CN109903033A - 一种区块链分布式能源安全交易方法 - Google Patents
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Abstract
本发明请求保护一种区块链分布式能源安全交易方法，包括a.点对点的能源交易架构；b.基于信用值借贷的能源交易方法；c.基于信用支付的最优贷款定价方法；本发明支持能源节点通过信用支付进行快速和频繁的能源交易，并最大限度地提高信贷银行的经济效益,不仅保证了能源安全交易，而且能支持高效、频繁的能源交易。
Description
技术领域
本发明属于区块链技术领域，尤其涉及一种区块链能源安全交易方法。
背景技术
近年来，工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)作为未来工业系统的重要组成部分已经引起了学术界和工业界的广泛关注。工业物联网利用具有无处不在的联网和计算能力的传感设备和执行器为工业系统提供智能与联通能力。然而对于工业系统而言，工业物联网节点在数量和性能要求方面都在持续增长，如何满足工业物联网应用日益增长的能源需求是一个巨大的挑战。为了应对这一挑战，前人研究已经提出了在工业物联网之间进行点对点的能源交易，例如电动车辆。工业物联网节点可以通过点对点的方式与其他节点交换剩余能量，从而满足本地化能源需求，提高能源效率，并减少能量长距离传输带来的损失。
许多新兴技术己被引入到绿色工业系统中，例如无线能量收集，无线电力传输和电动车入网技术。结合这些技术，工业系统开发出各种高效和可持续的点对点能源交易场景。以下是针对工业物联网三种典型的点对点能源交易场景:
(1)微电网:具有太阳能电池板或风力发电机的智能建筑收集环境能量从形成微电网，并可通过点对点的方式进行能量交易。
(2)无线能量获取网络:具有能量获取能力的工业节点可以从可再生能源获取能量，也可以通过点对点能源交易的方式，利用具有无线电力传输的移动充电车进行充电。
(3)电动车入网技术:电动车作为能量存储设备在电网负荷低谷执行充电操作，并将其能量反馈回电网以减少负荷波峰。在本地聚合器的帮助下，车辆还可通过点对点的方式将其能量卖给邻近的充电车辆。
虽然能源交易在工业物联网中发挥着至关重要的作用，但普通的点对点能源交易场景存在普遍的安全和隐私挑战。1)工业物联网节点在不完全可信和不透明的能源市场上进行大规模分布式能源交易并不安全。2)具有剩余能量的工业物联网节点可能由于担心安全与隐私问题，而不愿意作为充当能源提供者参与交易。在这种情况下，工业物联网节点之间的能源供应和需求是不平衡的。3)在点对点能源交易中若由第三方代理来审核和验证节点之间的交易记录，那么无法保障这个第三方代理不出现单点故障或者隐私泄露等问题。
发明内容
本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种最大限度地提高信贷银行的收益的区块链分布式能源安全交易方法。本发明的技术方案如下：
一种区块链分布式能源安全交易方法，其包括以下步骤；
a.点对点能源交易步骤：建立应用层、区块链网络层及区块链存储层，所述应用层负责接收用户提交的交易信息并对用户身份和交易信息进行验证，用户可查询相关信息；区块链网络层进行对发布交易进行认证即能源代理商进行共识；共识完成后交易信息记录在区块链存储层，即存储区块信息；
节点选择交易角色，买卖双方进行能源交易买方将能源币转移到卖方提供的钱包地址，能源代理商进行共识构建区块；
b.基于信用值借贷的能源交易方法，包括：被授权能源代理商中的信贷银行充当拥有足够能源币的可信节点，信贷银行根据能源节点的信用值，为能源节点提供能源币贷款，借贷的能源币最终从信贷银行账户转移到信贷银行和借款人共享的钱包地址；
c.基于信用支付的最优贷款定价方法，缺少能源币的买方可充当借贷方向本地能源代理商中的信贷银行申请贷款，包括：针对借贷方能源币借贷价格即利率和罚款率和借贷数量的问题进行建模，最大化信贷银行的经济效益，缺少能源币的买方充当借贷方向本地能源代理商中的信贷银行申请贷款。借贷方申请成功后从能源卖方购买能源。
进一步的，所述步骤a点对点能源交易步骤具体包括：
利用高效的Boneh-Boyen短签名方案进行系统初始化，每个能源节点从系统中获取公钥、私钥、身份证书和一组钱包地址；
能源节点根据当前的需求选择它们的角色即能源买方或卖方；
买卖双方进行能源交易，能源代理商进行能源需求计算并广播；
能源买方将能源币从其钱包转移到卖方提供的钱包地址来使用能源币付款；
能源代理商在一段时间内收集所有本地交易记录，然后对这些记录进行加密和数字签名以保证其真实性和准确性；
选定的能源代理商向其他能源代理商广播块数据，时间戮和工作证明以进行验证和审计，实现共识过程。
进一步的，所述步骤b基于信用值借贷的能源交易方法具体步骤如下：
b11.请求令牌：借贷方Bi利用它在信贷银行的信用值来申请令牌，完成支付；
b12.能源币支付：在能源交易期间Bi使用在共用钱包内的能源币完成支付，在中的每笔付款都会被本地信贷银行核实和记录，信用银行将支付相关数据的哈希值存入pre_recordi中；
b13.偿还能源币贷款：Tokeni有效期过后，Bi将会收到最新的令牌这个令牌包括使用Tokeni进行基于信用的付款记录的所有散列值。
进一步的，所述步骤c基于信用支付的最优贷款定价方法，具体包括：
c11.对借贷方能源币价格和额借贷数量的问题进行建模；
c12.对问题进行求解得出最优贷款定价。
进一步的，所述步骤c11对借贷方能源币价格和额借贷数量的问题进行建模，具体包括：
c111.计算借贷方的满意度函数和效用函数；
c112.计算信贷银行的经济效益；
c113.制定基于非合作斯坦博格博弈的借贷模型，其中信贷银行是领导主方而借贷方是从方，分别计算博弈主方信贷银行和从方借贷方的目标函数。
进一步的，所述c111.计算借贷方的满意度函数和效用函数，具体包括：
在当地能源代理商中，信贷银行m即CBm为借贷方Bi提供的贷款量表示为Ri，i∈Ι，Bi∈Β，Bi最小能源需求表示为Pi是贷款请求前给定的能源价格，信贷银行必须向Bi提供Ri/Pi贷款量以完成支付，设定本地信贷银行有足够的能源币来满足借贷方的贷款数量要求，如果本地信贷银行没有足够的能源币提供给借贷方，可从邻近的信贷银行获取一定量的能源币满足借贷需求，Bi的满意度函数表示为
其中，di＞0，θi＞0是Bi的给定参数；
Bi的效用函数表示为
ui＝λi[usat-βiRiti]-(1-λi)αiRi
其中λi是借贷方还贷能力，即Bi及按时还贷的概率，λi可通过Bi的还贷记录RPi(s,f)来计算，0＜λi＝s/(s+f)≤1，βi是由信贷银行决定的贷款利率，αi是超时还款的罚款率，利率和罚款率之间的关系表示为αi＝ηitiβi，ηi＞1是预设参数，而ti＞0是贷款开始计时的时间。
进一步的，所述步骤c12中使用逆向推导法来求解上述斯坦博格博弈问题，问题求解过程包括
c121.求解贷款方的最优贷款量；
c122.由信贷银行确定贷款的最优利率和罚款率；
使用逆向推导法来求解上述斯坦博格博弈问题时，首先求解Bi的最优贷款量即对ui进行关于Ri求导， 然后由信贷银行确定贷款的最优利率和罚款率把的等式代入上式中，得到对进行关于αi的求导得到令得到故借贷银行的最优策略可表示为其中
进一步的，所述步骤c12中为了达到纳什均衡，信贷银行需要与每个借贷方进行通信，借贷方和信贷银行通过分布式的方式，按自身收益最大化的方向调整，让所有借贷方和信贷银行经过迭代后快速有效地达到纳什均衡；信贷银行分别选取它们最优策略时，斯坦博格博弈达到纳什均衡，因此，一旦信贷银行给出最优定价价格，借贷方将可选择它们各自最优贷款量，从而使得斯坦博格博弈达到纳什均衡。
本发明的优点及有益效果如下：
本发明提出了一个基于联盟区块链的通用能源区块链架构，这个能源区块链适用于工业物联网中典型的能源交易场景，例如微电网，无线能量获取网络和电动车入网技术。设计了一种基于信用的支付方案克服由交易确认时延引起的能源交易限制，从而支持能源节点通过信用支付进行快速和频繁的能源交易。提出基于斯坦博格博弈的能源币贷款的最优定价策略，从而最大限度地提高信贷银行的经济效益。通过对能源区块链和信用支付方案的安全性能分析和性能评估可知，所提能源区块链不仅保证了能源安全交易，而且能源区块链和基于信用的支付方案支持高效、频繁的能源交易。
(1)为了保证安全的点对点能源交易，我们基于通用点对点能源交易框架利用联盟区块链建立面向工业物联网典型场景的通用化能源区块链。对于传统的区块链，在交易记录形成区块之前需要执行一个重要的交易审计阶段，即节点共识过程。在传统区块链中，这个共识过程在所有节点中执行，因此系统开销巨大。与此不同的是，本发明所提的能源区块链以适中的成本，由预先选定的能源代理商进行了共识过程。这些能源代理商收集和管理他们的本地交易记录。在完成共识过程之后，交易记录会被构造成数据区块，并且存在存储池中。
(2)在能源区块链中，所有被授权的能源代理商需要花费一定的时间来审核和验证新产生区块的交易记录(即执行共识过程)。而这个共识时间定义为交易确认时延。只有当共识完成后，能源交易所涉及的能源币才能到达相应的钱包地址。虽然本发明所提出的能源区块链交易确认时间少于比特币网络的60分钟，但是工业物联网节点仍无法频繁进行能源交易。其中主要的原因是在共识过程期间，节点的钱包余额冻结，能源买方没有足够的能源币来进行频繁的能源交易。为解决这个问题，设计了一种基于信用的借贷支付方案来支持快速交易，进而实现频繁的点对点能源交易。每个被授权能源代理商中的信贷银行充当拥有足够能源币的可信节点。信贷银行根据能源节点的信用值，为能源节点提供能源币贷款。借贷的能源币最终从信贷银行账户转移到信贷银行和借款人共享的钱包地址。
(3)为最大化信贷银行的经济效益，针对借贷方能源币借贷价格(即利率和罚款率)和借贷数量的问题进行建模，最终得到最优方案。缺少能源币的买方充当借贷方向本地能源代理商中的信贷银行申请贷款，借贷方申请成功后从能源卖方购买能源，在一定期限内借贷方进行还款，信贷银行的收益主要包括借贷方的贷款利息和未能及时还贷而引起的滞纳金。
附图说明
图1是本发明提供优选实施例的系统构架示意图。
图2是本发明的系统交易示意图。
图3是本发明的基于信用值付款的交易示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
图1是本发明的系统构架示意图，图2是本发明的系统交易示意图，图3是本发明的基于信用值付款的交易示意图，
本实施例中的一种区块链能源安全交易方法，包括
a.点对点能源交易架构；
b.基于信用值借贷的能源交易方法；
c.基于信用支付的最优贷款定价方法。
如图1所示，在本实施例中，应用层负责接收用户提交的交易信息并对用户身份和交易信息进行验证，用户可查询相关信息；网络层进行对发布交易进行认证即能源代理商进行共识；共识完成后交易信息记录在区块链存储层，即存储区块信息。
如图2所示，所述步骤a还包括
a1.系统初始化后节点选择交易角色，买卖双方进行能源交易买方将能源币转移到卖方提供的钱包地址，能源代理商进行共识构建区块。
在能源区块链中利用高效的短签名方案进行系统初始化，每个能源节点IDi从系统中获取公钥、私钥(PKi&SKi)、身份证书(Certi)和一组w个钱包地址()；权威机构据此生成一个映射列表并将该列表存储在帐户池中。当节点i执行系统初始化时，节点i会将其使用的钱包地址上传到最近的能源代理商的帐户池中。节点i检查其钱包的完整性，并从存储池和能源代理商中的信贷银行中下载关于其该钱包的最新数据。存储池将所有交易记录存储在能源区块链中，并通过信贷银行记录基于信用的相关支付。能源节点根据当前的需求选择它们的角色(即能源买方或卖方)，买卖双方进行能源交易，能源代理商进行能源需求计算并广播，能源卖方确定他们能源卖出量并给控制器发送回复。控制器匹配本地能源节点之间的能源供应和需求。然后通过电力线或无线电力传输将能源从能源卖方传输给相应的买家。
能源买方将能源币从其钱包转移到卖方提供的钱包地址来使用能源币付款，能源代理商在一段时间内收集所有本地交易记录，然后对这些记录进行加密和数字签名以保证其真实性和准确性，选定的能源代理商向其他能源代理商广播块数据，时间戮和工作证明以进行验证和审计，实现共识过程。
在本实施例中，在共识过程期间，节点的钱包余额冻结，能源买方没有足够的能源币来进行频繁的能源交易，使用基于信用的借贷支付方案来支持快速交易，图3为基于信用值付款的交易示意图，具体步骤如下
b11.请求令牌：借贷方Bi可利用它在信贷银行的信用值来申请令牌，完成支付。
b12.能源币支付：在能源交易期间Bi使用在共用钱包内的能源币完成支付。在中的每笔付款都会被本地信贷银行核实和记录。信用银行将支付相关数据的哈希值存入pre_recordi中。
b13.偿还能源币贷款：Tokeni有效期过后，Bi将会收到最新的令牌这个令牌包括使用Tokeni进行基于信用的付款记录的所有散列值。
在本实施例中，基于信用支付的最优贷款定价方法,所述步骤c中问题建模过程包括
c111.计算借贷方的满意度函数和效用函数，
c112.计算信贷银行的经济效益，
c113.制定基于非合作斯坦博格博弈的借贷模型，其中信贷银行是领导主方而借贷方是从方。分别计算博弈主方(信贷银行)和从方(借贷方)的目标函数。
在当地能源代理商中，信贷银行m(即CBm)为借贷方Bi提供的贷款量表示为Ri，i∈Ι，Bi∈Β。Bi最小能源需求表示为Pi是贷款请求前给定的能源价格。信贷银行必须向Bi提供Ri/Pi贷款量以完成支付。设定本地信贷银行有足够的能源币来满足借贷方的贷款数量要求。如果本地信贷银行没有足够的能源币提供给借贷方，可从邻近的信贷银行获取一定量的能源币满足借贷需求。Bi的满意度函数表示为
其中，di＞0，θi＞0是Bi的给定参数。
Bi的效用函数表示为
ui＝λi[usat-βiRiti]-(1-λi)αiRi
其中λi是借贷方还贷能力，即Bi及按时还贷的概率。λi可通过Bi的还贷记录RPi(s,f)来计算。在本章中0＜λi＝s/(s+f)≤1。βi是由信贷银行决定的贷款利率。αi是超时还款的罚款率。利率和罚款率之间的关系表示为ηi＞1是预设参数，而ti＞0是贷款开始计时的时间。
在本实例中所述c12中使用逆向推导法来求解上述斯坦博格博弈问题。问题求解过程包括
c121.求解贷款方的最优贷款量，
c122.由信贷银行确定贷款的最优利率和罚款率。
使用逆向推导法来求解上述斯坦博格博弈问题时，首先求解Bi的最优贷款量(即)，然后由信贷银行确定贷款的最优利率和罚款率。
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。
Claims (8)
1.一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，包括以下步骤；
a.点对点能源交易步骤：建立应用层、区块链网络层及区块链存储层，所述应用层负责接收用户提交的交易信息并对用户身份和交易信息进行验证，用户可查询相关信息；区块链网络层进行对发布交易进行认证即能源代理商进行共识；共识完成后交易信息记录在区块链存储层，即存储区块信息；
节点选择交易角色，买卖双方进行能源交易买方将能源币转移到卖方提供的钱包地址，能源代理商进行共识构建区块；
b.基于信用值借贷的能源交易方法，包括：被授权能源代理商中的信贷银行充当拥有足够能源币的可信节点，信贷银行根据能源节点的信用值，为能源节点提供能源币贷款，借贷的能源币最终从信贷银行账户转移到信贷银行和借款人共享的钱包地址；
c.基于信用支付的最优贷款定价方法，缺少能源币的买方可充当借贷方向本地能源代理商中的信贷银行申请贷款，包括：针对借贷方能源币借贷价格即利率和罚款率和借贷数量的问题进行建模，最大化信贷银行的经济效益，缺少能源币的买方充当借贷方向本地能源代理商中的信贷银行申请贷款，借贷方申请成功后从能源卖方购买能源。
2.根据权利要求1所述的一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，所述步骤a点对点能源交易步骤具体包括：
利用高效的Boneh-Boyen短签名方案进行系统初始化，每个能源节点从系统中获取公钥、私钥、身份证书和一组钱包地址；
能源节点根据当前的需求选择它们的角色即能源买方或卖方；
买卖双方进行能源交易，能源代理商进行能源需求计算并广播；
能源买方将能源币从其钱包转移到卖方提供的钱包地址来使用能源币付款；
能源代理商在一段时间内收集所有本地交易记录，然后对这些记录进行加密和数字签名以保证其真实性和准确性；
选定的能源代理商向其他能源代理商广播块数据，时间戮和工作证明以进行验证和审计，实现共识过程。
3.根据权利要求1所述的一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，所述步骤b基于信用值借贷的能源交易方法具体步骤如下：
b11.请求令牌：借贷方Bi利用它在信贷银行的信用值来申请令牌，完成支付；
b12.能源币支付：在能源交易期间Bi使用在共用钱包内的能源币完成支付，在中的每笔付款都会被本地信贷银行核实和记录，信用银行将支付相关数据的哈希值存入pre_recordi中；
b13.偿还能源币贷款：Tokeni有效期过后，Bi将会收到最新的令牌这个令牌包括使用Tokeni进行基于信用的付款记录的所有散列值。
4.根据权利要求1所述的一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，所述步骤c基于信用支付的最优贷款定价方法，具体包括：
c11.对借贷方能源币价格和额借贷数量的问题进行建模；
c12.对问题进行求解得出最优贷款定价。
5.根据权利要求4所述的一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，所述步骤c11对借贷方能源币价格和额借贷数量的问题进行建模，具体包括：
c111.计算借贷方的满意度函数和效用函数；
c112.计算信贷银行的经济效益；
c113.制定基于非合作斯坦博格博弈的借贷模型，其中信贷银行是领导主方而借贷方是从方，分别计算博弈主方信贷银行和从方借贷方的目标函数。
6.根据权利要求5所述的一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，所述c111.计算借贷方的满意度函数和效用函数，具体包括：
在当地能源代理商中，信贷银行m即CBm为借贷方Bi提供的贷款量表示为Ri，i∈Ι，Bi∈Β，Bi最小能源需求表示为Pi是贷款请求前给定的能源价格，信贷银行必须向Bi提供Ri/Pi贷款量以完成支付，设定本地信贷银行有足够的能源币来满足借贷方的贷款数量要求，如果本地信贷银行没有足够的能源币提供给借贷方，可从邻近的信贷银行获取一定量的能源币满足借贷需求，Bi的满意度函数表示为
其中，di＞0，θi＞0是Bi的给定参数；
Bi的效用函数表示为
ui＝λi[usat-βiRiti]-(1-λi)αiRi
其中λi是借贷方还贷能力，即Bi及按时还贷的概率，λi可通过Bi的还贷记录RPi(s,f)来计算，0＜λi＝s/(s+f)≤1，βi是由信贷银行决定的贷款利率，αi是超时还款的罚款率，利率和罚款率之间的关系表示为αi＝ηitiβi，ηi＞1是预设参数，而ti＞0是贷款开始计时的时间。
7.根据权利要求5或6所述的一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，所述步骤c12中使用逆向推导法来求解上述斯坦博格博弈问题，问题求解过程包括
c121.求解贷款方的最优贷款量；
c122.由信贷银行确定贷款的最优利率和罚款率；
使用逆向推导法来求解上述斯坦博格博弈问题时，首先求解Bi的最优贷款量即对ui进行关于Ri求导， 然后由信贷银行确定贷款的最优利率和罚款率αi *，把的等式代入上式中，得到对进行关于αi的求导得到令得到故借贷银行的最优策略可表示为其中
8.根据权利要求7所述的一种区块链分布式能源安全交易方法，其特征在于，所述步骤c12中为了达到纳什均衡，信贷银行需要与每个借贷方进行通信，借贷方和信贷银行通过分布式的方式，按自身收益最大化的方向调整，让所有借贷方和信贷银行经过迭代后快速有效地达到纳什均衡；信贷银行分别选取它们最优策略时，斯坦博格博弈达到纳什均衡，因此，一旦信贷银行给出最优定价价格，借贷方将可选择它们各自最优贷款量，从而使得斯坦博格博弈达到纳什均衡。
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| CN201910137262.5A Pending CN109903033A (zh) | 2019-02-25 | 2019-02-25 | 一种区块链分布式能源安全交易方法 |
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