基于自動做市商的新型碳交易模式

顏擁，趙萍，葉吉超，謝天佑，王慕賓，潘梓彬，趙俊華

（1.河海大學 能源與電氣學院，南京 211100；2.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；3.國網浙江省電力有限公司麗水供電公司，浙江 麗水 323050；4.深圳人工智能與機器人研究院，廣東 深圳 518129）

0 引言

自工業革命以來，尤其是自20世紀中葉以來，不斷增長的溫室氣體排放加劇了全球氣候變化，溫室效應日益嚴重［1］。為履行《巴黎協定》［2］，減少碳排放，許多國家已經制定了與實現“碳中和”相關的目標。中國政府承諾盡其所能力爭在2030年之前實現“碳達峰”，在2060年之前實現“碳中和”；歐盟承諾在2050年之前實現二氧化碳凈零排放［3］；美國總統拜登曾宣布：在2030年讓溫室氣體凈排放量比2005年減少50%～52%。碳交易是一種為控制全球以二氧化碳為代表的溫室氣體排放而采用的市場機制，如今已成為國際氣候變化政策的一個重要組成部分［4］。2005年2月16日正式生效的《京都協議書》明確了碳交易的概念，即在各國排放總量控制的前提下，溫室氣體排放權作為一種稀缺資源，能夠對富余的CEA（碳配額）進行交易。截至2021年，全球共有33個碳排放權交易體系已投入運行［5］，其中全國碳市場于2021年7月16日正式上線。

目前，碳交易都是采用傳統的中心化交易所模式，存在流動性差、交易平臺數據信任問題等。文獻［6］提出，從總體上看，流動性差是目前碳市場的一個特點。此外，由于交易在傳統中心化服務器進行，存在被入侵、篡改數據等風險［7-8］，這將降低市場參與者信心，進一步降低碳交易市場的流動性。碳交易市場流動性不足時，容易出現價格被操縱、打擊市場信心等問題，會嚴重影響碳市場的健康發展，阻礙各國的低碳轉型，因此解決碳交易市場流動性不足問題具有重大意義。

對于交易平臺數據信任問題，目前許多研究提出采用區塊鏈技術來解決。區塊鏈具有可追溯、難以篡改、去中心化等優勢，可有效解決數據信任問題，是解決碳交易市場信任問題的有效技術手段。區塊鏈作為數字貨幣的底層技術，是當前實現虛擬能源貨幣的理想選擇［9］。目前已有不少基于區塊鏈開展碳交易的研究。文獻［10］提出基于霧計算、區塊鏈及公證人機制的碳排放權交易和綠證交易，利用公證人制度把綠證換算為碳排放配額減免量，實現跨鏈記錄。文獻［11］提出一種考慮信用評分機制的電力碳排放交易區塊鏈模型，可以保障信息的安全存儲，有利于碳市場公平公正運行。文獻［12］結合區塊鏈技術，提出“泛雙邊”碳排放權交易機制，并設計了交易應用，為碳權交易提供去中心化交易平臺的技術支撐，降低了碳交易市場的技術壁壘。文獻［13］設計了一個基于區塊鏈的碳權交易平臺，能夠保護用戶交易安全，使市場交易更加透明。文獻［14］通過分析認為區塊鏈可以可靠地記錄和傳遞碳交易信息，安全、公開、公正，有助于降低碳交易市場的準入門檻。

針對碳交易市場流動性差問題，目前相關的研究較少。歐盟提出將多國的碳市場兼容互連；文獻［15］建議制定需求刺激政策。這些方法雖然在一定程度上可以提高市場流動性，但是這些方法的可操作性較低，難以有效快速解決當前的碳交易市場流動性差的問題。因此，本文針對碳交易的流動性差和信任問題，通過基于區塊鏈的AMM（自動做市商）構建新型碳交易模式，將碳交易權進行資產化，有效解決碳交易市場初期的市場流動性問題。

1 交易模式分析

1.1 傳統交易模式

傳統的交易模式主要包括掛牌協議交易、大宗協議交易和單項競價3種交易模式［16］。

1.1.1 掛牌協議交易

在該模式下的交易主體根據實時掛單行情，在交易對手方實時最優5個價位內以對手方價格為成交價依次選擇，以價格優先的原則，提交申報完成交易［16］。因此，交易訂單只有在出價和要價相匹配時才能被完成，否則訂單無法被完成。對于流動性差的市場，采用掛牌協議交易模式將會導致大額差價，由此反作用進一步降低了流動性，形成惡性循環。

1.1.2 大宗協議交易

在該模式下的交易主體通過發起買賣申報，或與已發起申報的交易對手方進行對話議價，或直接與對手方成交。交易雙方就交易價格與交易數量等要素協商一致后確認成交。這種模式通常規定了一個較高的最小申報數量，交易群體較少，本身就是一個流動性非常差的市場交易模式。

1.1.3 單項競價

在單項競價模式下，賣家向交易機構提出賣出申請，交易機構發布競價公告，符合條件的意向買家按照規定加價或減價，在約定時間內通過中心化的交易系統完成交易。其本質是一種拍賣，通常需要較長的時間完成，流動性較差。

通過以上分析可見，傳統的交易模式不但無法有效改善市場流動性，反而可能加劇市場流動性問題。

1.2 做市商模式

做市商是解決流動性問題的主要手段，通常由獨立證券經營法人充當特許交易商。做市商不斷向投資者進行雙向報價，以其自有資產和證券與投資者進行交易。因此，買賣雙方不需要等待交易對手，而可以直接與做市商達成交易，因此做市商能夠有效地提高市場的流動性［17］。做市商制度在美國納斯達克市場已經得到過充分實踐，證實了它對于提高美國交易市場流動性作出的重要貢獻［18］。經中國證監會批準，首批科創板做市商于2022年10月31日正式開展股票做市交易業務，旨在促進科創版交易的流動性。

1.3 AMM模式

AMM在傳統金融市場是作為高頻交易的一種方式，主要是通過計算機系統和網絡優勢發現市場機會進行快速交易來獲取訂單差價。本文研究的AMM是基于區塊鏈技術的DeFi（去中心化金融）中的一種底層協議［19］，與傳統金融交易市場的AMM有本質區別。目前AMM在數字貨幣領域已較為成熟，已有許多成功的案例，如Bancor［20］、Uniswap［21］。通過算法提供價格，交易員可以直接與AMM進行交易，從而實現做市商的自動化。由于AMM是自動進行雙向報價，比做市商更能夠增加流動性，因此相比傳統交易模式，AMM在提高交易的流動性上更具優勢。

如圖1所示，AMM交易模式通常包括用戶、投資者和流動性池。流動性池是一個儲備了兩種或多種資產的智能合約，用戶通過直接向流動性池支付資產A，就能夠得到資產B。投資者可以往流動性池中注入資產對來提高流動性，或從中取走本金和利潤賺取收益。AMM在買賣雙方數量少的市場中優勢尤其明顯。因為此時買方愿意支付的最高價格和賣方愿意接受的最低價格可能會有很大的差距，從而導致在傳統的交易模式下交易無法完成。而當AMM作為所有交易的對手方時，即使市場行情再差，用戶也能通過AMM進行正常交易。

AMM包含CPMM（恒定乘積做市商）、CSMM（恒定和做市商）、CMMM（恒定平均值做市）等類型［22］。其中，CSMM規定兩種資產的總和為一個常量，會出現流動性池的一種資產歸零的情況，從而失去流動性，因此很少被應用；CMMM主要適用于兩種以上的資產交易；CPMM適用于兩種資產之間的交易，并且資產不會歸零，能夠提供無限的流動性，相比于前兩者，它更適合于應用在碳交易中。當有投資者向AMM協議發送兩個等值的資產時，就會創建或擴充流動性池。流動性池可用于將一種資產交換得到另一種資產。式（1）展示了CPMM流動性池中兩種資產的數量關系。

式中：x和y分別為流動性池中原有的資產A和B；k為當前流動性池的恒定乘積。

交易的價格由式（2）給出。

式中：Δx為投資者想要買資產B時所投入資產A的量；Δy為該用戶能夠獲得的資產B的量；λ為交易發生時需要向流動性池繳納的手續費（交易額的百分比）。假設手續費λ=0，則恒定乘積k的值在兩種資產的互兌交易前后是固定不變的。

圖2展示了CPMM的流動性池中兩種資產的關系及兌換資產B前后的流動性池的資產變化。

圖2 CPMM的流動性池資產數量關系Fig.2 Relationship between quantities of two assets in liquid pool of CPMM

在這樣的交易機制下，用戶不僅可以向AMM買賣資產，還能充當“流動性提供者”，從而在后續能夠從AMM協議中獲得收益。當投資者取出資產時，可按比例額外獲取交易手續費，形成收益。該投資者因手續費獲得的利潤P為：

式中：n為假設該投資者從投資到撤資總共經過的交易周期數；si和hi分別為在第i輪交易周期里系統收取的手續費對應的資產A和資產B；Ri和Si分別為該投資者所投的資產A和資產B在流動性池中的占比。

2 基于AMM的碳交易模式

2.1 碳資產

碳資產是指在強制碳排放權交易機制或者自愿碳排放權交易機制下，產生的可直接或間接影響組織溫室氣體排放的配額排放權、減排信用額及相關活動。碳資產包括CEA和CCER（核證自愿減排量）。因目前國內CCER尚未重啟，因此本文主要研究CEA。CEA是政府為完成控排目標，給控排企業發放的碳排放權憑證。若企業實際碳排放量小于政府分配的CEA，則企業就擁有了可以用于交易的多余碳資產CEA；若企業實際碳排放量超過其分配的CEA，則需要在市場上購買CEA來滿足政府要求。

2.2 基于區塊鏈的碳資產

區塊鏈作為一種解決各方主體信任問題的技術，是將碳資產數字化的理想方式［9］。目前基于區塊鏈形成的數字資產已經獲得了全球不少主體的認可，一種典型案例是基于區塊鏈形成的數字貨幣，比如BTC（比特幣）、ETH（以太坊）、XRP（瑞波幣）、USDT（泰達幣）、LTC（萊特幣）等。此外，NFT（非同質化通證）是另一種基于區塊鏈實現資產數字化的典型案例，它是區塊鏈網絡中具有唯一性特點的可信數字權益憑證［23］。由于NFT非同質化、不可拆分的特性，使得其可以和現實世界中的一些商品等進行綁定，即把資產數字化。以鯨探為例，它通過區塊鏈技術對特定作品、藝術品和商品進行唯一標識，實現藏品的數字資產化，并支持購買與轉贈［24］。本文將碳交易商品進行資產數字化，所提的方法本質上可以泛化到其他國家及不同國家之間的碳交易，但是為簡單起見，本文以中國的國情來設計基于區塊鏈的碳資產交易，并且只考慮CEA，不考慮CCER。碳交易模型包含兩種數字資產：ECNY和CEA。ECNY指數字人民幣，是由中國人民銀行發行的數字形式的法定貨幣，由指定運營機構參與運營并向公眾兌換［25］。

2.3 基于AMM的碳交易流程

根據圖1的AMM交易模式，可以推出基于AMM的碳交易模式，如圖3所示。

由表4可知，大部分除草劑表現出較高的除草活性，其中41%草甘膦異丙胺鹽水劑和15%硝磺草酮懸乳劑對寬葉酢漿草的鮮質量防效較高，地上部葉片質量非常小。40 g/L煙嘧磺隆油懸浮劑、30%苯唑草酮懸乳劑、25%砜嘧磺隆水分散粒劑對寬葉酢漿草的鮮質量防效接近或超過95%，200 g/L氯氟吡氧乙酸乳油和30%莠去津懸浮劑的鮮質量防效在80%左右。因此，單從葉片鮮質量來看，玉米地闊葉雜草防治劑均對寬葉酢漿草表現出較高的防效。

圖3 基于AMM的碳交易模式Fig.3 AMM based carbon trading mode

1）流動性池模塊用于存儲流通的ECNY和CEA。擁有碳資產的用戶，可以選擇往流動性池里同時注入CEA和ECNY資產對來提供流動性，以賺取直接的手續費收益；或者是把碳資產兌換成CEA后賣出，獲得ECNY。每筆ECNY和CEA的兌換交易，都收取所投入資產一定比例作為手續費。該手續費隨交易周期而累積，在流動性提供者提現套利時按式（3）給予其利潤。

2）ECNY與CEA兩種資產互兌。當用戶使用數字貨幣購買碳資產時，所購買的碳資產如式（4）所示。類似地，當用戶銷售碳資產時，所花費的數字貨幣如式（5）所示。

式中：ΔxCEA為所購買的碳資產；ΔxECNY為所花費的數字貨幣；xECNY為當前流動性池中的ECNY數量；xCEA為當前流動性池中的CEA數量；λ為每筆交易的手續費占比，恒定乘積k=xECNYxCEA。

2.4 AMM交易模式的滑點

通過AMM進行交易時需要注意的是：用戶兌換時看到資產兌換價格往往會和實際兌換價格有偏差，通常采用滑點來衡量這個差異，滑點是交易者在通過AMM進行交易時需要關注的一個重要指標。以ECNY兌換CEA為例，滑點H的計算詳見式（6）。滑點H越小對用戶越有利，用戶參與數字資產兌換的積極性會越高，能進一步增加市場的流動性。

由式（4）可得，當用戶消耗ΔxECNY換取ΔxCEA后，或者消耗ΔxCEA換取ΔxECNY后，流動性池的恒定乘積k將變得更大，見式（7）。此外，流動性提供者提供的流動性也能讓恒定乘積k變大，見式（8），隨著恒定乘積k的增大，能夠降低ECNY和CEA兌換的交易滑點，進一步使得流動性更好。

式中：x'CEA和x'ECNY分別為流動性提供者所投入的CEA和ECNY的數目，其滿足x'CEA∶x'ECNY=xCEA∶xECNY。

2.5 優勢分析

相比于傳統的中心化碳交易，基于AMM的去中心化碳交易由于采用區塊鏈作為底層技術，具有交易安全可靠、可追溯、交易數據公開透明等諸多優勢；同時，所采用的AMM模式可以有效提升市場流動性。

1）用戶資產更安全

2）交易過程更安全

AMM碳交易系統比傳統中心化的碳交易系統更安全。除了用戶隱私數據外，所有交易數據在區塊鏈中公開。用戶的交易數據被篡改、惡意下單的情況不容易出現。

3）市場流動性更高，碳價更穩定

基于AMM的智能合約具有數字資產兌換和提供流動性等功能，與傳統的碳交易系統相比，不需要交易雙方的互相等待即可完成交易，因此流動性更高。另一方面，用戶可以通過投資成為流動性提供者，能夠從系統中賺取手續費收益，這將激勵更多的人投資擴充流動性池，使得交易的滑點及CEA價格逐漸降低并趨于平穩，進一步促進碳市場的流動性和增強碳市場的穩定性。

3 基于AMM的碳交易平臺設計

基于AMM的碳交易平臺架構由基礎設施層、區塊鏈層、服務層和應用層組成，如圖4所示。

圖4 AMM碳交易平臺技術架構Fig.4 Technical architecture of carbon trading platform for AMM

1）基礎設施層

基礎設施層包含通信服務、應用服務和存儲服務的一些物理設施，比如PC機、云等相關基礎設施。

2）區塊鏈層

區塊鏈層包括智能合約、ETH虛擬機、區塊鏈數據、分布式網絡和共識機制等。區塊鏈數據由數據區塊及將數據區塊以順序方式相連的鏈式結構組成；共識機制是各個節點實現共識的機制，通常采用PBFT（拜占庭容錯共識）、POW（工作量證明）、POS（權益證明）等共識機制；智能合約是區塊鏈所擁有的獨特技術，可執行各個主體認可的程序，AMM的核心功能通過智能合約實現；ETH虛擬機是提供給智能合約部署和執行的環境。

3）服務層

服務層是核心層，主要通過智能合約來實現相關服務，主要包括資產兌換、流動性提供和收益分紅等關鍵服務。

4）應用層

應用層是實現具體的業務功能，主要包括資產兌換、資產轉賬、資產提現、身份認證、交易查詢和流動性管理等。身份認證模塊用于驗證用戶的身份，登錄后才能進行資產兌換等業務操作；資產轉賬和資產提現分別表示將ECNY、CEA等資產轉入或者提現到賬戶；資產兌換是用戶進行碳資產買入或者賣出；交易查詢是查詢用戶歷史交易記錄；流動性管理是用戶添加到流動性池進行投資或者撤出流動性池獲得收益分紅。

4 算例分析

本文采用ETH作為區塊鏈底層平臺，采用solidity作為智能合約開發語言，React為前端開發框架，采用uniswap V2.0作為交易協議，并采用遠程過程調用來實現前端和ETH的交互，搭建了基于AMM的碳交易原型系統。其中，每筆交易的手續費占比λ為0.3%。下面將分別從流動性、碳資產價格和交易滑點這3個方面進行分析。

4.1 流動性分析

根據《碳排放權交易管理規則（試行）》，掛牌協議交易的成交價格在上一個交易日收盤價的±10%之間確定。如果某日因政府出臺某項重大政策導致市場產生巨大波動，則當前碳交易市場跌停。此時，某用戶想要通過掛牌交易的方式銷售其擁有的CEA，則無法銷售出去。

相比之下，在基于AMM的碳交易平臺中，該用戶可以順利銷售其持有的CEA。假設當前ECNY和CEA初始量分別為58萬和1萬，根據式（5）可以計算出該用戶在基于AMM的碳交易平臺上可以出售1 t CEA，并且獲得了57.485 7個ECNY。用戶的具體交易界面如圖5所示，其顯示了當前CEA和ECNY兩種資產的余額。因為AMM的流動性池中并不需要用戶報價，完全是由流動性池中的資產數量來確定價格，而且沒有跌停設置，因此不論市場情況有多差，只要流動性池中的資產數量超過用戶兌換資產數量，都可以順利完成交易。可見，基于AMM的交易相比傳統的掛牌交易模式具有更好的流動性。

圖5 AMM碳交易平臺兌換操作Fig.5 Exchange operation in carbon trading platform of AMM

4.2 碳資產價格分析

在AMM交易模式中，交易是由流動性池中的資產數量決定，因此需要分析流動性池資產數量對交易價格的影響。流動性池的恒定乘積k與CEA價格的關系如圖6所示。在兩種資產比例不變的情況下，隨著恒定乘積k的增大，CEA的價格會逐漸降低，并趨于某個穩定值，約為58.175 5。當恒定乘積k逐漸變小，則CEA的價格會迅速上升，此時會吸引更多的投資者添加流動性池來獲取利益，使得恒定乘積k變大，從而穩定市場交易價格。由此說明，流動性池的擴大有利于穩定碳市場的價格。

圖6 CEA價格隨恒定乘積k的變化過程Fig.6 Changing process of CEA price vs.constant product k

4.3 交易滑點分析

實際上，在4.1節中，當前流動性池的ECNY和CEA兩種資產比例是58∶1，但是用戶實際上兌換出來的價格是57.485 7個ECNY，可見出現了滑點，因此本節分析恒定乘積與滑點的關系。由式（5）和式（6）可知，交易滑點與恒定乘積之間的關系較為復雜，與流動性池中的資產量相關。為簡單起見，基于之前資產比例的假設，計算得到不同恒定乘積k對應的交易滑點，如圖7所示。可見隨著恒定乘積k的增大，交易滑點逐步降低；反之，則交易滑點逐步升高。

圖7 CEA/ECNY滑點隨恒定乘積變化過程Fig.7 Changing process of CEA/ECNY slippage vs.constant product k

基于4.2和4.3 2節的分析可知，當流動性池的容量較小（即恒定乘積k較小）時，CEA價格較高，但滑點也高，此時為了吸引更多的CEA買家和賣家進場交易賺取手續費，會有更多的投資者投資成為流動性提供者，擴充流動性池，使得交易滑點降低、CEA價格更穩定，從而進一步提升流動性。而當流動性池容量較高時，CEA價格較低，投資者獲得的手續費利潤較小，此時它們將撤資。因此，在不考慮外部市場劇烈波動的情況下，流動性池會在一定范圍內波動，基于AMM的碳交易模式能夠促進市場價格的穩定。

5 結語

碳交易市場對能源生產、企業生產、政府規劃等方面產生了深刻的影響。如何提高碳交易的流動性，是保障碳交易市場健康發展的重要問題。區塊鏈的去中心化、難以篡改等特性為構建可信、去中心化的碳交易系統提供了有力的技術支撐，而AMM交易模式可以有效提高市場的流動性。本文通過區塊鏈將碳資產數字化，提出一種基于AMM的新型碳交易模式，可以有效提升市場流動性和交易價格的穩定性，促進碳市場的穩健發展。下一步，將對基于AMM的碳交易平臺性能、跨境碳交易等問題進行深入研究，推動AMM在碳交易的應用落地，促進碳交易市場的健康發展。