基于区块链技术的充电桩运维系统研究

梁钦赐

（国网福建省电力有限公司泉州供电公司，福建 泉州 362000）

电动汽车已经成为汽车行业发展的必然趋势，对电动汽车来说，充电桩是其动力来源，也是保证其稳定运行的基础设施。充电桩运维系统涵盖内容较广，主要包括运行情况实时监测、计量精度监测、同配售电机构间的结算管理以及同监管部门间的数据报备等，涉及多方利益主体。因此建立一个灵活、稳定、低成本以及透明化的管理系统十分必要。随着信息技术的飞速发展，许多先进技术方法被应用于充电桩运维系统中，例如软件模块化设计、曼哈顿距离法、优化架构设计以及优化充电模式等[1]，虽然上述技术方法均在一定程度上解决运维系统存在的相关问题，但是其采用的均为传统管理模式，具有中心化特点。现如今电动汽车逐渐得到了人们的广泛应用，对充电桩管理水平的要求也在不断提高。基于此，该文对基于区块链技术的充电运维系统展开分析。

1 区块链原理概述

1.1 区块链数据结构分析

从狭义层面进行分析，区块链主要为根据时间流程通过殊勋连接方式由数据区块组成的一种数据结构，具有链式特点，具备密码学特征，可以避免被篡改和改造，也是分布式账本的一种类型。从广义层面进行分析，区块链能够通过块链式数据结构对数据进行存储和验证，在分布式节点共识算法的作用下，工作人员能够便捷地完成数据的生成和更新工作；另外，在密码学模式的辅助作用下，能够确保数据传输和访问的安全性，因此该结构是通过智能合约进行展开操作和编程的分布式基础结构。

区块链中区块的基本数据单元如图1所示。各区块的主要组成部分包括父区块哈希值、时间戳、默克尔根以及加密数据，哈希值属于固定字符串的一种，在区块链数据和散列算法的结合下诞生，该算法的特点是能够确保区块链中哈希值的唯一性，实现对各区块的有效标识，全部节点均可以通过哈希运算对值数的准确性进行验证，并查看区块内容是否被更改。另外各区块中均存在主动哈希值，它们互相联系，保证区块之间的串联性，进而形成区块链[2]。默克尔根属于根哈希值的一种，由全部区块数据信息组成，也是一种哈希二叉树的数值，区块头需要具备根哈希值，但是并不需要将所有数据封装，因此也适用于功耗较低的移动设备；除此之外，它还能够对非完整区块链网络节点的运行状态进行实时检验。

图1 区块的基本数据单元图

1.2 数字签名

通过以上结构分析可知，区块链具有数据链式存储和传输的特点；另外，为了确保其安全需求以及所有权验证需求得到满足，需要采取一些先进方法对数据进行加密处理，例如RSA、ECC和Rabin等，首先需要对其中一个密钥进行加密处理才可以解开对应密钥，该模式在区块链技术中被称为数字签名，对整个系统进行分析，全部数据节点均需要具备公钥和私钥，在数据传输阶段，通过私钥完成签名处理。在对其他节点进行接收的过程中，需要对签名进行验证，另外还需要检测数据的完整性和合理性，通过检验后就可以认可数据。

1.3 共识机制

对区块链系统来说，其节点具备良好的数据存储作用，共识机制的主要作用便是保证存储数据的全面性和准确性。因此区块链系统具备下述4个特点：1） 去中心化。主要指所有节点的平等性、传送、接收以及存储等工作均对等，因此是透明、公平的，具有较高的可信度。2） 无法篡改。因为节点均具备良好的数据存储和维护作用，所以在验证的作用下得到共识进入系统，系统可以充分发挥哈希函数单向性的优势以及数字签名安全性的特点，确保防伪认证功能以及共识机制具备一定的容错性，保证各节点无法被篡改。3） 可追溯性。区块链数据结构中具备时间戳和链式数据，能够保证数据时间维度的准确性，为检索数据全部变更过程提供了巨大的便利。4） 可靠性。系统中全部节点均对等地维护数据并参与全部共识，如果某一节点发生故障并不会影响整个系统的稳定运行状态。并且系统使用非对称密码学实现对敏感数据的全面加密，具备权限的节点方可进行访问，进一步强化数据的安全性[3]。

2 基于区块链的充电桩运维系统分析

2.1 场景概述

电动汽车充电桩运维系统主要由充电桩、充电站、检测箱、检测机构、配电公司以及运维管理部门等构成。系统特点包括以下3个方面：1） 具有极高的分散性。多数情况下，充电桩需要结合人口密度、交通情况等因素合理地在城市区域内分布，部分区域充电桩的数量较少，采取集中式管理方法进行管理就会比较困难。2） 主体繁多。充电桩、配电站、运维部门和检测部门均为多边利益主体，因此建立保证多方利益平衡性的有效平台具有一定的难度。3） 可信性。系统涵盖的利益主体较多，只有保证彼此信任才能推动系统的稳定运行。例如检测机构和充电方的互相信任关系与充电、用电结算息息相关，运维部门和监管部门的互相信任关系与数据分析、补贴落实关系密切。

通过对上述特点的分析，将区块链技术应用于运维系统具有以下3点优势：1） 在智能合约的作用下能够有效提高分布式管理水平。区块链技术的合理应用可以为系统提供稳定的自治管理系统，并且能够有效地降低成本，智能合约通过将预定义的规则向区块链系统发出信号，明确其使用规则，确保数据以及交易的自治化管理。2） 并不需要依赖第三方就可以实现去中心化管理。对运维系统涉及的各个利益主体来说，在系统中全部节点均为对等的，因此可以保证传输、接收以及维护等数据交易工作的公正性，有效弥补了传统管理模式中存在的不足。3） 透明化以及高可信性。因为系统数据结构以及共识机制的特点，所以能够保证充电桩监测数据传输的公正性、透明性，并且保证其无法被篡改，具有可追溯性，为相关部门得到真实、全面的数据提供保障，规避“骗补”、计量缺乏准确性等问题发生[4]。

2.2 基于区块链的充电桩运维系统结构分析

通过上述分析可知区块链技术在运维系统中具有较高的使用价值，该文对基于区块链的充电桩运维系统结构展开分析。

2.2.1 链式选型

对区块链技术网络覆盖范围以及节点的相关特征进行分析，能够对其类型进行合理划分，可以分为公有、私有和联盟链。

公有链中最为典型的便是比特币，具有极高的开放性，不需要得到授权便可以随意进出系统。在多数情况下，通过数字加密和算法激励机制能够在相应的环境内建立一种共识，该共识具有非一致性的特点。由于系统允许匿名参加并且以PoW共识机制为基础，因此安全性以及运行效率存在许多问题，不适用于充电桩运维系统。

私有链系统与公有链不同，私有链具有封闭性的特点，多数情况下节点数量少，多应用于组织内部机制，节点之间具有极高的互信度，节点存在相关行为均需要通过组织方面的明确，Paxos等即时确认共识算法为该系统使用的主要算法，运行效率较高同时安全性更好，不足之处主要体现在系统结构固定、节点加入或退出程序比较复杂，因此对区域内充电桩、现场检测箱的灵活加入和退出来说较为困难，并不适用于充电桩运维系统[5]。

联盟链是在上述两者之间的一种新型结构，在多身份互相了解的组织中应用广泛，内部节点具备核心作用，外部节点的主要作用是提供和查询相应的信息，同公有链相比，该系统的运行效率更高，并且安全性更好，不需要代币激励机制，信息确认同步以及安全性方面均具有一定的优势。并且与私有链相比，联盟链的灵活性更好，为充电桩的灵活进入和退出提供了便利，因此联盟链适用于充电桩运维系统。

2.2.2 节点设置

对区块链系统来说，数据不但具备传输、加密、验证和存储的功能，同时还具备系统管理的功能。从理论层面分析，区块链系统中各网络节点具有平等性，具备的功能以及权限相同。但是根据运维系统各节点的运算能力、能耗以及使用特点合理地划分节点类型，主要分为安全节点和不完全节点。前者主要指标准规范的区块链节点，具备数据传输、接收、同步以及共识等功能。对基于区块链的充电桩运维系统来说，配电部门和监管部门属于完全节点。后者的主要作用是收集和传输数据，完成节点信息的收集工作后，只需要再存储相邻节点信息以及区块头信息，因此能够有效简化工作流程，但是并不具有维护、共识等作用。对整个系统进行分析，可以将检测箱、充电桩等作为不完全节点。

该系统是一种分布式对等系统，但是在实际应用过程中仍存在一定需要解决的问题，例如外界攻击、故障问题等，工作人员需要加以重视。

2.2.3 PBFT共识机制

PoW类共识算法的关键理念为记账权的节点竞争，各批次的记账均具有一个难题，只有通过挖掘难题的节点才能保证区块的有效性，也就是“挖矿”。通过对该算法的有效应用能够有效降低成本，只需要确保一半以上节点的安全性便能够通过计算力保证区块链的一致性。但是该机制需要依托大量的计算力，会耗费较多的电能，处理速率较低，并不适用于充电桩运维系统。实用拜占庭容错属于一种异步网络公式算法，具备良好的容错能力，能够提高区块链系统的响应速率，可靠性较好，因此可应用于充电桩运维系统中，通过共识算法完成节点共识。共识过程如图2所示。

图2 PBFT执行过程

其技术原理包括以下4点：1） 主节点通过联盟其他节点收集交易数据，重新整合形成全新的交易区块，之后通过私钥对新交易区块进行数字签名和验证，如公式（1）所示。主节点吊线需要启动视图更换。2） 通过节点收到主节点广播带来的交易区块后，首先需要对区块头中的哈希值和数字签名等进行验证，明确区块中交易的合法性和准确性。完成炎症后，在节点验证结果附上自己的数字签名，通过P2P网络广播至其他节点，进而在节点间对新区块进行共同炎症，保证新区块的准确性与合法性。3） 如果某一节点接收到其他节点广播的新区块验证结果，将其与自身对新区块的验证结果进行比较，得到审计对比结论。从节点会将自身对新区块的审计结果、接收到的审计结果和对比得出的结论打包为一个回复（Reply），附上数字签名，传输至主节点。4） 主节点对节点传输过来的不同审计结果所采取的操作不同。如果全部节点认可目前交易区块，主节点将全部参与该交易区块的从节点的数字证书和签名附在该交易区块上，打包广播内全部从节点，从节点接收该数据区块，与数据同步，根据时间的顺序与联盟链连接。

式中：P为节点编号；V为视图编号；R为节点数量。

2.3 系统功能结构分析

系统功能结构主要包括服务层、管理层以及数据结构层。

服务层能够为功能侧、区块链侧以及通信侧提供相关服务。功能侧的主要作用是实现系统的基本功能，例如实时监测、现场检测以及配电管理等；区块链侧的主要作用是提供核心服务，例如账户管理、共识机制以及密钥管理等；通信侧的主要功能是现场实时通信、远程实时通信以及路由管理等。另外通信侧还负责新节点的相关工作，例如充电桩和检测箱的接入管理。

管理层提供的服务主要包括以下6个：1） 充电桩与检测箱注册管理。2） 不同节点和不同业务的授权和认证管理。3） 同智能电网、电动汽车区块链之间的跨区管理。4） 充电、维护保障和检定交易管理。5） 充电桩和配电部门之间的结算管理。6） 充电桩和运维部门与监管部门间的补贴管理。

数据接口层的主要作用是提供桌面客户端、移动客户端等相关服务端口，为数据的研发提供使用程序接口，同时能够为数据的推送、预警提供便利。桌面客户端可以根据场景的差异合理划分充电桩检测装置平台，其主要平台类型为管理平台、结算平台、补贴平台以及负荷监测平台等。

通过上述分析可知，实现区块链技术和运维系统的有效融合具有极高的使用价值，其特点主要体现在分布式数据储存、链式数据结构、非对称加密高稳定性、无法篡改性以及可追溯等方面，保证数据和交易的自治化管理效能，为系统中各利益主体提供了高效、安全且稳定的去中心化管理模式。

3 结语

综上所述，电动汽车应用范围越来越广泛，对充电桩运维系统的要求不断提高，该文在对充电桩运维系统特点进行分析的基础上，详细阐述了区块链技术在运维系统中的应用价值，建立了以区块链技术为基础的充电桩运维系统，并对系统结构、功能进行分析，构建一种去中心化管理模式。区块链技术具备的去中心化分布协同模式与充电桩运维系统的特点可以完美地契合，因此将区块链技术应用于充电桩运维系统有助于提高系统的实用性、安全性和稳定性。相关技术人员仍需要加大研究力度，完善细节，优化系统结构。