【基于区块链的建筑工程质量管理系统构建分析案例9500字】

目录 11.1基于区块链的建筑工程质量管理系统总体框架 11.1.1系统需求分析 11.1.2系统功能分析 21.1.3系统总体框架 21.1.4系统参与主体分析 31.2区块链类型选择和技术架构设计 51.2.1区块链类型选择 51.2.2区块链技术架构设计 61.3基于区块链的建筑工程质量管理系统应用设计 81.1.1系统功能模块设计 81.1.2质量管理过程 101.1.4质量追溯过程 141.1基于区块链的建筑工程质量管理系统总体框架1.1.1系统需求分析建筑工程质量管理涉及到的质量管理参与方有建设单位、施工单位、材料供应商、监理单位以及政府部门，构建系统之前首先要分析各方的需求：（1）建设单位。建设单位（业主）作为建筑工程的投资者，建筑质量好坏直接影响到业主的收益，同时对业主的声誉也会产生影响。因此业主需要对直接参与到建筑工程中的所有的参与者进行管理，具体需求包括保证分包商、材料供应商的资质合格，管理好各单位的权限，与各单位进行及时地沟通，获取整个建筑工程项目的实时质量信息，拥有一套完整的建筑工程质量资料，确保区块链系统的安全稳定。（2）总承包单位。总承包单位是建筑工程项目的主要建设者，对建筑工程质量负责，且对分包工程的质量与分包单位承担连带责任。对于总承包单位来说，应做好自己的质量工作，并且能够管理分包单位的质量行为，来避免出现质量问题而承担责任。因此，总承包单位的需求包括对分包单位实行有效管理，获取分包单位产生的质量信息，对全部质量信息进行追溯和查看。（3）分包单位。分包单位由总承包单位选择，负责分包合同范围内的工程质量。分包单位的需求有准确记录质量信息且不被篡改，以出现质量问题时证明自己的清白，能够查看并追溯合同范围内的所有质量信息。（4）材料供应商。材料供应商的需求包括能够记录提供的材料的质量信息且不被篡改，能够查看材料进场检验情况。（5）监理单位。监理单位受到业主委托，对建筑工程进行监管，主要职责有审查分包商资质、对施工过程采取旁站、巡检等形式进行监督，及时督促施工单位整改问题，负责对各种工程的质量验收等，涉及到与各单位进行信息沟通。而目前的质量管理中，存在信息沟通不畅，监理工作无法顺利开展。因此，对于监理单位来说，系统应能实现质量信息及时共享、实现单位之间协同管理，比如当监理发现施工人员现场操作中存在问题，应能够通过智能合约立即叫停施工，并立即通知施工单位，同时留证。（6）政府部门。政府部门对建筑工程进行监督管理，对政府部门来说，其通过系统应能够实现对建筑工程全过程的监督，能够掌握建筑工程产生中的所有质量信息，并且当出现质量问题或产生质量事故能够及时地查看工程资料并且追责相关责任人。1.1.2系统功能分析通过分析系统不同用户的需求，本文所构建的基于区块链的建筑工程质量管理系统应具备以下功能：（1）系统可以实现建筑工程质量信息化、智能化管理。系统应具有能够安全完整存储建筑工程任何一步质量行为产生的质量信息的区块链账本，并且具有质量信息上传、智能合约的部署及调取、质量信息追溯等入口。（2）系统操作简便。区块链技术目前刚刚起步，建筑工程质量管理各参与主体对该技术可能较陌生，因此，系统建立时应将区块链技术融入系统底层，最终展现在用户面前的系统前端应易于访问和操作，以降低系统使用者学习成本，从而使用户获得更好的质量管理体验。（3）系统针对不同的用户有不同的系统界面。每个参与者的具体需求不同，在系统中的地位和权限也不同，因此应有针对性的设计不同的系统界面，满足不同用户的需求，并限制他们在系统中的操作权限。1.1.3系统总体框架基于对系统功能和需求的分析，本文所构建的基于区块链的建筑工程质量管理系统的总体框架如图3-1所示：图3-1系统总体框架系统的功能逻辑如图3-2所示：本文所构建的基于区块链的建筑工程质量管理系统以区块链技术作为系统的技术支撑，由区块链公司提供区块链技术，利用区块链技术的优势和特性实现系统的功能和需求，从而实现建筑工程质量管理，为系统各参与主体提供服务。图3-2系统功能逻辑1.1.4系统参与主体分析本文所构建的基于区块链的建筑工程质量管理系统的参与主体有建设单位、材料供应商、总承包单位、分包单位、监理单位、政府部门、区块链公司，对各单位的权限分析如下：（1）区块链公司考虑到业主本身对区块链技术可能不是很了解，没有设计实际可应用的系统的能力，所以在构建系统时，引入了区块链公司节点。由业主选择具有相应资质的区块链公司，将区块链的技术维护工作和底层设计任务交付给区块链公司，区块链公司设计好区块链系统并将其可视化、可操作化处理后交给业主，并在系统使用时提供咨询、维修服务。（2）建设单位本文将建设单位即业主作为整个区块链系统的持有者，对各参与主体进行管理，建设单位拥有始终访问系统的权利。业主主要权限包括：添加、删除用户，设定用户权限，部署和修改合约，查询质量信息，审核质量信息等。当业主发现施工单位违反生产规定时，可调取智能合约执行处罚措施，严重时可以将施工单位踢出区块链系统，终止其访问权。（3）材料供应商材料供应商负责对建筑材料进场前的质量把控，其系统内的权限包括将材料的相关信息以及产品合格证等证明文件提交至区块链系统，以及查看并下载材料检查结果。当其供货范围内的所有材料进场检查合格，由监理工程师签字确认后，材料供应商退出区块链系统。（4）总承包单位总承包单位负责对分包单位、材料供应商的监督和管理，并接受业主和监理的监督，主要权限有：记录施工质量信息，审核分包商上传的质量信息，查看、下载质量信息等。（5）分包单位只有业主授权合格的分包单位才能进入区块链系统，业主可以根据分包单位设置不同的通道，其只能在此通道与业主、总承包单位和监理联系，并且分包单位只能查询并下载其与总包单位签订的合同范围内的工程质量信息，当合同终止后，业主便可将其移除区块链系统。（6）监理单位监理单位负责对施工单位的工作进行监督，并审核总包选择的分包商和材料商资质，其权限主要有上传监理记录，调取智能合约检查质量信息，查询并下载质量信息等。（7）政府部门政府负责对系统内的所有成员进行监督，始终保持对系统的访问权，政府单位有权访问和查询任一时间和工程段的质量数据。系统各参与主体的具体权限和访问限制如表3-1所示：表3-1系统各参与主体权限和访问限制参与主体权限访问限制建设单位（业主）拥有区块链系统，主要权限包括：添加、删除节点，设定节点权限，部署和修改合约，查询、下载质量信息，审核质量信息始终访问系统总承包单位记录施工质量信息，审核分包商上传的质量信息，查看并下载质量信息始终访问系统分包单位记录施工质量信息，查询并下载分包合同内的质量信息当分包合同结束，退出区块链，终止访问系统表3-1（续表）参与主体权限访问限制材料供应商记录材料信息，查询并下载上传的质量信息和材料检验结果材料进场检查合格，退出区块链，终止访问系统监理单位审查分包商和材料供应商资质，调取合约检查质量信息，记录质量信息，查询并下载质量信息始终访问系统政府对用户进行监督，访问、查询、下载整个系统的质量信息始终访问系统区块链公司设计并维护区块链系统始终访问系统1.2区块链类型选择和技术架构设计1.2.1区块链类型选择为了满足系统的功能和需求，需要选择合适的区块链类型来搭建系统，在前文2.2.1中描述了三种不同的区块链类型，其特点对比如表3-2所示：表3-2区块链类型对比属性公有链私有链联盟链参与者所有人个人或组织内部成员联盟成员记账节点所有节点组织自己决定成员票选授权节点中心化程度完全去中心化中心化弱中心化交易速度慢快中等交易成本高低（甚至为零）中等激励机制必需非必需非必需隐私保护性数据公开数据限内部用户访问数据可选择对特定节点公开本文所构建的基于区块链的建筑工程质量管理系统，参与质量管理的主体为业主、监理、施工单位等建筑工程内部参与者，并不是对所有人开放，并且由1.1.4的系统参与主体分析得知各节点权限不同、可查看的质量信息范围不同。结合三种区块链特点对比，发现联盟链可以确保只有经授权的建筑工程项目内部成员才可加入区块链网络，其弱中心化可以保证政府部门对各单位的监管以及建设单位对系统的管理地位，且对数据的隐私保护性较好，业主可以通过设置相应的通道，让分包商在自己的合同范围内参与质量管理工作。因此，本文选择利用联盟链搭建系统。1.2.2区块链技术架构设计本文所构建的基于区块链的建筑工程质量管理系统的区块链技术架构包括数据层、网络层、共识层、激励层、合约层、应用层六个部分，如图3-3所示。其中数据层和网络层作为技术支撑，保证系统正常运行；共识层、激励层和合约层为系统的核心部分，满足系统的功能设计；应用层作为顶层应用，为用户提供最终的服务。图3-3区块链技术架构设计（1）数据层本文所设计的区块链技术架构中的最底层是数据层，是用来存放区块链账本的地方。在本文构建的系统中，数据层主要存放了存储由各质量行为产生的质量信息的区块、以及所有区块按照时间顺序顺次相连形成的一条完整的区块链。在各区块中，又包含了时间戳、Merkle树等关键技术。数据层中的哈希函数以及非对称加密算法等技术保证了存储的信息的安全性以及隐私保护性。（2）网络层数据层的上一层为网络层，是区块链网络中各个节点之间进行信息交互的保证。网络层中包含了区块链的组网方式，在本系统中，采用的是点对点（P2P）网络，不需要某个第三方服务器即可实现业主、监理、施工单位等个参与节点之间的信息沟通，提高沟通效率。此外，在网络层中也包含了信息在网络中各节点之间的传播和验证机制。数据层和网络层是支撑本系统正常运行的部分，由区块链公司负责在使用中的维护，防止系统崩溃。（3）共识层区块链技术架构中的第三层为共识层，主要是区块链共识机制的设置。在前文2.2.2中提到了几种主流的共识机制，他们的优缺点及适用范围对比如表3-3所示：表3-3几种主流共识机制对比分析类型优点缺点适用范围工作量证明（PoW）完全去中心化，节点可自由进出共识周期长，资源浪费大，需要大量算力挖矿公有链股份权益证明（PoS）共识周期短，挖矿资源浪费少记账节点靠代币持有量决定，安全性低，仍需要挖矿联盟链、私有链股份授权证明（DPoS）不需要挖矿，可实现秒级共识验证仍需要依靠代币联盟链、私有链实用拜占庭容错（PBFT）监管性高，对节点失效容错率低共识成本大，不适用节点数量多的区块链系统联盟链建筑工程涉及到的利益相关方众多，节点数量较多，且由建设单位决定各利益相关方的不同权限，不需要通过挖矿争取记账权。通过对比几种共识机制的特点以及优缺点分析，发现股份授权证明，即DPoS，适用于联盟链，且共识成本低、速度快，因此选择DPoS为区块链系统的共识机制。本系统的记账节点有承包商、分包商、材料供应商、监理单位，其中承包商记账由监理和建设单位共识，分包商和材料供应商在建设单位设置的通道内记账由承包商、监理进行共识，监理单位记账由建设单位和总承包单位共识，质量信息经共识成功之后，上传区区块链中。（4）激励层激励层是对激励机制的设置，其主要作用是采取特定的对节点有利的措施，鼓励区块链中的节点参与到区块链的共识和记账中，以共同维护区块链。激励机制一般在公有链中应用较多，像比特币系统给成功挖矿的节点提供一定数量的比特币和交易手续费作为奖励以鼓励节点挖矿，而联盟链一般不需要。本文考虑到DpoS需要用到代币，设置了奖惩代币方式的激励机制。在区块链系统中先行设置一定数量的代币，并由业主根据合同金额决定分配给承包商、分包商、监理单位和材料供应商，若各节点能够按照合同规定完成各自的质量任务，则可以在合同结束后将代币换成现金；倘若违反相关规定，则会根据智能合约设置的内容进行扣除相应数量的代币。通过设置激励层，可以在一定程度上促使各参与节点严格按照规范行事，以获取更高的奖励，从而提升质量管理的效果。（5）合约层合约层主要用来存放系统中编制的各种类型的智能合约，以及生成智能合约的脚本代码和算法机制。本系统中的智能合约是由设计图纸的要求、相关的质量规范、质量验收标准等转换为计算机语言编制而成，同时也包含执行代币奖惩的智能合约。（6）应用层在区块链技术框架的最顶层，就是本文所构建的基于区块链的建筑质量管理系统的实际应用，是最终展示给用户的可视化、可操作的前端。1.3基于区块链的建筑工程质量管理系统应用设计1.1.1系统功能模块设计根据系统的功能性需求分析，本文所构建的基于区块链的建筑工程质量管理系统共四个功能模块：系统管理模块、合约管理模块、质量管理模块、质量追溯模块，如图3-4所示：图3-4系统功能模块（1）用户管理模块用户管理模块主要包括节点添加和删除、节点用户注册、节点权限管理、节点信息修改这四个子模块。节点添加和删除是指，建设单位作为系统的管理员账户，负责对本建筑工程的承包商和监理单位用户的身份录入，并且与政府单位取得联系，将负责对工程进行监督的政府部门人员接入系统。当承包商选择好分包商、材料供应商之后，经建设单位和监理审查合格，由建设单位批准进入系统。当某单位完成了合同，或者因其他原因退出系统时，建设单位可在系统内删除用户，解除用户的系统访问权，但可保留区块历史数据。节点用户注册是指，当业主将其他的单位纳入系统后，单位的相关负责人如质检人员、专业技术负责人等可在系统内注册账号，注册完成之后会给每个人分发一对公钥和私钥，私钥用来数字签名、调取合约等操作，公钥则用来对用户身份进行认证。节点权限管理模块是根据前文提到的，不同的用户其权限不同所设置的功能，由建设单位负责管理各单位权限。例如分包商只能查看其合同范围内的质量信息，且不能参与共识；建设单位和监理单位为承包商的共识节点等。节点信息修改是当节点有名称、资质等相关信息需要变更时，由于之前已经录入的信息无法进行修改，此时，由建设单位通过节点信息修改入口进行修改。（2）合约管理模块合约管理管理模块主要是对本系统内所有的智能合约进行管理，包括智能合约部署、智能合约修改两个子模块。合约管理功能只有业主的系统才有。智能合约部署模块，是由各参与方将合约编写的要求告知区块链公司，由区块链公司写好代码之后交予业主，经由业主上传至区块链系统，经承包商、监理共识之后部署至区块链系统。在工程开始之前，按照设计图纸提取每道工序的质量约束，并且将质量规范编制成智能合约写入区块链系统，当工序完成之后，监理单位可调取智能合约进行自动判定是否合格，大大提升了工作效率。对于某些施工工艺难、采用新工艺以及存在质量安全隐患的工序，在工序开始前，智能合约会自动触发预警，提醒施工单位和监理单位进行排查，防止出现质量问题。智能合约修改模块，是为了保证建筑工程建设过程中遇到设计变更等需要修改智能合约的时候，可通过修改入口直接修改，而不改变智能合约的部署地址。（3）质量管理模块质量管理模块主要是对质量管理过程的处理，主要包括质量信息录入、智能合约调取、智能合约执行三个子模块。质量信息录入是指各单位将自己负责的质量工作信息上传至系统，例如监理单位上传旁站记录，施工单位上传工序验收自检结果、材料供应商上传材料出厂信息等。智能合约调取是访问智能合约部署的地址入口，通过该模块可以访问需要的智能合约来进行质量检查。例如，当监理单位在旁站过程中发现施工人员违规操作，可利用私钥调取相应的合约来叫停施工。调取智能合约之后，在智能合约执行模块中自动执行，并做出处理结果。（4）质量追溯模块质量追溯模块是对建设过程中产生的质量信息以及系统生成的区块链账本的追溯，包括质量信息查询、质量责任认定、区块链账本查看和区块链账本下载四个子模块。通过质量信息查询模块，输入关键词或者时间戳，可以快速查看到所有的质量信息。质量责任认定模块则可验证相关人员的数字签名，保证信息记录的准确，确保精准追责。区块链账本查看和下载模块，为每个用户提供了访问数据库的权利，用户可随时查看其权限范围内的区块链账本以及各区块详细信息，并且当用户退出系统之前，可将所有的数据下载下来，以防后续查看。1.1.2质量管理过程1.1.2.1质量管理一般流程图3-5事中质量管理一般流程以某道工序的质量管理为例，利用区块链系统进行质量管理的过程如图3-5所示，具体过程如下：（1）首先，关于某工序的设计要求、质量验收标准已经编制成智能合约，并经过共识存放至区块链系统中。当工序开始之前，首先进行技术交底，在交底完成之后，交底人以及施工班组组长在技术交底记录上进行数字签名，经过共识之后上传至第N个区块中保存。在工序施工过程中，监理人员对施工过程监督工作落实情况，在监督过程中形成的旁站记录经监理人员数字签名之后接着第N个区块进行上传存储，即上传至第N+1个区块中。（2）当工序施工完成之后，需要进行质量验收，此时由施工单位先进行自检，填写好施工质量信息以及检查结果，并利用私钥对上传的数据进行数字签名，并发出通知监理单位进行验收的请求，在系统内进行广播。经过总承包单位和监理单位共识之后，自检结果以及施工质量信息便上传至第N+2个区块中。（3）当监理单位收到施工单位的验收请求后，便在系统中读取第N个区块的内容，并利用上传者的公钥验证其数字签名，验证正确之便并利用私钥调取相关的智能合约对该工序上传的施工质量信息进行质量检查。如果智能合约检查合格，监理会在结果上进行数字签名，通知施工单位可以进行下一工序的施工；否则，智能合约将向施工人员提出返工要求，并立即通知施工单位和建设单位。不论智能合约的检查是否合格，智能合约检查的结果和该工序的原始施工质量信息包括各相关人员的数字签名、旁站记录等都将存储在第N+3个区块中。假如经过检查判定施工单位需要返工整改，此时之前验收的结果包括所有的质量信息存储在第N+3个区块中，则施工单位返工过程中的监理旁站记录将接着第N+3个区块，继续存储在第N+4个区块中，当施工单位按照监理的要求对工序整改完毕且重新自检合格之后，重新提交质量信息和验收申请，此时质量信息将存储至第N+5个区块中，监理调取智能合约的检查结果存储至第N+6个区块中，……以此类推。1.1.2.2隐蔽工程质量管理图3-6隐蔽工程质量管理隐蔽工程因为其施工完成之后将被“埋藏”进建筑物内，通过外部无法观察到，因此无法进行复查。若在隐蔽工程隐蔽之后想要进行质量排查或者出现质量问题，则需要重新挖开和隐蔽，会带来巨大的成本损失。因此，在隐蔽工程隐蔽之前需要进行严格的质量管理，保证所用建筑材料、施工工艺准确无误，且质量验收之后才能隐蔽，进行下一道工序。本系统针对隐蔽工程的质量管理过程如图3-6所示，具体来说如下：（1）当隐蔽工程开始施工之前，首先进行技术交底，在交底完成之后，交底人以及施工班组组长在技术交底记录上进行数字签名，经过共识之后上传至第N个区块中保存。在工序施工过程中，监理人员对施工过程监督工作落实情况，在监督过程中形成的旁站记录经监理人员数字签名之后接着第N个区块进行上传存储，即上传至第N+1个区块中。（2）当隐蔽工程施工完成之后，施工单位首先进行自检，自检合格之后请求监理单位验收，此时需上传《隐蔽工程验收申请表》，同时应提交相关证明材料如照片、自检报告等，加盖签名，在系统内进行广播，经过承包单位和监理单位共识之后，施工单位提交的所有材料均存储在区块N+2中。（3）监理单位收到验收通知后，对施工单位提交的材料进行审查，包括验收时间、地点是否明确，验收方式是否正确，资料是否完整等等。若不合格，则监理单位会向施工单位做出重新提交的通知；若合格，则监理会进行签字确认，并向相关负责人，包括项目负责人、质量检查员、施工员等发出现场检验的通知。此时，不论监理单位审查的结果如何，施工单位提交的所有材料以及审查结果都会在第N+3个区块中存储。（4）相关负责人包括在收到监理单位的通知后，按照施工单位提交的验收时间和地点，按时到达现场，对隐蔽工程进行现场检查。检查包括隐蔽工程是否按照设计文件施工、使用材料是否符合要求、申报材料与隐蔽工程实物是否符合等等。若是经过现场检查，隐蔽工程达到了质量验收要求，则监理人员会在施工单位提交的《隐蔽工程验收申请表》以及隐蔽工程合格签证上签字，隐蔽工程可以隐蔽，可以开始下一道工序的施工。若是现场检查不合格，则监理会在系统中发出整改通知。不论现场检查结果是否合格，所有的信息都将存储至第N+4个区块中。同1.1.2.1一样，当在验收过程中，任何一步检查不合格，假设此时检查结果存储在第M个区块中，那么施工单位整改后上传的质量信息，将接着第M个区块继续存储，存储在第M+1个区块中，以顺延区块链条。1.1.2.3材料管理过程图3-7材料管理流程建筑工程质量的好坏直接取决于建筑材料的优劣，而目前出现建筑工程质量问题很重要的一个原因就是材料质量不合格，例如因防水材料防水性能不好而引起卫生间渗漏、混凝土质量不合格导致混凝土开裂等，因此必须做好建筑材料的质量管理工作。利用本系统对建筑材料进行管理的过程如图3-7所示，具体如下：（1）除甲供材外，工程总承包单位在确定好不同材料的供应商之后，在系统内提交材料供应商的信息，如企业资质证书、安全生产许可证、营业执照等，申请监理单位审核，并对信息进行数字签名，经共识上传至第N个区块中。监理单位收到申请之后，用总承包单位的公钥验证签名，对提交信息进行审核，若审核通过，则在申请上做数字签名并通知业主，若审核未通过，则退回申请，不予