区块链技术在BIM构件管理领域的应用展望

2021-05-20

中国勘察设计 2021年4期

区块链技术作为一种去中心化的分布式数据库账本技术，具有不可伪造、全程留痕、集体维护等优势。本文分析区块链技术在以多用户创建、分布式质量验证、数据来源及去向可追溯为目标的BIM构件管理系统中的适用性，并探讨这类应用的基本数据结构，以期为BIM知识成果管理提供新思路。

BIM构件管理现状

在BIM技术应用工作中，非常重要的成果之一就是构件。构件作为组成BIM模型的基础单元，描述其几何信息、专业属性及状态信息，是传递模型信息的基本载体。创建者在制作一个“好”构件时，要充分考虑到形体参变、可视化表达、信息承载、使用性能等多个方面。如何让花费了时间和精力的构件创建者能够了解自己的成果在项目中有多少次应用，应用在哪些工作场景中，甚至能否创造一定的经济价值，是BIM构件管理的意义所在，也是促进BIM构件“多创建、多分享、多受益”良性循环的关键。目前，很多BIM技术应用企业及软件开发单位也进行了相关的尝试和探索，但是基本只能满足构件加密这类的需求，对于构件应用的场景、频次等相关信息收集仍缺乏有效的解决方案。

笔者所在的上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司（以下简称“上海市政院”）建立的SMEDI-BIM构件库管理系统，一个突出特点就是大部分管理对象均为市政行业专有的构件，尤其是一些构件体现了上海市政院在工艺、工序等方面独有的技术方案，因此在管理系统建立时对构件的知识产权保护进行了考虑。SMEDI-BIM管理系统的管理对象，主要为Revit构件和CATIA构件。针对Revit构件，采用族文件加密的方式，未登录管理系统的用户无权打开或者在项目中调用构件；CATIA构件则通过达索3DE平台生命周期定义中的“成熟度”属性，来实现数据访问限制及数据保护，在“设计已发布”状态下，任何人不能对构件进行修改。

但是，这种构件加密的解决方案也存在很大的局限性。由于项目交付越来越多地要求提供可编辑的项目文件，而客户不会安装构件库管理系统插件或登录设计单位内部3DE平台，因此，多数情况下需要对构件文件及应用构件的项目文件进行解密或导出为非原生文件格式，解密后的构件又可以任意传播和使用。由此可见，这种构件加密方式只是缩小了构件传播的范围，但不能彻底解决知识产权保护的问题。若要进一步收集BIM构件应用的数据信息，则需要通过大数据分析了解应用场景和频次，以便集中资源持续维护和改进应用较多的构件。然而，这样的功能需求暂时没能够实现。

区块链技术原理及应用

区块链是一种按照时间顺序将数据区块用类似链表的方式组成的数据结构，并以密码学方式保证其不可篡改和不可伪造的分布式去中心化账本，能够安全存储简单的、有前后关系的、能在系统内进行验证的数据。

区块链技术具有去中心化、时序数据、集体维护等特点。区块链数据的验证、记录、存储、维护和传输等过程均是基于分布式系统结构，采用纯数学方法而不是中心机构来建立分布式节点间的信任关系，从而形成去中心化的可信任的分布式系统；区块链采用带有时间戳的链式区块结构存储数据，从而为数据增加了时间维度，具有极强的可验证性和可追溯性；区块链系统采用特定的经济激励机制来保证分布式系统中所有节点均可参与数据区块的验证过程，并通过共识算法来选择特定的节点将新区块添加到区块链[1]-[2]。

基于上述特点，区块链技术非常适用于系统各方需要同时查看同一目标数据，且数据存储在去中心化的每个节点，其来源都可以被追溯，能够保证从未被篡改的业务场景。迄今为止，区块链技术最成功的应用就是数字加密货币。据统计，截至2020年11月，全球共有7849种加密货币，总市值约5772亿美元。日趋完善的数字货币发行、流通和衍生领域技术、模式和机制，也为区块链的发展提供了理论验证和实践基础。此外，区块链技术在数字版权保护[3]、供应链[4]、能源交易[5]等领域也有广泛的应用前景。

区块链技术在BIM构件管理领域的应用展望

基于上述背景，本文提出了一套应用区块链技术的BIM构件管理系统解决方案。相对于加密数字货币等场景对系统数据安全和收益分配等方面的重点关注，BIM构件管理侧重于集体验证、集体维护、数据溯源等方面，这也使得区块链技术在BIM构件管理领域的应用需要有其个性化裁剪。这个系统的基础架构由数据层、网络共识层、控制层和应用层组成，以满足构件管理的业务场景需求。各个层级的主要功能具体如下。

数据层：通过特定的算法，将接收到的BIM构件相关数据封装为一个带有时间戳的新数据区块，存储在数据层。在这个过程中，通过散列算法的哈希函数将任意长度的原始构件数据编码为由数字和子母组成的、特定长度的字符串，以便于统一存储和识别。时间戳确保了区块数据的不可篡改和不可伪造。而区块链的Merkle树数据结构，使得构件库管理系统的各节点用户能够快速地校验区块数据。非对称加密技术则是各节点用户将随机数生成器生成的256位随机数作为私钥，结合系统为其提供的公钥对数据进行加密，接收到构件数据的用户节点先应用对方的公钥验证数据来源，再用自己的私钥解密数据，保证了数据的安全可靠。

网络共识层：用以封装系统Peerto-Peer（P2P）的组网方式、信息传播协议以及数据验证机制、共识算法等要素。在P2P网络模式下，系统中的每一个节点用户地位都是平等的，不存在任何中心化的特殊节点和层级结构。当任一节点用户创建构件后，就由这个节点发出广播以便全网的其他节点都能够接收到构件数据。每个节点都将收集到的构件数据存储到一个区块中，并根据特定的数据验证机制对其进行验证，当数据通过绝大部分的节点验证后即成为合格构件纳入到管理系统。

控制层：由处理模型、控制合约和执行环境组成，通过共识协议形成统一的数据账本后，各类应用经由控制层与账本产生交互。系统在控制层将业务的逻辑转化为区块数据的具体操作。在节点封装通用的执行环境，实现对区块数据、组织结构的控制。

应用层：用以实践BIM构件管理的业务场景，通过调用控制合约提供的接口进行数据交互。

面临的实际问题

应用区块链技术的BIM构件库管理系统基本架构

上述设想的应用区块链技术的BIM构件库管理系统解决方案，是较理想化的工作场景。在系统中的各个用户节点，都遵循统一流程对构件进行审核后入库，并在应用构件前验证身份和数据的合法性。但是，当构件被传播到系统之外，非授权用户在使用这些构件时，并没有安装相关插件，就不可能通过操作触发事件，更不会像验证比特币交易真实性那样主动发起合法性验证要求。因此，在BIM构件本身植入相关语句以便在应用时触发系统验证，是实现管理目标的关键技术。目前，各大主流BIM软件的原生构件尚未开放这一程序接口，开发实践难度较大。