CN111459461A - 基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法 - Google Patents
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Abstract
为促进企业节能减排及绿色发展，我们推行了用能权有偿使用和市场化交易试点，然后在用能权有偿使用和交易试点中存在对用能企业实际用能量核定工作量大，用能权使用和交易过程缺乏统一、公正、智能化和过程可追溯的系统平台等问题。因此本发明提出的基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，由用能数据物联网采集子系统和用能权交易子系统构成，系统和方法充分利用了能源物联网、区块链、互联网等技术解决了以上问题，用于能耗企业的实际用能权核定和交易。
Description
技术领域
本发明涉及用能权交易领域，特别是基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法。
背景技术
用能权是指在能源消费总量和强度控制的前提下，用能单位经政府有关部门核发或交易取得、允许其使用或投入生产的综合能源消费量权益。我国政府推行用能权有偿使用和交易，目的是通过市场化的手段，促进企业节能减排、转型升级，推动绿色发展。然而现有各地用能权交易大部分都是通过公共资源交易中心进行挂牌，需政府部门对所有用能企业人工进行实际用能量的核算认定后才可进行线下交易，存在工作量大，交易执行效率低下等问题。本发明提出的基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法可以极大的改善和解决以上问题，利用物联网和区块链技术使得用能权核定及市场化交易变得公正，透明，过程可追溯。
发明内容
本发明的目的是提供基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，通物联网和区块链技术能够在企业用能权分配确权上提供系统自动化确权方案，在企业用能权实际用能量核算认定上做到过程可追溯，数据可靠和准确，减少人工干预和工作量。
本发明的另一目的是提供基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，在用能权市场化交易过程中，解决涉及多方交易和结算复杂过程的管控问题。
本发明的另一目的是提供基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，利用底层区块链技术，去中心化的方式为交易参与方实现互信，为交易和结算提供资金，信息和数据的真实，可追溯的安全保证。
为了实现上述发明目的本发明提供一种基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统，包括用能数据物联网采集子系统和用能权交易子系统，所述用能数据物联网采集子系统包括能耗在线采集模块，物联网设备管理模块。所述用能权交易子系统包括用户管理模块、智能确权与核定模块、账户资金管理模块、交易管理模块、结算管理模块、智能合约模块、信息发布模块等。所述用能数据物联网采集系统可通过多种物联网通信协议利用智能物联网采集终端对各类能耗数据进行在线采集，每个采集设备的信息及每个时刻的采集数据均通过底层区块链进行上链存储，保证每个采集到的能耗数据过程可追溯。所述用能权交易子系统通过非对称加密密码学技术和底层区块链技术对用户及账户数据，交易数据，结算数据等分布式数据区块存储，利用共识机制对交易账户通过分布式账本进行管理，其中交易可选择采用系统中数字货币的形式进行执行和管理，此项作为可选项进行系统配置，交易过程监管采用底层区块链PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错算法的共识机制作为实现。
所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统上层功能模块使用JAVAEE和大数据机器学习相关开源技术进行开发实现，采用技术包括：Vue视图模板引擎、SpringCloud/SpringBoot微服务框架、MyBatis持久层框架、ShardingSphere分布式数据表组件、ElasticSearch搜索引擎、Activiti规则引擎、MySQL关系型数据库、消息队列中间件（Kafka）、InfluxDB物联网数据库、Zookeeper协调系统、Hadoop 数据库、Hbase、Hadoop 数据仓库Hive、Hadoop 数据采集Flume、OTA离线数据分析平台、机器学习框架TensorFlow、Python等。
附图说明
图 1 是本发明实施中系统功能示意图。
图 2 是本发明实施中系统架构的示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供了基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，可用于政府对用能企业的用能权核定及追溯，帮助用能企业通过本发明的系统实现用能权交易。
为使得本发明的内容、目的、特征及优点能够更加清楚，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、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，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它实施例，都属于本发明保护说明书的范围。
如图1所示，本发明提供了基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统，包括用能数据物联网采集子系统和用能权交易子系统，所述用能数据物联网采集子系统包括能耗在线采集模块，物联网设备管理模块。所述用能权交易子系统包括用户管理模块、智能确权与核定模块、账户资金管理模块、智能合约模块、交易管理模块、结算管理模块、信息发布模块等。
所述能耗在线采集模块采用物联网技术对能耗企业的各种用能情况进行在线采集，可包含水、电、气、热力、油等各种能源种类，相关采集频率均可通过系统灵活配置，其中用到的物联网技术基于非阻塞输入输出模型的能源物联网数据采集方法和软件网关进行实现，具体的实现过程包括：采集器与通信网关进行连接、使用调度任务进行数据采集、数据处理、数据 转发功能，其中包括采集器与通信网关模块的网络通信是基于 I/O 多路复用即非阻塞输入 输出模型 NIO(Non-blocking Input/Output)，使用反应器模式即主从Reactor 多线程模型实现； 并发处理使用负载均衡技术 LVS，数据处理对协议数据使用协议缓冲区技术（Protocol Buffer），简称 protobuf 解码技术，实现快速提高数据的转换能力；数据存储使用时序数据库InfluxDB和关系型数据库MySQL；数据转发采用消息队列中间件（Kafka）作为数据缓冲，然后调用底层区块链上的 Persistent API(ApplicationProgramming Interface)进行数据存储，每次数据存储会利用SHA256散列算法，把采集设备的编码、时间戳、能耗类型标识码、读数等数据作为联合因子生成该数据的哈希值作为数据的唯一标识，对具体数据通过非对称加密算法进行加密，其中可采用的加密算法包括：RSA、Elgamal、ECC(椭圆曲线加密算法)、D-H(迪非-赫尔曼密钥交换)、背包算法等。
所述物联网设备管理模块通过对能耗采集的物联网设备进行管理，对采集设备所属用户进行关联，对设备采集频率进行配置，为确保数据与设备的关联，分别会把所述能耗在线采集模块中产生的数据唯一标识的HASH值与设备的唯一标识进行共同存储至区块链上，保证每个区块存储的数据透明和无法篡改。
所述用户管理模块用于管理能耗企业用户相关基础信息，包含工业、商业、交运等不同类型的用户，并通过非对称加密算法对用户信息进行加密存储，整个数据存放在不同的数据区块上，用能权交易参与用户通过各自的私钥访问自身的用户数据。
所述智能确权与核定模块，其中用能权智能确权模块第一步利用多种预测算法对用户未来每个月的能耗进行用能负荷预测，其中可采用的预测算法和模型包括：深度神经网络模型，随机森林，多变量线性回归模型，ARMA模型，Holt-Winter 时间序列挖掘算法，长短期记忆模型算法等多种模型组合实现；第二步根据区域用能权的总量控制目标、企业最大产能等数据作为约束条件，利用线性优化算法及滚动预测算法输入第一步中的用能负荷预测数据，再结合所述能耗在线采集模块中的历史用能数据进行自动化生成用能权智能确权方案，采用的目标函数是保证区域内各企业总体用能总量最小，单位产值能耗最低。其中用能权智能核定模块利用SHA256散列算法完成用能数据物联网采集子系统中采集设备的采集设备的编码、时间戳、能耗类型标识码、读数组合用能企业的身份唯一标识的私钥等进行哈希值校验，若校验通过，则表示用能权核定通过。
所述账户资金管理模块可配置选择数字货币或非数字货币管理的模式进行管理，若交易采用的是数字货币模式，则系统会根据各企业用能权通过底层区块链分布式总账为每个企业发行相应的数字货币作为后续用能权交易结算的代币，通过所述账户资金管理模块中的用能权代币可以方便用户在用能权与真实货币计算时的统一管理，也可用于一些特点情况下的用能权模拟交易场景。
所述智能合约模块是基于上述用户管理模块和账户资金管理模块的数据通过底层区块链的共识机制自动执行的数据化合约，智能合约模块可以根据所述用能数据物联网采集子系统中采集到的用户自身当前用能数据到达一定预设条件结合市场出让情况进行自动匹配完成受让交易，并自动计算用能权交易额度和支付额（可使用系统提供的数字货币形式），通过调取交易管理模块和结算管理模块完成交易结算。
所述交易管理模块有交易执行和交易查询两部分功能构成，交易执行可由上述智能合约模块自动发起或者有参与方手动发起，具体视交易模式而定，交易过程通过底层区块链开发的 Transaction API(Application Programming Interface) 交易接口完成实现分布式记账，并结合以非对称加密的密码学方式保证的不可篡改和不可伪造，其中可采用的非对称加密算法包括：RSA、Elgamal、ECC(椭圆曲线加密算法)、D-H(迪非-赫尔曼密钥交换)、背包算法等，交易查询通过底层区块链开发的Query API(ApplicationProgramming Interface) 接口进行限定查询。
所述结算管理模块用于对用能权交易进行结算和管理，由交易模块触发，生成对应的结算支付记录，每一笔结算记录都会根据交易双方身份的唯一标识和交易时间， 用能权交易数量（吨标准煤）等信息利用 SHA256 哈希散列算法生成哈希值，作为该笔的结算记录的唯一标识，存储在底层区块链上的分布式账本中。
所述信息发布模块主要对用能权交易市场的公告信息、交易动态信息等进行发布，针对交易信息的访问需通过各自用户身份的私钥验证才可访问，以保证每个用户只能访问自身交易相关的区块信息，以保证双方的隐私。
针对本发明提出的基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其中一种实施例具体分为以下步骤：
步骤一、根据用能数据物联网采集子系统的相关模块实现对企业用能数据的能耗在线采集数据存储到时序数据库InfluxDB中；
步骤二、把步骤一采集到数据同时进行非对称加密，把加密完的数据通过底层区块链进行上链存储，并确保每个数据区块中包含用户的唯一标识代码，所属物联网采集设备唯一编码，参与底层区块链数字签名的生成；
步骤三、通过所述用能权交易子系统中的智能确权与核定模块获取步骤二中的数据，首先利用SHA256散列算法完成用能数据物联网采集子系统中采集设备的采集设备的编码、时间戳、能耗类型标识码、读数组合用能企业的身份唯一标识的私钥等进行哈希值校验，若校验通过，则表示用能权核定通过。其次，利用负荷预测算法进行用能负荷预测，在预测完成后输出的数据再通过线性优化算法及滚动预测算法自动生成用能权确权建议方案，根据不同的权重设置重复执行当前步骤，并可在此用能权确权方案结果数据基础上进行人工调整，对整体方案每次调整过程利用底层区块链进行记录，确保每一环节可追溯；
步骤四、根据步骤三中确定的用能权确权方案数据作为所述账户资金管理模块及智能合约模块的数据输入，由此设定用能权受让或出让的阈值和条件、交易时间、触发机制等数字化交易合约，合约内容通过多签名私钥加密技术和安全多方计算技术进行底层区块链加密存储；
步骤五、根据步骤四中设定的数字化智能合约或手动触发所述交易管理模块，整个交易过程基于底层区块链算法式信任机制下执行，交易前会分别利用交易双方的私钥进行签名认证，认证通过则调用底层区块链Transaction API(Application ProgrammingInterface) 交易接口完成分布式记账，并对交易内容进行非对称加密，交易过程监管采用底层区块链PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错算法的共识机制作为实现，确保数据链的透明和安全；
步骤六、根据步骤五的交易数据通过调用结算管理模块对交易进行结算，则通过与所述账户资金管理模块进行数据交换，结算过程监管同样采用上述区块链PBFT共识机制进行。其中若采用的是数字货币交易模式，数据交换过程通过底层区块链分布式总账数字货币作为用能权交易结算的代币进行结算；
步骤七、结算结果会通过底层区块链进行分布式存储和与其它数据链同步，交易和结算结果同时也会通过所述信息发布模块进行公布。当然信息发布模块也可针对用能权市场由用能企业进行用能权出让和受让需求的挂牌和发布，用于对双方交易的撮合，信息发布内容会通过关系型数据库MySQL+底层区块链进行存储，关系型数据存储的目的是方便信息频繁检索，改善区块链检索性能的瓶颈，其中信息发布的内容搜索引擎通过ElasticSearch技术实现。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，包括如图1所示，本发明提供了基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统，包括用能数据物联网采集子系统和用能权交易子系统，所述用能数据物联网采集子系统包括能耗在线采集模块，物联网设备管理模块；所述用能权交易子系统包括用户管理模块、智能确权与核定模块、账户资金管理模块、智能合约模块、交易管理模块、结算管理模块、信息发布模块等。
2.根据权利要求1所述的基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述能耗在线采集模块采用物联网技术对能耗企业的各种用能情况进行在线采集，可包含水、电、气、热力、油等各种能源种类，相关采集频率均可通过系统灵活配置，其中用到的物联网技术基于非阻塞输入输出模型的能源物联网数据采集方法和软件网关进行实现，具体的实现过程包括：采集器与通信网关进行连接、使用调度任务进行数据采集、数据处理、数据 转发功能，其中包括采集器与通信网关模块的网络通信是基于 I/O 多路复用即非阻塞输入 输出模型 NIO(Non-blocking Input/Output)，使用反应器模式即主从Reactor 多线程模型实现； 并发处理使用负载均衡技术 LVS，数据处理对协议数据使用协议缓冲区技术（Protocol Buffer），简称 protobuf 解码技术，实现快速提高数据的转换能力；数据存储使用时序数据库InfluxDB和关系型数据库MySQL；数据转发采用消息队列中间件（Kafka）作为数据缓冲，然后调用底层区块链上的 Persistent API(ApplicationProgramming Interface)进行数据存储，每次数据存储会利用SHA256散列算法，把采集设备的编码、时间戳、能耗类型标识码、读数等数据作为联合因子生成该数据的哈希值作为数据的唯一标识，对具体数据通过非对称加密算法进行加密，其中可采用的加密算法包括：RSA、Elgamal、ECC(椭圆曲线加密算法)、D-H(迪非-赫尔曼密钥交换)、背包算法等。
3.根据权利要求2所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述物联网设备管理模块通过对能耗采集的物联网设备进行管理，对采集设备所属用户进行关联，对设备采集频率进行配置，为确保数据与设备的关联，分别会把所述能耗在线采集模块中产生的数据唯一标识的HASH值与设备的唯一标识进行共同存储至区块链上，保证每个区块存储的数据透明和无法篡改。
4.根据权利要求1所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述用户管理模块用于管理能耗企业用户相关基础信息，包含工业、商业、交运等不同类型的用户，并通过非对称加密算法对用户信息进行加密存储，整个数据存放在不同的数据区块上，用能权交易参与用户通过各自的私钥访问自身的用户数据。
5. 根据权利要求1所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述智能确权与核定模块，其中用能权智能确权模块第一步利用多种预测算法对用户未来每个月的能耗进行用能负荷预测，其中可采用的预测算法和模型包括：深度神经网络模型，随机森林，多变量线性回归模型，ARMA模型，Holt-Winter 时间序列挖掘算法，长短期记忆模型算法等多种模型组合实现；第二步根据区域用能权的总量控制目标、企业最大产能等数据作为约束条件，利用线性优化算法及滚动预测算法输入第一步中的用能负荷预测数据，再结合所述能耗在线采集模块中的历史用能数据进行自动化生成用能权智能确权方案，采用的目标函数是保证区域内各企业总体用能总量最小，单位产值能耗最低；
其中用能权智能核定模块利用SHA256散列算法完成用能数据物联网采集子系统中采集设备的采集设备的编码、时间戳、能耗类型标识码、读数组合用能企业的身份唯一标识的私钥等进行哈希值校验，若校验通过，则表示用能权核定通过。
6.根据权利要求1所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述账户资金管理模块可配置选择数字货币或非数字货币管理的模式进行管理，若交易采用的是数字货币模式，则系统会根据各企业用能权通过底层区块链分布式总账为每个企业发行相应的数字货币作为后续用能权交易结算的代币，通过所述账户资金管理模块中的用能权代币可以方便用户在用能权与真实货币计算时的统一管理，也可用于一些特点情况下的用能权模拟交易场景。
7.根据权利要求1所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述智能合约模块是基于上述用户管理模块和账户资金管理模块的数据通过底层区块链的共识机制自动执行的数据化合约，智能合约模块可以根据所述用能数据物联网采集子系统中采集到的用户自身当前用能数据到达一定预设条件结合市场出让情况进行自动匹配完成受让交易，并自动计算用能权交易额度和支付额（可使用系统提供的数字货币形式），通过调取交易管理模块和结算管理模块完成交易结算。
8. 根据权利要求1所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述交易管理模块有交易执行和交易查询两部分功能构成，交易执行可由上述智能合约模块自动发起或者有参与方手动发起，具体视交易模式而定，交易过程通过底层区块链开发的 Transaction API(Application Programming Interface) 交易接口完成实现分布式记账，并结合以非对称加密的密码学方式保证的不可篡改和不可伪造，其中可采用的非对称加密算法包括：RSA、Elgamal、ECC(椭圆曲线加密算法)、D-H(迪非-赫尔曼密钥交换)、背包算法等，交易查询通过底层区块链开发的Query API(ApplicationProgramming Interface) 接口进行限定查询。
9. 根据权利要求1所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，所述结算管理模块用于对用能权交易进行结算和管理，由交易模块触发，生成对应的结算支付记录，每一笔结算记录都会根据交易双方身份的唯一标识和交易时间， 用能权交易数量（吨标准煤）等信息利用 SHA256 哈希散列算法生成哈希值，作为该笔的结算记录的唯一标识，存储在底层区块链上的分布式账本中；所述信息发布模块主要对用能权交易市场的公告信息、交易动态信息等进行发布，针对交易信息的访问需通过各自用户身份的私钥验证才可访问，以保证每个用户只能访问自身交易相关的区块信息，以保证双方的隐私。
10.根据权利要求1所述基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其特征在于，针对本发明提出的基于物联网和区块链技术的用能权核定及交易系统和方法，其中一种实施例具体分为以下步骤：
步骤一、根据用能数据物联网采集子系统的相关模块实现对企业用能数据的能耗在线采集数据存储到时序数据库InfluxDB中；
步骤二、把步骤一采集到数据同时进行非对称加密，把加密完的数据通过底层区块链进行上链存储，并确保每个数据区块中包含用户的唯一标识代码，所属物联网采集设备唯一编码，参与底层区块链数字签名的生成；
步骤三、通过所述用能权交易子系统中的智能确权与核定模块获取步骤二中的数据，首先利用SHA256散列算法完成用能数据物联网采集子系统中采集设备的采集设备的编码、时间戳、能耗类型标识码、读数组合用能企业的身份唯一标识的私钥等进行哈希值校验，若校验通过，则表示用能权核定通过，其次，利用负荷预测算法进行用能负荷预测，在预测完成后输出的数据再通过线性优化算法及滚动预测算法自动生成用能权确权建议方案，根据不同的权重设置重复执行当前步骤，并可在此用能权确权方案结果数据基础上进行人工调整，对整体方案每次调整过程利用底层区块链进行记录，确保每一环节可追溯；
步骤四、根据步骤三中确定的用能权确权方案数据作为所述账户资金管理模块及智能合约模块的数据输入，由此设定用能权受让或出让的阈值和条件、交易时间、触发机制等数字化交易合约，合约内容通过多签名私钥加密技术和安全多方计算技术进行底层区块链加密存储；
步骤五、根据步骤四中设定的数字化智能合约或手动触发所述交易管理模块，整个交易过程基于底层区块链算法式信任机制下执行，交易前会分别利用交易双方的私钥进行签名认证，认证通过则调用底层区块链Transaction API(Application ProgrammingInterface) 交易接口完成分布式记账，并对交易内容进行非对称加密，交易过程监管采用底层区块链PBFT（Practical Byzantine Fault Tolerance）实用拜占庭容错算法的共识机制作为实现，确保数据链的透明和安全；
步骤六、根据步骤五的交易数据通过调用结算管理模块对交易进行结算，则通过与所述账户资金管理模块进行数据交换，结算过程监管同样采用上述区块链PBFT共识机制进行，
其中若采用的是数字货币交易模式，数据交换过程通过底层区块链分布式总账数字货币作为用能权交易结算的代币进行结算；
步骤七、结算结果会通过底层区块链进行分布式存储和与其它数据链同步，交易和结算结果同时也会通过所述信息发布模块进行公布，
当然信息发布模块也可针对用能权市场由用能企业进行用能权出让和受让需求的挂牌和发布，用于对双方交易的撮合，信息发布内容会通过关系型数据库MySQL+底层区块链进行存储，关系型数据存储的目的是方便信息频繁检索，改善区块链检索性能的瓶颈，其中信息发布的内容搜索引擎通过ElasticSearch技术实现。
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