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网络空间安全科学学报 >

2025 , Vol. 3 >Issue 3: 1 - 24

DOI: https://doi.org/10.20172/j.issn.2097-3136.250301

综述

区块链技术在智慧城市中的应用研究综述

  • 张汕成 ,
  • 金钰 ,
  • 张宗洋 , * ,
  • 郭星凯 ,
  • 刘建伟
展开
  • 北京航空航天大学 网络空间安全学院，北京 100191
张宗洋，博士，副教授，研究方向：密码学和区块链，电话：18513589211，E-mail：

网络出版日期: 2025-08-20

基金资助

国家自然科学基金（62372020，72031001）；北京市自然科学基金（L222050）

版权

版权所有©《网络空间安全科学学报》编辑部 2025
收起

A review of the research on application of blockchain technology in smart cities

  • ZHANG Shancheng ,
  • JIN Yu ,
  • ZHANG Zongyang , * ,
  • GUO Xingkai ,
  • LIU Jianwei
Expand
  • School of Cyber Science and Technology, Beihang University, Beijing 100191, China

Online published: 2025-08-20

Supported by

Beijing Natural Science Foundation(M22038,L222050)，National Natural Science Foundation of China (61972017,72031001)

Copyright

Copyright ©2025 Journal of Aeronautical Materials. All rights reserved.
Fold

摘要

近年来，全球城市化进程加速，城市人口迅速增长，给经济、社会和环境带来极大挑战，从而推动了智慧城市概念的发展。智慧城市旨在通过物联网整合公共资源，优化城市管理与服务，提高居民生活质量。作为一种新兴技术，区块链具有去中心化、透明度、不可篡改性和安全性等有利特性，为智慧城市的发展提供了新的视角。从智慧城市的领域分类和特征以及区块链的应用特点和架构框架的角度探讨了区块链在智慧城市中的应用。首先，介绍了区块链的定义、特性、共识机制和架构框架。其次，从6个智慧城市的具体应用场景出发，总结了场景化智慧城市区块链技术应用的研究工作，并指出现有研究存在的问题。最后，展望了智慧城市建设中区块链技术应用的两种可能研究方向。

关键词： 区块链; 智慧城市; 物联网; 技术应用

本文引用格式

张汕成 , 金钰 , 张宗洋 , 郭星凯 , 刘建伟 . 区块链技术在智慧城市中的应用研究综述[J]. 网络空间安全科学学报, 2025 , 3(3) : 1 -24 . DOI: 10.20172/j.issn.2097-3136.250301

Abstract

In recent years, the accelerated pace of global urbanization and rapid growth of urban populations have posed significant challenges to economies, societies, and the environment. This has driven the development of the smart city concept. Smart cities aim to integrate public resources through the Internet of Things (IoT), optimize urban management and services, and enhance residents' quality of life. As an emerging technology, blockchain—featuring advantageous characteristics such as decentralization, transparency, immutability, and security—offers new perspectives for smart city development. This paper explores the application of blockchain in smart cities from the perspectives of smart city domain classifications and characteristics, as well as blockchain's application features and architectural frameworks. First, it introduces the definition, characteristics, consensus mechanisms, and architectural framework of blockchain. Second, starting from six specific smart city application scenarios, it summarizes research efforts on the scenario-based application of blockchain technology in smart cities and identifies limitations in existing studies. Finally, it outlines two potential research directions for the application of blockchain technology in smart city construction.

Key words： blockchain; smart city; Internet of Things; technological applications

0 引言

“智慧城市”的概念最早起源于2008年IBM公司（International Business Machines Corporation）提出的“智慧地球”[1]。随着信息技术的发展，人们的生活已经高度信息化，智慧城市成为未来城市建设的趋势[2]，智慧城市建设变得愈发重要，在国内外都引起了广泛的关注[3-5]。人们对智慧城市的概念有很多理解，但一个普遍接受的定义是，智慧城市的目的是通过使用现代信息技术和通信技术来提高公民的生活质量，并建立一个可持续发展的城市环境[6]。智慧城市具有许多优良的特点，如提高政府的开放程度，增强公民的城市参与感[7]；降低城市交通事故发生率并提供高质量的交通服务[8]；改造传统医疗体系，为公民提供更加高效、便捷及人性化的医疗服务，提升居民的健康水平[9]；将传统单一能源供给模式转变为多能源模式，降低对化石燃料的依赖，保障城市能源供应的稳定性，减少环境污染[10]；保障供应链管理过程的公开透明，增强公民对产品质量的信任[11]等。
智慧城市发展的突出特点是收集或产生大量数据，并以数据为导向引领城市发展。海量非结构化数据的存储、分析与使用使得信息系统设计面临多重挑战。首先，成本与管理问题导致海量非结构化数据难以使用传统中心式服务器进行存储。中心式服务器遭受攻击时也容易导致整个系统的瘫痪。其次，若采用分类分布式服务器集群，由于分布式服务器由不同实体控制，则用户隐私数据易于泄露[12]，数据流通难以监管，合规性难以保证[13]。最后，跨组织、跨公司的分布式存储方式也将使得智慧城市数据全生命周期的可追溯性难以实现。这些问题严重阻碍了智慧城市的发展。
区块链的出现为解决这些问题提供了新的思路。区块链是一种分布式账本技术，它起源于2008年Nakamoto提出的比特币[14]。区块链利用共识机制、对等网络技术来实现动态组网，并确保各个节点数据的一致性；利用链式哈希结构、默克尔树来保证区块链上数据的不可篡改性和数据的可追溯性；利用智能合约来实现业务逻辑的自动化。将区块链与智慧城市结合，一方面可以规避中心式服务器带来的数据容灾、数据存储难题，提升智慧城市信息系统的鲁棒性；另一方面，区块链技术天然适用于分布式信息系统，可以解决智慧城市中存在的数据泄露、侵犯用户隐私以及安全审计追踪等问题。这些优势无不体现着区块链技术在智慧城市建设中的巨大潜力。
然而，近几年国内外关于区块链技术在智慧城市中的应用研究综述仍不够全面，某些工作仅侧重基于区块链来解决智慧城市中存在的网络安全问题[14]，未重点关注区块链在智慧城市中的其他应用，如优化智能能源系统调度、促进智慧供应链金融管理平台的发展等。
本文在调研区块链技术在智慧城市中的应用的基础上，以场景化角度分析了6种智慧城市中区块链技术的应用，包括智慧治理、智慧交通、智慧医疗、智慧能源、智慧供应链以及智慧农业。在分析各场景现存应用问题的同时，从分片技术框架和新型区块链项目两个方面介绍了区块链技术在智慧城市数据安全共享领域的应用前景，并指出现有区块链技术的应用缺陷及可能的研究方向。

0.1 本文贡献

本文主要研究了以下内容：
（1）总结了智慧城市的发展现状以及整体架构，同时结合案例说明了区块链在智慧城市中的应用，并对智慧城市建设中存在的问题做了系统论述。
（2）系统地总结了区块链技术的结构、特点、技术架构及安全性，分析了典型的区块链共识机制以及特定的共识机制在保障智慧城市数据安全和居民个人隐私方面的应用。
（3）分类总结了智慧城市建设中区块链技术在不同场景下的应用与现存问题。
（4）指出了两种智慧城市建设中区块链技术应用未来可能的研究方向。

0.2 相关工作

智慧城市和区块链技术在各自领域的发展研究十分迅速，针对不同领域（如农业、交通、教育等）场景化区块链技术的研究方兴未艾。目前，国内外对区块链技术在智慧城市中的应用研究尚在起步阶段，表1列举了当前区块链应用于智慧城市相关领域的研究论文。从表1可以看出，区块链和智慧城市结合应用的相关研究主要从三个方面进行：第一，结合区块链的特性和智慧城市建设的瓶颈，分析区块链应用的可行性；第二，从智慧城市的某一领域（如智慧家居、智慧交通、智慧电网等）出发，分析区块链的具体应用及其相关实现；第三，结合智慧城市的发展特点，展望区块链的应用前景。当前国内关于区块链在智慧城市中应用的综述研究，普遍存在技术细节探讨深度不足、方法论严谨性欠缺的问题。为此，本文从智慧城市的整体出发，分析研究了不同智慧城市场景下区块链的具体应用技术实现，同时论述了区块链技术在智慧城市中的场景化应用困境与发展前景。
表 1 相关研究总结

Table 1 Related research summary

相关文献 发表时间 主要研究内容
Samantray等[15] 2025 提出了基于区块链技术的智慧供应链架构，分析其在提升透明度、信任及成本优化方面的潜力与挑战
Szpilko等[16] 2024 着眼智慧能源，强调了智能电网、区块链及可再生能源整合的重要性
Malik等[17] 2023 关注智慧医疗药品供应链，讨论了区块链在其中的应用前景
Fakhar等[18] 2022 结合智慧城市可再生能源项目实例，探索了区块链等技术的应用
Badidi等[19] 2022 探讨了边缘AI与区块链技术对于智慧城市变革的潜力，重点关注智慧移动与智慧交通
高玉峰[20] 2022 分析了区块链技术对于实体经济发展的重要作用
石鹏展等[21] 2021 设计了基于区块链的智慧城市边缘设备管理架构，用以抵御以智慧城市物联网设备为目标的攻击
Majeed等[22] 2021 总结了区块链对于智慧城市发展的作用，介绍了一个区块链应用在智慧城市的现实案例
Feroz等[23] 2020 针对智慧城市中出现的数据安全问题，分析了区块链应用的可行性,展望区块链应用在智慧城市中的未来

0.3 本文结构

本文组织结构如下：第1节对区块链技术进行了详细的分析与总结；第2节从6个智慧城市场景出发，分析了场景特点，总结了相关应用研究工作并指出了现存的应用问题；第3节提出了两个新的研究方向；第4节进行了全文总结。

1 区块链技术

区块链可以描述为一个不可篡改、去中心化且公共透明的共享数据库。在区块链中，所有交易都被记录下来，系统中的任何人都可以访问、发送和验证这些交易。本节首先介绍区块链的定义和结构、特性以及体系架构，随后简单总结典型的区块链共识机制，最后介绍区块链的一个关键应用——智能合约。

1.1 区块链的定义和结构

区块链起源于2008年Nakamoto提出的比特币[14]概念。2023年，国家标准《信息技术 区块链应用服务中间件 参考架构》将区块链定义为使用密码技术链接将共识确认过的区块按顺序追加而形成的分布式账本[24]。具体而言，区块链是由若干区块连接而成，第一个区块被称为“创世区块”，然后每一个区块都通过特定的密码学方式链接到前一个区块上。在区块链网络中，没有特定的中心节点，所有节点的地位都是对等的。每个节点都会广播来自用户的交易信息，并监听一段时间内整个区块链网络的所有交易，节点还会将监听到的交易打包成区块，通过区块链共识机制竞争对区块的优先记账权。图1呈现了区块链的具体结构，主要包括区块头和区块体两大部分。
图 1 区块链结构

Fig.1 Blockchain structure

区块链按照开放程度主要分为三类。
（1）公有链（Permissionless blockchain），是一种完全去中心化的区块链账本结构，任何人都可以参与共识过程进行记账，所以它的访问门槛比较低，而且所有数据都是默认公开的，典型的公有链有比特币、以太坊[25]等。
（2）私有链（Private blockchain）。交易上链权限即记账权掌握在特定的组织机构手里，只有拥有读取权限的人才能进行记账。这种形式的区块链可以更好地保证隐私，而且交易处理速度也很快，是目前一些私人企业或银行等金融机构利用区块链技术的一种选择。
（3）联盟链（Consortium blockchain），是介于公有链和私有链之间的非完全去中心化的区块链账本结构，它适度地开放一定的读写和验证权限供相关人员进行交易处理，同时保持一定的中心化结构特征。目前已被用于商品溯源、供应链金融、电子政务、物联网等场景中，典型的联盟链有HyperLedger Fabric[26]、Ripple[27]和Openchain[28]等。
不同类型的区块链可以应用于智慧城市中的不同领域和场景，公有链可应用于城市公共管理部门的数据管理，在不同部门及市民群众之间实现数据的开放共享，实现公共数据的公开透明化管理；私有链可部署在企业或组织内部，拥有访问权限才可以访问内部区块链系统，在利用区块链匿名化特性的同时，实现企业或组织的隐私化管理；联盟链可应用于不同组织之间的数据共享，保证各参与方的公平性，维护共同利益，提高扁平化管理效率。

1.2 区块链的特性

区块链有很多优良的特性，这些特性对于解决智慧城市中出现的问题具有现实意义，下面对这些特性[29]进行说明。
（1）去中心化。区块链的运行不需要第三方作为中心服务器，这意味着任何注册的节点都能在区块链上读写数据。
（2）透明性。区块链上的智能合约基于算法代码，自动执行业务逻辑，最大程度地减少人工干预，保证了合约执行过程的透明性。
（3）不可篡改性。要想修改区块链上的数据，必须在整个区块链系统中的每个区块间达成共识，这样可以保证区块链系统几乎不能被敌手操控。
（4）安全可信。区块链上的交易具有可验证性，其上的数据需要由多方验证形成共识之后，才能写入。此外，区块链还使用了非对称密码学技术如数字签名，以保证交易的不可否认性和完整性等。
由于这些良好的特性，将区块链技术应用于智慧城市可以确保数据的保密性、完整性等，同时鼓励组织（如公司或政府部门）与个人进行数据共享，从而实现透明化的城市管理，使得城市建设更加可信、安全、透明和民主。

1.3 区块链的体系架构

区块链的体系架构分为6个层次[30]，分别是数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。数据层主要包括如时间戳、区块的链结构和哈希函数等字段，完成区块数据的整理和汇总；网络层主要包括网络的拓扑结构，如点对点网络[31]、收据收发机制和消息通知机制等，负责确定数据的转发路由以及消息的接收和确认；共识层是整个区块链体系架构的核心层次，因为打包的区块要想成功上链，必须在全网形成共识，所以共识层是整个区块链系统得以高效运行的关键所在；激励层包括分发机制以及奖励机制，激励更多节点参与共识过程；合约层主要包括功能模块的封装以及智能合约的部署[32]，它主要是为上层应用提供一个可扩展性较强的应用程序接口；应用层主要是为用户使用提供可视化的界面和操作性较强的实时应用，如电子证照、供应链管理和药品溯源[33]等。
如图2所示，区块链的体系架构体现了传统的网络层次化思想，合理的层次化分工可以使系统的扩展和维护得以高效进行，同时最大限度地展现区块链系统的优良特性，提供更加高效的系统运转效率。
图 2 区块链技术架构[34]

Fig.2 Blockchain technology architecture[34]

1.4 区块链共识机制

共识机制是在区块链系统各个节点之间形成一致性的一系列协议[35]，区块链中的数据需要在每个节点中都有记录，同时区块中的数据在所有节点之间要形成顺序一致性，高效的共识机制可以使区块链系统高效运转。因此，共识机制的设计和选择是一项很重要的工作，表2给出了一些典型的区块链共识机制及其特点。
表 2 典型的共识机制[36]

Table 2 Typical consensus mechanisms[36]

共识机制 典型应用
场景		 吞吐率
（tx/s）		 时延 局限性
PoW[37] Bitcoin 7 大 资源消耗大
PoS[38] Ethereum 20 小 权益高的节点
控制网络
DPoS[39] EOS 50 小（比PoS小） 部分去中心化
PoA[40] MediLedger — 中等 可扩展性和
安全性较差
BFT[41-42] Hyperledger 3 000 小 可扩展性差
（1）PoW（Proof-of-Work），即工作量证明机制，它是用于验证交易并在区块链中产生新区块的最经典的共识机制。区块中有一个系数叫作随机数，产生新区块就是不断地改变区块头中的随机数以使计算得到的哈希值小于一定的难度值的过程。率先解决该“难题”的节点会获得此次挖矿的优先记账权，然后该节点会在全网广播需要记录的交易，从而达成全局共识。比特币是一种典型的PoW机制区块链系统，它的吞吐率约为7 tx/s。
（2）PoS（Proof-of-Stake），即权益证明机制。以太坊（Ethereum）的出现促使PoW机制向PoS机制发展，因为利用PoW机制生成新块需要不断地进行哈希运算，产生的新块还需要全网广播之后才能达成共识，会消耗大量电力能源并且耗时较长。PoS机制的特点是根据每个节点所占代币的比例和时间，赋予节点一定的股份，拥有股份越多的人就越容易获得优先记账权。这样就在一定程度上提高了区块链系统的处理速度，但也会有高股份持有者作恶的风险。相较于比特币，应用PoS机制的以太坊的吞吐率可达到20 tx/s，在一定程度上提高了区块链系统的执行效率。
（3）DPoS（Delegated Proof-of-Stake），即股份授权证明机制，这是一种相对于PoS来说更加快速、高效、灵活的共识机制。拥有代币的节点会选举出一定数量的节点作为代理节点来进行记账或验证相关交易，这种机制显著减少了共识过程的节点数量，所以会在一定程度上提高出块速度，减少资源消耗，但增加了共识过程被恶意控制的可能性。商用区块链操作系统[43]（Enterprise Operation System，EOS）即采用了DPoS作为底层共识机制，它的吞吐率可以达到50 tx/s，交易处理速率明显提高。
（4）PoA（Proof-of-Authority），即权威证明机制。区块的生成和交易的验证都是由经过审查的验证人来完成的，验证人要公开自己的身份并维持自己的权威，这种机制具有一定的中心化特性，应用场景性比较强，如数家制药公司共同发布MediLedger项目[44]，该项目的核心是以PoA机制为基础的区块链网络。
（5）BFT（Byzantine Fault Tolerance），即拜占庭容错算法。该机制可以在恶意节点的数量不超过网络节点总数的1/3时，有效地保护交易数据，防止数据篡改等恶意行为的发生，但是这种算法会随着节点数量的增加，通信复杂度变大，可扩展性变差。超级账本项目是对BFT机制的一种典型应用，在该机制下的系统吞吐率高达3000 tx/s，很大程度上提高了区块链系统的可应用性。
本节总结并说明了一些典型的区块链共识机制，它们对区块链技术在智慧城市中的部署具有很重要的意义。选择合适的共识机制可以使区块链更好地为智慧城市的建设服务，解决好实际存在的问题。例如，PoA部署在企业内部的区块链系统，可以实现企业内部系统的准入控制；将PoW部署在社区公民数据存储区块链系统中，可以实现对系统节点简单有效的管理。

1.5 智能合约

智能合约在1995年由Szabo[45]提出，是可以自动执行和验证的计算机协议。其设计的总体目标是为了满足信用抵押、内容权限管理、支付管理等合约条件，同时最大程度地减少意外情况的发生，并弱化信任中介的职能。智能合约可以针对区块链数据进行自动读写操作，这样就大大提高了区块链系统的运行效率，同时降低相应的系统维护成本。
智能合约的执行过程主要分为三步[46]，分别是合约生成、合约发布和合约执行。其中，合约生成主要是在各参与方之间制定相应的合约规范，明确各方的权利和义务；合约发布主要是在全网通过共识之后，将合约集合以区块的形式广播到各个节点；合约执行要满足一定的触发机制，当满足一定条件后，合约会自动执行，并且该过程对所有参与方都是透明可见的。智能合约具有如下优点[47]：
（1）人为干预风险低。在区块链系统中，智能合约利用沙箱机制将合约内容和执行过程进行预先封装和隔离，全过程自动化，不需要人工交互，在一定程度上减少了人为操作带来的不确定性因素，保证了合约执行的安全性和独立性。
（2）去中心化。因为智能合约部署在区块链上，其执行过程自动化，所有节点和用户都可以监督和验证合约是否有效运行。
（3）可验证性。智能合约在区块链系统中的运行状态、执行记录等都被记录在区块链上，具有不可篡改性，这些不可篡改的记录及其使用的密码学验证机制如数字签名，保证了合约运行的可验证性。
（4）自动执行。智能合约可以在不需要第三方的条件下，自动执行可信交易。
智能合约确保了区块链系统执行的效率和安全性，使区块链更好地应用于智慧城市的发展。例如，人为干预风险低和去中心化特性可以实现城市公共数据的透明化管理和居民的隐私保护；自动执行可以减少人工操作成本，降低城市管理开销；可验证性可以保证城市区块链系统中智能合约的安全性，为智慧城市的安全性建设提供有力保障。

2 区块链在智慧城市中的应用

智慧城市应用涵盖很多领域[48]，包括智慧公民、智慧医疗、智慧电网、智慧交通、供应链管理、智慧商业、智慧家居、智慧政府、智慧教育等。面对如此众多的领域以及城市人口急剧增加和科学技术的飞速发展，必然会产生越来越多的数据，其中包括公民的隐私数据、政府机构的公共数据以及企业发展过程中收集的数据。所以需要一个更加有效的框架来保证智慧城市建设有条不紊地进行。图3给出了智慧城市的建设架构以及领域细分。
图 3 智慧城市建设架构及领域细分

Fig.3 Construction architecture and field segmentation of smart cities

如图3（a）所示，整个智慧城市的建设分为三大方面，分别对应4个层次。感知层负责利用无处不在的传感器和移动智能终端来收集城市数据；网络层主要是数据传输的网络拓扑结构，如互联网、通信网等；感知层和网络层可以完成底层的感知和连接；平台层主要是信息技术通信平台、数据处理中心等应用数据处理平台，该层可以完成数据的整合；应用层主要是建设在整个架构之上的具体应用，如电子政务、供应链管理应用等，它为智慧城市的管理提供了可视化应用界面。智慧城市的四层体系架构各有分工，同时相互联结，可以保证城市数据的收集和处理有序地进行。
从图3（b）中可以看出，智慧城市的应用有很多方面，包括智慧治理、智慧交通、智慧医疗、智慧能源、供应链管理和智慧农业等。下面将从这几方面介绍区块链技术的具体应用。

2.1 智慧治理

随着信息技术的飞速发展，社会形态不断变化，智能技术推动社会走向智慧社会，推动城市走向智慧城市，智慧治理在这个变化过程中应运而生[7,49]。智慧治理是一种复合治理思路，其将技术导向应用于政府治理。它是在“互联网+”时代发展起来的一种理论，该理论的目标是实现更加智能化、高效化的政府治理模式[50]。
虽然智慧治理通过大数据、云计算、人工智能等智能化技术改变了政府治理方式，提高了治理决策的科学性和准确性，推动了多元主体协同治理[51]，但城市中的智慧治理还面临一些问题。首先是智慧治理平台建设不完善的问题。智慧治理平台需要建立复杂、用户数量庞大、通信安全畅通的网络，这是因为在智慧治理中，需要公民、政府、企业等各方参与者实时地发表意见、对决策进行投票、监督决策结果以及验证投票的有效性等操作。同时，为了进一步保证决策的透明、公开、可信，智慧治理平台还需要存储治理数据结果（如投票结果、政策制定结果）等敏感数据，并保证敏感数据的真实性和完整性，因此智慧治理平台的数据安全需要得到保障。如果智慧治理平台的数据安全措施不完善，则可能会出现数据泄露和数据篡改（如选举结果被篡改）的情况，无法保证治理过程的顺利进行。
针对上述问题，利用区块链的点对点网络思想建设智慧治理的交流网络，支撑上亿用户的实时交流，保证政府、企业、公民等各方参与者可以在智慧治理平台中进行实时的监督和验证，提高了智慧治理平台的透明度。区块链的不可篡改性也可以解决智慧治理平台中存在的数据篡改问题。此外，使用区块链技术可以大大缓解分布式拒绝服务攻击[52]造成的智慧治理平台的单点故障问题。下面将从数据安全保障和智慧治理方案两个方面介绍区块链技术在智慧治理领域中的应用，并指出存在的问题。

2.1.1 基于区块链的智慧治理数据安全保障方案

Dasari等[53]提出了一种基于区块链的智慧治理信息管理系统，如图4所示。该系统以联盟链为底层框架，由政府信息管理部门、公民和第三方企业或组织组成，其中公民可以将自己的个人信息上链；政府信息管理部门可以对公民数据和非法信息（如反党反动言论、色情、邪教等）进行监管，还可以通过更改区块链系统的信息来对公民数据进行事后监管，但必须经过公民的授权才可以更改。第三方企业或个人只可以请求查询区块链系统中的公民信息。这样的方式既保证了政府相关部门对公民信息的集中有效管理，也使公民有一定的自主控制权。但此方案未考虑第三方获得公民数据之后的权限管理问题，也未考虑数据存储是否高效的问题。
图 4 基于区块链的公民信息管理系统

Fig.4 Citizen information management system based on blockchain

针对以上提到的数据存储效率问题，Zheng等[54]提出了一个安全可信的政府数据共享模型，其数据共享框架如图5所示。该系统使用星际文件系统（InterPlanetary File System，IPFS）存储原始数据。星际文件系统是一种点对点的分布式文件系统，其通过使用哈希地址来标识文件和数据，因而只要其内容不变，都可以通过相同的哈希地址进行检索，具有去中心化、高效传输等特点[55]。存储的原始数据包括公共数据和非公共数据，涵盖政府工作的各个领域。之后，通过在区块链上使用智能合约来存储文件哈希值和关键词等抽象信息，可以实现分布式存储和集中管理数据。区块链层使用联盟链Hyperledger Fabric构建。交易提案由数据层提交，然后排序节点将交易排序并组装成区块。在提交节点将区块添加到区块链数据库之前，必须对区块进行验证。这三种类型的节点组成区块链的主要核心功能模块，能高效地执行智能合约，达成共识，保留记录，并确保数据安全。
图 5 基于区块链的政府数据共享框架

Fig.5 Government data sharing framework based on blockchain

在该系统中，区块链存储数据的历史版本并共享记录，通过区块链的不可篡改性和可追溯性来保护、验证和追踪政府数据。服务层提供身份验证、数据上传和安全审计等服务，在区块链上创建用户账户应该经过智能合约的授权。如果身份验证请求满足要求，区块链会返回特定的凭证并将其记录下来。经过认证的用户可以上传加密文件目录，加密文件目录包括IPFS地址、哈希值和文件关键词，用以保护、验证和共享归档信息。数据共享记录被写入区块链以进行审计和事后问责。该系统基于属性基加密技术[56]和可搜索加密技术[57]来解决权限管理问题，用户可以根据自己的需求在系统中搜索关键词，但只有用户的属性满足访问要求，才能访问相应文件。

2.1.2 基于区块链的智慧治理方案

在区块链中，任何人都可以加入区块链，任何人都可以成为节点，并且任何人都可以获得整个数据库的全部数据，因而区块链可用于构建去中心化的投票、选举系统，使选举过程更加透明、公开及匿名化；也可构建匿名、公开、全民参与的智慧治理平台，最大程度地满足每个人的利益表达。
Yavuz等[58]提出了一个基于以太坊和智能合约的电子投票系统，公民们可以使用安卓设备或直接使用以太坊账户在任何时候、任何地点进行在线投票。区块链的不可篡改性使得所有上链的投票结果都无法被恶意篡改，可追溯性保证了投票过程的公开透明和真实性。所有投票结果及意见都将被记录到链上，使得任何公民的意见都可以被听到和被注意到，有利于公民参与智慧城市的建设。然而此方案只支持以太坊，不支持其他区块链平台如Hyperledger Fabric、EOS等，这会造成另一种“中心化”，即投票平台的中心化，使用其他区块链的用户必须使用以太坊才可以进行投票。此外，在以太坊上运行智能合约需要支付Gas，即交易时必须支付手续费，这导致只有那些有能力支付Gas的公民才能进行投票，投票过程不具备全民性，投票结果不够公平和公正。
针对在以太坊上使用投票系统必须支付Gas造成的垄断问题，Bai等[59]基于联盟链，提出了一个公民参与智慧城市治理的系统，还设计了一个激励机制，使得积极参与决策或发表意见的公民可以获得密码货币奖励，以鼓励公民积极参与决策过程。此方案降低了公民投票的成本，避免了只有有能力支付Gas的人才能参与投票；通过随机地将公民选入验证者，让公民也可以参与对政府提案的审批，保证了公民参政议政的权利。如图6所示，首先，他们构造了一个混合区块链框架，使得交易可以被一个验证者群体验证，此验证者群体是随机且动态地从公民中选出来的。其次，他们提出了一个新的共识算法，保证验证者群体可以在区块链中验证交易，以及混合区块链可以正常运行。最后，他们设计了一个基于Stackelberg游戏的激励机制，以鼓励公众持续参与交易验证过程，提高公民在智慧城市治理中的参与度。
图 6 基于联盟链的公民智慧治理系统

Fig.6 Citizen intelligent governance system based on alliance chain

2.1.3 存在的问题

虽然基于区块链的智慧治理方案有很多优势，但其中也存在一些问题，如区块链的可扩展性问题。比特币网络每秒最多能承受约7次交易，以太坊则每秒最多能承受约15次交易[60]，面对大型城市中海量的公民数据，当前主流的区块链系统如比特币、以太坊等都无法满足智慧治理系统中高性能的要求。这主要是因为在比特币、以太坊等公有链中，所有节点都需要共同维护整个区块链数据的一致性。大规模的数据会导致网络延迟增加和吞吐量下降，因为每个节点都需要验证、记录并广播每一笔交易，这必然会限制整个系统的处理速度。

2.2 智慧交通

随着无线传感技术、通信技术的发展[61]，智能交通（Intelligent Transport Systems，ITS）产业取得了巨大的进步，为人类生活提供了越来越多的智能交通设施，使人类出行变得更加便捷。智慧交通正在彻底改变城市处理交通流动性和应急响应的方式，同时能够改善城市道路拥堵的状况。海量交通传感器通过通信技术和高速网络将数据进行汇总分析并加以利用，使得城市交通更加便捷和安全。在智慧交通应用场景中，车辆通过网络接口与路边基础设施[62]（Road Side Unit，RSU）进行数据交互。数据通过车辆传感器—RSU—中心服务器的数据链路进行流转，实现车辆与管理系统、车辆与车辆的数据流通[63]。
虽然现有中心化的数据管理模式为智慧交通快速发展提供了有效助力，然而智能交通系统日益复杂，涉及的主体愈发多样，不断增加的数据类别、数据总量给传统中心化管理带来了沉重负担[64]。除了数据服务难度不断增加，数据安全也越发难以保证，不同实体、不同进程间的数据安全流通问题成为制约智慧交通发展的严重阻力。因此，如何疏缓中心机构的数据管理压力，同时保证数据的安全共享，成为一项新的研究课题。区块链技术的出现为交通数据管理提供了新的解决思路，下面将从两个方面介绍区块链技术在智慧交通领域的应用，并指出存在的问题。

2.2.1 基于区块链的智慧交通管理架构

区块链可用于创建一个安全、可信、去中心化的智能交通系统，从而更好地利用已有的交通基础设施和资源。可以通过设计合理的针对具体交通场景的区块链共识算法，实现交易快速共识上链，通过智能合约实现数据交易的自动安全处理。
针对区块链在交通管理领域的应用，Yuan等[65]首先提出了一种基于区块链的智慧交通架构，如图7所示。该架构共分为七层，由下至上分别是物理层、数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层。物理层主要包括不同的物理实体，如车辆、路边基础设施和网络传感器等设备；数据层包括数据块以及包含在数据块里的时间戳、默克尔树等内容；网络层主要是网络的拓扑结构，如P2P（Point to Point）网络结构等；共识层即区块链的共识机制，如PoW和PoS机制等；激励层将经济奖励纳入区块链，并规定了其发行和分配机制，一旦创建了一个新的数据块，就会产生一定的奖励，以激励网络继续进行数据验证；合约层封装了各种脚本、算法和智能合约，它们将作为存储在区块链中的静态数据、交易或资产的重要激活器；应用层部署了不同应用场景的可视化操作界面，便于用户操作。
图 7 基于区块链的智慧交通架构图

Fig.7 Intelligent transportation architecture diagram based on blockchain

虽然Yuan等[65]提出的架构保证了安全、可信和去中心化，实现了智慧交通实体之间数据、资金和资产的自由安全流动，但是本质上该系统并未针对特定的需求或场景实现特定的管理能力，从而达成去中心化自治组织（Decentralized Autonomous Organization，DAO）。为了满足不同智慧交通的需求，实现自组织、自进化和自适应的DAO，Zhao等[66]提出了一种基于DAO的管理架构。该架构考虑了交通元宇宙中的技术，依托基于区块链的运输生态系统，构建了一个综合管理框架。该DAO系统依据Veres等[67]的工作，分为三层框架：组织层、协调层和执行层（Organization，Coordination，Execution，OCE）。组织层以发展为导向，制定道路网络计划，改善交通环境；协调层以任务为导向，面向车辆数据交互、移动数据管理设计针对性去中心化系统，以满足智慧交通中的不同需求；执行层以问题为导向，针对交通信号控制、泊车管理等终端设备控制实现细粒度管理。为了促进可信的实时决策，该方案还在OCE框架中引入了决策过程，包括共识、社区投票和智能合约，使得模型能够自适应地主动解决交通问题，最终达成智慧交通。Ghasemi等[68]进一步发展了该架构，通过更深层次地挖掘边缘计算节点，提出将轻量化、分布式人工智能应用到基于区块链的智慧交通系统中，给出了一种新颖的研究思路。

2.2.2 基于区块链的交通数据共享

在上述提到的智慧交通管理架构下，研究者们针对智慧交通中的具体应用问题，提出了多种基于区块链的去中心化系统，形成了去中心化自治组织甚至去中心化自治社会。在这些应用问题中，最为核心的应用是车辆间数据共享[69-70]。在实际应用中，传统车辆间数据共享通过车辆A-RSU-管理中心-RSU-车辆B的数据链路完成[63]，中心化的管理系统限制了数据交互的速度，威胁了系统安全[71-72]。
为了达成去中心化的高效安全车辆间数据传输，Shi等[73]提出了一种基于区块链和加密技术的多媒体数据共享方法，它可以部署在车辆互联网络中。该方法利用区块链的不可篡改性来解决共享数据的恶意篡改问题，同时利用区块链中的时间戳和数字签名等对数据进行跟踪，以发现从恶意用户发送的数据。此外，该方法还使用加密技术来解决数据共享过程中用户的隐私泄露问题。
Shi等[73]提出的这种架构如图8所示。该框架由区块链系统、权威认证机构、RSU、车辆和司机5部分组成，它是在以太坊上实现的基于不同数据源的交通数据共享系统，主要分为系统初始化和不同主体之间的数据加密共享。初始化过程主要分为3步：第一步，用户将自己以及自己所有车辆的信息发送给权威认证中心；第二步，权威认证中心返给用户对应的唯一身份、对应的公私钥以及一条用于验证的对应哈希链；第三步，权威认证中心将用户身份信息、用户公钥、时间戳和哈希链的链尾哈希值4个数据以及对应的签名上链。该框架将区块链存储的数字签名、哈希值等数据用于数据共享时的验证过程，实际用户数据和RSU数据存储在权威认证中心。在该框架中，区块链系统实际上成为了一个去中心化的权威机构。该系统通过数据签名、完整性校验哈希值等实现了对传统架构中权威认证机构的监管，进而实现了去中心化的数据交易。
图 8 基于区块链的交通数据共享框架

Fig.8 Traffic data sharing framework based on blockchain

虽然Shi等的方案通过区块链实现了去中心化监管，但仍需一个中心化的机构提供用户管理功能。为了进一步实现去中心化系统，Davide等[74]提出了一种基于智慧交通的去中心化框架GOLIATH。该框架如图9所示，通过设计针对交通领域需求的共识机制，实现了完全去中心化的数据交易系统。在该系统中，车辆数据交易由矿工车辆记录并产生候选区块。此后，由选举出的执行者运行验证算法，对非法交易、传输合法性、恶意惩罚等进行验证，通过的区块被上链。考虑到车载嵌入式设备难以运行基于PoW的选举算法[75]，因此执行者是由基于PoS的车辆选举算法选出的。鉴于这种灵活的智能合约机制，车辆用户可以自由地加入或离开。
图 9 去中心化智慧交通框架

Fig.9 Decentralized smart transportation framework

2.2.3 存在的问题

虽然上述方案体现了区块链技术在智慧交通领域具有较大的应用前景，但基于区块链的去中心化智慧交通系统对RSU提出了更多的要求。在传统的中心化服务架构中，RSU只需要利用网络传感器和摄像头等采集交通数据即可。而在去中心化的区块链服务架构中，除了基本的数据采集工作外，RSU还要对采集的数据具备一定的自主处理能力，包括数据上链、数据共享等操作，这是现阶段智慧交通中RSU所不具备的。因此，如何提高方案效率，在保证安全的前提下减轻各主体的负担，需要不断探索与发展。

2.3 智慧医疗

随着世界城市化进程的快速推进，传统的医疗保健设施已不足以满足公民需求。智慧医疗利用物联网、大数据、云计算、人工智能以及区块链等新一代信息技术，全面改造传统医疗体系，让医疗更高效、更便捷、更个性化[76]。医疗保健和智慧城市的结合将新一代信息技术纳入世界各地的卫生和医疗服务中，从而提高了智慧城市居民的生活和健康水平。其将传统医疗系统抽象为患者、医生、医疗机构的三方关系或者包含云的四方关系，将数据交互抽象为实体间的访问控制、数据交易。数据化的抽象能够优化管理，加速系统运行。
然而，这一整合也使医疗保健行业面临安全挑战，包括患者隐私泄露以及医药收费的不透明等[77]。将区块链技术应用于患者和医院之间共享数据的过程中，一方面可解决患者隐私泄露问题，另一方面可实现医药收费数据的透明公开，为患者和医院搭建信任的桥梁，同时也有利于为事后医疗事故追责提供证据[78]。下文将阐述区块链在智慧医疗中的多项应用案例，并指出存在的问题。

2.3.1 基于区块链的智慧医疗系统方案

Haque等[79]提出了一种基于私有链的智慧医疗系统，相比于传统的中心化智慧医疗系统，使用私有链可以将医疗系统中不同主体的数据单独上链处理，实现患者数据的透明化管理。该智慧医疗系统统筹了医院、患者、医生等多个利益相关者，设计了一套完整有效且数据安全的诊治流程。图10展示了该系统的工作流程，系统包含患者注册、预约安排、咨询、检查结果告知、患者治疗和计费等过程。医院将构建自己的基于以太坊智能合约的私有链平台，将智能合约部署在患者就医诊治流程中，智能合约主要分为患者诊断信息共享合约和患者住院信息共享合约。该系统可以完成患者诊断信息和住院信息全流程数据的实时自动共享，帮助医生做出高效诊断，方便患者就医的同时节省医院的系统维护成本，保证患者隐私信息的匿名化和安全性。
图 10 基于智能合约的患者就诊流程

Fig.10 Patient visit process based on smart contracts

虽然Haque等[80]设计的系统能够实现去中心化的患者就诊服务，但是在这种以医院为核心的系统中，医院掌握了系统的管理权，可能引发新的问题。此外，基于以太坊智能合约的构建方式由于其无权限管理的模式，导致面临系统低效与扩展性差等困境。因此，多种以患者为中心的基于区块链的智慧医疗系统应运而生。
Singh等[81]提出了一种基于区块链的以患者为中心的智慧医疗系统，如图11所示。该系统考虑了患者就医过程中可能遇到或使用的部门，以此为出发点通过基于区块链的数据库与应用程序接口（Application Programming Interface，API）将医院、病理实验室、保险公司、药房联系在一起，实现了患者就医、化验检验、病历管理、处方实施、保险赔付等多个子系统协同运行。在该系统中，医院作为患者最先接触的部门，首先通过区块链API检验链上数据，判断此患者是否为第一次就医。如果链上已有该患者病历，相关医生将快速获知患者病史，辅助医疗诊断。否则，医生会为其生成新病历并更新至链上，完成病历备份。此后，患者将根据医生开具的处方向药房或检验科发出开具药物或进行身体检查的请求。开药记录与检验结果将实时更新至区块链系统患者已有的记录中，医生可以实时获知患者各项数据，辅助医疗诊断。最后，进行医疗保险赔付，患者向医院发出保险单请求，医院通过区块链API获知患者链上医疗信息，生成保险账单发送至保险公司。保险公司完成保险赔付后将数据更新至区块链系统，完成就医流程的闭环。在整个系统运行过程中，所有数据流通以患者为中心通过统一区块链系统完成，保证了医疗数据的随时可用与安全可靠，为患者就医提供了方便与安全保证。
图 11 以患者为中心的智慧医疗系统

Fig.11 A patient-centered smart healthcare system

虽然Singh等的方案利用区块链完成了患者智慧就医系统闭环，然而随着智慧城市中物联网数据系统的不断发展，智慧医疗将不再局限于患者去医院就医。大量物联网可穿戴设备如Apple Watch等，可以实时检测用户心率、血氧饱和度、运动等数据，这些数据是监测人身体健康情况的重要指标[82]。然而现有方案并未打通患者可穿戴设备数据与医院医疗数据之间的通道，难以进行数据聚合从而进一步发挥医疗指导价值。
Chakraborty等[83]敏锐地捕捉到了该问题，提出了一种基于区块链的医疗数据存储与共享系统，如图12所示。该系统主要分为两条链，图中右边为PHC（Personal Health Care）链，左边为ERM（External Record Management）链。PHC记录患者的可穿戴设备或生物传感器等产生的数据，ERM记录患者在医疗体系中的数据，包括病历、处方、检验结果等。值得注意的是，通过统一的外部存储，患者个人的PHC链在本人授权的前提下可被医生访问，实现了智慧医疗数据的聚合。同时，患者拥有这两条链的访问权，可以随时关注自己的治疗状况以及花销明细等数据。因此，该系统可以有效地解决医患之间数据的不对等问题，保证患者治疗全程相关数据的透明性，同时辅助医生诊断与实施治疗。为了提供比Chakraborty等的方案更强的应用普适性，Han等[84]在PHC和ERM链的基础上引入了Social链，使得处于完全公开与私有之间的可选择性数据可以被更加灵活地处理。该方案解决了医疗数据孤岛问题，实现了选择性安全数据共享。
图 12 基于区块链的医疗数据存储与共享示意图

Fig.12 Schematic diagram of medical data storage and sharing based on blockchain

2.3.2 存在的问题

上述方案通过区块链技术实现了智慧医疗数据的流通与闭环，打通了医患数据的壁垒。但目前对全流程智慧医疗的研究还远未达到高可用性，智慧医疗的建设停留在对患者住院期间的关心维护上，缺乏对病人全流程健康状况的跟踪。虽然Chakraborty等提出了一种可行的技术路线，但日益发展的小型信息化设备产生了大量的非结构化数据。这些传感器设备难以负载高的计算量，需要设计适应性高、负载低的数据链系统，这对区块链技术的发展应用提出了进一步的要求。因此，区块链和智慧医疗的结合应用还有很大的发展空间。

2.4 智慧能源

在环境污染日趋严重、化石能源逐渐枯竭的背景下，能源系统的发展趋向于清洁化、智能化。智慧能源也叫能源互联网，能源互联网这一概念最初由美国经济学家Rifkin在《第三次工业革命》一书中提出[85]。该概念将互联网技术与可再生能源结合，利用互联网固有的交互性和开放性特征，将传统单向电力网络转变为能源共享网络，图13是Rifkin提出的智慧能源图景。2016年，中国国家发改委《关于推进“互联网+”智慧能源发展的指导意见》[86]中定义，智慧能源是一种互联网与能源生产、传输、存储、消费以及能源市场深度融合的能源产业发展新形态，具有设备智能、多能协同、信息对称、供需分散、系统扁平、交易开放等主要特征。
图 13 智慧能源图景[84]

Fig.13 Smart energy landscape[84]

随着我国信息技术的高速发展，智慧能源成为未来的趋势。当今我国正处于能源转型发展的关键阶段，从传统能源转向智慧能源的过程中会出现很多问题。一方面，点对点的能源交易平台可以促进节约用能，因为它提供了一个可以在产能过剩时进行能源交换的平台，可以间接提高能源利用效率。传统的能源管理方式无法实现点对点的能源交易、能源动态定价以及对能源的来源和使用进行监测和溯源追踪等，因为传统的能源管理方案大都使用中心化的能源管理方式，中心机构负责对能源进行整体的调度和分配，权限过大。而且在中心机构的管理下，点对点的能源交易必须经过中心机构，中心机构需要承载过多的能源调度压力，因而无法基于中心化的传统能源管理方案来实现点对点的能源交易，也无法进行点对点的能源生产和使用，中心化的能源管理方案需要转型。另一方面，在智慧能源中，多能源系统可以减少对单一化石燃料的依赖，使向绿色能源的转变成为可能。然而，不同的能源具有不同的特性，如自然能源中的风能、光能、水能等具有很大的随机性，它们受自然天气的影响很大，不能持续不断地提供能量，因而需要一个协调调度系统来负责调度不同的能源系统，实现多能源利用。
针对以上问题，引入区块链技术，利用区块链平台上的智能合约可以实现自动化的能源交易和管理，提高能源交易的交互性和灵活性[87]。并且，利用区块链技术可以建立去中心化的多能源协同调度系统，减少对单一化石燃料的依赖，使向绿色能源的转变成为可能[88]；还可以构建智慧能源网络，改善能源资源的规划和管理[89]。目前，区块链技术已经应用于智能计费[90]、新能源汽车充电桩的管理[91]、微电网[92]、去中心化能源交易市场[93]等领域。下面将从基于区块链的能源交易框架和基于区块链的多能源协同系统两个方面简要介绍区块链技术在智慧能源中应用的实例，并指出存在的问题。

2.4.1 基于区块链的能源交易框架

在分布式的智慧能源系统中，如何在大量生产者中建立可靠有效的能源交易模型是一项重要的任务。在区块链网络中，节点既可以是矿工，也可以是用户，这与能源交易中生产型消费者的属性相匹配。在智慧能源交易市场中，生产者可以参与能源交易，也可以作为消费者进行购买操作。
Yang等[94]提出了一种基于区块链的去中心化电力交易平台，如图14所示。在智能电表中部署的智能合约，可用于实现数据读取和更新等操作。这种去中心化的框架有助于保持电力市场的稳定，同时促进电力生产和用电的平衡。智能合约的部署使得所有交易都自动有序地进行，它能自动监控在电网系统中执行的所有操作，并识别电力数据的恶意使用情况，保证了交易过程的高效性和安全性，避免了因人为的误操作而导致的经济财产损失。然而该方案未考虑对用户交易的隐私保护，这是因为区块链上记录的数据是公开的，任何人都可以对这些交易进行追溯分析，从而获取用户的交易隐私如交易金额、交易量等。
图 14 基于区块链的去中心化电力交易框架

Fig.14 Decentralized power trading framework based on blockchain

Ping等[95]针对以上问题，提出了一个基于区块链的可以优化能源交易效率且具有隐私保护功能的方法。此方法通过对交易进行加密来保护参与者的隐私。此外，他们还提出了一种基于隐私保护拜占庭容错的协调算法，确保不诚实交易结果的正确性。

2.4.2 基于区块链的多能源协同系统

在智慧能源系统中，往往有多种能源参与，因此需要一个系统对这些能源进行调度、控制、管理、转换、储备等[96]。但由于电力、热力、燃气等能源系统长期处于互相独立的状态，其物理特性、调度模式、控制方式等差异很大。为了妥善处理多能源协同问题，张宁等[97]提出了一种基于区块链的去中心化多能源系统，如图15所示。在该系统中，区块链记录了不同能源系统的实时生产信息及成本，用户可以通过区块链来进行跨能源类型交易；基于P2P网络，结合智能合约区块链可以实现自协作且去中心化的调度服务，保证不同能源系统之间的协同运行；基于哈希链的结构，使用区块链来记录不同能源系统之间的公共信息，保证数据的完整性。
图 15 基于区块链的多能源协同系统

Fig.15 Multi-energy collaborative system based on blockchain

Zhang等[98]基于区块链提出了一个安全的、可用于多能源系统优化调度和运行的框架，并设计了一个综合管理系统，其可以最大限度地利用智慧城市中的能源系统，实现不同能源之间的转换。但由于某些能源如光能、水能等自然能源处于随机环境，因而如何对这些自然能源建模是一个巨大的挑战。针对这个问题，他们提出了一种新的基于无迹变换的随机方法，作为建模相关环境中随机参数不确定性影响的有力工具。该方法在充满大量随机变量且可能存在操作故障的智慧城市环境中，展现出较强的鲁棒性，适用于构建现实可靠的能源管理系统。他们使用散列函数加密数据，利用散列函数的单向性保证数据的完整性，并对数据进行压缩以保证数据的机密性及提高数据传输效率。

2.4.3 存在的问题

基于区块链的智慧能源系统在实现多能源管理、能源交易等方面具有潜力，但也面临着一些问题。一方面因为能源交易系统需要处理大量的能源交易，这其中必然涉及大量的数据，因而其需要具备可以处理大量数据的能力，如分析大量数据、存储大量数据等。目前，公共区块链系统（如比特币和以太坊）可能无法满足此要求，这限制了基于区块链的智慧能源系统的发展。另一方面，基于区块链的智慧能源系统需要依靠准确、真实、实时的能源数据来进行能源管理，实现能源交易。但是，能源数据的收集和传输可能会受到干扰或篡改，这会导致收集到的能源数据不实时，以及能源交易中能源价格不真实等情况发生。因而需要确保收集到的能源数据的真实性、完整性和实时性。

2.5 智慧供应链

智慧供应链的概念由传统供应链发展而来，其本质上是供应链管理与新的信息技术如人工智能、大数据等的结合[99]。传统供应链管理是一个组织或公司的关键环节，它由许多实体构成，涉及上下游市场产品或服务的全生命周期管理，目标是为整个供应链的客户提供最大的价值[100]。供应链管理对于企业的发展至关重要，实现高效、低成本的运作是供应链管理的目标。
随着人工智能、大数据等技术的发展，供应链管理面临新的挑战和问题。首先，供应链管理涉及上游和下游等诸多实体，产生的数据类型种类繁多，因而如何对供应链上下游数据进行分类管理是一个复杂的问题；其次，由于智慧供应链中涉及多个不同实体，因此不同实体在智慧供应链上的操作需要透明、公开、可信，以防止恶意实体破坏供应链的正常运转；最后，需要保证智慧供应链中产品数据的机密性，数据在智慧供应链上流通时，需要保证只有数据拥有者及其授权的用户才能对数据进行查看、修改等操作。
针对前面提出的问题，利用区块链的智能合约可以将智慧供应链上的实体操作自动化，对数据自动地进行分类管理，避免智慧供应链上不同实体的人为失误或恶意破坏行为，帮助上下游实体之间建立信任，保证智慧供应链全过程透明、公开、可信。下面将从智慧供应链管理架构和数据共享系统两个方面阐述区块链在智慧供应链中的典型应用，并指出存在的问题。

2.5.1 基于区块链的智慧供应链管理架构

在智慧供应链中，上下游实体存在分层结构。一般来说[101]，智慧供应链的上游实体包括原材料供应商、生产厂商等，他们负责供应链的起始环节；下游实体包括分销商、零售商等，他们负责供应链的终端环节。区块链具有层次化的体系结构，这种结构有利于建立智慧供应链平台。通过自动执行智能合约，可以保证智慧供应链全程高效有序地进行，同时减少大量的人力管理成本。
Wu等[102]提出了一种基于区块链的智慧供应链管理体系架构，如图16所示。该体系架构主要分为5层，分别是数据层、网络层、共识层、合约层和最顶层的应用管理层。数据层主要负责利用各种网络传感器收集底层数据，如物流信息跟踪数据、用户订单信息和货物储存信息等，每个实体会维护一个本地账本，这个账本会利用加密函数进行加密处理，以保证信息的安全性；网络层主要是整个管理系统会用到的网络拓扑结构，即P2P网络，其使用原子广播协议[103]；共识层主要是使区块链系统正常运行的共识机制，该层决定了系统运行效率；合约层主要是智能合约的实现，它可以使系统自动高效地运转；应用管理层是不同用户的使用或管理界面，顾客可以在系统中下单，同时企业成员可管理相关货物信息，监管者也可以对系统的运行进行监管。可以看出，这种基于区块链的体系架构可以保证供应链上下游各实体参与其中，从最底层数据的收集到应用层的用户界面，每层负责一定的职能，实现供应链的高效一体化管理。然而，此方案中的数据权限控制的细粒度不够，其仅基于联盟链的基于角色的权限控制对数据进行访问控制，不能保证数据仅被数据拥有者授权的用户使用，不满足最小权限原则。
图 16 基于区块链的供应链管理体系架构

Fig.16 Supply chain management system architecture based on blockchain

Shittu等[104]针对上述问题，提出了一个基于区块链并使用属性基加密来对数据进行细粒度访问控制的方案。此方案使用树莓派追踪智慧供应链上产品产生的数据，再使用属性基加密将这些数据加密后存储到区块链上，防止数据篡改。属性基加密分发不同的属性给不同的用户，只有当用户的属性集满足密文上设置的访问控制策略时，此用户才能使用他的属性密钥对密文进行解密，保证智慧供应链上的某些数据仅被数据拥有者授权的用户访问，防止产品生产细节的泄露，保护产品的知识产权，最终缓解企业的数据泄露压力。Dash等[105]则从管理理论层面出发，以另一个视角解决了上述问题。通过引入逐步式供应链风险管理（Supply Chain Risk Management，SCRM）概念，其提出的SCRM区块链在多种医药供应链测试场景中的结果为实际部署决策提供了可依据的信息。

2.5.2 基于区块链的智慧供应链数据共享系统

下面将从区块链在农业供应链和供应链金融两个方面的数据共享来阐述其在智慧供应链中数据共享的应用。
在农业供应链数据共享方面，Rahman等[106]提出了一种基于区块链的智慧供应链农业数据共享框架，如图17所示。该框架部署了基于数据共享策略的智能合约。农场中的物联网节点、监控节点以及无人机摄像节点通过P2P网络连接，节点通过智能合约自动生成具有访问控制策略的交易，具有出块权的节点将交易打包成区块，然后让区块在整个网络中形成共识，即完成区块上链操作。针对现阶段大农场建设中出现的数据杂乱、数据量大和数据管理复杂等问题，该架构能更好地保证整个数据链的有序性和透明性，同时给节点一定的自主操作权限，使农业生产过程更加高效。
图 17 基于区块链的智慧供应链农业数据共享框架

Fig.17 Smart supply chain agricultural data sharing framework based on blockchain

在供应链金融数据共享方面，Du等[107]针对传统供应链金融中存在的信息不对称导致的严重欺诈问题，基于大型钢铁企业实际的供应链场景，运用区块链技术对供应链金融业务模式进行改造，构建了一种基于区块链技术来管理整个流程的新型供应链金融平台。将数据进行链上存储，保证数据的公开透明，利用区块链的不可篡改性保证数据的完整性，解决由供应链参与方之间的信息不对称造成的欺诈问题。此外，使用智能合约可以降低人力监督成本，为供应链相关方提供更好的金融服务。为了保护用户的隐私，他们还提出了一种在区块链中使用同态加密的新方法，以满足供应链金融场景中敏感数据隐私保护的需求。然而，此工作基于Paillier算法[108]，实际使用效率不高，无法实现细粒度的访问控制。
Li等[109]为了实现高可靠的安全存储和细粒度的访问控制，提出了基于区块链的安全存储系统Fabric-SCF。利用分布式共识实现数据安全、可追溯性和不可篡改性，采用属性基加密访问控制模型进行访问控制，并利用智能合约定义系统流程和访问策略，以确保系统的高效运行。

2.5.3 存在的问题

虽然上述方案为智慧供应链提供了一种更加安全、透明和高效的供应链管理方式，但现阶段由于不同企业和组织之间数据交换需要获得用户的同意，企业或组织之间的合作无形中受到了限制，这可能导致供应链多个环节无法实现无缝衔接，增加了系统集成和协作的难度。

2.6 智慧农业

在2.5节中介绍了Rahman等提出的基于区块链的智慧农业供应链系统。农业是国之根本，对一个国家的经济以及公民的安全和健康都至关重要。因此，研究智慧农业具有重要意义。智慧农业是指将物联网、人工智能和区块链等技术应用于农场运营和管理中的新的农业发展模式，其最终目标是提高作物的质量和产量，同时优化人力[110]。
当今中国农业正处于转型发展的关键阶段，农业信息化程度愈发提升。在大农场经营模式[111]逐渐普及的过程中，越来越多的网络传感器和物联网设备用于农作物生长状态的监控，产生了大量的数据，传统的集中式管理服务器暴露出种种弊端，如数据丢失和单点故障等。此外，绿色健康是公众购买食用农产品首要考虑的因素。虽然如今大部分农产品市场已经建立起质量监督与公示机制，但如何在扩大信息传播范围的同时确保数据的可信、可追溯性仍面临困境。进一步地，农产品价格波动剧烈，不同时节差异巨大。价格透明、一致的买卖市场是促进农产品交易的重要手段。然而现有市场透明性不足，消费者往往需要“价比三家”，严重影响了市场效率。
针对上述问题，区块链可以结合属性基加密、数字签名等技术，通过智能合约将农场中产生的数据与农产品市场数据自动上链存储和共享，实现农业数据分布式存储，达成数据透明、可追溯且不可篡改的目的，保证数据安全与市场透明，助力智慧农业的发展[112]。下面将从两个方面介绍区块链在智慧农业中的具体应用，并指出存在的问题。

2.6.1 基于区块链的智慧农场数据共享

在智慧农业中，智慧农场的建设是一个高度综合的系统工程，旨在实现一种高效、环保、集约化的农场生产新形态[113]。智慧农场通过部署众多的无线传感器形成无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSNs），定点定时采集相关数据并将其上传数据分析系统，综合分析相关数据后做出最优决策，提高生产管理的效率。智慧农场的建设对数据共享提出了新要求，基于区块链的智慧农业数据共享系统可以最大化智能传感器的使用度[114]，智能终端可以作为区块链节点对数据进行实时操作，使得生产活动更加智能化和高效化。
作为该领域的代表工作，Li等[115]提出了一种基于区块链的无人机（Unmanned Aerial Vehicle，UAV）辅助无线传感器网络监控系统。该系统架构如图18所示，包含无限传感器网络、无人机、远程监控中心、数字证书注册中心等实体。无线传感器定期收集环境、农作物信息后，通过无线多跳路由方式将数据传输至传感器簇头。无人机承担无线传感器网络移动汇聚节点的身份，搜集传感器簇头收集的信息。无人机同时作为区块链节点将数据打包成块通过私有网络上传到区块链中，实现数据收集上链。一方面，远程监控中心可以实时访问区块链中的农业数据，调配自动化机械设备，指导农业生产；另一方面，基于区块链的系统保证了农业数据的不可篡改性与可追溯性，便于向公众进行信息披露。
图 18 基于区块链的智慧供应链农业数据共享框架

Fig.18 Smart supply chain agricultural data sharing framework based on blockchain

虽然Li等的方案完成了农场数据收集上链的全过程，但是其主要关注农场数据聚合的过程，对用户端考虑不足。Kahlid等[116]设计了一个更为完整的智慧农场系统，该工作首先提出了一种新颖的基于区块链的系统框架来支持无人机与农场传感器间的认证无线信道。具体来说，农场传感器节点与无人机均可通过预先设计的区块链+智能合约系统获知对方的公钥，从而建立认证信道。该系统可以防止恶意腐化传感器节点或无人机盗取数据，保护数据安全。进一步地，通过与IPFS的交互，用户可以在任何移动通信设备上完成对农场数据的收集与分析，实现智慧农场监控与资源调配。

2.6.2 基于区块链的智慧农业市场管理系统

上述方案主要关注农场数据，解决的是智慧农业生产问题。但想要提升农业整体发展水平，公平可验证的农业整体供应链交易市场是必需的。在智慧农业系统中，多种互相不信任的利益相关者（如农民、银行、监管机构）之间，存在由市场透明度不足、供应链可追溯性缺失等引发的信任问题，制约了农业市场的发展，降低了市场流动效率。Hiren等[117]针对此问题，提出了一种基于以太坊的系统AgriOnBlock。该系统考虑了3种智慧农业场景，分别是农产品货运销售、保险索赔、农业货物供应链交易市场。考虑到基于区块链的供应链管理已在2.5节进行了介绍，本小节将主要介绍其前两部分系统的设计。
（1）从仓库到零售商发货管理
如图19所示，该场景考虑4个主体，分别是农产品仓库、银行、零售商、AgriOnBlock，每个主体均持有自身私钥和所有参与方公钥（可采用如RSA等公钥密码算法），可以实现可靠消息传输。当零售商希望从仓库进货时，首先将自身身份、货物单价和需求发给AgriOnBlock和银行（步骤①）。经身份验证后，若零售商的银行账户有足够余额，将所需金额从零售商账户转移至仓库账户（步骤②）。此后银行告知AgriOnBlock交易成功（步骤③）。收到银行付款确认后，AgriOnBlock指示仓库发货并将交易添加至链上（步骤④至步骤⑥）。
图 19 基于区块链的智慧供应链农业数据共享框架

Fig.19 Smart supply chain gricultural data sharing framework based on blockchain

（2）保险索赔
如图20所示，该场景考虑5个主体，分别为农民、土地勘测员、保险公司、银行、AgriOnBlock。当农民需要进行保险理赔时，首先向AgriOnBlock提交保险索赔请求（步骤①）。经身份验证后，AgriOnBlock将详细信息转发给保险公司（步骤②）。保险公司收到索赔请求后，指派勘测员实地考察，并查验勘测报告（步骤③和步骤④）。若情况属实，保险公司将通知银行向农民付款并向AgriOnBlock告知将交易上链，完成索赔流程（步骤⑤至步骤⑦）。
图 20 基于区块链的智慧供应链农业数据共享框架

Fig.20 Smart supply chain agricultural data sharing framework based on blockchain

2.6.3 存在的问题

虽然上述区块链方案[115-117]分别从数据管理和贸易管理的角度为发展智慧农业描绘了美好愿景。但因为智慧农业数据量大、非结构化数据较多，现有农业区块链方案大多局限于“一事一链”，所以产生了小麦种植链、农产品供应链、农业保险链等多种区块链系统。虽然这种分产品、分业务治理的思路有益于方案设计，但多类别的区块链方案增大了智慧农业管理的难度，难以高效推广。因此，设计追踪农产品非结构化数据流通全生命周期的智慧农业区块链方案，需要进一步探索。

2.7 问题总结

本节从6个方面具体介绍了区块链技术在智慧城市建设中的应用，展现了其广泛的应用价值。然而，现有区块链技术在面对具体应用场景时，仍存在诸多亟待改进的问题。将不同应用场景下存在的问题总结为如下两个共性问题。
问题1：现有区块链应用方案吞吐率不足，容量与可扩展性较差，无法应对智慧城市日益增长的海量数据。无论是新型治理方式的推行、新型医疗体系的建立，还是全新供应链的构建，都对区块链技术的数据吞吐率与可扩展性提出了更高的要求。
问题2：现有智慧城市区块链技术应用方案体系性不足，技术种类繁多，不同技术间难以整合，监管困难。智慧城市作为一个综合系统，需要整合各个应用场景下的子系统以实现综合治理。不同类别的区块链技术使得各个环节数据流通困难，增加了系统协作的难度。而且，不同种类的区块链系统增加了实际部署成本，限制了应用范围。

3 未来研究方向

区块链技术已经在智慧城市的多个领域得到了应用，但其中也存在一些问题。在2.7节提出的两个问题中，问题2将随着区块链技术的成熟而逐步被解决。本节针对问题1，提出智慧城市建设中区块链技术应用未来可能的研究方向。

3.1 基于分片技术的智慧城市数据共享

如2.7节问题1所述，现有的区块链系统面临吞吐率不足、可扩展性差的问题，学界提出了链下扩容[118]和有向无环图结构[119]等解决方案，但是这些方案存在固有缺点，如高时延、低吞吐率和生成寄生链等。分片技术是一种实现链上扩容的技术[120]，主要分为网络分片、交易分片和状态分片[121]。网络分片是将拥有许多节点的整个区块链网络划分为若干子网络，每个子网络成为一个分片，每片中的节点通过片内共识机制形成一致性和顺序性；交易分片（也称数据分片）是将相应范围的数据存储到对应的分片中，不同分片的数据只在对应分片共识上链，并且共识过程相互独立；状态分片实现了不同分片存储自身分片的数据状态，而不能存储整个区块链系统的数据状态。通过三种不同的分片方式可实现不同分片数据的并发处理，同时分片中节点数量降低，交易处理性能随之提升，从而提高整个区块链系统的交易吞吐率，实现链上的扩容。
图21展示了基于分片技术的智慧城市整体框架，在相应的领域中按照地域相近的关系形成分片，将节点所在区域的数据通过哈希函数映射到一个分片中，然后从每个分片中选举出一个主节点作为不同分片之间数据交互的中间节点。在相同分片中，片内节点负责维护该分片的数据状态，不同分片的数据上链并发进行、互不影响，最终实现相应领域内的网络分片和数据分片。在同一领域内，将对应的政府分管部门作为备份节点来对整个领域（如交通领域）不同分片的数据进行备份存储，同时实现政府部门对相应领域数据的规范化管理和违法行为的监管。在现行政府管理架构下，本架构设计可极大地提高基于区块链的智慧城市数据处理效率，同时能保证数据的不可篡改性、可追溯性以及数据操作的透明性，实现区块链赋能智慧城市高效管理的新愿景。
图 21 基于分片技术的智慧城市示意图

Fig.21 Schematic diagram of a smart city based on sharding technology

3.2 基于新型区块链的智慧城市数据共享

另一种可能的解决方案是采用新型区块链方案进行智慧城市应用探索。Aptos区块链是基于美国Meta公司Diem区块链的新型区块链项目[122]，它是以PoS共识机制为基础建立的高可扩展公有区块链网络，旨在保证区块链安全性的同时提高系统吞吐率，目前其测试交易吞吐率可达到每秒13万笔交易，这在很大程度上提高了区块链网络的可扩展性。Aptos区块链使用Move编程，Move是一种基于Rust的编程语言[123]，它更加关注编程过程中的数据加密，这在很大程度上保证了区块链网络在设计层面的安全性。
与Aptos区块链类似的还有Sui区块链[122]，它也是一种新型公有链网络，但与Aptos不同的是，Sui区块链在架构层面是基于Tusk共识机制[124]实现的，同时在执行过程中使用了有向无环图进行优化，这给区块链应用的安全性和可扩展性带来更多的选择。可以看出，针对目前智慧城市建设过程中产生的海量数据，Aptos等新型区块链网络的合理部署，将会有效提高城市数据共享的效率和安全性。

4 结束语

本文首先对区块链技术的结构、特点、技术架构以及安全性做了系统的介绍，然后针对智慧城市建设中存在的数据隐私保护不足、数据流动性差等问题，结合区块链技术的去中心化、透明性、不可篡改性和安全可信等特性，从智慧治理、智慧交通、智慧医疗、智慧能源、供应链管理和智慧农业6个领域提炼出了相关典型应用案例，并就这些案例解决的问题进行了分析论述。接着，从场景化角度出发，分析总结了各场景下区块链技术应用于智慧城市建设过程中存在的一些问题。最后，对智慧城市未来的研究方向或热点进行了系统的概述，从分片技术框架和新型区块链项目两个方面介绍了区块链技术在智慧城市数据安全共享领域的应用前景。

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