基于区块链的建筑供应链信息共享演化博弈研究

闫文周，王 莹，冯中帅

（1.西安建筑科技大学管理学院，陕西西安 710055；2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

随着建筑行业信息化水平的不断提高，建筑供应链信息共享方式也发生了转变［1］。现阶段，BIM协同管理云平台为项目建筑供应链内涉及到业主、设计方、承包方等各参建人员提供了一个跨部门数据集成和协同共享的信息平台［2］，这大大提高了信息共享效率。但云平台在推广过程中存在着一些问题：云平台是基于第三方建立的系统［3］，可能被破解而导致信息泄露；项目各参建方需要先将信息上传至云平台，再根据各自需求下载信息［4］，若密钥丢失或被泄露，系统信息的安全无法得到保障［5］。信息安全保障体系的缺少严重阻碍了各方之间信息共享［6］。与此同时，业主和各参建方因利益目标不同分散决策和信息不对称的机会成本导致信任度受损［7-9］，严重影响项目进展。因此，安全的信息保障体系和相互信任的信息交流方式有助于提高建筑供应链内的信息共享效率［10］，保障项目整体绩效目标的实现。

区块链作为时代颠覆性的核心技术，利用其独特的安全加密机制和去中心化的信息交流方式保障建筑供应链内各参建方的信息共享效率［10］。已有学者认为区块链有利于供应链内信息协同共享［1，4-5，11-12］。因此，引入区块链技术，分析其对建筑供应链信息共享组织模式的影响，进而提出新组织模式。任何新组织模式的形成都不是一蹴而就的，构建以核心方-从属方为代表的演化博弈模型［13］，提出促进信息共享新组织模式形成的影响因素，推动区块链和建筑供应链信息管理的结合。

1 基于区块链的建筑供应链信息共享的组织模式

1.1 区块链的关键技术

1.1.1 联盟链

联盟链是指只针对特定群体的成员，且群体内部需提前安排多个预选节点作为记账人，每个块的生成由所有的预选节点共同决定。联盟链大多采用多中心网络，网络结构是由一系列星型结构和分布式结构组合而成的层级结构。

1.1.2 时间戳

时间戳是区块链内信息不被恶意篡改特性的重要支撑技术，时间戳服务器会对以区块形式形成的交易进行哈希运算并写上时间戳，它能够保证该区块的交易信息必定存在于某个特定的时间点。每一个时间戳会将前一时间戳纳入其哈希值，形成一条环环相扣的时间戳链条。

1.1.3 非对称加密

密码学是区块链技术的重要组成部分，非对称加密系统一般使用相互匹配的一对密钥，即公钥和私钥。公钥可向其他用户公开，私钥是保密的，并且无法通过公钥推算出相应的私钥。哈希算法是一种不对称、不可逆的加密方式，能实现从纯文本到加密文本的单向加密。

1.2 建筑供应链信息共享传统组织形式的不足

1.2.1 信息安全性问题

项目参建方在基于第三方建立的BIM 协同管理云平台上共享信息，建筑供应链各参建方所需要的信息和提交的信息各不相同［14］，大家根据各自需求下载信息（如图1）。比如，业主需提供设计方项目可行性研究报告和设计任务书。各参建方交流的信息可能涉及各公司的商业机密,信息的安全问题尤其重要。平台本身的安全性、用户的访问权限设置等问题不得不引起项目参建方的重点关注。

图1 BIM 协同管理云平台组织交流模式

1.2.2 相互信任的信息交流方式

首先，建筑供应链各参与方由于利益目标不同，为保证各自的利益而单方面决策，无形中可能伤害其它方的利益，造成大家都达不到最优，从而降低建筑供应链的整体工作效率［15］；其次，建筑供应链各参与方在分配利润的时候不可能绝对的公平公正，从而导致各方的各谋其利，互相不信任；信息变化频率高、信息失真、信息不匹配等信息不对称可能导致机会主义在建筑供应链内经常发生［16］，这也是引发隐藏行为和利益冲突的主要原因。

1.3 基于区块链的建筑供应链信息共享的组织交流模式

本文利用联盟链的多中心化思想，项目供应链内涉及到业主、总承包方、设计方和供应商等企业构成联盟链的分布式结构，各企业内部相关部门的负责人和工作人员构成联盟链的星型结构。建筑供应链信息共享组织交流模式如图2 所示，分为以下部分：

图2 建筑供应链信息共享组织交流模式

1.3.1 组织网络联盟

组织联盟链中含有两种节点：一种是普通节点，另一种是专业记账节点（超级节点）［17］。普通节点不参与记账过程，但能查询到共识进程，并同步更新信息。普通节点可理解为各企业内部相关部门的工作人员。超级节点参与并负责全程记账过程，它们由普通节点投票选出。

若整个网络结构有超级节点m 个，其中有1 个主节点，其余为记账节点。组织联盟各方根据职责提供信息。

1.3.2 数据结构

区块头有时间戳、密钥、哈希值等内容组成。建筑供应链内各用户基于RSA 算法生成各自的一对密钥，用于对信息签名；时间戳用来记录信息生成的时间；哈希算法用于对信息进行加密。每一个区块的生成都包含上一个区块的哈希值。图中的“C”表示“共识过程”［18］。一般来说，运用智能合约预先设定好的流程。首先，各主管理节点的超级节点需先达成共识；其次，整个网络所有超级节点都达成共识区块写入链上。

1.3.3 组织联盟交流方式

组织联盟的交流方式分为企业内部交流和企业间交流［19］。企业内各部门超级节点根据项目信息将工作下发给普通节点，普通节点完成后由主节点审核并发起流程，经记账节点达成共识后由主节点记账。企业间交流是指经预先设定的智能合约实现工作流程的自动流转。比如因业主需求变动设计方发起变更交易信息n1，经咨询方主节点记账交易信息n2 后，业主各部门评估成本、进度等信息达成一致后主节点记账交易信息n3，并以区块n写入链中；同时，普通节点负责同步信息［20］。总承包方通过查询区块n执行变更信息。

1.4 新组织交流模式的实现

基于RSA 算法保证组织间的新交流模式的安全性。假设设计方是发送方A，业主是接收方B，双方交流模式如图3 所示。同时，组织间交流模式由密钥生成、签名加密和验证解密

图3 安全性分析

三阶段构成，用JAVA 语言实现设计和业主间的安全交流［21］，关键代码如下。

2 基于区块链的建筑供应链信息共享演化博弈模型分析

建筑供应链内各参建方进行信息共享的程度是形成新组织交流模式的关键，各参与方之间是否选择更加透明的信息共享需要在一段时间周期内进行多次博弈［22］，经过不断调整选择并达到稳定状态，这是一个长期动态调整的博弈演化过程。为简化分析本文对建筑供应链信息共享组织模式中有代表性的2 类群体进行博弈，分别为以业主为代表的核心方a以及除核心方a外供应链上的从属方b。

2.1 基本假设

假设1：博弈群体1：核心方a博弈群体2：从属方b。两者皆是有限理性人，核心方a和从属方b需根据自身收益情况略实时调整选择，它可被认为是有限理性。

假设2：在进行信息共享博弈时，核心方a和从属方b的行为策略皆为{共享，不共享}。核心方a 选择共享的概率为x,选择不共享的概率为1-x;从属方b选择共享的概率为y,选择不共享的概率为1-y。（x,y∈［0,1］）

假设3：核心方a、从属方b的相关变量选取如下所示：

Ni是博弈群体i(i=a,b)都不共享信息时的基础收益；

β是博弈双方都选择信息共享所产生的协同效果（β＞1）；

Zi是信息提供方共享信息后接收方的重视程度，即信息转移系数；

Gi是信息提供方分享的信息量，即信息共享水平；

Mi是博弈群体i(i=a,b)选择信息共享策略耗费的成本；

Ti是政府对选择信息共享策略企业的财政补贴；

θ 是对不进行共享信息的群体进行惩罚，即惩罚系数；

g 是博弈方进行信息共享时需面临企业市场优势流失的风险，即风险系数；

α是信息共享双方之间的合作亲密度；

P是企业不选择信息共享时对企业间关系的损失，即企业关系成本。

基于以上假设，核心方a、从属方b双方不同策略下的博弈收益矩阵如表1 所示。

表1 核心方、从属方博弈收益矩阵

2.2 模型构建与演化稳定状态分析

2.2.1 核心方a的模型构建与演化稳定策略分析核心方a的企业选择信息共享的收益：

核心方a的企业选择信息不共享的收益：

核心方a 的企业平均收益为：

故核心方a的复制动态方程为

2.2.2 从属方b的模型构建与演化稳定策略分析

从属方b的企业选择信息共享的收益：

2.2.3 动态演化路径分析

根据式（1）和式（2）可知，博弈双方可能存在的均衡点有(0,1);(1,1);(0,0);(1,0);（x*,y*）即((Mb+gGb-Tb)/(βZbGa-ZbGa+θGa+αP),(Ma+gGa-Ta)/ (βZaGb-ZaGb+θGb+αP))且x*,y*∈［0,1］。演化路径有以下5 种：

路径1：当 (Ma+gGa-Ta)＞(βZaGb-ZaGb+θGb+αP),(Mb+gGb-Tb)＞(βZbGa-ZbGa+θGa+αP)时，博弈双方投入的成本大于所获收益，不值得博弈双方继续信息共享。如图4（a）所示，博弈双方的演化过程逐渐趋于（0,0），即（不共享，不共享）。

路径2：当 (Ma+gGa-Ta)＞(βZaGb-ZaGb+θGb+αP),(Mb+gGb-Tb)＜(βZbGa-ZbGa+θGa+αP)时，核心方a投入的成本大于所获收益，而从属方b投入的成本小于所获收益。如图4（b）所示，博弈双方的演化过程逐渐趋于（0,1），即（不共享，共享）。

路径3：当 (Ma+gGa-Ta)＜(βZaGb-ZaGb+θGb+αP),(Mb+gGb-Tb)＞(βZbGa-ZbGa+θGa+αP)时，核心方a投入的成本小于所获收益，而从属方b投入的成本大于所获收益。如图4（c）所示，博弈双方的演化过程逐渐趋于（1,0），即（共享，不共享）。

在路径2 和路径3 的演化过程下，总是存在博弈主体单方面做出信息不共享的选择。在共享初期，信息提供方在政府的补贴下选择信息共享，在一段时间后承受着客户流失等高成本持续风险，最终将导致信息提供方也不愿共享信息。如图4（d）所示，经博弈双方持续博弈后，路径2 和路径3 最终演化过程趋于（0,0），即（不共享，不共享）。

路 径 4：当 (Ma+g Ga-Ta)＜(β ZaGb-ZaGb+θGb+αP),(Mb+gGb-Tb)＜(βZbGa-ZbGa+θGa+αP)时，博弈双方投入的成本均小于所获收益，但博弈双方的演化过程存在两者可能，逐渐趋于（1,1）和（0,0），即（共享，共享）和（不共享，不共享）。

如图4（e）所示，（0,1）、（x*,y*）和（1,0）三点连线将整个区域分为阴影和非阴影两个部分，这两个部分的演化过程分别趋于（0,0）和（1,1）。（x*,y*）是演化博弈的关键点，它的位置会影响最终博弈结构。当（x*,y*）趋于（0,0）时，阴影部分的面积逐渐变小，非阴影部分的面积逐渐变大，博弈结果是（共享，共享）的概率就越大；当（x*,y*）趋于（1,1）时，阴影部分的面积逐渐变大，非阴影部分的面积逐渐变小，博弈结果是（共享，共享）的概率就越小。而（x*,y*）的值由博弈双方的各项参数决定，非阴影部分的面积可表示为。

图4 动态演化路径相位图

3 数值实验与仿真

本节用MATLAB 软件对博弈模型的复制动态方程式（1）和（2）进行仿真验证，探究相关变量对博弈演化最终结果的影响。假设模型变量的初始值［1］如表2 所示：

表2 变量初始值

根据变量初始值对博弈双方演化路径仿真，得到图5（a）。令其它变量值不变，分别调整Ga=30，Gb=20、Za=0.7，Zb=0.5、Ta=15，Tb=10、Ma=10，Mb=6、g=0.1、P=15、α=0.8、θ=4、β=1.5 时，得到图5（b）～图5（j）。仿真结果分析如下：

图5 各参数调整对演化博弈结果影响的相位图

（1）建筑供应链各企业间的信息共享水平、信息转移系数、财政补贴、合作亲密度、惩罚系数、关系成本和协同效果对信息共享有正向作用。因此，企业除了进行项目内必要的信息共享外，应加强企业间的合作关系，避免机会主义的发生。在国家政策支持和惩罚力度治理的情况下，更会推动供应链上的各企业以协同和合作的方式进行信息共享。在相互信任的信息交流方式下，建筑供应链新组织模式通过强调合作、避免冲突、资源共享、伙伴关系等降低了项目建筑产品的成本、改善了建筑市场主体关系、优化了资源配置。

（2）建筑供应链各企业间的信息共享成本和风险系数对信息共享有不利影响。建筑供应链内各企业在以项目的整体利益为前提下，秉着长久合作的态度共同努力减少在信息共享时因各种因素导致的超额成本。建筑供应链信息共享新组织模式在系统上避免了信息泄露的可能性，但依然存在人为因素导致的企业市场优势流失风险。成本降低和风险防控有效促进信息共享模式的形成。

4 结语

建筑项目管理绩效与建筑供应链信息共享效率息息相关，更高效的信息交流方式是建筑行业转型升级的关键。将区块链多中心网络共识思维与建筑供应链相结合，构建项目各参建方信息共享交流的新组织模式。新组织模式的形成并不是一蹴而就的，本文研究表明信息共享水平、信息转移系数、财政补贴、合作亲密度、惩罚系数、关系成本和协同效果等变量因素对信息共享组织模式的形成具有积极作用，甚至在一定程度能促进项目内各参建方完全处于信息共享状态。