基于區塊鏈的充電樁共享平臺設計

鞏碩，黃碧雄，嚴曉

（201620 上海市 上海工程技術大學 機械與汽車工程學院）

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的人群（充電樁服務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模[1]。同樣，需要充電服務的用戶（電動汽車車主）更會遠遠超過這個數字。在這種巨量的充電需求和供應中，各充電服務商之間難以統一充電服務的標準和服務質量，也難以統一充電費用。對于用戶來說，更難以判斷各服務商的口碑、充電樁安全水平如何。而區塊鏈技術，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，通過區塊鏈技術設計了一套充電樁的共享策略。基于Fabric 聯盟鏈建立區塊鏈系統，通過智能合約生成充電數據的MD5 碼，進行數字摘要后錄入到區塊鏈中，利用區塊鏈系統的特性保證了數據的不可篡改、安全與可追溯。另一方面，對區塊鏈技術在充電樁共享經濟中的應用模式進行了探究，提出了一種全新的創新服務模式，并設計了一套完整的共享平臺界面以及系統運行邏輯。

1 充電樁共享方案設計

基于區塊鏈技術的充電樁共享方案架構如圖1 所示，共分為充電樁數據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，通過腳本對數據進行數清洗、計算并每隔固定時間生成一份充電數據報表。當前一份數據報表生成后，通過私鑰簽署腳本生成報告的MD5 碼并寫入到區塊之中，同時，開始后一份數據報表的數據采集。充電樁共享平臺則采用基于Fabric 聯盟鏈的分布式架構，主要由各聯盟鏈參與者作為記賬節點進行維護，平臺允許個人用戶將自有充電樁接入，通過區塊鏈環境部署提供充電樁的定位、狀態、交易記錄及安全狀態等信息接入區塊鏈系統并進行共享。兩者共用同一個區塊鏈網絡，實現信息全網廣播。

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

2 區塊鏈系統運行機制

2.1 區塊鏈技術介紹

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

圖2 區塊鏈的鏈式結構Fig.2 Chain structure of blockchain

2.2 共識機制設計

POD 共識機制的運行也需要Token（通證）作為介質。本系統中產生的Token 指在共享生態下，基于區塊鏈技術生成的工作量證明，Token的分配與數據存儲量、節點所搭建數據庫的硬件能力以及數據共享過程中的網絡帶寬相關聯。

計算方式示意：節點分數M=（數據存儲量×存儲因子+硬件能力×硬件因子+帶寬×帶寬因子）×（系統運行時長/24 h）；當天所發現Token 總量=Ct。

則當天節點M1當天獲得Token 的數量C1為

系統運行過程中，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中，維護系統運行的節點通過記賬獲取Token，而充電用戶可以通過購買Token 來抵扣充電費用，從而形成生態閉環，保證系統的運行。

2.3 充電樁共享平臺參與主體

（1）充電樁所有者：充電樁的產權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方，通過接入基于區塊鏈的充電樁共享平臺，在平臺上發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惠、距離更近、充電更方便的充電樁。通過區塊鏈系統，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，通過區塊鏈系統發起充電請求，記錄充電價格和需求并實現在線交易結算。

（3）聯盟鏈節點：作為聯盟鏈的核心組成部分，負責維護區塊鏈交易數據的備份，保證整個區塊鏈系統的運行。聯盟鏈節點主要由大型充電樁運營機構進行競選產生，通過POD 共識機制將系統上的交易信息保存到區塊鏈中，平臺上的所有參與節點都可以充當記錄節點，并由聯盟鏈節點進行核算與獎勵[7]。

3 區塊鏈系統實現

3.1 區塊鏈應用開發流程

本系統基于當前主流的聯盟鏈Hyperledger Fabric[8]搭建區塊鏈架構，基于PKI 體系，引入了MSP 模塊（Membership Service Provider，成員管理服務提供商），生成數字證書來標識和管理成員的身份。Fabric 成員身份基于標準的X.509證書，密鑰使用的是ECDSA 算法。基于Fabric的區塊鏈應用開發流程如下：

（1）系統初始化：cryptogen 生成每個組織節點，以及orderer 節點證書；

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

（3）啟動peer；

（4）通道的創建和加入：configtxgen peer ；

（5）啟動Fabric-ca：fabric-ca-server；

（6）鏈碼開發和部署；

（7）客戶端開發；

（8）其余peer 和其他組織的加入。

3.2 生成數字摘要

圖3 顯示了在區塊鏈上記錄電池信息以保證數據安全共享的3 個步驟。第1 步，定期將動力電池監控模塊所采集的電池數據根據協議自動生成報表；第2 步，使用MD5 對報表進行數字摘要；第3 步，將數字摘要錄入區塊鏈中。

圖3 報表摘要錄入區塊鏈的流程Fig.3 Recording on blockchain with report digest

3.3 區塊查詢與驗證

在數據上鏈的過程中，為了保證區塊鏈系統的精簡性與效率，存儲在區塊鏈網絡中的充電價值信息僅為數字摘要，為了進一步保證存儲在電池全生命周期各個節點數據庫中的數據為原始數據，本系統增加了對電池數據報表真實性的檢驗流程。

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

圖4 數據真實性檢驗流程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塊鏈系統搭建之外，還需要設計用戶友好型的操作界面。當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控自有充電樁的實時狀態和收益情況。當充電樁所有者需要新增共享充電樁時，需要向區塊鏈平臺提交請求，審核通過后，該用戶的充電樁便可以在系統地圖中進行定位與選擇；當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據MD5 碼等數據寫入到區塊鏈中。

圖5 基于區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 區塊查詢頁面

區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塊查詢頁面對交易過程和交易信息進行核對與查詢。區塊查詢頁面展示的信息包括數字摘要與交易信息2 個部分，其中，數字摘要具體包括MD5碼、區塊高度、確認節點數、區塊大小、系統版本、播報方指數、播報方以及區塊哈希值等信息。

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

4.3 充電樁共享系統工作流程

充電樁共享系統工作流程如圖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布、瀏覽充電樁信息，基于區塊鏈系統進行交易并建立支付通道，根據充電量和充電樁所有者所標識的報價計算充電費用并支付給充電樁所有者。交易系統的智能合約在交易達成后會自動生成配置數據包，對充電樁進行遠程配置，充電結束后系統通過智能合約更新交易金額并實現賬本的同步配置。

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

5 結束語

本文研究了區塊鏈技術在充電樁共享經濟中的應用模式，提出了一種全新的創新共享策略。通過區塊鏈技術更好地實現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。設計了一套完整的前端操作邏輯和操作頁面，為區塊鏈技術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，隨著用戶數量的增加，充電樁共享過程中會產生大量的數據。在交易過程中，個人用戶可以選擇將信息進行匿名，保護自身充電數據的安全和隱私。同時，大型充電樁運營商及其他第三方機構也可以對公開的數據進行進一步數據挖掘和大數據分析。規模化的充電樁數據對于電網的負載平衡、用電沖擊以及削峰填谷等應用場景提供有效的數據支持。充電樁運營商也可以根據充電樁的使用頻率和用戶數量，對充電樁的分布進行更合理的規劃設計。