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)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)，關(guān)系著國民經(jīng)濟(jì)和民生安全，然而建筑工程項目具有建設(shè)周期長，建設(shè)資金量大，人員流動性大和項目參與企業(yè)眾多等特點。規(guī)范化的工程管理需要記錄項目實施過程中的海量數(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)管理工程項目的水平。建筑工程信息化的實質(zhì)是充分利用計算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)技術(shù)對建設(shè)過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)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(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)展過程也存在一些問題:

(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)，而是單獨部署B(yǎng)IM設(shè)計平臺、工地智能化平臺、財務(wù)管理軟件以及OA辦公系統(tǒng)等一系列產(chǎn)品進(jìn)行專項管理。這些產(chǎn)品雖然對提高項目建設(shè)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(yè)務(wù)模塊相互獨立,彼此完全沒有交互,形成了數(shù)據(jù)孤島,增加了項目團(tuán)隊統(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)計翻模的階段，施工現(xiàn)場管理也未真正實現(xiàn)無紙化和智能化，紙質(zhì)檔案的管理模式仍在同步運行，同樣一份文件，除網(wǎng)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(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)信息化價值難以量化，前期搭建平臺投入大，但后期產(chǎn)生的價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，很難獨立量化，致使管理層對其作用的認(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。如果長期無法解決企業(yè)在工程項目管理過程中的實際需求,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)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],使土木工程無紙化、信息化、智慧化真正成為現(xiàn)實可能的目標(biāo),從而提升監(jiān)管水平。

本文針對當(dāng)前建筑行業(yè)信息化建設(shè)中的存在的問題,基于區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行探索,對區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)及整體架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計,并詳細(xì)說明了該系統(tǒng)的運行流程,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公認(rèn)的說法。狹義地講,區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N以區(qū)塊為單位來存儲有效數(shù)據(jù)并按時間順序串聯(lián)的鏈?zhǔn)酱鎯Y(jié)構(gòu)，通過密碼學(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)來驗證與存儲數(shù)據(jù)、利用工作量證明(ProofofWork,PoW)、權(quán)益證明(ProofofStake,PoS)等節(jié)點共識機(jī)制來生成和更新數(shù)據(jù)、利用自動化腳本代碼來編程和處理數(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)塊鏈的特點和區(qū)別如表1所示。

聯(lián)盟鏈(Consortiumblockchain)是目前中國最具應(yīng)用前景的一種區(qū)塊鏈。相對公鏈來說聯(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,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(guān)方的共同協(xié)作提供服務(wù)，與建筑工程這種項目型行業(yè)具有天然的契合性。

表1 各類區(qū)塊鏈特點對比

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

2.1 基本概念

2.1.1 節(jié)點

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點主要分為群組節(jié)點和組外節(jié)點2類。其中群組節(jié)點又分為超級節(jié)點和權(quán)益節(jié)點，超級節(jié)點由權(quán)益節(jié)點投票選出并對權(quán)益節(jié)點負(fù)責(zé)，參與出塊和同步區(qū)塊，而權(quán)益節(jié)點只負(fù)責(zé)同步區(qū)塊，不參與出塊。同時對超級節(jié)點進(jìn)行監(jiān)督。組外節(jié)點則是已經(jīng)完成區(qū)塊鏈準(zhǔn)入但尚未通過群組準(zhǔn)入的節(jié)點，既不參與群組的共識過程，也沒有查看賬本的權(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)別是用戶賬戶由實體控制，可以發(fā)起交易并使用私鑰對交易進(jìn)行簽名。而合約賬戶還包括一個狀態(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數(shù)據(jù)，可以定期同步更新每個節(jié)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(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)—點對點傳輸技術(shù)，能夠安全地連接2個及2個以上的私人數(shù)據(jù)服務(wù)節(jié)點,每個節(jié)點既是數(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 共識層

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

2.2.4 合約層

合約層主要包括合約開發(fā)語言、合約代碼庫和區(qū)塊鏈交互接口。在搭建區(qū)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(dá)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?yún)^(qū)塊中，通過區(qū)塊鏈交互接口對合約進(jìn)行驗證和執(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。對于這些應(yīng)用來說，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是后端系統(tǒng)，它們通常通過應(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)的運行流程

大型建設(shè)項目涉及到許多大大小小的實體企業(yè)且各參與方與項目的利益相關(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)的共識過程顯然不合理，因此建立在民主選舉之上的DPOS共識機(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)塊不能立即被驗證，只有當(dāng)輪到其他超級節(jié)點產(chǎn)生新區(qū)塊并串聯(lián)其后時，才算驗證了該區(qū)塊。要使該區(qū)塊成為不可逆狀態(tài)，需要2/3的超級節(jié)點驗證。節(jié)點越多交易確認(rèn)速度越慢，這大大限制了聯(lián)盟鏈的擴(kuò)展性。而PBFT共識機(jī)制只需在出塊者廣播新區(qū)塊后收到超過總數(shù)2/3的超級節(jié)點返回簽名就可以使新區(qū)塊不可逆，流程更簡潔，效率更高，因此在區(qū)塊驗證階段引入PBFT共識機(jī)制，可以有效縮短區(qū)塊驗證時間。BFT-DPoS機(jī)制的共識流程分為2個階段：

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

第2階段：實用拜占庭容錯(PBFT)——區(qū)塊生產(chǎn)/驗證。

4 結(jié)束語

本文對建筑行業(yè)信息化發(fā)展遲緩的原因進(jìn)行了探索，并針對這些問題引入了當(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)計了一種建筑工程管理信息化系統(tǒng)。區(qū)塊鏈作為我國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)施是國家經(jīng)濟(jì)增長和生產(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。