区块链下云制造服务平台交易演化博弈分析

朱宏琳，任 南，王念新

(江苏科技大学 经济管理学院，江苏 镇江 212100)

0 引言

云制造是一种集成云计算、物联网、虚拟化、面向服务技术和人工智能等先进技术，利用网络和云制造服务平台将制造资源和制造能力转化为制造云服务，并对云服务进行集中管理和运行，为用户提供各类按需制造服务的一种网络化制造新模式。基于云制造的企业合作服务平台不只限于传统的生产领域，其涵盖了产品生命周期的所有阶段，如产品设计、生产、装配、测试、物流等[3]。资源提供者将闲置的制造资源和制造能力通过智能感知并虚拟化接入云制造平台，经过服务化后以服务的形式发布到云制造平台[4]，形成共享服务池，企业间通过云平台进行制造资源和能力的供需匹配交易与协作，不仅提高了资源的利用率，还促进了传统制造企业向服务型制造企业转型。

企业之间进行供需匹配并达成合作共识的关键是企业对合作对象有充分的了解并能够给予信任。为了保障交易可信，在整个交易过程中需要辅助事务操作来确保交易对象的服务信誉和可靠性[5]。目前，针对构建云制造供需匹配平台信任机制的方法主要集中于构建信用评估模型对企业用户进行信用评估[6-7]。LI等[7]提出面向机械制造领域的云制造服务平台信任评估模型，该模型由七元组和6个评价指标组成，采用层次分析法(Analytic Hierarchy Process，AHP)计算权重，而且分别采用离散方法和云聚焦评价方法设计了直接信任服务和推荐信任服务的量化算法；YAN等[8]在已有的直接和间接(推荐)信任评估模型的基础上，引入第三方信任评估模型和时间衰减因子，并利用直觉模糊集(Intuitionistic Fuzzy Sets，IFS)对模糊指标进行量化；刘元兵等将云制造环境中与信任相关的属性进行分层，引入第三方专家组的信任评估，将主观信任和客观信任融入信任评估过程，通过引入动态层次模糊系统，来避免单一模糊系统的维数灾难问题以及传统层次模糊系统依赖专家配置规则的问题。然而，这类方法存在如下问题：

(1)信任度低 交易主体之间信息不透明，普遍以企业提供给平台的数据和企业的交易行为为基础，通过平台的设定算法对企业用户的信用值进行评估，难以保证匹配对象信息的真实性，以及平台信用评估和交易过程中的公平性。

(2)交易监管核算流程复杂 云制造平台自动化程度低，部分环节需要人工监管，当出现交易纠纷时，平台需要花费人力物力进行溯源举证并处理纠纷，导致成本运行较高且信息处理效率较低。

(3)用户隐私威胁 企业用户在进行匹配时需要提供部分企业信息，存在泄露核心数据和商业机密的风险。近年来，少数学者将区块链技术引入云制造模式，但主要用于实现云制造交易信息记录与查询的验真机制。王强等[12]进一步探索区块链在云制造中的应用，将区块链技术与动态服务质量(Quality of Service，QoS)评估方法结合，引用区块链的存储数据进行QoS评估来实现制造服务的可信交易。然而，目前所研究的云制造交易系统均从技术角度探索区块链与云制造系统的结合，如何从管理的角度，在考虑区块链特性的基础上制定相应的智能合约来降低由用户之间信息匮乏、信息不对称和信息失真带来的交易风险，确保云制造平台实现可信交易，仍然缺乏研究。

有别于传统数据库，作为一种分布式数据库，区块链具有去中心化、不可篡改、可追溯、多方共同维护的特点，云制造服务平台为供应链交易上的重要环节，区块链的高效、安全、可信的特性与其需求高度吻合。将区块链技术与云制造服务供需匹配交易平台结合，旨在解决云制造服务平台中供需匹配交易协议信息追溯、交易信用保障、保护企业用户隐私数据等问题。智能合约为区块链的核心技术，是一种通过设定预置触发条件和响应规则来自动执行合约的计算机程序，除了将相关数据存储在不可修改的区块链中并更新世界状态中的数据，还可以触发其他相关的智能合约执行相关的业务逻辑。将智能合约引入云平台交易流程，对交易平台的信用机制进行改进，一方面可以为企业用户提供可信的交易环境，保障不同交易模式下的云制造供需匹配交易安全与用户利益；另一方面，区块链在平台中的应用避免了第三方中介机构，能够确保交易可信，在节约交易成本的同时提高供应链上的响应效率。本文对区块链在云制造服务平台的应用展开初步研究，以Hyperledger Fabric的运作规则作为平台区块链部分构建的理论支撑，分析区块链下云制造服务平台交易模式的变化，并运用演化博弈模型对供需双方是否执行合约的行为进行分析，在区块链技术下探讨云制造服务平台如何制定相应的智能合约来保障合约的履行，从而提升平台交易的可靠性。

1 基于区块链的云制造服务供需匹配平台交易模式

1.1 平台系统架构

根据不同的应用场景和问题将区块链分为公有链、联盟链和私有链。公有链允许任何节点维护账本；私有链不对外部用户开放，通常用单一节点维护；对于联盟链，参与节点需要经过许可才可以加入，其比私有链更适合多企业之间的交易合作。本文在云制造平台基础架构上引入企业级区块链Hyperledger Fabric，旨在为供需匹配双方能够在安全、真实、可信的环境下实现制造服务供需匹配的一系列操作流程提供技术支持，并提高平台业务处理的自动化程度。所构建的平台系统架构如图1所示。

(1)用户层 该层为不同类型用户在云制造供需匹配平台上的身份映射，不同身份在平台上使用的功能和拥有的权力不同，分为制造服务需求方、制造服务提供方和平台运营方。

(2)应用层 该层是不同身份的用户层使用者所对应的系统应用，不同视角的用户通过云制造供需匹配平台的各类终端界面，使用平台的各项应用功能来满足各自的需求并执行相应的任务，其中制造服务需求方和提供方的应用包括选择交易模式、发布任务需求、发布服务、签订合约、检索服务、查询订单等，平台运营方的应用包括服务资源管理、合约管理、交易管理、信用管理、权限管理、售后管理等。

(3)执行模块层 该层包括实现应用层各项应用功能的多个执行模块，这些模块按照实现这些应用功能所需要执行的系统任务的主题划分为用户信息管理模块(包括用户基本信息管理、交易信息管理、智能合约管理、用户信用信息管理、用户信用信息管理、用户权限管理)、交易监管模块(包括订单跟踪、交易进度监管、售后服务管理)、任务管理模块(包括任务需求分解、业务流程管理、任务进度监管)、服务资源管理模块(包括需求信息管理、服务资源信息管理、服务资源供需匹配)等。

(4)基础支持层 该层由支持平台运作的相关技术和服务器组成，包括传统云制造服务平台所具备的传统数据库、平台业务服务器、云计算技术和Hyperledger Fabric企业级区块链数据库等。考虑区块链的存储限制，将传统数据库用于存储用户、服务和交易信息的原始文件和数据，可通过区块链存储的交易信息哈希值进行哈希运算并进行调用。区块链是保障数据真实和交易可信的核心技术，其中Hyperledger Fabric的世界状态用于存储业务对象当前状态的事实信息，区块链部分用于存储业务对象在达到当前状态之前的历史事实信息，包括所有的更改版本和更改方式。区块通过哈希指针链接成链，每一个区块都通过排序服务将已背书的一系列交易提案响应按照定义的顺序打包，区块内交易的严格排序使Hyperledger Fabric的账本没有分叉，从而保证已验证的交易永远不会被删除或修改。平台以此对用户交易行为的历史信息进行追溯，这是构建平台信任机制的基础。

(5)虚拟服务池 通过运用资源感知技术将制造设备、制造资源、软件资源等物理资源接入网络，对物理资源进行制造服务定义并服务化封装为虚拟服务，最后汇聚到云平台形成虚拟服务池，以便在供需匹配时调用合适的制造服务。

1.2 交易流程

根据所构建的基于区块链的云制造供需匹配平台系统架构，制造服务供需双方在平台进行交易的流程如图2所示，流程包括匹配交易对象阶段、制定智能合约阶段和执行智能合约阶段3部分。

(1)匹配交易对象阶段 在该阶段，制造服务供需匹配双方先在平台上根据需求选择交易模式，包括协商、双向竞标、招标投标、定价等。制造服务提供方在平台上发布所提供的服务并更新服务池信息，制造服务需求方在平台上发布需求，平台根据需求公告分解任务，每个任务按照用户的要求调用Hyperledger Fabric账本中相关的企业信息和历史服务信息进行供需匹配，平台根据任务信息和服务池的资源匹配到合适的供需对象群组后，发通知给群组成员，群组中的供需双方则按所选择的交易模式确定交易对象。

(2)制定智能合约阶段 在确定每个任务的交易对象后，平台根据制造服务供需双方的制造安排对业务流程进行协商与协同，并给每对供需匹配交易对象制定相关合同，合同内容包括供需双方为完成本次交易需要履行的条约，以及双方没有完成条约(即违约)而应承担的惩罚。经供需双方同意，根据合同内容生成智能合约并将智能合约所在链码打包成链码包，云制造服务平台、制造服务需求方、制造服务提供方三方分别使用私钥对该链码包签名。最后，将添加了签名的链码包安装在指定的Peer节点(组织中的节点，默认为记账节点，部分记账节点为背书节点、主节点等具有特殊职责的节点)上并对其进行实例化。

(3)执行智能合约阶段 链码在节点上安装并实例化后，即可被调用来处理交易事务。在制造服务需求方或提供方发送交易请求后，平台将调用智能合约自动执行其中制定的各项治理规则，包括合约条款和违约条款，这些规则的执行历史会被记录到区块链账本上成为历史交易，每笔交易都会根据链码中的背书策略进行签名，符合背书策略的才会标记为有效，但无论是否有效，交易都会被添加到区块链中，世界状态在智能合约执行完毕后才会更新有效交易。供需双方根据链码中智能合约制定的规则对订单执行进度信息查询、收款付款、交货验收、售后处理、交易评价等交易事务。除此之外，平台的用户信用信息管理功能会根据更新后世界状态账本中的信用记录更新企业组织在匹配对象群组时的指标得分，此类更改用户信息的交易事务规则包含在智能合约的编译内容里，更改历史也会记录在账本上。每次交易事务在区块链上发生的具体流程如图3所示。

Hyperledger Fabric中内置了一个为参与网络的各个实体给予证书授权的证书颁发中心(Certificate Authority, CA)。当组织在客户端上登记注册后，CA会为组织节点授予身份证书。制造服务需求方或提供方客户端发送交易请求后，应用程序会生成一个交易提案并发送给指定的背书节点(即除了供需双方需要互为背书外，平台需要选择其他信誉良好的企业共同背书并维护账本)，每个背书节点对交易提案验证后都会调用链码生成交易提案响应并进行背书签名，然后再返回给应用程序。如果不需要更新账本，只需检查查询响应，一般不会将交易发送给排序服务，则查询交易结束；如果需要更新账本的交易，应用程序则将验证交易提案响应的背书签名并检查提案响应，再将交易提交给排序服务节点。排序节点将接收到的交易按照定义的顺序打包成区块，再将这些区块分发给不同组织的主节点，对区块的有效性进行验证，无论交易是否有效，都会被添加到区块链历史中，但是仅有效的交易才会更新世界状态。最后，系统会向客户端通知本次交易已经添加在区块链上以及本次交易是否有效。

每一次交易结束后，平台的用户信用信息管理功能会根据更新后的世界状态账本中的信用记录更新企业组织在匹配群组对象时的指标得分。

2 基于区块链云制造供需匹配平台的执行合约博弈分析

云制造服务供需匹配平台中存在大量的企业组织，各个企业组织在供应链上的不同环节扮演不同的角色，因此企业组织在不同供需匹配交易中扮演需求方还是提供方的角色并不固定。在区块链技术的支持下，执行合同的阶段由智能合约自动执行，每一次交易都需要指定的背书节点对该笔交易进行签名背书，并记载在不可更改的交易历史账本上，生成企业组织各自的信用记录，这些信用记录就成为平台在匹配对象群组时的重要指标，并在下一次匹配对象群组时产生影响。本章针对供需双方在执行智能合约时是否履约的行为决策构建博弈模型，分析平台架构是否可以达到约束企业组织执行合约行为的目的，从而论证应当如何制定能够促进供需双方履约的智能合约。

2.1 模型假设与构建

模型涉及的参数及其含义如表1所示。

表1 参数含义

假设1博弈主体制造服务需求方和制造服务提供方均为平台在匹配对象群组阶段，根据供需双方提供的交易对象的筛选要求、自身的历史交易数据和信用记录筛选后产生，传递虚假信息的可能性较低，因此假设在执行智能合约阶段共享的信息均为真信息，供需双方Ri水平相当，且M>|ε(Ra-Rb)|。 本文将需求方节点设为a，提供方节点设为b，二者均为有限理性博弈群体，各节点都会采取自身效益最大化的策略。除供需双方外，平台还会选择其他信誉良好的企业共同背书并维护账本。

假设2博弈时需求方和提供方的策略集均为{履约，违约}，“履约”和“违约”策略指博弈主体是否按照合同(非智能合约)内容完成了交易。需求方节点a的履约概率为x，违约概率为1-x；提供方节点b的履约概率为y，违约概率为1-y，其中0≤x≤1，0≤y≤1。本次博弈主体的交易行为会对下次交易的Ri产生影响。

假设3所生成的智能合约中编译了所有节点权益分发和惩罚事宜的执行规则与触发条件。其中权益分发规则为：每个维护账本的节点都会获得平台赋予的初始奖励S/N，a和b在对方违约时会获得对方的保证金，其他节点除了系统赋予初始奖励S/N外，没有其他奖励，由此避免平台为恶意获取保证金而对交易进行错误判定。惩罚事宜规则为：当博弈主体a或b没有完成合同内容或者完成的内容未达合同要求时，除a或b外的N-1个节点会对a的违约行为进行签名背书；当博弈主体a和b均违约时，除a和b外的N-2个节点会对a和b外的违约行为进行签名背书。当智能合约接收到指定的背书个数后会触发惩罚机制，平台会扣除a或b的保证金并按规则确定保证金的归属，账本也会记录相应的交易行为。

假设4因为供需交易过程本身即为企业之间的买卖合作，所以只考虑企业组织在执行智能合约和维护区块链账本过程中处理信息时为企业带来的收益与亏损，而不对企业的现金流进行比较。

制造服务需求方节点a和提供方节点b的博弈收益矩阵如表2所示。

表2 制造服务需求方和提供方组织节点博弈收益矩阵

2.2 模型分析

2.2.1 以制造服务需求方为研究对象

需求方a选择履约的期望收益

(1)

需求方a选择违约的期望收益

(2)

因此，需求方a的平均期望收益为

(3)

则需求方a选择履约的复制动态方程为

=x(1-x)(Ua1-Ua2)

=x(1-x)(2θ+2M-εRa-My)。

(4)

式中F(x)表示需求方a选择履约策略的概率随时间的变化率。

2.2.2 以制造服务提供方为研究对象

提供方b选择履约的期望收益

(5)

提供方b选择违约的期望收益

(6)

提供方b的平均期望收益

(7)

提供方b选择履约的复制动态方程为

=y(1-y)(Ub1-Ub2)

=y(1-y)(2θ+2M-εRb-Mx)。

(8)

式中F(y)表示提供方b选择履约策略的概率随时间的变化率。

2.2.3 演化稳定策略

根据上述复制动态方程构建相应的雅可比矩阵

根据演化稳定策略(Evolutionary Stable Strategy，ESS)的条件DetJ>0，trJ<0分析系统中各均衡点的局部稳定性，表3所示为雅可比矩阵在各均衡点下的行列式和迹。

令多项式2θ+2M-εRa为①，多项式2θ+2M-εRb为②，多项式2θ+M-εRa为③，多项式2θ+M-εRb为④。多项式①表示当a选择履约b选择违约时，a的信誉收益、信息收益、履约保证金奖励和风险成本之差；②表示当b选择履约a选择违约时，b的信誉收益、信息收益、履约保证金奖励和风险成本之差；③表示当a选择履约b选择违约时，a选择不改变策略与改变策略的净收益之差；④表示当b选择履约a选择违约时，b选择不改变策略与改变策略的净收益之差。

表3 系统均衡点的局部稳定性

根据构建的博弈模型，综合考虑Ra和Rb的大小、多项式①～④的大小和正负，在执行合约演化博弈时均衡点的局部稳定性可以分为以下几种情形：

(1)当Ra>Rb，①<②<0且0<ε(Ra-Rb)

表4 情形(1)下的系统局部稳定性

(2)当Ra>Rb，0<①<②，0<③<④且0<ε(Ra-Rb)

表5 情形(2)下的系统局部稳定性

(3)当Ra>Rb，0<①<②，③<④<0且0<ε(Ra-Rb)

表6 情形(3)下的系统局部稳定性

(4)当Ra>Rb，0<①<②，③<0<④且0<ε(Ra-Rb)

表7 情形(4)下的系统局部稳定性

(5)当Ra>Rb，①<0<②，③<④<0，且0<ε(Ra-Rb)

表8 情形(5)下的系统局部稳定性

(6)当Ra>Rb，①<0<②，③<0<④时，会出现M值过小或者Ra和Rb差距过大，与假设不符，不予考虑。

(7)当Ra

表9 情形(7)下的系统局部稳定性

(8)当Ra

表10 情形(8)下的系统局部稳定性

(9)当Ra

表11 情形(9)下的系统局部稳定性

(10)当Ra

表12 情形(10)下的系统局部稳定性

(11)当Ra

表13 情形(11)下的系统局部稳定性

(12)当Ra

在以上考虑的10种情形中，情形(1)和情形(7)的①<0，②<0，③<0，④<0，演化稳定点均在(0,0)，故无论需求方a和提供方b的Ri大小如何，均选择违约是对自身最有利的策略。情形(2)和情形(8)的①>0，②>0，③>0，④>0，演化稳定点在(1,1)，无论需求方a和提供方b的Ri大小如何，均选择履约是对自身最有利的策略。

情形(4)和情形(5)的演化稳定点为(0,1)，这两种情况中Ra>Rb。情形(4)中，0<①<②，③<0<④，可见在不考虑需求方a的选择下，提供方b选择履约的净收益大于违约。情形(5)中，①<0<②，③<④<0，无论提供方b选择何种策略，需求方a选择履约的净收益均小于违约；需求方a无论选择何种策略，提供方b选择履约的净收益均小于违约。情形(4)和情形(5)的②>0，可以得出b选择履约a选择违约时，b从信息中获得的信誉收益、信息收益、履约保证金奖励大于风险成本。

情形(10)和情形(11)的演化稳定点为(1,0)，这两种情况中Ra0，可以得出a选择履约b选择违约时，a从信息中获得的信誉收益、信息收益、履约保证金奖励大于风险成本。

情形(4)、情形(5)、情形(10)和情形(11)4种情形中，演化结果趋向于Ri小的一方选择履约、Ri大的一方选择违约。

情形(3)和情形(9)的演化稳定点为(0,1)和(1,0)，这两种情形中0<①，0<②，③<0，④<0，演化结果为若一方选择履约，则另一方一定选择违约。当初始点在四边形ACDE内时，演化结果为需求方a选择违约，提供方b选择履约；当初始点在在四边形ABDE内时，演化结果为需求方a选择履约，提供方b选择违约。

3 仿真分析

根据上述演化博弈模型，本文采用MATLAB软件进一步对不同情形下的演化博弈路径进行仿真分析。由所构复制动态方程可知，基于区块链云制造平台的供需双方执行合约演化博弈路径的影响变量有交易质量Ri、风险系数ε、信誉反馈金额θ、保证金M。本文所有仿真的参数值主要根据各因素变化对区块链系统中各节点行动选择的敏感性而设定，并不代表现实区块链系统中各节点企业处理信息带来的收益值，现实中需要通过具体情况具体分析来赋值[16]。

假设模型仿真的参数初始值为θ=1，M=3，ε=1，由于需求方a和提供方b为匹配后的组对，假定初始点x和y的值差不超过0.1，取值为[0.1,0.2]，[0.4,0.3]，[0.5,0.5]，[0.6,0.7]，[0.9,0.8]5个点，模拟[x,y]在[0,1]平面中的演化路径。

首先对上述10种情形进行验证，Ra>Rb时博弈演化路径的仿真结果如图14所示，Ra

由图可知，只有在情形(2)和情形(8)下博弈路径向均衡点[1,1]演化，因此进一步以情形(2)为例对参数进行调整，探究不同参数对演化结果的影响。

情形(2)改变参数后的演化路径分别如图16～图19所示，每次均为在初始参数的基础上只改变一个参数。由图可知，当M和θ增大时，a和b向均衡点[1,1]收敛的速度加快；当ε在取值范围内增大时，a和b向均衡点[1,1]收敛的速度降低。另外，改变每种参数对a速率的影响明显大于b，由此可知，Ri值越大，受参数影响的程度越大。

4 结束语

本文将区块链技术与云制造平台架构相结合，搭建了基于区块链的云制造服务供需匹配平台，探讨了平台的结构、交易模式，以及需求方、提供方、平台三方进行一次交易时所需要的流程。进一步针对基于区块链的云制造服务平台交易模式特性，运用演化博弈方法对供需双方是否执行合约的行为进行分析，构建了演化博弈模型并采用MATLAB对模型进行仿真验证，针对收敛于均衡点[1,1]的情形分析参数对收敛速度的影响，通过仿真结果得出以下结论：

(1)只有在情形(2)和情形(8)下，供需双方才会同时向履约策略演化，即无论供需双方的历史交易质量Ri大小如何，只要当双方的信誉收益、信息收益、履约保证金奖励和风险成本之差均大于0，且选择履约时不改变策略与改变策略的净收益之差大于0，双方执行合约的策略都会向履约演化。

(2)在供需双方选择合约策略的过程中，保证金M和信誉反馈金额θ对选择履约策略有正向作用，M和θ值越大，供需双方选择履约策略的速度越快；风险系数ε对选择履约策略有负向作用，ε越大，供需双方选择履约策略的速度越慢。另外，历史交易质量Ri越高，演化速度受其他参数的影响越大。

根据上述研究结论，结合智能合约的特征，可以从供需交易智能合约和平台运作智能合约两个角度，为制定促进供需双方履约的智能合约提供参考：

(1)从供需交易智能合约的角度

1)供需双方制定智能合约时要充分考虑供需双方的历史交易质量，设置符合双方水平的保证金和信誉反馈金额，确保节点履约带来的信誉收益和信息收益大于风险成本与违约成本，尽可能提高供需双方履约的积极性。

2)供需交易智能合约需要考虑执行合约时每个阶段对用户信誉反馈金额、保证金的影响，例如服务执行时是否按期、按质、按量、按照合约规则完成合约内容中的制造服务，账款转移时是否按期完成订金、尾款、票据等合约规则内与账款相关的行为，是否进行交易评价、服务评价，是否按合同规则处理制造服务的售后问题等。

3)传统文字合约执行时，用户采用不同的执行决策会带来不同的结果，因此智能合约作为一种通过算法与代码将传统文字合约转化而来的数字合约，需要在编写程序时充分考虑文字合约在实际运作时可能发生的多种情况，每种情况下的业务逻辑应当如何运作、计算机程序应当如何响应、其他哪些智能合约会被触发，以及对用户的信誉、收益、保证金产生什么样的影响。

(2)从平台运作智能合约的角度

1)平台需要注意交易行为的反馈，充分运用区块链技术不可篡改与可追溯的特征，设定具有约束性的违约规则，使违约用户的违约记录在后续产生约束力，例如交易金额受限、平台使用权限受限等。

2)平台需要对供需双方中历史交易质量较低的一方加强监管，例如平台在执行智能合约阶段对供需双方进行监管时，对历史交易质量较低的一方额外增添除供需交易智能合约外的违约条款，使其在受到与交易对象签订的交易智能合约约束的同时，额外受到平台运作方面智能合约的约束，从而降低历史交易质量较高方的交易风险。

3)平台需要做好在服务匹配阶段的信息筛选和需求匹配，在确保匹配的交易对象供求相符的同时保证历史交易质量相匹配，例如通过智能合约设定信用评估程序并调用区块链中的历史交易信息对用户的历史交易质量进行评估，在匹配交易对象阶段限制用户可以选择的匹配对象范围，使交易双方的交易质量水准相当，在此设定下，想要匹配到历史交易质量的交易对象，用户必须先提升自身的交易质量，从而激励用户提高自身的交易信用。