Hyperledger Fabric 在IPD 项目中的应用研究

蔡耀CAI Yao；蒋黎晅JIANG Li-xuan

（南京工业大学建设管理与房地产系，南京 211816）

0 引言

在各行业飞速发展的今天，建筑业仍存在着因业主、设计团队、承包商等参与方各自专注于自己的工作而导致的成本高、进度延误、生产效率低等问题。集成项目交付（Integrated Project Delivery，IPD）是在上个世纪90 年代末在英国的一个石油工程中取得了成功后，逐渐被人们认可和使用的新型项目交付方式。它强调团队成员的相互信任与协作，整体性地提高项目的质量。作为一种先进的项目交付模式，团队内部透明开放是IPD 模式成功实施的重要因素[1]，为了使各方能够交互和共享数据，IPD 要求采用高水平的信息和通信技术（ICT），近年来BIM 技术和精益理论的兴起，为IPD 的实施提供了信息处理平台和实施工具，但项目数据的真实性和安全性还是无法保障。马智亮[2]等通过广泛的文献调研，提出BIM 技术解决了IPD 面临的数据储存问题，而它无法完全满足IPD 模式下参与成员之间数据共享的需求，而且相关研究中还没有一款更先进的数据信息交流平台应用在IPD 模式中，能让团队间的联系更加紧密，并针对它的特征实现项目内部的事务。IPD需要一种新的信息技术，以保证信息真实和安全的信息共享，填补BIM 技术无法实现的IPD 特征，更好地展现它的优势。

自从区块链的概念被提出，它就被认为是一个有巨大潜力的信息处理工具，本文尝试将区块链平台Hyperledger Fabric 应用在IPD 模式中，根据IPD 的特点设置Hyperledger Fabric 平台的模块，实现IPD 模式中的信息交流、交易执行等，并介绍了Hyperledger Fabric 在IPD项目中的的应用流程，以发挥出IPD的优势，帮助建筑业更好地发展。

1 技术简介

1.1 区块链技术

区块链技术起源于一个化名为中本聪的网络极客在2008 年发表的《比特币：一个P2P 电子收银系统》一文[3]。目前它还没有官方的定义，简单来讲，区块链就是分布式账本的一种，在系统中的每个参与者都拥有一份公开的、实时更新的账本，打包一定数量账本的数据区块按照时间顺序连接在一起，就形成了区块链。

区块链去中心化、数据可追溯等特点吸引了众多学者对它进行研究，并初步将区块链的发展分为三个阶段：

区块链1.0 阶段：以比特币为代表的数字货币对传统金融产生冲击，降低了交易成本，让价值在互联网中得以流通；

区块链2.0 阶段：基于区块链的可编程金融，以数字资产和智能合约为代表，使得企业可以使用区块链平台编程自己所需要的区块链程序；

区块链3.0 阶段：区块链在社会各行各业都灵活应用，法律、健康医疗，银行、教育、能源等方面都能享受区块链带来的便利，提高社会的运转效率。

1.2 Hyperledger Fabric 平台

超级账本（Hyperledger）是由LINUX 基金会牵头并创立的区块链平台，旨在探索区块链技术在各行业的应用。Hyperledger 的核心平台Fabric，是一个带有节点许可管理的联盟链系统。在区块链2.0 时代诞生的Hyperledger Fabric 克服了1.0 时代仅依靠比特币进行虚拟货币交易，数据吞吐量低等缺点，除了在特定联盟内部真实、安全地记录财务交易，还能利用算法实现投票决策等功能。它的各个子项目都是锚定“平台”的，仅是一个基于区块链的分布账本平台，并不发行数字货币。而且与其他的区块链平台不同，Fabric 系统只在一系列一致的、具有特定身份标志的成员之间进行交互；可插拔的模块组件，能根据不同的场景设置需要的共识算法，灵活应用在不同的项目之中。Hyperledger Fabric 作为区块链应用中的主流技术平台，在建筑业将有着巨大的应用潜力。

2 IPD 与Hyperledger Fabric 的契合性分析

2.1 IPD 在实施过程中遇到的阻碍

①IPD 模式的相关信息技术存在不足。尽管IPD 模式很早就与BIM 协同管理项目，但BIM 技术存在互操作性问题，一系列软件一起工作并共享信息的能力还不够[4]，它仅是将建设项目数据数字化的基线工具，还需要新技术进一步改善数据共享的环境。AIA2012 文件对IPD 模式的特点进行了汇总，并标明了哪些特点需要使用信息技术来实现，如表1 所示[5]。

表1 IPD 的原则及其实现方式

由表1 可知，协作决策、共同制定的项目目标标准、强化设计、主要参与者之间财政透明、愿意合作和开放式沟通都需要先进的信息技术来实现。BIM 技术可以有效帮助强化设计和辅助进行决策控制，提供一个数据存储交换数据的平台，但是难以实现主要参与者之间的财政透明，促进合作。我们仍需要一个拥有局部开放性的财务交易和协助决策的技术平台帮助IPD 模式实现这些原则。

②信任障碍一直困扰着建筑项目管理者，而在以协作为核心的IPD 项目中信任尤为重要。造成信任缺失的原因分为两类，一是在利益的驱使下，各参与方首先考虑自身的收益，利益的冲突使得各方互不信任；二是没有支撑信任形成的条件让有信任他方的意愿的人持续保持信任，项目内部，各方的信息并不互通和透明，共享的信息存在被篡改的风险，项目外部，各方的声誉建立困难，每次的合作都要经历相互不信任的过程。

2.2 Hyperledger Fabric 应用在IPD 模式的优势

Hyperledger Fabric 作为一个区块链技术平台，本身就具备区块链的普遍优点，来辅助IPD 的应用：

①数据信息透明。所有参与方都能够跟踪项目进度和成本，无论他们身在何处都有权访问所有数据，满足IPD模式的要求。

②数据不可篡改、可追溯。区块链的最长链原则和挖矿原理都保证了数据信息一旦上传，就无法擅自修改。而时间戳（区块数据的写入时间）帮助人们追溯信息。IPD 模式下需要在项目竣工后进行财务评价，按权重共担风险/收益，数据的真实性和可追溯性帮助这一工作的实现。

而Hyperledger Fabric 也有它区别于其他区块链平台的特有优势：

③共识模式化。Hyperledger Fabric 的共识机制可以根据不同的项目自行设置，十分灵活。这使得IPD 各方能够根据团队和项目环境开发合适的机制。

④具有高效的可扩展性。Fabric 交易的背书节点和负责打包的节点解耦，保证系统有更好的伸缩性。IPD 项目中，每个事务的参与方成员常常是不固定的，这样的特点有利于节点退出和新的节点加入。

⑤Hyperledger Fabric 是一个联盟链系统。联盟链在有限个互相已知身份的组织之间构建系统，去中心化，处理事务时需要参与者们一起协商，达成共识[6]。联盟链的特点适合IPD 模式多参与方、协同决策和控制的，也有利于参与者们共同制定和验证的目标。

表2 总结了Hyperledger Fabric 平台的优势与特点：

表2 Hyperledger Fabric 的优势

3 Fabric 系统在IPD 项目中的应用

3.1 Fabric 重要节点

Fabric 内部的通信实体由节点完成，它有三种类型——客户端、Peer 和Orderer 节点，不同的节点在系统中承担不同的功能。

①客户端：客户端是与用户直接接触，实现对区块链操作的程序节点。用户通过客户端界面，向系统提交事务和接收、查看账本。

②Peer 节点：是系统网络中的对等节点，并按功能分为两种：背书节点（Endorser）和验证节点（Committer）。背书节点主要负责对被客户端发送来的提案进行校验、模拟执行和背书；而验证节点用于验证背书是否符合事先设置的背书策略和更新维护区块链账本。一个Peer 节点也可同时具备两种节点的功能，增强处理事务的能力和效率。

③Orderer 节点：对各个节点发送来的事务进行排序。由于在一个联盟链网络中，每个用户都可能随时随地发送提案，当出现提案并发的情况时，Orderer 节点将按照排序策略对他们进行排序，决定事务处理时间，以有序地记录在区块链账本中。

每个组织都有自己的客户端、Peer 节点，无论哪个用户使用自己的客户端发送出事务请求，都会被广播到所有用户节点，Orderer 节点是独立于用户组织之外的公用节点，处理同一个项目网络中的所有事务。

3.2 Fabric 系统在IPD 项目中的应用流程

IPD 模式与传统的项目不同，它将项目分为七个阶段：概念阶段、标准设计阶段、详细设计阶段、实施文件阶段、机构审核阶段、施工阶段和项目交付阶段[7]，各参与方几乎参与了所有阶段，从自己的专业提出建议，优化设计方案。Fabric 平台在IPD 项目中的应用流程如图1 所示。

3.2.1 准备工作

①成员注册。

Fabric 系统中的每个节点代表了各参与方中的每个成员，业主方在项目的概念阶段确定项目的参与方并签订IPD 协议。一个完整的IPD 项目团队一般包括业主方、集成项目协调人员、设计方、咨询方、承包商和供应商等，签订了IPD 协议的参与方必须秉持着相互尊重的理念，着眼于项目的整体利益。协议中规定了各方的职责和约束条件——各方利益只有在项目按计划完成后才能按一定数字模型进行分配。在这个阶段，还要在协议中明确项目使用的技术：BIM 和Hyperledger Fabric 平台。

②设置组织关系和身份证书。

确定项目团队之后，Fabric 客户端将IPD 团队成员的身份信息通过证书颁发机构（CA）获取身份证书，用获取的身份证书加入Fabric 作为Peer 节点，以便成员管理和绩效评估。项目参与成员在Hyperledger Fabric 中除了输入自己的基本信息：姓名、工号、联系方式等，还要注明自己的参与方组织。在项目进行的过程中，系统将实时跟踪记录每个人参与的项目工作及其负责的任务，查询者可以以参与成员为关键词管理成员个人的工作，也可以项目某一任务为关键词查询负责人员，有助于责任追溯，间接减少人为的资源浪费。

3.2.2 转代码阶段

在此阶段，IPD 团队需要将设计意图文件化，并进行施工图设计得出施工方法文件、施工进度文件和成本费用表。这些文件的合理性和正确性是Fabric 平台帮助项目高效率进行的重要前提，决定了如何设置链码中的共识模块。

在项目文件确定之后，这些文件被转换成Fabric 可识别的代码。Fabric 平台提供传统的计算机语言GO 语言，方便程序员设置链码。链码的执行要预先设计背书策略，背书策略中设置了哪些成员需要为这个事务背书。以完成一面外墙为例，如果要在帐本中将这项工作记为“完成”，则要通过这样的背书：

①成员P1，P2…的背书；

②事务提交者为施工方中的成员节点；

③这面墙的工作时间从X1开始，在X2时结束；

④墙体材料的材料，钢筋型号、水泥类别、配比等都符合施工计划；

⑤墙体位置与BIM 系统中设计的一致；

⑥通过质量检测。

合理的排序策略有利于控制项目的进度和质量，设置排序策略的基本项为：

①事务的排序符合项目进度表；

②每个事务应包含以下信息：事务编号；提交者（即业主或非业主）的身份；背书状态（即哪个peer 节点背书了此交易）；基于谁调用了事务[8]。

③每个区块代表一个里程碑。

④由于在竣工后要财务评估，根据以往的研究，风险/收益分配模型分为三个部分：包括项目直接成本和项目具体管理费用的Limb1，包括公司的管理费和正常利润的Limb2，Limb3 为项目超过目标时的红利[4]。因此，每个阶段打包记录交易的区块将分为三个类型，以方便日后的风险/收益分担。

3.2.3 链码运行阶段

Fabric 系统的链码运行主要发生在IPD 项目的机构审查阶段和施工阶段。

机构审查阶段是相关机构检查项目是否符合标准，给予许可证和批准的阶段。BIM 技术的应用加速了此阶段的流程，而加入了Fabric 后，机构不用在传统IPD 项目的机构审查阶段开始对项目信息检查，而是在概念阶段就可以在Fabric 平台中查看实时更新的账本信息。在其他参与方做出不符合规范的决策和设计时及时进行反馈，减少审查工作的繁复程度和设计变更，确保项目的顺利进行。

在IPD 项目的施工阶段中的材料采购将运行之前设置的链码，需要通过的背书策略至少包括材料的类别、数量、单价、供应商身份和采购时间等，材料运送至施工现场后，资金将直接从采购方转移至供应商名下，并在帐本中添加已采购至现场的信息，交易事务在节点之间的流程如图2 所示。

①调用者使用客户端发送一个提案给Peer 节点，提案中的信息包括本人特有的数字签名和系统生成的编号，编号用于检查是否存在重复的提案。

②Peer 节点具有背书功能的点Endorser 调用链码预先模拟执行提案，并生成一个读写集。

③背书节点Endorser 将背书结果和这个读写集送回客户端。

④客户端将背书结果和读写集打包成事务，发送给Orderer 节点。

⑤Orderer 节点将接收到的事务对照项目进度表排序标号，组成特定类型的区块发送到所有Peer 节点。

⑥Peer 节点具有验证功能的节点Committer 根据设置的背书策略进行背书验证、双花校验。通过验证的事务和未通过验证的事务都可记录下来，记为有效事务和无效事务，添加进入区块链账本之中。

⑦区块链账本被发送回客户端，客户端可以选择将无效的事务进行剔除，通过验证的有效事务则被执行，资金转移到供应商名下。

链码的执行使施工过程更加严谨，也避免了资金拖欠的问题，采购发生的交易记录在采购财务账本之中。

施工过程的进度记录除了不需要进行资金的转移，其余的流程和交易链码一致，工人每完成一项工作，提交“工作已完成”的提案请求，监理、施工方和业主的部分成员对这项天进行背书，通过后将上传至施工进度账本。

3.2.4 收尾阶段

①调用账本评估项目。

项目交付阶段工程项目、BIM 信息模型交付给业主方，再进行项目的评估工作，这需要对记录整个项目的三个区块链账本——设计决策账本、采购财务账本和施工进度账本进行回顾，并根据IPD 协议中风险/收益分配数字模型分配收益，收益的分配同样通过链码执行。

②上传各参与方绩效。

项目的最后，将每个参与方在一个项目中的表现上传至一条新的企业信誉账本中，之后签署同意使用、IPD 模式和Fabric 平台的参与方都可以查看，在新的项目中选择表现良好的合作方，增强信任，有利于IPD 模式的良好发展。

4 结论与展望

本文将区块链平台Hyperledger Fabric 系统应用在IPD 模式的建筑项目之中，基于它信息无法篡改、共同验证等特点，提供了一个参与成员之间相互信任的透明环境，保证信息及时共享与记录，实现了项目进行过程中共同决策、及时支付和实时监测施工进度。在数字化程度越来越高的今天，区块链技术已经在各行各业发挥着效用。虽然区块链技术在建筑行业的研究还很少，但相信未来它将给建筑业带来不小的收益。