鏈網絡交互的應用程序,包括腳本、應用程序接口、用戶界面、框架。對于這些應用來說，區塊鏈網絡是后端系統，它們通常通過應用程序接口與區塊鏈網絡連接。設置應用層的目的是將區塊鏈使用者所需要的功能代碼化，并將其制作成應用程序提供給終端用戶，便于使用者操作。

3 基于區塊鏈的工程管理信息化系統的運行流程

大型建設項目涉及到許多大大小小的實體企業且各參與方與項目的利益相關性有很大差別，要求所有企業都參與聯盟鏈網絡的共識過程顯然不合理，因此建立在民主選舉之上的DPOS共識機制非常適用于建筑聯盟鏈。但DPOS機制下的生成的區塊不能立即被驗證，只有當輪到其他超級節點產生新區塊并串聯其后時，才算驗證了該區塊。要使該區塊成為不可逆狀態，需要2/3的超級節點驗證。節點越多交易確認速度越慢，這大大限制了聯盟鏈的擴展性。而PBFT共識機制只需在出塊者廣播新區塊后收到超過總數2/3的超級節點返回簽名就可以使新區塊不可逆，流程更簡潔，效率更高，因此在區塊驗證階段引入PBFT共識機制，可以有效縮短區塊驗證時間。BFT-DPoS機制的共識流程分為2個階段：

第1階段：權益委托證明(DPoS)——選舉超級節點/規定出塊順序和任期。

第2階段：實用拜占庭容錯(PBFT)——區塊生產/驗證。

4 結束語

本文對建筑行業信息化發展遲緩的原因進行了探索，并針對這些問題引入了當下熱門的新興互聯網技術—區塊鏈，分析了區塊鏈關鍵技術與建筑行業的適配性，并在此基礎上設計了一種建筑工程管理信息化系統。區塊鏈作為我國新基建的重要組成部分，雖然還有一些技術和制度方面的缺陷需要解決，但重塑傳統行業的潛力太大，不容忽視。建筑業是世界上規模最大最古老的行業之一，它所建造的基礎設施是國家經濟增長和生產力發展的支柱。促進建筑行業的數字化轉型，使其為迎接新時代的挑戰做好準備，是我們作為建筑行業從業者固有的責任。