文章导读

建筑、工程、施工、运营和采矿 (Building, Engineering, Construction, Operations, and Mining, BECOM) 作为世界上最重要的几个行业，与其他制造业相比，在过去几十年中均遇到了生产率下降等关键问题。

新南威尔士大学建筑环境学院的Samad Sepasgozar 博士及其团队在 Buildings 期刊发表了文章。作者开发了一种新颖的概念模型，用于在BECOM 工业4.0中为数字孪生 (Digital Twin(s), DT) 实施区块链技术 (Blockchain Technology, BCT)，以提高信任、网络安全、效率、信息管理、信息共享和可持续。

作者使用 PESTELS 分析法综述了现有文献资料并确定了 BECOM 工业4.0所面临的挑战；评估了影响 BCT 在 BECOM 工业4.0中应用的关键因素；提供了一种行业特定的分析和技术方法；通过 DT 促进 BCT 的采用，以应对关键挑战并提高 BECOM 工业4.0的可持续性。

主要内容

1. 基于 PESTELS 方法的文献综述

BCT 将对整个社会产生变革性影响，并在社会的各个方面提供范式转变，包括政治、经济、社会、技术、环境、法律和安全等因素。政治方面，BECOM 行业需要监管变革以进一步拥抱数字化。经济方面，BCT 的经济实施成本可能很高，但普及之后 BECOM 工业4.0的长期财务收益可能会显著提升。社会方面，BECOM 行业面临的主要挑战是行业形象不佳、结构碎片化、缺乏协作、缺乏信任和缺乏透明度。技术方面，BECOM 行业需要特定的高级 IT 基础设施，以及对确保能源效率的有效区块链共识机制的需求。环境方面，BECOM 行业产生的材料废物对环境造成了破坏。法律方面，BECOM 行业的主要挑战涉及法律纠纷、违约、不良支付方式和合规问题。安全方面，随着行业的数字化，网络威胁是组织的主要安全风险，其中数据隐私、数据安全和数据保护是工业革命4.0的主要挑战。

2. 影响数字孪生应用的关键技术因素

涉及与 IT 技术要求相关的三个主要因素。第一个是实现行业网络的充分去中心化，因为去中心化是 BCT 的本质，它提供了一个不可变的可信分布式账本 (通过对等网络)，而不依赖于集中式可信第三方。第二个因素与技术基础设施和计算能力的去中心化有关 (比如使用去中心化可信链下计算和去中心化存储系统)。因此，BECOM 行业应用程序的分散式应用程序 (DApps) 和数据存储要求将不依赖于易受网络威胁的集中式 IT 系统。第三个因素是 BCT 与 BECOM 行业数据价值链的整合。图1展示了 BECOM 行业内利益相关者的区块链分类账之间的互操作性要求。

图1. 不同层次的行业利益相关者之间的区块链生态系统图。

3. 去中心化的数字孪生周期

本文提供了去中心化数字孪生周期 (Decentralized Digital Twin Cycle, DDTC) 的概念模型，包括三个核心区块链层。BCT 是模型的核心，作为数据完整性的推动者。DDTC 有四个关键的架构层：连接层、数据管理层、计算层和区块链层。BCT 与 BECOM 工业4.0其他关键技术的集成方面，DDTC 模型将 BCT 与 BIM、IoT 和 DT 连接起来，以便将关键 BIM 数据锚定在区块链上。例如，在设计阶段，3D BIM 空间数据、实时模型更新和设计参数可以锚定在区块链上。4D BIM 调度、采购和供应链数据可以在施工过程中锚定在链上。在运维过程中，可以将6D BIM 数据、智能建筑物联网传感器数据、维护数据锚定在链上。

如图2所示，DDTC 的数据管理层包括可以通过区块链智能合约自动化的关键流程以及可以锚定在链上的关键数据。作者认为未来的研究工作应该确定哪些项目数据应该存储在链上或链下。为了将 BCT 与物联网集成，DDTC 模型旨在通过基于区块链的协议分散连接层以进行物联网管理。在边缘发生的初始数据认证和管理能够根据双子座原则过滤进入 DDTC 的数据以减少数量和增加价值，如图2所示。最后，DDTC 模型建议将 BCT 与 DT 结合起来，通过将碎片化的数据孤岛统一到单一的事实来源，并将关键数据安全地锚定在区块链中，从而改善整个项目复杂生命周期的信息管理。

图2. 去中心化数字孪生周期。

研究总结

本文为工业4.0环境下的 BECOM 项目开发了 BCT 与 DT 集成的框架，确定了 BECOM 工业4.0影响 BCT 应用的挑战，评估影响 BCT 应用的关键技术因素，并提出一个概念模型，以促进 BECOM 工业4.0项目的 BCT 和 DT 集成。本文的独创性之一在于提出了一种分散数字双循环 DDTC 的新颖概念模型，该模型为 BECOM 工业4.0促进了可信、去中心化和可持续的 DT 生态系统。另一个独创性是确定了在 BECOM 工业4.0中影响 DT 采用 BCT 的技术差距：BECOM 工业4.0中 BCT 应用的技术和非功能性要求，以及与BCT与 BIM、IoT 和 DT 在整个复杂项目生命周期中的集成相关的技术挑战。

原文出自 Buildings 期刊

Teisserenc,B.; Sepasgozar, S. Adoption of Blockchain Technology through Digital Twins inthe Construction Industry 4.0: A PESTELS Approach. Buildings 2021, 11, 670. 

Buildings 期刊介绍

主编：David Arditi, Illinois Institute of Technology, USA

期刊领域涵盖建筑结构、建筑材料、建筑的维修和翻新、施工管理、建筑与环境、能源与建筑、建筑的运营维护和建筑设计等。

2021 Impact Factor：3.324

Time to First Decision：16.4 Days

Time to Publication：38 Days