建筑工程信息交互平台架构研究

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0.引言

国家“十三五”规划中明确指出“信息化”将是建筑工程的发展方向。目前土木各行各业均在探讨如何通过革新工程各个环节信息管理的方式方法，吸收新兴产业带来的发展福利，促进建筑行业现代化。在诸多新兴技术中，随着区块链技术的日益成熟，其去中心化、透明性、防篡改、数据溯源等方面具有的巨大潜力已逐渐被开发出来并应用于传统领域。近年来，由于区块链技术在国家层面的推广应用，尤其是在2019年，国家领导提出了区块链可以视为产业核心技术的重要点且有利于自主创新，全国都务必抓紧部署，扩大其应用范围，至此，区块链技术逐步进入大众视野，也成为热点领域。目前，区块链早已跳出了数字货币等金融领域，在物流管理[1]、电子政务[2]、教育资源[3]等领域逐渐开花结果。土木建筑工程行业不少研究者同样指出了区块链在工程领域的应用前景[4][5][6]，但实际应用案例并不多，特别是在道路工程领域更是鲜有研究。因此，本文针对建筑工程的特点，指出区块链的典型应用场景，并基于区块链技术架构建筑工程的信息交互平台为区块链技术在建筑工程施工管理中的应用提供思路。

1.区块链技术的概念及特点

1.1区块链的概念从狭义上来讲，区块链是一种链式数据结构，“区块”存储数据信息，将无数个“区块”按照时间顺序进行排序，并将其链接，链接完后的个体即为区块链，如果进行加密，则可以将其当作不可篡改的分布式分类账本[7]；从广义的角度来看，区块链的存储和验证方式，主要是以“块”类型的数据结构完成[8]，通常开发者采用分布式的节点中蕴含的一致性算法去更新数据，为达到数据传输的稳定性和访问的安全性，必须进行加密处理。

1.2区块链的安全机制（1）哈希算法哈希算法，也即散列算法，其核心思想是把任意长度的输入（文本、图片、表单等）利用不可逆的方式，生成固定长度的字符串，即称为哈希值。试图逆向进行哈希算法并非易事，因此整个算法隐秘性良好。（2）非对称加密算法非对称加密算法用于解决用户间信任问题，用户身份一般通过密钥和私钥进行标注，且设置了用户专属的公钥和私钥。明文数据一般通过公钥进行加密而成为密文，但如果试图解密，一定需要通过非公开的私钥，电子签名就是非对称加密算法的一项成功应用。（3）时间戳各个“区块”的排列链接顺序，包含了数据的时间信息。每次账本或信息的变更都会记录，记录下的信息则会形成时间戳。例如，在工程应用方面，采用时间戳记录改扩建工程中的信息，可以有效对项目工序、进度的监管。

1.3区块链特征在工程领域，目前最具有应用价值的特点在于去中心化、不可篡改及可追溯。去中心化使信息向工程参与各方共享成为可能，多方透明，防止黑箱操作。不可篡改和可追溯特性对于降低工程人为事故风险及事后追责有重要意义。区块链的发展可大致分为三个阶段，其本身特性随着发展在不断完善。目前区块链正处于2.0阶段，嵌入区块链系统中用来处理参与者之间的相互信任和身份问题的智能合约，是该阶段的关键技术，并在各领域进行扩展应用。在2.0阶段，其优势更为显著，因为可以有效解决最重要的信任问题，以在多场景中实现良好的资分配日。

2.区块链技术在工程建设中的应用

2.1施工过程信息交互发挥区块链技术去中心化的特性，为工程参建单位：建业主单位、设计单位、施工单位等提供信息共享平台，是区块链技术典型的应用之一。可共享的工程信息例如：建设单位对工程不同阶段的需求，设计的变更以及施工单位的工程质量进度等。在施工过程产生任何交互的信息变更，都可被记录并加密，相关方可以实时了解信息变更情况。

2.2工序安排及质量控制所有参与到一个具体单位工程中的不同专业施工队可作为一个区块，将其施工作业内容写入区块中，工程施工进度将从施工开始记录，通过时间戳，一直记录到施工结束。另外，可以将施工工序（如道路工程中明显的工序层次，地基处理、路基施工、路床施工、基层施工、面层施工等）写入智能合约，确定好工序内容及人、机、料安排。此外，施工流水节奏、步距也可写入区块。通过将施工信息以时间戳的方式写入区块，串联成链，将方便施工单位自检人员、监理工程师、业主现场管理人员进行工程质量控制：遗漏某一环节的质量检测，后续的施工信息将无法写入，提醒相关单位按约定进行质量控制。

2.3人员管理及责任追溯如今工程追责均是终身制，完成一项工程需“写书立碑”，但毕竟这类利用实体记录的信息存在篡改的可能。且当事故发生后，仅仅找出第一责任人是不够的，进行事故分析、总结对于吸取教训、优化后续工程施工具有非常重要的意义。通过记录了工程全过程人员、质量、工序、环境、进度管理的区块链信息可以查看施工工程记录，一旦察觉到质量问题，则可迅速追本溯源，分清责任，找出工程漏洞或技术缺陷。将为事故分析人员提供全面的信息。这点充分利用了区块链技术的安全性、不可篡改性、可追溯性。2.4运维管理以道路工程运营为例：为保证交通安全，会在事故易发地或者限速、限行区域智能化的采用诱导分流或进行速度限制。如果发生一些违规，如超速行为，区块链智能合约则会生效，并迅速执行违约措施。

3.区块链工程信息交互平台构建

3.1平台的选择根据不同区块链平台的应用条件和特点，研究进行了以下划分：公共链（免许可链）；私有链（许可链）；联盟链（混合链）。总的来说，在区块链的网络中，去中心化的程度越高，安全性则会越强，以及信用问题的解决程度越好，但同时交易的效率随之降低。应用于工程的区块链平台一方面需要保证可共享成员内部的去中心化，一方面要筛选对非相关成员的访问即具有权限管理功能，因此宜选用基于区块链技术的联盟链形式构建交互平台。

3.2平台整体架构工程参与各方在区块链交互平台中以节点形式存在，以既定的共识机制运行，进行各自表单的生成和审批并进行分布式记账，根据记录按时生成区块。整体上说区块链网络是分散的系统，一般可被分为六个层，见表2所示。结合工程信息交互的需求，交互平台的架构宜为：由数据层、网络层组成基础设施层，构成平台的基础；由共识层和合约层组成平台的开发层，包含平台的智能合约和共识算法；除了位于顶层的应用层，还应设置储存层及安全层，分别用于平台的分布式存储和身份认证、权限管理，见图3。

3.3平台各层级设计（1）基础设施层设计基础设施层中包含供系统使用的各种服务器及网络设施，用以提供上层结构所需的数据资源并支持区块链的服务资源。基础设施层所提供的数据资源包含平台中出现的各类信息。基础设施将这些庞杂的信息进行整合后，提供给平台中的各个单位节点调用。服务资源与数据资源不同，它并不提供数据，仅是提供工程相关方服务，只要相关方处于平台的节点中，即可以使用基础层所提供的服务。（2）安全层设计工程中部分数据是对参建各方公开共享，有些是仅对部分单位开放，有些甚至属于单位内部信息，因此安全层的设计目的在于对各个单位的访问权限进行设定，限制单位的访问范围。实现方法主要为：身份验证即及访问控制。非对称加密算法的应用是该层的主要技术手段，也即公钥和私钥。首先，参与到信息交互平台的单位需要通过资格审查，必须是工程相关方，或受邀请方才可以入驻。其次，信息交互需要一定程度的监管，非核心节点不能对区块链中数据进行操作。（3）储存层设计采用区块链进行分布式记账，例如平台中的大宗建材交易，买入者为施工单位，卖出者为建材企业，卖出者可以根据自身需求进行优化。该系统提供给各方有效的监督，提高了安全性，也为相关数据的根源性提供追踪的可行性。（4）开发层设计开发层主要为实现平台内各单位节点的信息交互及辅助平台各功能程序的设计。主要的内容包括：接口管理、智能合约和共识机制。（5）应用层设计应用层的作用是供工程各主体参建方开展所需业务。业主单位、各大供应商、施工单位、设计院等在应用层对信息进行分发，传播及审查，区块链则对所有数据起到记录作用。各参建主体可在自己的权限范围内进行信息的查询。另外，政府监管机构可通过配备平台PC端，对数据进行实时监控，并对相关建设活动进行授权以及监管。如在北京市“区块链+政务服务”中，累计落地了140个区块链应用场景，解决了传统数据共享模式难以共享的310余项数据的困境。其中设立的首贷服务中心，建设中小微企业确权及供应链金融服务平台和企业电子身份认证信息系统，企业填报数据可以减少80%、而银行的开户时间节约40%。南京江北新区公建中心构建的基于区块链技术的信息交互平台于2022年上线，设计该系统时，工作人员深入分析公建中心传统工作模式的弊端，并利用区块链技术逐一解决工作中存在的问题，据此设计建筑工程信息交互平台。这也是该地区第一次将区块链技术用于建筑工程管理，实现对建筑工程建设全过程的信息管理，辅助公建中心工作人员完成日常工作，避免工作过程中信息丢失，实现建筑工程相关信息的快速传输，保证了信息的时效性。该平台投入使用后，取得良好的管理效果，满足公建中心的日常工作需要，且信息交互速度快，不仅减轻了工作人员的工作压力，还能提高信息管理效率，充分展现区块链技术的应用优势。为保证基于区块链技术的建筑工程信息交互平台发挥应有作用，该地区共建中心领导提出应用该平台的要求，确保参与公建中心日常工作的人员熟练掌握平台应用方式，确保区块链技术可被合理用于日常工作，助力地区建筑行业发展。该管理平台作用范围广，可实现与建筑工程各个环节工作人员的信息对接，扩充系统中存储信息内容，并对工作人员提出以下几点要求：第一，基于区块链技术的建筑工程系统投入使用后，工作人员需不断优化系统的性能，丰富区块链上的内容，提升区块链技术在建筑工程信息管理中的应用价值。由此将区块链技术作为行业发展的动力，扩大区块链技术在建筑行业的应用范围，转变建筑行业的发展模式，实现现代技术在建筑工程管理中的科学运用。第二，利用基于区块链技术的建筑管理平台实现对建筑工程的统一管理，通过建筑工程方上传数据监督其建设情况，分析建筑工程建设中存在的风险，及时采取措施规避风险，保证建筑工程建设项目顺利完成。工作人员操作平台的记录完整记录在平台中，调取相关信息即可实现监管目标，引起工作人员对该平台的重视。第三，提升公建中心工作人员的创新意识，基于区块链技术的建筑工程管理平台开发仅是建筑行业管理技术创新的开始，要求各工作人员积极探索区块链技术的创新应用方式，将更多先进技术用于建筑工程管理，推动建筑行业快速发展。同时完善奖励措施，以实际奖励鼓励工作人员创新技术应用方式，保持高涨的工作热情，调整区块链技术在建筑工程管理中的应用方式。提高管理效果。由此可见，区块链技术在建筑工程管理中具有较高的应用价值，合理设计平台架构可提升平台的利用价值。其他地区也可借鉴该地区的基于区块链技术建筑工程信息交互平台的设计经验，结合实际工作需要合理设置平台结构，保证平台的实际应用价值。

4.结论

建筑工程作为一门传统学科，已伴随人类社会发展了数千年。信息技术的发展为伎学科注入了新活力。区块链技术在去中心化、防篡改、数据溯源等方面具有巨大的潜力，本文设计了基于区块链技术的工程管理平台架构，得到以下主要结论：（1）区块链技术目前已拓展到医疗教育等传统行业，但与建筑工程领域的融合还不够深入。通过分析区块链技术的特点发现，区块链技术在施工过程的信息交互、物资采购、质量管理、进度与人员安排、事故分析与责任追溯等领域有很大的适用空间。（2）基于区块链的建筑工程信息交互平台架构累计五层。应用层可以为整个工程的参建单位提供信息交互窗口；开发层可以实现平台内各单位节点的信息交互及辅助平台各功能程序；储存层可以记录数据走向，方便追根溯源；安全层可以为开发者做好身份认证和权限管理的工作；基础设施层可以完美的为各主体提供各类数据资源以及相关的服务资源。（3）区块链所采用的关键技术，哈希算法、非对称加密算法和时间戳，一方面保证了数据不可伪造、不可逆推等安全性，另一方面为平台带来数据可追溯和透明性。进一步深化区块链和建筑工程的融合可更好地解决工程长期存在的管理混乱、黑箱操作等问题。

【参考文献】

[1]敬毅.基于区块链的制造供应链质量管理架构的研究[J].机电工程技术,2019,48(5):165-168.

[2]谷宁静.基于区块链的电子政务数据共享设计研究[J].信息安全与通信保密,2020(4):91-97.

[3]ChenG,XuB,LuM,etal.Exploringblockchaintechnologyanditspotentialapplicationsforeducation[J].SmartLearningEnvironments,2018,5(1):1.

[4]朱雅菊.区块链技术在建筑行业的应用场景展望[J].工程经济,2018,28(6):45-47.

作者:刘立慧 胡海斌 龚卫东 张睿 单位:上海隧道工程股份有限公司 上海城建信息科技有限公司 上海环境集团股份有限公司;天津城建大学