用于点对点能源交易的联盟链

本文章对论文《Consortium Blockchain for Secure Energy Trading in Industrial Internet of Things 》进行解读。

这篇论文发布于《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS》。它是电力能源领域的顶级期刊，属于SCI一区。本人并不是研究电力能源方向，只是这篇文章涉及到区块链的应用，还有点兴趣，故进行一个粗略的阅读及消化。

本文要解决的问题是点对点能源交易领域，特别是电力交易中的安全问题。涉及到的一个比较新的东西就是能源区块链。目前，国际上有关能源区块链的项目都只是在试行中，没有大规模的推广，国内由于能源交易管控严格，更是很少落地的项目。同样的问题，我认为，这篇论文缺乏正规的实验验证，写的不够具有说服力，可能的确不好开展相关的实验研究（这个问题到后面还会提到），但其思想还是可以参考一下的。

首先，在提到的背景中，它提到了3个应用场景。分别是微电网、能量收集网络、车辆到电网（Vehicle-to-grid）。如下图所示：

能源区块链应用场景

在这些点对点交易场景中，存在着一些安全、隐私问题。比如，由于能源市场的不可信、不透明，因此在一个去中心化的大规模网络中进行能源交易是不安全的；有些节点出于隐私考虑不会出售自己的多余能源，导致供需不平衡；如果不去中心化，而引入第三方对交易进行审计、验证，就增加了单点故障、隐私泄露等风险。

区块链由于其去中心化、匿名性、高可信度，被用来解决上述的能源交易问题。此论文的作者在之前发表的一篇论文中阐述了联盟链在建立去中心化电子交易系统中的应用潜力。基于上一篇论文，本文进一步利用联盟链设计了一个点对点能源交易系统，称为能源区块链。

这篇论文主要围绕3个贡献展开；

贡献1：即上面提到的能源区块链；

贡献2：基于信用的支付。为了缓解交易确认时延带来的效率问题，可以进行贷款支付；

贡献3：优化的定价策略。核心是利用了Stackelberg博弈。此策略用来最大化信贷银行的利益。

贡献1：能源区块链

这种区块链的建立、运行其实和比特币类似。一些主要的词汇如下表所示。

主要词汇

很重要的一个概念：能量聚合器（energy aggregator ,EAG）。充当“能源经纪人”（感觉和比特币里面的矿工比较像）。实现节点间的无线通信，并管理交易相关的事件。在不同的交易场景中，能量聚合器是不同的实体。例如，在微电网中，高级计量基础设施（advanced metering infrastructure）就可以是EAG。在能源收集网络中，一个加强版的基站也可以作为EAG，它有更强的计算和存储能力。V2G网络中，局部聚合器可以作为EAG。

能量聚合器包含4个实体：内存池、账户池、信贷银行、交易服务器。它们的关系如下图所示。交易服务器负责收集能源请求，然后对交易进行匹配。能源节点的数字资产为能源币。每个能源节点有一个能源币账户，用以保存个人交易记录。在这个账户中有一个钱包用来管理个人能源币。钱包的公钥是随机假名，用来代替钱包的真实地址。账户池中保存了这种匹配关系，同时它也负责记录和管理能源节点的私人钱包地址中的能源币资金。内存池则存储了当地能源节点的所有交易记录。

区块链的运行流程也比较简单明了：

1. 系统初始化。主要是能源节点的一些初始化工作。

2.选择能源交易中的角色（买家or卖家）。

3.交易能源。在这个过程中，EAG这个“能源经纪人”就要发挥它的作用了。它会根据当前能源市场来设置交易价格（我也不知道它会怎么设置），激励当地的卖家参与进来。交易时，币不够的买家可使用代币支付。（支付过程后面会进行分析。此处应该是先交钱再发货。）支付完成后，卖家从内存池中查询最新的区块链信息，验证这次支付。之后买家会产生新的交易记录，这条记录已经被卖家验证、签名过了。从而，记录被上载到EAG进行审计。完成这次交易后，卖家和买家的信用值都会提高。

4.增加区块。EAG收集一段时间内的交易，然后加密、签名、打包。下图展示了交易记录是如何被组织成块的。（然而我好像并没有看到它们是如何被组织成块的？）在数据的审计上，和比特币一样，也是采用PoW（Proof of Work）机制。最先挖到区块的奖励一定的能源币（类似比特币）。

5.执行共识机制。不是所有的节点都参与共识过程。只有最快的EAG以及其它合法的EAG参与其中。如果leader EAG广播的区块数据得到所有合法EAG的认可，它就会把当前审计过的区块数据和与之对应的签名发送到所有合法EAG，以供保存。如果有些EAG没有统一它广播的区块数据，leader EAG就会分析审计结果，然后再次发送（如果有必要）。

6.钱到账。完成上述所有过程后，能源币才到达卖家的包包…上面花的所有时间，加起来就叫交易确认时延。

贡献2：基于信用的支付

能源币支付

支付过程如上图所示。交易在买家、卖家和EAG之间进行（买家钱不够的场景）。别看有9步，其实过程相当简单。可以用一句话来概括：买家发送请求->验证请求->创建共享钱包->银行发送代币->买家用代币支付->卖家向银行验证代币等信息->银行兑换对应的能源币给卖家->卖家发货。前4步为代币请求过程，剩下的是支付过程。论文中这一块写的比较啰嗦，有一些形式化的描述，在这里就不展开了。

贡献3：优化的定价策略

这是我读整个论文的过程中，比较费解的一段。涉及到博弈论问题。首先是对要解决的问题进行一个形式化描述。

银行必须提供 $R_i/p_i$ （这个式子也不太理解）的贷款给Bi以完成交易。这里默认银行有足够的能源币支持贷款。之后论文提出了两个函数，并没有说明这两个函数是干啥的，怎么来的，我表示很懵圈。

$B_i$ 的满足函数：

$u_{sat}=d_i ln⁡[(R_i/p_i - Q_i^{min}+ θ_i)]$ (1)

其中， $d_i>0 ,θ_i>0$ ，它们是预定义的。

$B_i$ 的效用公式为（2）。

$u_i= λ_i [u_{sat}- β_i R_i t_i]-(1- λ_i)α_i R_i$ (2)

其中 $λ_i$ 是 $B_i$ 的还款能力，可以通过 $B_i$ 的还款记录 $RP_i (s,f)$ 来计算，它的取值范围是0到1。 $β_i$ 是利率。 $α_i$ 是违约利率。两者的关系定义为：

$α_i= η_i t_i β_i$

可见违约利率是一个关于利率和时间的线性函数。能还款时，取极值，假设 $λ_i=1$ ，代表一定不会违约，则 $u_i= u_{sat}- β_i R_i t_i$ 。

银行得到的报酬包括利息以及可能的滞纳金。银行的开销为 $R_i t_i c_i$ 。 $c_i$ 是信贷银行借给 $R_i$ 的贷款的单位花费。银行的收益公式为：

$u_{bc}^i= γ_i [β_i R_i t_i- R_i t_i c_i ]+(1- γ_i)α_i R_i$ （3）

$γ_i$ 是一个预定义的值， $B_i$ 的信用等级越高， $γ_i$ 越大，其取值范围为0到1。

公式中用到的字母及其代表的含义：

然后就是提出了解决方法。

本论文构想出一个非合作斯坦克尔博弈。先行动者为信贷银行，后行动者为借贷者。银行最后分别决定每个借贷者的违约率。

两者的目标函数分别为：

银行的目标就是让收益之和尽可能大，而借贷者的目标就是让 $u_i$ 尽可能大。我们首先解决 $B_i$ 的贷款量优化问题（即 $R_i^*$ ）,然后银行决定优化利率和违约利率。

在(2)中对 $u_i$ 关于 $R_i$ 求一阶和二阶导,可以知道 $u_i$ 是严格的凹函数（二阶导恒<0）。令一阶导为0，得到

$R_i^*= (λ_i d_i)/(λ_i β_i t_i+(1- λ_i)α_i )+ k_i$ （8）

其中， $k_i= Q_i^{min} p_i- θ_i p_i$ 。将（8）代入（3）,得到 $u_{bc}^i$ 新的表达式。它也是一个严格的凹函数。同样令一阶导=0，可以求出对应的违约利率 $α_i$ ，从而求出利率 $β_i$ 。

为了达到斯坦克尔伯均衡（SE）。银行需要和每名借贷者交流。论文又提出了一个算法来达到提议的游戏中唯一的SE。随后，又提出一个定理：银行和借贷者间总能达到唯一的斯坦克尔伯均衡。（没看出来有啥用）

实验部分：

说实话，作者在这一块很敷衍。先写了一点对能源区块链的安全分析及性能分析，画了个图，比较交易频率啥的，关键是这实验在哪实现的？读者咋复现？没有这些东西，就搞个图上去，然后分析一下，这不太严谨吧？。。。

后面是对贷款支付机制的性能分析。说是基于某借贷俱乐部的数据来研究的。里面包括借贷状态（已还清、在还、没还等）、最新的支付信息、信用值、地址等，然后根据这些数据划分成35个信用等级(ABCDEFG*5)。又执行了两个什么启发式能源币分布方案，来和作者提出的方案PK。然后就是多少轮迭代之后，银行的收益趋于稳定。这咋迭代的，啥意思啊？论文都没提。最后控制 $γ_i$ 等参数观察收益变化。

没了。

实验部分太空，让读者觉得真实性有待考证，没什么工作量，也没法复现，是个问题。或许我们还要看一下相关的其它论文，反正后面借贷的一些地方我怎么都没看懂。可能是因为能源区块链这方面的论文比较少，缺少参考吧，不过能发表在这样的期刊上，还是值得鼓励！

欢迎交流。

用于点对点能源交易的联盟链

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