近日，能源领域顶级期刊Nature Energy发表了上海交大电院电气工程系副教授陈思捷等人的研究性论文《求解证明机制：面向能源系统调度与交易优化的区块链共识机制》。该论文提出了一种面向能源系统调度与交易的新型区块链共识机制暨数学优化方法。本文的第一作者和通讯作者为陈思捷，合作者包括上海交大博士生米翰宁、平健博士、严正教授、硕士沈泽宇、刘学智老师，清华大学张宁副教授、夏清教授、康重庆教授。

【本文内容】

近年来，电力系统优化的边界逐渐扩展到电、冷、热、天然气、氢、交通、水、碳等多资源能源形式。多能源系统的协同优化给传统的集中优化运行方式带来了巨大挑战。一方面，不同能源子系统之间往往是平级关系，一个凌驾于各能源子系统之上、能指挥跨能源系统协同优化的权威中心机构通常不存在。另一方面，集中优化方式下，优化相关信息与参数仅由中心机构掌握，其他市场主体难以检验协同优化调度方案的正确性、最优性；各方未必相信中心机构没有徇私舞弊，未必相信其严格遵守优化规则。

本文利用区块链“多边共治、相互制衡”的原理，提出了一种适用于能源系统运行优化的区块链共识机制，命名为求解证明机制（Proof of Solution，PoSo）。PoSo具有“一人求解，多人验证，求解复杂，验证简单”的特性。其基本思路与经典的区块链工作量证明（PoW）共识机制类似，但将PoW中需要求解的复杂哈希谜题替换为优化问题。一方面，优化问题和哈希谜题都有“求解复杂、验证简单”的特性，可以降低海量验证者的验证运算工作量；另一方面，这一替换使得宝贵的算力用于求解有意义的优化问题，而非无意义的哈希谜题。PoSo与PoW的对比如图1所示。

图1 PoW与PoSo对比

下面以多个综合能源服务商协同优化运行为例，说明PoSo的思想（图2）：地位平等的各个服务商组成一个委员会，由全体委员会成员选出一个轮值主席负责求解并给出最优运行方案，随后其他委员会成员可以快速验证该方案的正确性与最优性。若该运行方案是最优解，则它能得到委员会成员的认可和支持并生效；若该运行方案非最优解，其他委员会成员将更换轮值主席并重新求解最优运行方案。由此可见，PoSo以各方共同治理、相互监督和制衡的方式平衡了各服务商对协同优化主导权的诉求，并保证了多能协同优化的数据不可篡改与规则不可篡改。

图2 PoSo算法流程图

【本文贡献】

本文所提出的PoSo不仅可用于能源调度与交易，还可用于其他运行规则可用优化问题来描述的协作网络；本文的贡献不仅局限于能源领域，而且对数学优化领域、区块链领域都有一定的贡献。

本文提出了一种去中心化（或者说多中心化）的可信优化架构。与集中式优化、分解协调和纯分布式优化架构相比，PoSo保证了各参与主体间的相互制衡与制约；即便某些参与主体违背优化运行规则，PoSo依然能保证最优方案被执行，具有高容错性。跟分解协调、纯分布式架构相比，PoSo也能适用于更多的优化问题类型（图3）。

本文提出了一种高效的区块链架构；该架构里的共识层不仅可促成共识、而且还能执行有意义的任务。在传统区块链架构中，大规模复杂优化问题只能在智能合约层求解。PoSo在共识层同时完成了各节点达成共识以及大规模优化问题求解与验证两个任务，显著提高了区块链的运行效率。

图3 PoSo与现有优化架构对比

【论文与期刊信息】

Nature Energy涵盖跟能源相关的所有领域，每年平均发表80余篇研究性论文（research article）；最新的影响因子（2020年）为60.9，位列全球全领域期刊第8名。

论文引用：

Chen, S., Mi, H., Ping, J., Yan, Z., Shen, Z., Liu, X., Zhang, N., Xia, Q., & Kang, C., A blockchain consensus mechanism that uses Proof of Solution to optimize energy dispatch and trading.Nat Energy 7, 495–502 (2022). https://www.nature.com/articles/s41560-022-01027-4

论文所用的多能协同数据与优化结果已开源：

https://github.com/kelpman05/DataUofManchester

https://github.com/kelpman05/DataWuzhong