????本文章對論文《Consortium Blockchain for Secure Energy Trading in Industrial Internet of Things 》進(jìn)行解讀。
????這篇論文發(fā)布于《IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL INFORMATICS》沿腰。它是電力能源領(lǐng)域的頂級期刊碎连，屬于SCI一區(qū)踩验。本人并不是研究電力能源方向升熊，只是這篇文章涉及到區(qū)塊鏈的應(yīng)用，還有點興趣采幌，故進(jìn)行一個粗略的閱讀及消化。
????本文要解決的問題是點對點能源交易領(lǐng)域慕购，特別是電力交易中的安全問題。涉及到的一個比較新的東西就是能源區(qū)塊鏈茬底。目前沪悲，國際上有關(guān)能源區(qū)塊鏈的項目都只是在試行中，沒有大規(guī)模的推廣阱表，國內(nèi)由于能源交易管控嚴(yán)格殿如，更是很少落地的項目。同樣的問題最爬，我認(rèn)為涉馁，這篇論文缺乏正規(guī)的實驗驗證，寫的不夠具有說服力爱致，可能的確不好開展相關(guān)的實驗研究（這個問題到后面還會提到）谨胞，但其思想還是可以參考一下的。
????首先蒜鸡，在提到的背景中胯努，它提到了3個應(yīng)用場景。分別是微電網(wǎng)逢防、能量收集網(wǎng)絡(luò)叶沛、車輛到電網(wǎng)（Vehicle-to-grid）。如下圖所示：
????在這些點對點交易場景中忘朝，存在著一些安全灰署、隱私問題。比如局嘁，由于能源市場的不可信溉箕、不透明，因此在一個去中心化的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行能源交易是不安全的悦昵；有些節(jié)點出于隱私考慮不會出售自己的多余能源肴茄，導(dǎo)致供需不平衡；如果不去中心化但指，而引入第三方對交易進(jìn)行審計寡痰、驗證，就增加了單點故障棋凳、隱私泄露等風(fēng)險拦坠。
? ?? 區(qū)塊鏈由于其去中心化、匿名性剩岳、高可信度贞滨，被用來解決上述的能源交易問題。此論文的作者在之前發(fā)表的一篇論文中闡述了聯(lián)盟鏈在建立去中心化電子交易系統(tǒng)中的應(yīng)用潛力拍棕∠基于上一篇論文勺良，本文進(jìn)一步利用聯(lián)盟鏈設(shè)計了一個點對點能源交易系統(tǒng)，稱為能源區(qū)塊鏈尤蒿。
?????? 這篇論文主要圍繞3個貢獻(xiàn)展開；
?????? 貢獻(xiàn)1：即上面提到的能源區(qū)塊鏈幅垮；
?????? 貢獻(xiàn)2：基于信用的支付腰池。為了緩解交易確認(rèn)時延帶來的效率問題，可以進(jìn)行貸款支付忙芒；
?????? 貢獻(xiàn)3：優(yōu)化的定價策略示弓。核心是利用了Stackelberg博弈。此策略用來最大化信貸銀行的利益呵萨。
貢獻(xiàn)1：能源區(qū)塊鏈
?????? 這種區(qū)塊鏈的建立奏属、運行其實和比特幣類似。一些主要的詞匯如下表所示潮峦。
很重要的一個概念：能量聚合器（energy aggregator ,EAG）囱皿。充當(dāng)“能源經(jīng)紀(jì)人”（感覺和比特幣里面的礦工比較像）。實現(xiàn)節(jié)點間的無線通信忱嘹，并管理交易相關(guān)的事件嘱腥。在不同的交易場景中，能量聚合器是不同的實體拘悦。例如齿兔，在微電網(wǎng)中，高級計量基礎(chǔ)設(shè)施（advanced metering infrastructure）就可以是EAG础米。在能源收集網(wǎng)絡(luò)中分苇，一個加強版的基站也可以作為EAG，它有更強的計算和存儲能力屁桑。V2G網(wǎng)絡(luò)中医寿，局部聚合器可以作為EAG。
?????? 能量聚合器包含4個實體：內(nèi)存池蘑斧、賬戶池糟红、信貸銀行、交易服務(wù)器乌叶。它們的關(guān)系如下圖所示盆偿。交易服務(wù)器負(fù)責(zé)收集能源請求，然后對交易進(jìn)行匹配准浴。能源節(jié)點的數(shù)字資產(chǎn)為能源幣事扭。每個能源節(jié)點有一個能源幣賬戶，用以保存?zhèn)€人交易記錄乐横。在這個賬戶中有一個錢包用來管理個人能源幣求橄。錢包的公鑰是隨機假名今野，用來代替錢包的真實地址。賬戶池中保存了這種匹配關(guān)系罐农，同時它也負(fù)責(zé)記錄和管理能源節(jié)點的私人錢包地址中的能源幣資金条霜。內(nèi)存池則存儲了當(dāng)?shù)啬茉垂?jié)點的所有交易記錄。
?????? 區(qū)塊鏈的運行流程也比較簡單明了：
1.?系統(tǒng)初始化涵亏。主要是能源節(jié)點的一些初始化工作宰睡。
2.選擇能源交易中的角色（買家or賣家）。
3.交易能源气筋。在這個過程中拆内，EAG這個“能源經(jīng)紀(jì)人”就要發(fā)揮它的作用了。它會根據(jù)當(dāng)前能源市場來設(shè)置交易價格（我也不知道它會怎么設(shè)置）宠默，激勵當(dāng)?shù)氐馁u家參與進(jìn)來麸恍。交易時，幣不夠的買家可使用代幣支付搀矫。（支付過程后面會進(jìn)行分析抹沪。此處應(yīng)該是先交錢再發(fā)貨。）支付完成后瓤球，賣家從內(nèi)存池中查詢最新的區(qū)塊鏈信息采够，驗證這次支付。之后買家會產(chǎn)生新的交易記錄冰垄，這條記錄已經(jīng)被賣家驗證蹬癌、簽名過了。從而虹茶，記錄被上載到EAG進(jìn)行審計逝薪。完成這次交易后，賣家和買家的信用值都會提高蝴罪。
4.增加區(qū)塊董济。EAG收集一段時間內(nèi)的交易，然后加密要门、簽名虏肾、打包。下圖展示了交易記錄是如何被組織成塊的欢搜。（然而我好像并沒有看到它們是如何被組織成塊的封豪？）在數(shù)據(jù)的審計上，和比特幣一樣炒瘟，也是采用PoW（Proof of Work）機制吹埠。最先挖到區(qū)塊的獎勵一定的能源幣（類似比特幣）。
5.執(zhí)行共識機制。不是所有的節(jié)點都參與共識過程缘琅。只有最快的EAG以及其它合法的EAG參與其中粘都。如果leader EAG廣播的區(qū)塊數(shù)據(jù)得到所有合法EAG的認(rèn)可，它就會把當(dāng)前審計過的區(qū)塊數(shù)據(jù)和與之對應(yīng)的簽名發(fā)送到所有合法EAG刷袍，以供保存翩隧。如果有些EAG沒有統(tǒng)一它廣播的區(qū)塊數(shù)據(jù)，leader EAG就會分析審計結(jié)果呻纹，然后再次發(fā)送（如果有必要）堆生。
6.錢到賬。完成上述所有過程后居暖，能源幣才到達(dá)賣家的包包…上面花的所有時間顽频，加起來就叫交易確認(rèn)時延藤肢。
貢獻(xiàn)2：基于信用的支付
能源幣支付
支付過程如上圖所示太闺。交易在買家、賣家和EAG之間進(jìn)行（買家錢不夠的場景）嘁圈。別看有9步省骂，其實過程相當(dāng)簡單∽钭。可以用一句話來概括：買家發(fā)送請求->驗證請求->創(chuàng)建共享錢包->銀行發(fā)送代幣->買家用代幣支付->賣家向銀行驗證代幣等信息->銀行兌換對應(yīng)的能源幣給賣家->賣家發(fā)貨钞澳。前4步為代幣請求過程，剩下的是支付過程涨缚。論文中這一塊寫的比較啰嗦轧粟，有一些形式化的描述，在這里就不展開了脓魏。
貢獻(xiàn)3：優(yōu)化的定價策略
?????? 這是我讀整個論文的過程中兰吟，比較費解的一段。涉及到博弈論問題茂翔。首先是對要解決的問題進(jìn)行一個形式化描述混蔼。
銀行必須提供（這個式子也不太理解）的貸款給Bi以完成交易。這里默認(rèn)銀行有足夠的能源幣支持貸款珊燎。之后論文提出了兩個函數(shù)惭嚣，并沒有說明這兩個函數(shù)是干啥的，怎么來的悔政，我表示很懵圈晚吞。
的滿足函數(shù)：
?? (1)
其中，谋国，它們是預(yù)定義的载矿。
的效用公式為（2）。
?? (2)
其中是
的還款能力，可以通過
的還款記錄
來計算闷盔，它的取值范圍是0到1弯洗。
是利率。
是違約利率逢勾。兩者的關(guān)系定義為：
可見違約利率是一個關(guān)于利率和時間的線性函數(shù)牡整。能還款時，取極值溺拱，假設(shè)逃贝，代表一定不會違約，則
迫摔。
銀行得到的報酬包括利息以及可能的滯納金沐扳。銀行的開銷為。
是信貸銀行借給
的貸款的單位花費句占。銀行的收益公式為：
?? （3）
是一個預(yù)定義的值沪摄，
的信用等級越高，
越大纱烘，其取值范圍為0到1杨拐。
公式中用到的字母及其代表的含義：
然后就是提出了解決方法。
?????? 本論文構(gòu)想出一個非合作斯坦克爾博弈擂啥。先行動者為信貸銀行哄陶，后行動者為借貸者。銀行最后分別決定每個借貸者的違約率哺壶。
?????? 兩者的目標(biāo)函數(shù)分別為：
銀行的目標(biāo)就是讓收益之和盡可能大屋吨，而借貸者的目標(biāo)就是讓盡可能大。我們首先解決
的貸款量優(yōu)化問題（即
）,然后銀行決定優(yōu)化利率和違約利率山宾。
?????? 在(2)中對關(guān)于
求一階和二階導(dǎo),可以知道
是嚴(yán)格的凹函數(shù)（二階導(dǎo)恒<0）至扰。令一階導(dǎo)為0，得到
?? （8）
其中塌碌，渊胸。將（8）代入（3）,得到
新的表達(dá)式。它也是一個嚴(yán)格的凹函數(shù)台妆。同樣令一階導(dǎo)=0翎猛，可以求出對應(yīng)的違約利率
，從而求出利率
接剩。
???? 為了達(dá)到斯坦克爾伯均衡（SE）切厘。銀行需要和每名借貸者交流。論文又提出了一個算法來達(dá)到提議的游戲中唯一的SE懊缺。隨后疫稿，又提出一個定理：銀行和借貸者間總能達(dá)到唯一的斯坦克爾伯均衡培他。（沒看出來有啥用）
實驗部分：
?????? 說實話，作者在這一塊很敷衍遗座。先寫了一點對能源區(qū)塊鏈的安全分析及性能分析舀凛，畫了個圖，比較交易頻率啥的途蒋，關(guān)鍵是這實驗在哪實現(xiàn)的猛遍？讀者咋復(fù)現(xiàn)？沒有這些東西号坡，就搞個圖上去懊烤，然后分析一下，這不太嚴(yán)謹(jǐn)吧宽堆？腌紧。。畜隶。
?????? 后面是對貸款支付機制的性能分析壁肋。說是基于某借貸俱樂部的數(shù)據(jù)來研究的。里面包括借貸狀態(tài)（已還清代箭、在還墩划、沒還等）涕刚、最新的支付信息嗡综、信用值、地址等杜漠，然后根據(jù)這些數(shù)據(jù)劃分成35個信用等級(ABCDEFG*5)极景。又執(zhí)行了兩個什么啟發(fā)式能源幣分布方案，來和作者提出的方案PK驾茴。然后就是多少輪迭代之后盼樟，銀行的收益趨于穩(wěn)定。這咋迭代的锈至，啥意思俺拷伞？論文都沒提峡捡。最后控制等參數(shù)觀察收益變化击碗。
?????? 沒了。
?????? 實驗部分太空们拙，讓讀者覺得真實性有待考證稍途，沒什么工作量，也沒法復(fù)現(xiàn)砚婆，是個問題械拍。或許我們還要看一下相關(guān)的其它論文，反正后面借貸的一些地方我怎么都沒看懂坷虑〖撞觯可能是因為能源區(qū)塊鏈這方面的論文比較少，缺少參考吧迄损，不過能發(fā)表在這樣的期刊上摔刁，還是值得鼓勵！
? ? 歡迎交流海蔽。
