區(qū)塊鏈技術(shù)與公共建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用的融合探索

支建杰 徐雯嫻

1 上海市建筑科學(xué)研究院有限公司

2上海市建筑建材業(yè)市場管理總站

0 引言

2019 年，超過23 個省市發(fā)布了上百條涉及區(qū)塊鏈的政策信息，僅上海就已建成5 個區(qū)塊鏈產(chǎn)業(yè)園區(qū)及基地，連續(xù)兩年發(fā)布區(qū)塊鏈技術(shù)與應(yīng)用白皮書。白皮書從技術(shù)上指出，區(qū)塊鏈具有安全隱私保護(hù)技術(shù)、交叉鏈交互技術(shù)和區(qū)域區(qū)塊鏈擴(kuò)展技術(shù)，區(qū)塊鏈等協(xié)同創(chuàng)新將進(jìn)一步與下一代信息技術(shù)相結(jié)合，如云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能和物聯(lián)網(wǎng)，以促進(jìn)產(chǎn)業(yè)升級[1]。2019 年10 月，習(xí)近平總書記在中央政治局第十八次集體學(xué)習(xí)時強(qiáng)調(diào)，區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應(yīng)用在新的技術(shù)革新和產(chǎn)業(yè)變革中起著重要作用，要把區(qū)塊鏈作為核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，明確主攻方向，加大投入力度，著力攻克一批關(guān)鍵核心技術(shù)，加快推動區(qū)塊鏈技術(shù)和產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展[2]。習(xí)近平總書記的這一論斷充分闡明了區(qū)塊鏈技術(shù)所蘊(yùn)含的巨大潛力,已從信息互聯(lián)網(wǎng)時代過渡到價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)時代，區(qū)塊鏈成為技術(shù)發(fā)展的一個前沿陣地。區(qū)塊鏈技術(shù)為公共建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展提供可信的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可以有效地解決能耗數(shù)據(jù)交換過程中多主體協(xié)同、網(wǎng)絡(luò)安全等問題，為實(shí)現(xiàn)智能管理、高效處置、智慧精準(zhǔn)預(yù)警、預(yù)判等功能提供技術(shù)支撐，可以說，探索區(qū)塊鏈技術(shù)與公共建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用的融合意義重大。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N基于互聯(lián)網(wǎng)的新興技術(shù)。區(qū)塊鏈系統(tǒng)通常由數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識層、激勵層、合約層和應(yīng)用層組成，具有去中心化、時序數(shù)據(jù)、集體維護(hù)、可編程和安全可信等特點(diǎn)，可通過分布式對等網(wǎng)絡(luò)、鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)、共識機(jī)制、非對稱加密和智能合約等創(chuàng)新性技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從信息互聯(lián)網(wǎng)向價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)的轉(zhuǎn)變[3]。

區(qū)塊鏈本質(zhì)上是一種集體維護(hù)可靠數(shù)據(jù)的分布式賬簿系統(tǒng)[4]，可在信息層面確保數(shù)據(jù)的真實(shí)性、公開性和安全性。

1）數(shù)據(jù)的真實(shí)性

分布式節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證可在源頭上保證數(shù)據(jù)的有效性，區(qū)塊體數(shù)據(jù)庫中的默克爾(Merkle)二叉樹結(jié)構(gòu)、加蓋時間戳的鏈?zhǔn)絽^(qū)塊結(jié)構(gòu)、“51%算力攻擊”的不可能性等可以確保數(shù)據(jù)的不可篡改性。

2）數(shù)據(jù)的公開性

區(qū)塊鏈在數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)上允許多方參與者訪問，各分布式節(jié)點(diǎn)享有對等的數(shù)據(jù)驗(yàn)證、記錄和存儲權(quán)利。

3）數(shù)據(jù)的安全性

區(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全具有雙重保障：一方面，經(jīng)哈希算法轉(zhuǎn)化后保存的數(shù)據(jù)能有效保護(hù)系統(tǒng)參與者的隱私安全；另一方面，分布式記錄和存儲下的數(shù)據(jù)冗余備份能保證系統(tǒng)數(shù)據(jù)的可恢復(fù)性[5]。在安全基礎(chǔ)上，區(qū)塊鏈中的各方可通過智能合約預(yù)設(shè)交易條件、觸發(fā)機(jī)制等交易標(biāo)準(zhǔn)，借助非對稱加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)交易價(jià)值的有效轉(zhuǎn)移。

2 公共建筑能耗監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)用情況簡介

在全國范圍內(nèi)，公共建筑分項(xiàng)計(jì)量系統(tǒng)和能耗監(jiān)測平臺的大規(guī)模建設(shè)以及移動網(wǎng)絡(luò)等數(shù)據(jù)來源的補(bǔ)充，使得城市級公共建筑的大數(shù)據(jù)得到越來越多的研究和應(yīng)用。在整個建筑節(jié)能管理體系的各個環(huán)節(jié)中，能耗數(shù)據(jù)的產(chǎn)生、共享及應(yīng)用正和云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新興技術(shù)深度融合，意味著建筑節(jié)能將進(jìn)入一個新的階段。

上海市已建成全國領(lǐng)先的公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)，信息包括建筑基本信息、用戶資料、用能設(shè)備參數(shù)等靜態(tài)數(shù)據(jù)及以時間為序列的用能分項(xiàng)動態(tài)數(shù)據(jù)。截至2019 年底，全市實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)聯(lián)網(wǎng)的公共建筑1 780 棟，覆蓋建筑面積8 236 萬m2[6],運(yùn)行8年來，積累了超過5萬個智能終端的28億條的數(shù)據(jù)量。基于海量的用能數(shù)據(jù)，上海市在數(shù)據(jù)質(zhì)量保障及宏觀、中觀和微觀層面進(jìn)行了一系列的研究和應(yīng)用：形成包括能耗在線監(jiān)測、能耗統(tǒng)計(jì)、能源審計(jì)等多種來源的數(shù)據(jù)匯聚平臺，建立基于機(jī)器學(xué)習(xí)的多元綜合能耗異常數(shù)據(jù)識別與修復(fù)技術(shù)，形成《上海市國家機(jī)關(guān)辦公建筑和大型公共建筑能耗監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)（用電量）采集判定要求》；利用海量數(shù)據(jù)資源，經(jīng)過挖掘分析，連續(xù)6年發(fā)布上海市公共建筑能耗情況報(bào)告，對外公布公共建筑全局能耗；實(shí)施互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，開發(fā)滿足樓宇業(yè)主及行業(yè)主管部門對公共建筑的能源管理需求的用能管理產(chǎn)品；基于海量數(shù)據(jù)，建立各類建筑運(yùn)行能耗定額標(biāo)準(zhǔn)，指導(dǎo)建筑用能評價(jià)分析；發(fā)揮數(shù)據(jù)價(jià)值，推進(jìn)公共建筑節(jié)能改造及節(jié)能量審核。

在公共建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用的整個環(huán)節(jié)中，包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的共享和數(shù)據(jù)的應(yīng)用實(shí)踐，其中，應(yīng)用實(shí)踐主要包括對建筑用能水平評價(jià)和建筑改造節(jié)能量審核。每個環(huán)節(jié)涉及的用戶主體及協(xié)同運(yùn)行關(guān)系如圖1所示。

圖1 公共建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié)

3 能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用與區(qū)塊鏈耦合性分析

公共建筑能耗數(shù)據(jù)在應(yīng)用過程中，仍然存在數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和可靠性不夠、數(shù)據(jù)集中在少數(shù)機(jī)構(gòu)手中以及透明度不夠等發(fā)展“瓶頸”。區(qū)塊鏈技術(shù)的去中心化、公開性、安全性與建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用的發(fā)展方向相一致，如果區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于公共建筑能耗數(shù)據(jù)實(shí)踐，建立能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)，將會極大地推動城市建筑節(jié)能步入新的發(fā)展階段。

在技術(shù)層面上，分布式數(shù)據(jù)校驗(yàn)、記錄和存儲技術(shù)可有效滿足公共建筑能耗在數(shù)據(jù)真實(shí)可信、開放共享和安全可靠方面的需求，該區(qū)塊鏈主要用于定位能耗數(shù)據(jù)的數(shù)字身份，通證化數(shù)據(jù)資產(chǎn)，有些組織還可使用該區(qū)塊鏈以去中心化方式發(fā)送信息。

可以從能耗數(shù)據(jù)的產(chǎn)生-共享-應(yīng)用三個層級，在能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)中通過交互融合、相互滲透[5]來建立耦合關(guān)系，具體來說，數(shù)據(jù)產(chǎn)生是能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈運(yùn)行的基礎(chǔ)；數(shù)據(jù)共享是對數(shù)據(jù)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)應(yīng)用狀況的數(shù)字映射，充分、透明的信息共享可以有效溝通數(shù)據(jù)產(chǎn)生和數(shù)據(jù)應(yīng)用，發(fā)揮承上啟下的協(xié)調(diào)作用；數(shù)據(jù)應(yīng)用旨在充分獲取數(shù)據(jù)、協(xié)同調(diào)度資源的基礎(chǔ)上，達(dá)到照顧各方利益、優(yōu)化市場行為、盤活節(jié)能產(chǎn)業(yè)鏈的效果。耦合關(guān)系如圖2所示。

圖2 基于數(shù)據(jù)產(chǎn)生-共享-應(yīng)用的能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用與區(qū)塊鏈耦合分析

4 應(yīng)用場景設(shè)計(jì)

在分析基于數(shù)據(jù)產(chǎn)生、共享、應(yīng)用三個維度的能耗數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，本文致力于構(gòu)建系統(tǒng)內(nèi)一個融合區(qū)塊鏈不同技術(shù)特點(diǎn)的多節(jié)點(diǎn)運(yùn)行場景。一個具有直接利用性、穩(wěn)定傳輸性等優(yōu)勢的能耗數(shù)據(jù)必將成為能耗數(shù)據(jù)商業(yè)開發(fā)和精準(zhǔn)應(yīng)用的主流形式。因此，本文選取公共建筑數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)共享、用能評價(jià)和節(jié)能量審核作為能耗數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈系統(tǒng)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)來構(gòu)建應(yīng)用場景。

4.1 數(shù)據(jù)采集

在互聯(lián)網(wǎng)情景下，掌握建筑能耗數(shù)據(jù)的分布式多元主體單元對等接入是能耗數(shù)據(jù)采集的基礎(chǔ)。首先，在通過建筑智能化嵌入設(shè)備等物理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接入的基礎(chǔ)上，與區(qū)塊鏈具有去中心化、開放對等特征的分布式對等網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行互聯(lián)[7]，實(shí)現(xiàn)由各“信息孤島”如電力公司、設(shè)備廠商、樓宇物業(yè)等向具有分布式互聯(lián)特征的能耗數(shù)據(jù)采集區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)變。其次，鑒于能耗數(shù)據(jù)在傳輸慣性、存儲特性、穩(wěn)定性等方面具有隨機(jī)動態(tài)性、多時間尺度性和差異性等特征[7]，為確保采集數(shù)據(jù)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要構(gòu)建一個具有審核和發(fā)放入網(wǎng)許可功能[8]的能耗數(shù)據(jù)入網(wǎng)校驗(yàn)系統(tǒng)。區(qū)塊鏈可通過預(yù)設(shè)多節(jié)點(diǎn)對賬規(guī)則或判定標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)對入網(wǎng)能耗數(shù)據(jù)的審核，如圖3所示。當(dāng)分布式數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)接入能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)后，相關(guān)信息經(jīng)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)廣播至全網(wǎng)，各節(jié)點(diǎn)根據(jù)已保存的智能合約接入標(biāo)準(zhǔn)(如對基本信息、設(shè)備參數(shù)、能耗數(shù)據(jù)差異率設(shè)定閾值范圍等)進(jìn)行分布式校驗(yàn)，符合相關(guān)要求的用戶主體加入能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，不符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的則被剔除出網(wǎng)絡(luò)。

4.2 數(shù)據(jù)共享

對于對等接入?yún)^(qū)塊鏈并經(jīng)過校驗(yàn)認(rèn)證的數(shù)據(jù)資源可借助信息技術(shù)進(jìn)行集成，建立一種集體維護(hù)的分布式共享數(shù)據(jù)庫，將所有入庫的數(shù)據(jù)進(jìn)行目錄編制，區(qū)塊鏈上僅存儲目錄表信息即所對應(yīng)的地址和哈希值，海量能耗數(shù)據(jù)則可加密存儲在政務(wù)云。該方法有兩個優(yōu)勢：一是確保區(qū)塊鏈的利用率；二是確保能耗數(shù)據(jù)的安全性和使用效率[9]。

圖3 能耗數(shù)據(jù)采集入網(wǎng)的分布式校驗(yàn)流程

當(dāng)能耗數(shù)據(jù)需要共享時，使用者可向區(qū)塊鏈發(fā)出請求，經(jīng)授權(quán)后可通過區(qū)塊鏈中存儲的地址和哈希值在政務(wù)云端查找到密文能耗數(shù)據(jù)文件，并利用使用者公鑰與所有者私鑰生成的重加密密鑰對加密文件進(jìn)行重加密[10]。待使用者獲取重加密文件后，可利用手中私鑰對其進(jìn)行解密，獲得明文能耗數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)安全共享。

此外，防止能耗數(shù)據(jù)篡改是數(shù)據(jù)共享的重要前提。區(qū)塊鏈由區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分構(gòu)成：區(qū)塊頭連接上一區(qū)塊、確保區(qū)塊與區(qū)塊連接；區(qū)塊體主要負(fù)責(zé)記錄不斷更新網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，任意區(qū)塊體內(nèi)的數(shù)據(jù)發(fā)生改變，該區(qū)塊的摘要值及之后所有相連區(qū)塊的摘要值都將發(fā)生變化，導(dǎo)致每個節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)都需重新計(jì)算，又由于區(qū)塊鏈有很多個節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，計(jì)算量巨大，這樣的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)特征保證了上鏈的能耗數(shù)據(jù)幾乎很難被篡改，而且具有可追溯性。數(shù)據(jù)共享流程如圖4所示。

圖4 能耗數(shù)據(jù)共享流程

4.3 數(shù)據(jù)應(yīng)用

目前，能耗數(shù)據(jù)的應(yīng)用，主要包括基于能耗數(shù)據(jù)的用能評價(jià)及節(jié)能改造后的節(jié)能量審核，均為各用戶主體公平競爭、廣泛參與、多邊對接的市場化自主行為。能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)可以融入到上述兩項(xiàng)數(shù)據(jù)應(yīng)用中。

傳統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用情境下，節(jié)能咨詢單位根據(jù)業(yè)主提供的建筑能耗數(shù)據(jù)及用能設(shè)備數(shù)據(jù)，結(jié)合相關(guān)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對建筑用能水平進(jìn)行對標(biāo)分析、潛力診斷，對于實(shí)施過節(jié)能改造的建筑，由業(yè)主委托第三方機(jī)構(gòu)依據(jù)審核標(biāo)準(zhǔn)對改造后的節(jié)能量進(jìn)行檢測或數(shù)據(jù)驗(yàn)證，然而，過程中存在成本高、效率低、數(shù)據(jù)不透明及數(shù)據(jù)扯皮的問題。因此，能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的智能合約技術(shù)和公開透明原則可規(guī)避市場化行為中的風(fēng)險(xiǎn)。流程如下：

1）發(fā)布用能評價(jià)或節(jié)能改造審核項(xiàng)目信息。建筑業(yè)主或使用人通過能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)布自身業(yè)務(wù)需求的智能合約(包括服務(wù)商資格、時間進(jìn)度、金額限度、執(zhí)行目標(biāo)、終止標(biāo)準(zhǔn)等)，該智能合約可被分布式對等網(wǎng)絡(luò)中的所有用戶節(jié)點(diǎn)檢索和查看。

2）服務(wù)商作出合作意向選擇。能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)的參與者可通過授權(quán)查閱該建筑的數(shù)據(jù)信息，根據(jù)共享的數(shù)據(jù)，綜合評定在合約前提下的可行性，若對項(xiàng)目產(chǎn)生合作意向，即可依托區(qū)塊鏈系統(tǒng)進(jìn)行線上意向書投遞。

3）去中心化項(xiàng)目合作。建筑業(yè)主或使用人借助能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈提供的交易體系達(dá)成合作，過程中需要校驗(yàn)的信息如建筑用電強(qiáng)度、節(jié)能潛力、對標(biāo)結(jié)果等數(shù)據(jù)仍然可通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)中分布式協(xié)調(diào)控制模式實(shí)現(xiàn)對最終結(jié)果數(shù)據(jù)的認(rèn)證，系統(tǒng)同時會自動匹配智能合約內(nèi)容判定合作進(jìn)程，如達(dá)到預(yù)期目標(biāo)則自動向全網(wǎng)發(fā)送項(xiàng)目合作成功公告。

5 結(jié)語

本文以公共建筑能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用發(fā)展為視角，針對區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形態(tài)和運(yùn)行方式與城市級建筑能源系統(tǒng)均具有協(xié)同自治運(yùn)營模式的特征，首先分析了能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用與區(qū)塊鏈技術(shù)在數(shù)據(jù)產(chǎn)生-共享-應(yīng)用層級的耦合性，形成了能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)的框架，在此基礎(chǔ)上，為能耗數(shù)據(jù)應(yīng)用區(qū)塊鏈系統(tǒng)設(shè)計(jì)了三種場景，提出了建筑能耗大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)與區(qū)塊鏈技術(shù)融合后新的運(yùn)行模式和實(shí)施流程，經(jīng)過實(shí)踐應(yīng)用，有望成為解決建筑節(jié)能發(fā)展“瓶頸”問題的重要突破口。