基于能源区块链的电动车共享充电桩管理系统

赵三珊 李文清 田浩毅

（国网上海市电力公司电力科学研究院，上海 200080）

随着电动车产业的不断发展，传统的共享充电桩系统已不能满足隐私安全和便利充电的实际需求[1-2]。传统的共享充电桩系统的基础设施技术陈旧、运营模式理念落后，且共享充电桩在规划布局上资源浪费严重，导致了高昂的管理成本与极低的资本转化率。由于用户的充电隐私得不到保障且使用体验差，严重制约了共享充电市场的发展[3-4]。因此，社会对于构建安全高效的电动汽车共享充电桩管理系统十分迫切。

共享经济指通过付出一定的报酬，获得某种资源的暂时使用权，共享经济能够有效提升资源的利用率[5-6]。传统的共享系统采用数据中心化管理，无法保障用户的隐私安全，将区块链技术与充电桩共享相结合，成为共享充电市场的服务创新的关键。

目前，国内外已开展将区块链技术应用于共享充电领域的研究。文献[7]结合了雷电网络和共识机制，构建了区块链共享充电环境；文献[8]将区块链技术应用于用户与共享市场之间的价格博弈，形成了高效实时的交易竞价体系；文献[9]提出了用户隐私保护机制，能够有效地避免用户共享充电时产生的信息泄露；文献[10]综合分析了区块链在共享充电领域应用的可行性。上述文献对区块链技术的应用停留在对理论层面的验证上，对于现实中的共享充电桩系统的设计与改进较少，未能真正实现将区块链技术与共享充电理念的深度融合。

本文提出基于能源区块链的电动汽车充电桩共享充电桩管理系统。采用充电联盟链算法对用户数据进行去中心的加密与保护，实现共享充电桩系统整体的数据安全可靠性。在考虑用户、充电桩运营商和管理商的需求下，建立能源区块链的电动汽车共享充电桩管理模型，达成对共享充电桩资源配置的最优化。试验结果表明，结合能源区块链技术能有效提升电动车共享充电桩管理系统的可靠性，优化资源配置。

1 能源区块链技术与电动车共享充电桩

1.1 能源区块链技术

为了保障能源系统中交易数据的去中心化与安全可靠，将区块链技术应用于存储用户交易信息，使用户交易时拥有高度的自主权与隐私保护[11-12]。区块链技术在能源领域具有巨大的应用潜力，契合了用户重视个人隐私与需要更便利服务的需求。

能源区块链技术的本质就是消除整个能源交易过程中对第三方的依赖，实现点对点的用户与市场之间的公正交易，降低数据泄露风险与交易成本[13-14]。基于智能合约的能源区块链交易系统，能够合理规划能源配置，实现能源调度最优化[15-16]。

1.2 能源区块链应用于电动车共享充电桩的可能性分析

电动车共享充电桩能缓解当前电动车充电基础设施建设不足问题，节约建设电动车配套设施的资金，实现社会资本最优化配置。目前，一般采用中心化的管理模式对共享充电桩用户信息进行存储管理，导致充电服务存在信息孤岛[17]。由于用户隐私得不到保护，对运营商产生信任壁垒，极大地降低用户使用共享充电桩频率[18]。各大共享充电桩运营商之间的数据相互独立、不公开，直接造成共享充电桩资源配置的不合理的现象。

通过将区块链技术中激励机制、智能合约和分布式共识等部分应用到共享充电桩管理中，能够避免用户的数据泄露及共享充电桩数据的共享，实现对共享充电桩的分布式、去中心化配置。考虑区块链技术在金融支付领域的突出表现，将其应用到电动车共享充电桩管理系统中，进一步保证用户交易数据的安全。

2 能源区块链

2.1 共享充电联盟链

为了保证共享充电领域的用户数据安全性，同时使各大运营商的商业机密数据保持私密性，提出部分去中心化的共享充电联盟链概念。通过共享充电联盟链对整个共享充电过程中的各主体进行分类，划分为联盟节点与普通节点。

联盟节点一般是指各大充电桩运营商，具有极高的系统权限。联盟节点可以根据共识算法记录用户共享充电交易数据，并实时更新与验证数据。通过交易数据正确性验证后，将信息记录到区块链网络中，任何节点都无法对数据进行篡改，确保充电交易数据一致性。普通节点主要指各共享充电用户，产生数据的同时不直接参与数据记录与共识过程。普通节点查看交易数据需要向联盟节点发起申请，联盟节点对其身份进行验证后，分配相应的权限，保障了用户信息的安全性。

采用共享充电联盟链作为共享充电桩管理系统的底层框架，能够有效保护交易数据隐私。联盟链中的普通节点通过身份验证后，才能参与数据共识过程，保证了各节点的信任度。同时，基于共享充电联盟系统拥有自身的区块链账本，通过处理计算当前每笔交易的已知状态，能够提供可验证且不变的数据存储和合同。这种基于区块链的收费系统改变了传统能源市场支付机制，从广义上真正实现了点对点交易。

2.2 K-匿名性

为了实现对共享充电用户隐私保护，采用K-匿名性的隐私保护方法。假设有k个用户，且各个用户身份是可以区分的，其匿名程度取决于匿名组中的k值和系统的共识程度。在实际中，使用K匿名方法需要一个受信任的临时中心管理隐私服务器。隐私服务器可以修改数据，并通过相应的操作指令避免隐私泄露。由K-匿名性提供的隐私保护划分匿名等级，通过信息熵描述匿名组中的用户匿名性，该模型的信息熵为：

式中：H（x）——该模型熵值；pi——识别到第i个用户的概率。当k个用户都具有相同的概率被识别到时，该模型达到其最大的信息熵HM：

攻击者可以通过攻击此匿名集获得信息d：

对d进行归一化处理，匿名度m定义为：

匿名度m表示匿名模型的匿名化级别，值范围为0～1。当一个匿名模型中的用户以p=1的概率被识别，则匿名模型的匿名度为0；所有用户具有相同的被识别概率p=1/k，模型具有最大的匿名度，实现对用户充电信息的去中心化管理。

3 基于能源区块链的电动汽车充电桩共享系统框架与模型

3.1 系统总体框架

基于能源区块链的电动车共享充电桩管理系统是一个拥有区块链主网的联盟链，用于为共享充电服务提供技术管理，将更多区块链子网并入系统中。用户通过安装应用端，将个人信息上传到该系统的区块链子网中，各用户拥有唯一的应用端标识，并将其作为自身的公钥。通过应用程序服务器创建并启动加密数据程序，对数据进行加密处理。数据经联盟节点验证后，服务器创建相应的子网组，将与共享充电服务相关的交易数据在组内进行共享。

在基于能源区块链的电动车共享充电桩管理系统中，通过子网分离主网，保障了隐私组成员的匿名性。由于数据匿名化，交易事物不显示任何私有用户的信息。

为了管理信用共享，小组成员需要遵守相关政策或规则，对信用状态的监控将取决于用户之间的协议以及协议的当前状态。将所有访问和使用事件记录在共享账本中，通过网桥进行共享。

系统信息总体框架如图1所示。

图1 系统总体框架

3.2 系统动态管理模型

将整个能源区块链的电动车共享充电桩管理系统模型分为两个部分，即面向用户数据保存与运营商管理两个层面。

（1）用户APP初始化模型。

新用户首先需要注册成为基于能源区块链的电动车共享充电桩管理系统的会员，才能享受到该系统的服务。基于共享经济的运营模式，用户需要绑定网上钱包，同时用户的所有信息都将经过验证并存储到数据库中。用户所有的交易行为都经由区块链系统产生一个M值，用以加密并记录本次行为。

用户初始化动态模型如图2所示。

图2 用户初始化动态模型

其中，M值是区块链系统为用户本次行为分配的一个独有的标识码。

（2）充电桩运营商管理模型。

运营商通过分析数据库中用户的交易信息，对充电桩资源进行重新分配，并将操作结果记录到数据库中。同时，运营商也需要绑定网上钱包，所有相关信息将被保存到数据库中，并允许所有用户与其他运营商查看可公开的信息。

运营商管理动态模型如图3所示。

图3 运营商管理动态模型

4 试验验证

4.1 方案设计

将区块链网络作为交易双方信赖的第三方担保，采用闪电网络系统确保资金和支付操作的安全。通过在闪电网络系统中进行大量的交易，能够监控整个交易过程并安全存储数据，提升区块链的处理能力和存储效率。结合区块链中的智能合约技术，把数据映射到基于大数据云平台上，实现对共享智能充电桩智能管以及基于数据驱动的技术增值。

为了对用户数据进行有效管理和存储，基于能源区块链的电动车共享充电桩管理系统采用主流的基于大数据云平台架构。在该系统中，各共享充电用户与运营商管理员都必须以真实身份进行注册并绑定网上钱包。共享充电用户及运营商之间就共享充电桩使用权的转移，形成基于智能合约的区块链网络交易。在交易过程中，用户与充电桩运营商应该遵守各交易条款，保证在区块链网络中各自的账号信息公开透明。由于区块链系统对所有用户的数据都采用K-匿名性方式进行加密，为了避免交易信息的不可追溯性，需要对交易密钥进行云存储。

交易流程如图4所示。

图4 共享充电桩交易流程

4.2 智能合约驱动的充电桩共享

传统的线上交易对用户数据的保存具有较大安全隐患，采用基于能源区块链的共享充电桩管理系统，能够保证用户共享充电桩间交易数据的安全可信性。

基于哈希算法的不可逆性，区块链网络可以通过用户的交易行为产生密钥R。由哈希函数变化可以通过R计算出哈希值H（R），但任何第三者无法通过H（R）反推出R。为了保证共享充电用户交易信息的安全性和可靠性，构建了基于哈希算法的共享充电智能合约。

共享充电智能合约可以分为4个步骤：

（1）在基于能源区块链的共享充电桩管理系统中，充电桩主A根据共享充电桩所能提供的电量，生成相关的密钥R，并将H（R）发送给用户D，将R保存在区块链网络中。

（2）通过运营商D的中转，在用户D和运营商A之间建立了间接的支付网络途径。

（3）用户D使用共享充电桩A的行为有多方的参与，各方根据相应的条件与期限产生密钥。通过在系统中采用密钥代替数据传递交易信息，保证数据的安全性。

（4）用户D利用接收到的H（R）后来验证R，如验证通过，进行充电操作。

共享充电用户每次充电完毕后，区块链网络系统都会保存交易记录并计算剩余的充电次数。一旦用户使用完规定的充电次数后，区块链网络就会自动计算费用并将账单提交给用户。用户需要按照账单完成转账支付后，才可以继续使用该系统。电动车主D使用运营商D所经营的充电桩，资金链节点费用依次为49.15、48.56、41.20元，节点费用之间的金额差为各节点收取的服务费。同时，该系统中的各参与方（除电动车主）的资金到账具有时间期限，各节点期限分别为48、24、3 h。通过设置时间差期限，促使各参与方对交易信息的有效性进行验证，保证系统智能化执行。

基于哈希算法的共享充电智能合约如图5所示。

图5 基于哈希算法的共享充电智能合约

5 结语

区块链技术天然的去中心化、可溯源、无法篡改的特性，可以用于建立无须第三方担保的可信任价值转移系统、以联盟链为底层技术的电动汽车充电桩共享系统，联盟链的准入机制保证了参与记账的多方可信任，高效的PBFT共识机制保证了交易处理速度满足实际需求。通过智能合约实现充电结束自动结算电费，保证了充电费用公平无差错。此外，将充电交易记录在联盟链上，只有联盟节点才有权查看，保证了用户交易隐私。本文提出基于能源区块链的电动车共享充电桩管理系统，经过测试可以满足电动汽车日常充电需求，切实解决电动车用户充电隐私泄露与充电桩资源配置问题，为后续工作中对电动车共享充电问题的研究提供了参考。