基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)研究

金虹　陳玉鳳　張路迎　孟令璽　查星異　張凡凡

摘? ?要：針對碳排放快速增長給環(huán)境帶來的威脅，世界各國采取了立法措施開展減排行動。中國在聯(lián)合國大會上向世界承諾：力爭于2030年前實現(xiàn)碳達(dá)峰，努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和。將區(qū)塊鏈與碳排放監(jiān)測預(yù)警結(jié)合將會是我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的突破口，通過將監(jiān)測機構(gòu)、碳交易市場、政府管理、碳排放企業(yè)構(gòu)建區(qū)塊鏈生態(tài)體系社區(qū)，形成基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過分布式存儲來實現(xiàn)對排放企業(yè)的數(shù)據(jù)監(jiān)控，從而保障各生產(chǎn)企業(yè)的碳排放量下降，最終實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：碳達(dá)峰；碳中和；區(qū)塊鏈技術(shù)；碳交易市場；碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)

中圖分類號：F207? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2023）04-0036-03

一、文獻(xiàn)綜述

近些年來，區(qū)塊鏈、碳排放監(jiān)測、碳達(dá)峰、碳中和都成為熱點話題，我國許多研究者在這些方面展開研究。馬剛（2022）進(jìn)行了基于區(qū)塊鏈技術(shù)的工業(yè)數(shù)據(jù)安全防護(hù)的研究，提出了一種新的體系架構(gòu)，從完整性和冗余性這兩個方面來增強工業(yè)數(shù)據(jù)安全性[1]。遲占博等（2022）研究了利用區(qū)塊鏈的可追溯、防篡改特點，確保交易過程中的安全性[2]。馬虹（2020）進(jìn)行了智慧能源及碳排放監(jiān)測管理云平臺系統(tǒng)方案的研究與應(yīng)用，基本建成區(qū)一級統(tǒng)一的能耗監(jiān)測與管理中心[3]。張欽等（2021）研究了一套在線監(jiān)測碳排放的標(biāo)準(zhǔn)方法，提出了提升在線監(jiān)測數(shù)據(jù)質(zhì)量[4]。陳赟等（2022）以區(qū)域智慧能源服務(wù)平臺為研究基礎(chǔ)，依靠能源大數(shù)據(jù)應(yīng)用，從政府、企業(yè)、交易市場三方視角開展智慧“能源+雙碳”服務(wù)平臺的建設(shè)工作[5]。王深等（2021）以我國主要耗煤產(chǎn)業(yè)、電力、供熱、交通以及森林碳匯量為研究對象，構(gòu)建了基于低成本碳達(dá)峰、碳中和路徑的多目標(biāo)模型[6]。

綜上，當(dāng)前的研究集中在區(qū)塊鏈的應(yīng)用、碳排放市場、監(jiān)測系統(tǒng)，較少將其結(jié)合成一個體系。本文研究將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到碳排放監(jiān)測預(yù)警上，通過區(qū)塊鏈技術(shù)保障監(jiān)測數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)的真實可信任，為政府提供可靠的監(jiān)管體系。

二、基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)適用場景

基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的參與主體有各省生態(tài)環(huán)境局等政府監(jiān)管部門，高耗能、高排放的電力、化工、水泥、鋼鐵、玻璃、建材、造紙、航空、有色金屬等重點碳排放企業(yè)、地方碳交易市場和商業(yè)銀行。

所有參與主體通過區(qū)塊鏈的聯(lián)盟鏈搭建在一起，組成一個體系。區(qū)塊鏈技術(shù)中的密碼學(xué)技術(shù)和共識機制保證了數(shù)據(jù)的不可篡改性、可信任性。只要定期將在生產(chǎn)企業(yè)端碳排放監(jiān)測數(shù)據(jù)作為交易數(shù)據(jù)上鏈，傳輸?shù)皆诠?jié)點區(qū)塊上，都可以被追溯，防止數(shù)據(jù)篡改，全程透明和可追蹤，打破行業(yè)中的數(shù)據(jù)孤島，給體系中的當(dāng)事人一種保障。區(qū)塊鏈中每一個當(dāng)事人都是一個節(jié)點，數(shù)據(jù)都在同步傳輸，這也就是區(qū)塊鏈去中心化的極大優(yōu)勢。若監(jiān)測到超過分配給其企業(yè)的碳排放額，企業(yè)可在其銀行賬戶的資金通過碳交易市場向碳配額冗余的企業(yè)購買，初始過程中企業(yè)申請并獲得的碳排放配額和后續(xù)歷次交易碳排放權(quán)的流程都會被聯(lián)盟鏈記錄到各個節(jié)點的數(shù)據(jù)庫中[7]。環(huán)境保護(hù)局掌握企業(yè)的排放配額，加上對企業(yè)上鏈的排碳數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，即可實現(xiàn)精準(zhǔn)監(jiān)控。若企業(yè)未超配額，就不會被警告；若超額，則會受到警告，并要進(jìn)行相應(yīng)行政處理。

三、我國各省在碳排放管理中面臨的問題

（一）生產(chǎn)企業(yè)的碳排放難以控制

我國生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模龐大，遍布各行各業(yè)，碳排放總量大，且很多企業(yè)從來沒有核算過自身的碳排放量。一般來講，要想降低企業(yè)的碳排放量，只能降低產(chǎn)能，這無疑將影響到企業(yè)的收入和利潤。如何在保證生產(chǎn)經(jīng)營和降低碳排放兩者之間達(dá)成平衡，是擺在企業(yè)經(jīng)營者面前的一個挑戰(zhàn)。

（二）政府難以監(jiān)測到真實的碳排放數(shù)據(jù)

生產(chǎn)企業(yè)眾多，碳排放數(shù)據(jù)不斷變化而且難免會有企業(yè)向政府報告虛假數(shù)據(jù)，在沒有統(tǒng)一體系管理的情況下，政府也無法判別數(shù)據(jù)的真實性。2022年3月，我國生態(tài)環(huán)境部發(fā)布公告，有四家公司碳排放數(shù)據(jù)存在造假行為。由此可以看出造假行為時有發(fā)生。

（三）生產(chǎn)企業(yè)碳排放未能得到及時預(yù)警

當(dāng)生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)工作進(jìn)行時，若碳排放即將超標(biāo)，政府沒有及時進(jìn)行干預(yù)，企業(yè)收不到監(jiān)管部門預(yù)警的信號，會使企業(yè)缺少危機意識。若沒有有效的預(yù)警系統(tǒng)，企業(yè)的碳排放問題將難以解決。

（四）各省沒有碳配額的企業(yè)如何購買尚未解決

碳交易市場目前在發(fā)展階段，目前仍有省份沒有開啟碳配額的分配。這意味著會有企業(yè)對于減少碳排放缺少合理的方式和渠道。這些企業(yè)如何購買碳配額，如何參與到碳交易市場中的問題仍未解決。這對各省的碳減排行動將造成不利影響。

四、基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測系統(tǒng)運行機制

首先應(yīng)用碳監(jiān)測器對企業(yè)的碳排放情況進(jìn)行監(jiān)測，定期將得到的數(shù)據(jù)上鏈，依據(jù)區(qū)塊鏈的分布式存儲底層技術(shù)，把碳排放數(shù)據(jù)存儲到區(qū)塊鏈生態(tài)系統(tǒng)中的各個節(jié)點。生態(tài)環(huán)境局以多層分配模式對企業(yè)進(jìn)行碳配額分配[8]。為了數(shù)據(jù)的真實有效，生態(tài)環(huán)境局需要使用由第三方CA 機構(gòu)頒發(fā)的私鑰對發(fā)放給企業(yè)的排放配額內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字簽名，通過添加數(shù)字簽名可以保證數(shù)據(jù)產(chǎn)生于生態(tài)環(huán)境局。由于私鑰只有生態(tài)環(huán)境局持有，任何第三方無法模仿數(shù)字簽名內(nèi)容，從而保證了數(shù)據(jù)的真實性。

獲取企業(yè)的排碳信息后，將會有兩種情況，一種是符合排碳額度，另一種是超出排碳額度。超額度企業(yè)可以進(jìn)入碳交易市場進(jìn)行購買，企業(yè)可以選擇向單個企業(yè)購買或向多個企業(yè)購買。其中，在碳交易市場交易中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)自動上鏈，每個節(jié)點都會產(chǎn)生相應(yīng)的交易數(shù)據(jù)，形成分布式存儲，實現(xiàn)交易全程數(shù)據(jù)被聯(lián)盟鏈上實名認(rèn)證的主體可信共享應(yīng)用。聯(lián)盟鏈由若干個結(jié)構(gòu)相同且彼此關(guān)聯(lián)的節(jié)點構(gòu)成，聯(lián)盟鏈中存在大量且不同的交易業(yè)務(wù)，鏈中每個節(jié)點中存儲了相同的業(yè)務(wù)信息，參與主體之間信息同步。除此之外，在區(qū)塊鏈的頭部還會有指向前一個區(qū)塊ID 的指針數(shù)據(jù)，用來確定與之關(guān)聯(lián)的上級節(jié)點，多個區(qū)塊節(jié)點就可以構(gòu)成一條首尾相連的“數(shù)據(jù)鏈條”。通過依次查找數(shù)據(jù)鏈條上的指向信息，就能夠準(zhǔn)確地定位到某次交易節(jié)點，并通過讀取節(jié)點數(shù)據(jù)獲取交易的具體內(nèi)容，每一個交易數(shù)據(jù)都配有時間戳。整個過程，對于篡改數(shù)據(jù)的可能性是零。這樣形成了當(dāng)事人多方共建、靈活互動的交易模式，凸顯區(qū)塊鏈可追溯的優(yōu)越性。系統(tǒng)運行機制如圖2所示。

在發(fā)現(xiàn)有企業(yè)碳排放即將超標(biāo)時，系統(tǒng)將通過智能合約自動實現(xiàn)預(yù)警。企業(yè)可以進(jìn)入碳交易市場交易購買碳配額。區(qū)塊鏈智能合約技術(shù)通過代碼實現(xiàn)預(yù)先設(shè)置的警報功能，無需人為干預(yù)，程序自動執(zhí)行，大大地提高整個體系的效率。系統(tǒng)可以按照先前設(shè)置自動觸發(fā)警報功能，在系統(tǒng)中的監(jiān)管部門會收到該企業(yè)被警報的信息，系統(tǒng)中政府監(jiān)管部門對超額企業(yè)進(jìn)行處理。

五、基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)新研究

（一）運用聯(lián)盟鏈的優(yōu)勢

基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)應(yīng)用區(qū)塊鏈中的聯(lián)盟鏈。聯(lián)盟鏈具有半去中心化的特征，在鏈的內(nèi)部，依靠區(qū)塊鏈形成了去中心化的網(wǎng)絡(luò)，而在鏈的外部，管理聯(lián)盟鏈的機構(gòu)或組織則可以對聯(lián)盟鏈中的內(nèi)容起到監(jiān)管作用。聯(lián)盟鏈的功能解決了政府難以監(jiān)測到真實的碳排放數(shù)據(jù)的問題，雖然公鏈的完全去中心化數(shù)據(jù)向全網(wǎng)公開，其數(shù)據(jù)可信程度更高，但當(dāng)今的區(qū)塊鏈?zhǔn)袌鲋械母鞣N風(fēng)險隱患也表明，一個可接受監(jiān)管的聯(lián)盟鏈相比野蠻生長的公鏈將會更加有效。

（二）預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

區(qū)塊鏈的智能合約技術(shù)通過代碼實現(xiàn)預(yù)先設(shè)置的警報功能，無需人為干預(yù)，程序自動執(zhí)行，大大地提高整個體系的效率。它有多種狀態(tài)屬性，且在制定之前就獲得多方認(rèn)可，可以按照先前設(shè)置自動觸發(fā)警報功能。在系統(tǒng)中的監(jiān)管部門會收到該企業(yè)被警報的信息，那么，由系統(tǒng)中相應(yīng)的政府監(jiān)管部門對超額企業(yè)進(jìn)行處理，就解決了生產(chǎn)企業(yè)的碳排放難以控制以及生產(chǎn)企業(yè)碳排放未能得到及時預(yù)警的痛點問題。

（三）碳交易市場的應(yīng)用

該體系中有碳交易環(huán)節(jié)，碳排放較高的企業(yè)使用該系統(tǒng)。當(dāng)各省為當(dāng)?shù)仄髽I(yè)下達(dá)碳排放配額后，通過該系統(tǒng)中的碳排放交易市場，可以幫助企業(yè)在碳排放過多時及時補救，進(jìn)行碳排放權(quán)的購買；當(dāng)企業(yè)碳排放余額充足時，也可以進(jìn)行出售；若某些省份沒有碳配額的發(fā)放，則可直接向其他企業(yè)購買。這樣，既達(dá)到了資源的合理配置，也解決了購買碳配額的問題。

六、構(gòu)建區(qū)塊鏈系統(tǒng)的前后對比分析

生產(chǎn)企業(yè)為經(jīng)濟增長做巨大貢獻(xiàn)的同時，也不可避免地出現(xiàn)環(huán)境污染的問題。若不構(gòu)建有效的政府監(jiān)管體系來治理少數(shù)造假碳排放數(shù)據(jù)的生產(chǎn)企業(yè)的不良行為，就會導(dǎo)致碳排放較高的企業(yè)保持碳的高排放，以至無法實現(xiàn)我國碳達(dá)峰和碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，不利于改善目前的全球氣候條件。

若構(gòu)建并使用基于區(qū)塊鏈的碳排放監(jiān)測預(yù)警體系，區(qū)塊鏈技術(shù)的分布式存儲、數(shù)據(jù)可信任、智能合約和共識機制等技術(shù)就會解決數(shù)據(jù)造假、生產(chǎn)企業(yè)難以管理等問題。體系中的碳交易市場幫助碳排放過高和碳配額有余量的企業(yè)進(jìn)行高效的交易，聯(lián)盟鏈的助力可以保證參與企業(yè)交易數(shù)據(jù)的真實性；體系中的企業(yè)全部由聯(lián)盟鏈實名認(rèn)證，避免了主體以外其他人或企業(yè)偷取以及篡改的可能。

七、結(jié)論

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，二氧化碳排放量也呈現(xiàn)上升趨勢。我國在聯(lián)合國大會上承諾在2060年實現(xiàn)碳中和，并為此開展節(jié)能減排。由于我國幅員遼闊，且工業(yè)排放溫室氣體情況不僅難以檢測，而且各地都是將數(shù)據(jù)存儲在自己的本地服務(wù)器，無法做到全國共享，所以難以對我國的總體溫室氣體排放進(jìn)行有效監(jiān)測。并且，國內(nèi)各地方?jīng)]有統(tǒng)一的平臺提供實時碳排放配額交易，影響了生產(chǎn)企業(yè)的正常生產(chǎn)經(jīng)營，進(jìn)而危害到市場經(jīng)濟。

在經(jīng)歷了空氣污染、碳排放無法追蹤和有效監(jiān)測后，我國要達(dá)成在聯(lián)合國大會許下的碳中和承諾，就必然得建立起一套完善的碳排放預(yù)警和交易機制系統(tǒng)。本文研究基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，以現(xiàn)有的大數(shù)據(jù)、人工智能和區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)和依托，實現(xiàn)各省對企業(yè)的碳排放情況的實時監(jiān)測，并適時作出相應(yīng)預(yù)警。通過碳排放權(quán)交易市場為生產(chǎn)企業(yè)提供幫助，并給國家提供真實、可信任的碳排放數(shù)據(jù)，便于未來更合理地進(jìn)行碳排放政策的決策。

歸根結(jié)底，建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的碳排放監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是我國實現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和，并為下一代人留下綠水青山的重要保證，惠及全國人民。

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[責(zé)任編輯? ?興? ?華]