趙三珊 李文清 田浩毅

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

隨著電動(dòng)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(shí)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(yùn)營(yíng)模式理念落后，且共享充電樁在規(guī)劃布局上資源浪費(fèi)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(yàn)差，嚴(yán)重制約了共享充電市場(chǎng)的發(fā)展[3-4]。因此，社會(huì)對(duì)于構(gòu)建安全高效的電動(dòng)汽車共享充電樁管理系統(tǒng)十分迫切。

共享經(jīng)濟(jì)指通過(guò)付出一定的報(bào)酬，獲得某種資源的暫時(shí)使用權(quán)，共享經(jīng)濟(jì)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(wú)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(chǎng)的服務(wù)創(chuàng)新的關(guān)鍵。

目前，國(guó)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(xiàn)[7]結(jié)合了雷電網(wǎng)絡(luò)和共識(shí)機(jī)制，構(gòu)建了區(qū)塊鏈共享充電環(huán)境；文獻(xiàn)[8]將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用于用戶與共享市場(chǎng)之間的價(jià)格博弈，形成了高效實(shí)時(shí)的交易競(jìng)價(jià)體系；文獻(xiàn)[9]提出了用戶隱私保護(hù)機(jī)制，能夠有效地避免用戶共享充電時(shí)產(chǎn)生的信息泄露；文獻(xiàn)[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(xiàn)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用停留在對(duì)理論層面的驗(yàn)證上，對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的共享充電樁系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與改進(jìn)較少，未能真正實(shí)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(dòng)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(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行去中心的加密與保護(hù)，實(shí)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(yùn)營(yíng)商和管理商的需求下，建立能源區(qū)塊鏈的電動(dòng)汽車共享充電樁管理模型，達(dá)成對(duì)共享充電樁資源配置的最優(yōu)化。試驗(yàn)結(jié)果表明，結(jié)合能源區(qū)塊鏈技術(shù)能有效提升電動(dòng)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(dòng)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(chǔ)用戶交易信息，使用戶交易時(shí)擁有高度的自主權(quán)與隱私保護(hù)[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(gè)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(gè)能源交易過(guò)程中對(duì)第三方的依賴，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的用戶與市場(chǎng)之間的公正交易，降低數(shù)據(jù)泄露風(fēng)險(xiǎn)與交易成本[13-14]?；谥悄芎霞s的能源區(qū)塊鏈交易系統(tǒng)，能夠合理規(guī)劃能源配置，實(shí)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(dòng)車共享充電樁的可能性分析

電動(dòng)車共享充電樁能緩解當(dāng)前電動(dòng)車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足問(wèn)題，節(jié)約建設(shè)電動(dòng)車配套設(shè)施的資金，實(shí)現(xiàn)社會(huì)資本最優(yōu)化配置。目前，一般采用中心化的管理模式對(duì)共享充電樁用戶信息進(jìn)行存儲(chǔ)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(hù)，對(duì)運(yùn)營(yíng)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(yùn)營(yíng)商之間的數(shù)據(jù)相互獨(dú)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(guò)將區(qū)塊鏈技術(shù)中激勵(lì)機(jī)制、智能合約和分布式共識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)共享充電樁的分布式、去中心化配置?？紤]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(dòng)車共享充電樁管理系統(tǒng)中，進(jìn)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(shí)使各大運(yùn)營(yíng)商的商業(yè)機(jī)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(guò)共享充電聯(lián)盟鏈對(duì)整個(gè)共享充電過(guò)程中的各主體進(jìn)行分類，劃分為聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)與普通節(jié)點(diǎn)。

聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)一般是指各大充電樁運(yùn)營(yíng)商，具有極高的系統(tǒng)權(quán)限。聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)可以根據(jù)共識(shí)算法記錄用戶共享充電交易數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)更新與驗(yàn)證數(shù)據(jù)。通過(guò)交易數(shù)據(jù)正確性驗(yàn)證后，將信息記錄到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，任何節(jié)點(diǎn)都無(wú)法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行篡改，確保充電交易數(shù)據(jù)一致性。普通節(jié)點(diǎn)主要指各共享充電用戶，產(chǎn)生數(shù)據(jù)的同時(shí)不直接參與數(shù)據(jù)記錄與共識(shí)過(guò)程。普通節(jié)點(diǎn)查看交易數(shù)據(jù)需要向聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)發(fā)起申請(qǐng)，聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)對(duì)其身份進(jìn)行驗(yàn)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(hù)交易數(shù)據(jù)隱私。聯(lián)盟鏈中的普通節(jié)點(diǎn)通過(guò)身份驗(yàn)證后，才能參與數(shù)據(jù)共識(shí)過(guò)程，保證了各節(jié)點(diǎn)的信任度。同時(shí)，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(guò)處理計(jì)算當(dāng)前每筆交易的已知狀態(tài)，能夠提供可驗(yàn)證且不變的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和合同。這種基于區(qū)塊鏈的收費(fèi)系統(tǒng)改變了傳統(tǒng)能源市場(chǎng)支付機(jī)制，從廣義上真正實(shí)現(xiàn)了點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易。

2.2 K-匿名性

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)共享充電用戶隱私保護(hù)，采用K-匿名性的隱私保護(hù)方法。假設(shè)有k個(gè)用戶，且各個(gè)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(shí)程度。在實(shí)際中，使用K匿名方法需要一個(gè)受信任的臨時(shí)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(guò)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(hù)劃分匿名等級(jí)，通過(guò)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(shí)別到第i個(gè)用戶的概率。當(dāng)k個(gè)用戶都具有相同的概率被識(shí)別到時(shí)，該模型達(dá)到其最大的信息熵HM：

攻擊者可以通過(guò)攻擊此匿名集獲得信息d：

對(duì)d進(jìn)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(jí)別，值范圍為0～1。當(dāng)一個(gè)匿名模型中的用戶以p=1的概率被識(shí)別，則匿名模型的匿名度為0；所有用戶具有相同的被識(shí)別概率p=1/k，模型具有最大的匿名度，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(dòng)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(dòng)車共享充電樁管理系統(tǒng)是一個(gè)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(guò)安裝應(yīng)用端，將個(gè)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(shí)，并將其作為自身的公鑰。通過(guò)應(yīng)用程序服務(wù)器創(chuàng)建并啟動(dòng)加密數(shù)據(jù)程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理。數(shù)據(jù)經(jīng)聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)驗(yàn)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(jìn)行共享。

在基于能源區(qū)塊鏈的電動(dòng)車共享充電樁管理系統(tǒng)中，通過(guò)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(duì)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(wèn)和使用事件記錄在共享賬本中，通過(guò)網(wǎng)橋進(jìn)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(dòng)態(tài)管理模型

將整個(gè)能源區(qū)塊鏈的電動(dòng)車共享充電樁管理系統(tǒng)模型分為兩個(gè)部分，即面向用戶數(shù)據(jù)保存與運(yùn)營(yíng)商管理兩個(gè)層面。

（1）用戶APP初始化模型。

新用戶首先需要注冊(cè)成為基于能源區(qū)塊鏈的電動(dòng)車共享充電樁管理系統(tǒng)的會(huì)員，才能享受到該系統(tǒng)的服務(wù)?；诠蚕斫?jīng)濟(jì)的運(yùn)營(yíng)模式，用戶需要綁定網(wǎng)上錢包，同時(shí)用戶的所有信息都將經(jīng)過(guò)驗(yàn)證并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)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(gè)M值，用以加密并記錄本次行為。

用戶初始化動(dòng)態(tài)模型如圖2所示。

圖2 用戶初始化動(dòng)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(gè)獨(dú)有的標(biāo)識(shí)碼。

（2）充電樁運(yùn)營(yíng)商管理模型。

運(yùn)營(yíng)商通過(guò)分析數(shù)據(jù)庫(kù)中用戶的交易信息，對(duì)充電樁資源進(jìn)行重新分配，并將操作結(jié)果記錄到數(shù)據(jù)庫(kù)中。同時(shí)，運(yùn)營(yíng)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(kù)中，并允許所有用戶與其他運(yùn)營(yíng)商查看可公開的信息。

運(yùn)營(yíng)商管理動(dòng)態(tài)模型如圖3所示。

圖3 運(yùn)營(yíng)商管理動(dòng)態(tài)模型

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 方案設(shè)計(jì)

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(guò)在閃電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行大量的交易，能夠監(jiān)控整個(gè)交易過(guò)程并安全存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，提升區(qū)塊鏈的處理能力和存儲(chǔ)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(tái)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)共享智能充電樁智能管以及基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的技術(shù)增值。

為了對(duì)用戶數(shù)據(jù)進(jìn)行有效管理和存儲(chǔ)，基于能源區(qū)塊鏈的電動(dòng)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(tái)架構(gòu)。在該系統(tǒng)中，各共享充電用戶與運(yùn)營(yíng)商管理員都必須以真實(shí)身份進(jìn)行注冊(cè)并綁定網(wǎng)上錢包。共享充電用戶及運(yùn)營(yíng)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(guò)程中，用戶與充電樁運(yùn)營(yíng)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(hào)信息公開透明。由于區(qū)塊鏈系統(tǒng)對(duì)所有用戶的數(shù)據(jù)都采用K-匿名性方式進(jìn)行加密，為了避免交易信息的不可追溯性，需要對(duì)交易密鑰進(jìn)行云存儲(chǔ)。

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(dòng)的充電樁共享

傳統(tǒng)的線上交易對(duì)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(guò)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(guò)R計(jì)算出哈希值H（R），但任何第三者無(wú)法通過(guò)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(gè)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(guò)運(yùn)營(yíng)商D的中轉(zhuǎn)，在用戶D和運(yùn)營(yíng)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(guò)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(lái)驗(yàn)證R，如驗(yàn)證通過(guò)，進(jìn)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(huì)保存交易記錄并計(jì)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(huì)自動(dòng)計(jì)算費(fèi)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(dòng)車主D使用運(yùn)營(yíng)商D所經(jīng)營(yíng)的充電樁，資金鏈節(jié)點(diǎn)費(fèi)用依次為49.15、48.56、41.20元，節(jié)點(diǎn)費(fèi)用之間的金額差為各節(jié)點(diǎn)收取的服務(wù)費(fèi)。同時(shí)，該系統(tǒng)中的各參與方（除電動(dòng)車主）的資金到賬具有時(shí)間期限，各節(jié)點(diǎn)期限分別為48、24、3 h。通過(guò)設(shè)置時(shí)間差期限，促使各參與方對(duì)交易信息的有效性進(jìn)行驗(yàn)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(yǔ)

區(qū)塊鏈技術(shù)天然的去中心化、可溯源、無(wú)法篡改的特性，可以用于建立無(wú)須第三方擔(dān)保的可信任價(jià)值轉(zhuǎn)移系統(tǒng)、以聯(lián)盟鏈為底層技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁共享系統(tǒng)，聯(lián)盟鏈的準(zhǔn)入機(jī)制保證了參與記賬的多方可信任，高效的PBFT共識(shí)機(jī)制保證了交易處理速度滿足實(shí)際需求。通過(guò)智能合約實(shí)現(xiàn)充電結(jié)束自動(dòng)結(jié)算電費(fèi)，保證了充電費(fèi)用公平無(wú)差錯(cuò)。此外，將充電交易記錄在聯(lián)盟鏈上，只有聯(lián)盟節(jié)點(diǎn)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(dòng)車共享充電樁管理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)測(cè)試可以滿足電動(dòng)汽車日常充電需求，切實(shí)解決電動(dòng)車用戶充電隱私泄露與充電樁資源配置問(wèn)題，為后續(xù)工作中對(duì)電動(dòng)車共享充電問(wèn)題的研究提供了參考。