基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁運(yùn)維系統(tǒng)研究

梁欽賜

（國網(wǎng)福建省電力有限公司泉州供電公司，福建 泉州 362000）

電動(dòng)汽車已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)電動(dòng)汽車來說，充電樁是其動(dòng)力來源，也是保證其穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)設(shè)施。充電樁運(yùn)維系統(tǒng)涵蓋內(nèi)容較廣，主要包括運(yùn)行情況實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、計(jì)量精度監(jiān)測(cè)、同配售電機(jī)構(gòu)間的結(jié)算管理以及同監(jiān)管部門間的數(shù)據(jù)報(bào)備等，涉及多方利益主體。因此建立一個(gè)靈活、穩(wěn)定、低成本以及透明化的管理系統(tǒng)十分必要。隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，許多先進(jìn)技術(shù)方法被應(yīng)用于充電樁運(yùn)維系統(tǒng)中，例如軟件模塊化設(shè)計(jì)、曼哈頓距離法、優(yōu)化架構(gòu)設(shè)計(jì)以及優(yōu)化充電模式等[1]，雖然上述技術(shù)方法均在一定程度上解決運(yùn)維系統(tǒng)存在的相關(guān)問題，但是其采用的均為傳統(tǒng)管理模式，具有中心化特點(diǎn)。現(xiàn)如今電動(dòng)汽車逐漸得到了人們的廣泛應(yīng)用，對(duì)充電樁管理水平的要求也在不斷提高。基于此，該文對(duì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電運(yùn)維系統(tǒng)展開分析。

1 區(qū)塊鏈原理概述

1.1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分析

從狹義層面進(jìn)行分析，區(qū)塊鏈主要為根據(jù)時(shí)間流程通過殊勛連接方式由數(shù)據(jù)區(qū)塊組成的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，具有鏈?zhǔn)教攸c(diǎn)，具備密碼學(xué)特征，可以避免被篡改和改造，也是分布式賬本的一種類型。從廣義層面進(jìn)行分析，區(qū)塊鏈能夠通過塊鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和驗(yàn)證，在分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)算法的作用下，工作人員能夠便捷地完成數(shù)據(jù)的生成和更新工作；另外，在密碼學(xué)模式的輔助作用下，能夠確保數(shù)據(jù)傳輸和訪問的安全性，因此該結(jié)構(gòu)是通過智能合約進(jìn)行展開操作和編程的分布式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

區(qū)塊鏈中區(qū)塊的基本數(shù)據(jù)單元如圖1所示。各區(qū)塊的主要組成部分包括父區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、默克爾根以及加密數(shù)據(jù)，哈希值屬于固定字符串的一種，在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)和散列算法的結(jié)合下誕生，該算法的特點(diǎn)是能夠確保區(qū)塊鏈中哈希值的唯一性，實(shí)現(xiàn)對(duì)各區(qū)塊的有效標(biāo)識(shí)，全部節(jié)點(diǎn)均可以通過哈希運(yùn)算對(duì)值數(shù)的準(zhǔn)確性進(jìn)行驗(yàn)證，并查看區(qū)塊內(nèi)容是否被更改。另外各區(qū)塊中均存在主動(dòng)哈希值，它們互相聯(lián)系，保證區(qū)塊之間的串聯(lián)性，進(jìn)而形成區(qū)塊鏈[2]。默克爾根屬于根哈希值的一種，由全部區(qū)塊數(shù)據(jù)信息組成，也是一種哈希二叉樹的數(shù)值，區(qū)塊頭需要具備根哈希值，但是并不需要將所有數(shù)據(jù)封裝，因此也適用于功耗較低的移動(dòng)設(shè)備；除此之外，它還能夠?qū)Ψ峭暾麉^(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢驗(yàn)。

圖1 區(qū)塊的基本數(shù)據(jù)單元圖

1.2 數(shù)字簽名

通過以上結(jié)構(gòu)分析可知，區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)鏈?zhǔn)酱鎯?chǔ)和傳輸?shù)奶攸c(diǎn)；另外，為了確保其安全需求以及所有權(quán)驗(yàn)證需求得到滿足，需要采取一些先進(jìn)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，例如RSA、ECC和Rabin等，首先需要對(duì)其中一個(gè)密鑰進(jìn)行加密處理才可以解開對(duì)應(yīng)密鑰，該模式在區(qū)塊鏈技術(shù)中被稱為數(shù)字簽名，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，全部數(shù)據(jù)節(jié)點(diǎn)均需要具備公鑰和私鑰，在數(shù)據(jù)傳輸階段，通過私鑰完成簽名處理。在對(duì)其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行接收的過程中，需要對(duì)簽名進(jìn)行驗(yàn)證，另外還需要檢測(cè)數(shù)據(jù)的完整性和合理性，通過檢驗(yàn)后就可以認(rèn)可數(shù)據(jù)。

1.3 共識(shí)機(jī)制

對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)來說，其節(jié)點(diǎn)具備良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)作用，共識(shí)機(jī)制的主要作用便是保證存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的全面性和準(zhǔn)確性。因此區(qū)塊鏈系統(tǒng)具備下述4個(gè)特點(diǎn)：1） 去中心化。主要指所有節(jié)點(diǎn)的平等性、傳送、接收以及存儲(chǔ)等工作均對(duì)等，因此是透明、公平的，具有較高的可信度。2） 無法篡改。因?yàn)楣?jié)點(diǎn)均具備良好的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和維護(hù)作用，所以在驗(yàn)證的作用下得到共識(shí)進(jìn)入系統(tǒng)，系統(tǒng)可以充分發(fā)揮哈希函數(shù)單向性的優(yōu)勢(shì)以及數(shù)字簽名安全性的特點(diǎn)，確保防偽認(rèn)證功能以及共識(shí)機(jī)制具備一定的容錯(cuò)性，保證各節(jié)點(diǎn)無法被篡改。3） 可追溯性。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中具備時(shí)間戳和鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)，能夠保證數(shù)據(jù)時(shí)間維度的準(zhǔn)確性，為檢索數(shù)據(jù)全部變更過程提供了巨大的便利。4） 可靠性。系統(tǒng)中全部節(jié)點(diǎn)均對(duì)等地維護(hù)數(shù)據(jù)并參與全部共識(shí)，如果某一節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障并不會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。并且系統(tǒng)使用非對(duì)稱密碼學(xué)實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感數(shù)據(jù)的全面加密，具備權(quán)限的節(jié)點(diǎn)方可進(jìn)行訪問，進(jìn)一步強(qiáng)化數(shù)據(jù)的安全性[3]。

2 基于區(qū)塊鏈的充電樁運(yùn)維系統(tǒng)分析

2.1 場(chǎng)景概述

電動(dòng)汽車充電樁運(yùn)維系統(tǒng)主要由充電樁、充電站、檢測(cè)箱、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、配電公司以及運(yùn)維管理部門等構(gòu)成。系統(tǒng)特點(diǎn)包括以下3個(gè)方面：1） 具有極高的分散性。多數(shù)情況下，充電樁需要結(jié)合人口密度、交通情況等因素合理地在城市區(qū)域內(nèi)分布，部分區(qū)域充電樁的數(shù)量較少，采取集中式管理方法進(jìn)行管理就會(huì)比較困難。2） 主體繁多。充電樁、配電站、運(yùn)維部門和檢測(cè)部門均為多邊利益主體，因此建立保證多方利益平衡性的有效平臺(tái)具有一定的難度。3） 可信性。系統(tǒng)涵蓋的利益主體較多，只有保證彼此信任才能推動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。例如檢測(cè)機(jī)構(gòu)和充電方的互相信任關(guān)系與充電、用電結(jié)算息息相關(guān)，運(yùn)維部門和監(jiān)管部門的互相信任關(guān)系與數(shù)據(jù)分析、補(bǔ)貼落實(shí)關(guān)系密切。

通過對(duì)上述特點(diǎn)的分析，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于運(yùn)維系統(tǒng)具有以下3點(diǎn)優(yōu)勢(shì)：1） 在智能合約的作用下能夠有效提高分布式管理水平。區(qū)塊鏈技術(shù)的合理應(yīng)用可以為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的自治管理系統(tǒng)，并且能夠有效地降低成本，智能合約通過將預(yù)定義的規(guī)則向區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)，明確其使用規(guī)則，確保數(shù)據(jù)以及交易的自治化管理。2） 并不需要依賴第三方就可以實(shí)現(xiàn)去中心化管理。對(duì)運(yùn)維系統(tǒng)涉及的各個(gè)利益主體來說，在系統(tǒng)中全部節(jié)點(diǎn)均為對(duì)等的，因此可以保證傳輸、接收以及維護(hù)等數(shù)據(jù)交易工作的公正性，有效彌補(bǔ)了傳統(tǒng)管理模式中存在的不足。3） 透明化以及高可信性。因?yàn)橄到y(tǒng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及共識(shí)機(jī)制的特點(diǎn)，所以能夠保證充電樁監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓浴⑼该餍裕⑶冶ＷC其無法被篡改，具有可追溯性，為相關(guān)部門得到真實(shí)、全面的數(shù)據(jù)提供保障，規(guī)避“騙補(bǔ)”、計(jì)量缺乏準(zhǔn)確性等問題發(fā)生[4]。

2.2 基于區(qū)塊鏈的充電樁運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

通過上述分析可知區(qū)塊鏈技術(shù)在運(yùn)維系統(tǒng)中具有較高的使用價(jià)值，該文對(duì)基于區(qū)塊鏈的充電樁運(yùn)維系統(tǒng)結(jié)構(gòu)展開分析。

2.2.1 鏈?zhǔn)竭x型

對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍以及節(jié)點(diǎn)的相關(guān)特征進(jìn)行分析，能夠?qū)ζ漕愋瓦M(jìn)行合理劃分，可以分為公有、私有和聯(lián)盟鏈。

公有鏈中最為典型的便是比特幣，具有極高的開放性，不需要得到授權(quán)便可以隨意進(jìn)出系統(tǒng)。在多數(shù)情況下，通過數(shù)字加密和算法激勵(lì)機(jī)制能夠在相應(yīng)的環(huán)境內(nèi)建立一種共識(shí)，該共識(shí)具有非一致性的特點(diǎn)。由于系統(tǒng)允許匿名參加并且以PoW共識(shí)機(jī)制為基礎(chǔ)，因此安全性以及運(yùn)行效率存在許多問題，不適用于充電樁運(yùn)維系統(tǒng)。

私有鏈系統(tǒng)與公有鏈不同，私有鏈具有封閉性的特點(diǎn)，多數(shù)情況下節(jié)點(diǎn)數(shù)量少，多應(yīng)用于組織內(nèi)部機(jī)制，節(jié)點(diǎn)之間具有極高的互信度，節(jié)點(diǎn)存在相關(guān)行為均需要通過組織方面的明確，Paxos等即時(shí)確認(rèn)共識(shí)算法為該系統(tǒng)使用的主要算法，運(yùn)行效率較高同時(shí)安全性更好，不足之處主要體現(xiàn)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)固定、節(jié)點(diǎn)加入或退出程序比較復(fù)雜，因此對(duì)區(qū)域內(nèi)充電樁、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)箱的靈活加入和退出來說較為困難，并不適用于充電樁運(yùn)維系統(tǒng)[5]。

聯(lián)盟鏈?zhǔn)窃谏鲜鰞烧咧g的一種新型結(jié)構(gòu)，在多身份互相了解的組織中應(yīng)用廣泛，內(nèi)部節(jié)點(diǎn)具備核心作用，外部節(jié)點(diǎn)的主要作用是提供和查詢相應(yīng)的信息，同公有鏈相比，該系統(tǒng)的運(yùn)行效率更高，并且安全性更好，不需要代幣激勵(lì)機(jī)制，信息確認(rèn)同步以及安全性方面均具有一定的優(yōu)勢(shì)。并且與私有鏈相比，聯(lián)盟鏈的靈活性更好，為充電樁的靈活進(jìn)入和退出提供了便利，因此聯(lián)盟鏈適用于充電樁運(yùn)維系統(tǒng)。

2.2.2 節(jié)點(diǎn)設(shè)置

對(duì)區(qū)塊鏈系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)不但具備傳輸、加密、驗(yàn)證和存儲(chǔ)的功能，同時(shí)還具備系統(tǒng)管理的功能。從理論層面分析，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)具有平等性，具備的功能以及權(quán)限相同。但是根據(jù)運(yùn)維系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力、能耗以及使用特點(diǎn)合理地劃分節(jié)點(diǎn)類型，主要分為安全節(jié)點(diǎn)和不完全節(jié)點(diǎn)。前者主要指標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，具備數(shù)據(jù)傳輸、接收、同步以及共識(shí)等功能。對(duì)基于區(qū)塊鏈的充電樁運(yùn)維系統(tǒng)來說，配電部門和監(jiān)管部門屬于完全節(jié)點(diǎn)。后者的主要作用是收集和傳輸數(shù)據(jù)，完成節(jié)點(diǎn)信息的收集工作后，只需要再存儲(chǔ)相鄰節(jié)點(diǎn)信息以及區(qū)塊頭信息，因此能夠有效簡(jiǎn)化工作流程，但是并不具有維護(hù)、共識(shí)等作用。對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，可以將檢測(cè)箱、充電樁等作為不完全節(jié)點(diǎn)。

該系統(tǒng)是一種分布式對(duì)等系統(tǒng)，但是在實(shí)際應(yīng)用過程中仍存在一定需要解決的問題，例如外界攻擊、故障問題等，工作人員需要加以重視。

2.2.3 PBFT共識(shí)機(jī)制

PoW類共識(shí)算法的關(guān)鍵理念為記賬權(quán)的節(jié)點(diǎn)競(jìng)爭(zhēng)，各批次的記賬均具有一個(gè)難題，只有通過挖掘難題的節(jié)點(diǎn)才能保證區(qū)塊的有效性，也就是“挖礦”。通過對(duì)該算法的有效應(yīng)用能夠有效降低成本，只需要確保一半以上節(jié)點(diǎn)的安全性便能夠通過計(jì)算力保證區(qū)塊鏈的一致性。但是該機(jī)制需要依托大量的計(jì)算力，會(huì)耗費(fèi)較多的電能，處理速率較低，并不適用于充電樁運(yùn)維系統(tǒng)。實(shí)用拜占庭容錯(cuò)屬于一種異步網(wǎng)絡(luò)公式算法，具備良好的容錯(cuò)能力，能夠提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的響應(yīng)速率，可靠性較好，因此可應(yīng)用于充電樁運(yùn)維系統(tǒng)中，通過共識(shí)算法完成節(jié)點(diǎn)共識(shí)。共識(shí)過程如圖2所示。

圖2 PBFT執(zhí)行過程

其技術(shù)原理包括以下4點(diǎn)：1） 主節(jié)點(diǎn)通過聯(lián)盟其他節(jié)點(diǎn)收集交易數(shù)據(jù)，重新整合形成全新的交易區(qū)塊，之后通過私鑰對(duì)新交易區(qū)塊進(jìn)行數(shù)字簽名和驗(yàn)證，如公式（1）所示。主節(jié)點(diǎn)吊線需要啟動(dòng)視圖更換。2） 通過節(jié)點(diǎn)收到主節(jié)點(diǎn)廣播帶來的交易區(qū)塊后，首先需要對(duì)區(qū)塊頭中的哈希值和數(shù)字簽名等進(jìn)行驗(yàn)證，明確區(qū)塊中交易的合法性和準(zhǔn)確性。完成炎癥后，在節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證結(jié)果附上自己的數(shù)字簽名，通過P2P網(wǎng)絡(luò)廣播至其他節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而在節(jié)點(diǎn)間對(duì)新區(qū)塊進(jìn)行共同炎癥，保證新區(qū)塊的準(zhǔn)確性與合法性。3） 如果某一節(jié)點(diǎn)接收到其他節(jié)點(diǎn)廣播的新區(qū)塊驗(yàn)證結(jié)果，將其與自身對(duì)新區(qū)塊的驗(yàn)證結(jié)果進(jìn)行比較，得到審計(jì)對(duì)比結(jié)論。從節(jié)點(diǎn)會(huì)將自身對(duì)新區(qū)塊的審計(jì)結(jié)果、接收到的審計(jì)結(jié)果和對(duì)比得出的結(jié)論打包為一個(gè)回復(fù)（Reply），附上數(shù)字簽名，傳輸至主節(jié)點(diǎn)。4） 主節(jié)點(diǎn)對(duì)節(jié)點(diǎn)傳輸過來的不同審計(jì)結(jié)果所采取的操作不同。如果全部節(jié)點(diǎn)認(rèn)可目前交易區(qū)塊，主節(jié)點(diǎn)將全部參與該交易區(qū)塊的從節(jié)點(diǎn)的數(shù)字證書和簽名附在該交易區(qū)塊上，打包廣播內(nèi)全部從節(jié)點(diǎn)，從節(jié)點(diǎn)接收該數(shù)據(jù)區(qū)塊，與數(shù)據(jù)同步，根據(jù)時(shí)間的順序與聯(lián)盟鏈連接。

式中：P為節(jié)點(diǎn)編號(hào)；V為視圖編號(hào)；R為節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

2.3 系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)分析

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)主要包括服務(wù)層、管理層以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)層。

服務(wù)層能夠?yàn)楣δ軅?cè)、區(qū)塊鏈側(cè)以及通信側(cè)提供相關(guān)服務(wù)。功能側(cè)的主要作用是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，例如實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)以及配電管理等；區(qū)塊鏈側(cè)的主要作用是提供核心服務(wù)，例如賬戶管理、共識(shí)機(jī)制以及密鑰管理等；通信側(cè)的主要功能是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)通信、遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信以及路由管理等。另外通信側(cè)還負(fù)責(zé)新節(jié)點(diǎn)的相關(guān)工作，例如充電樁和檢測(cè)箱的接入管理。

管理層提供的服務(wù)主要包括以下6個(gè)：1） 充電樁與檢測(cè)箱注冊(cè)管理。2） 不同節(jié)點(diǎn)和不同業(yè)務(wù)的授權(quán)和認(rèn)證管理。3） 同智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車區(qū)塊鏈之間的跨區(qū)管理。4） 充電、維護(hù)保障和檢定交易管理。5） 充電樁和配電部門之間的結(jié)算管理。6） 充電樁和運(yùn)維部門與監(jiān)管部門間的補(bǔ)貼管理。

數(shù)據(jù)接口層的主要作用是提供桌面客戶端、移動(dòng)客戶端等相關(guān)服務(wù)端口，為數(shù)據(jù)的研發(fā)提供使用程序接口，同時(shí)能夠?yàn)閿?shù)據(jù)的推送、預(yù)警提供便利。桌面客戶端可以根據(jù)場(chǎng)景的差異合理劃分充電樁檢測(cè)裝置平臺(tái)，其主要平臺(tái)類型為管理平臺(tái)、結(jié)算平臺(tái)、補(bǔ)貼平臺(tái)以及負(fù)荷監(jiān)測(cè)平臺(tái)等。

通過上述分析可知，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)和運(yùn)維系統(tǒng)的有效融合具有極高的使用價(jià)值，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在分布式數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非對(duì)稱加密高穩(wěn)定性、無法篡改性以及可追溯等方面，保證數(shù)據(jù)和交易的自治化管理效能，為系統(tǒng)中各利益主體提供了高效、安全且穩(wěn)定的去中心化管理模式。

3 結(jié)語

綜上所述，電動(dòng)汽車應(yīng)用范圍越來越廣泛，對(duì)充電樁運(yùn)維系統(tǒng)的要求不斷提高，該文在對(duì)充電樁運(yùn)維系統(tǒng)特點(diǎn)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，詳細(xì)闡述了區(qū)塊鏈技術(shù)在運(yùn)維系統(tǒng)中的應(yīng)用價(jià)值，建立了以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)的充電樁運(yùn)維系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、功能進(jìn)行分析，構(gòu)建一種去中心化管理模式。區(qū)塊鏈技術(shù)具備的去中心化分布協(xié)同模式與充電樁運(yùn)維系統(tǒng)的特點(diǎn)可以完美地契合，因此將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于充電樁運(yùn)維系統(tǒng)有助于提高系統(tǒng)的實(shí)用性、安全性和穩(wěn)定性。相關(guān)技術(shù)人員仍需要加大研究力度，完善細(xì)節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。