在预制建筑中，结合物联网（IoT）和区块链技术实施具有安全意识的碳管理

《ADVANCED ENGINEERING INFORMATICS》：Security-aware carbon management in prefabricated construction integrating IoT and blockchain

针对建筑预制构件生产中多源异构碳足迹数据整合困难及链上计算安全不足的问题，本研究提出物联网-区块链融合框架（IBI），创新性地设计碳到链映射方法与嵌入计算能力的智能合约算法，通过实验验证了其在提升数据可信度、自动化管理和防篡改方面的有效性。

　　

冉燕|赵茂|李志强|郑成良|陶星宇

重庆大学管理科学与房地产学院，中国重庆

摘要

在建筑领域，安全的碳管理对于减少碳排放、进行审计和交易至关重要。然而，现有的方法（无论是基于纸张的还是基于物联网的）都面临着网络安全挑战，如数据篡改、缺乏可追溯性以及欺诈和洗绿的风险。区块链以其不可变和透明的数据存储能力提供了一个有前景的解决方案。然而，现有研究主要集中在存储特定类别的数据上，同时存在两个关键缺口：（1）缺乏将多源异构碳足迹数据格式化为区块链兼容模式的方法；（2）缺乏安全的链上碳排放计算方法以防止错误或篡改。为了填补这些缺口，本文提出了一种物联网-区块链集成（IBI）框架，用于自动化和安全的碳排放管理，并对知识体系做出了两项贡献：（1）开发了一种“碳到链”的映射方法，将多源异构碳数据转换为可互操作的交易数据模型；（2）设计了一种计算嵌入式智能合约（CESC）算法，使智能合约超越“数据存储”功能，实现“链上计算和存储”。实地实验和行业访谈验证了所提出的IBI框架的可行性和性能。通过改进现有仅在区块链上存储部分碳数据的方法，该框架标准化了混乱的碳数据，并在链上安全地计算这些数据，将碎片化的记录转化为可互操作、可审计的会计信息。这样，建筑行业的利益相关者（包括组件制造商和碳市场参与者）可以获得可靠、实时且可审计的碳数据和计算结果，从而减少洗绿和欺诈行为，同时实现合规的报告和交易。

引言

建筑行业是全球碳排放的主要来源，约占人为总排放量的13% [1]。在建筑行业中，安全的碳管理对于减少碳排放、进行审计和交易至关重要 [2]。目前，有两种主要的方法用于管理碳数据：基于纸张的方法和基于物联网的方法。基于纸张的方法依赖于手动记录数量清单、每日施工报告和办公公用事业账单等传统方法 [3]。然而，这些方法往往效率低下，容易出错，并且当材料数量清单、机器能源和资源消耗以及运输燃料消耗记录（这些代表了具有多样格式和来源的多源异构碳足迹数据）的数据不完整时，可能会导致记录不完整 [4]。相比之下，物联网技术的应用实现了高效且覆盖范围广泛的自动化实时碳数据收集 [5]、[6]。在建筑工业化的背景下，基于物联网的建筑碳捕获已成为最有前景的方法之一，并已在多个阶段证明有效，包括材料运输 [7]、现场施工 [8]、建筑运营 [9] 和预制组件生产 [10]。

然而，这两种方法都面临重大的数据安全挑战，尤其是数据篡改和丢失。已经有过通过伪造碳数据来获取额外碳信用或绿色融资的案例 [11]。一些项目还使用虚假的施工信息或误导性的计划来夸大其可持续性，以获得社会声誉或政府补贴，这种做法通常被称为“洗绿” [12]。此外，大多数当前的物联网系统都是建立在中央数据库之上的，这些数据库本质上容易受到授权参与者或恶意外部实体（例如黑客或网络钓鱼工具）的操纵 [13]。此外，这种集中化结构由于系统缺陷而容易受到单点故障的影响，可能导致数据无法恢复 [14]。最新统计数据显示，此类事件造成的平均财务损失超过25万美元 [15]。因此，安全的碳管理对于有效解决建筑行业碳审计中的可追溯性和信任问题以及确保碳交易的更可靠实施至关重要 [16]。

区块链技术为这些挑战提供了潜在的解决方案。作为一种先进的数据库机制，区块链能够在商业网络内实现透明的信息存储和共享，具有去中心化、共识和不可变性等关键特性 [17]。在建筑行业中，它已被越来越多地应用于提升现场信息管理 [18] 和质量检查 [19] 等领域的安全性。此外，一些研究探索了区块链在管理能源消耗和碳排放方面的应用。例如，Shu等人 [20] 研究了建筑项目实施阶段的区块链碳管理解决方案；然而，他们的方法仍然依赖于基于纸张的碳排放数据收集。值得注意的是，这种集成已在制造业中得到广泛应用，以提高数据管理的效率和安全性 [21]、[22]。Li等人 [23] 将物联网计算的碳排放数据存储在预制住房建筑的整个生命周期中。然而，现有研究主要利用区块链存储特定类别的碳数据。因此，发现了两个关键缺口：（1）缺乏将多源异构碳足迹数据格式化为区块链兼容模式的方法；（2）缺乏安全的链上碳排放计算方法以防止错误或篡改。

因此，本研究旨在解决一个关键研究问题：如何整合物联网和区块链，超越安全的碳数据存储，实现异构数据的标准化和安全的计算过程，从而在建筑行业中实现互操作和防篡改的碳管理？ 为此，本研究旨在开发一种物联网-区块链集成（IBI）框架，用于预制建筑组件生产中的自动化和安全管理碳排放。选择预制建筑作为研究的重点，主要有三个原因：首先，它通过标准化制造显著提高了生产力 [24]；其次，它有助于减少碳排放；受控的工厂环境严格减少了材料浪费，并优化了机械能源消耗，相比现场施工 [25]；第三，其高度可重复的过程和稳定的条件使得碳足迹数据的准确捕获成为可能，为验证所提出的系统提供了实际基础 [26]。

IBI框架对知识体系的贡献在于回答两个子问题：

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如何将从物联网捕获的多源异构碳足迹数据格式化为与区块链兼容的数据模式，以实现互操作的数据管理？现有研究中很少探讨在建筑碳排放管理中整合物联网和区块链的机制。特别是，关于如何从预制生产线捕获多源异构碳足迹数据（主要包括总材料使用量（包括合理损耗，例如钢筋和混凝土）以及机器能源和资源消耗（例如电力和水）以及如何将这些数据格式化以确保在区块链上的互操作性，仍然存在问题。为了解决这些挑战，本研究采用了以下方法：首先，它开发了IBI框架来说明去中心化环境中的安全碳排放管理机制；其次，它实现了基于物联网的系统，用于实时捕获多源异构碳足迹数据；第三，它引入了一种“碳到链”的映射方法，从两个方面促进互操作性：一方面，它将异构物联网数据转换为区块链兼容的交易模型 [27]；另一方面，它为安全存储和链上计算建立了标准化基础，使得制造商、承包商、所有者和监管机构之间能够进行可信的数据共享和监管。

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如何将碳排放计算知识嵌入区块链流程中，将其范式从“安全碳存储”扩展到“安全碳计算”？现有的区块链碳管理解决方案在实现安全链上计算方面存在不足。这一限制是因为当前的区块链智能合约主要设计用于自动化简单的决策逻辑，例如促进金融交易 [28]，而在智能合约中嵌入自动化的碳排放计算功能尚未得到探索。为了解决这一挑战，本研究设计了一种计算嵌入式智能合约（CESC）算法，使智能合约超越数据存储功能，实现安全链上计算和存储。首先，碳排放量化模型和相应的排放因子数据库被编码在CESC中，以防止在链下计算过程中对公式或因子进行篡改。其次，CESC在链上执行，通过处理原始交易输入数据自动计算碳排放值。最后，计算结果根据预定义的交互规则与区块链账本进行交互。

本文的其余部分结构如下：第2节回顾了预制建筑中碳排放管理的先前研究以及区块链和智能合约在建筑中的应用，重点关注建筑碳管理。第3节概述了研究方法。第4节描述了IBI框架的开发过程。第5节通过实地实验展示了IBI框架的可行性，并评估了其性能和功能。第6节讨论了理论贡献、技术创新和实际价值。最后，第7节总结了研究结果并提出了未来工作的方向。

节选

预制建筑的碳排放管理

全球有80多个环保组织（以世界绿色建筑委员会为代表）紧急呼吁建筑和施工行业在2050年前实现100%的净零碳排放 [29]、[30]。然而，实现这一雄心勃勃的目标的主要挑战在于施工阶段产生的碳排放 [31]、[32]，特别是来自建筑材料和能源消耗的碳排放 [33]。有效管理建筑碳数据至关重要

研究动机

通过与现有研究的比较分析来说明本研究的动机，如图1所示。具体而言，关于建筑行业和其他行业的碳管理的研究被分为基于物联网的方法、基于区块链的方法和物联网-区块链集成方法，每种方法都有其各自的局限性。首先，基于物联网的方法面临数据安全挑战，尤其是数据篡改和丢失。其次，基于区块链的方法也存在问题

IBI框架的工作流程

物联网和区块链的集成已在建筑以外的领域得到广泛探索，如物流、制造业和能源行业。如表2所示，每个领域的典型应用场景决定了它们的特定数据类型，这反过来又需要不同的物联网-区块链数据互操作性方法和定制的智能合约功能的发展。在预制组件生产的碳排放管理特定背景下，

验证准备

碳捕获系统架构：开发了一个集成的物联网-区块链系统，用于捕获和管理预制组件生产中的碳排放数据。首先，基于物联网的子系统使用Java在Eclipse环境中构建，并使用MySQL数据库进行数据存储。它包括硬件和软件组件。硬件配备了一个集成传感器立方体，配备了多个传感和数据传输模块，包括RFID读取器、激光

理论贡献：数据互操作性和安全链上计算

现有关于物联网和区块链在建筑中集成的研究主要利用区块链进行安全存储，特别是记录信息变更或加密项目文档。本研究提出的IBI框架将这种集成扩展到了安全存储之外，实现了异构碳足迹数据的标准化和安全计算过程，从而在建筑行业中实现互操作和防篡改的碳管理。这有助于

结论

在工业化建筑中整合物联网和区块链技术可以显著提高项目排放控制和企业低碳倡议的数据时效性、准确性、可靠性和安全性。然而，这种集成仍需进一步探索。需要一种安全的解决方案来处理碳数据存储和计算。作为初步努力，本研究提出了IBI框架，用于预制建筑组件生产中的自动化和安全管理碳排放

CRediT作者贡献声明

冉燕：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，软件，方法论，调查，形式分析，数据整理，概念化。赵茂：撰写 – 审稿与编辑，监督，项目管理，方法论，资金获取。李志强：可视化，验证，调查。郑成良：可视化，验证，软件。陶星宇：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法论，调查，形式分析，

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号72471039）、中国教育部人文社会科学基金（项目编号24YJA630064）、香港理工大学（UGC）新员工启动基金（P0056204）以及浙江省“先锋”和“领头雁”科技计划项目（2026C04040）的支持。