融合機器學習與區塊鏈的電能交易系統的研究與設計

周 琦，齊 巖，朱志勛，徐志杰

（1.昆明理工大學 信息工程與自動化學院，云南 昆明 650500；2.東北電力大學 電氣工程學院，吉林 吉林 132012； 3.云南農業大學 建筑工程學院，云南 昆明 650051）

0 引 言

能源互聯網作為以電力系統為主、大規模獲取可再生能源為核心來源的分布式能源管理系統，在人們的日常生活中起著至關重要的作用[1]。其基本技術原理為，通過互聯網連接大規模分布式用戶產生的生產、供應、消費等能源信息，并及時反饋給能源互聯網系統。生產者和消費者作為核心分布式系統的主要用戶角色，負責將儲能設備集成到系統中，為整體系統用戶提供服務[2]，并以此達成系統間的能源可持續性循環。

隨著能源交易應用場景的落地需求日益擴張，區塊鏈+交易系統的模式逐漸代替傳統的中心化數據管理體系，成為分布式能源交易系統的主流技術基石架構。區塊鏈技術具有去中心化、公開透明、可追溯及防篡改等獨特優勢，其分布式的數據存儲機制和智能合約管控機制確保了數據的安全性與系統的多重驗證穩定性。在能源交易系統實際落地過程中，區塊鏈技術通常只對交易系統的內部數據流程進行了建設與監管，與用戶準入身份驗證模塊相互獨立，使得區塊鏈系統中的追溯單位通常只以系統用戶信息為準。在整合用戶信息入區塊鏈系統的過程中，為了能夠實際地對用戶的身份信息進行有效追蹤，需要確保用戶信息具有“防篡改”“實時性”等特征。而現有方法通常使用傳統的賬號密碼或生物信息等方式（如人臉識別）進行用戶信息獲取，此類方法均具有生物信息泄漏、模仿等數據風險。

因此，一個合適的系統核心需要同時滿足分布式應用、防信息泄露以及可追溯的特性，即不需要中間第三方，交易也可以直接在雙方之間實現，并具有實名信息記錄。為了解決該需求，本文提出一種新的用戶身份認證方式，與區塊鏈進行融合，使其在不泄露生物信息的前提下，滿足區塊指紋中對用戶信息可追溯的特征。

1 相關工作

將區塊鏈與智能電網等能源系統結合起來的研究大多處于概念分析階段，但國外也出現了一些典型項目，如布魯克林的微型電網項目[3]。該項目是在沒有第三方電力公司的情況下，家庭可以通過自家屋頂太陽能發電機收集電能，在滿足自身用電需求的情況下，多余的電能可以支付給相鄰用戶，實現雙方之間的直接交易。在電動汽車充電項目中，電動汽車和充電樁之間的直接交易可以在沒有第三方參與的情況下實現，節約了成本。Energo Labs將區塊鏈技術與能源領域相關技術結合，構建了分布式能源自治社區的場景[4]。在該場景中，能源可以轉換為數字資產，用于各種場景中的交易。

一些國內的研究學者也將區塊鏈技術與能源結合起來，且開展了進一步的研究工作。平健等[5]通過利用區塊鏈技術，提出了一種新的交易模式，并利用智能合約構建了一個分布式電力多邊交易平臺，這種交易模式可以完成“多交易請求、多響應報價”。楊知方等[6]分析了網絡結構優化研究的現狀，并給出了網絡結構優化在中國電力系統中的應用前景，根據中國電力行業的實際情況，為推進網絡結構優化在中國的研究和應用提供了詳細的建議。

當前，對區塊鏈與能源互聯網有機結合的開發仍處在一個初步研究的階段[7-11]。然而，由于區塊鏈特有的去中心化和信息交互性質，其在能源互聯網上的應用可能將成為今后主要的發展趨勢。能源與區塊鏈結合的最大發展方向是實現電能P2P交易模式[12]。作為一種去中心化應用，區塊鏈可以解決去中心化的信任問題，適合在能源互聯網上實現P2P交易[13]。區塊鏈可以應用于微電網。在微電網中，用戶可以通過清潔能源發電，同時作為電能的生產和消費者。這樣可以減少環境污染，節約發電和用電成本。因此，如何設計一個基于區塊鏈的能源交易系統，能夠在沒有第三方參與的情況下直接實現點對點的直接交易就顯得尤為重要。

關于無第三方信任機制，最直接的方式是將用戶的身份認證信息添加入各交易區塊的記錄指紋當中。關于如何獲取并添加用戶身份認證信息，當前的方法通常只停留在傳統的賬號密碼方式，即用戶身份準入機制與交易系統的數據不互通。此種方法是一種典型的Two-Stage[15]方法，即通過確保用戶身份與系統用戶賬號的一一對應，且系統內容確保用戶賬號與交易記錄的一一對應，來間接實現用戶身份與交易記錄的綁定。然而，此類方法魯棒性不強，即交易追溯記錄中并沒有實際的用戶身份信息。于是，新一代的生物信息特征與區塊鏈記錄結合的方式出現了。此類方法利用人臉識別[15]、指紋識別[16]等方式，將用戶的生物信息融入系統的交易記錄中。此類方式確實實現了交易系統的真實可追溯性，然而也不可避免地暴露了數據泄露問題。生物信息作為21世紀最易泄露與不安全保證的信息，難以作為持久的永久可追溯性系統的身份 驗證手段。

因此，本文提出一種利用機器學習提取筆跡信息作為用戶身份認證的方式。即通過令用戶實時進行筆跡輸入，追溯其書寫速度、內容、習慣及風格的方式，進行用戶身份的認證。在不泄露生物信息的前提下，進行個人信息的存儲與驗證。

2 模型方法

2.1 整體架構

本系統所要實現的主要是用戶與用戶之間可以在無需第三方的情況下進行能源交易，致力于提高能源的利用效率。系統中的用戶可以通過智能電表實時采集發電量和用電量，發電用戶和用電用戶可以在無需第三方管理者的基礎上實現自由交易。本文所提出的電能交易系統的整體模型如 圖1所示。

圖1 電力交易系統整體模型示意圖

在能源互聯網中，交易涉及的主體主要分為售電單元（PU）和購電單元（BU）。每個交易都需要由區塊鏈網絡中的所有參與者共同認證，并且在售電單元和購電單元處都需要有智能電表來實時讀取數據。當用戶參與網絡中的交易時，第一步是要向其認證的機構進行身份證書的申請。每個參與其中的用戶都有表明唯一身份的相關驗證證書。系統生成請求的部分被抽象為能源交易模塊（ETM），ETM信息的請求需要經過區塊鏈網絡節點的背書驗證和交易模擬，在這個系統中一般由背書節點監管者充當相互信任，然后將得到背書簽名的信息一起發送給分揀服務節點，比如能源在線交易系統中的分揀服務節點在電網部署的節點參與，經過電網部署的節點處理后，生成的塊被保存在賬本中。

消費者、生產者、用電群體、電廠、監管以及電網機構是本系統的主要參與用戶。生產者和消費者、用電群體和發電廠作為系統中的計費節點參與數據的維護；作為系統的背書節點，監管機構將模擬智能合約的真實執行，且對于已經收到的交易進行背書。電網組織作為系統的排序服務節點參與網絡運行，主要對生成的交易進行排序，使所有節點保持相同的狀態。系統架構主要分為5層。最底層部分是通信模塊，主要用來進行底層網絡的通信。區塊鏈管理模塊主要用來進行區塊鏈網絡的實現，具體可細分為一致性模塊、區塊鏈存儲、區塊鏈管理以及通信協議。智能合約管理模塊主要用來封裝這些功能的API，功能有合約安裝、合約實例化、合約查詢以及合約交易。用戶管理模塊用來管理用戶信息，主要分為用戶注冊、安全認證、賬戶管理以及密鑰管理等。平臺服務模塊主要實現系統功能，主要分為用戶售電、用戶購電、用戶交易、用戶查詢以及管理員查詢等重要功能，這些功能可以滿足能源網上交易系統的功能實現。在系統架構層面上，以區塊鏈為核心的能源網上交易系統主要包括區塊鏈管理模塊、共識模塊、智能合約模塊、用戶管理及平臺服務模塊。系統架構如圖2所示。

圖2 系統架構圖

2.2 區塊鏈管理模塊

本系統主要采用聯盟鏈來實現。系統中有多個節點共同參與賬本信息的網絡維護，通過聯盟鏈可以將多個賬本和塊信息以一定的順序共同維護存儲在本地。

交易平臺發起交易請求，后臺解析后將數據信息發送到顯示位置。根據請求信息，合約功能調用智能合約。智能合約接收到請求后，將依靠區塊鏈模擬交易系統模塊，展示交易當前在處理中并等待區塊鏈返回結果，進行可能的模擬交易，區塊鏈網絡按部署的排序節點進行排序，并且依據一定的規則生成塊。在接收到塊信息以后，生產者和消費者節點將在區塊鏈上記錄已驗證的塊信息。

本系統的設計是單鏈模式，系統在交易中生成的數據和配置信息進行連鎖操作。區塊鏈是由事務按時間先后的順序來組成的一系列區塊，由所有參與節點開展共同的維護工作。塊中包含的信息可以是智能合約的安裝、實例化或使用交易系統執行交易。這些交易根據時間出現的先后順序打包成塊，并與區塊鏈相關聯。作為一個只能添加而不能修改或刪除的鏈，區塊鏈確保了數據的不可篡改性。電能交易信息上鏈過程如圖3所示。

圖3 電能交易信息上鏈示意圖

2.3 共識模塊

整個交易達成一致的過程被稱為共識。在電能交易中，共識過程主要包括3個階段：執行階段、排序階段及驗證階段。

（1）執行階段。這個階段也可以理解為背書階段，主要是背書節點對交易的背書操作。在該系統中，這個階段用于實現對監管者節點收到的交易請求的背書，并模擬交易的執行。

（2）排序階段。打包階段是約定事務順序的階段，系統中充當網格部署的節點在這個階段扮演著非常重要的角色。

（3）驗證階段。通道中的生產者節點和消費者節點收到網格節點傳來的塊后，各節點會按照相同的規則獨立驗證塊信息，并將驗證后的塊保存在本地賬本中，使賬本信息保持一致。

這3個階段共同構成了共識過程。其中，共識流程的排序階段中出現的排序服務是共識機制非常重要的一部分，所有發生的交易都必須使用排序服務流程進行排序，才能達到全網的共識。

2.4 智能合約模塊

智能合約也稱為鏈碼，在區塊鏈網絡中作為一段邏輯代碼部署并以編程語言實現。在該系統中，能源交易和轉移的邏輯功能主要通過智能合約來實現。系統根據接口將所有邏輯功能封裝在一個智能合約文件中。參與網絡的節點需要安裝和實例化智能合約。客戶端可以發送請求，在區塊鏈網絡中，它將通過接口訪問智能合約來執行相應的操作，并獲得相應的讀寫設置數據。本系統智能合約要實現的功能大致包括發電、用電、購電及售電等。可以在智能合約中定義相應的結構來存儲相應的數據信息。本系統中部署完成的智能合約主要設計有以下結構，用于存儲不同的對象。需要保存的對象信息有用戶信息、用電和發電信息、售電信息以及購電交易信息。

2.5 用戶管理模塊

用戶管理模塊主要用于管理參與網絡的用戶，包括用戶在區塊鏈網絡中的注冊、賬戶身份的安全認證以及交易過程中的密鑰管理。用戶申請的證書和密鑰等信息在用戶管理模塊中進行維護，可分為以下幾個方面。

（1）節點注冊。生產和消費的用戶想要加入系統時，需要先向節點注冊，以獲得唯一的身份參與網絡。節點C作為證書的頒發主體，起著授權用戶、簽名及加密數據傳輸的作用。節點在授權網絡中有著極其重要的地位。它們被分成一個單獨的模塊，可以獨立運行。作為一個樹狀結構，節點有唯一的一個根節點以及多個中間節點。在本系統中，申請證書時可以指定向哪個節點申請證書。

（2）安全認證。本系統的安全認證主要體現在由監管節點對發送請求的節點進行身份認證，以判斷其是否擁有身份證書和發送請求的權限。參與記賬的生產與消費者節點接收的塊中包含的身份也應該被認證。

（3）密鑰管理。系統中的生產者、消費者向節點申請證書，根據獲得的公鑰和私鑰信息，在交易過程當中進行數據簽名。數據簽名通過公鑰和私鑰進行加密和解密。

2.6 平臺服務模塊

本系統主要用于實現以區塊鏈為核心的能源互聯網的交易系統。在這個系統中，平臺服務模塊也是系統包含的業務模塊，主要包括用戶發電、用電、售電、購電及查詢等部分。用戶發電用電主要通過智能電表設備采集，采集的電量通過區塊鏈網絡以發送請求的形式接入。商定的結果將上傳并存儲于區塊鏈分類賬目中。用戶無需第三方參與即可實現售電。生產者和消費者用戶可以在Web界面操作售電頁面，注冊登錄系統，實現售電功能。用戶進行售電操作時，還需要將售電請求發送到具有背書驗證規定的節點并進行模擬交易，然后將交易模擬結果和背書簽名信息發送到電網調度的排序服務節點進行排序并生成區塊，最后由參與生產的節點進行驗證并沖銷記賬，將區塊信息寫入賬本。購電功能類似于售電功能，它發送訪問區塊鏈網絡和智能合約發出的請求。售電、購電功能需要修改賬本數據，需要共識算法參與，不需要查詢。當生產者和消費者用戶發送查詢剩余電量的請求時，查詢操作可以通過單個節點實現，無需共識算法的參與。該系統主要用于在沒有第三方參與的情況下實現用戶之間的自由交易，平臺服務模塊用于實現系統擁有的功能。

3 實驗分析與測試

3.1 系統平臺搭建與實現

基于區塊鏈的能源互聯網交易系統如圖4所示。建立這一系統的重要目的在于及時處理處于不同地區的用戶的加入問題。傳統的集中交易模式已經不適合當前的應用場景，本文提出了一種新的架構來滿足當前的場景。本章將介紹該系統使用的平臺，并詳細介紹該交易系統的核心功能和具體實現過程。

圖4 基于區塊鏈的能源互聯網交易系統圖

3.1.1 交易流程

首先，以JSON格式為標準，將重要的數據進行收集儲存。JSON可以幫助在不同語言之間進行轉化，實現不同數據之間的溝通，在本系統中用來存放發電和用電數據、記錄值、剩余電量及購電等交易記錄中的各種信息，購電操作完成時及時更新狀態數據庫。一個塊能夠包含一個或是多個交易。包含交易的區塊會定期生成并添加到區塊鏈中。考慮到會存在很多塊，所以每個塊都需要唯一的ID 編號。

3.1.2 防篡改系統

區塊鏈中的數據一旦被錄入，就無法進行二次更改，這也是該技術的重要特點之一。為了更好地發揮這一特性，需要觀察數據塊的情況，檢測其中具體數據是否已經發生了差錯，利用哈希函數（Hash）檢測數據是否一致，對需要檢測的數據進行轉換，改變數據的大小情況即數據的哈希。此外，輸入不同數據（默認情況下）得到的輸出數據也不同。基于此特性，能夠使用輸出哈希來作為輸入數據的標識符。很明顯，從輸入數據中提取哈希是比較簡單的，但從哈希數據中提取輸入數據，實現的可能基本為零。這種不對稱值是區塊鏈用來獲得所需的防偽能力的關鍵所在。目前有很多流行的哈希函數，這里應用的是SHA-256哈希函數，它通過將數據轉換后形成字段的形式，使之成為特定的數字指紋（Digital Fingerprint），也可以形容為是一種簽名（Signature）。

3.1.3 區塊的鏈接

區塊鏈的本質其實就是一系列區塊的合集，可以采用Python編程中的列表來實現和保存所需的所有區塊。但這是遠遠不夠的。如果某人無意或故意使用舊的區塊來替換集合內已有的新區塊，數據就很有可能被篡改。因此要特別注意應用不同的措施將舊區塊的相關數據進行保存，防止其中部分數據的更改影響到區塊鏈的整體。比特幣技術采取后面的區塊的哈希值與前面的舊區塊相互依賴的方式。想要使得不同的區塊之間得到良好的串聯，可以在其中加入字段，讓前部分字段的具體屬性即previous_hash得到保存。但這里存在一個問題，因為加入字段的形式必須在具有兩個區塊的前提下，這就導致中間部分的區塊可以進行這樣的聯結，但首個區塊卻沒有可以與之進行聯結的前一個區塊。在區塊鏈領域，最初的區塊被稱為創世區塊，可以采取人工的方法手動生成，也可以使用特定的邏輯。在Block類中添加previous_hash的字段，可以實現區塊鏈結構的定義。

3.1.4 區塊加入區塊鏈

要想將區塊添加到區塊鏈中，第一步需要驗證區塊鏈內的數據是否發生篡改，即提供的工作量被證明是正確的，交易順序也是正確的。previous_hash的字段將指向鏈上最新的區塊哈希值。

3.1.5 挖 礦

挖礦是一個不斷尋覓、較量算力的過程。如果在后期找到了滿足條件的nonce，也就是找到了能夠進行應用的區塊，即挖礦成功。比特幣等其他類型的貨幣交易也會經常應用到這一挖礦過程，這一過程需要消耗工作人員較大一部分精力，作為報酬，工作人員可以得到一定數額的相應貨幣，這也是衡量其工作量大小的具體指標。

3.1.6 為節點添加API接口

為區塊鏈能源互聯網交易系統的節點模塊加入API接口，使之作為程序功能實現的窗口與媒介。這里需要利用Python Flask進行REST API的建立。首先，需要一個能夠訪問的節點即/new_transaction，它可以傳輸新的交易，以便應用程序能夠使用此API將新的數據添加進塊鏈中。另一個節點/鏈能夠用來返回數據塊鏈，使用此API來實現請求數據顯示。挖礦需要占據很高的CPU，所以不建議節點總是在被挖礦，而應該是提供訪問的/mine節點，以實現按需挖礦的需求。這些REST接入節點能夠被用來操作塊鏈，例如提供某些交易、驗證交易等。

3.1.7 計 算

涉及到能源的交易的仿真區塊鏈，需要利用到Python進行編寫，然后再應用到相應設備中運行。如果通過哈希值把區塊前和后連接起來了，可以同時完成依賴性工作量的確認，但依舊不能只相信一個節點。未來完成和實現分布式數據的存儲，幾個節點需要同時來維持和保護區塊鏈。因為，為了能夠從一個節點轉向P2P的網絡，首先要建立機制，允許網絡中的節點互相了解。在訪問端中定義一個新的節點即/register_node，用于在網絡中注冊一個新的節點。重新加入網絡的對應節點可以通過端節點/register_endpoint來調用注冊方法。可以通過選擇一條包含最多工作量的最長有效鏈進行共識，從而解決區塊鏈發生分歧的情況。訪問實現節點/add_block可以在挖掘區塊時將此消息傳遞給其他節點，這樣建立的區塊鏈網絡中的每個成員都可以更新他們的本地區塊鏈，繼續來挖掘下一個區塊。接收到區塊傳輸的節點可以簡單地完成檢查操作證明，而后將接收到的區塊添加到自己的本地鏈條中。當塊被移除時，應調用announce_new_block方法，以便其他節點能夠更新其本地存儲的塊鏈副本。

3.1.8 區塊鏈模塊

基于哈希值運算，本文以約束區塊哈希值從第一位開始的0的數量為工作量證明算法，并利用Python語言進行了實現。該模塊以Linux系統為載體提供區塊服務，并提供了基于Flask的REST接口以滿足區塊與交易系統業務模塊、區塊與區塊之間的數據交互。為了在同一臺Linux服務器上模擬多機分布式區塊，在多個不同端口分別啟動Flask服務，并通過POST發送JSON實現區塊注冊。

3.1.9 交易系統業務模塊

交易系統業務模塊為用戶提供了基于Flask和HTML的能源交易平臺，包括用戶認證、能源交易、區塊同步等功能。本文開創性地引入了基于機器學習的筆跡識別作為用戶認證方法，用戶需先在注冊時錄入筆跡，登錄時即可實現用戶名和筆跡的匹配。其中，用戶信息及筆跡特征存儲于關系型數據庫（本文采用SQLite3）。用戶登錄時，在瀏覽器中上傳包含筆跡的圖片。后端對該圖片進行特征提取并與數據庫中存儲的特征進行比對，以此實現身份認證。另外，該模塊的交易功能借助區塊鏈模塊實現，用戶間的每一筆交易均保存在區塊鏈中，保證了交易的透明和不可篡改。交易過程如圖5所示。

圖5 交易過程示意圖

3.2 安全性對比驗證

區塊鏈系統通常可分為核心層（數據層、網絡層、共識層）與場景層（激勵層、合約層、應用層）共6部分。本文主要在核心層中的數據層與網絡層嵌入新的數據要求與計算方式，其在可控范圍的計算量增加的基礎上，顯著提高了交易系統整體的安全性，系統每層的架構與本文的解決方案如圖6 所示。

圖6 層級架構圖

本文重點保護身份驗證與交易認證部分的數據安全。在經典加密系統的“加密算法”“防篡改”“身份認證”3大模塊中，本文在“身份認證”的基礎上，通過增加實時數據的獲取與驗證，以解決常見攻擊手段中利用重復數據進行系統攻擊的問題。身份認證通常可以分為“信息認證”和“活體認證”兩部分。“信息認證”通常指通過要求執行人輸入密碼、身份證號等私人信息，以進行數據庫中信息的比對，從而進行驗證。其好處是方便快捷，輸入方式不需要額外的設備需求；其壞處為安全性備受挑戰，即攻擊者可以通過社會工程等手段獲取對應的信息。“活體認證”通常是指利用攝像頭、感應器等進行活體圖像和模型的獲取，如人臉識別、指紋認證等。其好處是在執行良好的基礎上，這些獲取的數據通過會被隱秘保存，確保責任的可追溯性，且由于是實時的數據獲取方式，可以極大地避免被攻擊者仿造數據的風險；但是其壞處是對硬件設備的要求極高，且設備的缺陷會使得驗證手段的效果起伏極大。綜合看來，本文提出的筆跡驗證的方式，是處于信息驗證與活體認證交叉點的新型驗證方式。在進行交易系統登錄與交易執行時，系統將要求用戶進行實時的筆跡輸入。該數據可以通過云計算或邊緣計算的模式執行，由于模型壓縮的計算量極為可控，也間接滿足了公有計算、私有化計算等多重場景落地要求。

計算模型將從兩方面對筆跡進行分析。其一為筆跡的內容，即通過OCR模型進行筆跡文字提取，并進行驗證。該部分符合“信息驗證”的相關要求。其二為筆跡透視出來的身份驗證，這部分由圖像與數據信息共同完成。圖像部分即為通過對筆跡的對比驗證，進行文字風格、形態的識別來認證身份。數據信息即為如果設備同時具備記錄簽名過程中的落筆至完成全過程的行為記錄，即可進行更為完整的書寫過程的對比。圖像部分的挑戰主要在于背景、筆跡顏色、筆觸等的不同所帶來的影響。數據部分則更多受限于設備的記錄能力，具體的實現也可以通過網站輸入的形式，通過設計實現JS Canvas的方式，最大限度地記錄用戶的筆跡。從安全性指標看，筆跡驗證與其他驗證方式的差別如表1所示。

表1 不同認證方式的安全性對比表

筆跡認證的核心在于整體定位、關鍵點定位以及內容識別。考慮到計算速度等實際應用標準，應用局部二值模式（Local Binary Pattern，LBP）進行圖像處理。LBP計算定義為：

式中：P定義為給定像素的周圍像素的取數數量，gi表示第i個在中心點為給定像素，半徑為R范圍內的相鄰像素的灰度值。當x≥0時s(x)為1，否則s(x)為0。

LBP的初始定義針對中心像素與其8個相鄰像素，其具有針對數據輸入無序性的包容性質，只要在計算過程中該順序定義保持一致。在計算圖像的LBP以后，進行前數據處理，即提取出僅包含筆跡部分的內容，并將整體圖像歸一化，忽視白色的像素部分，以更好地聚焦針對關鍵筆跡的特征提取。相比其他數據圖像形式，筆跡更能夠清晰地進行關鍵部分的識別與分離。處理流程可以總結為：

式中：f=hist(img,mask)定義為采取stride=3形式的像素提取。其最終的數據前處理輸出為：

在實際的數據處理過程中，由于設備限制等緣由，筆跡雖然比其他數據形式更易提取，卻對噪音也有同樣的效果影響。此處的“噪音”指的是圖像本身的噪音，而非數據獲取過程中的噪音。由于前處理方式針對像素的編排進行了大量的處理與濃縮，出于對泛化性質的保留，應用GMM+GLCM的方式進行離散向連續數據特征的轉變，其中GMM為Gaussian Mixture Model，GLCM為Gray Level Cooccurrence Matrix。在筆跡數據進行連續化轉變后，其基本特征可以總結為邊緣性質、筆跡重心、一階導分布、二階導分布、核心像素數量與分布以及contour與pixel的相對關系。筆跡認證過程如圖7所示。

圖7 筆跡認證過程

3.3 系統性能測試

3.3.1 數據加解密測試

數據在傳輸過程中容易出現傳輸協議異常或被攻擊導致的數據泄露等問題，因此在傳輸前對數據進行加密以保證傳輸時的數據安全。抗篡改的數字指紋在可信節點內生成，當發起交易時，使用同態密鑰對交易隱私數據加密、驗證，保證隱秘交易的安全進行。本文系統采用基于筆跡驗證的抗篡改的數字指紋。

3.3.2 共識算法測試

共識算法是分布式系統保證節點數據狀態一致的方法。區塊鏈的常見共識算法有很多，如工作量證明（Proof of Work，PoW）、權益證明（Proof of Stake，PoS）以及委托權益證明（Delegate Proof of Stake，DPoS）等。不同的共識算法的共識效率也是不同的。本文所采用的共識算法是PoW算法，算法簡單，容易實現，節點間無需交換額外信息即可達成共識，破壞系統需要投入極大的成本。在確保所進行實驗的準確性及整個系統的穩定性前提下，對PoS、DPoS以及及本文使用的PoW共識算法進行了測試分析，分別在節點個數為2、4、8、16、32的情況下進行對比。本文使用的PoW共識算法與其他2種算法在節點不同的情況下吞吐量性能都有明顯的提升，并且本算法呈現上升的趨勢，之后開始出現緩慢的下降。如圖8所示。

圖8 不同共識算法吞吐量對比圖

3.3.3 區塊鏈吞吐量測試

系統吞吐量是單位時間處理的交易數量。隨著區塊的增加，區塊鏈的整體吞吐量將會逐漸下降，導致交易速度變慢。從原理來看，可能影響到區塊鏈交易系統性能的主要因素有信息的加密與解密、廣播與通信、共識機制以及交易驗證。為了增加系統的整體吞吐量，可以部分弱化共識機制。這種方法雖然可以提高交易速度，但將犧牲系統的安全性，部分節點的惡意行為可能會增加區塊處理的復雜性。而考慮到在能源交易中，各交易實體均為實名，可以對惡意節點進行較快的追溯和問責，綜合考慮，弱化共識機制獲得的性能提升是可靠且值得的。

對于區塊鏈吞吐量測試，主要進行并發測試，驗證在不同的節點數目、不同的數據量下，系統在一定時間內能夠完成處理數據的量。測試結果如圖9所示。在跨臺區交易占比漸漸變低的同時，傳統Hyperledger-Fabric系統的區塊鏈交易系統的吞吐量表現出平穩的態勢，但是本文所使用的區塊鏈系統交易的吞吐量卻呈現出增加的趨勢，即在能源交易系統中存在的大量交易發生在同一臺區時，本文提出的交易系統可以很好地提高交易的 吞吐量。

圖9 交易吞吐量對比圖

3.3.4 區塊鏈內存占用測試

區塊鏈內存占用是指打包相同數量的交易在區塊鏈上所需要占用的內存的總體空間，可以通過使用Jmeter來發送相同數量的數據來查詢所被請求的處理主機中使用的磁盤空間增加數量。測試結果如圖10所示。傳統Hyperledger-Fabric系統的區塊鏈交易系統在節點數目呈增大趨勢時，交易總共使用的空間量基本上是線性增加的。但是對于本文的區塊鏈交易系統，在節點和臺區增大時，由于大量交易存在本臺區的共識中，因此整體而言對于內存占用增加的速度比較緩慢。故在大量能源交 易數據上鏈的場景下，可以大大地降低所需要的存儲成本。

圖10 交易內存占用測試圖

4 結 語

區塊鏈技術已經成為現如今互聯網中較為流行的分布式落地應用，與能源互聯網相比，有很多相適應的地方。本文在現有區塊鏈能源交易系統研究的基礎上，針對現有能源交易系統的用戶信息追溯和用戶認證問題出現的安全隱患問題，提出了一種應用機器學習提取筆跡特征以進行用戶真實信息認證的方式，并將此方式整合入區塊鏈封裝流程中。基于此對區塊鏈網上交易系統所需的功能進行了模型、架構及具體模塊的設計，并完成了電力能源網上交易系統的建設、編寫、封裝以及交易系統功能測試，通過大量數據實驗驗證了該方法的可行性、安全性及可擴展性。

當前區塊鏈技術還處在較原型的階段，尤其是能源區塊鏈。未來，隨著技術的革新，區塊鏈的落地應用將會不斷涌現，今后的研究也將繼續對系統安全性和交易效率進行完善和提高。