席嫣娜，張宏宇，高鑫，楊銘，梁惠施，周奎

(1.國網(wǎng)北京市電力公司，北京市 100031；2.北京電力經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院有限公司，北京市 100055；3.清華四川能源互聯(lián)網(wǎng)研究院，成都市 610213)

0 引 言

2020年9月，習(xí)近平總書記在第75屆聯(lián)大會(huì)議鄭重宣告，我國將在2030年前實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰，2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。雙碳目標(biāo)的提出推動(dòng)了能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的加速，給能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)[1]。能源互聯(lián)網(wǎng)是以能源系統(tǒng)為核心，以互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為支撐，電網(wǎng)、天然氣網(wǎng)絡(luò)、供水網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)等其他網(wǎng)絡(luò)緊密耦合而形成的復(fù)雜多網(wǎng)流系統(tǒng)[2]。目前，能源網(wǎng)絡(luò)基本實(shí)現(xiàn)了對(duì)電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，所采集的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集基站或網(wǎng)絡(luò)專線等方式匯集到電力公司的數(shù)據(jù)中臺(tái)系統(tǒng)[3]。然而，要充分挖掘能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的價(jià)值，不僅需要在能源生產(chǎn)、傳輸和消費(fèi)等各個(gè)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，還需要源自社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、氣候、人居、交通以及其他能源系統(tǒng)(例如天然氣網(wǎng)和供熱網(wǎng))等會(huì)影響能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)和運(yùn)行的數(shù)據(jù)[4]，因而需要解決不同數(shù)據(jù)所有者實(shí)體之間的數(shù)據(jù)共享問題。由于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)海量、多元、流式的特點(diǎn)[5]，各數(shù)據(jù)所有者實(shí)體之間的數(shù)據(jù)共享仍存在較大壁壘。

集中式中心化的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和共享方式存在信息安全的問題，比如中心節(jié)點(diǎn)更容易受到惡意攻擊，以集中方式存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)難以保證不被故意篡改等。此外，不同數(shù)據(jù)所有者實(shí)體所掌握的數(shù)據(jù)往往具有多源異構(gòu)的特點(diǎn)，加上數(shù)據(jù)體量龐大，給集中式中心化的數(shù)據(jù)共享方式帶來了很大的資源開銷[6-8]。因此，迫切需要設(shè)計(jì)一種安全可靠的分布式協(xié)作機(jī)制和技術(shù)架構(gòu)，保障能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享的時(shí)效性、安全性和可信性。

區(qū)塊鏈技術(shù)是近年來出現(xiàn)的一種基于分布式存儲(chǔ)的共享數(shù)據(jù)庫技術(shù)，被認(rèn)為是繼移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)后的下一代顛覆性技術(shù)。由于區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、數(shù)據(jù)安全、可靠、歷史信息可追溯等特點(diǎn)，在能源領(lǐng)域常常被應(yīng)用于交易和溯源方面[9-10]。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于區(qū)塊鏈的需求響應(yīng)認(rèn)證、激勵(lì)機(jī)制和技術(shù)框架。文獻(xiàn)[12]指出區(qū)塊鏈技術(shù)在解決能源電力領(lǐng)域安全隱私、政策適應(yīng)及效率等方面的優(yōu)勢(shì)，提出了能源消納和電網(wǎng)配套服務(wù)方面的典型場(chǎng)景。文獻(xiàn)[13]提出了區(qū)塊鏈在電力系統(tǒng)碳排放權(quán)與綠證交易的系統(tǒng)構(gòu)架。文獻(xiàn)[14]提出了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于電力交易的系統(tǒng)構(gòu)架及阻塞管理方法。在能源大數(shù)據(jù)領(lǐng)域，近年來也有學(xué)者研究如何將區(qū)塊鏈應(yīng)用于能源數(shù)據(jù)資產(chǎn)的管理。文獻(xiàn)[15]提出了區(qū)塊鏈技術(shù)在電網(wǎng)數(shù)據(jù)資產(chǎn)管理方面的應(yīng)用，利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立共識(shí)和激勵(lì)機(jī)制，提升各方對(duì)電網(wǎng)數(shù)據(jù)維護(hù)的積極性。文獻(xiàn)[16]提出了區(qū)塊鏈在能源大數(shù)據(jù)領(lǐng)域的應(yīng)用，包括分布式能源交易與管理、電動(dòng)汽車有序充電、微電網(wǎng)交易、電力市場(chǎng)、區(qū)域能源交易、虛擬電廠管理、需求側(cè)響應(yīng)等應(yīng)用場(chǎng)景。文獻(xiàn)[17]設(shè)計(jì)了監(jiān)管鏈和多數(shù)據(jù)鏈結(jié)合的能源數(shù)據(jù)鏈構(gòu)架，并提出支持外包的多授權(quán)屬性加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問策略控制。

目前，區(qū)塊鏈在大數(shù)據(jù)共享方面的研究都是對(duì)數(shù)據(jù)本身進(jìn)行直接共享。然而，將數(shù)據(jù)直接共享存在數(shù)據(jù)隱私難以保證、數(shù)據(jù)量大等問題。本文針對(duì)上述問題，提出基于區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)知識(shí)共享框架模型，提出基于云邊協(xié)同的雙層數(shù)據(jù)知識(shí)提取機(jī)制，所提取的知識(shí)通過區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)共享平臺(tái)實(shí)現(xiàn)能源互聯(lián)網(wǎng)中多實(shí)體間的知識(shí)安全共享。

1 能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)知識(shí)共享框架

1.1 能源互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)共享特點(diǎn)與需求

能源互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)架及主要組成元素如圖1所示，其核心是基于互聯(lián)網(wǎng)的理念，通過能源系統(tǒng)與信息系統(tǒng)的高度融合，促進(jìn)能源網(wǎng)絡(luò)中各種資源的優(yōu)化配置。能源互聯(lián)網(wǎng)的參與主體具有多元化特點(diǎn)，多個(gè)參與實(shí)體各自擁有海量、多元、異構(gòu)的數(shù)據(jù)[18]，對(duì)這些來自不同實(shí)體的數(shù)據(jù)進(jìn)行共享、融合，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行多源數(shù)據(jù)的聯(lián)合挖掘，才能最大程度地發(fā)掘能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)的價(jià)值。目前，研究普遍認(rèn)為能源互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)共享與融合能夠應(yīng)用于提升能源互聯(lián)網(wǎng)多能耦合系統(tǒng)決策優(yōu)化和安全穩(wěn)定運(yùn)行，催化能源互聯(lián)網(wǎng)高自由度商業(yè)模式形成，提高能源互聯(lián)網(wǎng)信息資產(chǎn)的管理水平，優(yōu)化能源網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)方案，支撐智慧城市建設(shè)等方面[19]。

圖1 能源互聯(lián)網(wǎng)構(gòu)架及要素Fig.1 Architecture and elements of energy Internet

相較于傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)，能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享的特點(diǎn)在于：1)數(shù)據(jù)共享的價(jià)值挖掘場(chǎng)景主要在能源交易、運(yùn)行、規(guī)劃以及面向能源系統(tǒng)外的數(shù)據(jù)增值服務(wù)方面，數(shù)據(jù)融合挖掘的專業(yè)性更強(qiáng)；2)能源電力數(shù)據(jù)涉及用戶隱私，數(shù)據(jù)敏感度高，對(duì)數(shù)據(jù)共享的安全性和隱私保護(hù)的要求也更高；3)能源互聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)主體多樣，包括電網(wǎng)、能源供應(yīng)商、設(shè)備供應(yīng)商、負(fù)荷聚集商、燃?xì)獠块T、供水部門、交通監(jiān)管部門等，數(shù)據(jù)存在多元異構(gòu)的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)的聯(lián)合挖掘往往需要解決大規(guī)模、異地、異構(gòu)數(shù)據(jù)的聯(lián)合復(fù)雜分析問題。

然而，目前能源數(shù)據(jù)共享機(jī)制的缺乏，直接影響各方在數(shù)據(jù)共享方面的互信建立，從而降低了能源大數(shù)據(jù)共享的頻度和廣度。此外，集中式的大數(shù)據(jù)挖掘方式可能會(huì)造成用戶隱私、企業(yè)經(jīng)營數(shù)據(jù)的泄露，進(jìn)而導(dǎo)致個(gè)人權(quán)益的損害和企業(yè)間的不正當(dāng)競(jìng)爭[20]。另外，由于能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)存在數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性強(qiáng)等特性，未經(jīng)處理的原始數(shù)據(jù)傳輸會(huì)造成很大的網(wǎng)絡(luò)資源浪費(fèi)。事實(shí)上，各實(shí)體真正需要的往往不是數(shù)據(jù)本身，而是蘊(yùn)含在數(shù)據(jù)中的知識(shí)。因此，有必要構(gòu)建一個(gè)能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)挖掘和知識(shí)共享的框架，解決實(shí)體間的互信建立、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、知識(shí)挖掘及知識(shí)傳輸存儲(chǔ)等問題。針對(duì)上述問題，本文提出基于云邊協(xié)同技術(shù)的能源數(shù)據(jù)知識(shí)挖掘和基于區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)知識(shí)共享框架。

1.2 云邊協(xié)同知識(shí)挖掘

在知識(shí)挖掘方面，根據(jù)用戶實(shí)際需求從云端下沉數(shù)據(jù)挖掘算法到邊端(即用戶側(cè))，在邊端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的知識(shí)提取。基于云邊協(xié)同的知識(shí)挖掘架構(gòu)如圖2所示，其構(gòu)成包括：

圖2 基于云邊協(xié)同知識(shí)提取機(jī)制Fig.2 Knowledge extraction based on cloud edge collaboration

1)能源互聯(lián)網(wǎng)中各主體對(duì)其感知量測(cè)設(shè)備所獲取的數(shù)據(jù)在用戶側(cè)數(shù)據(jù)中心進(jìn)行存儲(chǔ)，并同時(shí)建立數(shù)據(jù)資源目錄。

2)數(shù)據(jù)共享云由第三方機(jī)構(gòu)建設(shè)和運(yùn)營，其職責(zé)在于為各方提供數(shù)據(jù)資源目錄查詢的云平臺(tái)，并提供數(shù)據(jù)挖掘算法和數(shù)據(jù)計(jì)算服務(wù)資源。

3)數(shù)據(jù)需求方根據(jù)云平臺(tái)上的數(shù)據(jù)資源目錄，結(jié)合其需求確定所需的數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)需求方與數(shù)據(jù)所有方達(dá)成數(shù)據(jù)知識(shí)共享協(xié)議后，向云端提出知識(shí)提取需求。

4)云端第三方從數(shù)據(jù)知識(shí)共享過程中獲取計(jì)算服務(wù)和平臺(tái)服務(wù)對(duì)應(yīng)的收益。

5)數(shù)據(jù)的共享過程通過聯(lián)盟區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)可信交易，并通過智能合約來實(shí)現(xiàn)共享過程中知識(shí)提取和權(quán)限管理的自動(dòng)化。

1.3 區(qū)塊鏈知識(shí)共享

在數(shù)據(jù)知識(shí)共享方面，基于區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)各實(shí)體間的數(shù)據(jù)知識(shí)可信、可靠共享。數(shù)據(jù)知識(shí)共享架構(gòu)如圖3所示，主要包含以下步驟：

圖3 基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享架構(gòu)Fig.3 Data-sharing framework based on alliance blockchain

1)數(shù)據(jù)需求方通過第三方云上的數(shù)據(jù)檢索目錄獲取到各實(shí)體的數(shù)據(jù)相關(guān)信息，根據(jù)自身需求向數(shù)據(jù)所有方發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求，包含數(shù)據(jù)使用目的、訪問時(shí)間和訪問次數(shù)、需求字段、是否涉及敏感信息等數(shù)據(jù)需求說明，數(shù)據(jù)所有方驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)身份及數(shù)據(jù)請(qǐng)求的合法性。

2)數(shù)據(jù)供需雙方達(dá)成共享協(xié)議并向云端提出知識(shí)提取的需求被確認(rèn)后，數(shù)據(jù)共享交易信息被廣播到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。

3)在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的協(xié)同下，記賬節(jié)點(diǎn)將當(dāng)前時(shí)段的數(shù)據(jù)共享交易記錄打包生成新的區(qū)塊，并與區(qū)塊鏈中的其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步。其他各節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證區(qū)塊的真實(shí)性后將新區(qū)塊加到原有區(qū)塊鏈之后。

4)數(shù)據(jù)所有方將共享數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫訪問路徑、共享數(shù)據(jù)表單名稱及字段說明，以及數(shù)據(jù)庫訪問次數(shù)、訪問時(shí)間等約束條件以智能合約形式打包發(fā)送給云端第三方。數(shù)據(jù)源驗(yàn)證授權(quán)信息后執(zhí)行智能合約，依據(jù)訪問約束生成對(duì)應(yīng)的腳本代碼，對(duì)訪問者的數(shù)據(jù)權(quán)限進(jìn)行個(gè)性化定制和敏感信息處理，云端第三方根據(jù)數(shù)據(jù)需求方的要求將算法下沉到數(shù)據(jù)所有方邊端進(jìn)行知識(shí)提取。

5)知識(shí)提取的結(jié)果以智能合約的形式向數(shù)據(jù)需求方開放訪問權(quán)限，完成數(shù)據(jù)知識(shí)共享。

2 基于云邊協(xié)同的雙層數(shù)據(jù)知識(shí)提取架構(gòu)

2.1 云邊協(xié)同知識(shí)提取流程

本文所提出的基于云邊協(xié)同的雙層數(shù)據(jù)知識(shí)提取架構(gòu)主要解決能源大數(shù)據(jù)共享中數(shù)據(jù)傳輸負(fù)荷過大、數(shù)據(jù)隱私和數(shù)據(jù)安全難以保證的問題，其具體架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于云邊協(xié)同的多層聯(lián)邦學(xué)習(xí)構(gòu)架Fig.4 Multi-layer federated learning architecture based on cloud-side collaboration

邊緣計(jì)算是指在靠近終端側(cè)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，從原始數(shù)據(jù)中提取出有價(jià)值的知識(shí)，這是一個(gè)精簡信息、提升數(shù)據(jù)價(jià)值密度的過程。將數(shù)據(jù)知識(shí)化與邊緣計(jì)算結(jié)合，在數(shù)據(jù)實(shí)體側(cè)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行知識(shí)提取，能夠?qū)⒌蛢r(jià)值密度的原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為高價(jià)值密度的知識(shí)。邊緣端完成對(duì)原始數(shù)據(jù)的初級(jí)加工和知識(shí)提取后，云端進(jìn)一步對(duì)來自多方數(shù)據(jù)源的知識(shí)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合分析挖掘，實(shí)現(xiàn)多源數(shù)據(jù)的價(jià)值提取。云邊協(xié)同知識(shí)提取流程如下：

1)初始化。數(shù)據(jù)需求方通過區(qū)塊鏈骨干網(wǎng)絡(luò)向數(shù)據(jù)所有者發(fā)送數(shù)據(jù)知識(shí)共享請(qǐng)求。

2)知識(shí)需求方與數(shù)據(jù)所有者達(dá)成數(shù)據(jù)共享協(xié)議后，通過云端下沉邊緣知識(shí)提取算法，完成全局任務(wù)模型構(gòu)建。

3)選取符合算力和數(shù)據(jù)需求的邊緣服務(wù)器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行底層算法部署。

4)由邊緣服務(wù)器節(jié)點(diǎn)完成終端數(shù)據(jù)的匯集和邊緣聯(lián)邦學(xué)習(xí)計(jì)算任務(wù)。

5)邊緣側(cè)利用云端下沉的數(shù)據(jù)挖掘算法，在用戶側(cè)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理和知識(shí)提取，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成初級(jí)知識(shí)。

6)邊緣側(cè)計(jì)算結(jié)果通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)加密和數(shù)據(jù)上傳。

7)云服務(wù)器對(duì)各節(jié)點(diǎn)初級(jí)知識(shí)進(jìn)行全局聚合后進(jìn)行二次加工處理，基于聯(lián)邦學(xué)習(xí)進(jìn)行二次數(shù)據(jù)挖掘，同時(shí)通過步驟2)—6)完成邊緣數(shù)據(jù)挖掘和云端協(xié)同訓(xùn)練，推動(dòng)邊緣側(cè)和云端算法互動(dòng)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)知識(shí)組件的學(xué)習(xí)和優(yōu)化。

8)數(shù)據(jù)需求方最終通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)獲取到多次迭代和提取的需求知識(shí)。

2.2 聯(lián)邦學(xué)習(xí)算法應(yīng)用

聯(lián)邦學(xué)習(xí)(federated learning,FL)是一種通過分布式機(jī)器學(xué)習(xí)來進(jìn)行共享數(shù)據(jù)挖掘的方法，具有數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)[21]。由于行業(yè)、客戶范圍等的不同，各主體所挖掘的知識(shí)并不相同且信息交流存在障礙，使得各方需求難以同時(shí)滿足。為解決這一需求，運(yùn)用聯(lián)邦學(xué)習(xí)技術(shù)，在對(duì)知識(shí)進(jìn)行對(duì)齊和加密的基礎(chǔ)上，建立各方知識(shí)模型的協(xié)作訓(xùn)練模式，各參與方只能得到與自己相關(guān)的模型參數(shù)，從而在保證數(shù)據(jù)安全的條件下，實(shí)現(xiàn)多方的協(xié)作訓(xùn)練和知識(shí)共享。

縱向聯(lián)邦學(xué)習(xí)(vertical federated learning，VFL)與同態(tài)加密(homomorphic encryption，HE)結(jié)合的方式可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多數(shù)據(jù)源間的知識(shí)協(xié)同挖掘過程?？v向聯(lián)邦學(xué)習(xí)模型示意如圖5所示?；诳v向聯(lián)邦學(xué)習(xí)的優(yōu)化目標(biāo)為：

圖5 縱向聯(lián)邦學(xué)習(xí)模型示意圖Fig.5 Diagram of vertical federated learning mode

(1)

(2)

同態(tài)加密作為非對(duì)稱加密算法的一種類型，其特性主要表現(xiàn)為加密密文保持與明文運(yùn)算結(jié)果的一致性，用算式表示為：

D[φ(AΔB)]=D[φ(A)Δφ(B)]，?A,B

(3)

式中：Δ為特定運(yùn)算符；D(·)為加密算法φ(·)對(duì)應(yīng)的解密算法，對(duì)于任意明文A、B均成立，則滿足同態(tài)加密要求。

本文以同態(tài)加密的縱向聯(lián)邦學(xué)習(xí)為例說明聯(lián)邦學(xué)習(xí)應(yīng)用于云邊協(xié)同知識(shí)提取的可行性，在不同場(chǎng)景下，針對(duì)適應(yīng)性可選擇橫向聯(lián)邦學(xué)習(xí)、聯(lián)邦遷移學(xué)習(xí)等方法實(shí)現(xiàn)多數(shù)據(jù)源間的知識(shí)提取，方法與縱向聯(lián)邦學(xué)習(xí)模型類似，因此不在贅述。

3 基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)共享技術(shù)構(gòu)架

能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)共享的參與主體主要包含電網(wǎng)、油/氣/熱能源系統(tǒng)、各類分布式可再生能源業(yè)主、政府部門、能源設(shè)備制造商以及氣象、交通、城市監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)所有機(jī)構(gòu)。在區(qū)塊鏈種類選擇方面，由于能源區(qū)塊鏈各參與主體具備一定的規(guī)模且主體數(shù)量相對(duì)較少，因此相較于節(jié)點(diǎn)數(shù)量巨大、運(yùn)行效率較低的公有鏈，聯(lián)盟鏈更適合能源大數(shù)據(jù)共享的場(chǎng)景。各數(shù)據(jù)所有者間建立共識(shí)協(xié)作關(guān)系，聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)具有一定的準(zhǔn)入條件且新節(jié)點(diǎn)的加入需要現(xiàn)有聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)的一致同意，只有加入聯(lián)盟鏈的節(jié)點(diǎn)有權(quán)利記錄、認(rèn)證、讀取區(qū)塊鏈上的數(shù)據(jù)。

利用加密鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)區(qū)塊結(jié)構(gòu)來驗(yàn)證和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享交易記錄。分布式節(jié)點(diǎn)通過共識(shí)算法來維護(hù)和同步更新各鏈上數(shù)據(jù)，利用智能合約來保證數(shù)據(jù)共享合約的履行，其模型構(gòu)架如圖6所示，其模塊的功能為：

圖6 基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的能源數(shù)據(jù)共享模型構(gòu)架Fig.6 Energy data sharing framework based on alliance blockchain

1)數(shù)據(jù)層：數(shù)據(jù)層采取經(jīng)典鏈?zhǔn)絽^(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。區(qū)塊頭主要由父區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、默克爾樹、隨機(jī)數(shù)等信息構(gòu)成，區(qū)塊主體包含數(shù)據(jù)共享過程中的交易信息列表。每個(gè)區(qū)塊中的區(qū)塊頭所保存的父區(qū)塊哈希值，在區(qū)塊間構(gòu)成了連接關(guān)系。數(shù)據(jù)層主要存儲(chǔ)數(shù)據(jù)共享的交易數(shù)據(jù)。

2)網(wǎng)絡(luò)層：網(wǎng)絡(luò)層采用P2P網(wǎng)絡(luò)，采用非對(duì)稱加密(例如橢圓加密算法)完成各節(jié)點(diǎn)的身份驗(yàn)證和數(shù)據(jù)傳輸加密，認(rèn)證機(jī)制則規(guī)定了區(qū)塊在網(wǎng)絡(luò)層中受各節(jié)點(diǎn)監(jiān)督審計(jì)的實(shí)現(xiàn)方式。

3)共識(shí)層：聯(lián)盟鏈采用實(shí)用拜占庭協(xié)議(practical Byzantine fault tolerance,PBFT)作為共識(shí)機(jī)制。在考慮系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等原因造成信息缺失的同時(shí)，考慮了區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)互信的拜占庭將軍問題[22]?；诼?lián)盟鏈的能源大數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，各節(jié)點(diǎn)由能源企業(yè)、能源監(jiān)管部門、政府部門、企事業(yè)單位、交易平臺(tái)等具有一定規(guī)模的單位或有國家背書的機(jī)關(guān)部門構(gòu)成，其系統(tǒng)構(gòu)架具有節(jié)點(diǎn)數(shù)量少、質(zhì)量高、作惡節(jié)點(diǎn)少等特點(diǎn)。相比于工作量證明(proof of work,PoW)而言，PBFT具有共識(shí)效率更高、資源浪費(fèi)少的優(yōu)點(diǎn)，因而適用于聯(lián)盟鏈系統(tǒng)。

4)合約層：合約層集成了聯(lián)盟區(qū)塊鏈交易的相關(guān)合約，其構(gòu)成以智能合約為核心，以算法機(jī)制和腳本代碼實(shí)現(xiàn)整個(gè)數(shù)據(jù)共享流程。智能合約是一套以計(jì)算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)的合約，合約規(guī)定交易過程中觸發(fā)事件和使用條件等約束，通過代碼自動(dòng)執(zhí)行。

基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術(shù)的能源大數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)包括3類實(shí)體：數(shù)據(jù)所有者(data owner,DO)、數(shù)據(jù)需求方(data user,DU)、第三方云(cloud-side third party，CTP)。整個(gè)系統(tǒng)在合約層主要包括如下9個(gè)算法模塊：

1)Register(μ)→ (Kp,Ks，Ad)：每個(gè)實(shí)體加入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)前必須先進(jìn)行注冊(cè)，其中μ為輸入的安全參數(shù)，經(jīng)過Register程序中的加密算法生成公鑰Kp和私鑰Ks。公鑰經(jīng)過橢圓加密算法生成實(shí)體的地址Ad。每個(gè)實(shí)體在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中被其加密地址唯一地標(biāo)記。

2)DataSharingInit (PDS,Ad)→ (PEDS)：DO發(fā)起數(shù)據(jù)共享交易程序，其中數(shù)據(jù)共享協(xié)議PDS包含了數(shù)據(jù)共享的相關(guān)信息，經(jīng)過DataSharingInit程序進(jìn)行加密。加密后的數(shù)據(jù)共享協(xié)議PEDS會(huì)被打包進(jìn)區(qū)塊。

3)Authorization (S)→(Ts,Td)：DU向CTP發(fā)起授權(quán)程序，通過數(shù)據(jù)共享協(xié)議中規(guī)定的數(shù)據(jù)知識(shí)屬性集S生成秘文Ts和Td，其中Ts為被發(fā)送給DO的秘文，Td為被發(fā)送給CTP的秘文。

4)EncryptMatch (Ts,Td)：CTP發(fā)送數(shù)據(jù)訪問請(qǐng)求給DO，DO通過匹配Ts和Td驗(yàn)證授權(quán)的真實(shí)性。

6)AlgorithmSink (TF)：CTP發(fā)起數(shù)據(jù)訪問及算法下沉程序。CTP通過其私鑰對(duì)TF進(jìn)行解密之后獲取數(shù)據(jù)地址，并向DO發(fā)起數(shù)據(jù)訪問和算法下沉申請(qǐng)。DO驗(yàn)證確認(rèn)CTP的身份后，給CTP開放訪問權(quán)限，并為知識(shí)提取算法分配計(jì)算空間。CTP將知識(shí)提取算法下沉到邊側(cè)進(jìn)行知識(shí)提取。知識(shí)提取結(jié)果存儲(chǔ)在DO邊側(cè)數(shù)據(jù)庫。

7)KnowledgeGen (AR)→(TR)：DO通過加密程序?qū)⒅R(shí)訪問地址AR生成秘文TR，并用DU的公鑰加密后發(fā)送給DU。

8)ResultAccess (AR,Ks)→(TC)：DU發(fā)起知識(shí)提取結(jié)果訪問程序，通過其私鑰Ks對(duì)知識(shí)訪問地址AR解密后，從DO邊側(cè)數(shù)據(jù)庫獲取知識(shí)提取的最終結(jié)果。智能合約自動(dòng)將訪問信息(如訪問時(shí)間、數(shù)據(jù)量、訪問者身份等)寫入交易文件并加密成秘文TC并打包寫入?yún)^(qū)塊鏈。

9)TokenGen→token：智能合約執(zhí)行代幣生成程序TokenGen，根據(jù)數(shù)據(jù)共享協(xié)議計(jì)算得到各方應(yīng)增加或減少的代幣(token)的數(shù)量，并將其廣播到聯(lián)盟區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。聯(lián)盟區(qū)塊鏈通過共識(shí)機(jī)制完成數(shù)據(jù)共享交易的記賬和同步。

4 安全性及隱私性分析

1)非中心化架構(gòu)。本文所提出的聯(lián)盟區(qū)塊鏈知識(shí)共享模型采用分布式架構(gòu)，所有節(jié)點(diǎn)都共同參與維護(hù)大數(shù)據(jù)知識(shí)的共享交易記錄，整個(gè)共享過程不依賴于某個(gè)中心節(jié)點(diǎn)，具有高安全性、高透明性、防篡改的特點(diǎn)。

2)節(jié)點(diǎn)身份保護(hù)。聯(lián)盟區(qū)塊鏈中的所有節(jié)點(diǎn)都由各自唯一的地址標(biāo)識(shí)，攻擊者無法根據(jù)地址知道實(shí)體的身份信息，因此能很好地保護(hù)數(shù)據(jù)共享雙方的數(shù)據(jù)安全性。

3)基于非對(duì)稱加密的信息傳遞保護(hù)。知識(shí)共享交易信息的傳遞過程采用非對(duì)稱加密進(jìn)行保護(hù)，即信息發(fā)送方和接收方都分別有一對(duì)私鑰和公鑰，公鑰是對(duì)所有人公開的，私鑰只有實(shí)體自身能使用。信息在信息發(fā)送端通過公鑰被加密，在信息接收端通過私鑰解密，能防止信息在網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)倪^程中被攻擊。

4)基于云邊協(xié)同的知識(shí)提取架構(gòu)。實(shí)體間共享的是知識(shí)而不是數(shù)據(jù)本身，能對(duì)數(shù)據(jù)中所包含的用戶隱私信息進(jìn)行脫敏，因此能很好地保護(hù)用戶隱私。此外，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)所有者邊側(cè)數(shù)據(jù)庫，避免了海量數(shù)據(jù)在線傳輸，提高了數(shù)據(jù)的安全性。

5 結(jié) 語

能源行業(yè)正處于從信息技術(shù)(information technology,IT)時(shí)代向數(shù)據(jù)技術(shù)(data technology,DT)時(shí)代轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵時(shí)期，數(shù)據(jù)逐漸成為核心生產(chǎn)要素之一。能源大數(shù)據(jù)共享交易是大數(shù)據(jù)知識(shí)挖掘、價(jià)值協(xié)作創(chuàng)造、釋放數(shù)據(jù)價(jià)值的重要基礎(chǔ)。本文從能源大數(shù)據(jù)共享的互信建立、數(shù)據(jù)安全、成本效率等方面出發(fā)，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和云邊協(xié)同技術(shù)，提出了基于云邊協(xié)同和區(qū)塊鏈的能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)知識(shí)共享交易機(jī)制，通過云邊協(xié)同的提取架構(gòu)實(shí)現(xiàn)多方快捷知識(shí)提取，通過區(qū)塊鏈技術(shù)保證了數(shù)據(jù)共享全過程的數(shù)據(jù)安全性和共享交易可靠性、可信性，對(duì)于提高能源大數(shù)據(jù)共享效率、推動(dòng)形成能源互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)價(jià)值生態(tài)具有借鑒價(jià)值。