基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺設(shè)計

鞏碩，黃碧雄，嚴曉

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院）

0 引言

隨著電動汽車和直流充電樁的迅速普及，未來能提供電動汽車充電分享服務(wù)的人群（充電樁服務(wù)商及私人充電樁所有者）會迅速增加，甚至可能達到上億的規(guī)模[1]。同樣，需要充電服務(wù)的用戶（電動汽車車主）更會遠遠超過這個數(shù)字。在這種巨量的充電需求和供應(yīng)中，各充電服務(wù)商之間難以統(tǒng)一充電服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)質(zhì)量，也難以統(tǒng)一充電費用。對于用戶來說，更難以判斷各服務(wù)商的口碑、充電樁安全水平如何。而區(qū)塊鏈技術(shù)，正是解決這一難題最好的制造信任的工具。

本文以具有動力診斷功能的直流充電樁[2]為研究對象，通過區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計了一套充電樁的共享策略。基于Fabric 聯(lián)盟鏈建立區(qū)塊鏈系統(tǒng)，通過智能合約生成充電數(shù)據(jù)的MD5 碼，進行數(shù)字摘要后錄入到區(qū)塊鏈中，利用區(qū)塊鏈系統(tǒng)的特性保證了數(shù)據(jù)的不可篡改、安全與可追溯。另一方面，對區(qū)塊鏈技術(shù)在充電樁共享經(jīng)濟中的應(yīng)用模式進行了探究，提出了一種全新的創(chuàng)新服務(wù)模式，并設(shè)計了一套完整的共享平臺界面以及系統(tǒng)運行邏輯。

1 充電樁共享方案設(shè)計

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享方案架構(gòu)如圖1 所示，共分為充電樁數(shù)據(jù)共享平臺和充電樁共享平臺2 個部分。充電樁診斷云平臺[2]通過獲取動力電池的CAN 信號并翻譯，獲得電池工作時單體以及電池包的物理信號，通過腳本對數(shù)據(jù)進行數(shù)清洗、計算并每隔固定時間生成一份充電數(shù)據(jù)報表。當(dāng)前一份數(shù)據(jù)報表生成后，通過私鑰簽署腳本生成報告的MD5 碼并寫入到區(qū)塊之中，同時，開始后一份數(shù)據(jù)報表的數(shù)據(jù)采集。充電樁共享平臺則采用基于Fabric 聯(lián)盟鏈的分布式架構(gòu)，主要由各聯(lián)盟鏈參與者作為記賬節(jié)點進行維護，平臺允許個人用戶將自有充電樁接入，通過區(qū)塊鏈環(huán)境部署提供充電樁的定位、狀態(tài)、交易記錄及安全狀態(tài)等信息接入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)并進行共享。兩者共用同一個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息全網(wǎng)廣播。

圖1 基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺技術(shù)架構(gòu)Fig.1 Technical architecture of charging pile sharing platform based on blockchain

2 區(qū)塊鏈系統(tǒng)運行機制

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)介紹

在區(qū)塊鏈中，區(qū)塊的結(jié)構(gòu)主要包含2 個部分：區(qū)塊頭和區(qū)塊體[3-5]。區(qū)塊頭中儲存的信息包括了版本號、前一個區(qū)塊哈希值、默克爾根、時間戳、難度值和隨機數(shù)。同時，區(qū)塊頭通過儲存前一個區(qū)塊的哈希值和后一個區(qū)塊的哈希值，從而實現(xiàn)將所有的區(qū)塊連接在一起形成區(qū)塊鏈。如圖2 所示，區(qū)塊體會記錄每一個區(qū)塊的交易數(shù)據(jù)。在區(qū)塊鏈的基本結(jié)構(gòu)之上，本研究引入了基于充電數(shù)據(jù)的共識機制（POD），以不同充電樁提供商對充電樁共享的業(yè)務(wù)需求作為其擔(dān)任節(jié)點并進行記賬的共識機制，從而維持系統(tǒng)的運行并實現(xiàn)在區(qū)塊體中記錄充電數(shù)據(jù)報表的數(shù)字摘要（Message-Digest Algorithm）[6]。

圖2 區(qū)塊鏈的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)Fig.2 Chain structure of blockchain

2.2 共識機制設(shè)計

POD 共識機制的運行也需要Token（通證）作為介質(zhì)。本系統(tǒng)中產(chǎn)生的Token 指在共享生態(tài)下，基于區(qū)塊鏈技術(shù)生成的工作量證明，Token的分配與數(shù)據(jù)存儲量、節(jié)點所搭建數(shù)據(jù)庫的硬件能力以及數(shù)據(jù)共享過程中的網(wǎng)絡(luò)帶寬相關(guān)聯(lián)。

計算方式示意：節(jié)點分數(shù)M=（數(shù)據(jù)存儲量×存儲因子+硬件能力×硬件因子+帶寬×帶寬因子）×（系統(tǒng)運行時長/24 h）；當(dāng)天所發(fā)現(xiàn)Token 總量=Ct。

則當(dāng)天節(jié)點M1當(dāng)天獲得Token 的數(shù)量C1為

系統(tǒng)運行過程中，每個因素的因子通過實際情況量化決定。在該充電樁共享系統(tǒng)中，維護系統(tǒng)運行的節(jié)點通過記賬獲取Token，而充電用戶可以通過購買Token 來抵扣充電費用，從而形成生態(tài)閉環(huán)，保證系統(tǒng)的運行。

2.3 充電樁共享平臺參與主體

（1）充電樁所有者：充電樁的產(chǎn)權(quán)所有者包括公司級別的大型公共充電樁運行商以及私人充電樁所有者，他們作為充電樁的供應(yīng)方，通過接入基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺，在平臺上發(fā)布閑置的充電樁并賺取收益。

（2）電動汽車車主：電動汽車車主作為充電樁的用戶，可以借助充電樁共享平臺尋找到價格更優(yōu)惠、距離更近、充電更方便的充電樁。通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)，電動汽車車主可以定位到周邊空閑的共享充電樁，并與充電樁所有者進行點對點交易，通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)起充電請求，記錄充電價格和需求并實現(xiàn)在線交易結(jié)算。

（3）聯(lián)盟鏈節(jié)點：作為聯(lián)盟鏈的核心組成部分，負責(zé)維護區(qū)塊鏈交易數(shù)據(jù)的備份，保證整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運行。聯(lián)盟鏈節(jié)點主要由大型充電樁運營機構(gòu)進行競選產(chǎn)生，通過POD 共識機制將系統(tǒng)上的交易信息保存到區(qū)塊鏈中，平臺上的所有參與節(jié)點都可以充當(dāng)記錄節(jié)點，并由聯(lián)盟鏈節(jié)點進行核算與獎勵[7]。

3 區(qū)塊鏈系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 區(qū)塊鏈應(yīng)用開發(fā)流程

本系統(tǒng)基于當(dāng)前主流的聯(lián)盟鏈Hyperledger Fabric[8]搭建區(qū)塊鏈架構(gòu)，基于PKI 體系，引入了MSP 模塊（Membership Service Provider，成員管理服務(wù)提供商），生成數(shù)字證書來標(biāo)識和管理成員的身份。Fabric 成員身份基于標(biāo)準(zhǔn)的X.509證書，密鑰使用的是ECDSA 算法。基于Fabric的區(qū)塊鏈應(yīng)用開發(fā)流程如下：

（1）系統(tǒng)初始化：cryptogen 生成每個組織節(jié)點，以及orderer 節(jié)點證書；

（2）Orderer 初始化啟動：configxgen orderer生成orderer 創(chuàng)始塊，啟動orderer；

（3）啟動peer；

（4）通道的創(chuàng)建和加入：configtxgen peer ；

（5）啟動Fabric-ca：fabric-ca-server；

（6）鏈碼開發(fā)和部署；

（7）客戶端開發(fā)；

（8）其余peer 和其他組織的加入。

3.2 生成數(shù)字摘要

圖3 顯示了在區(qū)塊鏈上記錄電池信息以保證數(shù)據(jù)安全共享的3 個步驟。第1 步，定期將動力電池監(jiān)控模塊所采集的電池數(shù)據(jù)根據(jù)協(xié)議自動生成報表；第2 步，使用MD5 對報表進行數(shù)字摘要；第3 步，將數(shù)字摘要錄入?yún)^(qū)塊鏈中。

圖3 報表摘要錄入?yún)^(qū)塊鏈的流程Fig.3 Recording on blockchain with report digest

3.3 區(qū)塊查詢與驗證

在數(shù)據(jù)上鏈的過程中，為了保證區(qū)塊鏈系統(tǒng)的精簡性與效率，存儲在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的充電價值信息僅為數(shù)字摘要，為了進一步保證存儲在電池全生命周期各個節(jié)點數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)增加了對電池數(shù)據(jù)報表真實性的檢驗流程。

如圖4 所示，一旦數(shù)據(jù)報表發(fā)生過更改，MD5 碼將發(fā)生改變，從而驗證失敗并發(fā)出警報。具體操作流程為用戶從數(shù)據(jù)接口請求查看充電數(shù)據(jù)報告，系統(tǒng)會進入權(quán)限驗證過程，當(dāng)確認用戶具有查詢權(quán)限之后，讀取儲存在區(qū)塊鏈上的數(shù)字摘要信息，對數(shù)字摘要中儲存的MD5碼進行校核，判斷此時充電數(shù)據(jù)報告文件的MD5 碼是否與區(qū)塊鏈中存儲的一致。若校核通過則證明數(shù)據(jù)未經(jīng)篡改，由此保證了多方之間的數(shù)據(jù)互信。

圖4 數(shù)據(jù)真實性檢驗流程Fig.4 Data authenticity verification process

4 充電樁共享平臺

充電樁共享平臺除了底層的區(qū)塊鏈系統(tǒng)搭建之外，還需要設(shè)計用戶友好型的操作界面。當(dāng)充電樁所有者與電動汽車車主申請加入共享平臺時，只需填寫簡單的用戶注冊信息并通過手機短信驗證即可。用戶的真實信息可以選擇匿名或者進一步實名認證。對于大型充電樁運行商，可以選擇認證用戶體系，通過充電樁共享平臺的初始頁面對旗下的眾多充電樁進行管理；對于個人用戶，可以選擇匿名交易，僅通過公鑰密碼和數(shù)字簽名算法進行交易[9-10]。

4.1 充電樁共享平臺主頁面

圖5 展示的是共享平臺的主頁面。用戶可以通過該頁面監(jiān)控自有充電樁的實時狀態(tài)和收益情況。當(dāng)充電樁所有者需要新增共享充電樁時，需要向區(qū)塊鏈平臺提交請求，審核通過后，該用戶的充電樁便可以在系統(tǒng)地圖中進行定位與選擇；當(dāng)其他用戶需要租用該充電樁時，則會在交易頁面生成一條交易記錄，并將充電時間、充電價格、充電地點、充電樁類型以及充電數(shù)據(jù)MD5 碼等數(shù)據(jù)寫入到區(qū)塊鏈中。

圖5 基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺主頁Fig.5 Homepage of charging pile sharing platform based on blockchain

4.2 區(qū)塊查詢頁面

區(qū)塊查詢實際操作頁面如圖6 所示。充電樁所有者與電動汽車車主均可以通過區(qū)塊查詢頁面對交易過程和交易信息進行核對與查詢。區(qū)塊查詢頁面展示的信息包括數(shù)字摘要與交易信息2 個部分，其中，數(shù)字摘要具體包括MD5碼、區(qū)塊高度、確認節(jié)點數(shù)、區(qū)塊大小、系統(tǒng)版本、播報方指數(shù)、播報方以及區(qū)塊哈希值等信息。

圖6 基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺區(qū)塊查詢頁面Fig.6 Block query page of charging pile sharing platform based on blockchain

4.3 充電樁共享系統(tǒng)工作流程

充電樁共享系統(tǒng)工作流程如圖7 所示。在交易過程中，電動車車主與充電樁所有者通過共享平臺發(fā)布、瀏覽充電樁信息，基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)進行交易并建立支付通道，根據(jù)充電量和充電樁所有者所標(biāo)識的報價計算充電費用并支付給充電樁所有者。交易系統(tǒng)的智能合約在交易達成后會自動生成配置數(shù)據(jù)包，對充電樁進行遠程配置，充電結(jié)束后系統(tǒng)通過智能合約更新交易金額并實現(xiàn)賬本的同步配置。

圖7 充電樁共享平臺工作流程Fig.7 Work flow of charging pile sharing platform

5 結(jié)束語

本文研究了區(qū)塊鏈技術(shù)在充電樁共享經(jīng)濟中的應(yīng)用模式，提出了一種全新的創(chuàng)新共享策略。通過區(qū)塊鏈技術(shù)更好地實現(xiàn)了充電樁共享平臺的分布式、點對點交易問題，并保證了共享過程中交易的去中心化、安全性與用戶隱私，為多方提供了一個良好的共識信任機制。設(shè)計了一套完整的前端操作邏輯和操作頁面，為區(qū)塊鏈技術(shù)的實際落地提供了一種十分具有嘗試價值的思路。

充電樁共享平臺是一個開放透明的系統(tǒng)，隨著用戶數(shù)量的增加，充電樁共享過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)。在交易過程中，個人用戶可以選擇將信息進行匿名，保護自身充電數(shù)據(jù)的安全和隱私。同時，大型充電樁運營商及其他第三方機構(gòu)也可以對公開的數(shù)據(jù)進行進一步數(shù)據(jù)挖掘和大數(shù)據(jù)分析。規(guī)模化的充電樁數(shù)據(jù)對于電網(wǎng)的負載平衡、用電沖擊以及削峰填谷等應(yīng)用場景提供有效的數(shù)據(jù)支持。充電樁運營商也可以根據(jù)充電樁的使用頻率和用戶數(shù)量，對充電樁的分布進行更合理的規(guī)劃設(shè)計。