基于区块链的建筑行业信息化系统

杨英浩， 黄喜兵， 罗 祥

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

建筑工程行业是我国的支柱产业，关系着国民经济和民生安全，然而建筑工程项目具有建设周期长，建设资金量大，人员流动性大和项目参与企业众多等特点。规范化的工程管理需要记录项目实施过程中的海量数据和档案。能否管理好这些工程数据，直接体现了建筑企业管理工程项目的水平。建筑工程信息化的实质是充分利用计算机技术、网络技术和大数据技术对建设过程中的数据进行系统性的收集、存储、加工并将其用于辅助决策，从而大大提高管理效率，降低管理费用[1]。近些年来，信息化的发展大大促进了建筑工程的现代化，引起建筑工程管理方式的变革。但是目前我国建筑工程行业的信息化发展迟缓，信息化程度落后于全行业[2]，其发展过程也存在一些问题:

(1)信息难以共享，形成数据孤岛。很多建筑企业不重视整体信息化建设，而是单独部署BIM设计平台、工地智能化平台、财务管理软件以及OA办公系统等一系列产品进行专项管理。这些产品虽然对提高项目建设效率起到了一定作用,但这些管理软件没有提供多接口，各业务模块相互独立,彼此完全没有交互,形成了数据孤岛,增加了项目团队统筹协调的成本与负担,造成推诿矛盾不断。所建成的信息化系统对企业核心业务管控作用有限。

(2)信息化流于表面导致工作量不减反增。推广十多年的BIM技术还停留在设计翻模的阶段，施工现场管理也未真正实现无纸化和智能化，纸质档案的管理模式仍在同步运行，同样一份文件，除网上填报外，还需人工填写和签字，这无疑使项目各参与方工作量成倍增加。

(3)中心化信息管理系统使得电子档案易于篡改，数据原始性难以保证，这也为数据的追溯造成困难。

(4)信息化价值难以量化，前期搭建平台投入大，但后期产生的价值很大一部分都是隐形的，比如工程进度可视化、管理流程信息化、沟通效率提升等，很难独立量化，致使管理层对其作用的认可度低。

这些短板制约着建筑行业信息化的发展和推广,也使信息化所能起的监管作用有限。如果长期无法解决企业在工程项目管理过程中的实际需求,信息化建设将极有可能沦为形式主义。

区块链的概念由学者"中本聪"(或研究团队)于2008年提出[3],作为比特币的底层技术,区块链是在多方之间建立信任的理想机制[4],可以为建筑行业信息化发展提供新的解决方案[5-6],使土木工程无纸化、信息化、智慧化真正成为现实可能的目标,从而提升监管水平。

本文针对当前建筑行业信息化建设中的存在的问题,基于区块链技术进行探索,对区块链结构及整体架构进行设计,并详细说明了该系统的运行流程,为区块链技术在建筑行业信息化中的应用提供思路。

1 区块链技术

1.1 区块链的定义

关于区块链的定义目前尚未形成一个公认的说法。狭义地讲,区块链是一种以区块为单位来存储有效数据并按时间顺序串联的链式存储结构，通过密码学方法保证不可抵赖、不可篡改、可附加的分布式共享账本(Decentralizedsharedledger)。广义的区块链技术则是利用加密链式区块结构来验证与存储数据、利用工作量证明(ProofofWork,PoW)、权益证明(ProofofStake,PoS)等节点共识机制来生成和更新数据、利用自动化脚本代码来编程和处理数据的一种去中心化基础架构与分布式计算范式[7]。

1.2 区块链的分类

根据准入机制和网络配置方式不同可以将区块链分成公有链、私有链和联盟链，3种区块链的特点和区别如表1所示。

联盟链(Consortiumblockchain)是目前中国最具应用前景的一种区块链。相对公链来说联盟链在企业数据安全和隐私保护方面更具优势,但去中心化程度又高于私有链。通常适用于为一个项目中的多个利益相关方的共同协作提供服务，与建筑工程这种项目型行业具有天然的契合性。

表1 各类区块链特点对比

2 基于区块链的工程管理信息化系统架构设计

2.1 基本概念

2.1.1 节点

区块链网络的节点主要分为群组节点和组外节点2类。其中群组节点又分为超级节点和权益节点，超级节点由权益节点投票选出并对权益节点负责，参与出块和同步区块，而权益节点只负责同步区块，不参与出块。同时对超级节点进行监督。组外节点则是已经完成区块链准入但尚未通过群组准入的节点，既不参与群组的共识过程，也没有查看账本的权限。

2.1.2 账户

由于智能合约在支付管理和索赔方面的具有重要作用，建筑区块链系统选择能够稳定执行智能合约的账户模型。与节点一样，账户也分为2类，即用户账户和合约账户。2种账户都包括账户地址和账户余额，区别是用户账户由实体控制，可以发起交易并使用私钥对交易进行签名。而合约账户还包括一个状态和执行代码，账户资金的转移完全由代码控制，不受人为操作的影响。

2.2 系统架构

整体架构上，本系统被划分为数据层、共识层、网络层、合约层和应用层。

2.2.1 数据层

数据层的主要作用是收集和存储数据，可以定期同步更新每个节点的本地账本并使用加密算法和时间戳保证工程项目信息的不可篡改和可追溯性。

2.2.2 网络层

区块链系统的网络层采用一种私人数据连接技术—点对点传输技术，能够安全地连接2个及2个以上的私人数据服务节点,每个节点既是数据的接收者又是数据的发送者，这种网络结构可以从根源上保障区块链账本的安全。

2.2.3 共识层

共识层负责对数据区块进行验证并排序，确保每个节点都完成账本同步。为了使建筑联盟链兼具安全性和高吞吐量，共识层采用股份授权证明机制(Delegateproofofstake，DPOS)和拜占庭容错机制(Byzantinefaulttolerance，BFT)相结合的共识机制，即BFT-DPOS机制，这种共识机制融合了DPOS和BFT2种共识算法的优势，不但避免了网络分叉，还大大提高了单位时间内可确认的交易数量，使得该区块链网络更具实用性。

2.2.4 合约层

合约层主要包括合约开发语言、合约代码库和区块链交互接口。在搭建区块链的过程中，建筑项目的各参与方可以就一些合同条款达成一致性意见，利用合约语言和合约库将合同代码化并嵌入区块中，通过区块链交互接口对合约进行验证和执行。

2.2.5 应用层

应用层包含了终端用户用于与区块链网络交互的应用程序,包括脚本、应用程序接口、用户界面、框架。对于这些应用来说，区块链网络是后端系统，它们通常通过应用程序接口与区块链网络连接。设置应用层的目的是将区块链使用者所需要的功能代码化，并将其制作成应用程序提供给终端用户，便于使用者操作。

3 基于区块链的工程管理信息化系统的运行流程

大型建设项目涉及到许多大大小小的实体企业且各参与方与项目的利益相关性有很大差别，要求所有企业都参与联盟链网络的共识过程显然不合理，因此建立在民主选举之上的DPOS共识机制非常适用于建筑联盟链。但DPOS机制下的生成的区块不能立即被验证，只有当轮到其他超级节点产生新区块并串联其后时，才算验证了该区块。要使该区块成为不可逆状态，需要2/3的超级节点验证。节点越多交易确认速度越慢，这大大限制了联盟链的扩展性。而PBFT共识机制只需在出块者广播新区块后收到超过总数2/3的超级节点返回签名就可以使新区块不可逆，流程更简洁，效率更高，因此在区块验证阶段引入PBFT共识机制，可以有效缩短区块验证时间。BFT-DPoS机制的共识流程分为2个阶段：

第1阶段：权益委托证明(DPoS)——选举超级节点/规定出块顺序和任期。

第2阶段：实用拜占庭容错(PBFT)——区块生产/验证。

4 结束语

本文对建筑行业信息化发展迟缓的原因进行了探索，并针对这些问题引入了当下热门的新兴互联网技术—区块链，分析了区块链关键技术与建筑行业的适配性，并在此基础上设计了一种建筑工程管理信息化系统。区块链作为我国新基建的重要组成部分，虽然还有一些技术和制度方面的缺陷需要解决，但重塑传统行业的潜力太大，不容忽视。建筑业是世界上规模最大最古老的行业之一，它所建造的基础设施是国家经济增长和生产力发展的支柱。促进建筑行业的数字化转型，使其为迎接新时代的挑战做好准备，是我们作为建筑行业从业者固有的责任。