化工行业的区块链技术：机器对机器电力市场外文翻译资料

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应用能源公司195（2017）234-246

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应用能源

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化工行业的区块链技术：机器对机器电力市场

Janusz J. Sikorski ^a, Joy Haughton ^a, Markus Kraft ^a,b,uArr;

^a Department of Chemical Engineering and Biotechnology, University of Cambridge, New Museums Site, Pembroke Street, Cambridge CB2 3RA, United Kingdom ^b School of Chemical and Biomedical Engineering, Nanyang Technological University, 62 Nanyang Drive, Singapore 637459, Singapore

重点

• 促进M2M电力市场的区块链技术的实施。

图形概要

基于区块链的电力市场

• 工业工厂通过区块链相互交易电力。
  
• 利用工业设备的工艺流程模型产生的数据。
• 介绍区块链技术的技术细节和背景。
• 本文探讨区块链与工业 4.0 相关的技术。生产者1
• 释放能量
• 购买后报价(作为原子交易)

生产者2

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• 购买后报价(作为原子交易)

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我的文章

文章历史：

2016 年 12 月 12 日收到

2017 年 3 月 9 日收到修订版

2017 年 3 月 10 日接受

关键词：

区块链技术

化工

电力市场

机器对机器通信

摘要

本文的目的是探索与第四次工业革命（工业 4.0）相关的区块链技术的应用，并展示一个使用区块链促进机器对机器（M2M）交互并在中国建立 M2M 电力市场的示例。 化学工业的背景。 所呈现的场景包括两个电力生产商和一个电力消费者通过区块链相互交易。 向所有参与者提供由工艺流程图模型生成的真实数据。 这项工作有助于该场景的概念验证实现。 此外，本文还描述和讨论了与工业 4.0 相关的区块链技术的研究和应用前景。 它得出的结论是，这项技术在支持和提高革命的效率收益方面具有尚未充分研究的巨大潜力，并确定了未来研究的领域。

copy; 2017 爱思唯尔有限公司。保留所有权利.

介绍

*通讯作者:剑桥大学化学工程和生物技术系,新博物馆遗址,彭布罗克街,剑桥 CB2 3RA,英国.

电子邮件地址: mk306@cam.ac.uk (M.牛皮纸

工业 4.0 (或第四次工业革命)将机器对机器 (M2M) 通信、网络系统 (CPS) 和物联网 (IoT) [1,2] 的概念引入工业.M2M 通信是指工业组件之间相互通信的能力

http://dx.doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.03.0390306-2619/copy;2017爱思唯尔Ltd保留所有权力。

可以监控物理过程、创建物理世界的虚拟副本并做出分散决策.物联网是一个动态网络，其中物理和虚拟实体具有身份和属性并使用智能接口.生态工业工厂(EIP)是指企业相互合作，有时还与当地社区合作以减少浪费和污染，有效共享资源（如信息、材料、水、能源、基础设施、和自然资源）并最大限度地减少对环境的影响，同时提高业务成功[3-5].区块链技术可以帮助工业4.0和EIP原则的实施.例如，区块链可用于促进M2M商品（例如电力）交易.对于在批发市场上交易的电力（如在美国、澳大利亚、新西兰、许多欧洲国家和新加坡[6]），这样的系统可以降低传统交易实践的间接成本并提高交易结算的速度.这些成本包括与计费、对账、对冲合同和购买协议相关的管理，这可能构成电价的重要组成部分（例如，在英国为16%[7]，在澳大利亚约为八分之一[8]，具体取决于地点）例如在塔斯马尼亚12.2%[9]).此外，汉堡等人发表了两份关于区块链技术在能源领域应用的广泛报告.[10]，哈斯等人。[11]描述了在广泛引入该技术之前需要克服的潜在用例和障碍,包括立法.已经发表了大量关于电力政策、价格、能源管理及其对工业竞争力的影响的研究[12-18].

本文的目的是探索与工业 4.0 相关的区块链技术的应用，并展示一个在化工行业背景下使用区块链促进 M2M 交互和建立 M2M 电力市场的示例。此篇文章的结构如下：第二节以最大的数字货币（比特币）为案例向读者介绍区块链技术；第 2.2 节描述并讨论了与工程行业相关的研究和应用前景；第3 节提供了示例的实现细节，包括区块链上发生的交互；第 4 节总结了主要发现。.

1. 背景

区块链技术是一个相对较新的研究领域。尽管该主题目前在新闻中无处不在，但许多读者可能不熟悉技术术语。为了读者的利益，本出版物提供了背景部分，描述了区块链技术的内部工作原理和关键概念，并简要回顾了文献。

• 1. 什么是区块链技术

区块链是一种分布式电子数据库(分类帐),它可以保存任何信息(例如记录、事件、交易),并且可以设置有关如何更新这些信息的规则 [19].随着区块(带有数据的文件,例如交易)被添加并使用哈希链接(链接)到前一个区块(链接在图 1 中以比特币为例),它会不断增长.哈希是通过加密哈希函数运行相关块的内容产生的(例如,比特币使用安全哈希算法 - 256 位,SHA-256).一个理想的密码散列函数可以很容易地为任何输入产生散列,但是很难使用散列来推导输入.此外,原始数据的任何更改都会导致散列的广泛且看似不相关的更改 [20,21].最后,两个不同的输入产生相同的哈希应该是不可行的.以这种方式使用加密哈希可确保为了更改过去块中的条目,所有后续块也需要更改 [20,21].账本由参与者(节点)网络根据预定义的共识机制(一组允许网络达成全球协议 [22] 的规则)进行验证和维护,因此不需要单一的集中式授权.多个(但不一定是所有)节点拥有整个数据库的完整副本.

区块链技术相对较新,不断发展并有许多不同的形状和形式.在本文中,比特币被用作案例研究,因为它是区块链技术最著名和最成功的实施.比特币是一种基于由点对点网络(P2P)维护的无许可(即任何人都可以读取或写入链)区块链的支付系统[23].它的特点是其本国货币(比特币或 BTC)、工作量证明共识机制(注意存在其他类型的共识机制;更多信息请参见附录 A.2)、时间戳不大于 1 MB 的块(交易数量每个区块取决于其大小)、匿名性、发布区块的经济激励、可选交易费用、BTC 总供应量上限和 BTC 可替代性.这些块主要记录 BTC 交易,但也可以包含其他数据.比特币区块及其内容的示例可以在图 1 和图 2 中查看.分别为 2和 3.交易是 BTC 从一个钱包地址(或多个地址)转移到另一个钱包地址(或多个地址).对于创建交易,只需要一个接收钱包.钱包是用于存储和转移硬币的公钥和私钥对的公共表示.为每个参与者生成一个或多个这样的密钥对,以便业务.

堵塞 N

标题

堵塞 N 1

标题

交易

交易

默克尔根

默克尔根

区块 N的标头哈希

区块 N-1 的标头哈希

图.1.比特币区块链（改编自[23]）.请注意，Merkle根是基于块中所有交易的哈希(有关更多详细信息，请参阅附录A.1中的条目“Merkle树”)。

图2图二。关于比特币区块号438995[85]的一般信息

图3.来自比特币块No.的交易样本438995 [85].

可以以一种安全和匿名的方式进行。这些密钥是一种称为公钥-私钥加密的加密方法的结果，该方法使用成对的参数：公共和私钥。公钥可用于验证消息是否是由成对私钥的所有者创建的（验证数字签名），并对消息进行加密，以便只有上述所有者才能解密。

比特币采用了一种工作证明共识机制，其中验证和发布交易的能力依赖于节点[23]的计算能力。要发布块，需要一个节点来完成以下步骤：

• • 1. 使用已提交事务中的有效事务（即与链的其他部分兼容）构建候选块。
    2. 使用SHA-256计算块头的哈希，并将其与当前目标(特定数量的领先零；更多信息请参见附录a.1中的哈希目标)，这是由比特币的协议施加的。
    3. 如果散列不正确，则头的任意数字)将被重复更改，直到找到解决方案或更改目标（这意味着另一个节点的块被添加到链中）。
    4. 如果散列正确，则该块将被广播到比特币网络。
    5. 如果网络的大部分（通过计算能力加权）接受该块，那么它将被永久地添加到链中，发布者将获得新创建的btc。
    6. 如果将另一个节点的块添加到链中，则当前块将被完全丢弃，并且该进程需要重新重新启动。

请注意，在多个合适的块几乎同时广播的情况下，链将暂时分裂成两个或多个分支（分叉-可视化见图11），这将被追求，直到其中一个分支得到大多数网络的支持。比特币的协议通过调整散列目标[23]的难度，确保大约每10min添加一个块（理想情况下202016块每600秒添加一次）。然而，这种机制会导致显著的确认延迟（大约几十分钟），并且可以是资源详尽的。

• 1. 探索区域和应用程序

区块链在学术文献中尚未得到充分的探索，特别是在与化学工业有关的文献中。因此，对提供本节的文献的回顾包括技术报告、工业和政府立场文件和新闻文章，这些文件可以更好地获得几个领域的最新工作。

调查结果可分为以下几个方面：

开发区域

安全和隐私

浪费资源和可用性

应用程序

记录保存和合同执行的物联网

安全和隐私

安全和隐私是区块链技术应用于数字货币的核心问题之一，同时也是最受探索的领域。安全的主要问题包括51%的攻击的可能性，这涉及到攻击者集体控制网络的大部分，诈骗(例如。庞氏骗局，采矿诈骗，诈骗钱包，欺诈性交换)和分布式

对交换机和挖掘池的拒绝服务(DDoS)攻击。由于每个参与者都可以使用一个或多个匿名钱包，从而引入了一定程度的隐私性。然而，仍然有可能发现关于钱包打开器的信息。例如，Koshy等人。[24]通过监控和分析事务流量，设法将比特币地址的一个子集映射到IP地址。

Yli-Huumo等人的综合综述。[25]发现，大多数的研究出版物都与这一领域有关。科布利茨和梅enezes[26]也解决了这些问题，他们描述了利用实物现金的优势创建数字货币问题的两种解决方案，即由Brands[27]和比特币提供的基于椭圆曲线的结构版本。详细介绍了基于加密哈希函数的货币系统的数学和必要协议（设置、签名、提取、提款、支付、存款和双重等待预防）。专门解决这些问题的应用程序包括[28]、洗牌[29]、零[30]和Enigma[30]。Zeroca

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