基于模糊層次分析的區(qū)塊鏈平臺決策模型

孫建梅，蔣雨真

(上海電力大學(xué)經(jīng)濟與管理學(xué)院，上海 200090)

隨著比特幣的出現(xiàn)，通過調(diào)整配置和改變參數(shù)得來的區(qū)塊鏈平臺越來越多。用戶在信息不確定性和多種標(biāo)準(zhǔn)之間很難確定哪個平臺更適合某個給定的用例。此外，許多領(lǐng)域的專家誤解了區(qū)塊鏈的概念，往往不知道如何利用技術(shù)為公司創(chuàng)造收益[1]。因此，僅靠區(qū)塊鏈技術(shù)本身無法滿足各類應(yīng)用場景的需要，對區(qū)塊鏈平臺進行評價成為一項勢在必行的研究。通過篩選影響行業(yè)采用區(qū)塊鏈技術(shù)的重要因素，以便于專業(yè)技術(shù)人員理解使用區(qū)塊鏈技術(shù)并為其提供針對性的建議?？紤]到現(xiàn)階段缺乏對區(qū)塊鏈平臺有效的評估方法，使得區(qū)塊鏈技術(shù)與其他行業(yè)之間的結(jié)合存在一定的挑戰(zhàn)。雖然中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院提出《區(qū)塊鏈服務(wù)能力評價》已在電氣與電子工程師協(xié)會(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)標(biāo)準(zhǔn)提案，賽迪區(qū)塊鏈研究院也組織多期全球公有鏈技術(shù)評估工作，這加強了對區(qū)塊鏈平臺評估的重要性，但這些基本都是從技術(shù)開發(fā)者的角度衡量區(qū)塊鏈構(gòu)建的實用性，幾乎沒有從各領(lǐng)域?qū)I(yè)人員的角度對區(qū)塊鏈平臺展開的評價研究。因區(qū)塊鏈平臺指標(biāo)體系因素復(fù)雜且定性指標(biāo)多，現(xiàn)提出一種運用模糊層次分析法(fuzzy analytical hierarchy process，F(xiàn)AHP)進行區(qū)塊鏈平臺評價方法，通過分析現(xiàn)有區(qū)塊鏈平臺特點建立評價指標(biāo)體系，并選用建筑領(lǐng)域為應(yīng)用背景進行實例分析。

1 區(qū)塊鏈平臺評價指標(biāo)體系

1.1 現(xiàn)有的區(qū)塊鏈平臺

目前，主流的區(qū)塊鏈平臺包括Corda、以太坊和Hyperledger Fabric?？紤]到Corda的主要聯(lián)盟成員來自金融領(lǐng)域，對數(shù)據(jù)的隱私性、監(jiān)管的需求等明顯接近金融業(yè)務(wù)[2]。將主要討論以太坊和Hyperledger Fabric兩大平臺的特點，并借助現(xiàn)有學(xué)者的實證研究總結(jié)分析兩平臺間的異同。

1.1.1 以太坊

區(qū)塊鏈1.0是比特幣發(fā)展的基礎(chǔ)，而在2015年引入智能合約概念的以太坊公共區(qū)塊鏈(Ethereum)[3]則成為影響區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展演變的2.0。以太坊的目標(biāo)是打造成為一個運行智能合約的去中心化平臺，能夠便捷創(chuàng)建智能合約的特性使得它不僅可以用于加密貨幣，還可以應(yīng)用于其他不同的領(lǐng)域。以太坊現(xiàn)階段的共識算法基于工作量證明(proof of work，PoW)，將在第四個版本過渡到相較于PoW更有效地基于股權(quán)證明(proof of stake，PoS)[4]。而為執(zhí)行智能合約設(shè)計出的以太坊虛擬機(ethereum virtual machine，EVM)，使得以太坊成為支持開發(fā)者使用高級語言Solidity編寫智能合約的最知名平臺，多次在賽迪研究院公有鏈技術(shù)評估指數(shù)中位列前三。

1.1.2 Hyperledger Fabric

Hyperledger[5]是Linux基金會在2015年12月發(fā)起的開源區(qū)塊鏈平臺，主要用于企業(yè)環(huán)境。Fabric是Hyperledger的一個應(yīng)用最為廣泛的子項目，它創(chuàng)立的主要目的是為各行業(yè)的先進企業(yè)搭建聯(lián)盟鏈，并為其提供服務(wù)。Hyperledger Fabric能夠使用Go、Java和Node.js等通用語言編寫智能合約，這為各領(lǐng)域開發(fā)人員入門提供很大的便利。此外，Hyperledger Fabric采用了合約執(zhí)行和與共識機制相分離的系統(tǒng)架構(gòu)，這種可插式共識協(xié)議為平臺提供了定制特定行業(yè)用例的能力，用戶可根據(jù)場景需求選擇合適的共識算法。目前，中國螞蟻金服、智鏈萬源、華為、旺鏈科技、小米、安妮股份等知名企業(yè)已成為Hyperledger Fabric服務(wù)提供商。

1.1.3 開發(fā)平臺之間的比較

為了比較上述兩大區(qū)塊鏈平臺，檢索了包括Web of Science、IEEE Xplore、知網(wǎng)等科學(xué)研究數(shù)據(jù)庫，選擇“性能”和“區(qū)塊鏈平臺”為關(guān)鍵詞，將2015年1月—2020年12月設(shè)為時間跨度，共檢索出超1 000篇文獻，其中與上述兩大平臺之間直接對比的實證研究共3篇[6-8]。

文獻[6]對Hyperledger Fabric0.6與以太坊1.5.8做了對比實驗，結(jié)果表明當(dāng)交易數(shù)量從1增加到10 000時，盡管Fabric可以實現(xiàn)更短的執(zhí)行時間、更低的延遲，但以太坊可以同時處理更多的并發(fā)交易。文獻[7]對Hyperledger Fabric0.6、以太坊1.4.18、parity1.6三個平臺做了對比實驗，F(xiàn)abric在吞吐量方面明顯優(yōu)于上述兩個平臺，以太坊延遲度最高的結(jié)果也與文獻一致。其中，某些服務(wù)器出現(xiàn)故障時，以太坊并不會受到影響而Fabric會停止響應(yīng)。文獻[8]對Hyperledger Fabric1.0與以太坊1.7.3做了對比實驗，與上述實驗不同的是考慮了共識算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)和PoW對兩個平臺性能的影響。結(jié)果表明，F(xiàn)abric在平均吞吐量和等待時間方面優(yōu)于以太坊，基于(byzantine fault tolerance，BFT)的區(qū)塊鏈平臺性能優(yōu)于基于PoW的區(qū)塊鏈平臺。

綜上所述，一方面，就兩者的設(shè)計角度來說，以太坊是公有鏈，Hyperledger Fabric是聯(lián)盟鏈，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)不同，數(shù)據(jù)存儲和計算方式不同，兩者適用對象也不同。另一方面，從性能的角度來說，Hyperledger Fabric始終優(yōu)于以太坊?；贐FT的共識算法比基于PoW的共識算法有更好的性能[9]，但除去共識算法的影響，僅評估兩平臺應(yīng)用層Fabric仍占優(yōu)勢[6]。以太坊的優(yōu)勢則在于已有的龐大用戶基礎(chǔ)，生態(tài)系統(tǒng)相對完整穩(wěn)定，在公有區(qū)塊鏈性能和知名度方面都排名靠前[10]。用戶可以在以太坊通過編寫智能合約搭建應(yīng)用，但難以自定義數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、通信協(xié)議和共識算法[11]。而在Hyperledger Fabric中盡管可以選擇適用場景的共識算法，但依舊難以觸及數(shù)據(jù)層和網(wǎng)絡(luò)層的定義，兩者之間各有優(yōu)劣。

1.2 區(qū)塊鏈平臺評價指標(biāo)體系建立

將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于各行業(yè)領(lǐng)域，可以提高數(shù)據(jù)信息的安全性，有效提高信息共享程度和智能化水平。但考慮到區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展程度上仍處于發(fā)展的初級階段，對區(qū)塊鏈平臺建立評價指標(biāo)體系需謹(jǐn)慎對待。

已有文獻對于評價指標(biāo)建立主要有兩個方向，一是從技術(shù)性、組織性、可拓展性等多角度衡量區(qū)塊鏈平臺發(fā)展和應(yīng)用可能[12]。二從區(qū)塊鏈平臺現(xiàn)階段受歡迎程度來衡量平臺水平，相應(yīng)指標(biāo)包括Twitter的關(guān)注人數(shù)、Google的搜索熱度等[10]。考慮到中國區(qū)塊鏈發(fā)展水平相對滯后，各區(qū)塊鏈平臺人氣指標(biāo)在現(xiàn)階段不能成為重要參考因素。為了保證評價指標(biāo)體系的客觀性和科學(xué)性，綜合分析代表性區(qū)塊鏈平臺技術(shù)特點，從區(qū)塊鏈系統(tǒng)架構(gòu)的角度，選取中心化程度、交易存儲、共識機制和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)4個方面構(gòu)建評價指標(biāo)體系。

1.2.1 中心化程度

中心化程度指標(biāo)即考慮區(qū)塊鏈技術(shù)適用于信任機構(gòu)可被去中心化、部分中心化和中心化系統(tǒng)的三類應(yīng)用場景。去中心化的系統(tǒng)允許用戶無需信任地在不依賴第三方的前提下進行相互交易，中心化系統(tǒng)則依賴于中心機構(gòu)進行交易，而部分中心化則通過設(shè)置一個或多個授權(quán)機構(gòu)，用于管理參與節(jié)點的權(quán)利分配。

1.2.2 交易存儲

考慮區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)計算參與方式，將多種衡量指標(biāo)簡化為鏈上和鏈下[13]兩個子指標(biāo)。為了降低數(shù)據(jù)存儲成本，有的區(qū)塊鏈平臺選擇將原始數(shù)據(jù)存儲在鏈下，鏈上僅包括存儲元數(shù)據(jù)和相應(yīng)原始數(shù)據(jù)的哈希值。也有的區(qū)塊鏈平臺憑借圖靈完備的合約語言，將數(shù)據(jù)交易存儲于鏈上完成。

1.2.3 共識機制

共識機制指標(biāo)分為PoW和BFT兩個子指標(biāo)，區(qū)塊鏈中兩個節(jié)點進行交易，共識機制用于實現(xiàn)驗證過程，不同算法提供不同的性能效率、安全性和可靠性，因此有必要作為一項重要指標(biāo)參與綜合評估。

1.2.4 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)模型一般分為兩類[2]，一類為基于交易的模型，也被稱為(unspent transaction output，UTXO)模型，通過明確交易的來源和去向，使得每筆交易可追溯，更適用于支持?jǐn)?shù)字資產(chǎn)。另一類為基于賬戶的模型，通過執(zhí)行交易來更新賬戶狀態(tài)，更適用于支持智能合約。以此作為數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)指標(biāo)分類的依據(jù)，建立UTXO和區(qū)塊鏈表兩個子指標(biāo)。

綜上所述，提出如圖1所示的區(qū)塊鏈平臺評價指標(biāo)體系。

圖1 區(qū)塊鏈平臺評價指標(biāo)體系

2 基于FAHP的區(qū)塊鏈平臺決策模型

2.1 評價方法選擇

結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)特點和現(xiàn)有區(qū)塊鏈平臺所呈現(xiàn)多重功能，對于區(qū)塊鏈平臺的評價方法選擇主要考慮兩類問題。一方面，對區(qū)塊鏈平臺的評價研究處于起步階段，需要進一步的實證研究用以評估采用的區(qū)塊鏈平臺性能，為便于各領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員理解和使用，前期使用的評價方法不應(yīng)過于復(fù)雜。另一方面，對區(qū)塊鏈平臺展開評價，本質(zhì)上是由于影響區(qū)塊鏈技術(shù)的多種因素使其成為一個多準(zhǔn)則決策問題。因此，需要考慮各評價指標(biāo)對區(qū)塊鏈平臺決策的相對影響。支持綜合評價的多準(zhǔn)則決策方法包括層次分析法(analytical hierarchy process，AHP)、數(shù)據(jù)包絡(luò)分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等，每種方法都有各自的優(yōu)勢和缺點[14]。

模糊層次分析法是兼顧定性指標(biāo)和定量指標(biāo)的綜合評判方法，能夠有效地將FAHP中的模糊性和AHP中的一致性結(jié)合。美國運籌學(xué)專家Saaty提出的傳統(tǒng)層次分析法受主觀性和不確定性影響[15]，構(gòu)造的判斷矩陣需經(jīng)多次一致性檢驗和調(diào)整，并與專家的思維決策存在一定的偏差。為解決上述問題，F(xiàn)AHP采用了模糊一致矩陣，無需進行一致性檢驗即可保證矩陣的一致性[16]。相比于單指標(biāo)評價方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多準(zhǔn)則決策方法，模糊層次分析法在不確定信息處理方面[17]、實用性和結(jié)果的可靠性[18]上更勝一籌。

基于FAHP對區(qū)塊鏈平臺適用性評價方法的步驟如圖2所示。首先進行準(zhǔn)備工作，在明確問題的前提下，收集關(guān)于區(qū)塊鏈平臺技術(shù)、性能、功能等各方面資料，確定適用性評價等級。針對應(yīng)用場景的實際需求和區(qū)塊鏈技術(shù)特點選擇評價指標(biāo)，建立指標(biāo)體系，同時邀請專家根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)嶋H情景，討論確定各指標(biāo)權(quán)重[19]。然后，根據(jù)不同的設(shè)計要素對目標(biāo)需求的匹配程度，確定隸屬度矩陣。最后，根據(jù)合成運算得到評價結(jié)果，并進行判定。

圖2 區(qū)塊鏈平臺適用性決策步驟

2.2 確定評價指標(biāo)權(quán)重

2.2.1 模糊一致性矩陣建立

為使方案對于某準(zhǔn)則的重要程度描述定量化，選用0.1～0.9標(biāo)度法，其描述如表1所示。

表1 0.1～0.9標(biāo)度

通過比較選取的4項評價指標(biāo)對區(qū)塊鏈平臺的影響程度來定義模糊判斷矩陣A，判斷矩陣A=(aij)n×n的形式一般為

(1)

式(1)中：元素aij為指標(biāo)i相對于指標(biāo)j的重要性，aij滿足以下關(guān)系：

(2)

根據(jù)張吉軍[20]提出的式(3)變換后可得到模糊一致矩陣C，表達式為

(3)

模糊一致矩陣C滿足對任意的i、j、k有式(4)成立，即

(4)

2.2.2 計算權(quán)重

模糊層次分析法求解權(quán)重方法有多種，權(quán)重[21]計算公式為

(5)

進行決策判斷階段，通常為多個專家給決策建議做出權(quán)重后，將其均值作為最終的權(quán)重得出決策方案。設(shè)有m個專家進行決策，則

(6)

2.3 構(gòu)建綜合評價模型

2.3.1 構(gòu)建區(qū)塊鏈平臺適用性評價集

將區(qū)塊鏈平臺評價分為4個適用性等級，各級評分標(biāo)度如表2所示，在對于每個評價因素各個等級進行量化評分后即可得到該評價因素的評價矩陣R。

表2 評分標(biāo)度

2.3.2 進行模糊合成

將對應(yīng)區(qū)塊鏈平臺隸屬矩陣R與專家得出最終權(quán)重ω進行模糊合成運算，進而計算得出指標(biāo)層的合成結(jié)果為

B=ω°R

(7)

對上述結(jié)果進行判定，公式為

(8)

當(dāng)|W-n|≤0.5,n=1,2,3,4時，計算出的得分即屬于n值的當(dāng)前評價標(biāo)度。

3 應(yīng)用實例

3.1 建筑領(lǐng)域特點

為了印證評價方法的可用性，選用區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用還處于初級階段的建筑領(lǐng)域說明問題。一方面，就區(qū)塊鏈技術(shù)而言，建筑領(lǐng)域遠落后于其他行業(yè)，如能源領(lǐng)域、金融領(lǐng)域等。盡管有一些基于公有鏈的案例研究[22]，但大多數(shù)建筑領(lǐng)域的區(qū)塊鏈研究仍處于概念階段，還很少有行業(yè)試用實例。因此，存在對區(qū)塊鏈平臺適用性評價的需求。另一方面，也能幫助建筑領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員更好地認(rèn)知區(qū)塊鏈技術(shù)，幫助施工管理、供應(yīng)鏈管理等方面提高智能化。

建筑業(yè)無論工程規(guī)模大小，建設(shè)工程項目的完成主要是依賴企業(yè)之間的協(xié)作配合。業(yè)主與總承包方會因為工程項目的復(fù)雜性、風(fēng)險和不確定性產(chǎn)生信任沖突，信任問題和信息透明度問題成為項目經(jīng)理的一大挑戰(zhàn)。此外，建筑領(lǐng)域包含的范圍廣，盡管企業(yè)數(shù)量很多，但行業(yè)內(nèi)企業(yè)集中度不高。在中國眾多的建筑業(yè)企業(yè)中，上市大公司數(shù)量較少，大多從事建筑裝修等子行業(yè)或分包商，企業(yè)間競爭十分激烈。

3.2 指標(biāo)權(quán)重確認(rèn)

參考文獻[8,10,12,23]中區(qū)塊鏈平臺評價結(jié)果，請兩位專家對于區(qū)塊鏈平臺第一層適用性指標(biāo)體系兩兩比較進行模糊互補判斷，從而確定各指標(biāo)的權(quán)重，判斷如表3所示。

表3 適用性評價權(quán)重的確定

根據(jù)式(3)和專家1判斷的重要度分值，可以得到模糊一致性矩陣C1為

根據(jù)式(5)得出模糊一致性矩陣C1的權(quán)重向量為ω′1，其中，β取值較大時某些權(quán)重會趨于0，經(jīng)試驗，β=100可以較好地體現(xiàn)上述4個指標(biāo)的差異性。

ω′1=(0.372 0 0.159 9 0.172 7 0.295 5)。

同理，依據(jù)專家2判斷的重要度分值，可以得到模糊一致性矩陣C2為

同理，設(shè)β=100，模糊一致性矩陣C2的權(quán)重向量ω′2為

ω′2=(0.377 8 0.175 4 0.189 4 0.257 4)。

根據(jù)式(6)可以得到兩位專家評估權(quán)值的均值為

ω=(0.374 9 0.167 7 0.181 1 0.276 5)。

3.3 適用性評價隸屬度矩陣

根據(jù)區(qū)塊鏈技術(shù)的特性，將區(qū)塊鏈平臺適用性評價指標(biāo)分為四級。為確定評價準(zhǔn)則子層各元素對適用性評價層的隸屬度，采用Delphi法對考慮建筑領(lǐng)域下的區(qū)塊鏈平臺適用性指標(biāo)進行評估，如表4所示。

表4 因素綜合評價集

3.4 結(jié)果分析

考慮到以太坊中任何節(jié)點無需許可即可加入或退出，公有鏈去中心化的特性與建筑領(lǐng)域并不適用。其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基于賬戶模型，利于智能合約的開發(fā)。同時，現(xiàn)階段采用基于工作量證明的PoW共識協(xié)議，數(shù)據(jù)存儲與交易信息存放在多個通過P2P協(xié)議連接起來的平等節(jié)點上，因此對應(yīng)的隸屬度矩陣為

根據(jù)式(7)進行模糊合成運算，得到指標(biāo)層評價結(jié)果為

Be=(0.749 8 0.100 6 0.181 1 0.110 6)。

而Hyperledger Fabric是半中心化的聯(lián)盟鏈，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點相對較少且規(guī)模穩(wěn)定的特點，適用于采用基于投票的BFT共識算法，其鏈上代碼和計算資源可采用星際文件系統(tǒng)(interplanetary file system, IPFS)等方式由鏈下部署。Hyperledger和以太坊同樣是基于賬戶模型的，采用區(qū)塊鏈來組織交易數(shù)據(jù)，因此對應(yīng)的隸屬度矩陣為

同理，得到指標(biāo)層評價結(jié)果為

Bf=(0 0.050 3 0.344 1 0.497 7)。

根據(jù)式(8)計算可以確認(rèn)，以太坊對于建筑領(lǐng)域的適用性評價的隸屬函數(shù)值為1.936 7，評價級別為2，較不適用于建筑領(lǐng)域。而Fabric對于建筑領(lǐng)域的適用性評價的隸屬度函數(shù)值為3.123 7，評價級別為3，較適用于建筑領(lǐng)域。就評級結(jié)果而言，超級賬本的Fabric方案比以太坊當(dāng)前版本方案更加適用于建筑領(lǐng)域。此結(jié)果與實際區(qū)塊鏈平臺應(yīng)用現(xiàn)狀一致，說明選取的區(qū)塊鏈平臺技術(shù)特點評價指標(biāo)體系及評價方法在實際中是可行的。

此外，綜合專家意見，對建筑領(lǐng)域適用性影響因素重要度排名為：去中心化程度、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、共識機制、交易存儲。由結(jié)果可知，影響建筑領(lǐng)域采用區(qū)塊鏈技術(shù)的重要因素為去中心化程度和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。這表示建筑領(lǐng)域采用區(qū)塊鏈技術(shù)主要的需求是利用其架構(gòu)提高信息共享程度和加強協(xié)同管理能力，通過智能合約對生產(chǎn)模塊的交付、圖紙的移交、各個參與方間的信息反饋等過程管理進行規(guī)范化和自動化。對于區(qū)塊鏈平臺的選擇更偏向于選擇部分去中心化的聯(lián)盟鏈，比起資金交易更偏向于智能合約的構(gòu)建。而對于數(shù)據(jù)存儲、計算的需求，現(xiàn)階段的重要程度較低。

4 結(jié)論

針對當(dāng)前區(qū)塊鏈平臺適用性評價問題，根據(jù)以太坊和Hyperledger Fabric平臺特點總結(jié)評價指標(biāo)，建立了基于FAHP法的區(qū)塊鏈平臺對建筑領(lǐng)域適用性評價指標(biāo)體系，總結(jié)如下。

(1)模糊層次分析法是將定性指標(biāo)轉(zhuǎn)化為定性與定量結(jié)合以此解決問題的，識別過程中并不全部依賴專家經(jīng)驗，相對較為客觀。

(2)僅考慮區(qū)塊鏈平臺技術(shù)層的評價指標(biāo)，若綜合考慮社會性、組織性等層面，評價指標(biāo)數(shù)量較多，專家對指標(biāo)的判斷需耗費大量時間且存在一定的誤差。

(3)僅以該方法與中國建筑領(lǐng)域的適用性為例說明可行性，實際中可根據(jù)使用需求的不同，一方面可判斷不同的區(qū)塊鏈平臺是否適用于某行業(yè)，另一方面可根據(jù)本行業(yè)特點設(shè)計重新設(shè)計評價指標(biāo)，找出影響行業(yè)使用區(qū)塊鏈技術(shù)的最重要因素，助區(qū)塊鏈技術(shù)與各行業(yè)深入融合。