區塊鏈智能合約技術應用綜述

辛玉紅　冉城　劉德輝

摘? 要：區塊鏈技術應用最廣泛的領域之一是智能合約，在區塊鏈所執行的計算機程序中，智能合約可以自動執行所制定的合約條款。文章通過梳理區塊鏈智能合約技術的基本概念、來源和基本特征，并對基于區塊鏈的智能合約技術進行分析和探討，針對區塊鏈智能合約解決信息共享問題提出了解決方案，并對所面臨的技術問題進行分析以及對未來的發展前景進行展望。

關鍵詞：區塊鏈;智能合約;去中心化

中圖分類號：F407.67? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A文章編號：2096-4706（2021）20-0185-05

Application Overview of Block-Chain Smart Contract Technology

XIN Yuhong， RAN Cheng， LIU Dehui

（School of Computer Science， Guangdong Polytechnic Normal University， Guangzhou? 510665， China）

Abstract： One of the most widely used fields of block-chain technology is smart contract. In the computer program executed by block-chain， smart contract can execute the formulated contract terms automatically. This paper combs the basic concepts， sources and basic characteristics of block-chain smart contract technology， analyzes and discusses the block-chain based smart contract technology， puts forward solutions to the problem of solving information sharing by block-chain smart contract， analyzes the technical problems faced and looks forward to the future development prospect.

Keywords： block-chain; smart contract; decentralization

0? 引? 言

近年來，以比特幣底層技術為代表的區塊鏈技術在物聯網、金融、供應鏈、能源、教育、醫療、政府和信息安全等領域得到了積極的應用。2018年區塊鏈產業發展及投資價值報告指出：區塊鏈是2016年國務院在《“十三五”國家信息規劃》中提及的關鍵詞，針對區塊鏈的政策逐漸明晰化，表明區塊鏈的發展得到了國家的大力支持。區塊鏈技術的行業應用正在加速發展，從數字貨幣向非金融領域滲透擴散，與各行業創新技術相融合。雖然全球的區塊鏈發展尚不成熟，但從整體狀況來看區塊鏈技術正以可觀的速度在飛速發展。智能合約這一概念是由Szabo提出的，由于沒有適合智能合約有效執行的環境，智能合約的應用并沒有真正落地，而區塊鏈的誕生給智能合約提供了理想的應用環境，區塊鏈分布式環境解決了信任問題，為合約提供了一個可信的執行環境，由此基于區塊鏈的智能合約技術開始發展起來。

為此，本文通過對近幾年來一些權威期刊上發表的關于區塊鏈技術的相關研究文獻進行分析，梳理了區塊鏈智能合約的基本概念、特點以及其技術層面的支撐，并介紹了區塊鏈智能合約應用研究現狀以及存在的問題，分析了區塊鏈智能合約的具體應用。針對信息共享率低且激勵不足的問題提出了解決方案，并對區塊鏈技術未來的發展前景進行展望。

1? 區塊鏈智能合約技術簡述

智能合約概念是在區塊鏈出現之前提出的，幾乎與現代互聯網同時產生。智能合約在早期由于技術發展不成熟以及受運行環境制約而沒有被充分運用到技術環境中，而基于比特幣的區塊鏈技術具有可信性，為智能合約的執行提供了條件。因此，利用區塊鏈技術解決智能合約現存問題，引起了產業界和學術界的高度重視。

區塊鏈智能合約包含的工作原理共分為三步：（1）通過多方參與主體共同協商制定智能合約，參與主體注冊信息產生合約所對應的公鑰和私鑰。公鑰對外公開，而只有參與方才能獲得對應的私鑰，私鑰不對外公開，且用私鑰進行電子合約簽名，這份智能合約再傳入可執行的區塊鏈環境中。（2）此執行過程越過了第三方平臺的擔保，降低了程序中投入的成本，提高了合約驗證和程序執行的效率，實現了可信任、透明化的交易，達成一種全網共識，即整個交易中的系統節點都不需要建立相互信任。共識機制一經觸發即將進行一系列的有效驗證。（3）在區塊鏈部署的智能合約是一種將會在分布式環境下根據程序代碼自動執行的合約。如圖1所示，每個所包含的區塊具備以下的信息：根據時間戳的順序，依次前后相連存儲區塊的Hash值及其所包含的信息。

智能合約是區塊鏈技術中的核心技術之一。然而，目前來說，區塊鏈技術發展還不成熟，智能合約與通用的計算機程序還存在一定的差別，智能合約須具備安全性、穩定性，否則無法保證智能合約在區塊鏈中的穩定運行。

2? 區塊鏈智能合約的技術層面支撐

區塊鏈智能合約技術涉及國家層面的規劃和投入，這是因為其建設缺乏標準的統一性（包括區塊鏈的制度規范），所涉及的信息則難以實現跨領域共享。在信息共享的原則下，區塊鏈智能合約技術應該做到，對區塊鏈中存儲和處理的數據流通信息進行清晰的界定。從國家的層面研究區塊鏈智能合約技術層面支撐所需的要素還沒有引起學者們的足夠關注。

不管是區塊鏈技術還是基于區塊鏈的核心技術——智能合約，它們都是科技進步的新興產物。智能合約可以更多地改變或破壞既定流程或市場，但也可以代表創建全新應用程序、市場或服務技術組件。區塊鏈技術發展還不夠成熟，因此對其研究背景和技術理論進行更為深入的研究是非常重要的。蔡一博指出在智能合約產生初期并沒有可靠執行的技術支撐，僅限于理論研究，而區塊鏈的出現為其提供了關鍵的技術支撐，滿足了技術不可篡改、去中心、可追溯性的要求，并提供了公開公正的執行環境。目前，基于區塊鏈的智能合約技術在諸多行業、大量的商業領域應用落地。

3? 區塊鏈智能合約的應用場景

基于區塊鏈技術的智能合約違約成本昂貴，在分布式環境下的智能合約具有很高的可信性，其已被廣泛應用到很多領域，如組織管理、保理業務、政府服務、醫療信息等領域，如圖2所示。

（1）組織管理。Ni X等結合區塊鏈和智能合約技術對新媒體中關于組織管理的模型進行了研究，智能合約技術對組織管理中存在的懸而未決的問題具有啟發性，實現了建立在虛擬網絡中員工之間授信的管理模型。徐超等利用智能合約技術研究審計組織管理等數據，該技術提升了管理數據的可信性和可溯源性。為了有效組織和管理傳統醫院以及提高交易效率，提出了一種基于區塊鏈的醫療數據信息系統。

（2）保理業務。鄧愛民等研究發現區塊鏈智能合約技術和供應鏈保理業務，二者之間具有很大的契合度，該技術的應用落地有效地提高了保理業務交易處理的速度，降低了人工成本。Zheng，K等將區塊鏈智能合約技術和保理業務相結合，利用拜占庭容錯算法和激勵兼容機制對供應鏈智能優化保理業務模式進行了分析和建模，優化了保理業務模式。

（3）政府服務。Alketbi，A等提出了一種由政府主導的服務區塊鏈生態系統模型，該模型能夠從根本上轉變政府服務和職務所需的關鍵能力，并在不需要信任的第三方機構實現數據的處理。針對跨部門協同一致性難和信任問題，提出了基于區塊鏈的新型信息資源協同共享模式。

（4）醫療信息。Griggs K N等基于以太坊合約的私有區塊鏈創建了一個系統，該智能合約系統將會為醫生和患者提供健康監測情況，并能夠及時地進行醫療干預。Zghaibeh M等介紹了基于區塊鏈的健康管理系統，該系統可以利用智能合約發起與患者有關的各種請求和查詢，去訪問系統數據而不損害其可靠性。基于共享醫療安全和隱私考慮，提出了一種基于區塊鏈的遠程醫療信息系統，該系統減少了通信輪數，提高了性能。Hassan等論述了區塊鏈可以改善醫療保健數據共享和存儲系統，但針對安全和授權問題，許多醫療機構在是否引入區塊鏈的決策上存在猶豫不決的情況，區塊鏈性能還有待提高。

綜上，通過梳理區塊鏈智能合約技術在應用領域中應用的相關內容，其運用范圍主要從隱私、安全和信任這幾個方面進行了考慮。然而，區塊鏈智能合約通過區塊鏈保存的數據信息具有去中心化、安全、隱私、匿名功能，因此，對區塊鏈的研究主要集中于概念、技術特點、結構等方面，對區塊鏈的研究主要包括區塊鏈關鍵技術、運用平臺等。

4? 區塊鏈智能合約的具體應用

傳統信息共享存在共享信息質量問題、共享信息安全問題、共享成本高、利益分配不均衡等問題（具體體現在，共享過程缺乏有效的激勵機制、信息規范性差、信息共享沒有形成一個完善的信息化服務體制），導致信息共享率不高，要想提高信息共享率，首先要有效解決這些問題。區塊鏈為信息共享方式的轉型提供了契機，如圖3所示，智能合約、權限控制對信息共享具有安全保障作用，能夠規范信息的儲存和共享。區塊鏈具有全新的規則制度機制，可靈活嵌入各種信息且具有共享智能模式。基于區塊鏈智能合約的信息資源共享中去中心化的處理方式可節約很多資源，使得整個交易自主化、簡單化、去信任，并排除被中心化代理控制的風險。執行自動化合約條款進行信息共享，對各方面進行了信息安全的保障，信息共享在區塊鏈中安全交互，存儲為數據區塊鏈，實現了更加有效的信息共享。

目前所研究的信息共享都是從技術的角度對信息共享存在的問題進行分析，而如何系統全面地從管理角度基于區塊鏈技術及其智能合約來解決信息共享問題的研究仍然缺乏。本文針對基于區塊鏈智能合約技術解決信息共享問題來提高信息共享的需求，對現有文獻研究的不足，提出了在區塊鏈環境下設置合理的激勵機制，有效地激勵信息共享節點守約并積極的共享，在區塊鏈智能合約上制定合理的激勵機制，使共享信息在區塊鏈環境下實現良性的可持續發展。

4.1? 博弈模型構建

共享信息下有限理性參與主體更愿意通過可信任、有安全保障的平臺分享數據。因此，在區塊鏈平臺中建立激勵機制能夠實現信息的有效共享。參與主體參與平臺信息共享的過程均是由有限理性者來支配的，以追求自身利益最大化為目的，在博弈過程中根據自身收益不斷調整策略，激勵共享過程是一個長期的動態發展過程，需要參與主體通過不斷的學習和模仿獲得。為構建參與主體參與演化博弈的模型，特作以下假設：

假設1：參與主體可以根據在參與信息共享中所獲得的利益進行選擇，參與主體的選擇集為{信息共享，信息不共享}。

假設2：針對信息共享，博弈雙方獲得的共享收益可分為直接收益和增值收益兩種。直接收益是參與雙方獲得對方共享信息并從中獲利，記為直接收益D，協同收益是參與方共享信息時彼此之間相互融合所創造出來的收益，記為增值收益T。

假設3：共享成本C。在信息共享平臺中，信息共享需要投資固定的信息共享成本。

假設4：激勵系數R。在區塊鏈智能合約激勵機制下，激勵系數表現為獎勵收益或參與成本。

假設5：博弈過程中參與主體A選擇“共享”的概率為x（0

假設6：當參與用戶都不存在共享時，兩者所獲得的收益都為0。

根據以上假設條件，可以得出參與主體信息共享的收益矩陣，如表1所示。

4.2? 模型分析

參與主體面臨兩種策略選擇：共享策略或不共享策略，如圖4所示，選擇參與信息共享策略意味著參與主體愿意主動共享信息并從平臺中獲得其他參與主體共享的信息，選擇不共享策略意味著參與主體不愿信息共享也獲取不了其他參與主體的信息，下面對三種情況分別進行討論：

（1）情況一。參與方A、B都不進行信息共享的情況下，無任何收益及成本，即收益均為0。

（2）情況二。參與方A、B相互之間進行信息共享，不僅能獲得相互之間共享信息的利益，還能彼此協同促進信息的相互借鑒和融合，并能創造出新的價值即所獲得的增值利益，使參與方獲得更多的收益，但是信息共享需要一定的投資成本。在區塊鏈平臺中，為了實現用戶之間的信息共享，可以通過創建激勵機制對博弈雙方進行促進。激勵機制中的參數有正向促進和負向促進，當激勵參數C越來越接近閾值時為正向促進，最終達到增益的飽和狀態，當激勵參數超過閾值時為負向促進同時會造成負增益。因此，在進行信息共享時參與方的收益均為D+T-C-R。

（3）情況三。在所在區塊鏈信息共享平臺中，一方選擇參與另一方選擇不參與信息共享。然而，選擇信息共享方并沒有因為信息共享而獲利，相反，共享方進行信息共享需自行承擔投資成本，但由于對方沒有進行信息共享并不能額外獲利，而且還要賠償一定的激勵成本。通常在這種情況下經過一次與對方的博弈后，有限理性的共享方會采取不共享的策略損失為-C-R。對于不共享參與方，因沒有共享而獲得的收益僅來自博弈方共享的直接收益D。

參與主體以收益大小為決策依據來追求自身效用最大化，若共享時收益超過不共享時，此時參與主體的最優策略為“共享”。在該激勵機制下根據策略給予激勵獎勵，即激勵參數轉化為正效益（即獎勵收益）以激勵參與主體積極參與信息共享。

4.3? 機制設計

在區塊鏈平臺中對信息共享進行激勵時，具有有限理性的參與主體難以在一次決策中做出最優的決策，但是參與主體會通過長期的模仿、學習，不斷地調整自身的策略并循環往復地進行動態的調整，最后達到一種平衡穩定的狀態。按照智能合約執行方式的不同，根據區塊鏈的核心機制（即激勵機制），對信息共享的區塊鏈所涉及的平臺利用智能合約技術，能夠智能化地根據條件對激勵機制進行動態策略管理調整，為傳統的信息共享提供了重要的技術支撐，確保參與方積極參與信息共享能使自身獲得最大收益，并且能夠最大限度地促進更多主體參與信息共享，提高了信息利用率。區塊鏈智能合約平臺中的激勵機制可根據參與方信息共享程度，自動執行智能合約技術以給予相應的激勵獎勵。為此，本文構建了基于區塊鏈智能合約信息共享的演化博弈模型激勵機制，既為用戶節省了投入成本，使得其實現利益最大化，也激勵了參與主體積極地進行信息共享。當調用智能合約功能時，激勵獎勵和參與成本兩者會根據情況自動調整，以此鼓勵參與主體進行有效的信息共享并獲得最大化收益，促進參與方進行信息共享。

5? 區塊鏈智能合約存在的問題

基于區塊鏈的智能合約技術的優勢顯而易見，它實現了去中心化，即可建立面向雙方的信任機制。基于區塊鏈的智能合約技術具有分布式系統所具有的優勢，在數據安全、隱私保護方面得到一定意義上的保證。下面從數據安全問題、隱私保護問題、成本問題方面進行詳細的分析：

（1）數據安全問題。在分布式環境中，雖然區塊鏈智能合約技術提供了安全信任保障，但也面臨著未知安全問題的挑戰，因此需要技術的日臻成熟和創新。智能合約技術安全問題的保障意味著區塊鏈能夠按照開發者的意愿正常運行。例如，Liu J等指出區塊鏈智能合約技術存在安全方面的問題，合約漏洞的存在造成了巨大的經濟損失，因此，對安全驗證問題進行了探索，基于形式化法的智能合約的準確性和可信性驗證應當引起重視。Ilya等研究發現區塊鏈上運行的智能合約程序中的錯誤和漏洞可能導致災難性的后果，因此，嚴格的語義基礎對安全驗證技術是非常重要的。

（2）隱私保護問題。在公有鏈中各節點可任意加入和推出節點信息并且用戶交易可以被公開查看，因而缺乏信息的隱私保護。章寧等提出了一種基于區塊鏈隱私保護機制運用于互聯網租車個人隱私保護中。Liu X等在區塊鏈中建立了一個信任管理模型以確保更安全的網絡環境，解決信任和隱私兩大問題，以匿名的方式保護車輛的隱私，使安全存儲在區塊鏈中的車輛信息具有可靠性和可信度。Wang等研究發現交易信息將會公開用戶隱私從而引起信息安全和隱私問題，為此提出了一種基于區塊鏈的激勵機制，通過節點驗證形式進行用戶的匿名隱私保護，以確保使用激勵機制的安全性和可行性。

（3）成本問題。雖然區塊鏈的建立可消除第三方中介的介入，能降低這些方面的投入成本，然而，區塊鏈在運行中挖礦使用的計算資源、避免區塊鏈分叉問題導致數據的丟失、解決雙花攻擊式的安全問題等會導致區塊鏈的投入成本增加。因此，在區塊鏈智能合約技術應用中應著力解決和改善影響其成本投入增高的因素。Thakur S等提出了一種點對點的能源系統的成本分析方法，從風險、安全問題和低廉的能源價格獲利之間衡量取舍以協調降低貿易成本。Munoz D J等提出了一種跨平臺低成本的區塊鏈模型ClinicAppChain，這個模型具有身份驗證、可保密性和被許可的數據信息共享的功能并建立了分散式醫療分類帳，實現了最低成本的共享。

6? 結? 論

本文重點介紹了區塊鏈智能合約的概念、特點及其技術層面的支撐，最后介紹了區塊鏈智能合約應用研究現狀以及存在的問題，并分析了區塊鏈智能合約的具體應用。針對信息共享率低且激勵不足的問題提供了解決方案，構建了區塊鏈智能合約激勵機制下信息參與主體之間的演化博弈模型，根據條件對激勵系數進行參數調整，使信息共享參與主體達到基于演化博弈機制中最大參與狀態，從而促進更多地參與主體趨向于信息共享策略并獲得收益，使整個參與主體利益最大化，有利于提高參與主體信息共享率并激勵更多地參與主體進行信息共享，從而獲得長期穩定的發展。同時，區塊鏈分布式環境解決了信任問題，給智能合約提供一個可信的執行環境，降低了應用成本，提高了執行效率。目前區塊鏈的基礎設施發展還不是太成熟，在實現方面和技術領域仍然有許多限制，因此，需要更進一步地對其進行優化和改進，這也是有效提升區塊鏈技術的重要一步，對智能合約的機制和規則進行完善和設計，推動其向智能化方向發展并得到現行法律制度的認可，這是未來研究應該倍加重視的方面。

參考文獻：

[1] 袁勇，王飛躍.區塊鏈技術發展現狀與展望 [J].自動化學報，2016，42（4）：481-494.

[2] 夏沅.區塊鏈智能合約技術應用 [J]. 中國金融，2018（6）：81-82.

[3] 蔡一博.智能合約與私法體系契合問題研究 [J].東方法學，2019，68（2）：68-81.

[4] LENNART A. Smart contracts on the blockchain–a bibliometric analysis and review [J].Telematics and Informatics，2021，57：101519.

[5] 劉洋，唐任伍.金融供給側結構性改革視域下的區塊鏈金融模式綜述與合規創新探析 [J].金融發展研究，2019（7）：21-31.

[6] NI X ，YUAN Y ，WANG F Y . Behavioral Management for Employees based on Blockchain and Smart Contracts [C]//2019 IEEE International Conference on Service Operations and Logistics， and Informatics （SOLI）.Zhengzhou：IEEE，2019：248-252.

[7] 徐超，陳勇.區塊鏈技術下的審計方法研究 [J].審計研究，2020，215（3）：20-28.

[8] 勞莘，成竹.智能合約：基于區塊鏈的人資匹配 [J].企業管理，2019（5）：95-98.

[9] 鄧愛民，李云鳳.基于區塊鏈的供應鏈“智能保理”業務模式及博弈分析 [J].管理評論，2019，31（9）：231-240.

[10] ALKETBI A，NASIR Q，TALIB M A. Novel blockchain reference model for government services：Dubai government case study [J].International Journal of System Assurance Engineering and Management，2020（11）：1170-1191.

[11] 高國偉，龔掌立，李永先.基于區塊鏈的政府基礎信息協同共享模式研究 [J].電子政務，2018（2）：15-25.

[12] GRIGGS K N，OLYA O，KOHLIOS C P，et al. Healthcare Blockchain System Using Smart Contracts for Secure Automated Remote Patient Monitoring [J].Journal of Medical Systems，2018，42（7）：130.

[13] ZGHAIBEH M，FAROOQ U，HASAN N U，et al. SHealth：A Blockchain-Based Health System With Smart Contracts Capabilities [J].IEEE Access，2020，8：70030-70043.

[14] LEE T F，LI H Z，HSIEH Y P. A blockchain-based medical data preservation scheme for telecare medical information systems [J].International Journal of Information Security，2021，20（4）：589-601.

[15] ZHENG，K N，ZHANG Z P，Gauthier J. Blockchain-based intelligent contract for factoring business in supply chains [J].Annals of Operations Research，2020：1-21.

[16] ABU-ELEZZ I，HASSAN A，NAZEEMUDEEN A，et al. The benefits and threats of blockchain technology in healthcare：A scoping review [J]. International Journal of Medical Informatics，2020，142：104246.

[17] 賀海武，延安，陳澤華.基于區塊鏈的智能合約技術與應用綜述 [J].計算機研究與發展，2018，55（11）：2452-2466.

[18] 鄭力.面向數據共享的智能合約及其管理技術研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2019.

[19] LIU J，LIU Z T. A Survey on Security Verification of Blockchain Smart Contracts [J]. IEEE Access，2019，7：77894-77904.

[20] GRISHCHENKO I，MAFFEI M，SCHNEIDEWIND C. A Semantic Framework for the Security Analysis of Ethereum smart contracts [C]//Principles of Security and Trust.Springer，2018：243-269.

[21] LIU X C，HUANG H P，XIAO F ，et al. A Blockchain-Based Trust Management With Conditional Privacy-Preserving Announcement Scheme for VANETs [J].IEEE Internet of Things Journal，2020，7（5）：4101-4112.

[22] 章寧，鐘珊.基于區塊鏈的個人隱私保護機制 [J].計算機應用，2017，37（10）：2787-2793.

[23] WANG J Z，LI M R，HE Y H，et al. A Blockchain based Privacy-Preserving Incentive Mechanism in Crowdsensing Applications [J].IEEE Access，2018，6：17545-17556.

[24] 平健，陳思捷，張寧，等.基于智能合約的配電網去中心化交易機制 [J].中國電機工程學報，2017，37（13）：3682-3690.

[25] MUNOZ D J，CONSTANTINESCU D A ，ASENJO R ，et al. ClinicAppChain：A Low-Cost Blockchain Hyperledger Solution for Healthcare [C]//International Congress on Blockchain and Applications. Cham：Springer，2019：36-44.

作者簡介：辛玉紅（1971—），女，漢族，山東肥城人，教授，博士后，主要研究方向：復雜系統的建模與仿真、供應鏈金融與互聯網金融;通訊作者：

冉城（1994—），女，漢族，四川宜賓人，碩士研究生在讀，主要研究方向：復雜系統的建模與仿真、區塊鏈應用;

劉德輝（1998—），男，漢族，黑龍江大慶人，碩士研究生在讀，主要研究方向：復雜系統的建模與仿真、供應鏈管理、博弈論。