区块链技术与公共建筑能耗数据应用的融合探索

支建杰 徐雯娴

1 上海市建筑科学研究院有限公司

2上海市建筑建材业市场管理总站

0 引言

2019 年，超过23 个省市发布了上百条涉及区块链的政策信息，仅上海就已建成5 个区块链产业园区及基地，连续两年发布区块链技术与应用白皮书。白皮书从技术上指出，区块链具有安全隐私保护技术、交叉链交互技术和区域区块链扩展技术，区块链等协同创新将进一步与下一代信息技术相结合，如云计算、大数据、人工智能和物联网，以促进产业升级[1]。2019 年10 月，习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调，区块链技术的集成应用在新的技术革新和产业变革中起着重要作用，要把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口，明确主攻方向，加大投入力度，着力攻克一批关键核心技术，加快推动区块链技术和产业创新发展[2]。习近平总书记的这一论断充分阐明了区块链技术所蕴含的巨大潜力,已从信息互联网时代过渡到价值互联网时代，区块链成为技术发展的一个前沿阵地。区块链技术为公共建筑能耗数据应用发展提供可信的网络环境，可以有效地解决能耗数据交换过程中多主体协同、网络安全等问题，为实现智能管理、高效处置、智慧精准预警、预判等功能提供技术支撑，可以说，探索区块链技术与公共建筑能耗数据应用的融合意义重大。

1 区块链技术

区块链是一种基于互联网的新兴技术。区块链系统通常由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成，具有去中心化、时序数据、集体维护、可编程和安全可信等特点，可通过分布式对等网络、链式区块结构、共识机制、非对称加密和智能合约等创新性技术，实现从信息互联网向价值互联网的转变[3]。

区块链本质上是一种集体维护可靠数据的分布式账簿系统[4]，可在信息层面确保数据的真实性、公开性和安全性。

1）数据的真实性

分布式节点验证可在源头上保证数据的有效性，区块体数据库中的默克尔(Merkle)二叉树结构、加盖时间戳的链式区块结构、“51%算力攻击”的不可能性等可以确保数据的不可篡改性。

2）数据的公开性

区块链在数据库设计上允许多方参与者访问，各分布式节点享有对等的数据验证、记录和存储权利。

3）数据的安全性

区块链系统的数据安全具有双重保障：一方面，经哈希算法转化后保存的数据能有效保护系统参与者的隐私安全；另一方面，分布式记录和存储下的数据冗余备份能保证系统数据的可恢复性[5]。在安全基础上，区块链中的各方可通过智能合约预设交易条件、触发机制等交易标准，借助非对称加密技术实现交易价值的有效转移。

2 公共建筑能耗监测数据应用情况简介

在全国范围内，公共建筑分项计量系统和能耗监测平台的大规模建设以及移动网络等数据来源的补充，使得城市级公共建筑的大数据得到越来越多的研究和应用。在整个建筑节能管理体系的各个环节中，能耗数据的产生、共享及应用正和云计算、大数据、人工智能等新兴技术深度融合，意味着建筑节能将进入一个新的阶段。

上海市已建成全国领先的公共建筑能耗监测系统，信息包括建筑基本信息、用户资料、用能设备参数等静态数据及以时间为序列的用能分项动态数据。截至2019 年底，全市实现能耗数据联网的公共建筑1 780 栋，覆盖建筑面积8 236 万m2[6],运行8年来，积累了超过5万个智能终端的28亿条的数据量。基于海量的用能数据，上海市在数据质量保障及宏观、中观和微观层面进行了一系列的研究和应用：形成包括能耗在线监测、能耗统计、能源审计等多种来源的数据汇聚平台，建立基于机器学习的多元综合能耗异常数据识别与修复技术，形成《上海市国家机关办公建筑和大型公共建筑能耗监测系统数据（用电量）采集判定要求》；利用海量数据资源，经过挖掘分析，连续6年发布上海市公共建筑能耗情况报告，对外公布公共建筑全局能耗；实施互联网应用，开发满足楼宇业主及行业主管部门对公共建筑的能源管理需求的用能管理产品；基于海量数据，建立各类建筑运行能耗定额标准，指导建筑用能评价分析；发挥数据价值，推进公共建筑节能改造及节能量审核。

在公共建筑能耗数据应用的整个环节中，包括数据的采集、数据的共享和数据的应用实践，其中，应用实践主要包括对建筑用能水平评价和建筑改造节能量审核。每个环节涉及的用户主体及协同运行关系如图1所示。

图1 公共建筑能耗数据应用关键环节

3 能耗数据应用与区块链耦合性分析

公共建筑能耗数据在应用过程中，仍然存在数据准确度和可靠性不够、数据集中在少数机构手中以及透明度不够等发展“瓶颈”。区块链技术的去中心化、公开性、安全性与建筑能耗数据应用的发展方向相一致，如果区块链技术应用于公共建筑能耗数据实践，建立能耗数据应用区块链系统，将会极大地推动城市建筑节能步入新的发展阶段。

在技术层面上，分布式数据校验、记录和存储技术可有效满足公共建筑能耗在数据真实可信、开放共享和安全可靠方面的需求，该区块链主要用于定位能耗数据的数字身份，通证化数据资产，有些组织还可使用该区块链以去中心化方式发送信息。

可以从能耗数据的产生-共享-应用三个层级，在能耗数据应用区块链系统中通过交互融合、相互渗透[5]来建立耦合关系，具体来说，数据产生是能耗数据应用区块链运行的基础；数据共享是对数据产生和数据应用状况的数字映射，充分、透明的信息共享可以有效沟通数据产生和数据应用，发挥承上启下的协调作用；数据应用旨在充分获取数据、协同调度资源的基础上，达到照顾各方利益、优化市场行为、盘活节能产业链的效果。耦合关系如图2所示。

图2 基于数据产生-共享-应用的能耗数据应用与区块链耦合分析

4 应用场景设计

在分析基于数据产生、共享、应用三个维度的能耗数据区块链系统的基础上，本文致力于构建系统内一个融合区块链不同技术特点的多节点运行场景。一个具有直接利用性、稳定传输性等优势的能耗数据必将成为能耗数据商业开发和精准应用的主流形式。因此，本文选取公共建筑数据采集、数据共享、用能评价和节能量审核作为能耗数据区块链系统的关键环节来构建应用场景。

4.1 数据采集

在互联网情景下，掌握建筑能耗数据的分布式多元主体单元对等接入是能耗数据采集的基础。首先，在通过建筑智能化嵌入设备等物理系统实现数据接入的基础上，与区块链具有去中心化、开放对等特征的分布式对等网络进行互联[7]，实现由各“信息孤岛”如电力公司、设备厂商、楼宇物业等向具有分布式互联特征的能耗数据采集区块链节点转变。其次，鉴于能耗数据在传输惯性、存储特性、稳定性等方面具有随机动态性、多时间尺度性和差异性等特征[7]，为确保采集数据的安全稳定运行，需要构建一个具有审核和发放入网许可功能[8]的能耗数据入网校验系统。区块链可通过预设多节点对账规则或判定标准实现对入网能耗数据的审核，如图3所示。当分布式数据节点接入能耗数据应用区块链系统后，相关信息经区块链网络广播至全网，各节点根据已保存的智能合约接入标准(如对基本信息、设备参数、能耗数据差异率设定阈值范围等)进行分布式校验，符合相关要求的用户主体加入能耗数据应用区块链网络，不符合相关标准的则被剔除出网络。

4.2 数据共享

对于对等接入区块链并经过校验认证的数据资源可借助信息技术进行集成，建立一种集体维护的分布式共享数据库，将所有入库的数据进行目录编制，区块链上仅存储目录表信息即所对应的地址和哈希值，海量能耗数据则可加密存储在政务云。该方法有两个优势：一是确保区块链的利用率；二是确保能耗数据的安全性和使用效率[9]。

图3 能耗数据采集入网的分布式校验流程

当能耗数据需要共享时，使用者可向区块链发出请求，经授权后可通过区块链中存储的地址和哈希值在政务云端查找到密文能耗数据文件，并利用使用者公钥与所有者私钥生成的重加密密钥对加密文件进行重加密[10]。待使用者获取重加密文件后，可利用手中私钥对其进行解密，获得明文能耗数据，实现安全共享。

此外，防止能耗数据篡改是数据共享的重要前提。区块链由区块头和区块体两部分构成：区块头连接上一区块、确保区块与区块连接；区块体主要负责记录不断更新网络数据，任意区块体内的数据发生改变，该区块的摘要值及之后所有相连区块的摘要值都将发生变化，导致每个节点数据都需重新计算，又由于区块链有很多个节点构成，计算量巨大，这样的数据结构特征保证了上链的能耗数据几乎很难被篡改，而且具有可追溯性。数据共享流程如图4所示。

图4 能耗数据共享流程

4.3 数据应用

目前，能耗数据的应用，主要包括基于能耗数据的用能评价及节能改造后的节能量审核，均为各用户主体公平竞争、广泛参与、多边对接的市场化自主行为。能耗数据应用区块链系统可以融入到上述两项数据应用中。

传统能耗数据应用情境下，节能咨询单位根据业主提供的建筑能耗数据及用能设备数据，结合相关评价标准对建筑用能水平进行对标分析、潜力诊断，对于实施过节能改造的建筑，由业主委托第三方机构依据审核标准对改造后的节能量进行检测或数据验证，然而，过程中存在成本高、效率低、数据不透明及数据扯皮的问题。因此，能耗数据应用区块链系统中的智能合约技术和公开透明原则可规避市场化行为中的风险。流程如下：

1）发布用能评价或节能改造审核项目信息。建筑业主或使用人通过能耗数据应用区块链系统发布自身业务需求的智能合约(包括服务商资格、时间进度、金额限度、执行目标、终止标准等)，该智能合约可被分布式对等网络中的所有用户节点检索和查看。

2）服务商作出合作意向选择。能耗数据应用区块链系统的参与者可通过授权查阅该建筑的数据信息，根据共享的数据，综合评定在合约前提下的可行性，若对项目产生合作意向，即可依托区块链系统进行线上意向书投递。

3）去中心化项目合作。建筑业主或使用人借助能耗数据应用区块链提供的交易体系达成合作，过程中需要校验的信息如建筑用电强度、节能潜力、对标结果等数据仍然可通过区块链系统中分布式协调控制模式实现对最终结果数据的认证，系统同时会自动匹配智能合约内容判定合作进程，如达到预期目标则自动向全网发送项目合作成功公告。

5 结语

本文以公共建筑能耗数据应用发展为视角，针对区块链网络结构形态和运行方式与城市级建筑能源系统均具有协同自治运营模式的特征，首先分析了能耗数据应用与区块链技术在数据产生-共享-应用层级的耦合性，形成了能耗数据应用区块链系统的框架，在此基础上，为能耗数据应用区块链系统设计了三种场景，提出了建筑能耗大数据业务与区块链技术融合后新的运行模式和实施流程，经过实践应用，有望成为解决建筑节能发展“瓶颈”问题的重要突破口。