基于模糊层次分析的区块链平台决策模型

2022-04-06孙建梅蒋雨真

科学技术与工程 2022年9期

孙建梅，蒋雨真

(上海电力大学经济与管理学院，上海 200090)

随着比特币的出现，通过调整配置和改变参数得来的区块链平台越来越多。用户在信息不确定性和多种标准之间很难确定哪个平台更适合某个给定的用例。此外，许多领域的专家误解了区块链的概念，往往不知道如何利用技术为公司创造收益[1]。因此，仅靠区块链技术本身无法满足各类应用场景的需要，对区块链平台进行评价成为一项势在必行的研究。通过筛选影响行业采用区块链技术的重要因素，以便于专业技术人员理解使用区块链技术并为其提供针对性的建议。考虑到现阶段缺乏对区块链平台有效的评估方法，使得区块链技术与其他行业之间的结合存在一定的挑战。虽然中国电子技术标准化研究院提出《区块链服务能力评价》已在电气与电子工程师协会(institute of electrical and electronics engineers，IEEE)标准提案，赛迪区块链研究院也组织多期全球公有链技术评估工作，这加强了对区块链平台评估的重要性，但这些基本都是从技术开发者的角度衡量区块链构建的实用性，几乎没有从各领域专业人员的角度对区块链平台展开的评价研究。因区块链平台指标体系因素复杂且定性指标多，现提出一种运用模糊层次分析法(fuzzy analytical hierarchy process，FAHP)进行区块链平台评价方法，通过分析现有区块链平台特点建立评价指标体系，并选用建筑领域为应用背景进行实例分析。

1 区块链平台评价指标体系

1.1 现有的区块链平台

目前，主流的区块链平台包括Corda、以太坊和Hyperledger Fabric。考虑到Corda的主要联盟成员来自金融领域，对数据的隐私性、监管的需求等明显接近金融业务[2]。将主要讨论以太坊和Hyperledger Fabric两大平台的特点，并借助现有学者的实证研究总结分析两平台间的异同。

1.1.1 以太坊

区块链1.0是比特币发展的基础，而在2015年引入智能合约概念的以太坊公共区块链(Ethereum)[3]则成为影响区块链技术发展演变的2.0。以太坊的目标是打造成为一个运行智能合约的去中心化平台，能够便捷创建智能合约的特性使得它不仅可以用于加密货币，还可以应用于其他不同的领域。以太坊现阶段的共识算法基于工作量证明(proof of work，PoW)，将在第四个版本过渡到相较于PoW更有效地基于股权证明(proof of stake，PoS)[4]。而为执行智能合约设计出的以太坊虚拟机(ethereum virtual machine，EVM)，使得以太坊成为支持开发者使用高级语言Solidity编写智能合约的最知名平台，多次在赛迪研究院公有链技术评估指数中位列前三。

1.1.2 Hyperledger Fabric

Hyperledger[5]是Linux基金会在2015年12月发起的开源区块链平台，主要用于企业环境。Fabric是Hyperledger的一个应用最为广泛的子项目，它创立的主要目的是为各行业的先进企业搭建联盟链，并为其提供服务。Hyperledger Fabric能够使用Go、Java和Node.js等通用语言编写智能合约，这为各领域开发人员入门提供很大的便利。此外，Hyperledger Fabric采用了合约执行和与共识机制相分离的系统架构，这种可插式共识协议为平台提供了定制特定行业用例的能力，用户可根据场景需求选择合适的共识算法。目前，中国蚂蚁金服、智链万源、华为、旺链科技、小米、安妮股份等知名企业已成为Hyperledger Fabric服务提供商。

1.1.3 开发平台之间的比较

为了比较上述两大区块链平台，检索了包括Web of Science、IEEE Xplore、知网等科学研究数据库，选择“性能”和“区块链平台”为关键词，将2015年1月—2020年12月设为时间跨度，共检索出超1 000篇文献，其中与上述两大平台之间直接对比的实证研究共3篇[6-8]。

文献[6]对Hyperledger Fabric0.6与以太坊1.5.8做了对比实验，结果表明当交易数量从1增加到10 000时，尽管Fabric可以实现更短的执行时间、更低的延迟，但以太坊可以同时处理更多的并发交易。文献[7]对Hyperledger Fabric0.6、以太坊1.4.18、parity1.6三个平台做了对比实验，Fabric在吞吐量方面明显优于上述两个平台，以太坊延迟度最高的结果也与文献一致。其中，某些服务器出现故障时，以太坊并不会受到影响而Fabric会停止响应。文献[8]对Hyperledger Fabric1.0与以太坊1.7.3做了对比实验，与上述实验不同的是考虑了共识算法(practical byzantine fault tolerance，PBFT)和PoW对两个平台性能的影响。结果表明，Fabric在平均吞吐量和等待时间方面优于以太坊，基于(byzantine fault tolerance，BFT)的区块链平台性能优于基于PoW的区块链平台。

综上所述，一方面，就两者的设计角度来说，以太坊是公有链，Hyperledger Fabric是联盟链，区块链数据结构不同，数据存储和计算方式不同，两者适用对象也不同。另一方面，从性能的角度来说，Hyperledger Fabric始终优于以太坊。基于BFT的共识算法比基于PoW的共识算法有更好的性能[9]，但除去共识算法的影响，仅评估两平台应用层Fabric仍占优势[6]。以太坊的优势则在于已有的庞大用户基础，生态系统相对完整稳定，在公有区块链性能和知名度方面都排名靠前[10]。用户可以在以太坊通过编写智能合约搭建应用，但难以自定义数据结构、通信协议和共识算法[11]。而在Hyperledger Fabric中尽管可以选择适用场景的共识算法，但依旧难以触及数据层和网络层的定义，两者之间各有优劣。

1.2 区块链平台评价指标体系建立

将区块链技术应用于各行业领域，可以提高数据信息的安全性，有效提高信息共享程度和智能化水平。但考虑到区块链技术发展程度上仍处于发展的初级阶段，对区块链平台建立评价指标体系需谨慎对待。

已有文献对于评价指标建立主要有两个方向，一是从技术性、组织性、可拓展性等多角度衡量区块链平台发展和应用可能[12]。二从区块链平台现阶段受欢迎程度来衡量平台水平，相应指标包括Twitter的关注人数、Google的搜索热度等[10]。考虑到中国区块链发展水平相对滞后，各区块链平台人气指标在现阶段不能成为重要参考因素。为了保证评价指标体系的客观性和科学性，综合分析代表性区块链平台技术特点，从区块链系统架构的角度，选取中心化程度、交易存储、共识机制和数据结构4个方面构建评价指标体系。

1.2.1 中心化程度

中心化程度指标即考虑区块链技术适用于信任机构可被去中心化、部分中心化和中心化系统的三类应用场景。去中心化的系统允许用户无需信任地在不依赖第三方的前提下进行相互交易，中心化系统则依赖于中心机构进行交易，而部分中心化则通过设置一个或多个授权机构，用于管理参与节点的权利分配。

1.2.2 交易存储

考虑区块链中的数据存储和数据计算参与方式，将多种衡量指标简化为链上和链下[13]两个子指标。为了降低数据存储成本，有的区块链平台选择将原始数据存储在链下，链上仅包括存储元数据和相应原始数据的哈希值。也有的区块链平台凭借图灵完备的合约语言，将数据交易存储于链上完成。

1.2.3 共识机制

共识机制指标分为PoW和BFT两个子指标，区块链中两个节点进行交易，共识机制用于实现验证过程，不同算法提供不同的性能效率、安全性和可靠性，因此有必要作为一项重要指标参与综合评估。

1.2.4 数据结构

区块链数据模型一般分为两类[2]，一类为基于交易的模型，也被称为(unspent transaction output，UTXO)模型，通过明确交易的来源和去向，使得每笔交易可追溯，更适用于支持数字资产。另一类为基于账户的模型，通过执行交易来更新账户状态，更适用于支持智能合约。以此作为数据结构指标分类的依据，建立UTXO和区块链表两个子指标。

综上所述，提出如图1所示的区块链平台评价指标体系。

图1 区块链平台评价指标体系

2 基于FAHP的区块链平台决策模型

2.1 评价方法选择

结合区块链技术特点和现有区块链平台所呈现多重功能，对于区块链平台的评价方法选择主要考虑两类问题。一方面，对区块链平台的评价研究处于起步阶段，需要进一步的实证研究用以评估采用的区块链平台性能，为便于各领域专业技术人员理解和使用，前期使用的评价方法不应过于复杂。另一方面，对区块链平台展开评价，本质上是由于影响区块链技术的多种因素使其成为一个多准则决策问题。因此，需要考虑各评价指标对区块链平台决策的相对影响。支持综合评价的多准则决策方法包括层次分析法(analytical hierarchy process，AHP)、数据包络分析、人工神经网络等，每种方法都有各自的优势和缺点[14]。

模糊层次分析法是兼顾定性指标和定量指标的综合评判方法，能够有效地将FAHP中的模糊性和AHP中的一致性结合。美国运筹学专家Saaty提出的传统层次分析法受主观性和不确定性影响[15]，构造的判断矩阵需经多次一致性检验和调整，并与专家的思维决策存在一定的偏差。为解决上述问题，FAHP采用了模糊一致矩阵，无需进行一致性检验即可保证矩阵的一致性[16]。相比于单指标评价方法、人工神经网络等多准则决策方法，模糊层次分析法在不确定信息处理方面[17]、实用性和结果的可靠性[18]上更胜一筹。

基于FAHP对区块链平台适用性评价方法的步骤如图2所示。首先进行准备工作，在明确问题的前提下，收集关于区块链平台技术、性能、功能等各方面资料，确定适用性评价等级。针对应用场景的实际需求和区块链技术特点选择评价指标，建立指标体系，同时邀请专家根据应用领域实际情景，讨论确定各指标权重[19]。然后，根据不同的设计要素对目标需求的匹配程度，确定隶属度矩阵。最后，根据合成运算得到评价结果，并进行判定。

图2 区块链平台适用性决策步骤

2.2 确定评价指标权重

2.2.1 模糊一致性矩阵建立

为使方案对于某准则的重要程度描述定量化，选用0.1～0.9标度法，其描述如表1所示。

表1 0.1～0.9标度

通过比较选取的4项评价指标对区块链平台的影响程度来定义模糊判断矩阵A，判断矩阵A=(aij)n×n的形式一般为

(1)

式(1)中：元素aij为指标i相对于指标j的重要性，aij满足以下关系：

(2)

根据张吉军[20]提出的式(3)变换后可得到模糊一致矩阵C，表达式为

(3)

模糊一致矩阵C满足对任意的i、j、k有式(4)成立，即

(4)

2.2.2 计算权重

模糊层次分析法求解权重方法有多种，权重[21]计算公式为

(5)

进行决策判断阶段，通常为多个专家给决策建议做出权重后，将其均值作为最终的权重得出决策方案。设有m个专家进行决策，则

(6)

2.3 构建综合评价模型

2.3.1 构建区块链平台适用性评价集

将区块链平台评价分为4个适用性等级，各级评分标度如表2所示，在对于每个评价因素各个等级进行量化评分后即可得到该评价因素的评价矩阵R。

表2 评分标度

2.3.2 进行模糊合成

将对应区块链平台隶属矩阵R与专家得出最终权重ω进行模糊合成运算，进而计算得出指标层的合成结果为

B=ω°R

(7)

对上述结果进行判定，公式为

(8)

当|W-n|≤0.5,n=1,2,3,4时，计算出的得分即属于n值的当前评价标度。

3 应用实例

3.1 建筑领域特点

为了印证评价方法的可用性，选用区块链技术应用还处于初级阶段的建筑领域说明问题。一方面，就区块链技术而言，建筑领域远落后于其他行业，如能源领域、金融领域等。尽管有一些基于公有链的案例研究[22]，但大多数建筑领域的区块链研究仍处于概念阶段，还很少有行业试用实例。因此，存在对区块链平台适用性评价的需求。另一方面，也能帮助建筑领域的专业技术人员更好地认知区块链技术，帮助施工管理、供应链管理等方面提高智能化。

建筑业无论工程规模大小，建设工程项目的完成主要是依赖企业之间的协作配合。业主与总承包方会因为工程项目的复杂性、风险和不确定性产生信任冲突，信任问题和信息透明度问题成为项目经理的一大挑战。此外，建筑领域包含的范围广，尽管企业数量很多，但行业内企业集中度不高。在中国众多的建筑业企业中，上市大公司数量较少，大多从事建筑装修等子行业或分包商，企业间竞争十分激烈。

3.2 指标权重确认

参考文献[8,10,12,23]中区块链平台评价结果，请两位专家对于区块链平台第一层适用性指标体系两两比较进行模糊互补判断，从而确定各指标的权重，判断如表3所示。

表3 适用性评价权重的确定

根据式(3)和专家1判断的重要度分值，可以得到模糊一致性矩阵C1为

根据式(5)得出模糊一致性矩阵C1的权重向量为ω′1，其中，β取值较大时某些权重会趋于0，经试验，β=100可以较好地体现上述4个指标的差异性。

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

同理，依据专家2判断的重要度分值，可以得到模糊一致性矩阵C2为

同理，设β=100，模糊一致性矩阵C2的权重向量ω′2为

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

根据式(6)可以得到两位专家评估权值的均值为

ω=(0.374 9 0.167 7 0.181 1 0.276 5)。

3.3 适用性评价隶属度矩阵

根据区块链技术的特性，将区块链平台适用性评价指标分为四级。为确定评价准则子层各元素对适用性评价层的隶属度，采用Delphi法对考虑建筑领域下的区块链平台适用性指标进行评估，如表4所示。

表4 因素综合评价集

3.4 结果分析

考虑到以太坊中任何节点无需许可即可加入或退出，公有链去中心化的特性与建筑领域并不适用。其数据结构为基于账户模型，利于智能合约的开发。同时，现阶段采用基于工作量证明的PoW共识协议，数据存储与交易信息存放在多个通过P2P协议连接起来的平等节点上，因此对应的隶属度矩阵为

根据式(7)进行模糊合成运算，得到指标层评价结果为

Be=(0.749 8 0.100 6 0.181 1 0.110 6)。

而Hyperledger Fabric是半中心化的联盟链，其网络节点相对较少且规模稳定的特点，适用于采用基于投票的BFT共识算法，其链上代码和计算资源可采用星际文件系统(interplanetary file system, IPFS)等方式由链下部署。Hyperledger和以太坊同样是基于账户模型的，采用区块链来组织交易数据，因此对应的隶属度矩阵为

同理，得到指标层评价结果为

Bf=(0 0.050 3 0.344 1 0.497 7)。

根据式(8)计算可以确认，以太坊对于建筑领域的适用性评价的隶属函数值为1.936 7，评价级别为2，较不适用于建筑领域。而Fabric对于建筑领域的适用性评价的隶属度函数值为3.123 7，评价级别为3，较适用于建筑领域。就评级结果而言，超级账本的Fabric方案比以太坊当前版本方案更加适用于建筑领域。此结果与实际区块链平台应用现状一致，说明选取的区块链平台技术特点评价指标体系及评价方法在实际中是可行的。

此外，综合专家意见，对建筑领域适用性影响因素重要度排名为：去中心化程度、数据结构、共识机制、交易存储。由结果可知，影响建筑领域采用区块链技术的重要因素为去中心化程度和数据结构。这表示建筑领域采用区块链技术主要的需求是利用其架构提高信息共享程度和加强协同管理能力，通过智能合约对生产模块的交付、图纸的移交、各个参与方间的信息反馈等过程管理进行规范化和自动化。对于区块链平台的选择更偏向于选择部分去中心化的联盟链，比起资金交易更偏向于智能合约的构建。而对于数据存储、计算的需求，现阶段的重要程度较低。