建筑领域区块链技术应用研究综述_张春生.pdf

第 20 卷 第 3 期2023 年 3 月铁道科学与工程学报Journal of Railway Science and EngineeringVolume 20 Number 3March 2023建筑领域区块链技术应用研究综述张春生1，乔梦菲1，李瑚均1，陈辉华2，杨增科1(1.河南理工大学 土木工程学院，河南 焦作 454000；2.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)摘要：区块链技术有助于解决当下建筑行业存在的信任度低、合作沟通效果差等问题，为建筑行业的数字化转型发展提供新机遇。现阶段，区块链技术在建筑行业中的应用逐渐成为学术界的研究热点，但还未有学者系统回顾国内外建筑领域区块链应用研究的现状。为此，对国内外建筑领域区块链相关文献进行梳理，统计分析文献的发表时间、期刊分布，归纳文献研究主题，剖析区块链的赋能机制，整理该技术的应用障碍，构建应用研究综合框架，最后提出后续研究方向。研究发现，建筑领域区块链的相关论文数量逐年增多，但研究仍处于探索阶段；英文研究数量较多且相对领先中文研究；研究主题聚焦于信息管理、合同管理、协同设计、供应链管理以及智能监测等方面；区块链技术可通过技术、组织和环境等方面赋能建筑业的数字化转型；该技术在技术、组织和环境方面存在应用障碍；学者可从拓展区块链的应用、提高利益相关方的使用意愿和明确区块链的应用策略等方面开展后续研究。系统梳理了区块链技术在建筑领域的应用现状，为后续建筑领域区块链技术的应用研究提供参考。关键词：区块链；建筑领域；研究现状；赋能机制；应用障碍中图分类号：TU17 文献标志码：A 开放科学(资源服务)标识码(OSID)文章编号：1672-7029（2023）03-1105-11A review on blockchain applications in the construction areaZHANG Chunsheng1,QIAO Mengfei1,LI Hujun1,CHEN Huihua2,YANG Zengke1(1.School of Civil Engineering,Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454000,China;2.School of Civil Engineering,Central South University,Changsha 410075,China)Abstract:Blockchain technology can help solve the problems of low trust and poor cooperation and communication in the current construction industry,thus it can provide new choices for construction digitalization.At present,the application of blockchain technology in the construction industry has gradually become a research hotspot in the academia,but scholars have rarely reviewed the status quo of the application of blockchain in the construction industry in China and abroad.Therefore,this paper analyzed the related literature on the blockchain technology in the construction industry in China and abroad,illustrated the published time and distribution of journals,and summarized the research topics of the selected papers.The paper examined the empowerment mechanism of the blockchain,summed up the application obstacles in the construction industry,收稿日期：2022-04-18基金项目：河南省科技厅软科学项目(92400440083)；河南省科技智库调研项目(HNKJZK-2022-35B)；河南省教育厅人文社科项目(2021-ZZJH-133)高速铁路轨道技术国家重点实验室开放基金资助项目(2021YJ049)；湖南省自然科学基金资助项目(2021JJ30861)通信作者：李瑚均(1991)，男，河南濮阳人，讲师，博士，从事工程项目智能建造与管理研究；Email：DOI:10.19713/ki.43-1423/u.T20220767铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月constructed the comprehensive framework for the research on the blockchains application.Finally,future research agendawas put forward.The results showed that the number of the published papers on blockchain technology in the construction industry has been increasing year by year.The research is still at the exploration stage.There exit more English studies than Chinese ones,and the English studies are relatively ahead of Chinese ones.The research topics mainly focus on the information management,contract management,collaborative design,supply chain management,intelligent monitoring and etc.The technology can promote the digital transformation of the construction industry through technology empowerment,organization empowerment and environment empowerment.There exist technical,organizational and environmental obstacles on its application in the construction industry.Scholars can conduct further research on extending the application of the blockchain technology,promoting the stakeholders usage intention and clarifying the strategies on blockchain application.This research systematically combs the application status of blockchain in the construction area.The results can provide reference for further research on the application of blockchain technology in the construction industry in the future.Key words:blockchain;construction field;research status;empowerment mechanism;application obstacles 近年来，物联网、人工智能和云计算等新一代信息技术不断涌现，交易方式逐步向数字化和网络化过渡，由此导致的线上交易信任与信息安全等问题逐渐成为学术界关注的焦点，而区块链技术，作为一种可有效解决此类问题的新兴信息技术，也逐渐引起众多学者的关注。区块链技术源自2008年中本聪发表的白皮书Bitcoin:A Peer-to-Peer Electronic Cash System1，其本质是一个分布式数据库，该技术采用分布式共识算法生成和更新数据，并通过P2P网络传输、共享数据，最后利用智能合约来实现各种应用功能23。区块链具有去中心化、可追溯性和不可篡改等特点，逐渐成为医疗4、食品5、农业6以及金融7等行业实现去中心化交易及自动化储存的必要手段与措施。此外，区块链技术也为建筑行业带来新的发展机遇，比如，WANG等8指出区块链可改变当下工程管理模式，推进建筑业的数字化转型；DAKHLI等9强调在工程项目中部署区块链系统可有效降低项目总成本；孙建荣10认为区块链有助于推动建筑市场的诚信建设。领域内学者逐渐认知到区块链技术对建筑行业的重要性，并致力探索该技术在建筑领域的应用前景。工程项目具有高度复杂性与不确定性，项目参与方之间往往缺乏有效沟通，严重阻碍了信任的建构，导致机会主义行为层出不穷11、合同管理形同虚设，违约事件频发12。此外，工程信息的碎片化使得大量信息无法及时整合，加剧了信息遗失和被篡改的可能性13，而现阶段的追溯机制不够完善，无法保证信息透明、可追溯14。在分布式储存、时间戳和智能合约等技术支持下，区块链技术成为解决上述问题的关键契机，学者从工程招投标、供应链管理、施工质量管理及工程审计等方面开展了深入探讨。在工程招投标方面，区块链可有效保护参与者的隐私，提高投标环境的可靠性15；供应链管理方面，区块链有助于提高供应链上的信息共享效率，保障项目的整体绩效16；施工质量管理方面，区块链可为施工质量追责提供便利，提高施工自动化水平17；工程审计方面，区块链可以保证数据的真实性，增加施工过程的透明度18。综合分析现有文献发现当下还未有学者综述国内外建筑领域区块链应用研究的现状，因此有必要系统梳理相关文献，为后续学者认知建筑领域区块链技术的应用现状提供基础。基于此，本文以Web of Science和中国知网为文献数据库，检索建筑领域区块链技术应用的相关文献，梳理国内外相关文献的发表时间、主要发表期刊以及文献研究主题，剖析区块链技术赋能建筑业的机制及在建筑行业的发展障碍，并指明建筑领域区块链技术的后续研究方向。研究成果有助于建构建筑领域区块链技术应用的知识体系，可为改善建筑业的环境、促进建筑业向1106第 3 期张春生，等：建筑领域区块链技术应用研究综述数智化转型提供思路。1 文献收集与整理选取知网数据库和Web of Science核心数据库开展文献检索，检索域设定为主题检索，英文文献检索策略为：1)分别以“Blockchain”AND“Construction”和“Blockchain”AND“Project”为检索主题词，检索得到文献 217 篇和文献 248篇；2)剔除会议、书评、通告分别得到文献210篇与245篇；3)仔细阅读检出文献的标题、摘要和关键词，剔除与建筑领域不相关的文献，分别得到文献64篇与38篇；4)剔除重复性的35篇文献，最终得到文献67篇。中文文献检索策略为：1)分别以“区块链”AND“建筑”和“区块链”AND“工程”为检索主题词，检索得到文献22篇和文献44篇；2)剔除与建筑领域不相关的文献，分别得到文献 17篇与 12篇；3)剔除重复性的 5篇文献，最终得到文献24篇。2 建筑领域区块链技术的应用研究现状2.1文献发表时间分布统计所筛选文献的发表时间，绘制文献发表时间分布图，如图1所示。建筑领域区块链的相关文献最早发表于2018年，2018年后发文量逐年递增。20182019年发表的中文文献与英文文献数量相对较少，且多为定性分析；2021年英文文献发表数量显著增加，而中文文献发表数量虽有增长但增速较缓。到目前为止，区块链在建筑领域的研究仍处于探索阶段，且国外的研究热度要高于国内。2.2文献发表期刊分布所筛选的67篇英文文献与24篇中文文献共在33本期刊发表，数量排名前五的中英文期刊如表1所示。中文文献多在建筑经济和科技管理研究等期刊发表；英文文献多在Automation In Construction和Buildings等期刊发表。其中，中文文献发表量相对较少且研究多为前期探索性分析，说明国内建筑领域区块链研究尚处于萌芽阶段；英文研究相对较多且实证文献较多，也一定程度说明国外对建筑领域区块链研究相对领先于国内研究。图1中英文文献时间分布Fig.1Publication time of Chinese and English papers表1国内外文献期刊发表情况Table 1Published journals of the papers in China and abroad中文期刊英文期刊期刊名称建筑经济科技管理研究建筑科学计算机应用土木工程学报Automation in ConstructionBuildingsIEEE AccessEngineering Construction and Architectural ManagementSustainability数量152111177443影响因子1.6952.1571.1672.1972.1457.7002.6483.3673.5313.2511107铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月2.3文献研究主题分布筛选后的文献整体包括定性研究和定量研究2类，基于文献关键词和摘要分析，这些研究可划分为15个小类，如图2所示。经过同义替换和专家讨论，这些文献可整体聚为五大类研究主题，包括信息管理、合同管理、协同设计、供应链管理以及智能监测等，各主题的代表性文献以及研究内容如表2所示。1)信息管理，该类研究包括信息共享和信息整合2个小类。工程项目信息管理的目的是整合碎片化的工程信息以利于信息共享。当前学者将区块链引入项目信息管理平台，聚焦于信息处理19、平台运行稳定性20和数据完整性21等方面。2)合同管理，该类研究包括合同履行、安全支付以及工程纠纷等3个小类。合同管理旨在确保利益相关方履行合同规定的权责，学者构建了基于区块链的线上交易系统22、安全支付系统23和纠纷处理系统24等，保证合同自动执行、工程款按时支付以及工程利益纠纷的合理解决。3)协同设计，该类研究包括BIM和设计追责2个小类。协同设计旨在提高不同专业设计人员间的协作效率，现有研究探索了如何基于区块链技表2文献研究热点Table 2Research focus研究主题信息管理合同管理协同设计供应链管理智能监测研究方面信息共享信息整合安全支付合同履行工程纠纷BIM协作设计追责信任机制供应链协作降低成本施工监测结构健康监测代表性文献DAS等21LEE等19AHMADISHEYKHSARMAST等23HAMLEDARI等37SAYGILI等24申玉民等38ZHENG等26QIAN等39LI等27WANG等40XIONG等41XU等36主要研究内容提出基于区块链的施工文档管理系统，利用改进的MPT数据结构验证文档一致性，确保共享信息的完整性。利用物联网技术采集施工信息，数字孪生技术进行仿真模拟，在区块链系统中实现信息整合。设计一个智能支付系统，可在项目开始时冻结下一季度预付款金额，在业主批准后，系统将进度款自动转移到承包商、分包商和供应商的账户中。将现实捕捉技术与区块链相结合，利用机器设备收集数据、智能合约评估施工进度并执行付款功能，实现从产品流到现金流的自动过渡。构建线上纠纷解决平台，区块链提供透明可信的判决环境，通过上传数字化的施工数据，随机分配陪审员对案件进行调查并作出裁决，无需第三方或中央权威机构。将BIM模型的协同绘制过程转移至区块链上，使设计者能够从信息记录链中迅速获取最新修改后的BIM图纸进行设计。提出一种能够追踪BIM文件修改记录的系统bcBIM，可为BIM文件的审计与追责提供依据。探索建筑供应链内的信任来源，指出区块链通过加强各方的系统信任，促进交流合作。结合物联网和BIM等技术，建立以数据信息知识为驱动的供应链管理模型，促进供应链内的高效沟通与决策。相较于传统管理方式，基于区块链的供应链管理方式可降低人工、库存、质量成本及交货罚款，从而降低建筑供应链的总成本。提出一种多设备协同监测方案，将 YOLOv3算法融入物联网设备自动监测、识别施工现场安全帽佩戴情况，通过智能合约实现多设备之间的交互与数据存储。提出一种基于区块链的结构健康监测系统，对结构损伤进行响应并生成警告信息，实现了建筑结构的自动远程监测。1108第 3 期张春生，等：建筑领域区块链技术应用研究综述术搭建安全协作25、文件可追溯26和高存储能力27的BIM协同设计平台，为设计者间的高效协作提供技术支撑。4)供应链管理，该类研究包括信任机制、供应链协作和交易成本等3个小类。信任缺乏和机会行为严重影响供应链上企业(组织)的协同合作28。现有文献多利用区块链技术创造信息安全共享的环境，从建立信任关系29、简化运作流程30以及降低运营成本31等方面提高供应链的整体协作效率，实现建筑供应链的可持续发展。5)智能监测，该类研究包括施工监测和结构健康监测 2个小类。现有的监测设备发展日益成熟，为进一步提高监测过程的透明度和信息传输的实时性，这类研究多通过构建基于区块链的实时监测系统，对施工安全32、施工质量33、施工粉尘34、隐含碳排放的监测核算35以及建筑结构的受力情况36等进行智能监测，助力于管理人员的全面系统监管。3 建筑领域区块链技术赋能机制与应用障碍3.1区块链技术的赋能机制区块链技术的引入旨在赋能建筑行业以实现该行业的数字化转型。为挖掘区块链技术赋能建筑行业的内在逻辑，本文选用TOE理论框架深入分析现有文献。TOE理论框架是学者们常用的分析新技术应用及影响的综合框架42，该框架认为影响新技术应用的因素主要有技术、组织和环境 3类。比如，ORJI等43选用该框架分析了物流行业区块链技术的应用；刘洪磊等44应用 TOE框架探究了BIM使用者满意度的影响因素。经过深入分析后，从技术、组织和环境等层面整理区块链技术赋能建筑行业的机制。1)区块链技术的技术赋能主要体现在信息管理、合同管理、协同设计、供应链管理和智能监测等方面。区块链技术的分布式存储和不可篡改性，保障了信息数据及时、准确传输，减少信息不对称，显著提升了信息管理效率29；将该技术与物联网、数字孪生等技术融合，利用智能合约构建自动化管理平台，可确保合同双方自动履行条款45；运用身份验证功能审查用户身份，设置访问权限，并追溯文件修改记录，确保安全、高效的协同设计46；与智能传感器和 AI 等技术相结合，保证信息自动采集27和交易自动执行47，提升供应链的整体绩效；运用智能合约实现数据自分析与自决策，并用分布式网络存储计算结果，显著提高了监测效率与监测数据的安全性34。2)区块链技术的组织赋能过程体现为促进信息共享、建构组织间信任关系和转换组织管理模式。首先，区块链技术促进工程参与组织内与组织间的信息数据高度共享，为各参与主体间的协同合作48和纠纷处理49提供便利；其次，该技术可将传统的关系信任转换为基于系统和认知的信任，有利于建构组织间的信任关系，减少机会行为的发生39；此外，区块链技术将以总承包商为核心的管理模式转变为多主体协同管理，增强了链上各方对信息流、物流以及资金流的管控，提高了参与方的积极性，有助于形成相互合作、相互监督的竞合关系50。3)区块链技术的环境赋能过程主要表现为协助政府监管和推动政策的制定与完善。一方面，区块链技术可提高政府监管效果，改善制度环境，依托去中心化的数字监管系统，政府管理部门在确保信息安全和隐私的同时可实时监控所有项目，加强政府监管力度51；可编程智能合约和信用积分图2文献研究主题分布Fig.2Distribution of research topics1109铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月机制的引入52，为合同双方自动履约提供保障，可降低政府监管成本。另一方面，学者对建筑领域区块链技术的应用研究，为区块链相关标准规范的制定提供参考；集成多种信息技术的区块链系统可构建基于系统信任的建筑市场信任关系，将推进政府政策的完善53。综合上述分析，建构区块链技术赋能建筑业的机制，如图3所示。3.2区块链技术应用障碍区块链技术在建筑领域的研究呈现向多元化发展趋势，然而该技术的推广与应用不可避免的存在一些障碍因素，可归纳为技术、组织和环境3类。1)吞吐量54、数据存储成本55和互操作性56等问题是限制区块链技术在建筑业应用的重要技术障碍因素。区块链本身较难存储BIM模型等大型文件，数据量大不仅会降低系统的运行速度，还会导致高额存储成本，虽有学者通过降低数据冗余5758缓解存储压力，但无法根本解决该问题。此外，大量学者集成了区块链技术与其他信息技术建构系统平台，不同信息化技术的接口成为关键技术难点，多技术融合发展仍是当前亟待解决的问题。2)使用意愿低、核心人才与技术缺乏和动力不足是关键组织障碍因素。开发、部署和维护区块链系统都需付出较高成本，而因工程项目具有一次性，已开发的区块链系统难以重复使用，极大程度降低了参与各方的使用意愿40。不仅如此，由于中小型企业缺乏核心人才和技术，导致区块链技术在该类企业中的推广受到严重阻碍53。值得注意的是，区块链技术的运用会改变工程供应链结构，将间接削弱总承包商的权利，可能产生新型利益纠纷，导致基于区块链的合作网络难以形成59。3)法律体系不完善、行业区块链技术认知不全面与基础设施不健全是主要环境障碍因素。目前，我国还未针对智能合约以及区块链技术制定相应的法律法规，因此当下的法律体系可能无法为区块链系统的使用者提供全面、有效的保护，这一定程度阻碍了该技术在建筑业的应用60。此图3区块链技术赋能建筑业的机制Fig.3Mechanism of blockchain technology empowering the construction industry1110第 3 期张春生，等：建筑领域区块链技术应用研究综述外，因缺乏对区块链技术的深入认知，一些从业人员质疑该技术的安全性，对该技术在建筑业应用产生抵触情绪61。更关键的是，区块链系统以大量基础设施作为支撑62，现阶段我国工程现场数字化程度低，资源配置差，难以大规模推进区块链技术的应用。3.3区块链技术应用研究综合框架整合前文论述的区块链的技术基础、研究主题、赋能机制以及障碍因素，提出建筑业区块链研究的综合框架，如图4所示。区块链技术集成了去中心化、分布式储存和非对称加密等技术特点，为领域内学者探究该技术在信息管理、合同管理、协同设计、供应链管理以及智能监测等方面的应用提供保障。学者对研究主题的分析，为建筑领域基于区块链的各项功能的实现奠定了基础，并为区块链从技术、组织和环境方面赋能建筑业以实现该行业的数字化转型创造了条件。深入研究区块链的赋能机制，发现该技术在应用过程中存在技术、组织和环境等方面的障碍，如何克服上述障碍，推进区块链技术在建筑业的广泛应用，还需要后续的不断研究与探索。4 建筑领域区块链技术应用研究趋势现阶段，建筑领域区块链相关研究处于初步阶段，学者可从以下几个方面开展后续深入探讨。1)拓展区块链技术的应用。应加强关键技术研究，聚焦区块链的存储压力、系统安全性和智能合约漏洞检测等方面；同时，考虑区块链与人工智能63、数字孪生64及云计算65等其他信息技术的融合，构建更加稳健的区块链系统平台；拓展采购及运维阶段的区块链应用研究，构建工程项目全寿命期的区块链管理平台，实现设计、采购、施工和运维等阶段的全过程数字化、一体化管理。2)提高利益相关方的使用意愿。区块链技术并非适用所有工程项目，应考虑项目类型，探究不同项目的区块链管理平台建设问题；区块链技图4区块链技术的应用研究综合框架Fig.4Comprehensive framework of the research on the blockchains application1111铁 道 科 学 与 工 程 学 报2023 年 3月术推动了工程管理模式的变革，应探究区块链应用下的冲突管理模式和协同合作模式；针对不同工程参与方的需求，探究优化区块链系统平台的方法、供应链与区块链的耦合模式，促进建筑行业的整合与发展。3)明确区块链技术的应用策略。国内建筑领域区块链的应用还未有明确政策引导，可思考从政府视角如何引导建筑领域区块链应用和提高对区块链技术的接受程度；探究技术型人才培养模式，加快推进区块链系统平台的开发与应用；研究如何从国家和企业层制定策略激励各方积极参与并主动共享信息，为区块链技术创造良好的发展环境。5 结论1)从文献发表时间来看，建筑领域区块链的相关研究始于2018年，20182021年间发文量逐渐增多；从文献发表期刊来看，英文文献较多且研究相对领先中文研究；从文献主题来看，文献研究热点主要聚焦信息管理、合同管理、协同设计、供应链管理以及智能监测等5个方面。2)区块链赋能建筑业数字化转型主要体现在3个层面。技术层面，区块链可从信息管理、合同管理、协同设计、供应链管理以及智能监测等方面，推进项目流程自动化；组织层面，区块链通过促进信息共享、建构信任关系和转换管理模式，加快形成相互合作、相互监督的竞合关系；环境层面，区块链可协助政府监管，推动政策的制定与完善。3)区块链技术的应用障碍可从技术、组织与环境3个方面表述。技术障碍表现为吞吐量低、数据存储成本高和互操作性研究不足；组织障碍表现为使用意愿低、核心人才与技术缺乏和动力不足；环境障碍表现为法律体系不完善、行业区块链技术认知不全面与基础设施不健全。4)建筑领域区块链的研究尚处在初步探索阶段，未来可从拓展区块链技术的应用、提高利益相关方的使用意愿以及明确区块链的应用策略等方面展开深入研究，进一步推进区块链技术在建筑领域的发展与应用。参考文献：1NAKAMOTO S.Bitcoin:a peer-to-peer electronic cash systemEB/OL.(2021-10-19)2022-04-18.https:/bitcoin.org/en/bitcoin-paper.2曾诗钦,霍如,黄韬,等.区块链技术研究综述:原理、进展与应用J.通信学报,2020,41(1):134151.ZENG Shiqin,HUO Ru,HUANG Tao,et al.Survey of blockchain:principle,progress 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