区块链技术在建造过程溯源中的应用

李长伟 LI Chang-wei；欧阳诗杰 OUYANG Shi-jie

（①中交二航局第六工程有限公司，郑州 450040；②湖北交投科技发展有限公司，武汉 430034）

0 引言

建筑工程建造过程中会产生数量庞杂的数据资料及各类许可、规范文件，这些文件一般我们统称为工程资料，工程资料是出现质量问题时各单位责任归属的证据及依据，不区分工程类型，从工程共性角度来看，工程资料基本上分管理资料、技术资料、测量资料、施工记录、物资资料、试验记录、过程验收记录、竣工验收记录七类。

工程施工过程资料的记录者在建造过程中一般表现为竣工验收资料中常见的“五方”，建设单位（或代建单位）、勘察单位、设计单位、监理单位、施工单位。本文旨在建立一种去中心化的工程资料管理模式，即建立一套五方共管共建，任何一方都无法干预的系统，从而实现建造过程溯源资料的高还原度，不受各方主观意图的影响。

1 建造过程溯源设计原理

总体设计思路（图1）：

第一步，梳理建造过程中所有资料的数据产生流程（简称数据流），结合数据内容构建数据块。

第二步，使用智能合约技术给每个数据块建立区块，建立映射关系，所有数据块的区块构成区块链系统。

第三步，将数据块和区块链系统存入数据仓库，为大数据系统奠定数据基础。

第四步，设计大数据检索系统，在此基础上利用数字孪生思维结合BIM 技术实现数据的可视化。

1.1 基于工作流程梳理数据流构建数据块，建立数据仓库

在建造过程溯源中最常见的便是施工过程资料数据流紊乱，数据流紊乱的根源大多是产生数据的工作流程划分模糊的产物，所以要想获取一份准确的资料中的数据流，工作流程必须划分清晰，只有在此基础上才能建立目录准确，索引高效的数据仓库。下面以隐蔽工程验收记录为例（图2）。

图2 数据流梳理、数据块构建过程（以隐蔽工程验收记录为例）

在数据块进入数据仓库前，数据来源、数据内容需要得到精准的圈定。首先要明确隐蔽工程验收记录的数据来源方数量，即施工单位，监理单位，业主代表（如有，也称建设单位代表），其次要界定各方产生的数据内容，不属于各自范畴的数据不需要也不应该出现在工作流中。例如检查验收内容涉及的砼检测资料是另一个工作流产生的数据，这里直接从另一个数据流调取即可，不需要在隐蔽工程验收记录中出现，以免引发数据混乱。

1.2 对数据块进行区块链加密，去中心化管理

当数据被填充完毕后还需要使用区块链技术对该部分数据进行加密，去中心化管理，这里我们主要使用智能合约技术对数据进行加密管理。

如图3 所示，建造过程中的资料各方的各类行为都会被记录在区块中，如果有任何一方篡改数据都会引发整个区块链变动从而被标记下来，而整个过程由程序自动完成记录，资料各方没有权限干预，从而实现资料的完整性、去中心化及由其无法篡改带来的权威性。

图3 智能合约赋予建造资料数据块区块

1.3 建立BIM 模型，将数据与模型叠加，实现数字孪生

通过Revit 等建模工具将2D 图纸转换为可视化的3D 模型，并将模型各部分与对应数据一一关联，建立符合人类识别和使用的界面，使用者在模型上通过点击即可查询对应分部分项工程的详细建造过程资料，使得整个溯源过程更为便捷高效。

2 数据框架搭建思路原理

2.1 数据仓库框架设计

数据仓库主要由数据块和区块两部分构成，数据块内容由工作流产生的数据流决定，区块由智能合约生成的哈希值附加上一区块的结尾构成（表1）。

表1 数据仓库框架

以隐蔽工程验收记录为例，数据块部分包含对应工程部分编号（唯一性，来自于分部分项工程表），分项工程名称，隐蔽部位，施工单位名称，对应施工图名称（来自于施工图表），对应施工图图号（来自于施工图表），内容序号、检查验收内容、施工单位自检记录、关联图示或视频、备注说明、施工单位检查意见、施工单位检查意见日期、项目专职质量检查员、项目技术负责人、监理单位验收意见、监理单位验收日期、监理工程师、建设单位技术负责人、对应区块ID（来自于区块链，由智能合约自动分配，跟随区块链变动）。

2.2 区块链数据加密设计

每一个区块都由块头和块身组成。块头链接到上一个区块的地址；块身包含经验证的、块创建过程中发生的交易详情或其他数据记录。区块链的数据存储通过两种方式来保证数据库的完整性和严谨性。

与上文中的隐蔽工程验收记录的数据块对应，区块中的块身包含智能合约生成ID，智能合约生成交易收据（日志、修改部分、状态值【有效、无效、废止】、施工单位数字签名、时间戳，项目专职质量检查员数字签名、时间戳、项目技术负责人数字签名、时间戳，监理单位数字签名、时间戳、监理工程师数字签名、时间戳，建设单位数字签名、时间戳，建设单位技术负责人数字签名、时间戳）。

2.3 区块与数据块建立映射关系

在数据仓库中数据块表与区块链表间通过列对应区块ID 与列区块ID（主键）建立映射关系，完成赋码（图4）。通过这一过程，区块链特性为数据仓库的数据权威性提供保证和支撑。

图4 数据块与区块建立映射

2.4 BIM 模型可视化数据框架设计

目前的建造过程溯源一般依赖于图纸及文档表格类数据，查阅及检索效率不高，因此需要建立对人友好，查询高效的可视化界面，这个界面要做到所见即所得，所得关联数据翔实。

可视化步骤的第一步在于进行建造物的数字孪生，在勘察设计单位出具的2D 图纸利用BIM 技术生成3D 模型或利用已有的3D 模型，紧接着需要在模型上的各个关键建造节点上设置锚点，锚点与数据仓库中的数据块构成唯一性关联，通过大数据检索系统可以查询该数据块的区块信息以及该区块在区块链中的完整性。

3 原理案例应用及后续功能扩展

3.1 某市新区立体天桥工作流梳理，数据整理，数据仓库建立

每个工程都有其独特的建设内容，梳理过程要根据建设内容的不同有所变化。

该项目桥梁设计采用钢结构环形连续梁，总长345.575m，共10 跨。主梁横断面宽度为4.5m～7.0m。天桥共设置八道钢结构梯道、四道自动扶梯和四处垂直电梯，其中东南角垂直电梯与8 号地铁线无障碍电梯合并设计，并预留三处连廊接口。从建设内容来看，该项目以钢结构工程为主体工程。以下主要以钢结构工程安全控制中焊接工程质量控制工作流梳理为例（表2）。

表2 数据仓库数据块实例焊接工程质量控制

焊接质量问题较多存在于手工焊缝，这些问题有：焊瘤、夹渣、气孔、没焊透、咬边、错边等。这个环节出现的建造资料如下：检查焊接原材料出厂质量证明书、检查焊工上岗证、焊接工艺试验记录等。

首先分析上述资料涉及的数据块数据流主体是施工单位、分包劳务供应商、监理单位、建设单位或建设单位代表。其次数据块内容是各类施工记录、试验材料及以文本、图像或视频留存的日志记录。

3.2 利用以太坊算法或其他区块链技术对数据块加密赋码，并建立区块与数据块的映射关系

利用预先设置好触发条件的智能合约系统，从区块链系统调出数据流各方的数字签名附加时间戳、资料操作生成的交易数据，生成唯一的哈希值，并嵌入到项目区块链中。

在数据块表中的对应区块ID 列里写入上述表生成的区块数据，将数据块与区块绑定，绑定后该列锁死无法修改（图5）。

图5 区块链数据块生成区块

3.3 BIM 模型叠加区块链加密后的数据，生成数字孪生体

建造过程中我们使用的建造资料主要是以2D 形式存在，主要是因为2D 图纸中的各类注释及标注完备便于现场施工对照，建造过程中更加追求精准性，但是这些2D资料在建造过程回溯中很难直观，且并不便于快速查询细部及精准定位，或者说人机界面缺乏友好性。所以在该项目中我们首先利用BIM 技术在2D 图纸基础上建立BIM 模型，为叠加区块链加密后的数据块提供图形锚点（图6）。

图6 数字孪生生成的3D 模型

在模型上按照设计划分的分部分项工程，在模型对应部分建立快速查询锚点。想查询对应部分只需要在模型对应部分放大即可直接查询到对应规格及相关资料。同时建立不同视图、不同注释下的模型，在视图模型下选择不同的图层模式，模型展示的建造资料内容分类更为清晰直观。

在完成建造工程的数字孪生过程后，在BIM 模型里建立的锚点上要附加超链接，将各部分锚点与数据仓库的数据块及区块建立映射联系，从而实现各部分的快速查询。

3.4 后续功能扩展

在建立上述功能的基础上考虑该项目为市政项目，为城市总体功能服务的一部分。为了便于后期接入智慧城市，实现整个城市的数字孪生，在数据仓库里预留API 接口，同时整理对应开发文档。

4 总结

确保建造过程溯源高效权威的关键在于各类数据的去中心化以及数据的可视化。在数据可视化部分，建议使用数据孪生思维，在BIM 平台上建立3D 模型，在去中心化部分，建议实现途径是利用区块链技术对数据流中的数据块进行加密。最后再通过在3D 模型中建立锚点来引入区块链加密的数据块信息，实现数据安全权威性及更为友好的可视化界面。