基于区块链技术的土建工程项目管理平台

左康达，孙知信

(南京邮电大学 现代邮政学院，江苏 南京 210003)

0 引 言

土建工程是一个相对广泛的项目，是建筑工程与土木工程的结合，在实际的土建工程项目中包括多种类型，包括房屋建设，公路建设，还有其他的一些基础设施建设[1]。近来年，中国土建工程事业飞速发展，而每个土建工程项目都是一个浩大的工程，其流程复杂繁琐。在每个土建项目的规划、建设和实施的部分中，任何一个流程的小错误都会造成严重后果且土建工程行业在巨大的体量下存在着大量黑箱流程[2]。土建工程项目事故频发，究其原因大多是工地在材料的进场验收和使用管理上没严格把关以及相关负责人员的渎职。细细分析相关工程事故，建筑材料的质量参差不齐、偷工减料、以次充好、造假数据、权钱交易获得工程承包权等暗箱操作事件屡现不止[3]。

传统的土建工程管理方式主要是人工管理，可随着土建工程的发展，人工管理的方式显现出许多问题，首先，人工管理难以保证土建工程管理工作的及时性和准确性；其次，人工管理的成本比较大，直接影响到土建工程的经济效益[4]；三是人工管理方式人为可操作空间大，容易篡改合约与数据，进行黑箱操作，滋生腐败。因此每个土建工程项目都急需一个可信的专门的监督或管理体系[5]。

中国的大多数土建工程项目是由国有企业持有的。在实际的投资建设过程中，大部分是由国有企业和有关政府部门管理和控制的[1]。无论规模和复杂性如何，土建工程项目主要是公司间的协作任务。土建工程是一个拥有大量数据和高度信任需求的领域，它通常需要多个参与单位和部门的协调与合作。相互交流应建立在高度信任的基础上，工作过程也需要对大量资源进行监督和控制[6]，其签订的合约与相关数据信息也需确保不可篡改，真实有效并全程可追溯，区块链技术具有的去中心化、去信任、信息透明、数据不可篡改可溯源等特性及应用场景特征与土建工程领域当前需求高度契合。利用区块链技术让工程项目从立项到竣工的每个环节各方参与者都严格监督，保存相关真实数据并无法篡改，则每个环节的参与者各司其职，严格按照工程要求进行，若出现工程事故，可第一时间找到相关原因及负责人。则必定可以提高工程项目的安全性，降低工程事故的发生率。

区块链联盟链现在大多以PBFT拜占庭容错算法作为它的共识机制。但它的可扩展性也相对较低，通信复杂度太高。通常，系统中的节点数接近100时，性能下降非常快的弊端让其实用性降低，解决这些弊端对于联盟链的发展尤为重要。文中提出的基于区块链技术的土建工程项目管理平台CEPM-Chain将采用节点角色分工、信誉度机制、随机话语权增加等方法来减少上述弊端。

1 相关技术

1.1 区块链概述

区块链是分布式数据存储，共识机制，对等传输，加密算法和其他计算机技术的一种新的应用模型。区块链是结合了加密技术的分布式账本的应用。经过30多年的发展，由于智能合约的出现和发展，其应用也得到了极大的扩展，智能合约已从普通分类账转变为具有自动化功能的分类账本[7]。广义区块链技术是一种新的分散基础设施和分布式计算范例，它应用密码块结构来存储并且验证数据，更新以及生成数据使用分布式节点一致性算法来完成，使用智能合约来编程和处理数据。

区块链的特征有开放性、去中心化、独立性、匿名性、安全性、开放性，区块链技术基于开源。除了加密交易双方的私人信息外，区块链的数据还向所有人开放，整个系统的信息高度透明。去中心化，区块链中每个节点都实现了信息的自我传输、验证以及管理，没有中央控制。独立性，根据共识规范和协议，整个区块链系统不依赖第三方。所有节点无需其他人工干预便可以自动安全地验证和交换系统内的数据。匿名性，除非法律法规要求，否则不必公开或验证每个块节点的身份，可以匿名传输信息。安全性，在控制所有数据节点的51%之前，无法操纵和修改网络数据，可避免主观和人为数据更改，使得区块链本身相对安全[8]。

2019年1月10日，国家互联网信息办公室发布《区块链信息服务管理规定》[9]。2019年10月24日，习近平总书记在中央政治局第十八次集体学习时强调，“把区块链作为核心技术自主创新的重要突破口[10]”。区块链已经进入公众视野，成为社会关注的焦点。

1.2 联盟链与共识机制

区块链可以分为公有链、联盟链、私有链，这取决于它们的安全级别和访问/成员限制。对比如表1。联盟链，仅针对特定的成员组并限于第三方，该节点内部指定了多个节点作为记账节点，用于决定每个块的生成，其他节点有权限参与交易，但不参与记账[11]。

表1 区块链类型对比

“共识机制”是通过共识节点的表决，在短时间内完成交易的验证以及确认；如果许多不相关的节点可以达成交易协议，便可假设整个网络也可达成协议[12]。常见的共识机制包括：POW(工作量证明机制)、POS(权益证明机制)、POW+POS(混合共识机制)、DPOS(股份授权证明)、PBFT(拜占庭容错算法)。联盟链主要采用的是PBFT算法，但现有实用拜占庭容错算法 (PBFT) 在联盟链应用场景下存在扩展性差、通信开销大、效率低等问题。

1.3 数字签名与智能合约

(1)数字签名。

哈希函数，区块链的链结构以及共识机制可以确保不会篡改写入区块链总账的数据，而基于非对称加密技术的数字签名可避免假账等的发生。解决信任问题的最简单方法是在每个条目上附加一个无法冒充的签名。通过签名，任何人都可以确认谁是账户的发起人，从而通过历史数据来验证账户的合法性，若验证未通过，则不会记录在账户中[13]。

椭圆曲线算法和RSA等典型的非对称加密是一项极为重要和有效的安全技术，区块链使用该技术来实现数字签名。非对称加密方法用于生成一对公钥和私钥：公钥暴露给整个区块链以进行笔迹验证。私钥由用户持有，用户可以使用私钥在他希望记录到区块链的账户上签名[14]。

(2)智能合约。

智能合约是Szabo于1994年首次提出的。它的概念是：在计算机系统中，当执行某些交易时，可以触发相应的代码以自动执行，并可以生成相应的输出合约。但是，由于难以确保智能合约的代码不被篡改，因此其实际应用受到很大限制。随着区块链技术的发展，利用区块链的数据不可篡改的特点，区块链上的智能合约越来越受到关注[15]。智能合约允许在不需要强制执行机制、可信任的第三方或法律系统的情况下，在未知方之间进行可信任的协议和交易。这种反差使得交易变得透明、可追踪和不可逆转。它们使得以无冲突和明确的方式交换资产、货币、财产或任何其他价值成为可能，而不会招致第三方的费用，第三方由可自动执行的合同代码代替。

当满足智能合约的条件时，合约将自动执行相应的代码[16]。例如，执行转账功能的智能合约首先确定是否满足其激活条件：如果满足，则进一步验证相应交易是否可执行，包括交易是否被篡改，支出账户金额是否为零、足够等等。验证后，合同自动执行相应的交易。

2 CEPM-Chain设计

文中提出的基于区块链技术的土建工程项目管理平台CEPM-Chain是一种基于区块链技术的土建工程项目流程管理及合约记录系统，利用区块链技术的去中心化、去信任、信息透明、数据不可篡改可溯源等特性来降低因偷工减料、以次充好、造假数据、材料的验收和管理上未严格把关等原因造成的工程事故的发生率。该平台提供一个基于联盟链的分布式账本，来保存与土建工程项目相关的合约文件、数据信息、数字签名等，最大限度地进行多方监督与管控，减少容易被伪造和共谋的手动流程，并自动创建记录和将数字签名输入区块链。该平台可提高土建工程行业项目管理的流程效率，消除该行业目前存在的信任、透明度和核查问题，从而更好地规范土建工程市场。且该平台将采用节点角色分工、信誉度机制、随机话语权增加等方法减少区块链联盟链采用的PBFT拜占庭容错算法具有的可扩展性低、通信复杂度高的缺点，从而提高系统的效率和性能。

2.1 系统架构设计

基于区块链技术的土建工程项目管理平台CEPM-Chain的参与者将包括认证机构、建筑材料供应链中的各方、土木工程顾问和承包商、现场工程师、测量员、政府部门以及公众。分布式账本维护人员将积极尝试向区块链添加新的区块。当新的数据块成功添加到区块链时，将生成令牌，并且需要将数字签名(交易)添加到区块链系统中。

CEPM-Chain 平台架构如图1所示。

图1 平台参与者(角色)构成

CEPM-Chain平台架构分五层，见图2，自上向下分别是：

图2 CEPM-Chain架构

(1)应用层：CEPM-Chain平台的用户(包括认证机构、建筑材料供应链中的各方、土木工程顾问和承包商、现场工程师、测量员、政府部门以及公众)通过应用层的 API 向 CEPM-Chain平台添加信息或读取信息。

(2) 智能合约层：该层包含三个模块，分别是以太坊虚拟机 EVM、脚本代码模块以及土建工程项目相关合约模块。以太坊虚拟机是以太坊运行智能合约的基础。其余两个模块可以将用户的信息以及他们在以太坊中产生的交易(例如，供货商添加原材料信息)都记录在区块链中。

(3)共识层：共识层基于PBFT算法为共识机制进行了优化设计，将在2.2节详细介绍。包括三个模块，分别为身份认证模块、添加信息模块以及读取信息模块。

(4)网络层：该层包含三个模块，分别是 P2P 网络、传播机制、验证机制模块。CEPM-Chain平台是多类用户共同参与，并且在供应链中地位平等，因此 P2P 网络是 CEPM-Chain平台的核心。

(5)数据层：数据层的数据区块存储基础数据，hash函数、链式结构、默克尔树，可很好地保证数据的不可篡改性；基于非对称加密技术的数字签名可以避免假账以及冒充记账等情形的发生。

2.2 共识层优化设计

(1)所述系统是一条由一些工商部门注册在内的土建工程公司和监管部门共同维护并开放给所有土建工程项目参与者使用的联盟链。本系统对系统内的节点进行分工，可减轻PBFT算法由于复杂度太高而导致的网络中节点个数多而无法实用的弊端。

将联盟链中节点分为区块认证共识节点(也充当信息整合从节点)、普通用户节点、信息整合主节点、信息整合备份主节点四种类型。如图3，节点s1、s2、s3和s4代表本系统内区块认证共识节点，节点nl、n2、n3、n4、n5、n6和n7为普通用户节点。

图3 节点分类

a.区块认证共识节点。

区块认证共识节点是获得本联盟链授权的联盟参与者，该类节点之间构成全分布式结构，参与共识，认证区块的生成。同时区块认证共识节点也充当信息整合从节点。该节点将与普通用户节点间的交易信息及合约信息存储在本地磁盘上。

b.普通用户节点。

普通用户节点和所连接的区块认证共识节点及信息整合主节点间形成客户端/服务器/服务器结构。普通用户节点作为客户端主要有两种功能，一是向其连接的区块认证共识节点发送资源查询请求，如果该区块认证共识节点没有发现所需资源，则向信息整合主节点转发请求，信息整合主节点找到相关信息的文件块和从节点间的映射关系，从有该信息的从节点中调取具体文件块信息转发给该区块认证共识节点继而将信息传给该普通用户节点。二是与其他节点之间交易签订合约。

c.信息整合主节点。

信息整合主节点存储每个区块认证共识节点的所有信息的元数据，如合约文件名、合约文件目录结构、交易信息成时间、交易双方签署人、文件块和从节点间的映射关系等。

d.信息整合备份主节点。

信息整合备份主节点是为了消除信息整合主节点失效对系统可用性带来的影响，使得在信息整合主节点失效时替代它。

(2)通过对共识节点采用信誉度机制进行话语权区分、随机部分节点话语权增加、剔除恶意节点等方法提高共识系统的稳定性。

a.该系统内共识节点的数量与普通用户节点数量之间形成一定比例(例如：1∶50)，共识节点数量随着普通用户节点数量的增加而增加，共识节点数量的增减属于系统级别事务，普通用户节点发起更改变为共识节点的请求，需得到系统内超过2/3共识节点验证通过才可以成功。

b.对所有共识节点构建信誉积分制度，信誉度越高共识时话语权越大，系统初始时所有共识节点有相同的投分权利，一定时间内信誉度不合格的共识节点将取消其共识的授权；每次共识时将随机对少部分共识节点进行暂时话语权增加，可以防止系统内出现较多信誉度较高节点恶意破坏系统。当某段时间内部分共识节点积分过低，可取消其充当为共识节点的授权。

3 仿真实验

文中基于区块链开源框架 Hyperledger Fabric 搭建了底层区块链网络，使用 Fabric SDK 编写应用交互层客户端，实验环境配置为:Docker 17．09．0-ce，HyperledgerFabric v1．1，程序运行环境为i7八代处理器，16 GB内存，Window10操作系统，Java运行环境JRE(Java runtime environment)。

使用以太坊节点仿真器 Ganache，模拟一个由 12 个节点组成的以太坊网络。假设12个节点参与交易并竞争记账，每个节点都有投票权且可投10票，用随机函数模拟节点投票，选出3个节点作为代理节点。图4为以太坊网络示意图。

图4 以太坊网络示意图

表2为以太坊节点仿真器生成的 12 个节点。

表2 生成节点

某次交易花费的时间主要取决于选取代理节点的用时，即“共识的时间”。40次共识程序用时如图5所示，最短用时0.93 s，最长用时1.05 s，有效提高了交易效率，使其在具体交易中有实用价值。

图5 40次共识程序运行次数统计

4 结束语

针对当前土建工程项目管理的痛点，文中提出了一种基于联盟区块链的土建工程项目管理平台CEPM-Chain，探索了智能合约应用以及将该技术与土建工程信息建模和信息管理相结合的可行性。笔者认为区块链技术可以提高土建工程行业项目管理的流程效率，并消除该行业目前存在的信任、透明度和核查问题；同时采用节点角色分工、信誉度机制、随机话语权增加等方法解决区块链联盟链采用PBFT算法为共识机制的通信复杂度过高，可拓展性较低的弊端。该系统虽然在理论上具有一定的研究价值和优势，但要应用于现实场景之中，还存在诸多不足，需要进一步完善。