發布時間：2020-03-11所屬分類：科技論文瀏覽：1次
摘 要： 摘 要 本文提出了平行區塊鏈的概念框架、基礎理論和研究方法體系，并探討了平行區塊鏈的內涵.平行區塊鏈技術是平行智能理論方法與區塊鏈技術的有機結合，致力于通過實際區塊鏈系統與人工區塊鏈系統的平行互動與協同演化，為 目前的區塊鏈技術增加計算實驗與
摘 要 本文提出了平行區塊鏈的概念框架、基礎理論和研究方法體系，并探討了平行區塊鏈的內涵.平行區塊鏈技術是平行智能理論方法與區塊鏈技術的有機結合，致力于通過實際區塊鏈系統與人工區塊鏈系統的平行互動與協同演化，為 目前的區塊鏈技術增加計算實驗與平行決策功能，實現描述、預測、引導相結合的區塊鏈系統管理與決策.平行區塊鏈這一新型研究范式可望為下一步區塊鏈研究和未來產業應用提供有益的啟發與借鑒.
關鍵詞 區塊鏈，平行區塊鏈，平行智能，計算實驗，知識自動化
區塊鏈技術起源于 2008年末 的 “比特幣”，一種 由化名為 “中本聰”的學者設計的新型數 字加密貨幣，是 比特幣的底層支撐技術【1j.在 比特幣的誕生之初，其關注范圍僅局限于少數加密貨 幣研究人員， 2013年前后隨著 比特幣價格飛漲 曾經掀起過短暫的熱潮，引起眾多專家學者的研究興趣.盡管其后 比特幣的關注度隨著其價格下跌而逐漸回落，但研究者發現 比特幣底層的區塊鏈 技術具有更為重要 、甚至是顛覆性的應用 價值.2015年起，區塊鏈技術逐漸走入公眾 視野，成為近兩年 來金融科技和互聯網經濟領域的新研究熱點.
區塊 鏈技 術具有 諸多其 他技 術不可 比擬 的優勢：首 先，區塊鏈系統 的根 本特征是去 中心化，采用點對點 (Peer—to—Peer，P2P)對等網絡，各節點地位對 等且通 過分布 式共識機 制實現相 互 間的協調與 協作，同時節 點基于各 自貢 獻獲得 經濟激勵，這使得區塊鏈 系統具有很強 的健壯性，因而也被認為是 構建 未來 去 中心化 社會 的核 心技 術之 一;其次，區塊鏈 系統通 過數 學算 法形 成節 點之 間的共識，新數 據必 須獲 得全 部或 者大 多數 節點 的驗證方 可寫入 由全 體節 點共 同維 護的 區塊鏈 賬本 ，因而極 難篡 改和偽 造;這使 得 區塊鏈 成為 依靠 共識機制 和密 碼學 算法 自動 產生信 任 的系統，可 以實現信息 流、資金流 和物質 流等 要素 的去 中介化 自由流通;第三，區塊鏈系統 采取建立 在隱私保護基礎上 的 、公 開透 明 的數據 讀取 方 式，區塊鏈 賬本數據 以零成 本方 式 向全 體節 點公開 查詢，從 而可以降低 節點 的信 任成本 和系統不 確定性.這 些顯著優勢在 現代社 會系統 中有 著重 要且廣泛 的應用前 景 2.
然而，作為一項新興技術，區塊鏈相關理論研究與產業實踐仍然處于起步階段，諸如共識算法 、網絡結構 、智能合約、激勵機制等微觀層面 的核心技術要素尚處于探索 、實驗和持續優化的狀態，而宏觀層面的區塊鏈產業生態及其對社會經濟的影響也迫切需要實驗 、分析 、評估和必要的監管
.例如，技術層面上，共識機制 的切換對于區塊鏈系統通常具有重要影響.由于缺乏實驗和評估 的有效手段，目前主流區塊鏈 (特別是公有鏈)通常采用漸進式實驗方式.以太坊計劃采用的 “PoW+PoS” fProofof、Ⅳ0rk+ProofofStake工作量證明 +權益證明)混合共識機制即是典型案例：由于 PoW 共識直接切換為 PoS共識可能為 以太坊生態系統帶來難 以估量的潛在風 險，因而不得不采用相對安全的混合機制 即 99% 的絕大多數交易區塊采用傳統的比特 幣挖礦式 PoW 共識，而僅有 1% 的區塊鏈采用仍處于實驗階段 的 Casper式 PoS共識.在此基礎上，根據實驗效果決定后續的共識切換策略.產業生態層面上，區塊鏈技術與生俱來的顛覆性潛質也為各行各業帶來深刻變革 迫切需要國家和行業 的監管和調控.例如，基于 區塊鏈技術的 IC0 (Initial CoinOfering，首次代幣發行1通過公開發行 區塊鏈系統 內置的加密貨 幣來籌措 資金，近一兩年 來 已對傳統金 融和資本市場形成強力沖擊.2014年 ，基于以太坊的區塊鏈項 目TheDAO通過 ICO 在短時間內籌集到 1.5億美元，成為網絡眾籌歷史上的里程碑之一.然而，ICO 技術 的快速發展勢必會影響國家經濟和金融穩定，因而涌現 出面向 ICO 技術 的實驗和監管需求的各類 “沙盒”機制.
從學術研究角度來說，現有 的區塊鏈技術本質上仍然是一種新型的鏈式數據結構和分布式計算架構，能夠有效實現復雜社會、經濟與金融系統的描述性建模和計算，但是欠缺對于區塊鏈系統在 自身不同配置條件下和各類應用場景中的計算實驗與預測解析能力，同時也欠缺虛實結合、以虛擬引導現實、以人工引導實際的引導與決策能力.這是導致 目前區塊鏈技術只能依靠真實系統 的 “鏈 上”增量 式試錯實驗、或者利用沙盒監管等 “摸著石頭過河”的經驗性 決策方法，來實現區塊鏈技術發展與產業 生態優化的根本原因.為解決這一問題，當前迫切需要發展一套面 向區塊鏈 的建模、實驗與決策 的新理論與新方法，旨在 為區塊鏈技術和相關產業提供一套可計算、可 實現和可 比較的描述建模 、預測解析與引導 決策 方法
平行區塊鏈是有效解決 區塊鏈建模 、實驗與決策相關 問題 的理論方法，是平行智 能這一本世紀初提 出的原創性研 究范式與 新興區塊鏈 技術的深度結合[-5].目前，平行智能理論 已在國防安全【6-7]、平行交通[引、平行經濟[9-10】、平行控制【11】、平行視覺[12]、平行圖像[13]和平行數據[14]等十余個典型應用領域有 了顯著 的實踐效益和初步的理論結果.平行智能研究主要面 向 “人在環路中”、兼具高度社會復雜性和工程復雜性 的社會物理信息或人機物三元系統 (Cyber—physical-socialsystems，CPSS1通 過研究數據驅動的描述智能、實驗驅動的預測智能，以及互動 反饋 的引導智能，為不定、多樣和復雜 問題提供靈捷 、聚焦和收斂的解決方案 15.平行區塊鏈的首次提出是在 2017年 4月美 國丹佛大學召開的第一屆區塊鏈與知識 自動化國際研討會.會上，本文作者之 一王 飛躍教授作 了 “ParallelBlockchain： Concept，Techniquesand Applications” 主 旨報告，首 次提 出并解 讀 了平行 區塊 鏈 的概念 、技術及其在金融、交通、健康和農業等領域 的初步應用實 踐[16】.
具 體說來，平行 區塊鏈 基 于平行 智 能理論 和 ACP 方 法 fArtificialsystems+ Computational experiments+ Parallelexecution，人 工系 統 + 計算實驗 + 平行執行1，其基本思想是通過形式化地描述區塊鏈生態系統核心要素 (例如計算節點、通信 網絡 、共識算法、激勵機制等1的靜態特征與動態行 為來 構建人工區塊鏈 系統，利用計算實驗對特 定區塊鏈 應用場景進行試錯實驗與優 化，并通過人工區塊鏈 系統與實際區塊鏈系統 的虛實交互與閉環反饋實現決策尋優 與平行調諧.本質上，平行區塊鏈系統是以人工區塊鏈系統作為 “計算實驗室”，利用常態情況下人工區塊鏈系統中 “以萬變應不變”的離線試錯實驗與理性慎思，實現真實區塊鏈系統在非常態情況下 “以不變應萬變”的實時管理與決策.
本文的主要 目的是研究、發展和完善平行區塊鏈 的理論方法與關鍵技術體系.該體系致力于通過充分利用互聯 網開源情報大數據和新興的知識 自動化手段[" ，結合人工智能前沿的 ACP 方法、平行學習和平行動態規劃等計算模式【 以平行智能方法論為基礎，制造面 向各類應用場景的、算法和智 能 合 約驅 動 的 “平 行 區 塊鏈 ”;進 而 基于 特 定 網絡結構 、交互機制與共識協議實現各類 “平行區塊鏈” 智 能系統或平臺;最 終實現大規模分布式節點的群集與涌現驅動的 “平行區塊鏈”智能生態系統，建立理論 、技術、應用和生態 的完整鏈條，實現 區塊鏈與平行智能深度耦合的區塊鏈平行實驗與決策模式，為區塊鏈技術在交通 、農業 、健康、教育和金融等社會經濟領域的重大決策奠定新的理論與方法基礎 .
本文組織結構如下：第 1節闡述平行 區塊鏈的概念框架;第 2節探討平行區塊鏈 的基礎理論、關鍵問題 、研究方法與平臺架構;第 3節討論和辨析平行區塊鏈在三個不 同層次上的內涵及其異同之處：第 4 節總結本文并提 出未來的研究方 向.
1 平行 區塊鏈 的概念框架
一 般說來，區塊鏈可 以狹義地定義為一種按照時間順序將數據區塊 以鏈條 的方式組合成特 定數據結構、并 以密碼學方式保證不可篡改和 不可偽造的去中心化共享總賬 fDecentralizedsharedledger).該賬本可 以安全地存儲簡單的、有先后關系 的、能在系統 內驗證 的數據.相對應地，廣義 的區塊鏈則是 由數據鏈路 、通信網絡 、共識算法 、激勵機制、智能合約和應用場景等要 素共 同組成 的新技術框架 、以及 由此衍生 出的新興產業和生態系統.這種新技術框架 能夠利用加密鏈式區塊結構來驗 證與存儲數據、利用分 布式節點共識算法來 生成和更新數據 、利用 自動化腳本代碼 (智能合約)來編程和操作數據，是一種全新的去中心化基礎架構與分布式計算范式【22].
由此可見，區塊 “鏈”本身僅僅是數據存取的客觀載體和表現形式，更為本質和復雜的是區塊鏈 背后 由各 節點、各要素深度耦合與相互反饋而構成 的復雜生態系統.因此，平行區塊鏈不是多條相互獨立的區塊鏈 的簡單疊加與 互動，而是 以一種 “人機結合、虛實一體”的方式、通過人工區塊鏈系統與實際區塊鏈系統的協 同演化與平行反饋來實現 區塊鏈系統建模、預測與引導的新型研究框架.
平行 區塊鏈的概念框架如 圖 1所示，其核心思想是基于 ACP 方法來 實現 區塊鏈系統 的建模、實驗與決策，即：利用人工系統 (A)方法建立與實際區塊鏈系統相對應 、能夠 反映實際系統的狀態與演化規律的人工區塊鏈系統;利用計算實驗 (C)方法，在人工系統中對實 際區塊鏈系統進行實驗 、分析和評估，從而掌握實際區塊鏈系統在各種可能場景下的演化規律;利用平行執行 (P)方法，通過人工系統和實際系統 的平行 執行與協同演化，實現對實際區塊鏈系統的管理和控制.
具體說來，平行區塊鏈技術通過綜合考慮物理、網絡和社會三元空 間的各種復雜因素，采用理論建模、經驗建模和數據建模有機結合的方法，建立與實際區塊鏈系統 “伴 生”的一個或多個人工 區塊鏈系統.實際區塊鏈系統中因缺乏有效的建模、實驗和評估手段而 引發 的問題，可 以在人工區塊鏈系統 中構建相對應 的實驗場景，通過對于區塊鏈系統個體 f如礦 工節 點或 交易節 點)特 征與行為 的準確建模，以自底 向上 的涌現方式實施大量的計算 實驗，模擬并 “實播”區塊鏈系統的各種狀態與發展特性，從而輔助推理和預測實際區塊鏈系統各核心要素在常態和非常態情況下 的演化規律與相互作用關系;實際區塊鏈系統在其整個生命周期內與人工區塊鏈系統協同演化，二者通過特定的平 行交互機制與協議相互連接，在數據 、模 型、場景和決策等要素的實時同步基礎上，通過 人工系統中 “W hat—if”形式 的場景推演和實驗探索，實現對各 自未來狀態的 “預估”及其相互 “借鑒”，并相應地調節各 自的控制與管理方式.
平行區塊鏈 的核心優勢在于其 能夠有效實現區塊鏈系統的學習與培 訓、實驗與評估、以及管理與控制.
11學習與培訓：新興的區塊鏈技術 已經衍生出巨大 的市場培育和技術培訓需求.一般來說，學習者隨著對 區塊鏈技術 由淺入深 的熟悉和掌握，勢必會經歷由離線到在線 、由鏈下到鏈上的演進過程：而鏈上的在線操作一方面可 能為真實區塊鏈系統帶來安全性風險，另一方面也可能 由于執行特定操作 f如執行鏈上代碼)產生實際成本;平行區塊鏈則可 以安全、靈活和低成本方式實現場景化甚至游戲化的學習與培訓過程;平行 區塊鏈可在真實區塊鏈 系統 的基礎上，根據特 定學 習 目標來實例化一個或多個人工區塊鏈 系統，通過人工與實際系統的適 當連接組合，使得學 習者在人工系統 中快速掌握 區塊鏈系統的各項操 作及其可 能的效果，并量化考 核學習與培訓 的實 際效 果.
21實驗與評估：真實區塊鏈系統通常由于成本、安全和法律等原因而無法進行某些重要 的破壞性實驗和創新性 實驗，平行 區塊鏈則可 以計 算實驗 的方式實施這些實驗，從而為量化評估區塊鏈系統性能、實現區塊鏈要素創新提供決策依據。例如，通過在一個模擬真實系統的人工區塊鏈和 多個不同配置的人工區塊鏈 中同時實施各類 “壓力”實驗、“極 限”實驗和 “攻擊”實驗，可 以在測試評估真實區塊鏈的安全性 能的同時，搜索能夠有效抵御此類破壞性攻擊的區塊鏈優化配置：此外，平行區塊鏈可有效支持類似 “Tradingagentcompetition[0]”模式 的開源實驗與創新，其基本思路是根據特定需求 定義合適 的實驗場景和 目標，構建相應的人工區塊鏈系統環境、固定某些 區塊鏈控制變量的同時向社會公眾或科研人員開放若干 實驗變量 f例如共識機制、激勵機 制等)，通過競賽或者眾包等形式、匯集集體智慧實現特 定實驗變量的評估與優化，從而推動 區塊鏈技術的創 新和 發展 .
3)管理與控 制：平行 區塊鏈 可 以作為政府 機構和行業組織實施宏觀監管與趨勢預測 的 “平行沙盒”，以虛實結合的方式實現區塊鏈生態系統的管理與控制.一方面，區塊鏈領域涌現出的新技術、新模式和新業態可首先在一個或多個盡可能逼近實際狀態的人工區塊鏈系統中實驗、測評和完善，達到特定監管 目標和性能要求后方可應用于實際區塊鏈系統，從而以 “人工逼近實際”的方式實現平行沙盒的 “孵化”功能：另一方面 實際區塊鏈系統中發現 的新問題 、新需求和新趨勢也可 以實時導入人工區塊鏈系統，通過人工系統中大量的計算實驗和搜索尋優，獲得最優化 的新解決方案，并據此引導實際區塊鏈系統的發展和演變，從而以 “實際逼近人工”的方式實現平行沙盒的 “創新”功能.
2 平行區塊鏈的研究框架
簡言之，區塊鏈的核心特點是基于分布 式共識和鏈式數據結構的多智能體系統.一方面，區塊鏈共識是多智能體社會網絡 中的大規模群體協調與協作過程.受經濟激勵等因素影響，共識過程中存在著高度不確定性 fUncertainty)的心理與行為 f如 自私挖礦 、惡意粉塵攻擊等)、高度多樣化 (Diversity)的共識機制與策略、以及高度復雜化 fComplexity)的智能體競爭與合作博弈.這是 由 “人”參與而為區塊鏈帶來 的社會復雜性;另一方面，區塊鏈 的鏈式數據結構集成 了多種特殊技術處理 以實現安全可信和不可篡改等特性，例如時問戳 、Hash運算、密碼學算法和去中心化的 P2P 網絡等.這是區塊鏈在技術層面上原生的工程復雜性.由此可見，區塊鏈系統是典型的 “人在環路中”、兼具社會復雜性與工程復雜性的復 雜系 統.
不確定 、多樣化和復雜性特征 fUDC)使得基于機理分析的傳統理論與方法難 以直接應用于區塊鏈系統研究，必須通過實驗方法來解決.然而，由于 “人”的心理、行為和策略性交互博弈等復雜因素的引入，研究和優化區塊鏈系統的本質 困難是在很難甚至無法進行實驗的情況下，如何定量、實時地對區塊鏈系統 內部的行為、機制、策略、結構等要素進行建模 、分析和評估.本質上，這就是應對 “建模不可建模者”、“預測不可預測者”和 “決策不可決策者” 的 矛盾 .平 行 智 能是 解 決這 一 本質 矛 盾 的有效 理 論和方法.本節將詳細闡述平行區塊鏈的基礎理論、研究問題 、以及研究方法和平 臺體系.
2.1 基礎 理論
平行 智能理論是復雜 自適應系統理論和復雜性科學在新時代 CPSS復雜環境下的邏輯延展和創新，是 實 際 與人 工相 結 合 、整體 與 還 原 相 結合 、定 性 與定量相結合 的新型研究范式.基于平行智能理論 的平行區塊鏈研究主要解決如下三個關鍵 問題：
研究問題 1.區塊鏈復雜生態系統 的整體建模與還原建模的有機集成與統一
復雜系統的整體建模與還原建模是既對立又統一 的兩種研究方法，前者強調宏觀系統層面的高層涌現與演變規律，而后者則注重微觀個體層面的特征刻 畫與行 為交互.平行區塊鏈理論必須將二者有機結合.一般說來，區塊鏈 (特別是公有鏈)系統通常包含大量的個體參 與者，例如挖礦節點、交易節點 、礦池等.這些參與者通過區塊鏈 網絡相互連接，并遵循特定交互協議和共識算法共 同維護和更新數據鏈條.因而，必須首先針對大量個體參 與者節點進行微觀層面的還原建模，全面 、精準地刻畫參與者的靜態特征 、動態行為及其交互機制.還原建模越精準 、粒度越細，則后續整體建模 的復雜度越高，但獲得 的高層涌現與演變規律更為準確可信.因此，區塊鏈 系統建模必須有機地集成兩種研究方法，兼顧還原建模粒度和整體建模復雜度、并尋求二者 的最優均衡 .
研究問題 2.“人在環路 中”的區塊鏈計算實驗與 預測解 析
受經濟成本 、技術條件和法律法規等因素的制約，區塊鏈領域 的新思想和新技術很難直接應用于實際區塊鏈系統，這也是 目前許 多比特 幣改進提議 fBitcoinimprovementproposal，BIP)仍然處于提出和草 案狀 態 、無 法真 正激 活和落 地 的主要 原 因.利用計算實驗方法來測試其可行性 、評估其效率和效果是解決該 問題的有效途徑，其關鍵研 究問題在于：區塊鏈系統并不是 由可控制和可預測 的簡單工程技術構成的 “牛頓系統”，而是 “人在環路中”、人和社會因素深度影響系統行為規律、具有 自我實施特征的 “默 頓 系統”[24-25].因此，區塊 鏈 實驗 不能局 限于比特 幣測試 網絡這類 以盡可能 “仿真”為 目的的實驗場景與環境，而是應該基于各類實際或虛擬 的計算實驗場景 、利用 自適應演化算法、平行學 習等算法來驅動實驗，從而觀察和量化評估各類參數配置、新技術方案和體系架構等在不 同實驗場景下的效果性能，并預測其演變規律.
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