區(qū)塊鏈技術(shù)在建造過(guò)程溯源中的應(yīng)用

李長(zhǎng)偉 LI Chang-wei；歐陽(yáng)詩(shī)杰 OUYANG Shi-jie

（①中交二航局第六工程有限公司，鄭州 450040；②湖北交投科技發(fā)展有限公司，武漢 430034）

0 引言

建筑工程建造過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生數(shù)量龐雜的數(shù)據(jù)資料及各類許可、規(guī)范文件，這些文件一般我們統(tǒng)稱為工程資料，工程資料是出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題時(shí)各單位責(zé)任歸屬的證據(jù)及依據(jù)，不區(qū)分工程類型，從工程共性角度來(lái)看，工程資料基本上分管理資料、技術(shù)資料、測(cè)量資料、施工記錄、物資資料、試驗(yàn)記錄、過(guò)程驗(yàn)收記錄、竣工驗(yàn)收記錄七類。

工程施工過(guò)程資料的記錄者在建造過(guò)程中一般表現(xiàn)為竣工驗(yàn)收資料中常見(jiàn)的“五方”，建設(shè)單位（或代建單位）、勘察單位、設(shè)計(jì)單位、監(jiān)理單位、施工單位。本文旨在建立一種去中心化的工程資料管理模式，即建立一套五方共管共建，任何一方都無(wú)法干預(yù)的系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)建造過(guò)程溯源資料的高還原度，不受各方主觀意圖的影響。

1 建造過(guò)程溯源設(shè)計(jì)原理

總體設(shè)計(jì)思路（圖1）：

第一步，梳理建造過(guò)程中所有資料的數(shù)據(jù)產(chǎn)生流程（簡(jiǎn)稱數(shù)據(jù)流），結(jié)合數(shù)據(jù)內(nèi)容構(gòu)建數(shù)據(jù)塊。

第二步，使用智能合約技術(shù)給每個(gè)數(shù)據(jù)塊建立區(qū)塊，建立映射關(guān)系，所有數(shù)據(jù)塊的區(qū)塊構(gòu)成區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

第三步，將數(shù)據(jù)塊和區(qū)塊鏈系統(tǒng)存入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)，為大數(shù)據(jù)系統(tǒng)奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

第四步，設(shè)計(jì)大數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上利用數(shù)字孿生思維結(jié)合BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化。

1.1 基于工作流程梳理數(shù)據(jù)流構(gòu)建數(shù)據(jù)塊，建立數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)

在建造過(guò)程溯源中最常見(jiàn)的便是施工過(guò)程資料數(shù)據(jù)流紊亂，數(shù)據(jù)流紊亂的根源大多是產(chǎn)生數(shù)據(jù)的工作流程劃分模糊的產(chǎn)物，所以要想獲取一份準(zhǔn)確的資料中的數(shù)據(jù)流，工作流程必須劃分清晰，只有在此基礎(chǔ)上才能建立目錄準(zhǔn)確，索引高效的數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)。下面以隱蔽工程驗(yàn)收記錄為例（圖2）。

圖2 數(shù)據(jù)流梳理、數(shù)據(jù)塊構(gòu)建過(guò)程（以隱蔽工程驗(yàn)收記錄為例）

在數(shù)據(jù)塊進(jìn)入數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)前，數(shù)據(jù)來(lái)源、數(shù)據(jù)內(nèi)容需要得到精準(zhǔn)的圈定。首先要明確隱蔽工程驗(yàn)收記錄的數(shù)據(jù)來(lái)源方數(shù)量，即施工單位，監(jiān)理單位，業(yè)主代表（如有，也稱建設(shè)單位代表），其次要界定各方產(chǎn)生的數(shù)據(jù)內(nèi)容，不屬于各自范疇的數(shù)據(jù)不需要也不應(yīng)該出現(xiàn)在工作流中。例如檢查驗(yàn)收內(nèi)容涉及的砼檢測(cè)資料是另一個(gè)工作流產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，這里直接從另一個(gè)數(shù)據(jù)流調(diào)取即可，不需要在隱蔽工程驗(yàn)收記錄中出現(xiàn)，以免引發(fā)數(shù)據(jù)混亂。

1.2 對(duì)數(shù)據(jù)塊進(jìn)行區(qū)塊鏈加密，去中心化管理

當(dāng)數(shù)據(jù)被填充完畢后還需要使用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)該部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行加密，去中心化管理，這里我們主要使用智能合約技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密管理。

如圖3 所示，建造過(guò)程中的資料各方的各類行為都會(huì)被記錄在區(qū)塊中，如果有任何一方篡改數(shù)據(jù)都會(huì)引發(fā)整個(gè)區(qū)塊鏈變動(dòng)從而被標(biāo)記下來(lái)，而整個(gè)過(guò)程由程序自動(dòng)完成記錄，資料各方?jīng)]有權(quán)限干預(yù)，從而實(shí)現(xiàn)資料的完整性、去中心化及由其無(wú)法篡改帶來(lái)的權(quán)威性。

圖3 智能合約賦予建造資料數(shù)據(jù)塊區(qū)塊

1.3 建立BIM 模型，將數(shù)據(jù)與模型疊加，實(shí)現(xiàn)數(shù)字孿生

通過(guò)Revit 等建模工具將2D 圖紙轉(zhuǎn)換為可視化的3D 模型，并將模型各部分與對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)一一關(guān)聯(lián)，建立符合人類識(shí)別和使用的界面，使用者在模型上通過(guò)點(diǎn)擊即可查詢對(duì)應(yīng)分部分項(xiàng)工程的詳細(xì)建造過(guò)程資料，使得整個(gè)溯源過(guò)程更為便捷高效。

2 數(shù)據(jù)框架搭建思路原理

2.1 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)框架設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)主要由數(shù)據(jù)塊和區(qū)塊兩部分構(gòu)成，數(shù)據(jù)塊內(nèi)容由工作流產(chǎn)生的數(shù)據(jù)流決定，區(qū)塊由智能合約生成的哈希值附加上一區(qū)塊的結(jié)尾構(gòu)成（表1）。

表1 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)框架

以隱蔽工程驗(yàn)收記錄為例，數(shù)據(jù)塊部分包含對(duì)應(yīng)工程部分編號(hào)（唯一性，來(lái)自于分部分項(xiàng)工程表），分項(xiàng)工程名稱，隱蔽部位，施工單位名稱，對(duì)應(yīng)施工圖名稱（來(lái)自于施工圖表），對(duì)應(yīng)施工圖圖號(hào)（來(lái)自于施工圖表），內(nèi)容序號(hào)、檢查驗(yàn)收內(nèi)容、施工單位自檢記錄、關(guān)聯(lián)圖示或視頻、備注說(shuō)明、施工單位檢查意見(jiàn)、施工單位檢查意見(jiàn)日期、項(xiàng)目專職質(zhì)量檢查員、項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人、監(jiān)理單位驗(yàn)收意見(jiàn)、監(jiān)理單位驗(yàn)收日期、監(jiān)理工程師、建設(shè)單位技術(shù)負(fù)責(zé)人、對(duì)應(yīng)區(qū)塊ID（來(lái)自于區(qū)塊鏈，由智能合約自動(dòng)分配，跟隨區(qū)塊鏈變動(dòng)）。

2.2 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)加密設(shè)計(jì)

每一個(gè)區(qū)塊都由塊頭和塊身組成。塊頭鏈接到上一個(gè)區(qū)塊的地址；塊身包含經(jīng)驗(yàn)證的、塊創(chuàng)建過(guò)程中發(fā)生的交易詳情或其他數(shù)據(jù)記錄。區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)通過(guò)兩種方式來(lái)保證數(shù)據(jù)庫(kù)的完整性和嚴(yán)謹(jǐn)性。

與上文中的隱蔽工程驗(yàn)收記錄的數(shù)據(jù)塊對(duì)應(yīng)，區(qū)塊中的塊身包含智能合約生成ID，智能合約生成交易收據(jù)（日志、修改部分、狀態(tài)值【有效、無(wú)效、廢止】、施工單位數(shù)字簽名、時(shí)間戳，項(xiàng)目專職質(zhì)量檢查員數(shù)字簽名、時(shí)間戳、項(xiàng)目技術(shù)負(fù)責(zé)人數(shù)字簽名、時(shí)間戳，監(jiān)理單位數(shù)字簽名、時(shí)間戳、監(jiān)理工程師數(shù)字簽名、時(shí)間戳，建設(shè)單位數(shù)字簽名、時(shí)間戳，建設(shè)單位技術(shù)負(fù)責(zé)人數(shù)字簽名、時(shí)間戳）。

2.3 區(qū)塊與數(shù)據(jù)塊建立映射關(guān)系

在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中數(shù)據(jù)塊表與區(qū)塊鏈表間通過(guò)列對(duì)應(yīng)區(qū)塊ID 與列區(qū)塊ID（主鍵）建立映射關(guān)系，完成賦碼（圖4）。通過(guò)這一過(guò)程，區(qū)塊鏈特性為數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)權(quán)威性提供保證和支撐。

圖4 數(shù)據(jù)塊與區(qū)塊建立映射

2.4 BIM 模型可視化數(shù)據(jù)框架設(shè)計(jì)

目前的建造過(guò)程溯源一般依賴于圖紙及文檔表格類數(shù)據(jù)，查閱及檢索效率不高，因此需要建立對(duì)人友好，查詢高效的可視化界面，這個(gè)界面要做到所見(jiàn)即所得，所得關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)翔實(shí)。

可視化步驟的第一步在于進(jìn)行建造物的數(shù)字孿生，在勘察設(shè)計(jì)單位出具的2D 圖紙利用BIM 技術(shù)生成3D 模型或利用已有的3D 模型，緊接著需要在模型上的各個(gè)關(guān)鍵建造節(jié)點(diǎn)上設(shè)置錨點(diǎn)，錨點(diǎn)與數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)中的數(shù)據(jù)塊構(gòu)成唯一性關(guān)聯(lián)，通過(guò)大數(shù)據(jù)檢索系統(tǒng)可以查詢?cè)摂?shù)據(jù)塊的區(qū)塊信息以及該區(qū)塊在區(qū)塊鏈中的完整性。

3 原理案例應(yīng)用及后續(xù)功能擴(kuò)展

3.1 某市新區(qū)立體天橋工作流梳理，數(shù)據(jù)整理，數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)建立

每個(gè)工程都有其獨(dú)特的建設(shè)內(nèi)容，梳理過(guò)程要根據(jù)建設(shè)內(nèi)容的不同有所變化。

該項(xiàng)目橋梁設(shè)計(jì)采用鋼結(jié)構(gòu)環(huán)形連續(xù)梁，總長(zhǎng)345.575m，共10 跨。主梁橫斷面寬度為4.5m～7.0m。天橋共設(shè)置八道鋼結(jié)構(gòu)梯道、四道自動(dòng)扶梯和四處垂直電梯，其中東南角垂直電梯與8 號(hào)地鐵線無(wú)障礙電梯合并設(shè)計(jì)，并預(yù)留三處連廊接口。從建設(shè)內(nèi)容來(lái)看，該項(xiàng)目以鋼結(jié)構(gòu)工程為主體工程。以下主要以鋼結(jié)構(gòu)工程安全控制中焊接工程質(zhì)量控制工作流梳理為例（表2）。

表2 數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)數(shù)據(jù)塊實(shí)例焊接工程質(zhì)量控制

焊接質(zhì)量問(wèn)題較多存在于手工焊縫，這些問(wèn)題有：焊瘤、夾渣、氣孔、沒(méi)焊透、咬邊、錯(cuò)邊等。這個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)的建造資料如下：檢查焊接原材料出廠質(zhì)量證明書(shū)、檢查焊工上崗證、焊接工藝試驗(yàn)記錄等。

首先分析上述資料涉及的數(shù)據(jù)塊數(shù)據(jù)流主體是施工單位、分包勞務(wù)供應(yīng)商、監(jiān)理單位、建設(shè)單位或建設(shè)單位代表。其次數(shù)據(jù)塊內(nèi)容是各類施工記錄、試驗(yàn)材料及以文本、圖像或視頻留存的日志記錄。

3.2 利用以太坊算法或其他區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)塊加密賦碼，并建立區(qū)塊與數(shù)據(jù)塊的映射關(guān)系

利用預(yù)先設(shè)置好觸發(fā)條件的智能合約系統(tǒng)，從區(qū)塊鏈系統(tǒng)調(diào)出數(shù)據(jù)流各方的數(shù)字簽名附加時(shí)間戳、資料操作生成的交易數(shù)據(jù)，生成唯一的哈希值，并嵌入到項(xiàng)目區(qū)塊鏈中。

在數(shù)據(jù)塊表中的對(duì)應(yīng)區(qū)塊ID 列里寫入上述表生成的區(qū)塊數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)塊與區(qū)塊綁定，綁定后該列鎖死無(wú)法修改（圖5）。

圖5 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)塊生成區(qū)塊

3.3 BIM 模型疊加區(qū)塊鏈加密后的數(shù)據(jù)，生成數(shù)字孿生體

建造過(guò)程中我們使用的建造資料主要是以2D 形式存在，主要是因?yàn)?D 圖紙中的各類注釋及標(biāo)注完備便于現(xiàn)場(chǎng)施工對(duì)照，建造過(guò)程中更加追求精準(zhǔn)性，但是這些2D資料在建造過(guò)程回溯中很難直觀，且并不便于快速查詢細(xì)部及精準(zhǔn)定位，或者說(shuō)人機(jī)界面缺乏友好性。所以在該項(xiàng)目中我們首先利用BIM 技術(shù)在2D 圖紙基礎(chǔ)上建立BIM 模型，為疊加區(qū)塊鏈加密后的數(shù)據(jù)塊提供圖形錨點(diǎn)（圖6）。

圖6 數(shù)字孿生生成的3D 模型

在模型上按照設(shè)計(jì)劃分的分部分項(xiàng)工程，在模型對(duì)應(yīng)部分建立快速查詢錨點(diǎn)。想查詢對(duì)應(yīng)部分只需要在模型對(duì)應(yīng)部分放大即可直接查詢到對(duì)應(yīng)規(guī)格及相關(guān)資料。同時(shí)建立不同視圖、不同注釋下的模型，在視圖模型下選擇不同的圖層模式，模型展示的建造資料內(nèi)容分類更為清晰直觀。

在完成建造工程的數(shù)字孿生過(guò)程后，在BIM 模型里建立的錨點(diǎn)上要附加超鏈接，將各部分錨點(diǎn)與數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)的數(shù)據(jù)塊及區(qū)塊建立映射聯(lián)系，從而實(shí)現(xiàn)各部分的快速查詢。

3.4 后續(xù)功能擴(kuò)展

在建立上述功能的基礎(chǔ)上考慮該項(xiàng)目為市政項(xiàng)目，為城市總體功能服務(wù)的一部分。為了便于后期接入智慧城市，實(shí)現(xiàn)整個(gè)城市的數(shù)字孿生，在數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)里預(yù)留API 接口，同時(shí)整理對(duì)應(yīng)開(kāi)發(fā)文檔。

4 總結(jié)

確保建造過(guò)程溯源高效權(quán)威的關(guān)鍵在于各類數(shù)據(jù)的去中心化以及數(shù)據(jù)的可視化。在數(shù)據(jù)可視化部分，建議使用數(shù)據(jù)孿生思維，在BIM 平臺(tái)上建立3D 模型，在去中心化部分，建議實(shí)現(xiàn)途徑是利用區(qū)塊鏈技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)流中的數(shù)據(jù)塊進(jìn)行加密。最后再通過(guò)在3D 模型中建立錨點(diǎn)來(lái)引入?yún)^(qū)塊鏈加密的數(shù)據(jù)塊信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全權(quán)威性及更為友好的可視化界面。