基于区块链的碳排放监测预警系统研究

金虹　陈玉凤　张路迎　孟令玺　查星异　张凡凡

摘   要：针对碳排放快速增长给环境带来的威胁，世界各国采取了立法措施开展减排行动。中国在联合国大会上向世界承诺：力争于2030年前实现碳达峰，努力争取2060年前实现碳中和。将区块链与碳排放监测预警结合将会是我国实现“双碳”目标的突破口，通过将监测机构、碳交易市场、政府管理、碳排放企业构建区块链生态体系社区，形成基于区块链的碳排放监测预警系统，通过分布式存储来实现对排放企业的数据监控，从而保障各生产企业的碳排放量下降，最终实现“双碳”目标。

关键词：碳达峰；碳中和；区块链技术；碳交易市场；碳排放监测预警系统

中图分类号：F207      文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2023）04-0036-03

一、文献综述

近些年来，区块链、碳排放监测、碳达峰、碳中和都成为热点话题，我国许多研究者在这些方面展开研究。马刚（2022）进行了基于区块链技术的工业数据安全防护的研究，提出了一种新的体系架构，从完整性和冗余性这两个方面来增强工业数据安全性[1]。迟占博等（2022）研究了利用区块链的可追溯、防篡改特点，确保交易过程中的安全性[2]。马虹（2020）进行了智慧能源及碳排放监测管理云平台系统方案的研究与应用，基本建成区一级统一的能耗监测与管理中心[3]。张钦等（2021）研究了一套在线监测碳排放的标准方法，提出了提升在线监测数据质量[4]。陈赟等（2022）以区域智慧能源服务平台为研究基础，依靠能源大数据应用，从政府、企业、交易市场三方视角开展智慧“能源+双碳”服务平台的建设工作[5]。王深等（2021）以我国主要耗煤产业、电力、供热、交通以及森林碳汇量为研究对象，构建了基于低成本碳达峰、碳中和路径的多目标模型[6]。

综上，当前的研究集中在区块链的应用、碳排放市场、监测系统，较少将其结合成一个体系。本文研究将区块链技术应用到碳排放监测预警上，通过区块链技术保障监测数据和交易数据的真实可信任，为政府提供可靠的监管体系。

二、基于区块链的碳排放监测预警系统适用场景

基于区块链的碳排放监测预警系统的参与主体有各省生态环境局等政府监管部门，高耗能、高排放的电力、化工、水泥、钢铁、玻璃、建材、造纸、航空、有色金属等重点碳排放企业、地方碳交易市场和商业银行。

所有参与主体通过区块链的联盟链搭建在一起，组成一个体系。区块链技术中的密码学技术和共识机制保证了数据的不可篡改性、可信任性。只要定期将在生产企业端碳排放监测数据作为交易数据上链，传输到在节点区块上，都可以被追溯，防止数据篡改，全程透明和可追踪，打破行业中的数据孤岛，给体系中的当事人一种保障。区块链中每一个当事人都是一个节点，数据都在同步传输，这也就是区块链去中心化的极大优势。若监测到超过分配给其企业的碳排放额，企业可在其银行账户的资金通过碳交易市场向碳配额冗余的企业购买，初始过程中企业申请并获得的碳排放配额和后续历次交易碳排放权的流程都会被联盟链记录到各个节点的数据库中[7]。环境保护局掌握企业的排放配额，加上对企业上链的排碳数据进行比对，即可实现精准监控。若企业未超配额，就不会被警告；若超额，则会受到警告，并要进行相应行政处理。

三、我国各省在碳排放管理中面临的问题

（一）生产企业的碳排放难以控制

我国生产企业规模庞大，遍布各行各业，碳排放总量大，且很多企业从来没有核算过自身的碳排放量。一般来讲，要想降低企业的碳排放量，只能降低产能，这无疑将影响到企业的收入和利润。如何在保证生产经营和降低碳排放两者之间达成平衡，是摆在企业经营者面前的一个挑战。

（二）政府难以监测到真实的碳排放数据

生产企业众多，碳排放数据不断变化而且难免会有企业向政府报告虚假数据，在没有统一体系管理的情况下，政府也无法判别数据的真实性。2022年3月，我国生态环境部发布公告，有四家公司碳排放数据存在造假行为。由此可以看出造假行为时有发生。

（三）生产企业碳排放未能得到及时预警

当生产企业的生产工作进行时，若碳排放即将超标，政府没有及时进行干预，企业收不到监管部门预警的信号，会使企业缺少危机意识。若没有有效的预警系统，企业的碳排放问题将难以解决。

（四）各省没有碳配额的企业如何购买尚未解决

碳交易市场目前在发展阶段，目前仍有省份没有开启碳配额的分配。这意味着会有企业对于减少碳排放缺少合理的方式和渠道。这些企业如何购买碳配额，如何参与到碳交易市场中的问题仍未解决。这对各省的碳减排行动将造成不利影响。

四、基于区块链的碳排放监测系统运行机制

首先应用碳监测器对企业的碳排放情况进行监测，定期将得到的数据上链，依据区块链的分布式存储底层技术，把碳排放数据存储到区块链生态系统中的各个节点。生态环境局以多层分配模式对企业进行碳配额分配[8]。为了数据的真实有效，生态环境局需要使用由第三方CA 机构颁发的私钥对发放给企业的排放配额内容进行数字签名，通过添加数字签名可以保证数据产生于生态环境局。由于私钥只有生态环境局持有，任何第三方无法模仿数字签名内容，从而保证了数据的真实性。

获取企业的排碳信息后，将会有两种情况，一种是符合排碳额度，另一种是超出排碳额度。超额度企业可以进入碳交易市场进行购买，企业可以选择向单个企业购买或向多个企业购买。其中，在碳交易市场交易中产生的数据自动上链，每个节点都会产生相应的交易数据，形成分布式存储，实现交易全程数据被联盟链上实名认证的主体可信共享应用。联盟链由若干个结构相同且彼此关联的节点构成，联盟链中存在大量且不同的交易业务，链中每个节点中存储了相同的业务信息，参与主体之间信息同步。除此之外，在区块链的头部还会有指向前一个区块ID 的指针数据，用来确定与之关联的上级节点，多个区块节点就可以构成一条首尾相连的“数据链条”。通过依次查找数据链条上的指向信息，就能够准确地定位到某次交易节点，并通过读取节点数据获取交易的具体内容，每一个交易数据都配有时间戳。整个过程，对于篡改数据的可能性是零。这样形成了当事人多方共建、灵活互动的交易模式，凸顯区块链可追溯的优越性。系统运行机制如图2所示。

在发现有企业碳排放即将超标时，系统将通过智能合约自动实现预警。企业可以进入碳交易市场交易购买碳配额。区块链智能合约技术通过代码实现预先设置的警报功能，无需人为干预，程序自动执行，大大地提高整个体系的效率。系统可以按照先前设置自动触发警报功能，在系统中的监管部门会收到该企业被警报的信息，系统中政府监管部门对超额企业进行处理。

五、基于区块链的碳排放监测系统的创新研究

（一）运用联盟链的优势

基于区块链的碳排放监测预警系统应用区块链中的联盟链。联盟链具有半去中心化的特征，在链的内部，依靠区块链形成了去中心化的网络，而在链的外部，管理联盟链的机构或组织则可以对联盟链中的内容起到监管作用。联盟链的功能解决了政府难以监测到真实的碳排放数据的问题，虽然公链的完全去中心化数据向全网公开，其数据可信程度更高，但当今的区块链市场中的各种风险隐患也表明，一个可接受监管的联盟链相比野蛮生长的公链将会更加有效。

（二）预警系统的应用

区块链的智能合约技术通过代码实现预先设置的警报功能，无需人为干预，程序自动执行，大大地提高整个体系的效率。它有多种状态属性，且在制定之前就获得多方认可，可以按照先前设置自动触发警报功能。在系统中的监管部门会收到该企业被警报的信息，那么，由系统中相应的政府监管部门对超额企业进行处理，就解决了生产企业的碳排放难以控制以及生产企业碳排放未能得到及时预警的痛点问题。

（三）碳交易市场的应用

该体系中有碳交易环节，碳排放较高的企业使用该系统。当各省为当地企业下达碳排放配额后，通过该系统中的碳排放交易市场，可以帮助企业在碳排放过多时及时补救，进行碳排放权的购买；当企业碳排放余额充足时，也可以进行出售；若某些省份没有碳配额的发放，则可直接向其他企业购买。这样，既达到了资源的合理配置，也解决了购买碳配额的问题。

六、构建区块链系统的前后对比分析

生产企业为经济增长做巨大贡献的同时，也不可避免地出现环境污染的问题。若不构建有效的政府监管体系来治理少数造假碳排放数据的生产企业的不良行为，就会导致碳排放较高的企业保持碳的高排放，以至无法实现我国碳达峰和碳中和的战略目标，不利于改善目前的全球气候条件。

若构建并使用基于区块链的碳排放监测预警体系，区块链技术的分布式存储、数据可信任、智能合约和共识机制等技术就会解决数据造假、生产企业难以管理等问题。体系中的碳交易市场帮助碳排放过高和碳配额有余量的企业进行高效的交易，联盟链的助力可以保证参与企业交易数据的真实性；体系中的企业全部由联盟链实名认证，避免了主体以外其他人或企业偷取以及篡改的可能。

七、结论

随着经济的迅速发展，二氧化碳排放量也呈现上升趋势。我国在联合国大会上承诺在2060年实现碳中和，并为此开展节能减排。由于我国幅员辽阔，且工业排放温室气体情况不仅难以检测，而且各地都是将数据存储在自己的本地服务器，无法做到全国共享，所以难以对我国的总体温室气体排放进行有效监测。并且，国内各地方没有统一的平台提供实时碳排放配额交易，影响了生产企业的正常生产经营，进而危害到市场经济。

在经历了空气污染、碳排放无法追踪和有效监测后，我国要达成在联合国大会许下的碳中和承诺，就必然得建立起一套完善的碳排放预警和交易机制系统。本文研究基于区块链技术的碳排放监测预警系统，以现有的大数据、人工智能和区块链技术为基础和依托，实现各省对企业的碳排放情况的实时监测，并适时作出相应预警。通过碳排放权交易市场为生产企业提供帮助，并给国家提供真实、可信任的碳排放数据，便于未来更合理地进行碳排放政策的决策。

归根结底，建立基于区块链技术的碳排放监测预警系统是我国实现碳达峰、碳中和，并为下一代人留下绿水青山的重要保证，惠及全国人民。

参考文献：

[1]   马刚.基于区块链技术的工业数据安全防护的研究[J]．网络安全技术与应用，2022，（5）.

[2]   迟占博，张勖，李婧，等.基于区块链的可信交易完备性模式设计[J]．信息安全研究，2022，（5）.

[3]   马虹.智慧能源及碳排放监测管理云平台系统方案研究与应用[J]．计算机测量与控制，2020，（4）.

[4]   张钦，张达，张希良.在线监测应用于中国碳排放监测的相关问题和制度建议[J]．环境经济研究，2021，（3）.

[5]   陈赟，刘昌维，潘智俊，等．新形势下智慧“能源+双碳”服务平台的建设与应用[J]．供用电，2022，（2）.

[6]   王深等.基于多目标模型的中国低成本碳达峰、碳中和路径[J]．环境科学研究，2021，（9）.

[7]   严振亚，李健.基于区块链技术的碳排放交易及监控机制研究[J]．企业经济，2020，（6）.

[8]   陈硕，宋鑫.“双碳目标”背景下碳排放权交易机制及其会计确认与计量[J]．经济研究导刊，2022，（10）.

[责任编辑   興   华]