张佳艺, 周立亚,b, 吴雄英,2, 丁雪梅,b

(1.东华大学 a.服装与艺术设计学院; b.现代服装设计与技术教育部重点实验室,上海 200051; 2.上海海关,上海 200135)

随着国内外碳排放政策的收紧,纺织服装行业作为碳排放的重要行业之一,低碳转型与减排进度备受关注。许多纺织服装品牌或企业发布了减排或碳中和计划,通过碳足迹的管理手段开展低碳可持续发展行动。纺织服装产品碳足迹核算与评价方法、应用示范的相关研究已逐渐趋于成熟和完善[1]。鉴于纺织服装产业的生产链长、物料种类繁杂、工艺多变等特点,目前对于碳足迹核算与评价中清单数据难以追溯来源、核算过程不透明、核算结果可追溯性的缺失未给予足够的关注,导致了核算成本高、核算过程的科学性和规范性缺乏监督及核算结果利用效率低等问题。

技术上,区块链具有去中心化、可追溯、不可篡改、公开透明等特性,可以克服传统追溯方法可信度低、防伪功能单一的局限,适用于为纺织服装碳足迹核算与评价引入追溯性。本文拟基于区块链建立一个数据来源清晰、过程透明可查、核算结果高效共享,同时保护企业隐私的纺织服装产品碳足迹追溯方案。

1 纺织服装产品碳足迹数据追溯相关研究与应用现状

目前以纺织服装产品碳足迹追溯为主要内容的研究较少,有研究认为产品的环保特征信息可以包含在纺织服装产品信息中[2],因此本文将从纺织服装产品信息追溯入手,分析追溯情景、追溯流程,并梳理现有的追溯技术。纺织服装产品信息追溯可以让品牌商通过对产品信息的动态追溯掌控生产流程,追责和召回有质量问题的服装产品,也可以向消费者或质检部门提供服装的材质含量、生产工艺、环保特征等信息,减少纺织服装产品的假冒伪劣问题。纺织服装产品主流追溯方式主要有三种,分别是二维码、射频标识设备(Radio frequency identification,RFID)和近场通信(Near field communication,NFC)。

随着气候形势的日益严峻,消费者与监管机构都更加关注供应链可持续性[3]。在纺织服装领域的产品碳足迹数据追溯研究与应用中,Garcia等[4]以服装行业为例,提出在全球供应链中实施追溯以实现可持续目标的构想;Carrieres等[5]通过区块链追溯平台获得碳足迹活动数据,衡量采用区块链追溯技术采集数据的实际价值;TrusTrace[6]基于区块链建立了产品可追溯性数字平台,将数据收集、验证和分配相关可持续性标签的整个过程自动化;唯链(VeChain)[7]针对碳排放源头数据到存储容易造假和篡改、缺乏有效监管的问题,推出区块链碳足迹追溯平台可快速实现碳足迹精准追溯。

纺织服装产品碳足迹追溯重点在于数据和相关信息采集的真实性和完整性,以及核算数据、过程和结果的控制权限访问与高效共享。基于对现有文献的梳理,虽然已有少数使用区块链技术对纺织服装产品碳足迹进行追溯的研究和应用,实现了数据可信可追溯,但未详细说明追溯方法和进一步实现核算过程的透明化。纺织服装产品碳足迹核算与评价还有待与区块链追溯深度结合,进一步探究“如何追溯”和“追溯的实际价值”。有必要通过梳理区块链技术的特性与应用现状,分析区块链应用于纺织服装产品碳足迹追溯的优势与挑战;结合纺织服装产品碳足迹核算与评价流程,建立基于区块链技术的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统,并使用产品实际数据验证追溯过程及追溯的价值。最后,为克服清单数据难追溯、核算过程不透明、核算结果缺少高效共享渠道等局限提出理想的解决方案。

2 区块链技术应用于纺织服装产品碳足迹追溯的优势与挑战

2.1 区块链的特性与应用现状

区块链按照时间顺序将数据区块以链表的方式组合成特定数据结构,通过密码学保证数据不可篡改和不可伪造[8],即构建一个组织内部记录和共享信息的分布式账本,所有成员都必须通过复杂的算法集体验证任何更新。凭借这种分散的对等(P2P)功能,所有记录的信息都是永久的、透明的和可搜索的。区块链技术通过记录数据的流转过程,保障数据的可信性和完整性,从而提供数据的溯源与追踪[9]。

区块链技术作为虚拟货币的基础设施发布,自出现以来就面对着诸多质疑,但其发展潜力远不止于此。从中国的政策趋向可见,中国早早就开始了对虚拟货币的清理,并加强鼓励引导区块链技术用于实体经济中[10]。越来越多的研究利用区块链的去中心化、不可篡改、公开透明等特性,解决金融、医疗、公共设施、农业、食品、供应链等领域不同场景的问题。在信息追溯方面,区块链技术除了用于优化RFID的数据采集系统,解决信息安全问题[11-13],还可用于推进产业协同溯源和供应链信息追溯[14-15]。Wang等[16]研究认为,区块链技术对供应链管理的价值体现在:扩展的可见性和可追溯性、供应链数字化和去中介化、改进的数据安全性和智能合约。智能合约是运行在区块链上的一段可自动触发的计算机程序,赋予区块链可编程特性,为区块链的推广运用奠定了基础,许多追溯研究[17-19]都通过部署智能合约、编写代码实现追溯流程,将解决方案的价值放到最大。

2.2 区块链技术应用于纺织服装产品碳足迹追溯的优势

2022年国家发改委、能源局提出建立统一规范的碳排放统计核算体系[20],强调实现碳排放及相关数据信息化存证溯源、不可篡改和加密,实现数据在线交叉验证等,这正与上述区块链的特性不谋而合。区块链技术通过密码学原理建立去中心化的信任机制,可以改善所有需要中间人做担保、认证的高信任成本领域。纺织服装产品碳足迹的呈现形式目前仍然依赖可信第三方的报告或各种碳认证、碳标签等,区块链有望通过信息上链存证,向消费者、品牌方和第三方提高过程透明度和产品可追溯性,加强社会监督,放大纺织服装产品碳足迹核算与评价的价值。本文从两个方向将区块链技术与纺织服装产品碳足迹追溯相结合。

2.2.1 横向追溯

从产品的全生命周期角度,产品附带可信可追溯标识,实时记录数据上链的位置和时间,可以实现对批次或单品的碳足迹来源进行精准追溯,从而降低碳足迹结果的不确定性。

业务伙伴能够在不受中央控制和管理干预的情况下访问和提供数据,智能合约为不同查询方设置不同程度的数据开放权限,在对隐私数据的加密保护的同时,实现碳足迹数据的高效共享。帮助供应商企业认识到现有加工流程的工艺如何反映在碳足迹数值上,使品牌方直观了解并量化产品供应链上的减排空间,以调整和管理产品工艺设计和供应链;通过全面、可信追溯渠道向消费者呈现更多感兴趣的信息,如产品的成分、来源、加工过程等。

2.2.2 纵向追溯

从产品碳足迹核算角度,将初始清单数据、核算过程信息和各模块核算结果上链永久存证,实现不可篡改,同样为不同查询方设置不同程度的数据开放权限。高效开展碳核查或碳审计的工作过程,核算过程中使用的方法、匹配的参数、用来补充缺失值的背景数据的科学性和规范性,也需要在适当披露下接受社会监督。让核算与评价过程的科学性和规范性有目共睹,真正实现碳足迹“有迹可循”。

2.3 区块链技术应用于纺织服装产品碳足迹追溯的挑战

在建立区块链追溯系统以前,需要明确典型区块链的技术局限。因为需要通过在不同节点之间存储备份,所以区块链系统的运行效率通常较低,性能和可扩展性相互制约[21]。此外,由于区块链是一个公共账簿,尤其是公有链,任何人都可以查看区块链网络上的所有交易,因此,交易各方仍存在隐私问题[22]。

为克服上述技术局限,许多机构和学者从以扩容存储结构、建立数据访问控制机制等角度提出了解决思路。

2.3.1 扩容存储结构

扩容存储典型方法如跨链、多链,以及链下存储等。张燕丽等[23]采用多链结构提高数据的上链速度和系统运行效率,构建主从联盟链模型,主链与从链之间通过哈希值相互锚定。许多追溯研究[24-25]设计的追溯模型或系统中都使用星际文件系统(Inter planetary file system,IPFS)以扩展存储空间。Sánchez-Gómez等[26]阐述了区块链添加扩展存储的额外层和验证机制的重要性。

2.3.2 建立数据访问控制机制

肖博等[27]利用联盟区块链的多通道技术构建供应链数据共享网络,又基于Shamir密钥共享算法和访问控制策略实现了访问控制功能,保护参与主体的数据自主权。与之相似的,冯国富等[28]对区块链网络进行多通道划分,同时网络中的数据以密文的方式进行传输,确保数据的隐私性。

在基于区块链技术构建纺织服装产品碳足迹追溯系统时,应参考上述技术改进研究,避免被典型区块链技术的硬伤限制落地应用。

3 基于区块链技术的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统

本文拟基于产品模块化碳核算方法,探究在产品价值链上的主体之间,如何应用区块链技术可信存证纺织服装产品碳足迹数据和相关信息,构建碳足迹的追溯与核算系统,并使碳足迹数据在系统内安全高效地透明共享。

基于区块链技术的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统预期目标如下:

1) 碳足迹清单数据可信可追溯:使核算产品的排放数据上传不可篡改,可以从链上的产品信息和总碳足迹值追溯到该产品各阶段上传的初始数据,以验证源数据是否真实合理及具有代表性。

2) 透明可查的核算过程:透明化核算过程,确保核算过程的规范性和科学性有目共睹。核算方可以在标准规定下自由选择核算边界、排放系数和分配原则等,但要核算方法和依据上链存证。

3) 建立高效透明的核算结果共享渠道:建立控制访问策略,保证企业的数据自主权,使数据访问权限可控;从核算方的角度,可提高模块数据可得性和引用准确度。

3.1 基于区块链技术的纺织服装产品碳足迹追溯与核算工作机制

本文设计基于区块链技术的纺织服装产品碳足迹追溯与核算工作机制,紧密联系纺织服装产品碳足迹核算与评价流程,实现产品碳足迹数据的全核算过程可追溯,同时通过机制设计在一定程度上避免了区块链技术投入应用时常见的问题。

3.1.1 模块化分解成纺织服装产品碳足迹单元

纺织服装行业生产工艺链复杂,加工方式差异大,涉及材料繁多,加大了产品碳足迹核算与评价的难度。模块化方法提供了一种简化、灵活和一致的复杂系统建模方法,可以基于这种方法构建高普适性的纺织服装产品碳足迹核算系统,从而在未来以简单和统一的方式对产品生命周期进行建模和核算碳足迹。明确产品的生命周期过程,在此基础上模块化分解成结构简单、边界清晰、数据准确可控的若干模块化碳足迹单元,如图1所示。

图1 纺织服装产品碳足迹单元Fig.1 Carbon footprint unit of textile and apparel products

根据地理位置、企业规模、产品类别、过程和技术等信息生成模块属性代码,通过代码管理庞大的模块库[29],编码规则参考[30]。在类似产品核算过程中检索特性对应的代码,可以快速地核算出同系列纺织产品的碳足迹[31]。

3.1.2 IPFS分布式存储碳足迹数据文件

系统将采集到的产品参数、企业信息和清单数据生成需要存储的碳足迹数据文件,包括产品碳足迹数据、模块碳足迹数据、模块碳足迹核算方法和源数据,生成过程如图2所示,并根据不同的追溯权限分为四个层级。本文定义的一级碳足迹单元模块按照生命周期阶段划分,二级模块按照工段划分,三级模块按照工序划分。

用IPFS系统对碳足迹数据文件进行非对称加密,生成一个加密文件和解密密钥Key,将加密文件分布式储存到多个节点(供应链企业、机构或个人注册区块链节点,并被分配唯一的身份ID),生成加密文件的哈希地址[27]。由于哈希计算对输入内容的敏感性,数据一旦更改会导致哈希地址改变,因此保证了数据储存状态下的不可篡改。

图2 碳足迹数据文件生成机制与对应追溯层级Fig.2 Carbon footprint data file generation mechanism and corresponding traceability level

通过访问控制策略AccessP,预先设定为不同访问属性的节点设置不同的开放权限。访问节点向访问授权合约发出碳足迹单元数据的访问请求,访问请求包括:1) 访问方的地址;2) 数据文件地址;3) 访问属性。访问授权合约通过数据管理合约索引到该数据文件对应的访问控制策略和子密钥地址集合Key Address,并根据访问请求中节点的访问属性在访问控制策略中被设置的权限,确定是否返回密钥,以此决定访问节点可以解密的数据内容。碳足迹数据文件在IPFS上存储的过程如图3所示,访问1～4层级的数据文件对应需要获得的密钥分为别Key1～Key4。

图3 碳足迹数据文件在IPFS的分级存储Fig.3 Tiered stofile:///C:/Users/Administrator/Desktop/%E6%95%B0%E6%8D%AE%E5%8A%A0%E5%B7%A5/SICO202302/SICO202302.ebook/images/a52015d42ba4fd0f8c2d081f8a54caf7.jpgrage of carbon footprint data files in IPFS

3.1.3 IPFS地址公开验证上链

将不可篡改的永久IPFS地址放在区块链事务中,用于公开验证地址。区块链储存结构如图4所示,分别在区块链底层画出六个交易用以示例,产品碳足迹数据文件地址按T1格式存储,模块碳足迹数据文件地址按T2、T3和T4格式存储,模块碳足迹核算方法文件地址按T5格式存储,源数据文件按T6格式存储。

图4 区块链中纺织服装产品碳足迹数据储存结构Fig.4 Carbon footprint data storage structure of textile and apparel products in blockchain

3.2 基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统架构

本文建立了纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统架构,如图5所示。

图5 基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统架构Fig.5 Carbon footprint traceability and accounting system architecture of textile and apparel products based on blockchain

1) 采集层:物联网技术可将嵌入式设备、计算机连接到网络中,作为纺织服装产品碳足迹溯源系统理想的下层结构,传输智能计量表、机械设备或MES系统的数据。通过条形码、二维码、RFID、传感器、智慧电表等技术,以碳足迹单元为单位收集清单数据,同时记录数据来源、企业背景等信息。

2) 数据层:在IPFS上分布存储碳足迹单元数据文件,将不可篡改的永久IPFS地址上传保存到区块中。

3) 网络层:将加密文件的哈希地址广播到附近节点,各节点之间验证信息并达成共识,生成区块,连接上链。

4) 合约层:建立数据存储、访问控制等智能合约。

5) 应用层:通过系统实现“产品—模块—方法—源数据”的碳足迹可追溯与控制访问,辅助工艺调整和产品宣发工作,对类似产品碳足迹模块化核算过程中的模块调用提供参考,同时提高产品碳足迹认证和审核的效率。

4 基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统验证及评价

4.1 基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统验证

本文选择一款100%桑蚕丝的斜纹绸方形丝巾作为核算实例,验证基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统。碳足迹源数据均为杭州万事利丝绸数码印花有限公司及其供应商提供的实景数据,数据收集的时间范围是2022年3—8月。其中桑苗培育和蚕卵培育未计入,使用原料、物料、产品在组织间运输和能源传输的碳排放未计入,废水处理达标排入自然水体产生的碳排放未计入,产品固碳效应(如种桑过程吸收的二氧化碳)也未考虑在内。

4.1.1 品牌方、供应商企业和消费者

品牌方、供应商企业和消费者通过产品编号和批次号,以不同的权限追溯产品碳足迹情况。通过解析产品安全可追溯标识连接到区块链浏览器Web前端,注册节点并发送访问请求,凭借产品编号和批次号获得产品碳足迹评价结果。图6展示了访问节点查询并获得Key1后系统返回的页面,内容包括产品信息、产品碳足迹核算结果与分析、产品碳足迹不确定性量化分析结果。

图6 查询产品碳足迹结果与评价的系统返回页面Fig.6 System return page for querying product carbon footprint results and evaluation

点击页面下方“追溯更多信息”处的“纤维原材料阶段/生产制造阶段”(一级模块)或“种桑/养蚕/缫丝/织造/练白/印染/缝制工段”(二级模块),通过验证获得对应的密钥可以获得对应模块碳足迹情况。

4.1.2 核算方、审核监督机构

核算方、审核监督机构通过碳足迹模块属性代码,以不同的权限追溯碳足迹数据文件。除了上述产品碳足迹评价结果,还需要关注核算方法及数据来源的追溯,通过检索碳足迹模块代码。图7以练白过程模块(CFU_2.2)为例展示了访问节点查询并获得Key2后系统返回的页面,内容包括该模块对应1 kg最终核算产品(通常到大门,即终端产品)碳足迹值、该模块对应1 kg本阶段主产品碳足迹值、本阶段主产品、本阶段消耗原料量、本阶段消耗原料和模块属性代码。

图7 查询模块碳足迹数据的系统返回页面Fig.7 System return page for querying module carbon footprint data

点击页面下方“追溯更多信息”处的“模块碳足迹核算方法”和“源数据”,通过验证获得密钥可以了解对应模块碳足迹背后假设与数据来源。

4.2 基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统评价

本文使用实例数据验证了基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统的优势。

1) 实现了“产品—模块—方法—源数据”层层递进的追溯查询与控制访问,由此达到了碳足迹数据可信可追溯、核算过程透明可查和建立高效透明的核算结果共享渠道的目标。核算并评价了一款真丝斜纹绸丝巾产品的碳足迹,可以在系统中追溯到模块碳足迹、模块碳足迹核算方法和源数据文件。

2) 通过追溯建立纺织服装产品碳足迹可追溯、透明模块库,实现了核算结果的高效利用。在系统中可以追溯到每个模块的碳足迹核算方法、原始数据清单、加工企业信息与详细的工艺流程,以辅助调用决策。

尽管具有上述优势,但系统仍存在如下局限。

1) 区块链系统的建立和组织上:本文的成果止步于系统页面展示,追溯系统需要由专业的区块链开发人员完成。对于后续区块链系统的建立、验证机制、共识机制、激励机制及中心化程度还有待确定,系统完成后,其应用性能、成本和商业推广的可能性还需要多方面综合考虑评估。

2) 信息处理方面:未形成完全自动化的数据上传和核算流程,仍然需要人工处理介入。但通过基于区块链的碳足迹追溯与核算系统,各个模块碳足迹值可以追溯到核算方法的细节及初始的数据清单,可以保证核算过程的规范性、科学性可持续受到监督;碳足迹值与初始清单数据对应不被篡改,且永久存证,可追溯数据代表性和合理性。通过以上构建基于区块链的“碳信任圈”方式,来弥补不完全自动化对数据真实性的影响。

5 结 语

纺织服装产品碳足迹核算过程涉及的投入与产出数据繁杂,针对传统碳足迹数据核算与评价过程存在源数据难追溯、核算过程的科学性规范性缺乏监督、核算结果由于难以高效共享导致可重复利用性低等问题,本文分析了纺织服装产品碳足迹追溯的研究现状与局限;基于区块链特性与追溯应用研究,探讨了区块链用于纺织服装产品碳足迹追溯的优势与挑战。结合纺织服装产品模块化碳核算方法,建立了基于区块链的纺织服装产品碳足迹追溯与核算系统的工作机制及系统架构,并使用实例数据验证了系统在产品碳足迹的全面追溯、提高模块碳足迹数据可追溯可重用的优势,同时总结了系统在建立和组织,以及信息处理两方面的局限。

未来的相关研究应对区块链技术的推陈出新与落地应用保持密切关注,通过多链、侧链等多种方式提高区块链追溯系统的可用性和扩展性。通过横向延伸,可在消费者使用和废弃阶段展开研究,结合智能家电捕捉数据补全目前纺织服装产品使用和废弃阶段产品碳足迹贡献数据的空缺。通过纵向延伸,可将现有追溯体系和解决方案作为基础,探索区块链应用于纺织服装产业组织碳管理、碳排放交易、碳金融投资等相关研究的空间。

《丝绸》官网下载

中国知网下载