基于區塊鏈和隱私計算技術的“碳標簽”實現方法研究

陳正奎 崔偉

關鍵詞：碳標簽；區塊鏈；隱私計算；供應鏈

1“碳標簽”的背景、原理和應用現狀

“碳標簽”（Carbon Labelling）是為應對全球氣候危機，減少溫室氣體（GHG）排放量，以及推廣低碳排放技術，而把商品的全生命周期中所排放的溫室氣體量，在產品標簽上用量化的指數標示出來，以標簽的形式告知消費者產品在生產、流通過程（即供應鏈全程）中的碳排放信息[1]。在中國，中國電子節能技術協會低碳經濟專業委員會發起了中國“碳標簽”產業創新聯盟。認證后，產品上可以打印“碳標簽”，直觀顯示產品的碳排放量信息，引導消費者選擇低碳、節能、環保的產品，從而推動實現全民綠色低碳消費[2]。

目前，全球有11 個國家和地區，包括英國、美國、韓國、歐盟等，積極發展“碳標簽”制度。2018 年，中國開始推動碳足跡標簽計劃，并陸續發布了《中國電器電子產品碳標簽評價規范》《LED道路照明產品碳標簽》等標準[3]。

2 基于區塊鏈結合隱私計算的“碳標簽”技術分析

從供應鏈的視角看，“碳標簽”需要包括產品全生命周期的碳排放信息，從原材料到運輸、生產、銷售，到消費和廢棄回收的所有環節，需要對碳排放數據進行收集和計算。還需要考慮供應鏈中的碳足跡數據、計算方法和具備核證資質的第三方機構。目前，企業在產品的碳排放、碳減排和碳目標管理流程中受到信息不透明和信任缺乏的困擾，往往造成信息孤島，從而影響了“碳標簽”的實現[4]。

區塊鏈的數據結構和存證機制，具有連貫性和透明度，可打通碳排放、碳減排和碳目標管理流程中的信息孤島。區塊鏈技術和應用平臺以去中心化、防篡改、可追溯和全程留痕等技術特點為基礎，采用加密算法、共識機制、節點管理、智能合約、權限管理以及分布式存儲等技術，結合隱私計算技術，實現碳排放數據的不可篡改和可追溯，從而實現多方信任，支持產品全生命周期碳排放信息的可信記錄和碳排放全周期的可信流轉。

由于具體的實現方式與平臺有關，本文提供一個簡單的示例來介紹如何使用區塊鏈技術實現碳標簽問題的解決方案。該示例基于以太坊區塊鏈平臺和Solidity 智能合約編程語言。

首先，在以太坊上創建一個名為“CarbonLabel”的智能合約，用于存儲產品全生命周期的碳排放信息。該合約包含以下重要函數：

addCarbonData：供企業將產品的碳排放數據添加到智能合約中。此函數需要傳入參數：企業名稱、流程階段（例如采購、生產、運輸等）、產品類型、時間戳、碳排放數據等。

getCarbonData：供用戶查詢某一產品在不同階段的碳排放數據。此函數需要傳入參數：產品類型、開始時間、結束時間等。

verifyCarbonData：供第三方機構驗證產品的碳排放數據，并為其提供數字證書。此函數需要傳入參數：企業名稱、流程階段、產品類型、時間戳、碳排放數據等。

接下來，可以使用Solidity 編寫相應的代碼來實現以上功能。以下是一個簡單的示例：

在上述示例代碼中，定義了一個結構體Carbon-Record 來表示單條碳排放記錄，然后使用一個映射類型的carbonData 變量來存儲所有的記錄。在addCarbonData函數中，企業可以向智能合約添加新的碳排放數據。在getCarbonData 函數中，用戶可以根據產品類型、開始時間和結束時間查詢對應的碳排放數據。在verifyCarbonData 函數中，第三方機構可以對某一記錄的碳排放數據進行驗證并生成數字證書。此外，本文還通過authorizedVerifier 映射變量實現了權限管理功能，確保只有授權的第三方機構才能調用verify-CarbonData 函數。

通過以上示例代碼，可以看到區塊鏈技術是如何幫助解決碳標簽問題的。通過建立一個去中心化的碳排放數據存儲系統，所有參與方都可以在區塊鏈上共享數據，并確保數據的安全性、透明度和可追溯性。此外，通過智能合約的編程，也可以實現對碳排放數據的驗證和數字證書簽發等功能，從而提高了碳標簽的可信度和公信力。然而在實際應用中還需要考慮如何確保數據的隱私安全，并采取相應的措施來防止惡意攻擊和篡改。

為了保護產品全生命周期碳排放數據的安全性，需要對全供應鏈的數據進行管理，數據不能離開本地的存儲節點，同時還存在對數據流通的規范性要求。為了實現數據安全與數據流通的平衡，可以采用隱私計算技術。隱私計算的目標是：在完成計算任務的基礎上，實現數據計算過程和數據計算結果的隱私保護。數據計算過程的隱私保護指參與方在整個計算過程中難以得到除計算結果以外的額外信息，數據計算結果的隱私保護指參與方難以基于計算結果來逆推原始輸入數據和隱私信息。

例如，考慮一個碳標簽的應用場景，在整個供應鏈中涉及多個企業和組織的碳排放數據。這些數據需要進行計算和分析，以確定每個企業或組織的碳排放量，并生成合適的碳標簽。由于存在數據隱私和安全性的問題，不同企業或組織之間不能直接共享數據。但是，使用聯邦學習或多方安全計算等隱私計算技術，可以在不將數據集中到任何單一地點的情況下進行跨企業或組織的碳排放數據計算和分析。這些技術能夠確保數據保持在本地存儲節點上，并在計算過程中對數據進行加密和處理，從而保護數據的隱私和安全。

以下Python 示例代碼，展示了如何使用隱私計算技術來解決碳標簽面臨的供應鏈中數據流通和隱私保護問題：

在上述示例代碼中，首先加載了MNIST 手寫數字數據集，然后使用隱私計算技術來訓練一個卷積神經網絡模型。具體地，使用DPExponentialMovingAverage隱私機制來對優化器進行修正，并在訓練過程中對模型參數進行梯度裁剪和添加高斯噪聲，從而確保模型能夠保護數據的隱私。最終，使用測試集對模型進行驗證，并輸出測試準確率。

通過以上示例代碼，可以看到隱私計算技術可以很好地實現數據安全與數據流通的平衡。在實際應用中，還需要根據具體情況選擇相應的隱私計算技術，并進行適當的參數和超參數的調整，以達到更好的性能和隱私保護效果。此外，還需要考慮數據的分布情況、參與方的信任度等因素，并采取措施來防止參與方惡意操作或非法獲取數據。

總之，隱私計算技術可以實現對數據隱私的保護，并在不離開本地存儲節點的情況下進行跨組織的數據計算和分析。這為碳標簽等需要多方、多節點、全鏈條數據協作的應用場景提供了一個可行的解決方案，實現“可用不可見”的數據安全防護。

3“碳標簽”數據管理平臺的實踐分析

筆者運用本文所述的方法，開發了“碳標簽”數據管理平臺并在全國首次應用到雷竹水果筍的碳標簽過程中。根據測定，東部省份某地雷竹水果筍（農產品）的碳排放值為-45.53g/kg，按目前產量推算，每畝雷竹水果筍每年可固碳237.97 kg，是眾多農產品中固碳效益較高的農產品。目前該地共種有雷竹水果筍3000 畝，每年可吸收二氧化碳713.91 噸。

該平臺的碳足跡評估標準按照英國標準協會BSI“PAS2050：2008”規范，以產品生命周期（LCA）為基礎，參考企業—企業（Business- to- Business， BTB）原則，包括原材料運輸、產品生產、到包裝入庫等供應鏈過程中的碳足跡大小[5]。該平臺采取全程跟蹤收集所有的物質或活動的數量和強度數據，其中生產工藝中的量化數據通過計測每道工序機器的功率和運行時間，并每組采集多個樣本，多組重復計測以減少誤差。假定上游的原竹自然生長，只計算運輸數據、投入品（如膠、油漆、包裝紙等）收集使用的數量和運輸的數據等。數據的收集是案例分析的重點及難點，是碳足跡清單分析的核心部分。針對雷竹水果筍生產過程的所有排放源收集初級活動水平數據和生產過程的碳轉移數據，并把這些數據歸為能源流、物質流和碳等分類存儲。見表1。

雷竹水果筍碳足跡評估是供應鏈全過程的所有排放源的二氧化碳排放量減去雷竹林增加的碳儲量。其中二氧化碳排放當量是通過生產過程中所有材料、能源耗量的初級活動水平數據（AD）乘以其排放因子（EF）之和。換算成溫室氣體排放量（GHG），再乘以全球增溫潛勢（GWP），就得到二氧化碳排放當量，其中二氧化碳的GWP 為1。計算公式為：

為了保障參與各方的數據隱私，采用了隱私計算中的多方安全計算（MPC）技術，實現數據的加密共享。在計算碳足跡的過程中，由于需要搜集供應鏈全周期中各個環節的碳數據。MPC 技術的關鍵在于，在保證各方數據隱私的前提下，實現各方數據的可計算性。計算過程中，各方數據都被加密，并且只有與計算相關的密文共享信息暴露給其他參與方。因此，MPC 技術能夠保證各方數據隱私和商業機密不會被泄漏，確保了聯合計算的安全性和隱私性。

具體實現方案如下：

⑴ 碳足跡計算平臺首先為MPC 計算任務生成密鑰，并將密鑰分發給所有參與方。此外，平臺還同步需要查詢的主體身份信息。

⑵ 各個碳足跡參與機構根據主體身份信息，查詢本地存儲的相應碳足跡數據集，并將其進行加密。加密過程中使用給定的密鑰，保證數據的機密性，并將加密后的數據作為MPC 計算的輸入因子。

⑶ 各機構的MPC 計算節點之間基于MPC 協議完成碳足跡信息的聚合計算。聚合計算的過程中，各方只能夠看到與計算相關的密文，從而保證各方數據的隱私性。

⑷ 計算結束后，由數據管理平臺對各個參與方輸出的加密聚合結果進行解密，得到最終的碳足跡信息聚合計算結果。

以上方案的核心是基于MPC 實現的密文計算，實現了供應鏈上碳足跡信息的共享和聚合計算。具體實現時，可以使用一些現成的MPC 框架，例如ABY3和Sharemind 等。在代碼實現過程中，需要注意密文計算的加密和解密操作，并且確保密鑰和加密算法的安全。另外，還需要注意各方在數據共享和計算過程中相互協作的難度和復雜度，以確保計算過程的正確性和可靠性。

4 結束語

本文介紹了實現“碳標簽”的原理和發展現狀，分析了目前存在的數據來源多元化、數據容易造假等問題，以雷竹水果筍碳足跡評估為例，展示了運用區塊鏈和隱私計算技術，構建供應鏈上全生命周期的“碳標簽”展示體系的方法。通過將“碳標簽”相關數據在區塊鏈上進行在線存證，并整合供應鏈的上下游信息，有效解決了目前“碳標簽”生成過程中的數據真實性問題。