基于區塊鏈的碳排放監測預警系統研究

金虹　陳玉鳳　張路迎　孟令璽　查星異　張凡凡

摘? ?要：針對碳排放快速增長給環境帶來的威脅，世界各國采取了立法措施開展減排行動。中國在聯合國大會上向世界承諾：力爭于2030年前實現碳達峰，努力爭取2060年前實現碳中和。將區塊鏈與碳排放監測預警結合將會是我國實現“雙碳”目標的突破口，通過將監測機構、碳交易市場、政府管理、碳排放企業構建區塊鏈生態體系社區，形成基于區塊鏈的碳排放監測預警系統，通過分布式存儲來實現對排放企業的數據監控，從而保障各生產企業的碳排放量下降，最終實現“雙碳”目標。

關鍵詞：碳達峰；碳中和；區塊鏈技術；碳交易市場；碳排放監測預警系統

中圖分類號：F207? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2023）04-0036-03

一、文獻綜述

近些年來，區塊鏈、碳排放監測、碳達峰、碳中和都成為熱點話題，我國許多研究者在這些方面展開研究。馬剛（2022）進行了基于區塊鏈技術的工業數據安全防護的研究，提出了一種新的體系架構，從完整性和冗余性這兩個方面來增強工業數據安全性[1]。遲占博等（2022）研究了利用區塊鏈的可追溯、防篡改特點，確保交易過程中的安全性[2]。馬虹（2020）進行了智慧能源及碳排放監測管理云平臺系統方案的研究與應用，基本建成區一級統一的能耗監測與管理中心[3]。張欽等（2021）研究了一套在線監測碳排放的標準方法，提出了提升在線監測數據質量[4]。陳赟等（2022）以區域智慧能源服務平臺為研究基礎，依靠能源大數據應用，從政府、企業、交易市場三方視角開展智慧“能源+雙碳”服務平臺的建設工作[5]。王深等（2021）以我國主要耗煤產業、電力、供熱、交通以及森林碳匯量為研究對象，構建了基于低成本碳達峰、碳中和路徑的多目標模型[6]。

綜上，當前的研究集中在區塊鏈的應用、碳排放市場、監測系統，較少將其結合成一個體系。本文研究將區塊鏈技術應用到碳排放監測預警上，通過區塊鏈技術保障監測數據和交易數據的真實可信任，為政府提供可靠的監管體系。

二、基于區塊鏈的碳排放監測預警系統適用場景

基于區塊鏈的碳排放監測預警系統的參與主體有各省生態環境局等政府監管部門，高耗能、高排放的電力、化工、水泥、鋼鐵、玻璃、建材、造紙、航空、有色金屬等重點碳排放企業、地方碳交易市場和商業銀行。

所有參與主體通過區塊鏈的聯盟鏈搭建在一起，組成一個體系。區塊鏈技術中的密碼學技術和共識機制保證了數據的不可篡改性、可信任性。只要定期將在生產企業端碳排放監測數據作為交易數據上鏈，傳輸到在節點區塊上，都可以被追溯，防止數據篡改，全程透明和可追蹤，打破行業中的數據孤島，給體系中的當事人一種保障。區塊鏈中每一個當事人都是一個節點，數據都在同步傳輸，這也就是區塊鏈去中心化的極大優勢。若監測到超過分配給其企業的碳排放額，企業可在其銀行賬戶的資金通過碳交易市場向碳配額冗余的企業購買，初始過程中企業申請并獲得的碳排放配額和后續歷次交易碳排放權的流程都會被聯盟鏈記錄到各個節點的數據庫中[7]。環境保護局掌握企業的排放配額，加上對企業上鏈的排碳數據進行比對，即可實現精準監控。若企業未超配額，就不會被警告；若超額，則會受到警告，并要進行相應行政處理。

三、我國各省在碳排放管理中面臨的問題

（一）生產企業的碳排放難以控制

我國生產企業規模龐大，遍布各行各業，碳排放總量大，且很多企業從來沒有核算過自身的碳排放量。一般來講，要想降低企業的碳排放量，只能降低產能，這無疑將影響到企業的收入和利潤。如何在保證生產經營和降低碳排放兩者之間達成平衡，是擺在企業經營者面前的一個挑戰。

（二）政府難以監測到真實的碳排放數據

生產企業眾多，碳排放數據不斷變化而且難免會有企業向政府報告虛假數據，在沒有統一體系管理的情況下，政府也無法判別數據的真實性。2022年3月，我國生態環境部發布公告，有四家公司碳排放數據存在造假行為。由此可以看出造假行為時有發生。

（三）生產企業碳排放未能得到及時預警

當生產企業的生產工作進行時，若碳排放即將超標，政府沒有及時進行干預，企業收不到監管部門預警的信號，會使企業缺少危機意識。若沒有有效的預警系統，企業的碳排放問題將難以解決。

（四）各省沒有碳配額的企業如何購買尚未解決

碳交易市場目前在發展階段，目前仍有省份沒有開啟碳配額的分配。這意味著會有企業對于減少碳排放缺少合理的方式和渠道。這些企業如何購買碳配額，如何參與到碳交易市場中的問題仍未解決。這對各省的碳減排行動將造成不利影響。

四、基于區塊鏈的碳排放監測系統運行機制

首先應用碳監測器對企業的碳排放情況進行監測，定期將得到的數據上鏈，依據區塊鏈的分布式存儲底層技術，把碳排放數據存儲到區塊鏈生態系統中的各個節點。生態環境局以多層分配模式對企業進行碳配額分配[8]。為了數據的真實有效，生態環境局需要使用由第三方CA 機構頒發的私鑰對發放給企業的排放配額內容進行數字簽名，通過添加數字簽名可以保證數據產生于生態環境局。由于私鑰只有生態環境局持有，任何第三方無法模仿數字簽名內容，從而保證了數據的真實性。

獲取企業的排碳信息后，將會有兩種情況，一種是符合排碳額度，另一種是超出排碳額度。超額度企業可以進入碳交易市場進行購買，企業可以選擇向單個企業購買或向多個企業購買。其中，在碳交易市場交易中產生的數據自動上鏈，每個節點都會產生相應的交易數據，形成分布式存儲，實現交易全程數據被聯盟鏈上實名認證的主體可信共享應用。聯盟鏈由若干個結構相同且彼此關聯的節點構成，聯盟鏈中存在大量且不同的交易業務，鏈中每個節點中存儲了相同的業務信息，參與主體之間信息同步。除此之外，在區塊鏈的頭部還會有指向前一個區塊ID 的指針數據，用來確定與之關聯的上級節點，多個區塊節點就可以構成一條首尾相連的“數據鏈條”。通過依次查找數據鏈條上的指向信息，就能夠準確地定位到某次交易節點，并通過讀取節點數據獲取交易的具體內容，每一個交易數據都配有時間戳。整個過程，對于篡改數據的可能性是零。這樣形成了當事人多方共建、靈活互動的交易模式，凸顯區塊鏈可追溯的優越性。系統運行機制如圖2所示。

在發現有企業碳排放即將超標時，系統將通過智能合約自動實現預警。企業可以進入碳交易市場交易購買碳配額。區塊鏈智能合約技術通過代碼實現預先設置的警報功能，無需人為干預，程序自動執行，大大地提高整個體系的效率。系統可以按照先前設置自動觸發警報功能，在系統中的監管部門會收到該企業被警報的信息，系統中政府監管部門對超額企業進行處理。

五、基于區塊鏈的碳排放監測系統的創新研究

（一）運用聯盟鏈的優勢

基于區塊鏈的碳排放監測預警系統應用區塊鏈中的聯盟鏈。聯盟鏈具有半去中心化的特征，在鏈的內部，依靠區塊鏈形成了去中心化的網絡，而在鏈的外部，管理聯盟鏈的機構或組織則可以對聯盟鏈中的內容起到監管作用。聯盟鏈的功能解決了政府難以監測到真實的碳排放數據的問題，雖然公鏈的完全去中心化數據向全網公開，其數據可信程度更高，但當今的區塊鏈市場中的各種風險隱患也表明，一個可接受監管的聯盟鏈相比野蠻生長的公鏈將會更加有效。

（二）預警系統的應用

區塊鏈的智能合約技術通過代碼實現預先設置的警報功能，無需人為干預，程序自動執行，大大地提高整個體系的效率。它有多種狀態屬性，且在制定之前就獲得多方認可，可以按照先前設置自動觸發警報功能。在系統中的監管部門會收到該企業被警報的信息，那么，由系統中相應的政府監管部門對超額企業進行處理，就解決了生產企業的碳排放難以控制以及生產企業碳排放未能得到及時預警的痛點問題。

（三）碳交易市場的應用

該體系中有碳交易環節，碳排放較高的企業使用該系統。當各省為當地企業下達碳排放配額后，通過該系統中的碳排放交易市場，可以幫助企業在碳排放過多時及時補救，進行碳排放權的購買；當企業碳排放余額充足時，也可以進行出售；若某些省份沒有碳配額的發放，則可直接向其他企業購買。這樣，既達到了資源的合理配置，也解決了購買碳配額的問題。

六、構建區塊鏈系統的前后對比分析

生產企業為經濟增長做巨大貢獻的同時，也不可避免地出現環境污染的問題。若不構建有效的政府監管體系來治理少數造假碳排放數據的生產企業的不良行為，就會導致碳排放較高的企業保持碳的高排放，以至無法實現我國碳達峰和碳中和的戰略目標，不利于改善目前的全球氣候條件。

若構建并使用基于區塊鏈的碳排放監測預警體系，區塊鏈技術的分布式存儲、數據可信任、智能合約和共識機制等技術就會解決數據造假、生產企業難以管理等問題。體系中的碳交易市場幫助碳排放過高和碳配額有余量的企業進行高效的交易，聯盟鏈的助力可以保證參與企業交易數據的真實性；體系中的企業全部由聯盟鏈實名認證，避免了主體以外其他人或企業偷取以及篡改的可能。

七、結論

隨著經濟的迅速發展，二氧化碳排放量也呈現上升趨勢。我國在聯合國大會上承諾在2060年實現碳中和，并為此開展節能減排。由于我國幅員遼闊，且工業排放溫室氣體情況不僅難以檢測，而且各地都是將數據存儲在自己的本地服務器，無法做到全國共享，所以難以對我國的總體溫室氣體排放進行有效監測。并且，國內各地方沒有統一的平臺提供實時碳排放配額交易，影響了生產企業的正常生產經營，進而危害到市場經濟。

在經歷了空氣污染、碳排放無法追蹤和有效監測后，我國要達成在聯合國大會許下的碳中和承諾，就必然得建立起一套完善的碳排放預警和交易機制系統。本文研究基于區塊鏈技術的碳排放監測預警系統，以現有的大數據、人工智能和區塊鏈技術為基礎和依托，實現各省對企業的碳排放情況的實時監測，并適時作出相應預警。通過碳排放權交易市場為生產企業提供幫助，并給國家提供真實、可信任的碳排放數據，便于未來更合理地進行碳排放政策的決策。

歸根結底，建立基于區塊鏈技術的碳排放監測預警系統是我國實現碳達峰、碳中和，并為下一代人留下綠水青山的重要保證，惠及全國人民。

參考文獻：

[1]? ?馬剛.基于區塊鏈技術的工業數據安全防護的研究[J]．網絡安全技術與應用，2022，（5）.

[2]? ?遲占博，張勖，李婧，等.基于區塊鏈的可信交易完備性模式設計[J]．信息安全研究，2022，（5）.

[3]? ?馬虹.智慧能源及碳排放監測管理云平臺系統方案研究與應用[J]．計算機測量與控制，2020，（4）.

[4]? ?張欽，張達，張希良.在線監測應用于中國碳排放監測的相關問題和制度建議[J]．環境經濟研究，2021，（3）.

[5]? ?陳赟，劉昌維，潘智俊，等．新形勢下智慧“能源+雙碳”服務平臺的建設與應用[J]．供用電，2022，（2）.

[6]? ?王深等.基于多目標模型的中國低成本碳達峰、碳中和路徑[J]．環境科學研究，2021，（9）.

[7]? ?嚴振亞，李健.基于區塊鏈技術的碳排放交易及監控機制研究[J]．企業經濟，2020，（6）.

[8]? ?陳碩，宋鑫.“雙碳目標”背景下碳排放權交易機制及其會計確認與計量[J]．經濟研究導刊，2022，（10）.

[責任編輯? ?興? ?華]