作者：刘云舒
图片来源于网络
研究背景
区块链作为一种去中心化的分布式账本，在能源交易方面有着重要的应用。当系统中的产销者(prosumer)有多余能源时，他们可以通过区块链系统交易能源。然而，区块链系统较低的交易吞吐量(throughput)导致了较长的交易等待时间，并且限制了交易的规模与产销者的数量，对系统的发展和长期稳定运行带来了巨大的挑战。
图1 系统设计者-产销者交互示意图
研究问题
为了提升能源区块链系统的交易吞吐量，我们需要一种鼓励产销者参与区块链挖矿的机制。为此，我们需要考虑如下两个问题：
1. 为什么产销者不愿意参与区块链挖矿来提升交易吞吐量？
2. 如何设计一种鼓励产销者参与挖矿的机制？
研究方法与结果
为了研究系统设计者-产销者之间的交互以及定价机制设计，本文在机制设计者与产销者之间建立两阶段博弈模型，如图1所示。
第一阶段，系统设计者设计区块链系统中鼓励参与挖矿的激励机制。系统设计者的目标是最优化社会福利，即最小化系统总运行成本。
第二阶段，根据第一阶段的激励机制，每个产销者决定自己的能源分配。具体来说，产销者可以参与能源交易与区块链挖矿。当产销者参与区块链挖矿时，会提升分片区块链的交易吞吐量，从而降低能源交易的等待时间。产销者的目标是最大化挖矿收益。
根据对模型的分析，我们发现，产销者的能源分配忽略了正外部性(positive externality)导致了产销者分配给挖矿的能源不足(相对于社会最优)。具体来说，当一个产销者参与区块链挖矿时，系统交易吞吐量的提升会降低所有产销者的能源交易等待时间。这一现象被称为正外部性。在缺乏有效激励机制的情况下，矿工在能源分配的过程中只考虑自己的等待时间的降低，而忽略了正外部性，从而导致他不愿意参与区块链挖矿和系统的交易吞吐量较低。
基于上述结论，我们提出了一个分段线性补偿机制。当一个产销者参与挖矿的时候，其他产销者则需补偿这个产销者，从而使得这个产销者考虑正外部性，分配足够的能源在区块链挖矿中。补偿机制具体如图2所示，在初始阶段，补偿机制的斜率较高，鼓励产销者参与挖矿，而在后一阶段，补偿机制的效率较低，抑制产销者分配过多的能源到区块链挖矿中。
图2 分段补偿机制示意图
最后，本文证明了上述补偿机制可以达到社会最优。并且相较于无补偿和线性补偿系统，分段线性补偿机制的社会福利和平均效用最高。
相关论文
[1] Y. Liu, M. H. Cheung and J. Huang, "Incentive Mechanism for Throughput Enhancement in Blockchain-based Energy Trading System," accepted in Metacom 2023.
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香港中文大学（深圳）
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