充電樁運營維護中區塊鏈技術的應用研究

王紹荃，項勝乙，葉強

（浙江圖盛輸變電工程有限公司溫州科技分公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

電動化是21世紀汽車產業發展的基本趨勢，電動汽車產業規模化推廣需要一系列的基礎設施設備作為支撐，其中充電樁就是一項關鍵性的基礎設施設備，它為電動汽車提供能源和動力，充電樁運營維護是確保充電樁正常工作的重要條件，它包括對充電樁工作狀態的實時動態監控、充電計量、安全檢查、充電負荷分配、資金結算、數據分享等多個環節，涉及充電樁、運維單位、監管部門、電力配售機構、檢定單位等諸多主體的經濟利益。考慮到充電樁及其運營維護的分布性和多主體等特點，以及大規模電動汽車對充電樁高效運維的要求，本文引入區塊鏈技術，分析了區塊鏈技術在充電樁運營維護中的作用、價值和優勢，并就區塊鏈技術在充電樁運營維護中的具體應用機制進行深入分析。

1 區塊鏈技術

1.1 區塊鏈內涵

區塊鏈即Blockchain，它是基于時間序列的方法將相應的數據區塊組合而成的一種數據結構，采用高安全性密碼技術來確保數據的不可偽造性和不可篡改性，并且以去中心化的方式進行分布式存儲，它的基礎架構與計算方式與傳統中心化數據相比較是一種全新的革命性的創新[1]。

1.2 區塊鏈相關技術

（1）非對稱加密。區塊鏈的非對稱加密技術也通常稱為數字簽名，它是基于安全性和所有權驗證問題產生的，在利用某種算法對數據進行非對稱加密后，需要另外一個與之相對應的算法才能解密，區塊鏈中的每個數據節點都有一對獨立的公鑰私鑰，私鑰在數據發送時進行簽名，其他節點接收數據后首先對私鑰簽名進行驗證，在核實了數據合法性和完整性后才予以認可。

（2）共識機制。區塊鏈中所有的節點都保存有數據的副本，那么如何確保數據更新在每一個節點的同步就顯得非常重要，這就是共識機制的作用，它確保所有存儲節點保存有相同的完整的數據副本，目前共識機制算法主要有PoW、BTF、Po等幾種算法[2-3]。

區塊鏈的設計理念和算法技術賦予了區塊鏈以下四大特征：去中心化、不可篡改、可追溯性、高可靠性，這也正是本文在充電樁運營維護中引入區塊鏈技術的重要原因所在。

2 充電樁運營維護中區塊鏈技術的應用

2.1 應用場景

一個典型的充電樁運營維護場景通常包括以下組成部分：充電樁、變電站、配電機構、檢定單位、運維部門、監管機構等，該場景具有以下特征：高分布性，充電樁依據人口、交通、經濟等情況呈現很強的分布密度不均勻性，這為集中管理帶來了挑戰；多主體性，充電樁運營維護涉及的主體和利益關系比較復雜；高協同性，充電樁運營維護的順利進行需要相關利益主體之間協同一致并構建互信機制。

2.2 應用價值與優勢

將區塊鏈技術應用到充電樁運營維護中可以獲得以下價值和優勢：

（1）高度靈活可靠且低成本的分布式管理。基于區塊鏈的智能合約可以為高分布性的充電樁運營維護提供高度靈活可靠且成本十分低廉的分布式管理，通過構建智能的自治管理網絡可以將預先定義的規則在區塊鏈節點之間進行分發，并適時地觸發和啟動相應的交易規則，實現交易數據和信息的自治管理。充電樁可以根據實際情況向檢定單位自動地發出維保請求，運營維護部門與配電機構之間可以實現費用的自主結算，監管機構與充電樁運營維護部門之間實現補貼的自主輸送，充電樁運行數據和信息的自主實時上傳，充電樁運行維護系統的周期性維護等。

（2）去中心化的管理。充電樁運營維護中涉及的彼此獨立的經濟主體之間在區塊鏈中分屬不同的具有平等地位的節點，這些節點在充電樁運營維護中對交易數據享有平等地接收、發送和維護的權利，而不是像傳統的以某個節點為中心所帶來的固有權益沖突或缺陷。

（3）節點間的交易數據透明化和高可靠性。區塊鏈技術所獨有的數據結構、非對稱加密算法和共識機制確保了充電樁實時運行信息和數據的實時監測、檢定、計量、傳輸等的高度透明化、可追溯性和高保真性，相關主體和機構可以隨時隨地從區塊鏈上獲得真實完整不可篡改的數據，避免了傳統管理方式下的信息不對稱所帶來的各種計量不準、誘騙補貼等事件的發生[4]。

2.3 應用架構

（1）鏈式結構選擇。區塊鏈網絡根據參與節點是否需要授權可以將其劃分為三種類型結構，即公有鏈、私有鏈以及聯盟鏈，公有鏈允許節點匿名參與，其在安全性、隱私性等方面不適合充電樁運營維護的業務需求，私有鏈一般為組織內部使用、節點加入退出具有復雜的審批程序，因此也不適合充電樁所要求的更為靈活快捷的業務需求，聯盟鏈適合多個節點參與且節點身份相互之間透明的多個組織之間，內部特定節點完成記賬功能、其他節點提供信息查詢，它不僅具有較高的運行效率，而且具有更強的隱私保護機制，同時又具有較強的靈活性，最適合充電樁業務靈活快捷的要求。

（2）網絡節點布置。區塊鏈中參與節點不僅具有數據存儲、加密、驗證、傳送等功能，而且對于整個系統的管理也有重要作用。從理論上而言區塊鏈中的每個節點具有同樣的地位、擁有同樣的權限、行使同樣的功能，但考慮到充電樁運行維護的業務特點和實際需要，不同參與節點之間應該在功能劃分、算力分配、功耗、應用等方面進行適當的配置，劃分為兩大類型，一是標準類型的區塊鏈節點，具有數據分發、同步、記賬、共識等職能，基于實際需要這些標準類型節點由運維部門、配電機構、檢定單位和監管機構等來承擔；另一類是非標準類型的區塊鏈節點，這類節點主要承擔數據采集和傳送功能，從其他節點接收信息并存儲相鄰節點的信息，但不參與記賬、同步、共識和系統維護等功能，充電樁以及現場檢測裝置就承擔這樣的角色。以上基于區塊鏈技術的充電樁運行維護網絡節點布置實際上是一個分布式對等網絡，在這個網絡中，共識機制負責確保每個參與節點的數據信息一致性，并且負責處理由網絡攻擊所造成的系統安全或故障，示意圖如圖1所示。

圖1 基于區塊鏈技術的充電樁運營維護網絡節點布置示意圖

（3）共識機制設計。PoW共識算法的特點不適合充電樁運營維護這類業務的需要，PBFT即實用拜占庭容錯共識算法具有較強的適用性，具備了一定容錯能力的同時提升了區塊鏈系統的響應速度，同時也比較適合充電樁運營維護這種不需要較高算力的應用場合。

2.4 功能架構

基于區塊鏈技術的充電樁運營維護系統在功能架構上可以分為三個層次，從上到下依次為服務層、管理層和數據接口層。

服務層主要從功能、通信和區塊鏈三個層次和側端提供具體的服務。功能側主要包含充電樁的運行狀態檢測、配電管理、充電樁現場檢定、運維、故障報送以及運行監管等一系列功能；區塊鏈側主要包含賬戶管理、密鑰管理、數據加密、訪問控制、合約與共識機制管理等方面的功能；通信側主要包含充電樁運行狀態現場檢測裝置以及通信總線，現場檢測裝置、充電樁、檢定單位、運維部門、監管部門等之間的通信，同時還醋則新的充電樁和現場檢測裝置的接入管理[5]。

管理層提供的服務，應用層面的主要有充電樁注冊與管理、現場檢測裝置的注冊與管理、不同參與節點不同業務類型的認證授權與管理、智能電網與電動汽車之間的跨區塊鏈管理、充電檢定維保等的交易與管理、充電樁與配電機構之間的費用結算與管理、監管機構與運維部門之間的費用補貼結算與管理等。

數據層主要面向PC客戶端、移動客戶端、大數據系統等三種類型的端口以及第三方開發提供API接口服務。PC客戶端可以基于不同應用場景選擇使用不同的功能模塊，諸如充電樁現場檢測裝置遠程管理、檢定、補貼發放、電費結算、用電負荷監控等。

3 結語

將區塊鏈技術引入到充電樁運營維護中，構架了具有分布式數據存儲、采用非對稱加密算法、具有較高可追溯性的安全靈活的充電樁運營維護系統，實現了充電樁運營維護過程中各項交易環節和數據信息的自治管理，為充電樁運營維護中所涉及的充電樁、變電站、配電機構、檢定單位、運維部門、監管機構等多方經濟主體提供了具有較高可行性和透明性的管理方案。