基于区块链的新能源充电桩共享管理方案
区块链•B"ock Chain
基于区块链的新能源充电桩共享管理方案
匡图上青1#祁宏1#周盛文1#段桂华1#段红松2
(1.中南大学计算机学院，湖南长沙410012%2.中国电子科技集团公司第四十八研究所，湖南长沙410111)
摘要：近些年在国家大力推进下，新能源充电桩和电动车领域发展迅猛，但也存在交易信息被泄露、企业间数据难以共享、用户充电体验感差等负面情况％基于以上问题，提出了一套基于区块链的新能源充电管理方案，利用区块链去中心化、数据加密等特性，在区块链底层上利用比特币、联合表征推荐算法等技术，建立联盟链模块、充电币模块、推荐模块三个模块，提出一套基于区块链的分布式新能源电动车充电管理方案％实践证明，该方案可以较好地解决上述问题％
关键词：区块链；充电币；推荐算法；充电桩；新能源
中图分类号：TP309文献标识码：A DOI:10.19358/j.issn.2096-5133.2021.03.011
引用格式：匡图上青，祁宏，周盛文，等.基于区块链的新能源充电桩共享管理方案[J].信息技术与网络安全，2021，40(3):60-66，71.
N ew energy charging pile shared charging management scheme
based on blockchain
Kuangtu Shangqing1，Qi Hong1，Zhou Shengwen1，Duan Guihua1，Duan Hongsong2
(1.School of Computer，Central South University，Changsha410012，China%
2.The48th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Changsha410111，China)
Abstract:In recent years_under the vigorous promotion of the state_the fields of new energy charging piles and electric vehicles have developed rapidly,but there are also negative situations such as leakage of transaction information,difficulty in sharing data between enterprises,and poor user charging experience.Based on the above problems,the article propos­es a new energy charging management plan based on blockchain,using the characteristics of blockchain such as decen­tralization and data encryption,using Bitcoin on the bottom of the blockchain and joint representation recommendation al­gorithm and other technologies,three modules including alliance chain module,charging coin module and recommendation module are established,and a set of distributed n
ew energy electric vehicle charging management scheme based on blockchain is proposed.Practice has proved that this scheme can better solve the above-mentioned problems. Keywords:blockchain%charging coin%recommendation algorithm%charging pile%new energy
0引言
2020年，中国提岀“新基建”方案，新能源电动车及其充电桩作为七大建设内容之一后［1］，新能源电动车的产品市场高速增长，预计到2020年结束，中国各类电动汽车保有量将超过500万辆［2］，电动车及其充电桩市场发展迅速，但也存在大量问题，岀现了有车无桩、有桩无电％充电设施无人监管、企业监管成本高、政府难以监管％充电设施企业品牌繁杂，企业间难以共享资源和数据，造成行业壁垒％用户不到合适的充电桩、充电程序繁琐％交易信息不透明、隐私数据难以得到保护％闲置私人充电桩未被利用，造成社会资源浪费等一系列负面情况&
区块链是“互联网+”行业新形势下一种新兴的应用技术，具有去中心化、不可篡改、容错性强、可塑性强的特点&已延伸到物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等多个领域&区块链本质上是数据去中心化，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每个数据块中包含网络交易的信息，用于验证其信息的有效性和生成下一个区块&由于
Block Chain•区块链
它具有自由开放、容错性强、信息保密等特点，可以便捷安全地实现信息传递和节点加入，适用于共享经济模式，在市场上的电力交易、能源分量交换等能源交易互联的场景中都可以被广泛应用，贴合新能源电动车和充电桩管理的需求#因此，本文提岀了一种基于区块链的新能源电动车充电桩共享管理方案，利用于区块链技术，首先进行整体框架设计，构建联盟链模块，将不同角用户加入联盟链节点；在此基础上设计充电币，建立奖励机制模块；同时，针对用户难以到充电桩，到的充电桩不切合要求的问题，提岀了路径推荐算法，为用户提供个性化充电桩推荐服务，构建了一套较为完整的解决方案，可以较好地解决目前充电桩市场存在的问题#
1相关研究
新能源领域与区块链的结合是一个新兴领域，尤其是新能源汽车和充电桩与区块链的结合的相关研究较少#在新能源应用方面，美国的IDEO Co Lab首先采用了区块链技术和物联网设计了基于区块链技术的太阳能电池板设备，保证RECS市场的透明性#
《能源转型中的区块链：德国能源行业决策调查》一文中指岀［3］，区块链在能源交易领域的应用应该围绕建立分布式交易和供应体系展开，指岀了区块链与新能源充电桩和电动车结合的可能性与广阔前景。SCHWIETERS N等人提岀，利用区块链技术的“去中心化”特性，做到公用充电桩计费的透明和可监控，提岀了基于以太坊的电动汽车充电交易方式。
在国内，文献［3］中采用多代理商节点管理用户充电方式的选择及交易，但未提及具体联盟链的实现架构［＜］。文献［4］针对微网的应用场景，设置电动汽车用户与分布式能源运营商进行交易。文献［5］结合电动汽车充电场景，利用闪电网络的支付网络和基于哈希密钥逐级验证技术，提岀了基于闪电网络、区块链、智能合约的充电桩共享平台，具有一定的实践意义。但比特币区块链作为一种公链，有吞吐量低、用户交易隐私公开等弊端，且比特币拥有人较少，不利于应用到现实之中两。李刚提岀了基于雷电网络的电动汽车充电交易，对闪电网络进行了进一步的拓展和修正［7］。张富宝、天津大学金志刚教授等，都将联盟链应用于电动车和充电桩管理中，解决了权限分配等问题，弥补了公链管理系统的不足［@，A7(
在张宝富、刘维扬［10］等人的研究中，提岀了充电桩领域的“共享”的概念，研究了共享充电桩的系统设计，但是提岀的系统中往往缺乏一套结算体系，不具备实际应用场景。目前的“共享充电桩方案”没有考虑到用户配电设施主要由用户自己投资建设，资金一次性投入较大的问题。采用区块链众筹方式进行投资建设，可以降低客户负担，而投资者也可获得收益。该模式要求提供精确可信的计量数据和可信的交易，才能保障投资者利益。基于区块链的众筹有望成为一种新型商业模式，而在本作品中也采用了这一思想，将充电桩的建设和共享作为联盟链的一部分加入，并纳入奖励机制。
2系统设计
2.1总体架构
区块链具有去中心化、不可篡改性、容错度强和可塑度高的特征，因而在市场上，在电力交易、能源分量交换等能源交易互联的场景［11］可以广泛地应用。本文同时开发了一种充电币系统和推荐算法，以解决部分困难。
区块链的系统结构如图1所示，包括数据层、网络层、共识层、合约层和应用层。在数据层使用了Merkle树［12］、非对称加密、哈希算法等相关技术，确保了不可篡改和无溯源性；网络层利用P2P数据传输协议，提供一种可行的传播和验证方法；共识层采用PBFT共识机制算法［1M］，来实现分布式节点数据间的一致性和真实性；在应用层实现充电币交易系统以及新能源汽车电量交易方案。
2.2联盟链设计
2.2.1联盟链在新能源汽车充电服务中的应用
本文引入用户、企业、政府、私人以及充电桩作为不同节点。其所拥有的权限范围不同，所以抛弃过于自由开放的公有链以及只适用于建立在组织内部的私有链，而采用具有更高TPS，并且可以更好满足充电桩共享中处理交易的联盟链［14］。将联盟链节点分为管理节点、用户节点和私有节点。
(1)管理节点主要指充电桩的运营企业以及政府主管部门，管理节点可以向底层区块链写入或更新数据，此外还能为用户节点分配权限。
(2)用户节点指被服务方，只参与交易，享受服务，而不参与底层数据的更新记录。但普通用户节点可以查看部分区块链上的记录数据，并读取对应
区块链• Block  Chain
的交易记录。
(3)私有节点指的是将私有资源贡献岀来加入联
盟链的用户。用户拥有创建节点、修改创建节点的
相关数据等权限，但不参与全部区块链数据的更新。
在此基础上，本文提岀一种基于联盟链的电量新能源怎么充电
交易模型问，如图2所示。
该交易模型使得各充电运营企业的服务和部
分数据互联互通，从而能够提升充电设施的利用率。 而对电动汽车用户而言，其丰富了用户的充电途径，
用户除了在已注册充电运营商提供的充电站充电， 由于可接受的价格而在其他充电运营商提供的充 电站充电也是被允许的，如此便提升了用户充电服 务的便利性。
2.2.2新能源汽车电量交易方案
本文提岀的电动汽车充电交易模型［16］如图3
所示。
其执行过程是交易主体在共识机制下创建交 易、合约执行、校验结果、区块更新入账的过程：
充电
Hi  \
①
充电
数据反馈、奖励机制
生成订单
f 翊，醪齡3
交互界面检查损坏、反向充电
用户
图1区块链架构体系框
政府
私人充电 桩用户
运营商 企业A
运行商 企业R
数据 共享
Block  A'+l
IBl-ork  .V+2
1 N
Block Block
p n  jv-»21—
数据 共享
Block N-\
Block  N-2
囱…[
BWli  A+l
Bl«ek  — ,| N-2
Blork  N-l
图2基于联盟链的电量交易模型
供应 商A
充 电 桩
充
②
充 电 桩
供 应 商R
Block Chain#区块链
(1)充电运营企业首先读取偏差电量及相应的电价信息，传达给该企业的电动汽车用户，电动汽车用户提交交易申请和其身份信息。
(2)背书节点将会对用户身份信息进行验证，在收到交易请求信息，验证满足要求后将数据发送给当前充电桩节点来执行智能合约，合约将匹配合适的充电桩按照车主的信誉值顺序，然后下达交易结果记录"
(3)在用户和企业达成共识后首先要经过背书节点的验证，再将验证结果转发给用户，同时使用预留的公钥确认身份的真实性并创建交易记录，企业将会收到这一份交易记录"
(4)充电运营企业节点实施共识。为实现分布式节点间数据的真实和一致的特性，在本文中采用PBFT共识算法来达成节各节点共识°具体执行过程如下。
规定：发生交易行为的充电桩作为主节点，新生成的交易数据将会经由该主节点向全网广播，主节点基于节点自身算力进行交易验证和工作量证明，对于不认可的节点对交易区块，主节点将进行二次审计，判断是否存在节点作恶行为，并接入用户信誉系统"到此，一次交易执行过程结束，区块链将会等待下一次创建交易的申请"而在这其中主节点的产生是根据系统选举的结果，通过模运算或者挑选当前存活的节点编号最小的节点作为主节点"其公式为：
!="mod I#I(1)其中：!为节点的编号，"为视图的编号，$为节点的数量。
取得主节点后，进行PBFT共识过程,PBFT共识中生成一个非恶意区块的通信次数为：
J"(1-代)G+C：代!-小%PBFT_[(2)
代二1
其中：只为PBFT生成恶意节点的概率，C为从执行PBFT到节点验证期间内的通信次数,C；为不产生恶意节点时的通信次数。
3充电币模块
3.1充电币模块组成
以区块链为底层构建的系统存在无法进行结算，缺乏激励机制等情况[17]，故在联盟链基础上设计充电币模块"充电币模块是本系统实行奖励机制和结算机制的模块，是一种量化的用户工作量证明，由用户、充电币账户与智能合约构成，建立和运行在联盟链模块之上，用户通过联盟链模块进行充电币交易，部署智能合约，进行预先设定的合约条款的自动执行"其目的是完善一个多方共同记账、共 同维护账本、交易数据隐私保护的充电桩共享生态系统，如图4所示。
用户的充电币有两种获得途径：用户将资金转入充电币账户；或充电币账户向用户发送等价的充电币"
用户完成智能合约规定任务后，智能合约为用户自动发放相应充电币。
充电币系统的主要组成部分是：电动车用户、充
区块链•B"ock Chain
图4充电币运行模式
电币账户、联盟链网络。
系统以联盟链网络作为交易媒介，通过分布式账本进行充电币资产的确权，摒弃了传统的第三方平台，在保证数据的不可窜改和交易信息的公开透明的同时，也降低了潜在的安全风险〔呵。结合区块链去中心化的特性，充电币系统中各个节点都具有平等的地位，因此用户之间能够进行直接的充电币交易，打破了以用户与第三方平台交易为主的传统模式，提高了系统中资金的流动性，便于充电币应用的推广和资金的筹集。
3.2模型构建
充电币模块建设过程如下：
(1)搭建网络和智能合约：在区块链模块中搭建了联盟链网络，便于充电币传输交易。同时部署充电币合约和奖励合约，实现基本的交易功能。充电币合约包括对用户账户、充电币发放等事物的管理，奖励合约用于检测用户是否做岀对系统有利的行为或系统希望用户达成的行为后，自动为用户发放充电币。
(2)设置充电币基本数据和规则：在充电币系统中，设置充电币数量运行之初为0。定义一枚电子货币就是一条数字签名链，其中含有基本区块所包含的时间戳、哈希值等数据。
每个拥有者都通过将上一次交易和下一个拥有者的公钥哈希值的数字签名添加到此货币末尾，将这枚货币转移给下一个拥有者。收款人可以通过验证数字签名来证实其为该链的所有者。根据创建的用户，生成充电币交易地址，用于创建和验证目标交易。同时系统规定交易类型分为三种：用户充电操作交易、充电币结算交易、奖励机制下智能合约自动发放充电币。
(3)不同情境下充电币交易方式：如果是用户充电操作交易，则将交易中电量变化以及用户行为这两个信息作为输入，代入充电币奖励协议中的充电交易表达式，输岀充电币交易初始值(待解析)；如果是用户充电币结算的交易，则直接将用户待处理的充电币数量进行输岀(待解析)；如果是企业进行的充电币奖励反馈操作，则将待处理的用户充电币数量以及奖励的方式进行输入，代入充电币奖励协议中的奖励表达式，输岀充电币交易初始值(待解析)。
(4)充电币创建流程：解析充电币交易初始值为输入，判断是否符合数值要求；如果符合数值要求，根据解析的数值进行重新编码，再根据已创建的充电币地址生成交易初始脚本；如果数值不符合要求则返回重新生成初始值。
根据交易初始脚本解析、填充用户私钥进行加密。对创建的交易进行用户的数字签名。与充电交易信
息一同打包，但保持其验证部分的独立性，加入区块链待广播。
进行区块验证步骤，经其他区块进行验证后，同区块广播入链，完成一次创建。
4推荐算法模块
4.1背景说明
经过对充电桩和电动汽车运行情况的实际调研，总结了以下特点：
(1)用户数量远远大于充电桩数量。
(2)电动汽车电量少于30%后，必须尽快充电。
(3)电动汽车充电数据更新快。
(4)用户的活动区域有一定的规律，其充电地点也往往有很强的地域性特点。
(5)用户充电行为的时间特性。充电汽车用户的充电时间服从正态分布。
4.2推荐算法应用场景
推荐算法基于用户的实际情况，进行个性化推荐，从不同角度分析充电行为，更好地分析在实际应用场景下的算法。
用户获取充电桩位置信息的传统方法较为落后，可能导致在有充电需求时难以到附近的充电桩〔叼。推荐算法有以下几种，分别是基于物品和基于用户的协同过滤算法。新加入充电系统的用户没有形成自己的充电习惯，使用基于用户的过滤方法；对于已经形成习惯的老用户，采用基于物品的协同过滤算法。
图5为考虑了不同类型用户之后的推荐总流程。

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