[发明专利]一种基于区块链和契约理论的V2G能源交易方法

权利要求书

1.一种应用在物理网络系统中V2G能源交易方法，基于区块链的能源交易机制能很大程度上满足安全性能，边缘计算被应用于保证交易的高效性；基于契约理论的交易机制能更好的激励EV在信息不对称情况下参与能源交易，从而最大化社会效益，其特征如下：

1)为了保护交易信息的安全和交易双方的隐私，我们提出基于联盟区块链的交易方式；

2)为了激励EV参与电能的交易，我们提出基于契约理论的激励兼容机制；

3)为了给出基于边缘计算的计算任务卸载，我们采用了二阶斯坦伯格博弈建模和后向归纳法求解；

所述步骤3)具体包括：为了赢得区块链挖掘竞争，本地能源聚合器(LEAG)可以从边缘计算服务提供商(ESP)处购买边缘计算服务以扩大其计算能力；我们假设有N个本地能源聚合器(LEAG)，并且该组本地能源聚合器(LEAG)被表示为第n个本地能源聚合器(LEAG)的服务需求被表示为s_n；对于第n个本地能源聚合器(LEAG)，块创建的成功概率P_n，即取决于两个因素：其相对散列能力P_n，h及其块孤立概率P_n，o，其解释如下：

第n个本地能源聚合器(LEAG)的相对散列能力被定义为其计算能力相对于总计算能力的比率，即：

其中P_n，h＞0且

在找到有效的工作证明后，第n个本地能源聚合器(LEAG)必须将创建的区块广播给其他本地能源聚合器(LEAG)，以达成共识；如果第n个本地能源聚合器(LEAG)碰巧选择由于数据大小而缓慢传播的大块，则由于高传输延迟而导致块更可能被丢弃；因此，第n个本地能源聚合器(LEAG)赢得区块挖掘竞争的机会将会减少，这种现象被称为孤立；通过假设块传播时间遵循泊松分布，则块孤立概率表示为：

其中T表示预期的块间隔时间，比特币为10分钟，Δt(D_n)表示大小为D_n的块的相对传播时间，其被定义为：

Δt(D_n)＝t(D_n)-t(0)

其中，t(D_n)为传播一个大小为D_n的块的时间，t(0)表示通信信道的延时，即传送块标题所需的时间，t(0)是以约束t(0)≥d_c/c为界，其中d_c表示传输距离，c表示光的速度；

通过调研发现，t(D_n)可以通过使用其在D_n＝0附近的一阶泰勒级数展开式近似为：

上式的第二项与通信信道的承载能力部分相关，基于Shannon-Hartley定理，它可以写成其中G₁和G₂分别表示信道容量和编码增益；因此，通过在Δt(D_n)＝t(D_n)-t(0)取和Δt(D_n)被写为：

Δt(D_n)＝t(D_n)-t(0)≈D_n/(G₁G₂)

块创建的成功概率P_n由下式给出：

一旦共识过程取得成功，第n个LEAG将获得收入，该收入由两部分组成：奖励对区块创造的贡献Q_n和交易费用M_n；第n个本地能源聚合器(LEAG)的净收入可以计算为预期利润减去服务成本：

U_n，b(s_n)＝(Q_n+M_n)P_n(s_n)-p_cs_n

其中p_c是边缘计算服务的单价；

边缘计算服务提供商(ESP)的效用被定义为提供服务获得的总收入减去操作成本，即：

其中γ_c是服务供应的单位成本；

由于边缘计算服务提供商(ESP)与LEAGs相比处于主导地位，边缘计算服务提供商(ESP)和本地能源聚合器(LEAG)之间的竞争互动可以模拟为一个两阶段的斯坦伯格领导者追随者博弈；在第一阶段，边缘计算服务提供商(ESP)是决定单位服务价格p_c的领导者，并从本地能源聚合器(LEAG)获得收入用于解决卸下的工作量验证难题；在第二阶段，本地能源聚合器(LEAG)充当追随者，并确定要购买的服务需求；两阶段的斯坦伯格领导着追随者博弈的制定如下：

步骤1：服务价格优化问题：

s.t.C₅：p_c，min＜p_c＜p_c，max

其中p_c，min和p_c，max分别表示服务单价的最小和最大范围；

步骤2：服务需求优化问题

s.t.C₆：s_n，min＜s_n＜s_n，max

其中s_n，min是第n个本地能源聚合器(LEAG)所需的最小计算资源(散列能力)，s_n，max代表边缘计算服务提供商(ESP)可以提供的最大资源；

最优价格和最优服务需求可以通过使用后向归纳法来实现：

1)第二阶段优化问题的解决方案：首先，给定服务价格p_c，针对每个本地能源聚合器(LEAG)解决第二阶段服务需求优化问题；在服务需求优化期间，每个本地能源聚合器(LEAG)彼此竞争以使其自身的相对散列能力最大化，并因此最大化其成功创建块的可能性；从公式中可以看出，第n个本地能源聚合器(LEAG)的相对散列能力不仅取决于其策略s_n还取决于其它本地能源聚合器(LEAG)的策略，例如n′≠n；因此，N个本地能源聚合器(LEAG)之间的竞争可以被模拟为一个N人非合作博弈，将第n个本地能源聚合器(LEAG)的最优策略表示为并令表示集合中除第n个本地能源聚合器(LEAG)之外的其它本地能源聚合器(LEAG)的最佳策略的集合；我们有如下属性：

定理3：纳什均衡：这组最佳服务需求策略，即构成了第二阶段N人非合作博弈的纳什均衡；

定理4：纳什均衡的存在：第二阶段N人非合作博弈存在纳什均衡；

定理5：最佳响应：考虑到第n个本地能源聚合器(LEAG)的最佳响应函数在下文中给出；

定理6：纳什均衡的唯一性：如果条件满足，那么第二阶段N人非合作博弈的纳什均衡是唯一的；

基于第二阶段获得的所有本地能源聚合器(LEAG)的最优服务需求策略，可以解决第一阶段服务价格优化问题；通过将第二阶段N人非合作博弈的纳什均衡代入边缘计算服务提供商(ESP)U_E的效用可写为：

然后我们可以得到以下性质：

定理7：凹面性：服务价格最优化问题是一个标准凸优化问题；

定理8：斯坦伯格均衡：第二阶段N人非合作博弈的纳什均衡和第一阶段服务价格优化问题最优解构成了斯坦伯格均衡。