區塊鏈技術在紡織服裝產品碳足跡追溯與核算中的應用

張佳藝, 周立亞,b, 吳雄英,2, 丁雪梅,b

(1.東華大學 a.服裝與藝術設計學院; b.現代服裝設計與技術教育部重點實驗室,上海 200051; 2.上海海關,上海 200135)

隨著國內外碳排放政策的收緊,紡織服裝行業作為碳排放的重要行業之一,低碳轉型與減排進度備受關注。許多紡織服裝品牌或企業發布了減排或碳中和計劃,通過碳足跡的管理手段開展低碳可持續發展行動。紡織服裝產品碳足跡核算與評價方法、應用示范的相關研究已逐漸趨于成熟和完善[1]。鑒于紡織服裝產業的生產鏈長、物料種類繁雜、工藝多變等特點,目前對于碳足跡核算與評價中清單數據難以追溯來源、核算過程不透明、核算結果可追溯性的缺失未給予足夠的關注,導致了核算成本高、核算過程的科學性和規范性缺乏監督及核算結果利用效率低等問題。

技術上,區塊鏈具有去中心化、可追溯、不可篡改、公開透明等特性,可以克服傳統追溯方法可信度低、防偽功能單一的局限,適用于為紡織服裝碳足跡核算與評價引入追溯性。本文擬基于區塊鏈建立一個數據來源清晰、過程透明可查、核算結果高效共享,同時保護企業隱私的紡織服裝產品碳足跡追溯方案。

1 紡織服裝產品碳足跡數據追溯相關研究與應用現狀

目前以紡織服裝產品碳足跡追溯為主要內容的研究較少,有研究認為產品的環保特征信息可以包含在紡織服裝產品信息中[2],因此本文將從紡織服裝產品信息追溯入手,分析追溯情景、追溯流程,并梳理現有的追溯技術。紡織服裝產品信息追溯可以讓品牌商通過對產品信息的動態追溯掌控生產流程,追責和召回有質量問題的服裝產品,也可以向消費者或質檢部門提供服裝的材質含量、生產工藝、環保特征等信息,減少紡織服裝產品的假冒偽劣問題。紡織服裝產品主流追溯方式主要有三種,分別是二維碼、射頻標識設備(Radio frequency identification,RFID)和近場通信(Near field communication,NFC)。

隨著氣候形勢的日益嚴峻,消費者與監管機構都更加關注供應鏈可持續性[3]。在紡織服裝領域的產品碳足跡數據追溯研究與應用中,Garcia等[4]以服裝行業為例,提出在全球供應鏈中實施追溯以實現可持續目標的構想;Carrieres等[5]通過區塊鏈追溯平臺獲得碳足跡活動數據,衡量采用區塊鏈追溯技術采集數據的實際價值;TrusTrace[6]基于區塊鏈建立了產品可追溯性數字平臺,將數據收集、驗證和分配相關可持續性標簽的整個過程自動化;唯鏈(VeChain)[7]針對碳排放源頭數據到存儲容易造假和篡改、缺乏有效監管的問題,推出區塊鏈碳足跡追溯平臺可快速實現碳足跡精準追溯。

紡織服裝產品碳足跡追溯重點在于數據和相關信息采集的真實性和完整性,以及核算數據、過程和結果的控制權限訪問與高效共享。基于對現有文獻的梳理,雖然已有少數使用區塊鏈技術對紡織服裝產品碳足跡進行追溯的研究和應用,實現了數據可信可追溯,但未詳細說明追溯方法和進一步實現核算過程的透明化。紡織服裝產品碳足跡核算與評價還有待與區塊鏈追溯深度結合,進一步探究“如何追溯”和“追溯的實際價值”。有必要通過梳理區塊鏈技術的特性與應用現狀,分析區塊鏈應用于紡織服裝產品碳足跡追溯的優勢與挑戰;結合紡織服裝產品碳足跡核算與評價流程,建立基于區塊鏈技術的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統,并使用產品實際數據驗證追溯過程及追溯的價值。最后,為克服清單數據難追溯、核算過程不透明、核算結果缺少高效共享渠道等局限提出理想的解決方案。

2 區塊鏈技術應用于紡織服裝產品碳足跡追溯的優勢與挑戰

2.1 區塊鏈的特性與應用現狀

區塊鏈按照時間順序將數據區塊以鏈表的方式組合成特定數據結構,通過密碼學保證數據不可篡改和不可偽造[8],即構建一個組織內部記錄和共享信息的分布式賬本,所有成員都必須通過復雜的算法集體驗證任何更新。憑借這種分散的對等(P2P)功能,所有記錄的信息都是永久的、透明的和可搜索的。區塊鏈技術通過記錄數據的流轉過程,保障數據的可信性和完整性,從而提供數據的溯源與追蹤[9]。

區塊鏈技術作為虛擬貨幣的基礎設施發布,自出現以來就面對著諸多質疑,但其發展潛力遠不止于此。從中國的政策趨向可見,中國早早就開始了對虛擬貨幣的清理,并加強鼓勵引導區塊鏈技術用于實體經濟中[10]。越來越多的研究利用區塊鏈的去中心化、不可篡改、公開透明等特性,解決金融、醫療、公共設施、農業、食品、供應鏈等領域不同場景的問題。在信息追溯方面,區塊鏈技術除了用于優化RFID的數據采集系統,解決信息安全問題[11-13],還可用于推進產業協同溯源和供應鏈信息追溯[14-15]。Wang等[16]研究認為,區塊鏈技術對供應鏈管理的價值體現在:擴展的可見性和可追溯性、供應鏈數字化和去中介化、改進的數據安全性和智能合約。智能合約是運行在區塊鏈上的一段可自動觸發的計算機程序,賦予區塊鏈可編程特性,為區塊鏈的推廣運用奠定了基礎,許多追溯研究[17-19]都通過部署智能合約、編寫代碼實現追溯流程,將解決方案的價值放到最大。

2.2 區塊鏈技術應用于紡織服裝產品碳足跡追溯的優勢

2022年國家發改委、能源局提出建立統一規范的碳排放統計核算體系[20],強調實現碳排放及相關數據信息化存證溯源、不可篡改和加密,實現數據在線交叉驗證等,這正與上述區塊鏈的特性不謀而合。區塊鏈技術通過密碼學原理建立去中心化的信任機制,可以改善所有需要中間人做擔保、認證的高信任成本領域。紡織服裝產品碳足跡的呈現形式目前仍然依賴可信第三方的報告或各種碳認證、碳標簽等,區塊鏈有望通過信息上鏈存證,向消費者、品牌方和第三方提高過程透明度和產品可追溯性,加強社會監督,放大紡織服裝產品碳足跡核算與評價的價值。本文從兩個方向將區塊鏈技術與紡織服裝產品碳足跡追溯相結合。

2.2.1 橫向追溯

從產品的全生命周期角度,產品附帶可信可追溯標識,實時記錄數據上鏈的位置和時間,可以實現對批次或單品的碳足跡來源進行精準追溯,從而降低碳足跡結果的不確定性。

業務伙伴能夠在不受中央控制和管理干預的情況下訪問和提供數據,智能合約為不同查詢方設置不同程度的數據開放權限,在對隱私數據的加密保護的同時,實現碳足跡數據的高效共享。幫助供應商企業認識到現有加工流程的工藝如何反映在碳足跡數值上,使品牌方直觀了解并量化產品供應鏈上的減排空間,以調整和管理產品工藝設計和供應鏈;通過全面、可信追溯渠道向消費者呈現更多感興趣的信息,如產品的成分、來源、加工過程等。

2.2.2 縱向追溯

從產品碳足跡核算角度,將初始清單數據、核算過程信息和各模塊核算結果上鏈永久存證,實現不可篡改,同樣為不同查詢方設置不同程度的數據開放權限。高效開展碳核查或碳審計的工作過程,核算過程中使用的方法、匹配的參數、用來補充缺失值的背景數據的科學性和規范性,也需要在適當披露下接受社會監督。讓核算與評價過程的科學性和規范性有目共睹,真正實現碳足跡“有跡可循”。

2.3 區塊鏈技術應用于紡織服裝產品碳足跡追溯的挑戰

在建立區塊鏈追溯系統以前,需要明確典型區塊鏈的技術局限。因為需要通過在不同節點之間存儲備份,所以區塊鏈系統的運行效率通常較低,性能和可擴展性相互制約[21]。此外,由于區塊鏈是一個公共賬簿,尤其是公有鏈,任何人都可以查看區塊鏈網絡上的所有交易,因此,交易各方仍存在隱私問題[22]。

為克服上述技術局限,許多機構和學者從以擴容存儲結構、建立數據訪問控制機制等角度提出了解決思路。

2.3.1 擴容存儲結構

擴容存儲典型方法如跨鏈、多鏈,以及鏈下存儲等。張燕麗等[23]采用多鏈結構提高數據的上鏈速度和系統運行效率,構建主從聯盟鏈模型,主鏈與從鏈之間通過哈希值相互錨定。許多追溯研究[24-25]設計的追溯模型或系統中都使用星際文件系統(Inter planetary file system,IPFS)以擴展存儲空間。Sánchez-Gómez等[26]闡述了區塊鏈添加擴展存儲的額外層和驗證機制的重要性。

2.3.2 建立數據訪問控制機制

肖博等[27]利用聯盟區塊鏈的多通道技術構建供應鏈數據共享網絡,又基于Shamir密鑰共享算法和訪問控制策略實現了訪問控制功能,保護參與主體的數據自主權。與之相似的,馮國富等[28]對區塊鏈網絡進行多通道劃分,同時網絡中的數據以密文的方式進行傳輸,確保數據的隱私性。

在基于區塊鏈技術構建紡織服裝產品碳足跡追溯系統時,應參考上述技術改進研究,避免被典型區塊鏈技術的硬傷限制落地應用。

3 基于區塊鏈技術的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統

本文擬基于產品模塊化碳核算方法,探究在產品價值鏈上的主體之間,如何應用區塊鏈技術可信存證紡織服裝產品碳足跡數據和相關信息,構建碳足跡的追溯與核算系統,并使碳足跡數據在系統內安全高效地透明共享。

基于區塊鏈技術的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統預期目標如下:

1) 碳足跡清單數據可信可追溯:使核算產品的排放數據上傳不可篡改,可以從鏈上的產品信息和總碳足跡值追溯到該產品各階段上傳的初始數據,以驗證源數據是否真實合理及具有代表性。

2) 透明可查的核算過程:透明化核算過程,確保核算過程的規范性和科學性有目共睹。核算方可以在標準規定下自由選擇核算邊界、排放系數和分配原則等,但要核算方法和依據上鏈存證。

3) 建立高效透明的核算結果共享渠道:建立控制訪問策略,保證企業的數據自主權,使數據訪問權限可控;從核算方的角度,可提高模塊數據可得性和引用準確度。

3.1 基于區塊鏈技術的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算工作機制

本文設計基于區塊鏈技術的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算工作機制,緊密聯系紡織服裝產品碳足跡核算與評價流程,實現產品碳足跡數據的全核算過程可追溯,同時通過機制設計在一定程度上避免了區塊鏈技術投入應用時常見的問題。

3.1.1 模塊化分解成紡織服裝產品碳足跡單元

紡織服裝行業生產工藝鏈復雜,加工方式差異大,涉及材料繁多,加大了產品碳足跡核算與評價的難度。模塊化方法提供了一種簡化、靈活和一致的復雜系統建模方法,可以基于這種方法構建高普適性的紡織服裝產品碳足跡核算系統,從而在未來以簡單和統一的方式對產品生命周期進行建模和核算碳足跡。明確產品的生命周期過程,在此基礎上模塊化分解成結構簡單、邊界清晰、數據準確可控的若干模塊化碳足跡單元,如圖1所示。

圖1 紡織服裝產品碳足跡單元Fig.1 Carbon footprint unit of textile and apparel products

根據地理位置、企業規模、產品類別、過程和技術等信息生成模塊屬性代碼,通過代碼管理龐大的模塊庫[29],編碼規則參考[30]。在類似產品核算過程中檢索特性對應的代碼,可以快速地核算出同系列紡織產品的碳足跡[31]。

3.1.2 IPFS分布式存儲碳足跡數據文件

系統將采集到的產品參數、企業信息和清單數據生成需要存儲的碳足跡數據文件,包括產品碳足跡數據、模塊碳足跡數據、模塊碳足跡核算方法和源數據,生成過程如圖2所示,并根據不同的追溯權限分為四個層級。本文定義的一級碳足跡單元模塊按照生命周期階段劃分,二級模塊按照工段劃分,三級模塊按照工序劃分。

用IPFS系統對碳足跡數據文件進行非對稱加密,生成一個加密文件和解密密鑰Key,將加密文件分布式儲存到多個節點(供應鏈企業、機構或個人注冊區塊鏈節點,并被分配唯一的身份ID),生成加密文件的哈希地址[27]。由于哈希計算對輸入內容的敏感性,數據一旦更改會導致哈希地址改變,因此保證了數據儲存狀態下的不可篡改。

圖2 碳足跡數據文件生成機制與對應追溯層級Fig.2 Carbon footprint data file generation mechanism and corresponding traceability level

通過訪問控制策略AccessP,預先設定為不同訪問屬性的節點設置不同的開放權限。訪問節點向訪問授權合約發出碳足跡單元數據的訪問請求,訪問請求包括:1) 訪問方的地址;2) 數據文件地址;3) 訪問屬性。訪問授權合約通過數據管理合約索引到該數據文件對應的訪問控制策略和子密鑰地址集合Key Address,并根據訪問請求中節點的訪問屬性在訪問控制策略中被設置的權限,確定是否返回密鑰,以此決定訪問節點可以解密的數據內容。碳足跡數據文件在IPFS上存儲的過程如圖3所示,訪問1～4層級的數據文件對應需要獲得的密鑰分為別Key1～Key4。

圖3 碳足跡數據文件在IPFS的分級存儲Fig.3 Tiered stofile:///C:/Users/Administrator/Desktop/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%8A%A0%E5%B7%A5/SICO202302/SICO202302.ebook/images/a52015d42ba4fd0f8c2d081f8a54caf7.jpgrage of carbon footprint data files in IPFS

3.1.3 IPFS地址公開驗證上鏈

將不可篡改的永久IPFS地址放在區塊鏈事務中,用于公開驗證地址。區塊鏈儲存結構如圖4所示,分別在區塊鏈底層畫出六個交易用以示例,產品碳足跡數據文件地址按T1格式存儲,模塊碳足跡數據文件地址按T2、T3和T4格式存儲,模塊碳足跡核算方法文件地址按T5格式存儲,源數據文件按T6格式存儲。

圖4 區塊鏈中紡織服裝產品碳足跡數據儲存結構Fig.4 Carbon footprint data storage structure of textile and apparel products in blockchain

3.2 基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統架構

本文建立了紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統架構,如圖5所示。

圖5 基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統架構Fig.5 Carbon footprint traceability and accounting system architecture of textile and apparel products based on blockchain

1) 采集層:物聯網技術可將嵌入式設備、計算機連接到網絡中,作為紡織服裝產品碳足跡溯源系統理想的下層結構,傳輸智能計量表、機械設備或MES系統的數據。通過條形碼、二維碼、RFID、傳感器、智慧電表等技術,以碳足跡單元為單位收集清單數據,同時記錄數據來源、企業背景等信息。

2) 數據層:在IPFS上分布存儲碳足跡單元數據文件,將不可篡改的永久IPFS地址上傳保存到區塊中。

3) 網絡層:將加密文件的哈希地址廣播到附近節點,各節點之間驗證信息并達成共識,生成區塊,連接上鏈。

4) 合約層:建立數據存儲、訪問控制等智能合約。

5) 應用層:通過系統實現“產品—模塊—方法—源數據”的碳足跡可追溯與控制訪問,輔助工藝調整和產品宣發工作,對類似產品碳足跡模塊化核算過程中的模塊調用提供參考,同時提高產品碳足跡認證和審核的效率。

4 基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統驗證及評價

4.1 基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統驗證

本文選擇一款100%桑蠶絲的斜紋綢方形絲巾作為核算實例,驗證基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統。碳足跡源數據均為杭州萬事利絲綢數碼印花有限公司及其供應商提供的實景數據,數據收集的時間范圍是2022年3—8月。其中桑苗培育和蠶卵培育未計入,使用原料、物料、產品在組織間運輸和能源傳輸的碳排放未計入,廢水處理達標排入自然水體產生的碳排放未計入,產品固碳效應(如種桑過程吸收的二氧化碳)也未考慮在內。

4.1.1 品牌方、供應商企業和消費者

品牌方、供應商企業和消費者通過產品編號和批次號,以不同的權限追溯產品碳足跡情況。通過解析產品安全可追溯標識連接到區塊鏈瀏覽器Web前端,注冊節點并發送訪問請求,憑借產品編號和批次號獲得產品碳足跡評價結果。圖6展示了訪問節點查詢并獲得Key1后系統返回的頁面,內容包括產品信息、產品碳足跡核算結果與分析、產品碳足跡不確定性量化分析結果。

圖6 查詢產品碳足跡結果與評價的系統返回頁面Fig.6 System return page for querying product carbon footprint results and evaluation

點擊頁面下方“追溯更多信息”處的“纖維原材料階段/生產制造階段”(一級模塊)或“種桑/養蠶/繅絲/織造/練白/印染/縫制工段”(二級模塊),通過驗證獲得對應的密鑰可以獲得對應模塊碳足跡情況。

4.1.2 核算方、審核監督機構

核算方、審核監督機構通過碳足跡模塊屬性代碼,以不同的權限追溯碳足跡數據文件。除了上述產品碳足跡評價結果,還需要關注核算方法及數據來源的追溯,通過檢索碳足跡模塊代碼。圖7以練白過程模塊(CFU_2.2)為例展示了訪問節點查詢并獲得Key2后系統返回的頁面,內容包括該模塊對應1 kg最終核算產品(通常到大門,即終端產品)碳足跡值、該模塊對應1 kg本階段主產品碳足跡值、本階段主產品、本階段消耗原料量、本階段消耗原料和模塊屬性代碼。

圖7 查詢模塊碳足跡數據的系統返回頁面Fig.7 System return page for querying module carbon footprint data

點擊頁面下方“追溯更多信息”處的“模塊碳足跡核算方法”和“源數據”,通過驗證獲得密鑰可以了解對應模塊碳足跡背后假設與數據來源。

4.2 基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統評價

本文使用實例數據驗證了基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統的優勢。

1) 實現了“產品—模塊—方法—源數據”層層遞進的追溯查詢與控制訪問,由此達到了碳足跡數據可信可追溯、核算過程透明可查和建立高效透明的核算結果共享渠道的目標。核算并評價了一款真絲斜紋綢絲巾產品的碳足跡,可以在系統中追溯到模塊碳足跡、模塊碳足跡核算方法和源數據文件。

2) 通過追溯建立紡織服裝產品碳足跡可追溯、透明模塊庫,實現了核算結果的高效利用。在系統中可以追溯到每個模塊的碳足跡核算方法、原始數據清單、加工企業信息與詳細的工藝流程,以輔助調用決策。

盡管具有上述優勢,但系統仍存在如下局限。

1) 區塊鏈系統的建立和組織上:本文的成果止步于系統頁面展示,追溯系統需要由專業的區塊鏈開發人員完成。對于后續區塊鏈系統的建立、驗證機制、共識機制、激勵機制及中心化程度還有待確定,系統完成后,其應用性能、成本和商業推廣的可能性還需要多方面綜合考慮評估。

2) 信息處理方面:未形成完全自動化的數據上傳和核算流程,仍然需要人工處理介入。但通過基于區塊鏈的碳足跡追溯與核算系統,各個模塊碳足跡值可以追溯到核算方法的細節及初始的數據清單,可以保證核算過程的規范性、科學性可持續受到監督;碳足跡值與初始清單數據對應不被篡改,且永久存證,可追溯數據代表性和合理性。通過以上構建基于區塊鏈的“碳信任圈”方式,來彌補不完全自動化對數據真實性的影響。

5 結 語

紡織服裝產品碳足跡核算過程涉及的投入與產出數據繁雜,針對傳統碳足跡數據核算與評價過程存在源數據難追溯、核算過程的科學性規范性缺乏監督、核算結果由于難以高效共享導致可重復利用性低等問題,本文分析了紡織服裝產品碳足跡追溯的研究現狀與局限;基于區塊鏈特性與追溯應用研究,探討了區塊鏈用于紡織服裝產品碳足跡追溯的優勢與挑戰。結合紡織服裝產品模塊化碳核算方法,建立了基于區塊鏈的紡織服裝產品碳足跡追溯與核算系統的工作機制及系統架構,并使用實例數據驗證了系統在產品碳足跡的全面追溯、提高模塊碳足跡數據可追溯可重用的優勢,同時總結了系統在建立和組織,以及信息處理兩方面的局限。

未來的相關研究應對區塊鏈技術的推陳出新與落地應用保持密切關注,通過多鏈、側鏈等多種方式提高區塊鏈追溯系統的可用性和擴展性。通過橫向延伸,可在消費者使用和廢棄階段展開研究,結合智能家電捕捉數據補全目前紡織服裝產品使用和廢棄階段產品碳足跡貢獻數據的空缺。通過縱向延伸,可將現有追溯體系和解決方案作為基礎,探索區塊鏈應用于紡織服裝產業組織碳管理、碳排放交易、碳金融投資等相關研究的空間。

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