基于能源區塊鏈的電動車共享充電樁管理系統

趙三珊 李文清 田浩毅

（國網上海市電力公司電力科學研究院，上海 200080）

隨著電動車產業的不斷發展，傳統的共享充電樁系統已不能滿足隱私安全和便利充電的實際需求[1-2]。傳統的共享充電樁系統的基礎設施技術陳舊、運營模式理念落后，且共享充電樁在規劃布局上資源浪費嚴重，導致了高昂的管理成本與極低的資本轉化率。由于用戶的充電隱私得不到保障且使用體驗差，嚴重制約了共享充電市場的發展[3-4]。因此，社會對于構建安全高效的電動汽車共享充電樁管理系統十分迫切。

共享經濟指通過付出一定的報酬，獲得某種資源的暫時使用權，共享經濟能夠有效提升資源的利用率[5-6]。傳統的共享系統采用數據中心化管理，無法保障用戶的隱私安全，將區塊鏈技術與充電樁共享相結合，成為共享充電市場的服務創新的關鍵。

目前，國內外已開展將區塊鏈技術應用于共享充電領域的研究。文獻[7]結合了雷電網絡和共識機制，構建了區塊鏈共享充電環境；文獻[8]將區塊鏈技術應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生的信息泄露；文獻[10]綜合分析了區塊鏈在共享充電領域應用的可行性。上述文獻對區塊鏈技術的應用停留在對理論層面的驗證上，對于現實中的共享充電樁系統的設計與改進較少，未能真正實現將區塊鏈技術與共享充電理念的深度融合。

本文提出基于能源區塊鏈的電動汽車充電樁共享充電樁管理系統。采用充電聯盟鏈算法對用戶數據進行去中心的加密與保護，實現共享充電樁系統整體的數據安全可靠性。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化。試驗結果表明，結合能源區塊鏈技術能有效提升電動車共享充電樁管理系統的可靠性，優化資源配置。

1 能源區塊鏈技術與電動車共享充電樁

1.1 能源區塊鏈技術

為了保障能源系統中交易數據的去中心化與安全可靠，將區塊鏈技術應用于存儲用戶交易信息，使用戶交易時擁有高度的自主權與隱私保護[11-12]。區塊鏈技術在能源領域具有巨大的應用潛力，契合了用戶重視個人隱私與需要更便利服務的需求。

能源區塊鏈技術的本質就是消除整個能源交易過程中對第三方的依賴，實現點對點的用戶與市場之間的公正交易，降低數據泄露風險與交易成本[13-14]?；谥悄芎霞s的能源區塊鏈交易系統，能夠合理規劃能源配置，實現能源調度最優化[15-16]。

1.2 能源區塊鏈應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前電動車充電基礎設施建設不足問題，節約建設電動車配套設施的資金，實現社會資本最優化配置。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，導致充電服務存在信息孤島[17]。由于用戶隱私得不到保護，對運營商產生信任壁壘，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據相互獨立、不公開，直接造成共享充電樁資源配置的不合理的現象。

通過將區塊鏈技術中激勵機制、智能合約和分布式共識等部分應用到共享充電樁管理中，能夠避免用戶的數據泄露及共享充電樁數據的共享，實現對共享充電樁的分布式、去中心化配置?？紤]區塊鏈技術在金融支付領域的突出表現，將其應用到電動車共享充電樁管理系統中，進一步保證用戶交易數據的安全。

2 能源區塊鏈

2.1 共享充電聯盟鏈

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

聯盟節點一般是指各大充電樁運營商，具有極高的系統權限。聯盟節點可以根據共識算法記錄用戶共享充電交易數據，并實時更新與驗證數據。通過交易數據正確性驗證后，將信息記錄到區塊鏈網絡中，任何節點都無法對數據進行篡改，確保充電交易數據一致性。普通節點主要指各共享充電用戶，產生數據的同時不直接參與數據記錄與共識過程。普通節點查看交易數據需要向聯盟節點發起申請，聯盟節點對其身份進行驗證后，分配相應的權限，保障了用戶信息的安全性。

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

2.2 K-匿名性

為了實現對共享充電用戶隱私保護，采用K-匿名性的隱私保護方法。假設有k個用戶，且各個用戶身份是可以區分的，其匿名程度取決于匿名組中的k值和系統的共識程度。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器。隱私服務器可以修改數據，并通過相應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，實現對用戶充電信息的去中心化管理。

3 基于能源區塊鏈的電動汽車充電樁共享系統框架與模型

3.1 系統總體框架

基于能源區塊鏈的電動車共享充電樁管理系統是一個擁有區塊鏈主網的聯盟鏈，用于為共享充電服務提供技術管理，將更多區塊鏈子網并入系統中。用戶通過安裝應用端，將個人信息上傳到該系統的區塊鏈子網中，各用戶擁有唯一的應用端標識，并將其作為自身的公鑰。通過應用程序服務器創建并啟動加密數據程序，對數據進行加密處理。數據經聯盟節點驗證后，服務器創建相應的子網組，將與共享充電服務相關的交易數據在組內進行共享。

在基于能源區塊鏈的電動車共享充電樁管理系統中，通過子網分離主網，保障了隱私組成員的匿名性。由于數據匿名化，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政策或規則，對信用狀態的監控將取決于用戶之間的協議以及協議的當前狀態。將所有訪問和使用事件記錄在共享賬本中，通過網橋進行共享。

系統信息總體框架如圖1所示。

圖1 系統總體框架

3.2 系統動態管理模型

將整個能源區塊鏈的電動車共享充電樁管理系統模型分為兩個部分，即面向用戶數據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塊鏈的電動車共享充電樁管理系統的會員，才能享受到該系統的服務。基于共享經濟的運營模式，用戶需要綁定網上錢包，同時用戶的所有信息都將經過驗證并存儲到數據庫中。用戶所有的交易行為都經由區塊鏈系統產生一個M值，用以加密并記錄本次行為。

用戶初始化動態模型如圖2所示。

圖2 用戶初始化動態模型

其中，M值是區塊鏈系統為用戶本次行為分配的一個獨有的標識碼。

（2）充電樁運營商管理模型。

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

運營商管理動態模型如圖3所示。

圖3 運營商管理動態模型

4 試驗驗證

4.1 方案設計

將區塊鏈網絡作為交易雙方信賴的第三方擔保，采用閃電網絡系統確保資金和支付操作的安全。通過在閃電網絡系統中進行大量的交易，能夠監控整個交易過程并安全存儲數據，提升區塊鏈的處理能力和存儲效率。結合區塊鏈中的智能合約技術，把數據映射到基于大數據云平臺上，實現對共享智能充電樁智能管以及基于數據驅動的技術增值。

為了對用戶數據進行有效管理和存儲，基于能源區塊鏈的電動車共享充電樁管理系統采用主流的基于大數據云平臺架構。在該系統中，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上錢包。共享充電用戶及運營商之間就共享充電樁使用權的轉移，形成基于智能合約的區塊鏈網絡交易。在交易過程中，用戶與充電樁運營商應該遵守各交易條款，保證在區塊鏈網絡中各自的賬號信息公開透明。由于區塊鏈系統對所有用戶的數據都采用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 智能合約驅動的充電樁共享

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

基于哈希算法的不可逆性，區塊鏈網絡可以通過用戶的交易行為產生密鑰R。由哈希函數變化可以通過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）在基于能源區塊鏈的共享充電樁管理系統中，充電樁主A根據共享充電樁所能提供的電量，生成相關的密鑰R，并將H（R）發送給用戶D，將R保存在區塊鏈網絡中。

（2）通過運營商D的中轉，在用戶D和運營商A之間建立了間接的支付網絡途徑。

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

（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，區塊鏈網絡系統都會保存交易記錄并計算剩余的充電次數。一旦用戶使用完規定的充電次數后，區塊鏈網絡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賬支付后，才可以繼續使用該系統。電動車主D使用運營商D所經營的充電樁，資金鏈節點費用依次為49.15、48.56、41.20元，節點費用之間的金額差為各節點收取的服務費。同時，該系統中的各參與方（除電動車主）的資金到賬具有時間期限，各節點期限分別為48、24、3 h。通過設置時間差期限，促使各參與方對交易信息的有效性進行驗證，保證系統智能化執行。

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 結語

區塊鏈技術天然的去中心化、可溯源、無法篡改的特性，可以用于建立無須第三方擔保的可信任價值轉移系統、以聯盟鏈為底層技術的電動汽車充電樁共享系統，聯盟鏈的準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。通過智能合約實現充電結束自動結算電費，保證了充電費用公平無差錯。此外，將充電交易記錄在聯盟鏈上，只有聯盟節點才有權查看，保證了用戶交易隱私。本文提出基于能源區塊鏈的電動車共享充電樁管理系統，經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，為后續工作中對電動車共享充電問題的研究提供了參考。