CN111429276B - 基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，包括以下步骤：1)设定智能合约的创始节点为管理员节点，其他节点为用户节点；2)区分管理员节点与用户节点的系统功能和账户权限，有且仅有管理员节点可以通过能源开关函数对于区块链中可交易的能源类型进行增删；3)用户实现多种能源同时交易，智能合约根据市场供需情况将用户发布的信息进行撮合交易。本发明能够有效地解决现今能源交易系统中心化及安全保障不足等问题，同时为目前区块链技术在多能源交易领域发展受限的问题提出了有效的解决措施。

Description

基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法

技术领域

本发明属于多能源耦合分布式交易领域，涉及一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法。

背景技术

随着我国能源市场的进一步改革，目前所推进和鼓励的政策是推进能源的分布式交易，形成自由交易的竞争市场。以电能为例，随着售电侧的放开，传统的电能消费者不但可以消费能源，还能在未来成为产消者，以实现提高能源交易的效率，降低传输过程的能耗的目的。在这样的新型能源市场中，参与者的类型变得更为丰富，生产者和消费者不再是绝对的，用户将更多地以产消者的身份参与到能源市场交易中。

但是由于传统的交易中心需要持续对交易数据和交易过程进行维护管理，运行成本高，且存在不可避免的信任问题，中心化的数据库也有交易数据被篡改的风险，直接威胁交易数据的安全和交易方的利益。区块链技术为解决此问题提供有效途径，但现在针对能源交易已开发的区块链技术仍具有一定局限性，比如，无法对多种能源共同进行交易，同时缺少管理员这样的弱中心化节点，不能有效做到分布式交易，且交易撮合模式无法考虑不同的市场情况，使得区块链技术在能源领域发展受阻碍等等。

发明内容

为了克服上述问题，本发明的目的在于提供一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，解决现有能源交易中存在的问题，为区块链技术在能源交易领域的运用提供新的解决方法。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，包括以下步骤：

1)设定智能合约的创始节点为管理员节点，其他节点为用户节点；

2)区分管理员节点与用户节点的系统功能和账户权限，有且仅有管理员节点可以通过能源开关函数对于区块链中可交易的能源类型进行增删；

3)用户实现多种能源同时交易，智能合约根据市场供需情况将用户发布的信息进行撮合交易。

进一步地，上述步骤2)包括以下步骤：

201)增添能源

通过将创建合约者的地址设为管理员地址，调用合约时，运用以太坊智能合约中身份验证的方法判断账户地址是否为管理员账户，进行能源创建；通过在创建的能源结构体中插入能源ID(能源标识符)字段，使得每一条交易信息都添加有与交易能源对应的能源标识符，在交易过程中对不同能源标识符分类进行交易；

202)删除能源

智能合约语言无法直接对数组进行删除，设计一个仅管理员可调用的能源开关模块，对于新添加的能源都标识为允许状态，当需要删除时，管理员调用能源开关模块改变能源允许状；在用户发布交易时，智能合约便会先根据能源开关模块判断能源是否开启，再执行交易指令，完成与删除能源相同的效果。

进一步地，上述步骤3)包括以下步骤：

301)用户发布交易；

302)合约进行撮合前的初始化准备；

303)确定撮合价格；

304)确定成交量；

305)进行撮合。

进一步地，上述步骤301)具体包括：

智能合约首先获取所有能源的开启状态，再将开启的能源返回给用户，用户可以选择自己所要交易的能源类型，同时选择买方或者卖方身份，确定交易的数量和期望的交易价格。

进一步地，上述步骤302)具体包括：

接收到用户发布的交易信息后，智能合约首先根据能源标识符将所有交易按能源分类，再根据某一种能源所发布的需求和供给量的对比，确认市场供大于求还是供不应求。

进一步地，上述步骤303)具体包括：

如果是供大于求，则筛选出卖方报价低于买方报价的发布，将卖方根据对应报价由低向高进行排序，若报价相同，先报价者排先，按排列顺序，以卖方报价成交；如果是供不应求，则筛选出买方报价高于卖方报价的发布，将买方根据对应报价由高向高低进行排序，若报价相同，先报价者排先，按排列顺序，以卖方报价成交。

进一步地，上述步骤304)具体包括：

对于供大于求的市场，则按照上述卖方由低到高的报价排序依次买入；对于供不应求的市场，则按照上述买方由高到低的报价排序依次卖出。

进一步地，上述步骤305)具体包括：

进行撮合，直到市场上某一方满足报价条件的交易已完全撮合，且市场上剩余交易由于买方报价过低或卖方报价过高，无法同时满足双方报价条件时，此次撮合结束。

本发明的有益效果体现在：

(1)本发明提出了基于以太坊区块链技术的智能合约设计方法，该方法能够有效地解决现今能源交易系统中心化及安全保障不足等问题，同时为目前区块链技术在多能源交易领域发展受限的问题提出了有效的解决措施；

(2)本发明能够使原有的能源交易部署在分布式的区块链中，增强交易的安全和不可篡改性；同时它含有可增删能源的功能，可实现多能源体系共同交易；进而在能源交易撮合中，提出以供需关系进行撮合的模型，充分匹配，满足双方的报价需求；

(3)本发明能够克服区块链在能源交易领域难以落地应用的困难，使得多能源耦合分布式交易进一步成为可能；

(4)本发明中所提出的方法能够用在分布式交易、能源互联网应用中，工程实际人员可以据此展开相关研究工作。

附图说明

图1为本发明的智能合约结构图；

图2为本发明的交易撮合过程图。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

根据本发明所提出的能源管理方法，可以基于Solidity语言编写智能合约，完成多能源交易智能合约体系架构的设计。下面首先对本发明所提出的管理员节点能源管理功能的实现做详细陈述，再详细介绍基于此功能所搭建的多能源耦合分布式交易的智能合约结构和基于市场供需关系的交易撮合模型。

(一)管理员节点的认证和能源增删的设计方法

(1)管理员用户初始化

首先在合约中，基于以太坊智能合约专有的地址数据类型，定义系统管理员地址。然后设计合约构造器，保存发布合约的地址为系统管理员的地址，即管理员账户为合约账户。接下来，设计函数修饰符为仅管理员地址可调用，作为自动检查后续执行能源增添函数和能源开关函数的前置条件。

(2)管理员增添能源

管理员将所要添加的能源名称，发布者能源单位以及能源精度等输入智能合约，之前所述的函数修饰符进行地址验证，确认为管理员地址后方可执行，此时触发创建能源事件，将此能源添加至能源序列中为其分配ID，作为唯一的能源标识符，同时将能源状态标识为开启状态。添加过程完成。

(3)管理员关闭能源

因为智能合约无法对数组进行直接删除，所以这里采用的是采用布尔类型的数据对能源进行状态标记。当需要改变某个能源状态时，管理员将能源名称和操作(开启或关闭)输入智能合约，与添加能源相同，先根据管理员身份函数修饰符进行地址验证，确认通过后，触发能源开关函数，完成对能源的状态变化。

(4)能源序列与交易端交互

包括以下两个部分：i)能源序列包括了管理员初次创建时所创建的能源基本信息，以及能源标识符和能源状态，合约首先获取能源开启状态，再将开启的能源序列返回给用户，以供进行发布交易；ii)当智能合约进行交易撮合时，首先根据能源标识符将所有能源分类，然后再对不同的能源分别进行撮合，具体撮合过程将在后述详细介绍。

(二)多能源分布式交易智能合约设计方法

本节按照所发明交易系统的功能划分，介绍智能合约设计中主要的5个函数。函数的结构和功能如图1所示。

(1)新增能源类型函数

新增能源功能在(一)中已做部分介绍，其特点是，仅可由管理员进行调用，系统能够根据当前调用合约的账户地址判断是否为管理员账户，管理员根据需求可以创建多种能源，包括能源名称、能源单位、发行商和能源精度等。创建成功后，用户便可以进行相关的能源交易。

(2)注册函数

该函数允许用户向区块链发起调用，生成以太坊为其分配的区块链地址和个人私钥，也就是以太坊中的外部控制账户，用户通过此账户便可以触发交易代码，即可以调用智能合约中的函数。同时，这也是用户进入能源交易平台实现各项功能的重要身份凭证。

(3)申请交易和报价函数

该函数使得用户可以选择自己所要交易的能源类型(该能源类型由管理员节点增删和修改得到)，选择买方或者卖方身份，确定交易的数量和期望的交易价格。确认后会将其保存在智能合约出售或求购的结构体中，此时用户只需等待系统撮合即可。

(4)撮合函数

用户申请交易的同时会触发撮合函数。系统会根据用户发布的申请交易信息进行排序，综合考虑多种实际因素，如买卖双方能源类型、报价、交易量等因素，将确定好的交易双方传给智能合约的撮合函数，满足多方交易需求，完成撮合匹配。撮合成功的交易存储在交易信息结构体中，以便用户调用查看。详细过程将在第三节进一步描述。

(5)查询函数

该函数在上述交易信息结构体的基础上，构建客观透明的服务查询体系，用户可通过自己的区块链账户地址，向智能合约发送申请，调用合约中返回储存交易信息的函数，可以查询区块链的全部交易信息，交易信息包括交易能源，交易双方、交易量、成交价等。同时，合约还可根据调用用户的区块链地址，筛选信息，查询出个人交易流水，包括已完成和未完成的交易。

(三)基于市场供需关系的交易撮合模型

图2介绍的是本发明所述多能源耦合交易系统中撮合过程的方法，在撮合阶段，智能合约主要的任务就是在满足用户发布交易的报价需求的基础上，为双方用户节约更多成本。同时能够成功撮合更多的交易，并根据市场报价情况和供需关系，确定最终的成交价格。

交易撮合模型的思路如下：

设第i位买家的期望价格为B_i，申请交易量为x_i；第j位卖家的期望价格为S_j，申请交易量为y_j。由于待撮合交易源于能源交易平台的多方参与者，且买卖双方报价随时可以产生，一旦价格匹配即可成交，因此，将其归结为连续双向拍卖机制。

首先，将不同类型的能源进行分类，如水、电、气等。

其次，根据当前市场买卖数量确认此时的供需关系。

当供大于求，即卖方数量大于买方数量时，假设此时买方个数为1(从实际情况考虑亦符合，因为满足条件的买方早已完成交易，不会仍然存在于供大于求的市场中)，筛选出报价低于买方的卖方，个数为n，将卖方根据对应报价由低向高进行排序，若报价相同，先报价者排先。接下来对用户申请的交易量进行匹配，从排序第一位的卖方开始，如果卖方的申请交易量大于买方，则以买方申请量成交，成交价为卖方报价，如果卖方申请量不足，则将卖方申请量全部买入，并转至第二位卖方，直至达成买方的申请交易量。因此，买方买入的能源总价且/>

当供小于求，也就是卖方数量小于买方数量时，假设此时卖方个数为1，筛选出报价高于卖方的买方，个数为m，将买方根据对应报价由高向低进行排序，报价相同时，先报价者排先。接下来对用户申请的交易量进行匹配，从排序第一位的买方开始，如果买方的申请交易量大于卖方，则以卖方申请量成交，成交价为买方报价，如果买方申请量不足，则将买方申请的量全部买入，并转至第二位买方，直至达成卖方的申请交易量。因此，卖方卖出的能源总价且/>

这样的撮合过程总是以用户报价为首要条件，符合市场实际情况，且不同能源并行撮合，撮合过程跟随市场情况持续动态进行。至此，便依据本发明所述能源管理办法，搭建出一套基于区块链技术的多能源耦合交易系统。

以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设定智能合约的创始节点为管理员节点，其他节点为用户节点；

2)区分管理员节点与用户节点的系统功能和账户权限，有且仅有管理员节点可以通过能源开关函数对于区块链中可交易的能源类型进行增删；

所述步骤2)具体包括以下步骤：

201)增添能源

通过将创建合约者的地址设为管理员地址，调用合约时，运用以太坊智能合约中身份验证的方法判断账户地址是否为管理员账户，进行能源创建；通过在创建的能源结构体中插入能源ID字段，使得每一条交易信息都添加有与交易能源对应的能源标识符，在交易过程中对不同能源标识符分类进行交易；

202)删除能源

智能合约语言无法直接对数组进行删除，设计一个仅管理员可调用的能源开关模块，对于新添加的能源都标识为允许状态，当需要删除时，管理员调用能源开关模块改变能源允许状态；在用户发布交易时，智能合约便会先根据能源开关模块判断能源是否开启，再执行交易指令，完成与删除能源相同的效果；

3)用户实现多种能源同时交易，智能合约根据市场供需情况将用户发布的信息进行撮合交易；

所述步骤3)具体包括以下步骤：

301)用户发布交易；

302)合约进行撮合前的初始化准备；

303)确定撮合价格；

304)确定成交量；

305)进行撮合。

2.根据权利要求1所述一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，其特征在于，所述步骤301)具体包括：

智能合约首先获取所有能源的开启状态，再将开启的能源返回给用户，用户可以选择自己所要交易的能源类型，同时选择买方或者卖方身份，确定交易的数量和期望的交易价格。

3.根据权利要求2所述一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，其特征在于，所述步骤302)具体包括：

接收到用户发布的交易信息后，智能合约首先根据能源标识符将所有交易按能源分类，再根据某一种能源所发布的需求和供给量的对比，确认市场供大于求还是供不应求。

4.根据权利要求3所述一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，其特征在于，所述步骤303)具体包括：

如果是供大于求，则筛选出卖方报价低于买方报价的发布，将卖方根据对应报价由低向高进行排序，若报价相同，先报价者排先，按排列顺序，以卖方报价成交；如果是供不应求，则筛选出买方报价高于卖方报价的发布，将买方根据对应报价由高向高低进行排序，若报价相同，先报价者排先，按排列顺序，以卖方报价成交。

5.根据权利要求4所述一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，其特征在于，所述步骤304)具体包括：

对于供大于求的市场，则按照上述卖方由低到高的报价排序依次买入；对于供不应求的市场，则按照上述买方由高到低的报价排序依次卖出。

6.根据权利要求5所述一种基于以太坊私有链的多能源分布式交易与智能合约设计方法，其特征在于，所述步骤305)具体包括：

进行撮合，直到市场上某一方满足报价条件的交易已完全撮合，且市场上剩余交易由于买方报价过低或卖方报价过高，无法同时满足双方报价条件时，此次撮合结束。