第一部分。
介绍
城市正面临来自快速城市化相关挑战的巨大压力。联合国估计，2018 年全球有 42 亿或 55% 的人口居住在城市地区，到 2050 年将增加 250 亿或 13% [1]。城市发展不仅带来人口爆炸，还带来交通拥堵、污染、不可再生资源枯竭和社会不平等加剧等严重问题[2] – [ 4] 。这些城市问题不尊重国家边界或工业领域之间的界限[5]. 解决这些问题的重大责任在城市层面，经济、社会和环境发展方面的冲突往往在城市层面得到管理。甚至有人说“市长统治世界” [6]。
在过去的几十年里，已经提出了许多城市可持续性和智慧城市框架[7] – [ 10] 。它们提供的工具可帮助城市政策制定者做出决策、采取行动并评估城市在实现更可持续的未来方面取得的进展[11]。
最近，研究人员开始提倡“区块链城市” [5]的概念，将其作为改造城市环境以应对城市化挑战的下一波浪潮。在这方面，区块链可以比作通用技术[12]，它是“对人力和组织资本的补充，其使用受政治选择和公民、技术供应商和地方当局的城市生态系统的影响，具体取决于城市的需求和习惯” [10]。许多人认为区块链有望在全球经济的可持续发展中发挥重要作用[13]，改善人们的生活质量并最终为我们生活的世界带来根本性的变化[14]. 世界经济论坛的一份报告估计，到 2027 年，全球 GDP 的 10% 将存储在区块链技术上[15]。
区块链具有分散的共享数据库，可提供交易记录的透明度和不变性。最初由著名的加密货币比特币[16]实现，后来发展为通过许多替代区块链平台（例如以太坊[17]和 Hyperledger Fabric [18]）提供用于执行任意业务逻辑的无信任平台。这些不断发展的区块链技术越来越被认为是对社会几乎每个部门的颠覆性力量[19] – [ 22] 。
世界上许多城市都报告了与区块链相关的举措，例如澳大利亚、中国、丹麦、阿拉伯联合酋长国、爱沙尼亚、格鲁吉亚、加纳、洪都拉斯、马耳他、俄罗斯、瑞典、新加坡、西班牙、瑞士、英国、乌克兰。 , 美国 (US) [23] – [ 27] 。城市和州制定了各种目标，并在引领区块链浪潮的竞赛中采用了许多方法。例如，迪拜正在构建一个单一的软件平台，城市公共部门可以通过该平台启动区块链项目，作为到 2020 年实现无纸化目标的一部分[28]; 相比之下，伊利诺伊州采取了更具实验性的方法，在不同的工业部门（包括治理、教育、医疗保健和能源）启动了多个单独的区块链试点，每个部门都酌情选择自己的区块链平台 [28 ]。楚格正在通过建立加密友好的商业生态系统[29]将自己发展成为一个“加密谷” 。纽约市宣布计划推出区块链资源中心，作为该市区块链行业的中心，并召集政府和公民利益相关者共同开发监管环境，以刺激整个区块链行业 [30 ]。
尽管区块链正在进行所有的努力，但许多人还认为，我们目前对区块链的理解还为时过早，并且缺乏关于区块链技术可以在哪些方面提供可提及的社会影响的知识[31]。有时该领域甚至被描述为“一种寻找用例的创新技术”，因为区块链如何整合到现有的数字服务、流程和基础设施中在很大程度上是未知的[22]。在向美国国会作证时，美国国土安全部科学技术司司长道格拉斯·莫恩也指出了区块链领域对知识与行动不对称的具体担忧 [32 ]. 以支离破碎或肤浅的方式偏向使用流行语会导致更多的混乱而不是清晰。相信像区块链这样的创新技术可以自动改变我们周围的生态系统的倾向实际上会阻碍技术真正潜力的实现。
在这种混合背景下，本文试图通过将可持续和智慧城市的基础框架与研究界积累的区块链领域知识相结合，来推进对区块链如何适应下一阶段城市发展计划的理解。通过帮助城市政策制定者、行业从业者和所有利益相关者更好地了解城市中的区块链用例，我们希望帮助决策者规划区块链战略，并推动最相关的行业领域采取行动，应对城市增长挑战。我们的工作还有助于强化区块链技术本身不会改变城市的观念；相反，变革需要对技术的政治理解，
我们的研究采用务实的方法，对学术期刊和会议论文集中研究的区块链用例进行全面的文献综述。鉴于关于区块链的论文数量巨大，我们将我们的工作限制在专注于具体用例和广泛系统覆盖的论文部分。我们的主要贡献在以下几个方面：
我们对 159 篇选定论文进行了面向应用的用例审查，并根据 [7] 中确定的 16 个主要全球城市可持续性和智慧城市参考框架的 9 个工业部门列表对它们进行了组织。我们的评论展示了区块链支持的创新如何改变城市系统，以及这些变化对社会不同部门的影响。我们还说明了如何使用面向应用程序的审查来评估区块链应用程序为城市可持续发展目标所做的努力。
我们深入研究了 71 篇论文的子集，以检查有关他们的设计和实现选择的更多细节。为了便于分析，我们提出了一个基于组件的区块链用例通用分析框架，涵盖了区块链系统的外部和内部因素。我们进一步表明，基于组件的分析可以帮助识别实际区块链用例与常见区块链适用性标准之间的差距。
我们针对区块链用例提出了两种分类方法，一种基于角色，另一种基于业务模型。我们还展示了这些分类法如何为跨部门区块链应用程序设计和分析提供见解。
本文的结构如下：我们在第二部分介绍了区块链技术的背景知识，并在第三部分介绍了我们的研究方法。第四节提供了相关工作。接下来的两节，第五节和第六节分别包含我们对区块链用例的主要面向应用程序的审查和基于组件的分析。随后是第七节，对分析结果进行了进一步讨论。最后，第八节总结了本文，总结了它的贡献和局限性，并提出了未来的工作。
第二部分。区块链概述
表 1列出了三种具有代表性的区块链技术及其主要特征，下面将对其进行阐述，以概述该主题。
表 1 代表性区块链技术
Table 1-
Representative Blockchain Technologies
A. 比特币加密货币区块链
众所周知，区块链概念起源于2008 年某人以中本聪的名义发表的关于比特币的论文[16] 。比特币是一种去中心化的加密货币，并且仍然是当今最重要的区块链应用。据信，发明者创造比特币是为了提供一种替代中央银行控制的货币体系的选择，许多人认为这是 2008 年左右全球经济危机的原因。
典型的区块链由计算机节点的对等网络组成，这些节点维护分散的共享记录数据库。在原始的比特币区块链中，记录包含参与方之间比特币加密货币的转移交易。交易中的每一方都有一个公钥基础设施 (PKI) 私钥和公钥对。公钥的哈希值作为当事人的身份或交易地址。交易各方使用他们的私钥对交易进行签名，之后其他方可以使用签名者的公钥对交易进行验证。交易被广播到网络中的所有对等节点。使用分布式共识机制，对等节点就哪些交易有效以及这些交易发生的顺序达成一致。这些交易被放入一个称为“块”的数据结构中，并提交给共享数据库，形成一条链条，因此得名“区块链”。区块链中的每个区块都有自己的时间戳和一个将其连接到前一个区块的加密散列。块只能添加，不能删除。结果是一个共享数据库，其中包含不断增长的不可变且不可逆的记录列表；区块链上的对等节点可以检测到任何区块信息的篡改。结果是一个共享数据库，其中包含不断增长的不可变且不可逆的记录列表；区块链上的对等节点可以检测到任何区块信息的篡改。结果是一个共享数据库，其中包含不断增长的不可变且不可逆的记录列表；区块链上的对等节点可以检测到任何区块信息的篡改。
1) 工作量证明分布式共识
分布式共识机制对于区块链至关重要，因为它决定了哪个区块可以被接受并插入到链中。这类似于就分布式权力分配达成一致，因为创作接受块的节点（以下称为官方验证器）能够更改其他所有对等方共享的数据库的状态。为了确保这一过程的安全，权力分配必须与一些成本和资源相关联，以防止滥用。原始比特币区块链采用的解决方案称为工作量证明，其中节点必须通过计算复杂的加密难题来竞争。这个谜题的特点保证了三个属性：节点必须投入相应的算力才能完成；成功解决难题的下一个节点是随机的；一个节点关于找到谜题答案的声明可以很容易地被任何其他对等节点验证。然而，另一个问题是，只要遵循相同的过程，攻击者控制的恶意节点也可能被随机选择为官方验证者。一旦选择，恶意节点仍然可以尝试将虚假交易记录块注入区块链。因此，对等节点收到官方验证者提出的区块后，还有一个后续的隐式共识步骤。在这一步中，对等节点可以验证接收到的新块中的交易，如果检测到其中有任何异常（例如链接的哈希值不一致，或者交易签名和身份不匹配），它们可以保持先前的状态区块链而不接受新区块。否则如果一切顺利，节点确认新区块并接受更新后的区块链。块被拒绝的可能性随着它从不同节点接收到的接受确认的数量呈指数下降。在一定数量的确认（例如，比特币的情况下为 6）之后，该块被认为永久提交给区块链。
2) 加密代币经济学
除了使用分布式共识机制来防止节点行为不端之外，区块链还可以使用加密令牌资产来主动激励所需的节点行为。特别是，每当官方验证器引入一个被区块链接受的有效块时，它都会因其在验证和打包新交易块方面所做的努力而获得一些加密代币奖励。这种奖励加密代币可以在将新区块插入区块链时创建（挖掘）（该过程称为加密代币挖掘），也可以由区块中交易的发起者作为服务费支付。但是，如果官方验证者试图引入一个包含无效交易信息的区块，该区块可能会被区块链中的对等节点拒绝。
在比特币区块链中，对应的加密代币是比特币。比特币的价值建立在其作为货币支付方式的效用及其对未来价值的预期升值之上，从而导致加密代币和法定货币之间的流动性市场。这实质上是围绕比特币创建了一个加密代币经济模型。
B. 从加密货币到一切
区块链的概念很快从加密货币扩展到通用业务领域。
1）以太坊和智能合约
以太坊[17]代表了区块链领域继比特币之后的下一个重大飞跃，它全面支持智能合约。合同是我们市场经济的基本组成部分，它定义了企业和个人之间的关系。智能合约概念最初由 Szabo 于 1994 年提出，他指出“智能合约设计的总体目标是满足常见的合约条件，最大限度地减少恶意和意外的异常，并最大限度地减少对可信中介的需求 [33 ]”。为了实现这些目标，可以将表达业务逻辑的智能合约条款编码为计算机程序，并通过基于计算机的系统自动执行。自动售货机通过执行接受硬币并返回相应商品的简单交易来承载智能合约的原始形式。
对于通用智能合约，区块链可以说是一个完美的基础设施，因为它提供了一个透明和可追溯的平台，允许各方在没有中介的情况下相互进行无信任交易。在这种范式中，智能合约是以底层区块链平台支持的语言编写的计算机程序。程序根据合约中指定的触发条件自动执行。这些条件可以是交易或与其他智能合约交互的结果。条件也可以由外部事件触发。由于智能合约没有直接与外部系统交互的本地方式，因此 Oracle 服务充当桥梁，为智能合约提供外部系统的单一真实视图。
与传统合约相比，基于区块链的智能合约的关键特征可以概括为三个方面。首先，在区块链上运行的智能合约完全由计算机代码管理，不受任何中央实体的控制。其次，修改已部署智能合约的唯一方法是在所有相关方同意的情况下创建一个新合约。旧的不能简单地缩回。第三，建立多方协议需要多个条件，具有成本效益，具有很大的灵活性。
智能合约也可以建模为状态机[34]。执行后，跨网络节点的状态将持续更新；区块链的共识过程实现了这一更新，因此有人将区块链比作智能合约的操作系统[35]。
以太坊是最著名的运行智能合约的区块链平台。它在设计上具有集成的图灵完备计算机语言，这意味着它可以支持任何类型的通用程序。代码的执行是通过虚拟机进行的，并通过其原生的以太加密代币支付“gas”费用。收取gas费是为了防止计算机系统被滥用而进入死循环。相比之下，原始的比特币区块链提供的脚本功能非常有限，并且只能支持基本的智能合约（如果有的话）。但这可能是比特币设计者有意为之，因为加密货币应用程序不允许任意可编程操作以降低安全风险是合理的。
2) 通用加密代币系统
随着智能合约广泛开放可能的区块链应用范围，区块链中加密令牌的含义也从数字货币演变为代表任何可交易资产，从电影票、忠诚度积分、公司股票等可替代商品到不可替代商品软件许可证之类的东西。这些代币的使用使编程资产交换成为可能，并使业务逻辑的执行更加容易。出于这个原因，以太坊等区块链提供了标准机制来促进代币发行、分配和交换，包括用于可替代资产的 ERC-20 代币 [36]和用于不可替代和不可分割资产的ERC721 代币[37] 。
加密令牌的扩展作用伴随着适当的令牌经济模型。两种常见的模型是实用性和安全性。在效用模型中，通证提供效用价值。例如，以太币在基础设施层面作为以太坊平台交易费用的支付方式，比特币在应用层面可以作为资产交换的支付方式。在安全模型中，加密令牌的功能类似于证券。在基础设施层面，他们可以授权其持有人获得区块链的采矿权，或对平台发展方向的投票权，或与平台分享的利润（例如，来自交易费用）。在应用层面，去中心化自治组织持有的加密代币可以代表组织中的治理权。
无论效用或安全模型如何，加密令牌作为激励的功能仍然在许多区块链应用程序中得到延续。除了像在原始比特币区块链中那样提供基础设施级别的激励措施来保护网络，这些激励措施也适用于应用程序级别，例如，促进可持续性的用例可能会奖励参与者使用环保交通方式。
3) 权益证明分布式共识
在分布式共识空间中，针对比特币的工作量证明机制的普遍抱怨，已经有很多发展，具体来说，由于密集的计算要求，它消耗了太多的能量。一种流行的替代方案被称为权益证明。它根据每个节点持有的网络价值的比例股份选择节点作为官方验证器，从而消除计算成本。但股权证明机制有其自身的问题，特别是“无风险”问题，在发生冲突时可能会阻止区块链收敛并导致分叉链；以及“远程攻击”问题，其中最长的链分叉可能会被从创世块重建的链所取代。有各种努力试图解决这些缺点。例如，委托权益证明方法让节点选择委托节点作为新块的指定验证器，如果这些节点表现不当，可能会被否决。虽然委托权益证明对原始权益证明机制的问题更具弹性，但它也降低了系统的去中心化程度。
C. 从无许可到许可
在比特币区块链模型中，任何节点都可以加入和参与点对点网络，因此被称为无许可区块链。它类似于互联网模型，几乎任何节点都可以连接并成为其中的一部分。以太坊区块链也属于无需许可的区块链范畴。随后，区块链社区引入了许可区块链模型。许可区块链的提议来自不同的心态，更适合工业联盟或企业环境。它使参与者能够在加入网络之前获得授权，并在网络中分配与其各自身份相匹配的适当功能特权。如果区块链的每一次参与和访问都需要被控制，那么它也被称为私有区块链。
1）拜占庭容错分布式共识
免许可区块链中的共识机制通常具有竞争性。这是因为这些区块链中的节点彼此不信任，让它们投入一些股份（例如，计算机能力、经济成本）以参与共识结果可以保护网络的安全。在许可的区块链中，新区块的官方验证者是已知的。这开辟了分布式共识协议可能性的广泛集合。一个流行的系列是基于具有拜占庭容错的状态机复制[38]，它有能力在存在一定数量的恶意或故障节点的情况下成功运行。在典型的实际拜占庭容错环境中，节点分为客户端和验证器。验证器管理公钥基础设施身份和证书颁发机构。客户将他们的交易发送给主验证器，主验证器又将信息广播给其他验证器。这些验证器处理交易并将响应发送回原始客户端。客户端从所有验证器收集至少三分之一的相同结果以确认交易。这种机制可以实现更高的性能，与原始比特币区块链中每秒 7 笔交易相比，吞吐量约为每秒数万笔交易。尽管如此，[34]，它通常只适用于节点数量相对较少的系统[20]。
Hyperledger Fabric [18]是一个著名的许可区块链，为共识过程提供多种算法选项，包括拜占庭容错算法。
2) 智能合约
在智能合约方面，许可区块链也可能提供完整的智能合约功能，例如 Hyperledger Fabric 区块链，或者它们可能仅提供有限的功能，例如 MultiChain 平台 [39 ]。
3) 加密代币模型
在无需许可的区块链中，加密代币模型为分布式和无信任个体之间的经济联合、共同利益和协调创造了机会[35]。区块链上的代币持有者自然对特定加密代币及其支持其效用或安全价值的底层区块链基础设施的成功具有既得利益。
相比之下，许可区块链对节点参与有集中控制。他们通常不需要将加密令牌类型用作维持区块链基础设施的激励措施，即使特定于应用程序的令牌仍然适用。
D. 区块链安全
点对点区块链网络会带来重要的安全风险，尤其是在任何人都可以加入的无需许可的情况下。区块链的一些最重要的漏洞如下：
双重支出：在比特币类型的加密货币支付网络中，恶意方可能会尝试同时向两个不同的方支付相同单位的加密货币。这称为双花攻击。一般来说，网络需要确保一旦其中一笔交易被接受，另一笔交易将被拒绝，以防止双重支出。
Sybil 攻击[40]：恶意方可以创建许多完全由他自己控制的节点，以增加他被选为官方验证者并控制区块链的机会。这个问题就是为什么需要资源来参与验证器选择，并提供加密令牌激励来鼓励正确的行为。
51% 攻击：攻击者可能通过试图获取压倒性的资源来破坏区块链。在工作量证明的情况下，拥有 51% 的算力将控制超过一半的区块验证者机会，也显着提高其他攻击（如双花）的成功可能性。一个足够大的网络可以通过启动它所需的大量资源来阻止 51% 攻击。
拒绝服务攻击：恶意节点可能拒绝将有效交易添加到区块链中，实质上拒绝向特定交易方提供服务。区块链的去中心化网络架构减轻了这种风险。由于交易信息被广播到所有节点，如果交易有效，希望至少有一些节点会处理它。
方法论
A. 可持续和智慧城市背景下的区块链用例类别
由于该技术处于起步阶段，城市区块链应用的战略规划仍然是一个很大程度上未知的领域。同时，区块链技术作为一种数字创新，在概念上与智慧城市背后的关键信息和通信技术相关。因此，我们以现有的智慧城市及其著名的前身可持续城市框架为参考。几十年来，这些框架已成为世界各地城市的实际目标，为组织我们对城市区块链的研究提供了一个合理的锚点。智慧城市通常根据先前的可持续性和生活质量经验进行评估，并显着增加了现代技术组件[41]，但可持续和智慧城市指标之间存在重要差异[7]。
为了在智慧城市和可持续发展目标的同时为城市创造有意义的区块链讨论，我们采用了[7]确定的可持续和智慧城市的基本城市部门，这是对16套最完善的评估框架进行彻底检查的结果，其中8套是智慧城市，8套是可持续城市。这些类别包括“治理和公民参与”、“教育、文化、科学和创新”、“福祉、健康和安全”、“经济”、“交通”、“能源”、“水和废物管理”、“建筑环境”、“自然环境”和“信息和通信技术（ICT）”。我们唯一的例外是排除了ICT行业，这并不是为了削弱其重要性，而是与本文的范围相提并论，本文侧重于区块链技术在城市部门中的应用，而不是数字技术本身。
B. 研究问题
在定义了工业部门后，我们制定了以下研究问题以供我们审查：
- 研究界在智能和可持续城市的核心领域研究了哪些区块链用例？
- 什么统一的框架来检查这些用例，无论其部门如何？
- 我们如何评估用例对城市可持续性的影响？
- 我们如何评估所发现用例的区块链适用性？
- 可以推导出哪些适当的区块链应用程序分类法来促进跨部门用例分析？
C. 数据来源
搜索来源包括主要的主要数据库ACM，ASCE，IEEE，电子政务研究图书馆（EGRLv13.5）[45]和多学科数据库JSTOR，ScienceDirect，Scopus，Springer，Web of Science，Wiley。由于这项特殊的研究对城市区块链应用的科学知识感兴趣，因此我们专注于学术期刊和会议论文集的文献，这有助于确保质量[31]，[43]，[46]。
D. 搜索过程
我们提出了搜索词假设并进行了测试搜索，以建立该主题的概述作为基础。最初，我们使用了包括区块链和城市或城市在内的关键字组合，但发现这些搜索词太有限了。区块链应用几乎在每个方面都被提出，其中许多涉及某些城市部门，但论文不一定明确说明城市或城市。因此，我们最终决定只找到所有带有区块链一词的论文，就像在大多数相关工作中一样[47]-[49]。这个过程产生了3827篇论文的初始数量。值得注意的是，这个数字与31年2017月从类似来源发现的相关工作[2017]的论文总数没有太大区别，尽管鉴于2018年和31年对这一主题的高度关注，我们预计这个数字会更大。这可能是由于[<>]同时使用区块链和非连接词块链作为搜索词造成的。在我们的测试搜索中，我们发现非连接术语可能会产生大量的误报，基本上是论文引用了与我们关注的区块链非常不同的科学领域的区块链概念。即使对于少数确实引用我们讨论的区块链的论文，它们通常还包括术语区块链的串联版本，无论是在完整的论文正文中还是在引用的参考文献中。因此，我们选择使用区块链术语，就像大多数其他相关工作一样。
E. 筛选过程
然后，我们检查了标题，摘要和关键字，如果不确定，则检查保留论文的全文正文，以选择与我们的研究问题相关的论文。鉴于有大量的论文，我们必须适当地限制我们的范围，同时避免牺牲我们的研究目标。我们的范围限制定义如下：
我们选择的论文对我们在III-A部分中阐述的9个部门的具体用例进行了足够深入的系统设计或原型评估：“治理和公民参与”，“教育，文化，科学和创新”，“福祉，健康和安全”，“经济”，“交通”，“能源”，“水和废物管理”，“建筑环境”和“自然环境”。我们明确排除了以下类别的论文：区块链及其趋势的概念性讨论，关注对行业更通用和不可知的方面的论文，例如改进区块链技术本身，ICT和身份管理，以及其他提出算法的技术论文，而不强调我们确定的领域的明确用例。我们还排除了与加密货币相关的用例，因为这一直是大多数先前审查的重点，并且在中央政府层面也更受关注。但是，如果符合我们的其他选择标准，我们确实包括使用加密货币支付作为机制一部分的情况。上述流程导致我们第一部分面向应用的用例审查在所有 159 个部门中总共有 9 篇非重复论文。在深入探讨系统组件分析的第二部分，我们进一步确定了一些论文，这些论文提供了有关我们基于组件的框架的更多详细信息。该过程在71个部门中的159个部门的8篇论文中提供了9篇。
相关工作
近年来对区块链研究的评论表明，大多数学术工作都集中在当前协议的改进和挑战上，主要是针对一般的加密货币，特别是比特币[14]，[47]，[50]，[51]。很少有研究深入研究区块链所谓的破坏性潜力[52]。虽然对某些领域的研究，特别是加密货币和支付已经发展得很好，但通常缺乏对应用程序和用例的全面理解[31]。
表2将我们的工作与我们发现的相关系统文献综述工作进行了比较。除了更新的论文清单外，我们的工作重点与所有论文都不同。我们的工作明确排除了纯加密货币系统，而是调查了通用区块链用例，而[47]，[48]，[51]都主要集中在比特币和加密货币文献上。参考文献[53]不是通用的区块链用例回顾，而是特别讨论了区块链特征对服务系统的影响。参考文献[49]是一项文献计量学研究，报告了四个类别中被调查的区块链论文数量：物联网（IoT），智能合约，电子政务和其他，并简要解释了每个类别。最后，[31]提出了一个区块链研究的概念框架，改编自公认的社交媒体研究议程。它具有用户和区块链开发人员在不同分析级别的活动的交叉点，并有助于刺激区块链的多学科研究方法。然而，本文提出和遵循的基于组件的框架采取了非常不同的视角，面向系统设计和实现的跨部门分析。
还有更多相关的工作集中在具有不同深度的特定领域，可能会也可能不会采用系统的文献综述方法，例如，金融和加密货币[54]-[56]，治理[24]，教育[57]，能源[58]，物联网[59]，医疗保健[60].我们的工作与他们不同，因为我们强调在智能和可持续城市背景下跨所有部门的用例研究，并应用拟议的基于组件的分析来推动跨行业见解。据作者所知，我们是第一个使用这种方法提供系统区块链用例审查的公司。
按行业划分的面向应用的用例审查
表159显示了我们所有部门中以应用为导向的综述所选择的3篇论文。尽管一个用例可能涉及多个部门的各个方面，但我们仅将每个用例放入一个主要部门以促进讨论。然后，我们将在后面的部分中介绍来自不同部门的用例。
A. 治理和公民参与
数字治理有助于关键的可持续发展议程[219]，[220]，例如，减少腐败，降低行政成本，确保文件完整性，连接捐助者和弱势群体，如难民和流离失所者[221]，[222]。
要了解区块链作为一种数字技术如何可能对城市治理产生重大影响，从[223]确定的智慧城市治理的四个理想典型概念开始是有帮助的。它们包括：（1）智慧城市的政府，（2）智能决策，（3）智能管理和（4）智能城市协作。这四种模式代表了从更保守到更激进的进步程度的提高。“智慧城市治理”模式关注的是建立正确的政策选择，并在传统政府结构下有效实施举措。它是最基本和最常见的模型。“聪明的决策”模式需要重组决策过程。该模型的一个例子是利用从物联网传感器网络收集的大数据进行城市决策。这种模式涉及过程中一定程度的转变，但不涉及政府组织本身。“智能管理”模式需要使用复杂的信息技术（IT）来互连信息，流程，机构和物理基础设施，以更好地为公民和社区服务[224]。因此，它导致现有政府组织的重组，以整合政府和企业的传统功能[225]。最后，“智能城市协作”模式最具变革性，需要政府组织内部和外部的转型。它强调真正以公民为中心的运营和服务，基于跨部门和社区的合作[226]，基于社区的技术支持的治理模式[227]以及积极主动，开放的治理结构，所有参与者共同努力，最大限度地提高城市可持续性并最大限度地减少负面外部性[228]。
值得注意的是，公民和利益相关者积极参与协作城市治理几乎不是政治性质的[223]。这是因为城市协作治理利用所有城市行为者的智慧，通过提供激励公民产生、交流和创新的条件来创造公共价值[229]。这样，市民自己就成为城市的最佳管理者[219]。开放数据提供了加强城市利益相关者集体智慧以产生创新的一个例子，尽管与此同时，政府应该仔细决定如何以及向哪些参与者开放这些数据[230]，以及如何保护数据和模型开发的机密性，隐私和知识产权[225]。
调查论文中的区块链用例倾向于讨论数字治理领域更进步的一面的解决方案。特别是，利用创新的IT来改造现有流程，更好地为市民服务（“智能管理”模式）和协同城市治理（“智能城市协作”模式）。
1） 针对现有流程的创新 IT 转型
在这一类别下，已经提出了基于区块链的系统来改变政府文件共享过程。在政府和公众之间，[61]描述了一个系统，该系统在区块链上标记政府决定，以保留不可变和透明的记录，以便将来随时验证;在政府和企业之间，[62]为企业设计了一个与政府组织共享信息的系统，以帮助企业确保信息的机密性并避免责任;在政府机构之间，[63]提出了一个机构间文件共享系统，其中请求机构首先查找预先构建的目录以定位目的地机构，然后与其进行直接的文件共享交换。交易同时记录在区块链上，以实现强大和安全的访问控制。
还有区块链系统旨在改变两个最重要的政府流程 – 一个是投票，它组成了政府，另一个是税收，它为政府提供资金。电子投票系统的目标是实现匿名性、隐私性和透明度[64]。匿名确保选民投票的不可追溯性。隐私允许投票交易保持隐藏，透明度确保公众投票机制不会被篡改。用于投票的区块链系统的设计可以在许多文献中找到[64]-[69]。有些人还生产了原型[70]-[72]。然而，所有这些系统的一个问题是，必须在区块链之外确保个人层面的选民身份验证。
在税收领域，区块链解决方案使税务机关能够更好地控制税收系统。参考文献[73]描述了一个私有区块链，可以由税务机关管理，以监控增值税发票并保留应税交易的不可变记录，从而防止税收损失。[74]中的系统通过使用区块链来跟踪支付给利益相关者的股息，以克服由于伪造股息支付索赔而导致重复退税的问题，从而解决了不同的场景。
2）以市民为中心的城市协同治理
虽然城市协作视角是智慧城市治理文献中转型思想的主导地位[223]，但一个固有的问题是，与智慧城市计划相关的电子政务模型通常依赖于基于互联网的在线工具，这些工具越来越多地被少数公司垄断，作为事实上的中央当局[231]。.对集中式网络基础设施缺乏透明度和信任可能是阻碍公民参与式治理模式真正实现的关键因素。
研究人员认为，区块链有能力重新分散互联网[231]，实现去中心化的交付模式，允许以更具参与性的方式重新思考复杂系统[232]，并成为电子政务的重要基础设施[233]。区块链通过内在的制衡系统帮助建立社会信任，并促进一个尊严、认可和尊重的社会[234]，这可能是最具变革性的协作治理模式的基础。
说明这一愿景的一个项目是[5]，它专注于城市政策制定领域。作者指出，当前的城市规范，如政策、规划、法规和标准，由于其自上而下的交付和实施方法，无法应对城市可持续性的挑战。基于区块链的机制使得真正自下而上地交付和执行城市代码成为可能。区块链系统[5]，[75]-[77]被提出作为连接机制，以创建连接城市技术的治理系统的人民层。就政策和代码而言，公民将他们的城市需求提交给区块链，区块链共识机制将优先考虑当局起草政策。这些草案将通过区块链验证功能获得批准。将这些计划进一步转化为物理形式（例如，基础设施项目的建设）也可以通过区块链上的投票机制获得批准。计划和法规也可以标准化，以实现可复制性和可扩展性，使用相同的自下而上的方法进行公民参与标准化。
另一个相关的区块链项目显示了医疗保健背景下的公民参与决策支持框架[78]。它在区块链上运行基于代理的模拟模型，结合了专家利益相关者的规则、开放数据和匿名志愿者参与者数据。该项目说明了这种框架如何通过改善个人数据的透明和道德管理以及促进基于证据的集体决策，在传染病传播情景中有所帮助。
B. 教育、文化、科学和创新
1） 教育学习活动
已经提出了区块链系统来帮助维护教育过程的不可变记录。有建议记录创造性作品或想法以建立学术声誉[79]，创建学习者在不同学习组织中活动的连续日志[80]，使全球高等教育机构能够向完成课程的学生授予课程学分[81]，并允许颁发和撤销教育证书[82] .教育和其他记录可以输入到一般的个人档案管理系统中，并由公司和服务用于验证[85]。
一个相关的主题是记录更广泛的学习活动，如志愿者服务。参考文献[83]描述了一个基于区块链的终身志愿服务系统。与其他专注于任务调度和分配的系统不同，它培养了一个开放的志愿服务市场，支持智能匹配、游戏化和以目标为导向的个人发展。区块链用于存储志愿活动、评估和获得资格的持久数字足迹，并将数据主权赋予志愿者本身。参考文献[84]是另一个讨论使用区块链记录志愿者服务时间和活动信息的系统。
2） 科学、创新和知识产权保护
科研人员也在使用区块链来解决与学术界相关的问题。这些用例涵盖了从研究方法、同行评审、手稿出版到知识产权保护的整个生命周期。首先，在实验阶段，为了防止实验完整性因疏忽或故意错误行为而受到损害，[86]提出了一个系统，将研究数据集和结果记录到区块链上，并在必要时发布，例如，在多个指定签署方批准后，从而提供研究数据的审计跟踪。参考文献[87]建议使用适应性强的基于区块链的编排进行协作，在计算机实验中可重复，以实现稳健的可问责可重复解释（RARE）研究[235]和可查找的可访问可互操作性可重用（FAIR）结果。其次，在论文创作阶段，[88]提出了一个区块链平台，该平台根据作者提交的编辑来保存和衡量作者的贡献。第三，在同行评审阶段，区块链系统还可以刺激及时和可持续的评审过程。如[89]中所述，当编辑接受质量审查时，系统可以将加密货币奖励给审稿人。这些奖励货币以后可以用来支付审稿人在期刊上发表自己撰写的论文的费用，形成闭环激励机制。第四，在出版阶段，[90]利用语义网络技术的先前工作，允许作者就研究进展的进化版本进行合作，该版本可以开放供审查或提交给会议或期刊。这为分散的出版系统提供了可能性（与以主要出版商为中心的现有系统相反）。通过确保整个论文生命周期中单一版本的真实性，该系统可以解决出版生态系统中不同参与者之间的信任问题，包括作者、审稿人、出版商和使用文献计量学评估绩效的相关人员。最后但并非最不重要的一点是，在知识产权方面，[91]报告了一个区块链系统，该系统自动为每篇提交的稿件创建一个可公开验证的时间戳，从而促进其原始时间记录的保护。区块链在知识产权保护中的使用也延伸到软件。参考文献[92]和[93]为出版商、企业和最终用户提供了软件许可验证系统的设计。区块链使用加密令牌的所有权来表示软件权利，从而实现许可证验证、软件更新、许可证转让和相关功能。参考文献[94]讨论了3D打印模型的许可系统。它将模型链接到区块链上的许可数据，以确保打印数据的真实性并防止其未经授权的使用。
3） 媒体、文化和娱乐
数字媒体的知识产权保护也是一种常见的区块链应用[95]。[96]中的系统提出在区块链上注册自嵌入水印处理后的图像，以保留交易轨迹和内容修改历史，并为数字图像管理和分发提供篡改检测。参考文献[97]报告了一种多媒体版权管理系统，允许许可人控制特定被许可人播放指定视频的许可。区块链技术的应用改变了媒体行业中第三方中介机构的角色，通过提高价值链的整体透明度，使艺术家的职业生涯更具可持续性[98]。但也有关于区块链在版权领域的可行性的警告[99]。参考文献[100]认为，通过媒体权利执法将区块链用作金融化工具不太可能赋予艺术家权力，但相反会削弱数字作为生产和艺术表达方式的关键潜力。
文化和娱乐领域区块链的例子包括[101]，它实现了一个区块链系统，可以安全地管理音乐会活动门票的转让、转售、验证以防止门票欺诈，以及[102]，一个分散的彩票系统，以确保彩票过程的公平性、透明度和隐私性。
C. 福祉、健康和安全
医疗保健是一个突出的领域，区块链可以找到许多用例，这些用例有助于建立基础设施，以确保医疗数据的透明度，分析方法，结果的可重复性以及提高对转化医疗价值链的信任[60]。因此，它们有可能显著降低开发新药、诊断工具和临床方案的成本[236]。在研究论文中找到以下主要类别的用例。
1） 临床试验和医疗记录
已经提出了区块链系统来改善临床试验过程，从跟踪每个步骤，例如患者同意和临床试验方案的任何修订[103]，[104]，到管理复杂的临床试验数据并防止它们未经授权的操纵[105]。
许多论文介绍了系统的概念和设计，旨在使患者、提供商和第三方能够安全、可互操作和高效地访问医疗记录。他们强调与敏感数据存储相关的访问控制挑战[106]，保护数据隐私和完整性[107]，存储和检索[108]以及跨域医学图像数据共享[109]。据报道，这种系统的区块链原型既可用于通用医疗记录[110]，[111]，也可用于肿瘤患者护理等特定医疗领域[112]。此外，[113]提出了专门用于云服务提供商之间的医疗数据访问控制的系统。[114]中的努力通过提供查询公证来确保公共参考生物医学数据库的数据访问准确性。
一些提议的系统还包括在移动环境中收集医疗数据。[115]和[116]中的系统从患者的智能设备生成健康记录数据，并将其注册到区块链网络以实现防篡改能力。在普遍的基于社交网络的医疗保健中应用区块链的概念在[117]中进行了探讨。
2） 药品和食品供应链
医疗供应链可能会受益于区块链技术，以帮助保护公众健康。这种系统可以通过将物联网传感器生成的时间序列药物交易数据记录到区块链上来追踪药物的来源，以防止假冒产品[118]。记录制造商、批发商、零售商、药房、医院和消费者之间的药物交易，可以将药品供应链从监管（政府审计）转变为监督（由每个参与者合作）[119]。另一个系统[120]更具体地关注从生产到最终目的地的所有大麻植物的实时跟踪，以破坏其非法市场。
还有一些系统可以解决医疗产品的运输方面。医疗产品需要特定的质量控制和法规遵从性，例如在运输过程中断言温度和湿度。[121]建立了一个使用物联网传感器的系统来收集这些运输条件参数，并将读数记录到区块链中，以便进行公共验证。区块链也是追踪食品和农产品的热门话题[122]，[123]。研究人员专注于基于区块链的农产品跟踪系统的安全数据存储方案[124]，提出了用于农业资源供应链的定制区块链[125]，并讨论了中国区块链农业和食品可追溯性的案例研究[126]。
D. 经济
虽然我们在本文中没有考虑纯粹的加密货币用例，也没有讨论初始硬币产品[237]，但我们列出了我们在调查文献中发现的以下重要领域，即区块链正在影响更广泛的经济领域。
1） 协作业务流程和服务交换
区块链在业务流程管理方面具有巨大的潜力，可以构建分布式，可信赖的基础设施，以促进组织间流程[238]。参考文献[131]描述了一个分散的社会制造平台，在这个平台上，产消者发布服务需求，制造社区努力满足需求。类似地，[132]提出了一个关于工业产品设计的协作实现的案例。另一个系统在[133]中讨论，它为软件开发和自动支付提供了一个平台，结合了用于自动软件代码验证的可信预言机。
区块链促进的协作不仅可以由人类执行，还可以由自主代理执行。参考文献[134]说明了组织无人机网络进行预定交付飞行并报告任务性能的情景。
2） 电子商务
关于商业市场，[135]中报告了一个基于点对点区块链的电子商务平台，并由一家大型跨国公司的员工使用。区块链的努力也被用来打击商业中的假冒商品。参考文献[136]描述了在区块链上记录产品所有权的设计。参考文献[137]为后供应链的产品所有权管理实现了基于区块链的原型，以便消费者可以检测到造假者。
区块链的数据完整性功能已用于在线商务中的其他目的，具体而言，[138]使用它来防止伪造的数字广告点击欺诈性服务佣金。该系统使用户能够以类似于区块链架构的形式将多个广告报告链接在一起。该区块链与合并的用户社交行为模式一起，使广告商能够识别真实的广告报告。
除了在线商务，自动售货机等自动实体销售系统也可以利用区块链技术。在[139]中描述的系统中，自动化销售系统在区块链上记录产品数量和销售信息，因此用户始终可以获取系统的当前产品信息。
商业市场的另一个方向涉及机器对机器支付和人机混合支付。[140]中介绍的机器对机器支付系统使与智能插座连接的智能电缆能够使用比特币支付电费，而无需任何人工交互。为了缓解高昂的比特币交易费用问题，它使用单一费用小额支付协议，将多个较小的支付增量聚合为一个较大的交易。[141]中报告了人与机器之间的混合事务交互。它提出了区块链系统的概念设计，以确保控制智能门锁的消息的完整性和不可否认性。智能门锁验证收到的控制消息的真实性，并在区块链上记录任何门控制交易。参考文献[142]是另一项涉及机器人和人类之间混合金融交易的工作，以便机器人完成分配的任务并在区块链上断言结果。
3） 声誉系统
声誉机制在商业市场中很重要，他们也可以从区块链技术中受益。参考文献[143]和[144]讨论了基于区块链的文件传输交易二进制信誉系统的设计，其中评级可以是1表示正面或0表示负面。[145]中提出了一个更通用的基于区块链的电子商务应用程序的声誉系统，它允许客户留下文本评论。服务提供商需要赚取和使用加密代币才能收到客户的评论。评论记录在区块链中，以确保回火弹性，同时消除第三方中介。参考文献[146]是另一种基于区块链的声誉系统，它旨在使用单一协议来实现高效，匿名保存，分散和健壮性，以抵御各种已知攻击，例如选票填充和Sybil攻击。
4）共享经济
区块链促进无信任交易的能力也可以推动共享经济。参考文献[147]是一个用于共享任何种类的日常有形物体的系统。它使对等用户能够在不披露任何个人信息的情况下租用设备（例如电动工具）。据报道，剩余外币兑换的另一个点对点市场原型[148]可以帮助缓解将剩余外币重新投入流通的挑战。还研究了无形资源共享。参考文献[149]介绍了用于公民宽带无线电服务频谱共享的区块链系统的设计。该系统可以显著降低运营成本，为频谱监管引入灵活性和可扩展性，并允许新进入者根据其特定业务需求访问本地频谱。
为了释放共享经济的全部潜力，一些人尝试了一种更加基于社会关系的生产模式，如Backfeed项目[150]。它为分散的组织开发治理和经济模型，以实现使用区块链的协作经济。在这个框架下，人们共同努力，评估彼此的贡献，并对产生的价值达成去中心化的共识。为贡献者创造的价值和奖励的公平份额是通过基于加密代币的经济呈现的。区块链为整个生态系统维护一个永久、透明和安全的基础设施。
E. Transportation
1) Vehicle Information Management
Vehicle life cycle information is critical for the huge car markets. Reference [151] presents a blockchain-based system for recording and managing vehicle data to increase the transparency, reduce odometer and other frauds.
2) Goods Transportation
在货物运输领域，有许多关于区块链的讨论，作为将运输文件，提单和合规性的交换数字化的一种方式[152]，[153]，所有这些都有可能降低全球贸易的成本。参考文献[154]提出了一种定制的区块链实现，该实现支持数据的防篡改可追溯性并自动执行法规合规性检查。参考文献[155]为货物追踪能力和各种供应链管理任务提供了另一种基于区块链的原型。其他一些工作强调追踪特定类型和部门的货物，例如危险品[156]，飞机零件[157]或海洋部门[158]。还有一些努力将区块链与不同的识别技术相结合，例如近场通信（NFC）标签[159]或Krakelee指纹[160]。
3） 智能交通系统
智能交通系统使用信息和通信技术来提高道路运输，交通管理和移动性管理的效率，以及与其他运输方式的接口[239]。虽然大多数智能交通系统都是集中式的，但区块链已被提出来帮助创建一个安全、可信和分散的自主智能交通生态系统，允许控制和管理物理和数字资产[161]。
参考文献[162]提出了分布式运输管理系统的概念，用于车辆共享其资源并创建一个网络，在该网络中它们可以产生增值服务，例如自动加油和乘车共享。在线出租车和拼车被认为是该领域突出的应用场景。与Uber和Lyft等其他解决方案不同，基于区块链的解决方案可以更好地保护个人隐私，因为出租车软件平台无法获取用户的全部行程;用户还可以控制对其旅行数据记录的访问[163]。
车联网通信是智能交通系统正常运行的关键组成部分。在安全方面已经作出了许多努力。创建安全凭证管理系统[240]是为了向受信任的车辆颁发证书并撤销行为异常的证书，以确保消息安全和隐私。参考文献[164]描述了通过使用区块链技术消除对集中式信任权限的需求来设计现有安全凭证管理系统的分散替代方案。它通过分层共识提高了全局吊销算法的性能，并为行为不端的各方创建了问责制。[165]中的系统通过利用区块链网络跨不同安全域传输车辆安全密钥，解决了异构智能交通系统的动态密钥管理问题。参考文献[166]和[167]提出了车辆网络中基于区块链的信誉系统。车辆根据对交通环境的观察对收到的消息进行评级，并将其存储在区块链上。这些评级代表了人群对每辆车声誉的共识，并允许车辆评估收到的消息的可信度。其他工作[168]和[169]也侧重于安全的车辆间通信机制。
通信的可靠性，例如基于区块链的隐私保护激励公告网络由[170]检查。通过高效的匿名车载公告聚合协议，在不泄露用户隐私的前提下，帮助提高非完全可信车载自组网公告的可靠性。
智能车辆的软件更新对于保持系统最新和安全也很重要。参考文献[171]提出了基于区块链的安全架构，以远程执行智能车辆的无线更新，或将最新软件安全地分发到服务中心，以便将其本地安装在车辆上。
F. 能源
在能源领域，电力和电网一直是区块链相关应用的重点。
1） 电网安全和电表透明度
参考文献[173]提出了一个框架，该框架利用区块链的分布式功能来增强智能电表网络中的数据安全性。签名抄表消息被广播给对等方并由其验证，然后记录到私有区块链。研究还使用区块链来提供面向消费者的公用事业使用监控系统，以帮助客户了解设备如何消耗电力，并确保利用率数据不会被人为操纵[174]，[175]。
2） 点对点能源交易
屋顶太阳能光伏电池的大规模部署正在将电力消费者转变为生产者 – 消费者（专业消费者），就像社交媒体中的公民记者一样[241]。这些产消者既寻求减少电费，又将多余的电力出售给他人，从而在点对点能源交易交易中创造了一种新的商业模式[176]。此类交易提高了电网的弹性，并提供了以速度，规模和安全换分布式能源的可能性[177]。
关于区块链与智能电网和微电网进行点对点能源交易进行了广泛的研究讨论[242]。一些研究工作集中在电网中的需求和发电平衡上。参考文献[178]提出了一个分散的最优潮流模型，用于调度配电网络上的电池、可塑形负载（例如，具有连续充电水平的电动汽车）和可延迟负载（例如，电器和制造设备）的混合。这种基于区块链的系统的目标是通过调度可控负载来最大化社会福利，以在尊重网络约束的同时最大限度地降低发电成本。参考文献[179]提出了一个基于区块链的能源系统，用于自动协商、结算和支付，以及系统需求供应平衡支持的奖励。产消者提交他们的需求请求和供应报价。系统确定是否接受这些报价（例如，如果需求高于供应，则按从低到高的顺序接受供应报价）。衡量用户的实际使用和供应。那些帮助系统解决不平衡的人会得到奖励，那些使系统更加不平衡的人会受到惩罚。参考文献[180]是一部专注于有效利用共享能源以尽量减少外部依赖的工作。它提供了一个基于区块链的分布式控制器。通过其协调运行，当地能源社区家庭的储能系统可以实现效率和自给自足的提高。[181]中的系统强调对能源生产和分配的监管，并特别注意阻止不可再生能源的生产。参考文献[182]是一个以电网的需求侧管理为中心的系统。[183]中的原型使用英国建筑数据集的实际能源痕迹来验证基于区块链的分散管理系统。
其他一些工作研究了点对点电力交易系统中不同的市场机制和代理行为。参考文献 [184] 研究了双重拍卖市场，它在指定的时间间隔内收集出价，并在出价间隔结束时清算市场。它实施零智能代理投标策略，其中代理在不考虑市场交易的情况下在统一分布中随机报价。由于可再生能源发电的不确定性，微电网交易周期可能较短，因此[185]中的工作评估了连续的双重拍卖，该拍卖在检测到兼容的出价后立即匹配买家和卖家。它还对代理商采用自适应主动性，使他们能够根据市场价格和价格波动通过学习机制自动调整报价。此外，[191]实施了一个基于区块链的平台，扩展了加密货币交易所的功能，以提供类似机器人顾问的系统，为可再生能源市场中的产消者推荐最佳销售策略。
整个点对点电力交易框架已经探索了很多。参考文献[186]提出了一个针对各种典型工业物联网场景的系统，例如微电网、能量收集网络和车辆到电网。包括基于信用的支付机制，以支持快速和频繁的能源交易，缓解典型区块链中的低吞吐量问题。[187]提出的交易系统将能源生产者智能电表和本地电池/交流电源连接为分布式能源网络。控制器中间件在物理能源网络和区块链之间架起了桥梁。参考文献[189]讨论了化学工业特定背景下的机器对机器电力市场。参考文献[190]和[192]也提出了点对点电力交易架构。另一项工作[188]专注于区块链电力交易系统的实现细节。研究还表明，房主希望在使用当地能源时保护自己的隐私[193]。因此，隐私和匿名也是许多论文的重点领域[194]-[197]。
虽然文献中描述的大多数系统都是设计或研究原型，但布鲁克林微电网，纽约的微电网能源市场是运行中的实际试验台。在该系统中[198]，微电网充当备用电源，可以在停电时与传统电网分离。用户的用电量和发电数据记录在其区块链账户中，电力交易通过基于区块链的市场机制进行。
3） 电动汽车和电网
将区块链用于电动汽车和电网是另一个密集的研究领域。参考文献[199]讨论了一个系统，旨在保证自动电动汽车加油场景的能量充电执行，以满足延迟、安全性和成本的要求。参考文献[200]是一种基于区块链的设计，使电动汽车能够根据规划路线、汽车电池状态、实时交通信息和驾驶员偏好等，在投标列表中选择最合适的充电站。[201]中的协议允许电动汽车在先前定义的区域内找到最便宜的充电站，并保护电动汽车的隐私。用于电动汽车和电网充电的原型系统在[202]和[203]中介绍。
此外，[204]讨论了最小化电网中的功率波动和降低电动汽车用户的整体充电成本;[205] 研究了涉及电动汽车移动充电器的充电场景。插电式混合动力电动汽车之间直接的点对点电力交易系统在[206]中进行了研究。
G. 建筑环境
建筑环境和建筑，工程和施工（AEC）行业也已包含在区块链应用程序讨论中。信任、信息共享和流程自动化在建筑工程中具有重要价值[208]。建筑业的信任关系关注来自客户、承包商、分包商和供应商等组织的人员[209]。“信任证据”在AEC行业中尤为重要，因为它可以搭建相关方之间的协作，而真正的协作对于设计和施工至关重要[210]。该行业的信任和许多其他核心问题植根于建筑项目的分布式和复杂性。解决这些问题将释放AEC行业的能力和生产力 – 就像过去几个世纪的创新社会技术机制导致全球贸易和通信的爆炸性进步一样[211]。
然而，区块链在建筑环境和AEC领域的应用相对较少被研究界探索。即使对于我们能够找到的少数论文，其中大多数都处于概念讨论和设计阶段。参考文献[208]提出了区块链在建筑行业中使用的可能场景，其中包括消除施工文件真实性验证时间的公证应用程序，促进自动化采购和付款的交易应用程序，以及提高建筑供应链透明度和可追溯性的来源应用程序。参考文献[212]讨论了施工完成后多方自动和基于绩效的付款的更多细节。该过程可以与建筑信息模型（BIM）和基于传感器的远程监控以及可视化数据分析集成。有关区块链与BIM集成的更多信息在[213]中讨论。从另一个角度来看，[214]探索使用区块链来增强建筑操作系统的访问控制，这些操作系统旨在提高能源效率，人类舒适度和建筑物的电网集成。利用基于区块链的授权联合平台，作者构建了一个原型，将建筑操作系统扩展到建筑物的单个管理域之外，以便在没有集中信任权限的情况下在多个管理域中实现民主化的授权授权。
H. 水和废物管理
与用水效率相关，[207]提出了一个基于隐私友好的基于区块链的游戏平台，旨在让用户减少其场所的水或能源消耗。团队可以相互竞争或与无人对手竞争。通过从公用事业仪表收集安全承诺，区块链机制允许用户正式证明他们已经正确报告了他们的测量结果，而无需披露测量结果本身，以保护隐私。
一、自然环境
在自然环境中发现的用例包括空气质量监测、沙资源管理和碳信用交易。参考文献[215]提出了一个基于区块链的系统，鼓励城市公民建设性地参与监测环境质量，以提高城市健康意识。参考文献[216]建议，沙子应被视为与清洁空气，生物多样性和其他自然禀赋同等的关键资源。它描述了一种基于区块链的方法来监控从采矿到交易的沙资源供应链，以防止非法采砂。
区块链技术和智能设备也可用于改善碳排放合规性和交易。参考文献[217]为时尚服装制造业提供了基于区块链的排放交易系统的设计。该系统旨在减少服装制造所有关键步骤的排放，并涉及当局，审计师，公司以及相关个人。另一个基于区块链的排放交易提案[218]纳入了基于声誉的机制，以鼓励参与者采用长期减排解决方案。
基于组件的区块链用例分析
为了提供典型区块链用例的剖析，我们定义了一个通用分析框架，如图 1 所示。顶部是与区块链交互以更新或查看记录的作者和读者。中心是资产，它们是区块链记录的主题。根据用例，必须考虑有关记录的三个关键属性：透明度、隐私性和匿名性。在框架的底部是底层区块链平台的三个重要支柱：数据库的分布式共识机制，业务逻辑的智能合约以及基础设施或应用程序使用的加密令牌。就这些组件之间的关系而言，顶部的作者和读者在区块链外部，底部的支柱在区块链平台内部。中心的资产是这两个部分之间的链接，因为可以同时存在具有适当映射的链下和链上资产。资产的透明度、隐私性和匿名性要求来自外部用例属性，但由内部区块链基础设施满足。
图1.基于组件的区块链分析框架。
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我们面临的一个实际困难是，并非所有接受调查的论文都在其工作中明确讨论了上述框架的所有方面。这很常见，因为其中许多可能专注于用例的其他特定方面，或者处于设计阶段，并非所有系统决策都需要做出。
因此，我们必须选择能够提供有关框架组件的足够信息的论文。表71列出了4篇论文的选定子集。它们代表了除“水和废物管理”部门以外的所有先前部门。他们中的大多数都提供了系统原型实现。其中一些没有明确的实现，但仍然提供了有关系统的大量细节，使我们能够推断出它们使用的组件。我们包括它们以确保合理的数据集大小。
A. 资产
所有区块链应用程序的核心是一个分布式数据库，该数据库为相关资产保留防篡改记录。我们调查的用例的一个关键特征是它们都涉及链下资产。这与纯加密货币区块链应用程序不同，后者可能仅涉及链上加密货币资产。
我们生成了一个综合的链下资产列表，这些资产出现在表 5 中我们研究的用例集中。在此表中，我们将资产分为数字或非数字。我们认为数字资产既包括来源数字化的资产，如软件、数字媒体，也包括那些可能具有原生数字表示的资产，例如文档或彩票的电子版本。非数字资产可以是有形的（物理的）或无形的，两者都需要数字化才能上链。
对于彼此可区分的实物资产，它们通常知道的唯一数字标识符可以作为它们在区块链上的自然表示，例如商品的EPC [137]，车辆的VIN[151]，货物的RFID标签[155]或研究作者的ORCID[90]。通常，资产的数字表示包括取决于用例的其他属性，例如产品的所有权[137]，车辆的里程数[151]，运输中货物的位置和温度条件[121]，[155]。
自然资源（如水和沙子）等不可区分的实物资产可以通过其所有权和价值属性进行数字化。例如，水消耗量[207]和采砂需求量[216]的抄表。这些值还与负责这些资源的标识（如水表所有者和采砂者）相关联。
无形资产也可以通过所有权和价值实现数字化。电力是能源领域的关键非数字无形资产。它通常由来自智能电表设备的数字读数表示（例如，[173]、[175]、[186]、[187]），并且电表设备的身份将电力资产与其所有者联系起来。
一旦资产数字化（原生或转换），它们仍然需要通过基于人类或机器的操作员上链。但是，在资产上链之前，可能还有一个额外的步骤。众所周知，区块链不适合直接存储大文件。这是因为确保区块链不可变和防篡改属性的机制需要为链上交易进行大量昂贵的加密计算。即使对于像比特币区块链中这样非常小的交易数据大小，由此产生的吞吐量也比类似的非区块链平台慢得多。因此，只有某些小型数字资产可以直接记录到区块链上，例如活动门票[101]，彩票[102]，已完成课程学分的数量[81]或软件模型许可证代码[94]。对于大多数需要更大空间的资产，例如医学图像[113]，政府政策文件[61]，最佳实践是存储原始资产的加密哈希作为其经过验证的证明。以完整还是哈希格式存储资产的决定取决于许多实际因素，例如使用哪种区块链平台以及寻求什么性能结果。为了简洁起见，我们不会在本文其余部分的用例讨论中明确说明资产是以完整格式存储还是以哈希格式存储。
B. 作家
在我们的分析框架中，作者指的是可以向区块链数据库提交更改的各方。重要的是要注意，作者是区块链用例的外部参与者。它们可以与验证交易、达成共识并将交易记录提交到区块链的实际区块链节点分开。换句话说，作者提交的交易可以更新区块链数据库，但接受这些更新取决于区块链的内部机制。
编写者提交给区块链的记录描述了资产属性。它们可以是静态属性，例如，研究手稿的作者身份[88]，也可以是持续监控产生的动态值，例如网络安全保险的暗网状态报告[130]。一个重要的常见记录类别涉及资产交换交易，例如，在商业市场中[135]，[137]。这些记录本质上是动态资产所有权属性的特例。
所有编写器之间的写入权限和写入权限的对称性是区分用例的重要因素。用例可以允许公开写作（任何人都可以写作）或私人写作（只有授权的参与者组可以写作）。在可以写作的各方中，他们可能拥有也可能没有相同级别的写作特权。
对于针对公众的用例，公共写作很常见。在经济领域，商品或服务的点对点市场，如日常工具的共享经济[147]或剩余的外汇[148]就是例子。在教育部门共享公共研究数据是另一个对公共写作开放的例子[86]，[87]，[89]。
在我们研究列表的大多数用例中，写作仅限于授权的参与者群体，无论是个人还是机构。私人写作安排更为常见，因为即使是适合公共写作的用例也可能限制其参与者，例如，电子商务市场可能只对大公司的员工开放[135]。许多其他情况自然适合私人写作。在政府与公众共享政策文件的情况下[61]，只有被授权将相应文件写入区块链的政府机构。在药物治理供应链[119]中，政府机构，药品制造商，批发商和医院，授权患者被允许将药物相关信息写入区块链。在电子投票[64]或环境监测[215]的情况下，作者可以仅限于相关地区的公民。
除了私人写作与公共写作之外，了解作家可能拥有的不同类型的写作特权也很有帮助。例如，在点对点日常工具共享市场中[148]，即使贷款人和租房者的角色不同，他们通常是可以互换的，因为参与者可以在必要时充当贷款人或租房者。但在产品所有权注册和跟踪系统中[137]，只有原始制造商被允许注册他们生产的新产品，其余公众有权更新该产品记录上的所有权属性。这些角色不可交换，因此系统涉及非对称写入权限。
C. 读者
读者是可以查看区块链数据库记录的当事方。与写作案例类似，区块链上的记录读取也可以是公共的或私有的。公共可读性用例的例子可以在治理、教育、经济和其他部门找到，例如政府政策共享[61]、公民参与式协作决策[5]、[78]、公共研究数据共享[86]、[87]、[89]、共享经济[147]、[148]。
各个领域的许多区块链用例都强制实施私人阅读，只有授权方才能读取。例如，证书持有人可以在要求时向特定雇主或学校出示证书[82]，患者可以发布授权人员的医疗记录[110]，货物的供应链状态可以由指定的合作伙伴查看[155]。
D. 资产记录要求 – 透明度、隐私和匿名性
透明度是区块链的关键价值主张。但是，涉及链下资产的用例通常也需要隐私和匿名性。在所研究的用例中看到的隐私和匿名机制分为三大类，基于 PKI 的伪身份匿名、内容加密和专用的隐私保护交易机制。
1） 基于 PKI 的伪身份匿名
用例通常依赖于基于PKI公钥的身份来为交易方提供伪匿名保护，包括电子投票中的选民身份[70]，增值税纳税人[73]，活动门票持有人[101]，医疗记录共享平台中的各方[109]，[110]，电子商务客户[135]，机器对机器电力交易方[140]、产品所有权登记方[137]、点对点能源交易方[186]、[195]、[206]。
流量取证和频率分析可以产生损害基于PKI公钥的身份机制的匿名性的模式[110]，[244]，[245]。因此，采取了额外的措施来提高匿名性。例如，在能源交易平台中，每次发起新的贸易谈判时，各方都可以生成新的消息地址[197]。在电子商务评级系统中，为了确保反馈评论不能链接回创作客户，仅当有足够的其他客户可以混淆实际提交评论的客户时，才会提交评级，并且系统还强制在交易和评论提交之间延时 [146]。
2） 内容隐私加密
在分析的用例中，为特定方指定的内容通常由该方的公钥加密，从而提供隐私并仅允许正确的收件人查看它们。例如，软件许可验证平台[92]、[93]使用最终用户的公钥对许可相关数据进行加密。教育证书平台[82]使用证书持有者的公钥进行加密。在智能交通系统[165]中，穿越安全域的车辆使用目标域安全管理器的公钥对消息进行加密。在用于能源交易的匿名消息传递系统中[197]，使用目标方的公钥对私人个人消息进行加密。即使消息由多方广播和接收，也只有预期的收件人可以解密它。
一些被调查的系统还应用对称密钥加密来保护内容隐私，例如区块链系统中的记录，该系统保留了作者在论文编辑方面的贡献[88]和供应链用例中的记录[155]。
3） 专用的隐私保护交易机制
还为区块链开发了专用的隐私保护交易机制，并被许多用例使用。
一种有前途的解决方案称为零知识证明，它本质上允许“证明者”证明他知道“验证者”的秘密陈述，而不会泄露秘密本身。当在区块链中使用时，它确保在交互过程中，验证者除了其有效性之外不会了解交易。因此，交易的身份和金额可以对节点隐藏。Zcash区块链[246]，植根于Zerocash [247]，实现了zk-SNARKs（零知识简洁非交互式知识论证），并提供不可追踪的加密，掩盖所有交易，只允许拥有正确“密钥”的各方透露内容。但是，Zerocash允许的操作集是有限的。Hawk [248] 扩展了 Zerocash 允许的操作集，以允许任意业务逻辑的私人交易。[102]是一个基于区块链的彩票系统，它使用Hawk模型进行隐私保护。此外，基于区块链的电子商务声誉系统在[146]中提出了一种NIZK（非交互式零知识知识证明）算法作为保持电子商务评论者匿名性的基础。
许可区块链还可以提供自己的集成隐私机制。例如，Hyperledger Fabric 将 Peer 节点集合定义为逻辑通道，提供基于每个通道的本地私有交易和数据收集机制，以保持同一通道参与者之间的数据私密性。
E. 底层区块链技术
图 1 中我们框架的底部是区块链基础设施，由三个关键组件突出显示：分布式共识、智能合约和加密代币系统。我们首先概述一下被调查用例集使用的区块链平台，然后检查这三个相应的组件。
在分析集中的71篇论文中，有43篇声明了特定的区块链类型。其中，使用的前四大区块链是以太坊（28），Hyperledger（9），比特币（5）和多链（5）。虽然我们绝不能声称这是对区块链在研究原型中使用的准确定量评估，但它至少揭示了这些知名平台在研究界的相对受欢迎程度。
1） 以太坊
以太坊似乎是最主要的平台。这可能是由于其作为第一个支持成熟智能合约的区块链平台的地位。它的用例几乎涵盖了我们研究的所有部门，包括投票[71]，税收[74]和政府部门的城市协作决策[5]，[78];研究论文撰写合作[90]，数字媒体权利保护[102]和彩票系统[102]在教育，文化，科学和创新领域;临床试验过程改进[105]，医疗数据共享[110]，[114]，药物供应链[121]和食品[124]在福祉，健康和安全部门;经济部门的协作业务流程[133]，[134]，产品来源[137]，自动化销售系统[139]和共享经济[147]，[148];运输部门的可持续交通[172];能源效率和点对点能源市场[178]-[180]，[183]，[184]，[187]，[195]，以及能源领域的电动汽车充电[204]; 以及建筑环境领域的建筑运营管理访问控制[214]。应该注意的是，虽然以太坊是一个无需许可的区块链，但由于其早期性质，大多数研究原型都在测试网络或单独的私有以太坊网络上运行。
2） 超级账本结构
Hyperledger Fabric是一个区块链平台，不仅完全支持智能合约，而且还提供了特别适合企业应用程序的内置功能。它是我们在文献集中发现的两大流行区块链平台之一。它支持用例，包括教育，文化，科学和创新领域的学校信息中心[243]，活动门票系统[101];福祉、健康和安全领域的医疗数据共享[115]、[116]和保险流程改进[128]-[130];运输部门的供应链管理[155]和车辆到电网支付[203]。在我们的调查文献中，Hyperledger Fabric用例的数量少于以太坊的一个原因可能是因为我们在我们的列表中看到了很多点对点市场案例，特别是在能源和经济领域。大多数案例使用以太坊，因为它具有原生加密令牌支付支持并且面向公众，而Hyperledger Fabric不集成加密货币货币，而更多地用于企业应用程序。
3） 比特币
比特币区块链通常被认为仅用于加密货币，不适合通用应用。这主要是因为它非常有限的脚本功能无法支持通用业务逻辑。然而，作为最古老和最大的公共区块链网络，它提供了一个安全而强大的支付系统，超越了任何其他区块链。因此，即使在我们对非加密货币用例的研究中，它仍然是研究人员使用的四个流行的区块链平台之一。它们出现在 2015 年至 2018 年的出版物中。用例包括那些需要有限的业务逻辑但将安全性放在首位的用例，例如电子投票[70]，研究手稿的时间戳[91]，政府文档的保存[61]。其他案例强调支付是关键命题，例如微电网中的电力交易[185]，机器对机器的小额支付[140]和电动汽车充电支付[202]。
4） 多链
有趣的是，MultiChain [39]似乎和我们论文数据集中的比特币平台一样受欢迎。多链是一个许可的区块链。与其他流行的许可区块链Hyperledger Fabric相比，MultiChain在实现业务逻辑方面仅提供非常有限的功能，但它带有自己的加密货币货币。[73]使用MultiChain来实现增值税系统。税务机关可以控制谁可以加入区块链，系统的加密代币用于跟踪税额。多链还有另一个称为流的重要功能——适用于记录时间序列键值对。流功能及其其他特征（如加密货币货币）使多链成为那些喜欢一组受控参与者的点对点市场的常见选择。这些应用程序通常使用流功能来发布市场的报价和出价，并将内部加密令牌作为支付资产交易的货币。我们发现的大多数多链用例都属于这一类。其中最受欢迎的是能源领域，包括化学工业生产者和消费者之间的电力交易[189]，或智能电网上的设备之间调节供需[182]以及家用电力生产消费者之间的电力交易[188]。此外，在自然环境部门交易碳信用额[218]和服务交易市场[132]的用例中选择了MultiChain。
F. 共识机制
共识机制是分布式数据库的基础，通常与所选的区块链平台相关联。在我们研究的数据集中，使用的主要共识机制类型是工作量证明、权益证明和拜占庭容错风格的机制。
1） 工作量证明
工作量证明是采用最多的共识机制，在我们研究的案例中至少有一半。这包括所有 5 个比特币和 28 个以太坊区块链用例，因为工作量证明是它们默认的内置共识机制。另外3个用例也使用了工作量证明，即使没有提到特定区块链的名称，包括电表抄表安全[173]，涉及工业物联网和电网的能源交易市场[186]，以及电动汽车之间的点对点电力交易[206]。
2） 权益证明
相比之下，使用权益证明的案例数量实际上非常少。跨云域医学图像共享系统[109]采用权益证明，在共识过程中为托管更多医学图像的提供商提供更多权重。微电网中的点对点能源交易系统[185]选择权益证明，因为它比工作量证明消耗更少的能量。教育课程信用记录系统[81]通过其采用的ARK区块链平台使用委托的权益证明共识系统。
然而，应该指出的是，以太坊正在向权益证明过渡[252]。许多基于以太坊的用例主张从工作量证明转向权益证明，特别是那些专注于能源效率的能源交易区块链用例[179]，[183]。因此，如果我们认为以太坊是权益证明，那么权益证明案例的数量将为 31 个，并且很容易超过其余 8 个工作量证明案例。
3) Byzantine Fault Tolerance
至少可以识别17个用例来支持拜占庭容错风格共识，包括9个Hyperledger Fabric案例。5个基于多链的用例也属于这一类，因为多链的共识在精神上类似于实际的拜占庭容错。另外两个用例，一个是微电网点对点电力交易[198]，另一个是制药供应链跟踪[118]，使用Tendermint [253]，它也基于拜占庭容错。仲裁也支持拜占庭容错风格的共识。因此，两个基于法定人数的电子健康记录共享项目[107]和车辆生命周期数据共享[151]也属于这一类。另一项使用基于拜占庭容错共识的工作是定制的区块链，用于政府机构之间安全的点对点文档共享[63]。
G. 智能合约
智能合约有助于实现区块链用例业务逻辑。最初的比特币区块链不是为智能合约设计的，但仍然能够进行有限的脚本功能。较新的区块链，如以太坊和Hyperledger Fabric，为各种可能性提供了成熟的编程能力。为了更好地理解智能合约的使用，根据业务逻辑对用例进行分类是有帮助的。然而，我们发现，在大多数用例中，这些功能错综复杂地交织在一起，因此很难提出一个相当小的相互排斥类别列表。因此，我们提出了少数功能模型的分类法，这些模型同时考虑了它们的相互作用。它们的简称为：“不可变记录、访问控制、集体决策和点对点市场”，如图 2 所示。应该注意的是，不可变记录是适用于所有其他类别的基础类别，而任何其他类别也可以相互交叉。
图2.基于商业模式的区块链用例分类。
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1） 不可变记录
保留不可变记录是区块链技术提供的基本效用。如果用例的主要价值主张是数据弹性，那么可能根本不需要智能合约功能，或者可以通过非常有限的编程功能来实现。在研究的用例集中，我们已经看到了这些例子，例如保留公共政府文件的不可变记录[61]，电子投票中的投票[70]和研究手稿提交的时间戳[91]。
2） 访问控制
如果系统除了防篡改记录之外还需要提供更高级的业务逻辑，智能合约就变得很重要。访问控制是分析用例中最常见的功能之一。访问控制适用于写入器和读取器，它控制谁可以写入，他们可以写入什么，以及谁可以读取和可以读取的内容。例如，在教育部门，学生的教育证书[82]和完成的课程学分[81]应由雇主和各自学生授权的其他方获得。有关地区的学校信息[243]可由相关政府机构访问，以促进教育资源规划。在健康领域，需要对临床试验协议[105]和电子病历[107]、[109]、[110]、[113]-[117]实施访问控制。访问控制也是经济，运输和能源行业的常见要求，例如注册制造商，声明产品所有权，记录从原产地到后供应链的产品转移[137]，制药供应链合规性监控[121]，跟踪一般商品供应链记录[155]，监控智能电表读数[173]，[175].即使在建筑环境领域，也提出了基于区块链的机制，以实现不同建筑运营方之间的分散访问控制[214]。
3） 集体决策
除了访问控制之外，通用业务逻辑与参与行为相结合，可以推动集体决策过程的新水平。在我们研究的用例集中可以看到许多示例。投票应用程序[71]能够分配选民资格，收集投票并管理投票结果。保险系统可以共同监控相关的资产和行为状态，以决定保险单并履行细粒度的保险索赔[128]，[130]。在能源领域应用中，[180]使用智能合约来优化总可用储能系统的运行，以实现共享资源的有效利用并最大限度地减少外部能源依赖。治理领域还看到了由智能合约授权的公民参与决策用例。[5]中的系统允许公民提交城市政策提案，投票支持城市规划决策，选择实施特定项目的候选人并奖励他们的表现。参考文献[78]使用专家规则、开放数据和志愿者参与者数据来得出与公共卫生相关的集体决策。
4） 点对点市场
最初的比特币区块链的主要用途是支付和数字资产交换。这些功能在大量区块链用例中非常流行。虽然区块链支付的基本形式不需要智能合约，但做市应用程序的更复杂的用例可能会为交易方提供访问控制，部署特定的市场机制，结合与预言机的自动交互，这些都将受益于各种级别的智能合约。例如，智能合约可用于实现软件开发服务交易市场，提供完整的功能，包括发布项目需求，提交解决方案，与外部Oracle交互以进行质量检查以及付款[133]。智能合约还可以启用由自主无人机代理操作的交付服务订购系统[134]。在点对点能源交易市场中，智能合约可用于实现双重拍卖市场机制[184]，实现自动协商、结算和支付[179]，促进潮流估计、优化和控制[178]，[183]。
H. 加密代币系统
在我们研究的用例中，主要的加密代币系统模型是实用新型。基础设施级加密令牌使用的一个例子是[110]，这是一个以太坊原型，允许患者，医生和授权的第三方通过权限管理共享医疗数据。医疗提供商需要以太坊的原生以太币来执行其活动，例如发布和更新记录、接受查看权限。希望分享其医疗信息的患者还需要花费以太币或让目的地方资助他们。
特定于用例的应用程序级实用程序令牌非常常见。例如，我们已经看到加密代币用于代表税收抵免，以跟踪应征收的实际增值税金额[73]，跟踪支付的股息以防止基于股息的退税欺诈[74]，转移软件权利[92]，[93]并记录学生已完成的高等教育课程学分[81]。 .还有一些方法可以将比特币重用为特定于应用程序的代币，例如[185]用于能源交易的彩色硬币方法。它通过设置其序列号以指定特殊交易类型，将某些比特币标记为发行能源代币或能源代币转让。
支付是应用程序级别另一个流行的令牌实用程序。参考文献[140]是一个系统，该系统能够对与智能插座连接的智能电缆进行基于比特币的小额支付，以支付电费。参考文献[202]描述了电动汽车和电网之间的比特币支付系统，利用比特币区块链的闪电网络[254]可扩展性解决方案。除了使用比特币之外，还有许多用例利用特定于应用程序的加密令牌进行支付，例如，[134]提出了自主代理执行协作服务的场景，该场景使用区块链应用程序的内部加密令牌进行支付。许多能源交易市场也定义了自己的加密代币用于支付[184]，[187]-[189]，[197]，[206]。
代币激励看起来像支付，但它们也用于促进期望的行为。在研究的用例中可以找到应用程序级别的激励措施，在这些用例中，它们通常在维持业务逻辑方面起着至关重要的作用。例如，[137]中用于后供应链的产品所有权管理系统只有在每次交易后都有足够多的用户都注册其产品时才有用。因此，该系统提供了一种加密代币激励机制，以鼓励产品所有者的注册行为。同样，[172]中的系统使用加密代币激励来鼓励城市居民参与更环保的交通方式，如骑自行车。在[183]和[179]等能源供应需求系统中，加密代币用于奖励那些遵守所需能源消耗概况并帮助系统实现能源平衡的各方。
重要的是要注意，虽然一些流行的许可区块链平台（如Hyperledger Fabric）没有与加密令牌支付系统中的烘焙集成，但可能有一些用例仍然需要支付实用程序。一个例子是[203]中的车辆到电网支付系统。它通过设计特定类型的交易结构并将所有历史交易保存在区块链数据库中进行验证来解决支付问题，从而有效地在系统中创建支付实用程序。
讨论
我们的区块链用例研究的结果，包括面向应用的审查部分和基于组件的分析部分，为回答许多维度的进一步问题提供了基础，包括我们在第三节-B中提出的最后三个问题。
A. 区块链用例和城市可持续发展目标
我们以应用为导向的审查可以为我们提供一些关于城市可持续发展目标的初步评估。我们来看看可持续性的四个维度，如图3所示。
图3.可持续性的四个维度。
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社会，经济和环境构成了联合国引入的可持续发展的三重底线[255]。我们可以清楚地看到，在我们调查的用例中，可持续发展的所有这三个领域都有不同程度的体现。
社交领域专注于人。在这方面，福祉、健康和安全领域（第 V-C 节）是一个经过严格审查的部门，特别关注电子健康记录、药物和食品安全相关用例。教育和文化（第五-B部分）主要体现在改善学习体系和教育资源规划，以及解决某些文化娱乐节目的透明度问题。相比之下，解决建筑环境的系统数量（第V-G节）相对较少，并且缺乏以社会多样性为中心的案例。
在经济领域，我们看到大量案例集中在商业转型、共享经济、协作业务和其他相关方面，以提高繁荣（第五-D节）。还有一些努力集中在加强合作科学研究过程，以刺激更多的创新（第五-B节）。运输领域的应用（第V-E节）如全球货物供应链和智能运输系统的进步，正在为社会许多其他部门的企业和消费者带来重大影响，也可能有助于经济增长。
环境领域的应用集中在绿色能源领域（第V-F节），表现为涉及电力生产消费者，微电网和电动汽车的众多用例，以及点对点能源交易和供需平衡。空气质量、碳排放、采砂也包括在内（第五至第一节）。然而，关于该领域许多主题的讨论普遍较少，例如材料、水和土地、废物管理和气候适应能力。
最后但并非最不重要的一点是，政府领域是特殊的，被认为是社会，经济和环境改善的决定性因素[256]。它也被认为是可持续性的四大支柱之一[257]，[258]。我们关于治理和公民参与领域的讨论（第V-A节）表明，区块链在该领域的使用与现有举措非常一致，甚至为应对真正公民授权的协作治理基础设施的挑战提供了重要的补充。
值得指出的是，早期的工作[7]表明，现有的智慧城市框架往往非常关注社会可持续性，合理地关注经济可持续性，但大大低估了环境可持续性。相比之下，现有的城市可持续性框架通常均匀地涵盖环境和社会层面，但几乎忽略了经济可持续性方面。
因此，当我们考虑城市的区块链计划时，采用平衡的观点将有助于整合所有社会、经济、环境和治理方面（在技术适用的情况下），我们希望我们的初步评估可以帮助建立这些努力的起点。
B. 区块链用例适用性
1）区块链适用性决策树评估
存在众所周知的决策树，提供有关资产，作者和读者的问题列表，以帮助评估区块链技术在特定用例中的适用性[19]，[20]，[259]-[261]。它们提供了不同级别的详细信息，但在决定是否以及何时应分别选择无许可、许可或私有区块链时，它们是内联的核心。
我们研究的基于组件的分析为评估社区如何应用这些决策树的规则提供了一种途径。有趣的是，不难找到报告的用例，这些用例可能不完全“有资格”采用区块链，或者至少与一些现有决策树规则的建议不一致。
示例1：
根据[261]的第一个标准，如果“您是否试图删除中介或经纪人”的答案是否定的，则不应使用区块链。在基于区块链的政府决策保存用例中[61]，政府机构创建文档并可以直接与公众共享。因此，没有涉及第三方中介，似乎没有资格使用区块链。但实际上，这个用例利用区块链的不可变记录功能作为关键价值主张，不一定用于消除中介。麦肯锡的一份报告[262]还指出，“区块链不需要成为去中介来产生价值”。
示例2：
基于[259]，当区块链适用性的其他标准通过并且作者都是已知的但不可信时，建议使用许可区块链。在同一个政府文档保存用例[61]中，作者被称为指定的政府机构。如果它们被认为是受信任的，那么不应该使用区块链。如果它们不被认为是全部受信任的，那么该规则将推荐一个许可的区块链，但[61]使用无需许可的比特币区块链。这可能是可能的，因为可以使用适当的链下机制来识别授权方写入的记录。在这种特殊情况下，它可以基于政府机构公开发布的区块链身份。
示例3：
在编写者不受信任且需要功能控制的合格区块链用例中，建议使用许可或私有区块链[261]。然后，产品所有权跟踪系统[137]，其中许多不同的作者需要不同级别的写作权限，这将更适合使用许可区块链。然而，[137]使用无需许可的以太坊区块链，并通过其智能合约功能强制执行所需的控制功能。在区块链数据库的读取端也可以提出类似的观点。具体来说，具有公共可读性的区块链用例采用无许可区块链是很自然的。但对于那些需要私有可读性的用例，它们不一定需要许可或私有区块链，因为它们也可以在具有适当智能合约机制的无许可区块链上实现，或者可能只是通过加密隐藏信息不让公众阅读。
通过强调报告的用例与众所周知的决策规则之间的上述不一致，我们的目标不是因为双方都有自己的优点而对错做出判断。相反，我们想强调更系统分析的重要性，我们也通过基于组件的框架审查进行了尝试，以帮助减少术语中的歧义，并推进这个婴儿阶段技术的整体知识。
2）物理-网络链接口问题
虽然前一节VII-B.1中概述的三个例子相对直接地说明了规则与实际案例之间可能存在的不一致之处。当涉及到物理资产映射的主题时，还有更多微妙之处。
根据[261]中的第二条决策规则，如果“你是否在处理数字资产（而不是实物资产）？”的答案是否定的，则不应使用区块链。然而，供应链管理系统处理的是实物资产，但它们是我们在文献列表中发现的最常报告的用例之一（例如，[118]-[126]，[136]，[157]）。在所有这些情况下，实物资产都被数字化以上链。但这种物理和数字接口过程存在安全风险。参考文献[259]明确质疑区块链在供应链管理中的适用性，除非可以确保数字世界和物理世界之间的接口。事实上，这个问题不仅涉及实物资产;它适用于所有链下资产。正如我们基于组件的分析（第 VI-A 节）中的资产部分所显示的那样，我们列表中的所有用例都涉及链下资产，这使得它们都容易受到此问题的影响。
仔细研究链下资产接口问题可以揭示两个子接口，它们都具有安全隐患。一个处理物理资产的数字化（如果适用），我们称之为物理网络接口;另一个涉及将数字资产实际放置在链上，我们称之为网络链接口。物理网络接口的安全漏洞可能是被篡改的智能电表报告虚假的电值，网络链接口的安全漏洞可能是人类有意或无意地将错误版本的数字文档上传到链上。在这两种情况下，区块链本身都无法检测到错误，因为这些安全问题发生在链下。换句话说，区块链只维护链上承诺的任何内容的不可变记录，但它不能保证链上和链下资产的正确关联，或者资产在上链之前发生了什么。
从资产的角度来看，区块链唯一完美的资产是本土的链上资产，不必担心物理-网络链接口。这些资产在加密货币领域很常见，最初的比特币就是一个很好的例子。原始比特币在链上铸造，不与外部资产绑定，并将其整个历史记录在区块链上。但是，如果比特币被用作某些链下资产的支付，它们仍可能与链下资产相关联。
在某些情况下，利益相关者可以在一定程度上为检测链下资产映射异常做出贡献。例如，在投票系统[71]中，由于选民知道他们各自的选票是什么，他们可以检查并确保自己在区块链上的投票记录与他们打算提交的内容一致。类似地，在事件票务系统[101]中，持票人可能能够将他们拥有的票务信息与区块链上的实际票务信息记录进行比较，从而检测两者之间的不匹配。然而，在大多数其他情况下，利益攸关者的援助即使不是不可能，也可能非常困难。例如，如果我们正在使用电子健康记录访问控制系统[107]，并且健康记录提供商以某种方式提交了错误的测量值，或者如果我们正在处理电力系统[173]并且电表设备由于篡改而提交虚假数据，则相应的接收方很难注意到差异。
总之，链下资产映射和物理网络链接口问题在非加密货币区块链用例中是普遍存在的。为了处理它，我们应该首先尽可能避免接口，例如，资产的原生数字形式应始终优先于物理形式（如果适用），以避免物理网络接口。对于无法规避的网络链接口，我们应该精心设计系统，使其能够抵御可能的风险。利益相关者协助的解决方案可能适用于某些情况，但大多数其他情况需要更复杂的方法。值得注意的是，这种链下资产映射接口安全问题在区块链文献中通常被视为超出范围。我们认为这是一个重要的领域，需要对许多区块链应用程序的合理性进行更实质性的调查。
C. 跨部门区块链用例分类
我们工作的一个明确目标是能够以横向视角审查区块链用例，即比较不同行业的用例，并可能从它们在不同环境中的使用中受益，以激发更具创新性和多功能的解决方案。
促进跨部门用例分析的一种方法是将它们分类为某些常见类别，而不管它们的行业如何。普遍接受的区块链用例分类法不存在，但相关的努力是可用的。麦肯锡强调了六类区块链应用程序[262]：“静态注册表，身份，智能合约，动态注册表，支付基础设施和其他”。这在广义上很有帮助，尽管将其应用于每个特定用例并不总是那么简单。例如，在其分类中，土地所有权、食品安全和原产地被视为静态登记;而药品供应链被认为是动态登记处。然而，土地所有权可以转让，食品也可以通过供应链，因此很难在静态和动态登记之间划清界限。我们还发现，智能合约几乎在所有区块链应用程序中都使用或可以添加（仅受底层区块链基础设施功能的限制），因此更自然地将其视为系统的一个组件，而不是一个单独的类别。支付基础设施同样是可以被不同类型的区块链应用程序使用的组件。尽管分类方法确实提供了“其他”类别，但如果我们将绝大多数用例放在“其他”中，它可能会破坏分类的目的。在一项相关的工作中，Gartner强调了四种类型的区块链应用程序[263]：“记录守护者，效率游戏，数字资产市场和区块链破坏者”（数字资产市场也被认为是区块链颠覆者的特例）。这种分类结合了区块链所扮演的角色和它所支持的商业模式。
受这些现有努力的启发，我们为区块链用例提出了两种独立的分类方法，一种基于角色，另一种基于商业模式。
对于基于角色的分类，我们强调区块链所扮演的三大类角色，如图 4 所示。首先，改进者的角色是那些已经在没有中介的情况下点对点进行的流程。但是使用区块链使这个过程更加值得信赖和高效。这就是我们相信区块链可以在不成为中介的情况下创造价值的地方，并很好地回答了第 VII-B.1 节示例 1 中讨论的困境。其次，变压器的作用通过淘汰现有中间体来提高现有中介过程的流程效率。第三，与现有业务流程中的改进者和转换器角色不同，推动者角色存在于区块链实现的新兴点对点业务流程中。应该注意的是，仅仅说明区块链的使用领域并不能推断区块链在该用例中扮演的特定角色。区块链的不同使用方式可以应用于相同的上下文，并导致改进、转换或启用。例如，我们可以考虑一个类似于[151]的区块链用例，它管理汽车生命周期信息。如果我们只是使用区块链来保留一些汽车属性（如所有权或维护）的不可变记录，那就是一个改进者的情况;如果我们使用区块链直接在两个对等方之间进行二手车买卖交易，那就会成为变压器案例，因为它消除了传统流程中的交易中介;如果我们进一步扩展区块链的使用以实现创新的保险或其他服务，这可能会使其成为一个推动者案例。
图4.基于角色的区块链分类。
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由于区块链应用程序中的业务逻辑是由智能合约确定的，因此我们在分析VI-G节图2中用例的智能合约使用情况时，已经介绍了基于业务模型的分类。四个交叉类别，“不可变记录，访问控制，集体决策和点对点市场”旨在激发跨行业的洞察力。特别是，当我们在给定的上下文中设计特定的解决方案时，我们的参考不必只是同一行业的先前用例，而是来自非常不同的行业的具有相同商业模式类别的用例。让我们以访问控制类别（第 VI-G.2 节）为例。此类别中的用例涵盖教育、经济、医疗保健、交通、能源、建筑环境等完全不同的领域。虽然常见的访问控制机制定义了实体的绝对权限列表，但建筑环境用例[214]采用了一种有趣且不同的方法。它使用委派权限系统，该系统通过“信任委派”图将实体的权限相互关联。结果是一个系统，在该系统中，对资源具有权限的所有实体都同样能够将其权限委派给其他实体。可以想象，这种类型的机制可以应用于需要动态和平等访问委派的其他场景，并且这些场景可以位于与建筑环境完全不同的扇区中。我们希望我们的工作能够帮助培养这种跨部门的知识共享。
结论和今后的工作
区块链可能是下一波城市发展计划以及数十年可持续和智慧城市努力的颠覆性力量。世界上许多城市已经通过公共和私人领域的监管行动和全面的试点项目开始了区块链未来的竞赛。然而，人们对区块链技术的起步阶段以及对其如何应用于未来城市缺乏理解感到非常担忧。这项工作旨在通过利用科学研究界报告的用例中的集体知识来缩小这一差距。
A. 捐款
我们的主要贡献总结如下：
- 遵循系统的文献综述方法，我们首先检查了来自学术期刊和会议论文集的159篇区块链文献，涵盖了具体的用例和系统。它们是在9个工业部门中构建和讨论的，这些部门被公认为对可持续和智慧城市至关重要。我们发现，一些部门，如自然环境、水和废物管理、建筑环境，总体上比其他部门（如能源、交通、经济、医疗保健、教育和治理）受到的关注较少。无论哪个行业，区块链应用程序都面临着一系列共同的挑战，例如基础设施性能和可扩展性、标准化和互操作性、资产数据安全和隐私、智能合约安全以及法律和监管问题。
- 我们提出了一个基于组件的分析框架，以促进对区块链用例的共同理解。研究了71篇论文的子集，涉及其相关资产，作者，读者以及具有分布式共识算法，智能合约和加密令牌系统的底层区块链基础设施。在调查的文献中，我们发现以太坊和Hyperledger Fabric是前两个最常用的区块链平台，以太坊尤其在许多基于点对点市场的应用程序上具有优势。有趣的是，比特币和多链也是使用的前四个平台之一。在分布式共识方面，工作量证明和拜占庭容错是最常用的两种机制。但是，如果以太坊完成向权益证明的过渡，权益证明的使用很容易超过工作量证明。此外，实用加密令牌模型在许多应用程序中广泛用于表示特定于应用程序的资产、进行支付和给予激励。
- 讨论了区块链用例对城市可持续发展目标的影响。我们以应用为导向的用例回顾表明，城市可持续发展的所有四个支柱：社会、经济、环境和政府都在调查文献中得到体现。在政府领域，区块链授权的公民参与式协作城市治理模式甚至被认为是克服现有解决方案关键问题的确切答案。与此同时，在环境领域的某些领域做出更多努力可能有助于在可持续性方面实现更平衡的区块链处理。
- 我们研究了众所周知的区块链适用性决策树与研究界报告的实际系统原型之间的关系。具体来说，我们解释了两者之间的不一致之处，并强调了为什么像我们这样的基于组件的系统分析是有益的。此外，我们还讨论了所有调查用例都面临的物理网络链问题，并强调了其重要性。
- 为了促进跨部门分析，我们提供了两种对区块链用例进行分类的方法。基于角色的方法将用例分组到区块链中，作为“改进者，转换器和推动者”。基于商业模式的方法描述了三个交叉类别：“访问控制，集体决策，点对点市场”，第四个类别称为“不可变记录”，这是所有其他三个类别的基础。我们详细阐述了这些分类法与行业现有分类法的比较，并说明了它们如何帮助为区块链用例分析带来跨行业见解。
B. 限制
需要根据其局限性来考虑本文的贡献。由于关于区块链的大量文献，我们必须将我们的审查范围限制在专注于具体用例的论文上，具有足够的系统级覆盖率和明确指定的部门。我们还承认，将数千篇论文过滤到200篇以下的手动筛选过程以及每个用例的部门放置不可避免地引入了主观性。因此，即使是高质量的论文也可能被排除在外。然而，在可能的情况下，我们尽力选择足够全面和相关的文件来支持我们的分析。
C. 今后的工作
这项工作可以进一步朝着几个方向发展。首先，对于面向应用的用例审查，收集更多在行业中实际运行的区块链用例将是有趣的（其中一些已经在文献中报道过，但其他的可能没有）。这将允许将运行中的用例与早期研究原型阶段的用例进行比较，并有助于确定研究和行业如何通过更紧密的互动相互受益。其次，我们的应用层面审查与可持续和智慧城市框架的当前联系是在宏观部门层面。未来的工作可以研究区块链用例与特定城市可持续性和智慧城市框架指标之间的更微观层面的关联。然后，这些分析可以为未来可能的“城市区块链”标准化评估框架铺平道路，该框架可以成为城市政策制定者的指导原则。第三，扩展这项工作的另一种方法是更深入地深入挖掘详细的用例：例如，利用基于组件的框架和分类机制，为任何部门的每种类型的用例提供组件或更细粒度级别的系统设计参考列表，最大限度地提高区块链工业专业人员在所有学科之间的知识共享。
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