[論文レビュー] A Double Auction for Charging Scheduling among Vehicles Using DAG-Blockchains

Jianxiong Guo, Xingjian Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2020

Blockchain Technology Applications and Security参考文献 38被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、DAGベースのブロックチェーンと制約付き多品目ダブルオークションを用いて、電気自動車（EV）の安全でスケーラブルな充電スケジューリングシステムを提案する。真実性、財政的バランス、システム効率を保証しながらEVを充電ステーション（CS）に割り当てるために、2つのアルゴリズム—真実性を保証する充電メカニズム（TMC）と効率的充電メカニズム（EMC）—を導入する。EMCはシミュレーションにおいて優れた性能を示す。

ABSTRACT

Electric Vehicles (EVs) are becoming more and more popular in our daily life, which replaces traditional fuel vehicles to reduce carbon emissions and protect the environment. EVs need to be charged, but the number of charging piles in a Charging Station (CS) is limited and charging is usually more time-consuming than fueling. According to this scenario, we propose a secure and efficient charging scheduling system based on a Directed Acyclic Graph (DAG)-blockchain and double auction mechanism. In a smart area, it attempts to assign EVs to the available CSs in the light of their submitted charging requests and status information. First, we design a lightweight charging scheduling framework that integrates DAG-blockchain and modern cryptography technology to ensure security and scalability during performing scheduling and completing tradings. In this process, a constrained multi-item double auction problem is formulated because of the limited charging resources in a CS, which motivates EVs and CSs in this area to participate in the market based on their preferences and statuses. Due to this constraint, our problem is more complicated and harder to achieve truthfulness as well as system efficiency compared to the existing double auction model. To adapt to it, we propose two algorithms, namely Truthful Mechanism for Charging (TMC) and Efficient Mechanism for Charging (EMC), to determine an assignment between EVs and CSs and pricing strategies. Then, both theoretical analysis and numerical simulations show the correctness and effectiveness of our proposed algorithms.

研究の動機と目的

• 限られた充電インフラを有するスマートシティにおける、安全でスケーラブルかつプライバシーを保護する充電スケジューリングの欠如に対処すること。
• EVと充電ステーションの相互作用を、充電ピルの可用性に制限を受ける現実の制約を反映した制約付き多品目ダブルオークションとしてモデル化すること。
• EVの割り当てにおいて、個々の合理性、財政的バランス、計算効率を保証するメカニズムを設計すること。
• 真実性、システム効率、計算パフォーマンスの観点から、2つのアルゴリズム—TMCとEMC—を評価・比較すること。
• 理論的分析とシミュレーションを通じて、EMCがTMCよりも優れたシステム効率を達成することを示すが、買い手の真実性にわずかなトレードオフが生じることを明らかにすること。

提案手法

• 非対称暗号とDAGベースのブロックチェーンを用いて、データの完全性、機微性、スケーラビリティを確保する軽量な充電スケジューリングフレームワークを設計する。
• EVが買い手、CSが売り手として機能する制約付き多品目ダブルオークションモデルを定式化し、各CSの充電リソースは限定的である。
• TMCアルゴリズムはメカニズム設計の手法を用いて、真実性、個々の合理性、財政的バランスを保証する。
• EMCアルゴリズムは、非効率な割り当て候補を事前に除外することでシステム効率を向上させ、一時的セットメカニズムを用いて最適化を図る。
• 両アルゴリズムとも、オークションの清算プロセスから導出される価格戦略を用い、支払いは入札に成功した入札者のうち最高入札額によって決定される。
• システムアーキテクチャでは、EVを軽量ノード、CSをフルノードとして割り当て、DAGブロックチェーン上での分散型で安全な取引記録を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 限られた充電インフラを有するスマートシティにおけるEVの安全でスケーラブルな充電スケジューリングシステムをどのように設計できるか。
• RQ2 制約付き多品目供給条件下で、ダブルオークションメカニズムが真実性とシステム効率をどの程度確保できるか。
• RQ3 提案されたDAGブロックチェーンアーキテクチャは、高頻度のEV充電取引において、従来のブロックチェーンと比較して、スケーラビリティとセキュリティをどのように向上させるか。
• RQ4 極端な入札状況下において、提案されたメカニズムにおける真実性とシステム効率のトレードオフはどのようなものか。
• RQ5 さまざまな数の充電ステーション下で、TMCとEMCのアルゴリズムは計算効率とシステムパフォーマンスにおいてどのように比較されるか。

主な発見

• EMCアルゴリズムはTMCと比較して顕著に高いシステム効率を達成しており、充電ステーションの数が増えるにつれて性能差が拡大する。
• 非効率な割り当て候補の早期除外により、EMCはTMCよりも低い実行時間（実行時間）を達成し、計算効率が向上する。
• TMCとEMCの両方とも、個々の合理性、財政的バランス、計算効率を満たしており、実世界での導入可能性が裏付けられる。
• 数値シミュレーションにより、買い手が不正に虚偽の入札を行うことで利得を確実に向上させられないことが確認され、両メカニズムが実際の運用において強い真実性インcentiveを提供することが示された。
• 理論的制限により買い手の真実性が極端な状況で劣化する可能性があるものの、EMCは高いシステム効率を維持しており、実用的応用において好ましいとされる。
• DAGベースのブロックチェーンインfraは、低遅延、手数料ゼロ、安全な取引記録を可能にし、高頻度のEV充電市場に適している。