基于區(qū)塊鏈技術的充電樁運維系統(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）

電動汽車已經(jīng)成為汽車行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，對電動汽車來說，充電樁是其動力來源，也是保證其穩(wěn)定運行的基礎設施。充電樁運維系統(tǒng)涵蓋內容較廣，主要包括運行情況實時監(jiān)測、計量精度監(jiān)測、同配售電機構間的結算管理以及同監(jiān)管部門間的數(shù)據(jù)報備等，涉及多方利益主體。因此建立一個靈活、穩(wěn)定、低成本以及透明化的管理系統(tǒng)十分必要。隨著信息技術的飛速發(fā)展，許多先進技術方法被應用于充電樁運維系統(tǒng)中，例如軟件模塊化設計、曼哈頓距離法、優(yōu)化架構設計以及優(yōu)化充電模式等[1]，雖然上述技術方法均在一定程度上解決運維系統(tǒng)存在的相關問題，但是其采用的均為傳統(tǒng)管理模式，具有中心化特點?，F(xiàn)如今電動汽車逐漸得到了人們的廣泛應用，對充電樁管理水平的要求也在不斷提高?；诖耍撐膶趨^(qū)塊鏈技術的充電運維系統(tǒng)展開分析。

1 區(qū)塊鏈原理概述

1.1 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結構分析

從狹義層面進行分析，區(qū)塊鏈主要為根據(jù)時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)結構，具有鏈式特點，具備密碼學特征，可以避免被篡改和改造，也是分布式賬本的一種類型。從廣義層面進行分析，區(qū)塊鏈能夠通過塊鏈式數(shù)據(jù)結構對數(shù)據(jù)進行存儲和驗證，在分布式節(jié)點共識算法的作用下，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，因此該結構是通過智能合約進行展開操作和編程的分布式基礎結構。

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)和散列算法的結合下誕生，該算法的特點是能夠確保區(qū)塊鏈中哈希值的唯一性，實現(xiàn)對各區(qū)塊的有效標識，全部節(jié)點均可以通過哈希運算對值數(shù)的準確性進行驗證，并查看區(qū)塊內容是否被更改。另外各區(qū)塊中均存在主動哈希值，它們互相聯(lián)系，保證區(qū)塊之間的串聯(lián)性，進而形成區(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設備；除此之外，它還能夠對非完整區(qū)塊鏈網(wǎng)絡節(jié)點的運行狀態(tài)進行實時檢驗。

圖1 區(qū)塊的基本數(shù)據(jù)單元圖

1.2 數(shù)字簽名

通過以上結構分析可知，區(qū)塊鏈具有數(shù)據(jù)鏈式存儲和傳輸?shù)奶攸c；另外，為了確保其安全需求以及所有權驗證需求得到滿足，需要采取一些先進方法對數(shù)據(jù)進行加密處理，例如RSA、ECC和Rabin等，首先需要對其中一個密鑰進行加密處理才可以解開對應密鑰，該模式在區(qū)塊鏈技術中被稱為數(shù)字簽名，對整個系統(tǒng)進行分析，全部數(shù)據(jù)節(jié)點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。在對其他節(jié)點進行接收的過程中，需要對簽名進行驗證，另外還需要檢測數(shù)據(jù)的完整性和合理性，通過檢驗后就可以認可數(shù)據(jù)。

1.3 共識機制

對區(qū)塊鏈系統(tǒng)來說，其節(jié)點具備良好的數(shù)據(jù)存儲作用，共識機制的主要作用便是保證存儲數(shù)據(jù)的全面性和準確性。因此區(qū)塊鏈系統(tǒng)具備下述4個特點：1） 去中心化。主要指所有節(jié)點的平等性、傳送、接收以及存儲等工作均對等，因此是透明、公平的，具有較高的可信度。2） 無法篡改。因為節(jié)點均具備良好的數(shù)據(jù)存儲和維護作用，所以在驗證的作用下得到共識進入系統(tǒng)，系統(tǒng)可以充分發(fā)揮哈希函數(shù)單向性的優(yōu)勢以及數(shù)字簽名安全性的特點，確保防偽認證功能以及共識機制具備一定的容錯性，保證各節(jié)點無法被篡改。3） 可追溯性。區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)結構中具備時間戳和鏈式數(shù)據(jù)，能夠保證數(shù)據(jù)時間維度的準確性，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)點均對等地維護數(shù)據(jù)并參與全部共識，如果某一節(jié)點發(fā)生故障并不會影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運行狀態(tài)。并且系統(tǒng)使用非對稱密碼學實現(xiàn)對敏感數(shù)據(jù)的全面加密，具備權限的節(jié)點方可進行訪問，進一步強化數(shù)據(jù)的安全性[3]。

2 基于區(qū)塊鏈的充電樁運維系統(tǒng)分析

2.1 場景概述

電動汽車充電樁運維系統(tǒng)主要由充電樁、充電站、檢測箱、檢測機構、配電公司以及運維管理部門等構成。系統(tǒng)特點包括以下3個方面：1） 具有極高的分散性。多數(shù)情況下，充電樁需要結合人口密度、交通情況等因素合理地在城市區(qū)域內分布，部分區(qū)域充電樁的數(shù)量較少，采取集中式管理方法進行管理就會比較困難。2） 主體繁多。充電樁、配電站、運維部門和檢測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系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。例如檢測機構和充電方的互相信任關系與充電、用電結算息息相關，運維部門和監(jiān)管部門的互相信任關系與數(shù)據(jù)分析、補貼落實關系密切。

通過對上述特點的分析，將區(qū)塊鏈技術應用于運維系統(tǒng)具有以下3點優(yōu)勢：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)塊鏈技術的合理應用可以為系統(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，智能合約通過將預定義的規(guī)則向區(qū)塊鏈系統(tǒng)發(fā)出信號，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現(xiàn)去中心化管理。對運維系統(tǒng)涉及的各個利益主體來說，在系統(tǒng)中全部節(jié)點均為對等的，因此可以保證傳輸、接收以及維護等數(shù)據(jù)交易工作的公正性，有效彌補了傳統(tǒng)管理模式中存在的不足。3） 透明化以及高可信性。因為系統(tǒng)數(shù)據(jù)結構以及共識機制的特點，所以能夠保證充電樁監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓?、透明性，并且保證其無法被篡改，具有可追溯性，為相關部門得到真實、全面的數(shù)據(jù)提供保障，規(guī)避“騙補”、計量缺乏準確性等問題發(fā)生[4]。

2.2 基于區(qū)塊鏈的充電樁運維系統(tǒng)結構分析

通過上述分析可知區(qū)塊鏈技術在運維系統(tǒng)中具有較高的使用價值，該文對基于區(qū)塊鏈的充電樁運維系統(tǒng)結構展開分析。

2.2.1 鏈式選型

對區(qū)塊鏈技術網(wǎng)絡覆蓋范圍以及節(jié)點的相關特征進行分析，能夠對其類型進行合理劃分，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，不需要得到授權便可以隨意進出系統(tǒng)。在多數(shù)情況下，通過數(shù)字加密和算法激勵機制能夠在相應的環(huán)境內建立一種共識，該共識具有非一致性的特點。由于系統(tǒng)允許匿名參加并且以PoW共識機制為基礎，因此安全性以及運行效率存在許多問題，不適用于充電樁運維系統(tǒng)。

私有鏈系統(tǒng)與公有鏈不同，私有鏈具有封閉性的特點，多數(shù)情況下節(jié)點數(shù)量少，多應用于組織內部機制，節(jié)點之間具有極高的互信度，節(jié)點存在相關行為均需要通過組織方面的明確，Paxos等即時確認共識算法為該系統(tǒng)使用的主要算法，運行效率較高同時安全性更好，不足之處主要體現(xiàn)在系統(tǒng)結構固定、節(jié)點加入或退出程序比較復雜，因此對區(qū)域內充電樁、現(xiàn)場檢測箱的靈活加入和退出來說較為困難，并不適用于充電樁運維系統(tǒng)[5]。

聯(lián)盟鏈是在上述兩者之間的一種新型結構，在多身份互相了解的組織中應用廣泛，內部節(jié)點具備核心作用，外部節(jié)點的主要作用是提供和查詢相應的信息，同公有鏈相比，該系統(tǒng)的運行效率更高，并且安全性更好，不需要代幣激勵機制，信息確認同步以及安全性方面均具有一定的優(yōu)勢。并且與私有鏈相比，聯(lián)盟鏈的靈活性更好，為充電樁的靈活進入和退出提供了便利，因此聯(lián)盟鏈適用于充電樁運維系統(tǒng)。

2.2.2 節(jié)點設置

對區(qū)塊鏈系統(tǒng)來說，數(shù)據(jù)不但具備傳輸、加密、驗證和存儲的功能，同時還具備系統(tǒng)管理的功能。從理論層面分析，區(qū)塊鏈系統(tǒng)中各網(wǎng)絡節(jié)點具有平等性，具備的功能以及權限相同。但是根據(jù)運維系統(tǒng)各節(jié)點的運算能力、能耗以及使用特點合理地劃分節(jié)點類型，主要分為安全節(jié)點和不完全節(jié)點。前者主要指標準規(guī)范的區(qū)塊鏈節(jié)點，具備數(shù)據(jù)傳輸、接收、同步以及共識等功能。對基于區(qū)塊鏈的充電樁運維系統(tǒng)來說，配電部門和監(jiān)管部門屬于完全節(jié)點。后者的主要作用是收集和傳輸數(shù)據(jù)，完成節(jié)點信息的收集工作后，只需要再存儲相鄰節(jié)點信息以及區(qū)塊頭信息，因此能夠有效簡化工作流程，但是并不具有維護、共識等作用。對整個系統(tǒng)進行分析，可以將檢測箱、充電樁等作為不完全節(jié)點。

該系統(tǒng)是一種分布式對等系統(tǒng)，但是在實際應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共識機制

PoW類共識算法的關鍵理念為記賬權的節(jié)點競爭，各批次的記賬均具有一個難題，只有通過挖掘難題的節(jié)點才能保證區(qū)塊的有效性，也就是“挖礦”。通過對該算法的有效應用能夠有效降低成本，只需要確保一半以上節(jié)點的安全性便能夠通過計算力保證區(qū)塊鏈的一致性。但是該機制需要依托大量的計算力，會耗費較多的電能，處理速率較低，并不適用于充電樁運維系統(tǒng)。實用拜占庭容錯屬于一種異步網(wǎng)絡公式算法，具備良好的容錯能力，能夠提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)的響應速率，可靠性較好，因此可應用于充電樁運維系統(tǒng)中，通過共識算法完成節(jié)點共識。共識過程如圖2所示。

圖2 PBFT執(zhí)行過程

其技術原理包括以下4點：1） 主節(jié)點通過聯(lián)盟其他節(jié)點收集交易數(shù)據(jù)，重新整合形成全新的交易區(qū)塊，之后通過私鑰對新交易區(qū)塊進行數(shù)字簽名和驗證，如公式（1）所示。主節(jié)點吊線需要啟動視圖更換。2） 通過節(jié)點收到主節(jié)點廣播帶來的交易區(qū)塊后，首先需要對區(qū)塊頭中的哈希值和數(shù)字簽名等進行驗證，明確區(qū)塊中交易的合法性和準確性。完成炎癥后，在節(jié)點驗證結果附上自己的數(shù)字簽名，通過P2P網(wǎng)絡廣播至其他節(jié)點，進而在節(jié)點間對新區(qū)塊進行共同炎癥，保證新區(qū)塊的準確性與合法性。3） 如果某一節(jié)點接收到其他節(jié)點廣播的新區(qū)塊驗證結果，將其與自身對新區(qū)塊的驗證結果進行比較，得到審計對比結論。從節(jié)點會將自身對新區(qū)塊的審計結果、接收到的審計結果和對比得出的結論打包為一個回復（Reply），附上數(shù)字簽名，傳輸至主節(jié)點。4） 主節(jié)點對節(jié)點傳輸過來的不同審計結果所采取的操作不同。如果全部節(jié)點認可目前交易區(qū)塊，主節(jié)點將全部參與該交易區(qū)塊的從節(jié)點的數(shù)字證書和簽名附在該交易區(qū)塊上，打包廣播內全部從節(jié)點，從節(jié)點接收該數(shù)據(jù)區(qū)塊，與數(shù)據(jù)同步，根據(jù)時間的順序與聯(lián)盟鏈連接。

式中：P為節(jié)點編號；V為視圖編號；R為節(jié)點數(shù)量。

2.3 系統(tǒng)功能結構分析

系統(tǒng)功能結構主要包括服務層、管理層以及數(shù)據(jù)結構層。

服務層能夠為功能側、區(qū)塊鏈側以及通信側提供相關服務。功能側的主要作用是實現(xiàn)系統(tǒng)的基本功能，例如實時監(jiān)測、現(xiàn)場檢測以及配電管理等；區(qū)塊鏈側的主要作用是提供核心服務，例如賬戶管理、共識機制以及密鑰管理等；通信側的主要功能是現(xiàn)場實時通信、遠程實時通信以及路由管理等。另外通信側還負責新節(jié)點的相關工作，例如充電樁和檢測箱的接入管理。

管理層提供的服務主要包括以下6個：1） 充電樁與檢測箱注冊管理。2） 不同節(jié)點和不同業(yè)務的授權和認證管理。3） 同智能電網(wǎng)、電動汽車區(qū)塊鏈之間的跨區(qū)管理。4） 充電、維護保障和檢定交易管理。5） 充電樁和配電部門之間的結算管理。6） 充電樁和運維部門與監(jiān)管部門間的補貼管理。

數(shù)據(jù)接口層的主要作用是提供桌面客戶端、移動客戶端等相關服務端口，為數(shù)據(jù)的研發(fā)提供使用程序接口，同時能夠為數(shù)據(jù)的推送、預警提供便利。桌面客戶端可以根據(jù)場景的差異合理劃分充電樁檢測裝置平臺，其主要平臺類型為管理平臺、結算平臺、補貼平臺以及負荷監(jiān)測平臺等。

通過上述分析可知，實現(xiàn)區(qū)塊鏈技術和運維系統(tǒng)的有效融合具有極高的使用價值，其特點主要體現(xiàn)在分布式數(shù)據(jù)儲存、鏈式數(shù)據(jù)結構、非對稱加密高穩(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 結語

綜上所述，電動汽車應用范圍越來越廣泛，對充電樁運維系統(tǒng)的要求不斷提高，該文在對充電樁運維系統(tǒng)特點進行分析的基礎上，詳細闡述了區(qū)塊鏈技術在運維系統(tǒng)中的應用價值，建立了以區(qū)塊鏈技術為基礎的充電樁運維系統(tǒng)，并對系統(tǒng)結構、功能進行分析，構建一種去中心化管理模式。區(qū)塊鏈技術具備的去中心化分布協(xié)同模式與充電樁運維系統(tǒng)的特點可以完美地契合，因此將區(qū)塊鏈技術應用于充電樁運維系統(tǒng)有助于提高系統(tǒng)的實用性、安全性和穩(wěn)定性。相關技術人員仍需要加大研究力度，完善細節(jié)，優(yōu)化系統(tǒng)結構。