基于区块链的装配式建筑供应链信息管理系统构建

朱雪欣，梁文哲，穆庆蕊

(1.青岛理工大学 管理工程学院，青岛 266525；2.山东省高校智慧城市建设管理研究中心，青岛 266525)

近年来，随着建筑产业化进程的不断推进，我国建筑迎来了全新的生产模式，建筑供应链随之进行全面革新，形成区别于传统建筑供应链的装配式建筑供应链。装配式建筑供应链致力于实现建设项目的“设计—采购—生产—施工”一体化，出现了区别于传统建筑供应链主体的建筑部品生产商和供应商两个新的参与主体[1]，由此形成了由业主、总承包商、设计单位、分包商、生产商、供应商、监理单位等多个主体共同参与的链式结构。相对于传统建筑供应链而言，装配式建筑供应链由于其参与主体数量增加、装配流程复杂等原因[2]，形成更为复杂的信息流，且装配式建筑供应链的高效运行需要以安全有效的信息交流为支撑，而当前适用于传统建筑供应链的信息管理系统多是基于集中式数据库建立，对供应链信息流进行集中式管理，这种管理方式使得信息共享速率较低、信息安全性无法得到保障，且由于集中式数据库本身局限性(不具备分布式加密存储功能)导致无法解决供应链成员间信任问题，无法与高效运转的装配式建筑供应链相匹配，亟需深层次改进。

区块链技术以其去中心化、安全透明、可追溯的特点，被广泛应用于供应链管理领域。区块链技术的应用可解决供应链参与主体间信任问题，提高供应链运行效率，保证相关信息安全，是提高供应链性能的重要手段。

对于建筑供应链信息管理的研究，主要集中在两个方面：一方面从信息管理机制角度上进行研究，分析如何通过新的机制弥补供应链在信息管理方面的不足。俞启元等[3]以提高建筑施工企业的竞争力为目的提出基于价值网的建筑施工企业供应链协同模型；李娜等[4]以消除项目冗余环节，减少浪费为目的，构建基于活性系统模型的精益建筑供应链协同组织模型；毕立南等[5]以提高信息共享效率，降低供应链中断风险为目的，构建相匹配的信息协同机制；许杰峰等[6]以提高建筑业信息化水平为目的，以BIM技术为基础构建建筑供应链信息共享机制。另一方面，从信息管理系统角度进行研究，通过改进或创建信息管理系统实现提高供应链某一性能的目的。曹洋等[7]以实现建筑供应链内高效的信息共享为目的，以区块链技术为基础构建建筑供应链信息共享管理系统；杨德钦等[8]以提高信息传递效率为目的，构建基于智慧建造的工程项目信息集成管理平台；黄恒振[9]针对装配式建筑供应链构造基于物联网+BIM的信息系统。

当前针对建筑供应链信息管理的研究已较为系统，但仍存在以下不足：一是缺乏针对装配式建筑供应链信息管理的研究，在当前建筑产业化发展大趋势下，结合装配式建筑供应链独特性构建与其相匹配的信息管理机制和系统是有必要的；二是应用新兴技术构建信息管理系统时，多以供应链运行模式适应新兴技术，有必要转换思路，根据供应链需求和特点合理改造新兴技术，如应用区块链技术时，可采用哈希锁、分布式私钥控制、多链等技术对其进行改造，同时将区块链技术与BIM、物联网等技术有机结合，以提高信息管理系统性能[10-16]。因此，本文从装配式建筑发展现状出发，结合其供应链特性，基于区块链技术构建适用于装配式建筑供应链的新型信息管理系统，以期提升装配式建筑供应链信息管理的效率。

1 区块链技术概述

1.1 概念与结构

区块链是一种分布式共享账本，可按时间顺序对数据进行分布式加密存储。它具有去中心化、安全透明、可追溯等特点，目前被广泛应用于金融、政务、医疗以及供应链管理等诸多领域。区块链按照其对外开放程度可分为三类：公有链、私有链、联盟链。公有链以比特币为代表，处于完全公开状态，所有人都可参与其中；私有链在公有链基础上引入身份验证机制，处于完全封闭状态，只允许特定组织的特定人员参与，信息高度保密；联盟链介于两者之间，由几个组织共同参与和维护，信息由参与方共享[12]。

区块链是由区块有序串联而成的链式数据结构(图1)，区块是构成区块链的基本单元，包含区块头与区块体[13]，区块头中存储着时间戳、版本号、前区块的哈希值(PrevHash)、本区块的目标哈希值(TargHash)以及Merkle树根等；区块体中包含以二叉Merkle树的哈希过程存储的交易信息。Merkle树的叶子节点存储溯源数据，分支节点存储子节点的哈希值，一旦底层节点所存储的数据发生变化，就会逐级向上传递至位于区块头的Merkle树根，由此可确定发生篡改的节点[13]。

1.2 工作原理

区块链中的任何节点均可访问图1所示链式结构，进行交易数据的接收和输入，具体步骤如下：

步骤1：用户通过节点进入区块链，构造一个交易，并向全网广播；

步骤2：全网所有接收节点收到交易后，对所收交易进行检验，判断是否有效，若有效，则纳入新区块；

步骤3：各节点基于算力为新区块寻找相应的工作量证明，根据工作量证明机制，最先找到的节点在全网广播此区块；

步骤4：其他节点对此区块进行多次验证，若有效，则将新区块加入到区块链中。

1.3 系统架构

一般情况下，区块链系统架构可分为五层，分别是：数据层、网络层、共识层、合约层和应用层，如图2所示。数据层对链中交易数据和账户数据等进行存储，并有效保障数据的可溯源性和不可篡改性；网络层一般通过P2P通信协议完成网络中的节点交易、消息广播、区块数据传输等工作；共识层通过共识算法和激励机制(公有链需要激励，联盟链一般无需激励[14])选出特定节点主持交易；合约层通过各类智能合约技术完成发起交易、创建合约、执行合约等工作；应用层负责用户接口调用工作，支撑区块链实现在各个领域的应用落地[15]。

2 装配式建筑供应链信息管理区块链构建

无论是传统建筑供应链还是装配式建筑供应链，其对信息管理系统最基本的要求是保证信息的安全性和真实性，这就要求信息管理系统的建立以高性能数据库及身份验证机制为支撑；而装配式建筑供应链区别于传统建筑供应链最大的特点是建筑部品的商品化特性，这就要求其信息管理系统必须具备完善的建筑部品溯源体系，以实现建筑部品在生产、安装、使用、保养等各环节信息的溯源；装配式建筑供应链运转速率高且各环节信息量大，因而应充分利用物联网设备进行部分监测和信息输入工作以提高供应链的运转效率；另外，为避免装配式建筑供应链上各参与主体间缺乏充分交流或交流效率低，其信息管理系统应保证交流模式的“去中心化”，摆脱传统的以总承包商为中心的交流模式。

基于上述装配式建筑供应链的特点和需求，结合区块链本身特性，构建如图3所示的装配式建筑供应链信息管理区块链。

2.1 数据层

数据层位于区块链架构的最底层，其作用是存储区块中的数据，本文所构建的信息管理区块链数据层(图4)中，区块所存储的数据可具体体现为哈希值表示的已完成状态、计划状态和当前状态。

数据层的数据结构通常为单链结构，若采用多链技术(是使一个区块链系统具有多条并行链的技术)对其进行改进，可使该区块链系统同时存在多条并行链，且各链之间相互隔离，仅链中节点有权对该链进行操作，虽然各链之间相互隔离，但同一个节点可同时处于多条链中参与不同数据处理，从而实现多链之间的互通。

区别于传统建筑以现浇为主的生产方式，装配式建筑构件多为工厂预制后进场装配，在采购时需在设计和原材料选择、生产工艺和计划、入场前存储和保养等方面进行大量交流，在生产时需对构件的生产环境、原材料、构件成品质量以及存储保养环境等进行严格监控把关；在运输时需在构件的运输环境及路线以及定位追踪等方面进行交流；在装配时需对每个构件进行安全检测和装配点定位以及对装配工序进行监控把关，因而装配式建筑供应链在采购、生产、运输、装配、保养等各环节中所传递的数据十分繁琐，若所有数据均通过同一条链进行传递，不仅造成该链数据处理压力大、效率低，而且使得各类数据存储混乱、难于检索，因此，本文采用多链技术对所构建的信息管理区块链中链式结构进行改进，实现各类数据分别存储至不同链上，打造一个多链并行的分布式数据库，以支持系统的高效运行。装配式建筑供应链主要服务于建设项目的设计、采购、生产、施工四大类工作，每一类工作的顺利进行均需以大量数据交流作为基本支撑，因此可创建设计信息管理链、采购信息管理链、生产信息管理链和施工信息管理链四条并行链，实现各类工作相关数据在区块链运行过程中的分片存储和并发执行，简化数据架构、降低数据处理压力，既可保证数据处理的高效性和机密性，为后续溯源工作的高效开展建立基础，又可形成各节点“去中心化”的交流模式。此外，区块链所存储数据需对节点公开，而各节点的作用和权限均不相同，故利用非对称加密技术对区块链所存储数据进行加密，对区块链各节点进行有效的角色管理和权限把控工作，保证数据的安全性。

本文所构建的信息管理区块链中数据层所存储数据主要包括区块链节点数据和物联网数据。区块链节点数据即区块链上各节点所上传的数据，而物联网数据则是由与区块链底层相连的物联网数据采集系统上传。为进一步提高信息传递、反馈和溯源工作的效率，将物联网数据采集系统分为三个模块：信息传递模块、实时反馈模块、安全溯源模块。各模块独立运行，互不限制，高效地收集信息并进行上传。信息传递模块负责将所采集的信息向各节点传递，以便各节点进行充分交流；实时反馈模块主要负责反馈信息的实时上传，结合区块链合约层的“智能控制网络”实现信息的高效反馈和反馈信息的高效处理；安全溯源模块则服务于装配式建筑供应链的信息溯源系统，为溯源系统收集各类溯源信息，作为后续溯源工作的基础。

2.2 网络层

在三种不同种类的区块链中，联盟链由几个组织共同参与和维护，信息处于参与方共享的可控状态，同时避免了公有链信息的完全公开状态所造成的信息保密程度低、参与方管理难度大以及私有链信息的完全封闭状态所造成的信息过度封闭、参与方交流难度大等问题。并且联盟链具有节点数量少、存在准入机制、使用高性能共识算法以及第三方可入链查询等特点，这与装配式建筑供应链的需求完全契合：供应链参与主体有限、主体间相互信任、交易速度快且成本低、运转过程中需监理部门和认证机构参与。因而本文将联盟链技术应用于信息管理系统区块链，构建装配式建筑供应链信息管理联盟链。

装配式建筑供应链各个环节均存在总承包商、设计单位、分包商、生产商和供应商等参与主体的相互交流，虽然各参与主体所处的决策地位随供应链不同环节的变化而发生改变， 但每个主体都会进行不同程度的参与，发挥各自的作用。以设计环节为例，在设计环节由位于主要决策地位的设计单位和总承包商初步确定某一构件的设计方案，而分包商、生产商和供应商等位于非主要决策地位的参与者分别在构件装配角度、构件生产角度和养护运输角度提出改进意见，设计单位和总承包商根据意见合理性决定是否采纳并确定最终设计方案。因此，装配式建筑供应链的主要参与主体应同时作为数据层所构建的四条并行链节点，并可在并行链中进行相应信息读取和处理。此外，监理单位、认证机构以及备案机构等其他主体虽不会参与上述决策过程，但对上述过程具有监督、记录、评价等职责，同样需作为并行链节点并具备部分数据读取权限。

装配式建筑供应链各参与主体在网络层的部署如图5所示，其中，总承包商、设计单位、分包商、生产商和供应商作为装配式建筑联盟链的主要成员，可同时参与到数据层所构建的各条并行链中，并具有读取和处理权限，以便各主体在“去中心化”的交流模式中进行高效交流和工作。此外，业主、监理单位以及政府认证机构和备案机构等其他参与主体作为联盟链的一员也可进入各条并行链中进行部分数据的读取。

2.3 共识层

区块链系统进行数据传播时，各节点均具有验证数据、发现其他节点以及传播数据等功能。为激励节点参与共识过程，区块链的共识层一般包括激励机制和共识算法，激励机制一般用于公有链，而装配式建筑供应链信息管理区块链属于联盟链且节点少，故无需设置激励机制。

通俗地讲，共识算法的作用是选出具有某特定能力的节点以使其主持该区块交易。目前，主流的共识算法主要有：PoW算法、PoS算法(权益证明)、DPoS算法(委托权益证明)、PBFT算法(实用拜占庭容错)。其中，PoW算法和PoS算法的共识结果不具有绝对性，若用于装配式建筑区块链则很有可能导致选择错误节点，而装配式建筑供应链各参与主体分工明确，若节点选择错误将导致供应链运行效率低下甚至中断；DPoS算法虽可得到绝对性的共识结果，但其容错节点比例远高于PBFT算法；PBFT算法具有性能效率高、资源消耗低、共识结果绝对、容错节点比例低的优势，这恰恰符合装配式建筑供应链交易速度快且成本低的工作要求。虽然PBFT算法存在去中心化程度低的问题，但装配式建筑供应链参与主体少且固定，使得其区块链上节点较少，因而对算法的去中心化程度要求并不高，PBFT算法完全可以满足其要求，故将PBFT算法用于信息管理系统区块链上。

在PBFT算法运行的整个过程中，各节点主要处于三个阶段，分别是预准备阶段、准备阶段和确认阶段[4]。运行步骤如下：

步骤1：主节点向处于预准备阶段的所有节点发送消息，若各节点收到的信息符合其预设条件，节点进入准备阶段；

步骤2：各节点向其他节点发送信息以进行验证，若收到的信息与主节点发送信息一致，节点进入确认阶段；

步骤3：各节点收到验证消息并再次验证，当某一节点通过验证的数量达到标准，就将结果写入区块。

2.4 合约层

在区块链的架构中，合约层处于数据层、网络层和共识层的封装之上，不仅隐藏了区块链网络中各节点间的复杂行为，而且为区块链应用层提供接口。合约层的核心是智能合约技术，智能合约是一种去中心化的、可自行校验、可自动执行合约内容且具有约束力的数字化协议。具体地说，智能合约是一段可自动执行的计算机程序，是对某提前预设的特殊场景的解决方案。智能合约的运行流程通常是：首先对合约的内容进行封装，规定其初始状态、逻辑规则、触发条件以及响应规则；然后对封装好的合约进行审查，并在通过共识算法后接入到区块链中；接入到区块链中的智能合约可实时监控区块链状态，一旦区块链达到其触发条件，就会触发智能合约中预设的逻辑规则进行合约的执行。在此过程中，智能合约的所有状态和行为均被记录在区块链中。

本文基于装配式建筑供应链的不同需求，将智能合约部分分为两个模块：“智能控制网络”和“智能合约追踪”。

“智能控制网络”模块。智能合约作为区块链的核心技术，其作用并不仅仅局限于“合约”，它的校验和执行功能使其更像是一个“智能处理器”。而在装配式建筑供应链的运行过程中，并不是所有上传至区块链的数据均需节点验证，一些简单的追踪、反馈数据(多数为物联网设备上传)如预制构件的养护环境温度、预制构件运输的定位数据等，只需进行简单的审核或反馈工作后即可进行存储，而智能合约技术完全可以胜任这些工作。因此，可利用智能合约技术构建一个系统的“智能控制网络”，负责接收部分物联网设备所上传的数据，对所接收的数据进行校验，若数据合格则存储至区块链中，不合格则按合约规定的响应规则进行处理。运用“智能控制网络”进行装配式建筑供应链中的部分工作，不仅可以提高供应链的运作效率而且能够降低各节点的工作负担。

“智能合约追踪”模块。建筑供应链存在于项目建设全生命周期的各个阶段，其运行周期长且相关工作复杂，所产生的各类工程合同十分繁杂且同步履行，造成履约进度追踪困难、履约质量核查效率低下等问题的出现。而智能合约的校验功能可实现合约的追踪、核查；且其状态和行为随时被记录在区块链上的特性可实现合约的安全精确存储；电子数字签名、人脸识别等技术结合智能合约又可实现合约的随时签署以及签署人身份确认及备案等。因而，可利用智能合约结合电子数字签名、人脸识别等技术构建“智能合约追踪”模块，其运作流程大致如下：首先进行合约的设定，合约设定并经签约各方节点审查确认后，签约方经人脸、指纹等身份信息识别确认其签约资格后进行电子数字签名，合约生效并按预设时间开始执行；合约执行过程中通过区块链上的数据随时核查履约进度且一旦出现不合格数据立即触发其预设的违约处理规则。以上过程所产生的全部数据均会存储于区块链中，以保证供应链安全溯源、备份等工作的顺利进行。

2.5 应用层

应用层位于区块链架构的顶层，其主要通过对底层区块链所提供的接口进行调用管理以保证区块链数据上传、存储、读取等工作的有序进行，并且可通过一些访问控制机制保证数据的安全性。

信息管理区块链应用层需对其底层区块链所提供的供应链各参与方终端接口、备案机构客户端接口、溯源客户端接口、认证机构客户端接口等进行调用管理，并采取相应的访问控制机制以保护某些数据，避免未授权的用户读取相应数据，保证数据的安全性。另外，由于装配式建筑供应链数据量大，为保证各类数据的快速检索，还应为数据层所构建的不同并行链设置相应的索引目录，以便快速查找数据、准确高效溯源。

3 基于区块链的装配式建筑信息管理系统构建

上文所述信息管理区块链，实质上是一个充分融合装配式建筑供应链特点、具有安全准入机制、功能划分明确、多链并行的分布式数据库。在此基础上构建的信息管理系统可分别实现信息的创建、传递、反馈、存储和溯源，因而按其功能特点，将此信息管理系统划分为五个不同的子系统，分别为信息创建子系统、信息传递子系统、信息反馈子系统、信息存储子系统和信息溯源子系统。每个子系统分别负责不同的工作，其模型如图6所示。

信息创建子系统的相关工作在各数据上传节点、智能合约系统及物联网数据采集系统的支持下进行，其工作内容主要包含两大部分：一是装配式建筑供应链中的参与主体通过节点入链后，利用其终端设备进行项目信息创建、智能合约内容预设等工作，如，总承包商通过安全准入机制进入系统后，上传项目采购信息、预设采购合同等；二是物联网数据采集系统通过架置于各监测点的物联网设备进行数据的采集工作，如，施工现场的水位、烟雾检测器等实时上传数据。

信息传递子系统的运行主要依托于信息管理区块链的四条并行链，在信息传递子系统中，装配式建筑供应链各参与主体所创建的各类信息通过不同并行链进行节点间的传递，如，总承包商在信息创建子系统中将项目采购信息上传至采购信息管理链后，位于此链上的生产商节点、供应商节点等在链中查看项目采购信息，这就完成了项目采购信息的传递。此外，已完成内容预设的智能合约系统也在不断运转：“智能合约追踪”模块对合约执行过程中各数据进行实时校验追踪，一旦数据达到其预设的触发条件，该模块立即按其响应规则进行处理，假设采购合同中已预设某建筑部品采购日期，而采购方并未在预设日期进行采购并上传采购凭证，该模块将自动发送违约信息至合约双方并启动违约处理程序；“智能控制网络”模块则对物联网数据采集系统所上传的部分数据进行实时追踪，核验数据是否合格，若不合格，启用响应规则，如施工现场积水超过控制线，则该系统立即发出警报。

信息反馈子系统主要是并行链上各节点接收反馈信息和物联网设备接收反馈命令的场所，其工作内容主要是：并行链上的各个节点将其接收到并处理好的信息反馈到其他节点处，如监理单位接收到施工方设计变更申请报告并处理后将处理结果反馈至施工方；“智能合约追踪”模块将其接收到的不合格数据及处理方式反馈至并行链上相应节点处以便各节点及时了解情况并进行调整，如接收到建筑部品采购违约数据后及时反馈至相关分包商节点处，分包商则可根据采购情况及时调整施工计划；“智能控制网络”模块在接收到不合格数据并启用响应规则后，立即将其响应命令反馈至物联网设备处以控制其监测点行为，同时将不合格数据反馈至并行链上相应节点处以便节点及时发现和处理，如接收到烟雾浓度过高信息后，向相关节点发出警报，并命令烟雾浓度超标处自动灭火装置进入工作状态，并向有关节点实时发送现场数据。

信息存储子系统充分利用区块链(是一个分布式数据库)的特性进行信息的实时存储和安全保护，无需另建传统的集中式数据库。信息创建子系统、信息传递子系统和信息反馈子系统运行时所产生的所有数据均以区块链的形式进行存储。

信息溯源子系统建立在信息存储子系统的基础之上，将信息存储子系统中的溯源信息按照信息种类的不同分类至不同模块，并建立索引目录后即形成信息溯源子系统。按照装配式建筑供应链工作内容的不同将信息溯源子系统分为：设计信息溯源、采购信息溯源、生产信息溯源、施工信息溯源以及其他信息溯源五个模块，各模块均设有详细的索引目录。

在信息管理系统中，上述五个子系统架设于区块链之上，在各子系统相互配合的前提下独立处理各自的工作，既能保证信息管理系统的快速运行，又能保证信息的安全可靠。

4 结束语

本文基于装配式建筑供应链特点，结合区块链、物联网等新兴技术，构建一个在全新模式下运行的建筑供应链信息管理系统，以期解决当前供应链在信息管理方面所存在的运行速率、质量以及安全性等方面的问题，满足建筑产业化发展的需求。

目前已有学者[16]运用演化博弈及MATLAB仿真对建筑供应链运用区块链技术后的“去中心化”管理模式进行研究，并得到唯一稳定策略，证明区块链技术运用于建筑供应链在管理方面的可行性。此外，区块链技术运用于装配式建筑供应链在技术方面同样具有可行性，目前已有区块链平台利用其底层架构在隐私保护、防篡改、抗攻击等方面的特点，在技术上实现对建筑行业各类电子数据真实性、唯一性以及完整性等的还原,虽然区块链技术在性能、容量等方面仍旧存在一些技术限制，但并不影响区块链技术在建筑领域快速投入实践，并被越来越广泛的应用[17]。未来随着各类技术的发展和完善，有必要进一步开发其在建筑供应链领域的应用，开创新的信息传递模式以更深层次地改进建筑供应链结构，从而推动建筑业发展。