Hyperledger Fabric 在IPD 項目中的應用研究

蔡耀CAI Yao；蔣黎晅JIANG Li-xuan

（南京工業大學建設管理與房地產系，南京 211816）

0 引言

在各行業飛速發展的今天，建筑業仍存在著因業主、設計團隊、承包商等參與方各自專注于自己的工作而導致的成本高、進度延誤、生產效率低等問題。集成項目交付（Integrated Project Delivery，IPD）是在上個世紀90 年代末在英國的一個石油工程中取得了成功后，逐漸被人們認可和使用的新型項目交付方式。它強調團隊成員的相互信任與協作，整體性地提高項目的質量。作為一種先進的項目交付模式，團隊內部透明開放是IPD 模式成功實施的重要因素[1]，為了使各方能夠交互和共享數據，IPD 要求采用高水平的信息和通信技術（ICT），近年來BIM 技術和精益理論的興起，為IPD 的實施提供了信息處理平臺和實施工具，但項目數據的真實性和安全性還是無法保障。馬智亮[2]等通過廣泛的文獻調研，提出BIM 技術解決了IPD 面臨的數據儲存問題，而它無法完全滿足IPD 模式下參與成員之間數據共享的需求，而且相關研究中還沒有一款更先進的數據信息交流平臺應用在IPD 模式中，能讓團隊間的聯系更加緊密，并針對它的特征實現項目內部的事務。IPD需要一種新的信息技術，以保證信息真實和安全的信息共享，填補BIM 技術無法實現的IPD 特征，更好地展現它的優勢。

自從區塊鏈的概念被提出，它就被認為是一個有巨大潛力的信息處理工具，本文嘗試將區塊鏈平臺Hyperledger Fabric 應用在IPD 模式中，根據IPD 的特點設置Hyperledger Fabric 平臺的模塊，實現IPD 模式中的信息交流、交易執行等，并介紹了Hyperledger Fabric 在IPD項目中的的應用流程，以發揮出IPD的優勢，幫助建筑業更好地發展。

1 技術簡介

1.1 區塊鏈技術

區塊鏈技術起源于一個化名為中本聰的網絡極客在2008 年發表的《比特幣：一個P2P 電子收銀系統》一文[3]。目前它還沒有官方的定義，簡單來講，區塊鏈就是分布式賬本的一種，在系統中的每個參與者都擁有一份公開的、實時更新的賬本，打包一定數量賬本的數據區塊按照時間順序連接在一起，就形成了區塊鏈。

區塊鏈去中心化、數據可追溯等特點吸引了眾多學者對它進行研究，并初步將區塊鏈的發展分為三個階段：

區塊鏈1.0 階段：以比特幣為代表的數字貨幣對傳統金融產生沖擊，降低了交易成本，讓價值在互聯網中得以流通；

區塊鏈2.0 階段：基于區塊鏈的可編程金融，以數字資產和智能合約為代表，使得企業可以使用區塊鏈平臺編程自己所需要的區塊鏈程序；

區塊鏈3.0 階段：區塊鏈在社會各行各業都靈活應用，法律、健康醫療，銀行、教育、能源等方面都能享受區塊鏈帶來的便利，提高社會的運轉效率。

1.2 Hyperledger Fabric 平臺

超級賬本（Hyperledger）是由LINUX 基金會牽頭并創立的區塊鏈平臺，旨在探索區塊鏈技術在各行業的應用。Hyperledger 的核心平臺Fabric，是一個帶有節點許可管理的聯盟鏈系統。在區塊鏈2.0 時代誕生的Hyperledger Fabric 克服了1.0 時代僅依靠比特幣進行虛擬貨幣交易，數據吞吐量低等缺點，除了在特定聯盟內部真實、安全地記錄財務交易，還能利用算法實現投票決策等功能。它的各個子項目都是錨定“平臺”的，僅是一個基于區塊鏈的分布賬本平臺，并不發行數字貨幣。而且與其他的區塊鏈平臺不同，Fabric 系統只在一系列一致的、具有特定身份標志的成員之間進行交互；可插拔的模塊組件，能根據不同的場景設置需要的共識算法，靈活應用在不同的項目之中。Hyperledger Fabric 作為區塊鏈應用中的主流技術平臺，在建筑業將有著巨大的應用潛力。

2 IPD 與Hyperledger Fabric 的契合性分析

2.1 IPD 在實施過程中遇到的阻礙

①IPD 模式的相關信息技術存在不足。盡管IPD 模式很早就與BIM 協同管理項目，但BIM 技術存在互操作性問題，一系列軟件一起工作并共享信息的能力還不夠[4]，它僅是將建設項目數據數字化的基線工具，還需要新技術進一步改善數據共享的環境。AIA2012 文件對IPD 模式的特點進行了匯總，并標明了哪些特點需要使用信息技術來實現，如表1 所示[5]。

表1 IPD 的原則及其實現方式

由表1 可知，協作決策、共同制定的項目目標標準、強化設計、主要參與者之間財政透明、愿意合作和開放式溝通都需要先進的信息技術來實現。BIM 技術可以有效幫助強化設計和輔助進行決策控制，提供一個數據存儲交換數據的平臺，但是難以實現主要參與者之間的財政透明，促進合作。我們仍需要一個擁有局部開放性的財務交易和協助決策的技術平臺幫助IPD 模式實現這些原則。

②信任障礙一直困擾著建筑項目管理者，而在以協作為核心的IPD 項目中信任尤為重要。造成信任缺失的原因分為兩類，一是在利益的驅使下，各參與方首先考慮自身的收益，利益的沖突使得各方互不信任；二是沒有支撐信任形成的條件讓有信任他方的意愿的人持續保持信任，項目內部，各方的信息并不互通和透明，共享的信息存在被篡改的風險，項目外部，各方的聲譽建立困難，每次的合作都要經歷相互不信任的過程。

2.2 Hyperledger Fabric 應用在IPD 模式的優勢

Hyperledger Fabric 作為一個區塊鏈技術平臺，本身就具備區塊鏈的普遍優點，來輔助IPD 的應用：

①數據信息透明。所有參與方都能夠跟蹤項目進度和成本，無論他們身在何處都有權訪問所有數據，滿足IPD模式的要求。

②數據不可篡改、可追溯。區塊鏈的最長鏈原則和挖礦原理都保證了數據信息一旦上傳，就無法擅自修改。而時間戳（區塊數據的寫入時間）幫助人們追溯信息。IPD 模式下需要在項目竣工后進行財務評價，按權重共擔風險/收益，數據的真實性和可追溯性幫助這一工作的實現。

而Hyperledger Fabric 也有它區別于其他區塊鏈平臺的特有優勢：

③共識模式化。Hyperledger Fabric 的共識機制可以根據不同的項目自行設置，十分靈活。這使得IPD 各方能夠根據團隊和項目環境開發合適的機制。

④具有高效的可擴展性。Fabric 交易的背書節點和負責打包的節點解耦，保證系統有更好的伸縮性。IPD 項目中，每個事務的參與方成員常常是不固定的，這樣的特點有利于節點退出和新的節點加入。

⑤Hyperledger Fabric 是一個聯盟鏈系統。聯盟鏈在有限個互相已知身份的組織之間構建系統，去中心化，處理事務時需要參與者們一起協商，達成共識[6]。聯盟鏈的特點適合IPD 模式多參與方、協同決策和控制的，也有利于參與者們共同制定和驗證的目標。

表2 總結了Hyperledger Fabric 平臺的優勢與特點：

表2 Hyperledger Fabric 的優勢

3 Fabric 系統在IPD 項目中的應用

3.1 Fabric 重要節點

Fabric 內部的通信實體由節點完成，它有三種類型——客戶端、Peer 和Orderer 節點，不同的節點在系統中承擔不同的功能。

①客戶端：客戶端是與用戶直接接觸，實現對區塊鏈操作的程序節點。用戶通過客戶端界面，向系統提交事務和接收、查看賬本。

②Peer 節點：是系統網絡中的對等節點，并按功能分為兩種：背書節點（Endorser）和驗證節點（Committer）。背書節點主要負責對被客戶端發送來的提案進行校驗、模擬執行和背書；而驗證節點用于驗證背書是否符合事先設置的背書策略和更新維護區塊鏈賬本。一個Peer 節點也可同時具備兩種節點的功能，增強處理事務的能力和效率。

③Orderer 節點：對各個節點發送來的事務進行排序。由于在一個聯盟鏈網絡中，每個用戶都可能隨時隨地發送提案，當出現提案并發的情況時，Orderer 節點將按照排序策略對他們進行排序，決定事務處理時間，以有序地記錄在區塊鏈賬本中。

每個組織都有自己的客戶端、Peer 節點，無論哪個用戶使用自己的客戶端發送出事務請求，都會被廣播到所有用戶節點，Orderer 節點是獨立于用戶組織之外的公用節點，處理同一個項目網絡中的所有事務。

3.2 Fabric 系統在IPD 項目中的應用流程

IPD 模式與傳統的項目不同，它將項目分為七個階段：概念階段、標準設計階段、詳細設計階段、實施文件階段、機構審核階段、施工階段和項目交付階段[7]，各參與方幾乎參與了所有階段，從自己的專業提出建議，優化設計方案。Fabric 平臺在IPD 項目中的應用流程如圖1 所示。

3.2.1 準備工作

①成員注冊。

Fabric 系統中的每個節點代表了各參與方中的每個成員，業主方在項目的概念階段確定項目的參與方并簽訂IPD 協議。一個完整的IPD 項目團隊一般包括業主方、集成項目協調人員、設計方、咨詢方、承包商和供應商等，簽訂了IPD 協議的參與方必須秉持著相互尊重的理念，著眼于項目的整體利益。協議中規定了各方的職責和約束條件——各方利益只有在項目按計劃完成后才能按一定數字模型進行分配。在這個階段，還要在協議中明確項目使用的技術：BIM 和Hyperledger Fabric 平臺。

②設置組織關系和身份證書。

確定項目團隊之后，Fabric 客戶端將IPD 團隊成員的身份信息通過證書頒發機構（CA）獲取身份證書，用獲取的身份證書加入Fabric 作為Peer 節點，以便成員管理和績效評估。項目參與成員在Hyperledger Fabric 中除了輸入自己的基本信息：姓名、工號、聯系方式等，還要注明自己的參與方組織。在項目進行的過程中，系統將實時跟蹤記錄每個人參與的項目工作及其負責的任務，查詢者可以以參與成員為關鍵詞管理成員個人的工作，也可以項目某一任務為關鍵詞查詢負責人員，有助于責任追溯，間接減少人為的資源浪費。

3.2.2 轉代碼階段

在此階段，IPD 團隊需要將設計意圖文件化，并進行施工圖設計得出施工方法文件、施工進度文件和成本費用表。這些文件的合理性和正確性是Fabric 平臺幫助項目高效率進行的重要前提，決定了如何設置鏈碼中的共識模塊。

在項目文件確定之后，這些文件被轉換成Fabric 可識別的代碼。Fabric 平臺提供傳統的計算機語言GO 語言，方便程序員設置鏈碼。鏈碼的執行要預先設計背書策略，背書策略中設置了哪些成員需要為這個事務背書。以完成一面外墻為例，如果要在帳本中將這項工作記為“完成”，則要通過這樣的背書：

①成員P1，P2…的背書；

②事務提交者為施工方中的成員節點；

③這面墻的工作時間從X1開始，在X2時結束；

④墻體材料的材料，鋼筋型號、水泥類別、配比等都符合施工計劃；

⑤墻體位置與BIM 系統中設計的一致；

⑥通過質量檢測。

合理的排序策略有利于控制項目的進度和質量，設置排序策略的基本項為：

①事務的排序符合項目進度表；

②每個事務應包含以下信息：事務編號；提交者（即業主或非業主）的身份；背書狀態（即哪個peer 節點背書了此交易）；基于誰調用了事務[8]。

③每個區塊代表一個里程碑。

④由于在竣工后要財務評估，根據以往的研究，風險/收益分配模型分為三個部分：包括項目直接成本和項目具體管理費用的Limb1，包括公司的管理費和正常利潤的Limb2，Limb3 為項目超過目標時的紅利[4]。因此，每個階段打包記錄交易的區塊將分為三個類型，以方便日后的風險/收益分擔。

3.2.3 鏈碼運行階段

Fabric 系統的鏈碼運行主要發生在IPD 項目的機構審查階段和施工階段。

機構審查階段是相關機構檢查項目是否符合標準，給予許可證和批準的階段。BIM 技術的應用加速了此階段的流程，而加入了Fabric 后，機構不用在傳統IPD 項目的機構審查階段開始對項目信息檢查，而是在概念階段就可以在Fabric 平臺中查看實時更新的賬本信息。在其他參與方做出不符合規范的決策和設計時及時進行反饋，減少審查工作的繁復程度和設計變更，確保項目的順利進行。

在IPD 項目的施工階段中的材料采購將運行之前設置的鏈碼，需要通過的背書策略至少包括材料的類別、數量、單價、供應商身份和采購時間等，材料運送至施工現場后，資金將直接從采購方轉移至供應商名下，并在帳本中添加已采購至現場的信息，交易事務在節點之間的流程如圖2 所示。

①調用者使用客戶端發送一個提案給Peer 節點，提案中的信息包括本人特有的數字簽名和系統生成的編號，編號用于檢查是否存在重復的提案。

②Peer 節點具有背書功能的點Endorser 調用鏈碼預先模擬執行提案，并生成一個讀寫集。

③背書節點Endorser 將背書結果和這個讀寫集送回客戶端。

④客戶端將背書結果和讀寫集打包成事務，發送給Orderer 節點。

⑤Orderer 節點將接收到的事務對照項目進度表排序標號，組成特定類型的區塊發送到所有Peer 節點。

⑥Peer 節點具有驗證功能的節點Committer 根據設置的背書策略進行背書驗證、雙花校驗。通過驗證的事務和未通過驗證的事務都可記錄下來，記為有效事務和無效事務，添加進入區塊鏈賬本之中。

⑦區塊鏈賬本被發送回客戶端，客戶端可以選擇將無效的事務進行剔除，通過驗證的有效事務則被執行，資金轉移到供應商名下。

鏈碼的執行使施工過程更加嚴謹，也避免了資金拖欠的問題，采購發生的交易記錄在采購財務賬本之中。

施工過程的進度記錄除了不需要進行資金的轉移，其余的流程和交易鏈碼一致，工人每完成一項工作，提交“工作已完成”的提案請求，監理、施工方和業主的部分成員對這項天進行背書，通過后將上傳至施工進度賬本。

3.2.4 收尾階段

①調用賬本評估項目。

項目交付階段工程項目、BIM 信息模型交付給業主方，再進行項目的評估工作，這需要對記錄整個項目的三個區塊鏈賬本——設計決策賬本、采購財務賬本和施工進度賬本進行回顧，并根據IPD 協議中風險/收益分配數字模型分配收益，收益的分配同樣通過鏈碼執行。

②上傳各參與方績效。

項目的最后，將每個參與方在一個項目中的表現上傳至一條新的企業信譽賬本中，之后簽署同意使用、IPD 模式和Fabric 平臺的參與方都可以查看，在新的項目中選擇表現良好的合作方，增強信任，有利于IPD 模式的良好發展。

4 結論與展望

本文將區塊鏈平臺Hyperledger Fabric 系統應用在IPD 模式的建筑項目之中，基于它信息無法篡改、共同驗證等特點，提供了一個參與成員之間相互信任的透明環境，保證信息及時共享與記錄，實現了項目進行過程中共同決策、及時支付和實時監測施工進度。在數字化程度越來越高的今天，區塊鏈技術已經在各行各業發揮著效用。雖然區塊鏈技術在建筑行業的研究還很少，但相信未來它將給建筑業帶來不小的收益。