基于能源區(qū)塊鏈的電動車共享充電樁管理系統(tǒng)

趙三珊 李文清 田浩毅

（國網(wǎng)上海市電力公司電力科學(xué)研究院，上海 200080）

隨著電動車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的共享充電樁系統(tǒng)已不能滿足隱私安全和便利充電的實際需求[1-2]。傳統(tǒng)的共享充電樁系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)陳舊、運營模式理念落后，且共享充電樁在規(guī)劃布局上資源浪費嚴(yán)重，導(dǎo)致了高昂的管理成本與極低的資本轉(zhuǎn)化率。由于用戶的充電隱私得不到保障且使用體驗差，嚴(yán)重制約了共享充電市場的發(fā)展[3-4]。因此，社會對于構(gòu)建安全高效的電動汽車共享充電樁管理系統(tǒng)十分迫切。

共享經(jīng)濟指通過付出一定的報酬，獲得某種資源的暫時使用權(quán)，共享經(jīng)濟能夠有效提升資源的利用率[5-6]。傳統(tǒng)的共享系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)中心化管理，無法保障用戶的隱私安全，將區(qū)塊鏈技術(shù)與充電樁共享相結(jié)合，成為共享充電市場的服務(wù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

目前，國內(nèi)外已開展將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于共享充電領(lǐng)域的研究。文獻[7]結(jié)合了雷電網(wǎng)絡(luò)和共識機制，構(gòu)建了區(qū)塊鏈共享充電環(huán)境；文獻[8]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于用戶與共享市場之間的價格博弈，形成了高效實時的交易競價體系；文獻[9]提出了用戶隱私保護機制，能夠有效地避免用戶共享充電時產(chǎn)生的信息泄露；文獻[10]綜合分析了區(qū)塊鏈在共享充電領(lǐng)域應(yīng)用的可行性。上述文獻對區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用停留在對理論層面的驗證上，對于現(xiàn)實中的共享充電樁系統(tǒng)的設(shè)計與改進較少，未能真正實現(xiàn)將區(qū)塊鏈技術(shù)與共享充電理念的深度融合。

本文提出基于能源區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁共享充電樁管理系統(tǒng)。采用充電聯(lián)盟鏈算法對用戶數(shù)據(jù)進行去中心的加密與保護，實現(xiàn)共享充電樁系統(tǒng)整體的數(shù)據(jù)安全可靠性。在考慮用戶、充電樁運營商和管理商的需求下，建立能源區(qū)塊鏈的電動汽車共享充電樁管理模型，達成對共享充電樁資源配置的最優(yōu)化。試驗結(jié)果表明，結(jié)合能源區(qū)塊鏈技術(shù)能有效提升電動車共享充電樁管理系統(tǒng)的可靠性，優(yōu)化資源配置。

1 能源區(qū)塊鏈技術(shù)與電動車共享充電樁

1.1 能源區(qū)塊鏈技術(shù)

為了保障能源系統(tǒng)中交易數(shù)據(jù)的去中心化與安全可靠，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于存儲用戶交易信息，使用戶交易時擁有高度的自主權(quán)與隱私保護[11-12]。區(qū)塊鏈技術(shù)在能源領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力，契合了用戶重視個人隱私與需要更便利服務(wù)的需求。

能源區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)就是消除整個能源交易過程中對第三方的依賴，實現(xiàn)點對點的用戶與市場之間的公正交易，降低數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險與交易成本[13-14]。基于智能合約的能源區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)，能夠合理規(guī)劃能源配置，實現(xiàn)能源調(diào)度最優(yōu)化[15-16]。

1.2 能源區(qū)塊鏈應(yīng)用于電動車共享充電樁的可能性分析

電動車共享充電樁能緩解當(dāng)前電動車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足問題，節(jié)約建設(shè)電動車配套設(shè)施的資金，實現(xiàn)社會資本最優(yōu)化配置。目前，一般采用中心化的管理模式對共享充電樁用戶信息進行存儲管理，導(dǎo)致充電服務(wù)存在信息孤島[17]。由于用戶隱私得不到保護，對運營商產(chǎn)生信任壁壘，極大地降低用戶使用共享充電樁頻率[18]。各大共享充電樁運營商之間的數(shù)據(jù)相互獨立、不公開，直接造成共享充電樁資源配置的不合理的現(xiàn)象。

通過將區(qū)塊鏈技術(shù)中激勵機制、智能合約和分布式共識等部分應(yīng)用到共享充電樁管理中，能夠避免用戶的數(shù)據(jù)泄露及共享充電樁數(shù)據(jù)的共享，實現(xiàn)對共享充電樁的分布式、去中心化配置。考慮區(qū)塊鏈技術(shù)在金融支付領(lǐng)域的突出表現(xiàn)，將其應(yīng)用到電動車共享充電樁管理系統(tǒng)中，進一步保證用戶交易數(shù)據(jù)的安全。

2 能源區(qū)塊鏈

2.1 共享充電聯(lián)盟鏈

為了保證共享充電領(lǐng)域的用戶數(shù)據(jù)安全性，同時使各大運營商的商業(yè)機密數(shù)據(jù)保持私密性，提出部分去中心化的共享充電聯(lián)盟鏈概念。通過共享充電聯(lián)盟鏈對整個共享充電過程中的各主體進行分類，劃分為聯(lián)盟節(jié)點與普通節(jié)點。

聯(lián)盟節(jié)點一般是指各大充電樁運營商，具有極高的系統(tǒng)權(quán)限。聯(lián)盟節(jié)點可以根據(jù)共識算法記錄用戶共享充電交易數(shù)據(jù)，并實時更新與驗證數(shù)據(jù)。通過交易數(shù)據(jù)正確性驗證后，將信息記錄到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，任何節(jié)點都無法對數(shù)據(jù)進行篡改，確保充電交易數(shù)據(jù)一致性。普通節(jié)點主要指各共享充電用戶，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的同時不直接參與數(shù)據(jù)記錄與共識過程。普通節(jié)點查看交易數(shù)據(jù)需要向聯(lián)盟節(jié)點發(fā)起申請，聯(lián)盟節(jié)點對其身份進行驗證后，分配相應(yīng)的權(quán)限，保障了用戶信息的安全性。

采用共享充電聯(lián)盟鏈作為共享充電樁管理系統(tǒng)的底層框架，能夠有效保護交易數(shù)據(jù)隱私。聯(lián)盟鏈中的普通節(jié)點通過身份驗證后，才能參與數(shù)據(jù)共識過程，保證了各節(jié)點的信任度。同時，基于共享充電聯(lián)盟系統(tǒng)擁有自身的區(qū)塊鏈賬本，通過處理計算當(dāng)前每筆交易的已知狀態(tài)，能夠提供可驗證且不變的數(shù)據(jù)存儲和合同。這種基于區(qū)塊鏈的收費系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)能源市場支付機制，從廣義上真正實現(xiàn)了點對點交易。

2.2 K-匿名性

為了實現(xiàn)對共享充電用戶隱私保護，采用K-匿名性的隱私保護方法。假設(shè)有k個用戶，且各個用戶身份是可以區(qū)分的，其匿名程度取決于匿名組中的k值和系統(tǒng)的共識程度。在實際中，使用K匿名方法需要一個受信任的臨時中心管理隱私服務(wù)器。隱私服務(wù)器可以修改數(shù)據(jù)，并通過相應(yīng)的操作指令避免隱私泄露。由K-匿名性提供的隱私保護劃分匿名等級，通過信息熵描述匿名組中的用戶匿名性，該模型的信息熵為：

式中：H（x）——該模型熵值；pi——識別到第i個用戶的概率。當(dāng)k個用戶都具有相同的概率被識別到時，該模型達到其最大的信息熵HM：

攻擊者可以通過攻擊此匿名集獲得信息d：

對d進行歸一化處理，匿名度m定義為：

匿名度m表示匿名模型的匿名化級別，值范圍為0～1。當(dāng)一個匿名模型中的用戶以p=1的概率被識別，則匿名模型的匿名度為0；所有用戶具有相同的被識別概率p=1/k，模型具有最大的匿名度，實現(xiàn)對用戶充電信息的去中心化管理。

3 基于能源區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁共享系統(tǒng)框架與模型

3.1 系統(tǒng)總體框架

基于能源區(qū)塊鏈的電動車共享充電樁管理系統(tǒng)是一個擁有區(qū)塊鏈主網(wǎng)的聯(lián)盟鏈，用于為共享充電服務(wù)提供技術(shù)管理，將更多區(qū)塊鏈子網(wǎng)并入系統(tǒng)中。用戶通過安裝應(yīng)用端，將個人信息上傳到該系統(tǒng)的區(qū)塊鏈子網(wǎng)中，各用戶擁有唯一的應(yīng)用端標(biāo)識，并將其作為自身的公鑰。通過應(yīng)用程序服務(wù)器創(chuàng)建并啟動加密數(shù)據(jù)程序，對數(shù)據(jù)進行加密處理。數(shù)據(jù)經(jīng)聯(lián)盟節(jié)點驗證后，服務(wù)器創(chuàng)建相應(yīng)的子網(wǎng)組，將與共享充電服務(wù)相關(guān)的交易數(shù)據(jù)在組內(nèi)進行共享。

在基于能源區(qū)塊鏈的電動車共享充電樁管理系統(tǒng)中，通過子網(wǎng)分離主網(wǎng)，保障了隱私組成員的匿名性。由于數(shù)據(jù)匿名化，交易事物不顯示任何私有用戶的信息。

為了管理信用共享，小組成員需要遵守相關(guān)政策或規(guī)則，對信用狀態(tài)的監(jiān)控將取決于用戶之間的協(xié)議以及協(xié)議的當(dāng)前狀態(tài)。將所有訪問和使用事件記錄在共享賬本中，通過網(wǎng)橋進行共享。

系統(tǒng)信息總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

3.2 系統(tǒng)動態(tài)管理模型

將整個能源區(qū)塊鏈的電動車共享充電樁管理系統(tǒng)模型分為兩個部分，即面向用戶數(shù)據(jù)保存與運營商管理兩個層面。

（1）用戶APP初始化模型。

新用戶首先需要注冊成為基于能源區(qū)塊鏈的電動車共享充電樁管理系統(tǒng)的會員，才能享受到該系統(tǒng)的服務(wù)。基于共享經(jīng)濟的運營模式，用戶需要綁定網(wǎng)上錢包，同時用戶的所有信息都將經(jīng)過驗證并存儲到數(shù)據(jù)庫中。用戶所有的交易行為都經(jīng)由區(qū)塊鏈系統(tǒng)產(chǎn)生一個M值，用以加密并記錄本次行為。

用戶初始化動態(tài)模型如圖2所示。

圖2 用戶初始化動態(tài)模型

其中，M值是區(qū)塊鏈系統(tǒng)為用戶本次行為分配的一個獨有的標(biāo)識碼。

（2）充電樁運營商管理模型。

運營商通過分析數(shù)據(jù)庫中用戶的交易信息，對充電樁資源進行重新分配，并將操作結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫中。同時，運營商也需要綁定網(wǎng)上錢包，所有相關(guān)信息將被保存到數(shù)據(jù)庫中，并允許所有用戶與其他運營商查看可公開的信息。

運營商管理動態(tài)模型如圖3所示。

圖3 運營商管理動態(tài)模型

4 試驗驗證

4.1 方案設(shè)計

將區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)作為交易雙方信賴的第三方擔(dān)保，采用閃電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)確保資金和支付操作的安全。通過在閃電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進行大量的交易，能夠監(jiān)控整個交易過程并安全存儲數(shù)據(jù)，提升區(qū)塊鏈的處理能力和存儲效率。結(jié)合區(qū)塊鏈中的智能合約技術(shù)，把數(shù)據(jù)映射到基于大數(shù)據(jù)云平臺上，實現(xiàn)對共享智能充電樁智能管以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的技術(shù)增值。

為了對用戶數(shù)據(jù)進行有效管理和存儲，基于能源區(qū)塊鏈的電動車共享充電樁管理系統(tǒng)采用主流的基于大數(shù)據(jù)云平臺架構(gòu)。在該系統(tǒng)中，各共享充電用戶與運營商管理員都必須以真實身份進行注冊并綁定網(wǎng)上錢包。共享充電用戶及運營商之間就共享充電樁使用權(quán)的轉(zhuǎn)移，形成基于智能合約的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交易。在交易過程中，用戶與充電樁運營商應(yīng)該遵守各交易條款，保證在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中各自的賬號信息公開透明。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)對所有用戶的數(shù)據(jù)都采用K-匿名性方式進行加密，為了避免交易信息的不可追溯性，需要對交易密鑰進行云存儲。

交易流程如圖4所示。

圖4 共享充電樁交易流程

4.2 智能合約驅(qū)動的充電樁共享

傳統(tǒng)的線上交易對用戶數(shù)據(jù)的保存具有較大安全隱患，采用基于能源區(qū)塊鏈的共享充電樁管理系統(tǒng)，能夠保證用戶共享充電樁間交易數(shù)據(jù)的安全可信性。

基于哈希算法的不可逆性，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可以通過用戶的交易行為產(chǎn)生密鑰R。由哈希函數(shù)變化可以通過R計算出哈希值H（R），但任何第三者無法通過H（R）反推出R。為了保證共享充電用戶交易信息的安全性和可靠性，構(gòu)建了基于哈希算法的共享充電智能合約。

共享充電智能合約可以分為4個步驟：

（1）在基于能源區(qū)塊鏈的共享充電樁管理系統(tǒng)中，充電樁主A根據(jù)共享充電樁所能提供的電量，生成相關(guān)的密鑰R，并將H（R）發(fā)送給用戶D，將R保存在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中。

（2）通過運營商D的中轉(zhuǎn)，在用戶D和運營商A之間建立了間接的支付網(wǎng)絡(luò)途徑。

（3）用戶D使用共享充電樁A的行為有多方的參與，各方根據(jù)相應(yīng)的條件與期限產(chǎn)生密鑰。通過在系統(tǒng)中采用密鑰代替數(shù)據(jù)傳遞交易信息，保證數(shù)據(jù)的安全性。

（4）用戶D利用接收到的H（R）后來驗證R，如驗證通過，進行充電操作。

共享充電用戶每次充電完畢后，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)都會保存交易記錄并計算剩余的充電次數(shù)。一旦用戶使用完規(guī)定的充電次數(shù)后，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)就會自動計算費用并將賬單提交給用戶。用戶需要按照賬單完成轉(zhuǎn)賬支付后，才可以繼續(xù)使用該系統(tǒng)。電動車主D使用運營商D所經(jīng)營的充電樁，資金鏈節(jié)點費用依次為49.15、48.56、41.20元，節(jié)點費用之間的金額差為各節(jié)點收取的服務(wù)費。同時，該系統(tǒng)中的各參與方（除電動車主）的資金到賬具有時間期限，各節(jié)點期限分別為48、24、3 h。通過設(shè)置時間差期限，促使各參與方對交易信息的有效性進行驗證，保證系統(tǒng)智能化執(zhí)行。

基于哈希算法的共享充電智能合約如圖5所示。

圖5 基于哈希算法的共享充電智能合約

5 結(jié)語

區(qū)塊鏈技術(shù)天然的去中心化、可溯源、無法篡改的特性，可以用于建立無須第三方擔(dān)保的可信任價值轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、以聯(lián)盟鏈為底層技術(shù)的電動汽車充電樁共享系統(tǒng)，聯(lián)盟鏈的準(zhǔn)入機制保證了參與記賬的多方可信任，高效的PBFT共識機制保證了交易處理速度滿足實際需求。通過智能合約實現(xiàn)充電結(jié)束自動結(jié)算電費，保證了充電費用公平無差錯。此外，將充電交易記錄在聯(lián)盟鏈上，只有聯(lián)盟節(jié)點才有權(quán)查看，保證了用戶交易隱私。本文提出基于能源區(qū)塊鏈的電動車共享充電樁管理系統(tǒng)，經(jīng)過測試可以滿足電動汽車日常充電需求，切實解決電動車用戶充電隱私泄露與充電樁資源配置問題，為后續(xù)工作中對電動車共享充電問題的研究提供了參考。