基于區(qū)塊鏈和隱私計算技術(shù)的“碳標(biāo)簽”實(shí)現(xiàn)方法研究

陳正奎 崔偉

關(guān)鍵詞：碳標(biāo)簽；區(qū)塊鏈；隱私計算；供應(yīng)鏈

1“碳標(biāo)簽”的背景、原理和應(yīng)用現(xiàn)狀

“碳標(biāo)簽”（Carbon Labelling）是為應(yīng)對全球氣候危機(jī)，減少溫室氣體（GHG）排放量，以及推廣低碳排放技術(shù)，而把商品的全生命周期中所排放的溫室氣體量，在產(chǎn)品標(biāo)簽上用量化的指數(shù)標(biāo)示出來，以標(biāo)簽的形式告知消費(fèi)者產(chǎn)品在生產(chǎn)、流通過程（即供應(yīng)鏈全程）中的碳排放信息[1]。在中國，中國電子節(jié)能技術(shù)協(xié)會低碳經(jīng)濟(jì)專業(yè)委員會發(fā)起了中國“碳標(biāo)簽”產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟。認(rèn)證后，產(chǎn)品上可以打印“碳標(biāo)簽”，直觀顯示產(chǎn)品的碳排放量信息，引導(dǎo)消費(fèi)者選擇低碳、節(jié)能、環(huán)保的產(chǎn)品，從而推動實(shí)現(xiàn)全民綠色低碳消費(fèi)[2]。

目前，全球有11 個國家和地區(qū)，包括英國、美國、韓國、歐盟等，積極發(fā)展“碳標(biāo)簽”制度。2018 年，中國開始推動碳足跡標(biāo)簽計劃，并陸續(xù)發(fā)布了《中國電器電子產(chǎn)品碳標(biāo)簽評價規(guī)范》《LED道路照明產(chǎn)品碳標(biāo)簽》等標(biāo)準(zhǔn)[3]。

2 基于區(qū)塊鏈結(jié)合隱私計算的“碳標(biāo)簽”技術(shù)分析

從供應(yīng)鏈的視角看，“碳標(biāo)簽”需要包括產(chǎn)品全生命周期的碳排放信息，從原材料到運(yùn)輸、生產(chǎn)、銷售，到消費(fèi)和廢棄回收的所有環(huán)節(jié)，需要對碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行收集和計算。還需要考慮供應(yīng)鏈中的碳足跡數(shù)據(jù)、計算方法和具備核證資質(zhì)的第三方機(jī)構(gòu)。目前，企業(yè)在產(chǎn)品的碳排放、碳減排和碳目標(biāo)管理流程中受到信息不透明和信任缺乏的困擾，往往造成信息孤島，從而影響了“碳標(biāo)簽”的實(shí)現(xiàn)[4]。

區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和存證機(jī)制，具有連貫性和透明度，可打通碳排放、碳減排和碳目標(biāo)管理流程中的信息孤島。區(qū)塊鏈技術(shù)和應(yīng)用平臺以去中心化、防篡改、可追溯和全程留痕等技術(shù)特點(diǎn)為基礎(chǔ)，采用加密算法、共識機(jī)制、節(jié)點(diǎn)管理、智能合約、權(quán)限管理以及分布式存儲等技術(shù)，結(jié)合隱私計算技術(shù)，實(shí)現(xiàn)碳排放數(shù)據(jù)的不可篡改和可追溯，從而實(shí)現(xiàn)多方信任，支持產(chǎn)品全生命周期碳排放信息的可信記錄和碳排放全周期的可信流轉(zhuǎn)。

由于具體的實(shí)現(xiàn)方式與平臺有關(guān)，本文提供一個簡單的示例來介紹如何使用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)碳標(biāo)簽問題的解決方案。該示例基于以太坊區(qū)塊鏈平臺和Solidity 智能合約編程語言。

首先，在以太坊上創(chuàng)建一個名為“CarbonLabel”的智能合約，用于存儲產(chǎn)品全生命周期的碳排放信息。該合約包含以下重要函數(shù)：

addCarbonData：供企業(yè)將產(chǎn)品的碳排放數(shù)據(jù)添加到智能合約中。此函數(shù)需要傳入?yún)?shù)：企業(yè)名稱、流程階段（例如采購、生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)龋?、產(chǎn)品類型、時間戳、碳排放數(shù)據(jù)等。

getCarbonData：供用戶查詢某一產(chǎn)品在不同階段的碳排放數(shù)據(jù)。此函數(shù)需要傳入?yún)?shù)：產(chǎn)品類型、開始時間、結(jié)束時間等。

verifyCarbonData：供第三方機(jī)構(gòu)驗(yàn)證產(chǎn)品的碳排放數(shù)據(jù)，并為其提供數(shù)字證書。此函數(shù)需要傳入?yún)?shù)：企業(yè)名稱、流程階段、產(chǎn)品類型、時間戳、碳排放數(shù)據(jù)等。

接下來，可以使用Solidity 編寫相應(yīng)的代碼來實(shí)現(xiàn)以上功能。以下是一個簡單的示例：

在上述示例代碼中，定義了一個結(jié)構(gòu)體Carbon-Record 來表示單條碳排放記錄，然后使用一個映射類型的carbonData 變量來存儲所有的記錄。在addCarbonData函數(shù)中，企業(yè)可以向智能合約添加新的碳排放數(shù)據(jù)。在getCarbonData 函數(shù)中，用戶可以根據(jù)產(chǎn)品類型、開始時間和結(jié)束時間查詢對應(yīng)的碳排放數(shù)據(jù)。在verifyCarbonData 函數(shù)中，第三方機(jī)構(gòu)可以對某一記錄的碳排放數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證并生成數(shù)字證書。此外，本文還通過authorizedVerifier 映射變量實(shí)現(xiàn)了權(quán)限管理功能，確保只有授權(quán)的第三方機(jī)構(gòu)才能調(diào)用verify-CarbonData 函數(shù)。

通過以上示例代碼，可以看到區(qū)塊鏈技術(shù)是如何幫助解決碳標(biāo)簽問題的。通過建立一個去中心化的碳排放數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，所有參與方都可以在區(qū)塊鏈上共享數(shù)據(jù)，并確保數(shù)據(jù)的安全性、透明度和可追溯性。此外，通過智能合約的編程，也可以實(shí)現(xiàn)對碳排放數(shù)據(jù)的驗(yàn)證和數(shù)字證書簽發(fā)等功能，從而提高了碳標(biāo)簽的可信度和公信力。然而在實(shí)際應(yīng)用中還需要考慮如何確保數(shù)據(jù)的隱私安全，并采取相應(yīng)的措施來防止惡意攻擊和篡改。

為了保護(hù)產(chǎn)品全生命周期碳排放數(shù)據(jù)的安全性，需要對全供應(yīng)鏈的數(shù)據(jù)進(jìn)行管理，數(shù)據(jù)不能離開本地的存儲節(jié)點(diǎn)，同時還存在對數(shù)據(jù)流通的規(guī)范性要求。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)流通的平衡，可以采用隱私計算技術(shù)。隱私計算的目標(biāo)是：在完成計算任務(wù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計算過程和數(shù)據(jù)計算結(jié)果的隱私保護(hù)。數(shù)據(jù)計算過程的隱私保護(hù)指參與方在整個計算過程中難以得到除計算結(jié)果以外的額外信息，數(shù)據(jù)計算結(jié)果的隱私保護(hù)指參與方難以基于計算結(jié)果來逆推原始輸入數(shù)據(jù)和隱私信息。

例如，考慮一個碳標(biāo)簽的應(yīng)用場景，在整個供應(yīng)鏈中涉及多個企業(yè)和組織的碳排放數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)需要進(jìn)行計算和分析，以確定每個企業(yè)或組織的碳排放量，并生成合適的碳標(biāo)簽。由于存在數(shù)據(jù)隱私和安全性的問題，不同企業(yè)或組織之間不能直接共享數(shù)據(jù)。但是，使用聯(lián)邦學(xué)習(xí)或多方安全計算等隱私計算技術(shù)，可以在不將數(shù)據(jù)集中到任何單一地點(diǎn)的情況下進(jìn)行跨企業(yè)或組織的碳排放數(shù)據(jù)計算和分析。這些技術(shù)能夠確保數(shù)據(jù)保持在本地存儲節(jié)點(diǎn)上，并在計算過程中對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和處理，從而保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私和安全。

以下Python 示例代碼，展示了如何使用隱私計算技術(shù)來解決碳標(biāo)簽面臨的供應(yīng)鏈中數(shù)據(jù)流通和隱私保護(hù)問題：

在上述示例代碼中，首先加載了MNIST 手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集，然后使用隱私計算技術(shù)來訓(xùn)練一個卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。具體地，使用DPExponentialMovingAverage隱私機(jī)制來對優(yōu)化器進(jìn)行修正，并在訓(xùn)練過程中對模型參數(shù)進(jìn)行梯度裁剪和添加高斯噪聲，從而確保模型能夠保護(hù)數(shù)據(jù)的隱私。最終，使用測試集對模型進(jìn)行驗(yàn)證，并輸出測試準(zhǔn)確率。

通過以上示例代碼，可以看到隱私計算技術(shù)可以很好地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全與數(shù)據(jù)流通的平衡。在實(shí)際應(yīng)用中，還需要根據(jù)具體情況選擇相應(yīng)的隱私計算技術(shù)，并進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮?shù)和超參數(shù)的調(diào)整，以達(dá)到更好的性能和隱私保護(hù)效果。此外，還需要考慮數(shù)據(jù)的分布情況、參與方的信任度等因素，并采取措施來防止參與方惡意操作或非法獲取數(shù)據(jù)。

總之，隱私計算技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)隱私的保護(hù)，并在不離開本地存儲節(jié)點(diǎn)的情況下進(jìn)行跨組織的數(shù)據(jù)計算和分析。這為碳標(biāo)簽等需要多方、多節(jié)點(diǎn)、全鏈條數(shù)據(jù)協(xié)作的應(yīng)用場景提供了一個可行的解決方案，實(shí)現(xiàn)“可用不可見”的數(shù)據(jù)安全防護(hù)。

3“碳標(biāo)簽”數(shù)據(jù)管理平臺的實(shí)踐分析

筆者運(yùn)用本文所述的方法，開發(fā)了“碳標(biāo)簽”數(shù)據(jù)管理平臺并在全國首次應(yīng)用到雷竹水果筍的碳標(biāo)簽過程中。根據(jù)測定，東部省份某地雷竹水果筍（農(nóng)產(chǎn)品）的碳排放值為-45.53g/kg，按目前產(chǎn)量推算，每畝雷竹水果筍每年可固碳237.97 kg，是眾多農(nóng)產(chǎn)品中固碳效益較高的農(nóng)產(chǎn)品。目前該地共種有雷竹水果筍3000 畝，每年可吸收二氧化碳713.91 噸。

該平臺的碳足跡評估標(biāo)準(zhǔn)按照英國標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會BSI“PAS2050：2008”規(guī)范，以產(chǎn)品生命周期（LCA）為基礎(chǔ)，參考企業(yè)—企業(yè)（Business- to- Business， BTB）原則，包括原材料運(yùn)輸、產(chǎn)品生產(chǎn)、到包裝入庫等供應(yīng)鏈過程中的碳足跡大小[5]。該平臺采取全程跟蹤收集所有的物質(zhì)或活動的數(shù)量和強(qiáng)度數(shù)據(jù)，其中生產(chǎn)工藝中的量化數(shù)據(jù)通過計測每道工序機(jī)器的功率和運(yùn)行時間，并每組采集多個樣本，多組重復(fù)計測以減少誤差。假定上游的原竹自然生長，只計算運(yùn)輸數(shù)據(jù)、投入品（如膠、油漆、包裝紙等）收集使用的數(shù)量和運(yùn)輸?shù)臄?shù)據(jù)等。數(shù)據(jù)的收集是案例分析的重點(diǎn)及難點(diǎn)，是碳足跡清單分析的核心部分。針對雷竹水果筍生產(chǎn)過程的所有排放源收集初級活動水平數(shù)據(jù)和生產(chǎn)過程的碳轉(zhuǎn)移數(shù)據(jù)，并把這些數(shù)據(jù)歸為能源流、物質(zhì)流和碳等分類存儲。見表1。

雷竹水果筍碳足跡評估是供應(yīng)鏈全過程的所有排放源的二氧化碳排放量減去雷竹林增加的碳儲量。其中二氧化碳排放當(dāng)量是通過生產(chǎn)過程中所有材料、能源耗量的初級活動水平數(shù)據(jù)（AD）乘以其排放因子（EF）之和。換算成溫室氣體排放量（GHG），再乘以全球增溫潛勢（GWP），就得到二氧化碳排放當(dāng)量，其中二氧化碳的GWP 為1。計算公式為：

為了保障參與各方的數(shù)據(jù)隱私，采用了隱私計算中的多方安全計算（MPC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的加密共享。在計算碳足跡的過程中，由于需要搜集供應(yīng)鏈全周期中各個環(huán)節(jié)的碳數(shù)據(jù)。MPC 技術(shù)的關(guān)鍵在于，在保證各方數(shù)據(jù)隱私的前提下，實(shí)現(xiàn)各方數(shù)據(jù)的可計算性。計算過程中，各方數(shù)據(jù)都被加密，并且只有與計算相關(guān)的密文共享信息暴露給其他參與方。因此，MPC 技術(shù)能夠保證各方數(shù)據(jù)隱私和商業(yè)機(jī)密不會被泄漏，確保了聯(lián)合計算的安全性和隱私性。

具體實(shí)現(xiàn)方案如下：

⑴ 碳足跡計算平臺首先為MPC 計算任務(wù)生成密鑰，并將密鑰分發(fā)給所有參與方。此外，平臺還同步需要查詢的主體身份信息。

⑵ 各個碳足跡參與機(jī)構(gòu)根據(jù)主體身份信息，查詢本地存儲的相應(yīng)碳足跡數(shù)據(jù)集，并將其進(jìn)行加密。加密過程中使用給定的密鑰，保證數(shù)據(jù)的機(jī)密性，并將加密后的數(shù)據(jù)作為MPC 計算的輸入因子。

⑶ 各機(jī)構(gòu)的MPC 計算節(jié)點(diǎn)之間基于MPC 協(xié)議完成碳足跡信息的聚合計算。聚合計算的過程中，各方只能夠看到與計算相關(guān)的密文，從而保證各方數(shù)據(jù)的隱私性。

⑷ 計算結(jié)束后，由數(shù)據(jù)管理平臺對各個參與方輸出的加密聚合結(jié)果進(jìn)行解密，得到最終的碳足跡信息聚合計算結(jié)果。

以上方案的核心是基于MPC 實(shí)現(xiàn)的密文計算，實(shí)現(xiàn)了供應(yīng)鏈上碳足跡信息的共享和聚合計算。具體實(shí)現(xiàn)時，可以使用一些現(xiàn)成的MPC 框架，例如ABY3和Sharemind 等。在代碼實(shí)現(xiàn)過程中，需要注意密文計算的加密和解密操作，并且確保密鑰和加密算法的安全。另外，還需要注意各方在數(shù)據(jù)共享和計算過程中相互協(xié)作的難度和復(fù)雜度，以確保計算過程的正確性和可靠性。

4 結(jié)束語

本文介紹了實(shí)現(xiàn)“碳標(biāo)簽”的原理和發(fā)展現(xiàn)狀，分析了目前存在的數(shù)據(jù)來源多元化、數(shù)據(jù)容易造假等問題，以雷竹水果筍碳足跡評估為例，展示了運(yùn)用區(qū)塊鏈和隱私計算技術(shù)，構(gòu)建供應(yīng)鏈上全生命周期的“碳標(biāo)簽”展示體系的方法。通過將“碳標(biāo)簽”相關(guān)數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈上進(jìn)行在線存證，并整合供應(yīng)鏈的上下游信息，有效解決了目前“碳標(biāo)簽”生成過程中的數(shù)據(jù)真實(shí)性問題。