一种基于区块链技术的进化博弈模型，用于光伏产业链中多智能体之间的协作

《Energy》：A blockchain-enhanced evolutionary game model for multi-agent collaboration in the photovoltaic industry chain

区块链赋能的光伏产业链四方协同治理框架创新性地将区块链信任机制与成本约束融入进化博弈模型，揭示激励机制参数对合作稳定性和战略收敛的影响，为构建高效可信的可持续光伏治理体系提供理论支撑与实践路径。

　　

陈文成|王军|潘正翔|王进

福州大学电气工程与自动化学院，中国福州350116

摘要

在碳中和议程的推动下，光伏（PV）产业链的协同发展面临双重挑战：多个利益相关者之间的行为异质性以及缺乏去中心化的信任机制。现有研究在参与者建模的完整性、区块链效应的量化以及激励机制的动态适应性方面存在明显局限。为了解决这些问题，本文构建了一个基于区块链的合作治理框架，涵盖了四个核心参与者：光伏发电企业、电网、用户和政府机构。该框架开发了一个四方进化博弈模型，整合了基于区块链的信任机制和成本约束。该模型创新地将违约惩罚、信任增强和行为偏好内置于收益结构中，并设计了一个包括补贴、奖励和惩罚在内的多维激励系统。数值模拟表明，区块链平台显著提高了合作的稳定性并加速了战略趋同。此外，适当调整的补贴和基于绩效的动态奖励有效激励了合作，而用户的电力供应偏好和违约惩罚被确定为影响系统演化的关键变量。与传统的三方模型相比，所提出的四方模型在收敛速度和系统稳定性方面表现更优。本研究为构建一个可信、高效和可持续的光伏产业治理系统提供了理论支持，并在成本监管、分层激励、差异化电价和智能合约实施等领域提出了可操作的政策建议。

引言

在全球气候变化加剧和碳中和目标加速推进的背景下，能源系统正在向清洁、低碳和高效的模式进行深刻转型[1]。作为可再生能源的典型代表，光伏发电由于其丰富的资源基础、技术成熟度和不断下降的成本，在全球能源格局中发挥着越来越重要的作用[2]。在政策激励、电力市场机制改进和持续技术进步的支持下，光伏发电已进入电网平价时代，成为构建可持续能源系统的关键支柱[3]。

然而，光伏产业链的快速扩张暴露出一系列阻碍其高质量发展的结构性挑战。分布式光伏系统占比的增加显著增加了传统电力系统中电网调度、容量规划和负荷平衡的复杂性[4]。此外，政策波动性、电网连接责任的模糊性以及缺乏可信的信任机制破坏了光伏企业、电网运营商和用户之间的稳定合作，常常导致战略行为、机会主义或集体退出，从而扰乱市场秩序[5]。现有的治理模型难以在信息不对称、数据碎片化和制度僵化的条件下协调异质性参与者。这些问题增加了交易成本，降低了整个系统的灵活性和韧性[6]，凸显了亟需重构和整合的治理机制以增强多主体合作。

区块链技术以其去中心化、不可篡改、可追溯性和智能合约自动化等核心特性，为解决这些治理挑战提供了有希望的途径[7]、[8]。它实现了可信的数据共享，提高了流程透明度和可验证性，并允许基于规则的补贴分配、支付结算和违约惩罚的自动化[9]。尽管已有研究开始探索区块链在能源交易和可追溯性中的应用，但大多数研究仍局限于架构或概念层面。它们缺乏将区块链的机制效应嵌入到战略互动中的严格行为建模。此外，关键运营因素（如部署成本、接入门槛和对利益相关者的动态行为影响）常常被简化或忽视，限制了我们对基于区块链的协调机制及其进化稳定性的理解。

进化博弈理论作为一种强大的分析工具，用于捕捉有限理性参与者的长期战略调整和动态互动，在能源系统治理研究中得到了广泛应用[10]。现有研究构建了二元或三元博弈模型（例如政府-企业、企业-用户）来研究补贴退出、绿色投资和资源回收等行为[11]、[12]。然而，这些模型通常存在结构简化、参与者覆盖不全面以及数字信任机制整合不足的问题。具体而言，大多数模型没有将电网明确建模为光伏产业链中的核心节点，因此无法完整反映“发电-电网-负荷-治理”的协同结构。此外，区块链机制很少被纳入代理的收益函数中，因此未能反映其对信任形成、合作激励或违约抑制的影响。激励方案通常是静态和线性的，缺乏反馈动态或捕捉非线性行为变化的能力[13]、[14]。

为了解决这些不足，本研究聚焦于光伏产业链中的四个关键参与者：光伏发电企业、电网运营商、终端用户和政府监管机构。我们提出了一个由联盟区块链架构支持的协作治理框架，并开发了一个四方进化博弈模型，该模型明确纳入了区块链效用、运营成本约束、动态补贴激励和链上违约惩罚。通过应用进化动力学和模拟分析，我们探讨了在不同政策和成本条件下的所有利益相关者的战略演化路径，旨在揭示多主体协同和系统稳定性的内在机制。这种方法为开发更具韧性、可信性和可持续性的光伏治理系统提供了理论基础和可操作的政策建议。

本文的主要贡献如下：

• (1)
  构建了一个基于区块链的合作治理框架，涵盖了四个关键利益相关者——光伏发电企业、电网、终端用户和政府机构，以提高模型的结构完整性并更好地捕捉产业链内的协同动态。
• (2)
  构建了一个四方进化博弈模型，整合了区块链效用、成本约束、动态激励和惩罚机制，以揭示多主体协作行为的潜在机制和均衡条件。
• (3)
  通过数值模拟，我们研究了关键参数（如区块链运营和维护成本、补贴强度和违约惩罚系数）对战略演化和系统稳定性的影响。基于模拟结果，我们提供了实用的政策建议和优化路径，以指导有效实施。

本文的其余部分安排如下。第2节介绍了相关工作。第3节提出了一个涉及多个参与者的基于区块链的光伏产业链协同框架。第4节开发并分析了所提出的四方进化博弈模型。第5节进行了数值模拟并讨论了结果。第6节对关键发现进行了深入讨论。最后，第7节总结了研究并概述了未来研究的方向。

章节片段

区块链在光伏产业链中的应用现状

区块链技术在光伏产业链中的应用引起了学术界和工业界的广泛关注。随着全球能源转型的加速，区块链的固有特性——去中心化、透明性和不可篡改性——为光伏能源交易、能源共享和能源资产货币化提供了有希望的解决方案。

许多研究提出了基于区块链的系统架构和优化方法，旨在解决关键挑战

基于区块链的光伏产业链多主体协作框架

光伏产业面临协作效率低、信任薄弱和信息交换碎片化等挑战。区块链凭借其去中心化、不可篡改和可追溯的特性，为多主体协作提供了安全的基础。本文提出了一种针对光伏产业的联盟区块链框架，将四个关键参与者——光伏发电企业、电网、用户和政府——作为经过认证的节点，如图3所示。

在这种架构中，每个代理

进化博弈模型

在基于区块链的光伏产业链多主体协作框架的基础上，本节引入了进化博弈理论，进一步分析了四个核心参与者（光伏发电企业、电网、用户和政府）在协作机制中的行为动态和战略决策过程。所提出的四方进化博弈模型不仅整合了区块链技术支持的交互式信任机制，

实验设置

本节的模拟实验旨在验证四种关键利益相关者（光伏发电企业、电网、用户和政府）在各种策略组合下的战略演化轨迹和系统稳定性。通过研究关键参数的长期影响，该研究揭示了决策行为特征和多主体游戏框架内的系统演化稳态动态。

实验参数

与现有研究的比较

与现有研究相比，本文提出的基于区块链的四方进化博弈模型不仅在模型结构和技术整合方面有所进步，还在潜在机制层面有所创新。具体而言，它在参与者配置、区块链在收益和动态中的嵌入方式、激励渠道的设计以及长期稳定性分析方面与以往的研究有所不同。

首先，在参与者结构和反馈方面

结论与未来工作

本研究开发了一个基于区块链的光伏产业链四方协作进化博弈模型，涵盖了光伏企业、电网、用户和政府监管机构。该模型表明，区块链技术显著增强了合作中的信任，加速了战略趋同，并减少了参与者的违约行为。模拟结果表明，适当配置与区块链相关的成本、政府补贴和惩罚

CRediT作者贡献声明

陈文成：撰写——原始草案、方法论、形式分析、数据整理。王军：概念化。潘正翔：撰写——审稿与编辑。王进：撰写——审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作部分得到了中国自然科学基金（项目编号：62473146）、福建高校产学研合作项目（项目编号：2020H6006）、福建省促进海洋与渔业产业高质量发展专项资助项目（项目编号：FJHYF ZH-2023-06）以及湖南省自然科学基金重点项目（项目编号：2024JJ3017）的支持。作者感谢编辑和匿名审稿人的帮助。