《Environmental Modelling & Software》：Blockchain-based carbon informatics for multiple stakeholders using spatial-temporal analytics
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本研究构建了基于区块链的碳信息平台，整合空间时间分析方法，提升运输领域碳排放披露的透明度和可信度。通过分析1990-2020年美国3000余个县数据，发现收入、教育水平与碳排放显著负相关，验证了区块链与空间分析结合的有效性。
Songyang Ruan|Xinlai Liu|H.Oliver Gao
康奈尔大学城市与区域规划系，美国纽约伊萨卡市14853
摘要
有效的碳披露对于气候行动至关重要，但往往受到透明度有限、可信度低和数据分散的制约。本研究开发了一个基于区块链的碳信息学平台，结合时空分析技术，以提高交通领域的可追溯性和问责性。该平台采用以利益相关者为导向的设计架构，并部署在许可型区块链上，以满足碳实体、监管机构、投资者、审计人员和公众的需求。利用美国3000多个县（1990-2020年）的交通排放数据，该平台提供了透明的数据记录、安全的数据交换以及通过交互式碳仪表板实现的动态可视化功能。空间面板计量经济分析表明，清洁燃料的采用、较高的收入和较高的教育水平与较低的排放水平相关。研究表明，将基于区块链的信息技术与时空分析相结合，可以支持可信的碳披露，并促进数据驱动的气候治理。
引言
根据美国环境保护署（EPA）的数据，交通是美国温室气体（GHG）排放的最大来源（U.S. EPA, 2024d）。美国政府一直在实施综合策略来应对气候危机。白宫（2021年）制定了国家气候目标。为了在交通领域实现这些目标，美国交通部（2023a年）提供了测量和减少温室气体排放的技术工具，而美国环保署（2024b年）则制定了更广泛的减排计划和策略。例如，《两党基础设施法案》为基础设施改进提供了1.2万亿美元的资金，其中包括电动汽车充电网络、公共交通和清洁能源项目（美国交通部，2023b年）。在州一级，纽约州气候行动委员会批准了超过10亿美元用于交通脱碳（纽约州，2022年），而加利福尼亚州则将投资增加到19亿美元，用于零排放车辆基础设施、卡车、公交车和其他重型车辆（加利福尼亚能源委员会，2024年）。这些策略强调了在各级政府层面推进交通脱碳的重要性，并表明了减少碳排放的决心。
碳披露在监测碳排放和绩效方面发挥着关键作用。根据《巴黎协定》的2030年议程和2023年《联合国气候变化框架公约》（UNFCCC），全球气候行动需要以透明、可追溯和可问责的方式披露（UNFCCC，2015，2023）。此外，关于碳排放的信息披露使私营和公共机构能够在分散式气候治理中发挥作用（Mason，2019；Pólvora等人，2020）。这些机构发布的自愿性和强制性披露有助于减少信息不对称性，并增强利益相关者的参与度（Gupta和Mason，2016）。它可以使社会追究排放者的责任，并推动更有效的气候行动。最近使用数字技术的实践，如信息仪表板，能够协调来自不同来源的数据集并简化可视化，从而实现透明度和有效实施（Hsu和Schletz，2023）。例如，运输运营商越来越多地采用碳披露框架来促进货运和客运服务的脱碳（国际运输论坛，2024）。
仪表板是可视化环境数据的普遍工具，为公众提供了一种直观的方式来获取复杂信息（Sarikaya等人，2019）。为了提高意识和支持决策，Ahlers等人（2018）在斯堪的纳维亚城市部署了传感器网络，以揭示详细的温室气体排放情况；Liu等人（2023）在杭州开发了一个平台，展示了道路网络层面的碳足迹的时空特征。该平台发现，交通排放在早晚高峰时段尤为明显。在美国，加州空气资源委员会（2024）开发了污染地图工具，以不同地图层展示年度温室气体排放情况。人们可以跟踪该州气候目标的进展情况。美国环保署（2024a）提供了交互式空气质量指数地图，用于追踪加拿大、墨西哥和美国的臭氧和颗粒物情况。这些仪表板，连同全球碳地图集（2025）等资源库，构成了碳披露的重要基础设施，帮助政策制定者和公众审查排放情况并做出明智的决策。
然而，当前的碳披露仍面临若干挑战。首先，缺乏透明的碳排放披露流程（Luers等人，2022）。尽管很容易查看当前的碳排放数据，但很难追溯到背后的气候行动。其次，由于验证不足，碳信息在碳市场中的可信度长期以来一直受到质疑（Blaufelder等人，2021；Vilkov和Tian，2023）。这危及了气候行动的有效性，并可能引发负面外部性（Al Sadawi和Ndiaye，2021）。第三，由于碳实体的高度分散性，许多碳数据仍然属于专有信息（Blaufelder等人，2021；Hsu和Schletz，2023；Sipthorpe等人，2022）。因此，有必要设计一个使用信息技术的整体架构，以实现可追溯和可信的碳行动。
为应对这些挑战，本研究提出了一个以利益相关者为导向的基于区块链的碳信息学平台架构，该架构结合了时空分析功能，以满足多个碳利益相关者的需求。一方面，区块链作为一种分布式账本，每个节点都存储主链的副本，其不变性、透明度、可信性和可访问性的特点改变了业务流程和实践（Di Pierro，2017）。在本研究中，采用了Hyperledger Fabric这种许可型区块链，因为它满足了碳披露的要求，具有高能效和吞吐量（Sedlmeir等人，2020），以及灵活的配置选项和企业级私有网络（Androulaki等人，2018）。另一方面，时空分析能够分析和可视化碳排放模式，突出区域异质性和时间增长趋势（Pan等人，2023；Song等人，2019）。空间面板数据模型（Burnett等人，2013）和工具变量（IV）（Li等人，2023）被用来利用1990-2020年间美国3000多个县的交通排放数据提取时空洞察（Zhang等人，2021）。数据来自交通气候行动（CAT）数据库（Fraser等人，2024），该数据库来源于美国环保署开发的机动车排放模拟器（MOVES）（2024c）。因此，本研究旨在将区块链技术与时空分析相结合，通过提供一个透明和可信的平台来管理和传达排放信息，从而增强碳披露。根据研究目标，以下是四个研究目标：
•设计一个以利益相关者为导向的基于区块链的碳信息学平台架构
•开发一个基于Hyperledger Fabric的许可型区块链系统，以实现透明和可信的碳披露服务
•运用时空分析来研究美国县级的交通排放模式
•通过使用EPA MOVES数据进行案例研究，验证平台在安全碳披露和动态可视化方面的能力
本文的其余部分如下。第2节介绍了本研究的方法论，包括所提出的基于区块链的碳信息学平台的整体架构和时空分析方法。第3节详细介绍了实施基于区块链的碳信息学平台的实际路线图。第4节通过案例研究展示了基于区块链的碳仪表板服务，并报告了时空分析结果。第5节总结了主要发现和未来研究的方向。
区块链基础碳信息学架构
提出了一个以利益相关者为导向的架构，以构建一个透明和可信的碳信息学平台，证明了在这种情况下应用区块链技术的合理性（Pólvora等人，2020）。整体架构由四层组成，如图1所示：数据源层、区块链网络层、服务层和用户层。
在数据源层，数据来自两个主要渠道：模拟器输入和基于场景的数据集。
以利益相关者为导向的设计和技术路线图
采用以利益相关者为导向的设计理念，开发出模块化、可扩展且易于维护的功能，以满足多个利益相关者的需求（Liu等人，2020）。图3展示了统一建模语言的五个服务：碳注册、碳验证器、碳监管器、碳仪表板和区块链监控器。左列中的每个利益相关者都可以注册为其组织的成员，获得证书，然后通过基于区块链的界面探索具体功能
案例描述
本研究使用了一个包含3043个美国县四年（2000年、2010年、2015年和2020年）道路排放数据集进行案例研究，这些数据由MOVES模拟（Fraser等人，2024）。表3展示了数据来源和变量描述。人口和社会经济数据来自美国人口普查局（USCB）的五年一次的美国社区调查数据和2000年十年一次的人口普查（Burnett等人，2013；Li等人，2018；Rentziou等人，2012；USCB，2024a，b）。
结论和未来研究
随着《巴黎协定》十周年的到来，人们对气候变化的紧迫性越来越关注。本研究提出了一个以利益相关者为导向的碳信息学平台，以提高碳披露的透明度、可追溯性和可验证性。首先，利用MOVES模拟的美国道路排放数据，展示了许可型区块链解决方案的可行性。该平台基于Hyperledger Fabric，包含四个功能模块：
CRediT作者贡献声明
Songyang Ruan：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、数据整理、概念化。H. Oliver Gao：撰写——审阅与编辑、监督、资源管理、项目协调、概念化。Xinlai Liu：撰写——原始草稿、软件、方法论、形式分析、概念化
未引用的参考文献
Di Pierro M., 2017; 美国交通部, 2023a; 美国交通部, 2023b; USCB, 2024a; USCB, 2024b; White, 2021.
数据可用性
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了康奈尔大学的Ezra Systems博士后奖学金计划的支持。我们的作者感谢Alice Sze女士在早期开发这个基于区块链的碳信息学平台方面所做的工作。
