基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁共享方案研究

0 引言

基于電池技術(shù)發(fā)展與國(guó)家政策支持，電動(dòng)汽車市場(chǎng)高質(zhì)量、快速發(fā)展，甚至局部地區(qū)出現(xiàn)集中、爆發(fā)式增長(zhǎng)，使得車樁需求缺口不斷擴(kuò)大

。為滿足電動(dòng)汽車充電樁使用需求，有必要對(duì)電動(dòng)汽車充電樁共享平臺(tái)及其方案進(jìn)行研究

。據(jù)此，基于區(qū)塊鏈技術(shù)分析，借助智能合約技術(shù)優(yōu)勢(shì)，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁共享方案，并對(duì)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁共享平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)提高充電樁共享方案可行性、經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性具有積極意義。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)

在2008年，中本聰發(fā)表了一篇與比特幣有關(guān)的論文，在此論文中首次出現(xiàn)了區(qū)塊鏈技術(shù)概念，此技術(shù)概念的出現(xiàn)導(dǎo)致很多人對(duì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)出現(xiàn)了顛覆性認(rèn)知

。區(qū)塊鏈技術(shù)的本質(zhì)屬于分布式記賬技術(shù)，是指分散用戶通過(guò)端節(jié)點(diǎn)連接在一起，將所用參與者都納入分布式數(shù)據(jù)庫(kù)中

。區(qū)塊鏈技術(shù)擁有多種特點(diǎn)，比如去中心化、鏈上數(shù)據(jù)無(wú)法修改、可查閱歷史數(shù)據(jù)、信息公開(kāi)透明等等。正因如此，憑借區(qū)塊鏈技術(shù)可以完成信任建設(shè)

。

供工作人員選擇的分類標(biāo)準(zhǔn)有很多，區(qū)塊鏈技術(shù)也如此。主流區(qū)塊鏈技術(shù)分類標(biāo)準(zhǔn)需要以服務(wù)對(duì)象為基礎(chǔ)，此分類標(biāo)準(zhǔn)可以將區(qū)塊鏈技術(shù)分為三類，分別是公有鏈(Public Blockchain)、私有鏈(Private Blockchain)以及聯(lián)盟鏈(Consortium Blockchain)

。其中，公有鏈系統(tǒng)主要應(yīng)用方向與領(lǐng)域包括虛擬貨幣、匿名交易、互聯(lián)網(wǎng)金融、全社會(huì)公共事業(yè)監(jiān)督等等；私有鏈系統(tǒng)主要用于防范內(nèi)部或外部攻擊，提高數(shù)據(jù)安全性，可根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際情況選擇具體運(yùn)行模式。聯(lián)盟鏈主要用于超級(jí)賬本(Hyperleder)與R3聯(lián)盟等等

。

1.2 智能合約

在1995年，美國(guó)密碼學(xué)家Nick Szabo提出了智能合約概念

。參考其本質(zhì)進(jìn)行分析可知，智能合約的內(nèi)核為code is law(代碼即法律)，借助代碼編寫制定計(jì)算化交易協(xié)議，確保合約內(nèi)容可以順利落實(shí)

。但是由于當(dāng)時(shí)相關(guān)技術(shù)并不成熟，導(dǎo)致此概念一直無(wú)法被廣泛應(yīng)用，其實(shí)際作用無(wú)法發(fā)揮出來(lái)。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)為智能合約普及提供了基礎(chǔ)，受區(qū)塊鏈技術(shù)自身特點(diǎn)影響，可以有效提高智能合約運(yùn)行安全性與可信性。同時(shí)，借助區(qū)塊鏈技術(shù)公共算法可以搭建配套系統(tǒng)，保證智能合約運(yùn)行效率。在應(yīng)用智能合約技術(shù)時(shí)，用戶需在用戶界面進(jìn)行相關(guān)操作，比如同意區(qū)塊鏈執(zhí)行代碼，包括在不同時(shí)間、不同條件下的各種操作信息。智能合約雙方不需要擔(dān)心會(huì)出現(xiàn)信息泄露、信息篡改等問(wèn)題，智能合約會(huì)定期進(jìn)行自我檢查，對(duì)各條件失去進(jìn)行驗(yàn)證，確保合約可以順利運(yùn)行。

2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車共享方案

基于區(qū)塊鏈的動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)監(jiān)控與共享系統(tǒng)共包括兩大組成部分，分別是監(jiān)控模塊硬件和軟件系統(tǒng)兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

根據(jù)潛在制造能力的定義，潛在制造能力體現(xiàn)了在生產(chǎn)約束條件下企業(yè)能夠進(jìn)一步擴(kuò)大的制造能力水平。影響潛在制造能力水平的影響因素眾多，假設(shè)影響潛在制造能力水平的影響因素描述為：(fp1,fp2，，fpi)，則按照以下步驟進(jìn)行潛在制造能力度量:

首先，模擬本系統(tǒng)的應(yīng)用場(chǎng)景：電池全生命周期管理者包括電池生產(chǎn)廠家、新能源汽車數(shù)據(jù)中心以及充電樁運(yùn)營(yíng)服務(wù)商等等，他們可以憑借電池診斷系統(tǒng)與電池包BMS完成通信。不同運(yùn)營(yíng)廠家在進(jìn)入數(shù)據(jù)分享系統(tǒng)時(shí)會(huì)選擇不同接入模式，以充電樁運(yùn)營(yíng)服務(wù)商為例，他需要依靠直流充電樁診斷模式完成對(duì)動(dòng)力電池CAN信號(hào)的翻譯，了解電池工作單體與電池包所包括的物理信息

。

我們通過(guò)學(xué)習(xí)新課程理念了解到：我們初中化學(xué)教師應(yīng)創(chuàng)設(shè)生動(dòng)形象的教學(xué)情境，讓學(xué)生身心愉悅地加入到課堂教學(xué)中，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象或是教師的引導(dǎo)，激發(fā)學(xué)生探究化學(xué)知識(shí)奧秘的熱情，并逐漸增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的信心和能力，培養(yǎng)學(xué)生終身學(xué)習(xí)的觀念。而心理學(xué)家強(qiáng)調(diào)過(guò)興趣的重要性，即人只有在感興趣的狀態(tài)下，從事一項(xiàng)工作，其精力會(huì)更專注，想象力會(huì)更豐富，創(chuàng)新力也更容易激發(fā)，因而這也為我們化學(xué)課的教學(xué)指明了方向。而我們初中化學(xué)教師可以從以下三個(gè)方面，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)中，技術(shù)的安全性、信息數(shù)據(jù)的信任機(jī)制依靠區(qū)塊鏈等技術(shù)的合理應(yīng)用。具體實(shí)踐中，區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性、私有交易性是保證技術(shù)安全、用戶信息安全、信息數(shù)據(jù)信任機(jī)制的重要內(nèi)容

。

畢重增，西南大學(xué)教授，重慶市人文社科重點(diǎn)研究基地心理學(xué)與社會(huì)發(fā)展研究中心副主任，西南大學(xué)心理學(xué)部人格發(fā)展與社會(huì)適應(yīng)實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人，集刊《社區(qū)心理學(xué)研究》常務(wù)副主編。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表論文80余篇，出版有專著《自信與社會(huì)適應(yīng)》《德行與才智——幸福生活的社會(huì)認(rèn)知基本維度》，以及教材《心理測(cè)量學(xué)》《消費(fèi)心理學(xué)》等。

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)的個(gè)人中心頁(yè)面可以進(jìn)行個(gè)人賬號(hào)設(shè)置、交易查詢、安全認(rèn)證等操作。在充電樁交易過(guò)程中，充電樁使用者可以通過(guò)平臺(tái)顯示的充電量信息、充電樁所有者標(biāo)識(shí)等，計(jì)算充電費(fèi)用，并在平臺(tái)上完成電費(fèi)支付

。同時(shí)，用戶可以在個(gè)人中心頁(yè)面中查看充電樁的編號(hào)，通過(guò)哈希索引搜索，可以組合充電樁交易信息的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，以輸出充電樁的相關(guān)信息，包括型號(hào)、充電功率、充電費(fèi)用等。綜合而言，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)是開(kāi)放性平臺(tái)，為避免因用戶數(shù)量持續(xù)增加產(chǎn)生的數(shù)據(jù)丟失、損壞等問(wèn)題，并為規(guī)模化充電樁交易等提供數(shù)據(jù)支撐，可以綜合充電樁共享平臺(tái)用戶數(shù)量分析和充電樁使用頻率分析，充分應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，以提高充電樁共享平臺(tái)的數(shù)據(jù)處理效果，進(jìn)一步優(yōu)化充電樁布置，為發(fā)揮充電樁共享平臺(tái)效用提供助力

。

3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁共享平臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)用戶可以通過(guò)區(qū)塊查詢頁(yè)面，查看充電樁交易信息

。該頁(yè)面展示的信息有數(shù)字摘要、交易信息，數(shù)字摘要包括節(jié)點(diǎn)數(shù)確認(rèn)、系統(tǒng)版本、區(qū)塊哈希值等。

圖2中，充電樁共享平臺(tái)方面，該平臺(tái)采用Fabric的分布式架構(gòu)，主要通過(guò)各聯(lián)盟鏈參與者進(jìn)行系統(tǒng)維護(hù)

。同時(shí)，該平臺(tái)允許個(gè)人用戶接入自有充電樁，通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用，充電樁的狀態(tài)、定位等信息可以有效被分享和廣播。充電樁所有者包括公司級(jí)別的大型公共充電樁所有者、私人充電樁所有者。他們可以借助區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)勢(shì)，入駐充電樁共享平臺(tái)，通過(guò)閑置信息發(fā)布等方式，賺取相應(yīng)收益。電動(dòng)汽車車主方面，車主是充電樁用戶，在基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)中，車主可以搜索到距離最近、價(jià)格最優(yōu)惠的充電樁，同時(shí)可以定位周邊空閑充電樁，并進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)交易，在提升車主充電體驗(yàn)感受的基礎(chǔ)上，幫助車主記錄電價(jià)，實(shí)現(xiàn)在線交易結(jié)算

。聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)方面，該內(nèi)容是聯(lián)盟鏈的核心內(nèi)容，能夠?qū)灰讛?shù)據(jù)進(jìn)行備份，是基于區(qū)塊鏈技術(shù)充電樁系統(tǒng)高質(zhì)量運(yùn)行的有效保障。聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)生產(chǎn)過(guò)程中，由大型充電樁運(yùn)營(yíng)中心進(jìn)行競(jìng)選

。實(shí)際應(yīng)用中，聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)共識(shí)機(jī)制，存儲(chǔ)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁平臺(tái)中的交易信息，且每一個(gè)聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)都可以成為信息記錄、存儲(chǔ)的節(jié)點(diǎn)

。因此，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)可以通過(guò)聯(lián)盟鏈節(jié)點(diǎn)相關(guān)數(shù)據(jù)分析，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行核算并給予相應(yīng)獎(jiǎng)勵(lì)。

3.2 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制

為提高基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)應(yīng)用實(shí)效，不僅要在平臺(tái)的底層搭建區(qū)塊鏈系統(tǒng)，而且要對(duì)操作界面進(jìn)行優(yōu)化處理，保證其友好性和兼容性。特別是在充電樁所有者、電動(dòng)汽車車主申請(qǐng)加入共享平臺(tái)時(shí)，保證其可以通過(guò)簡(jiǎn)單的用戶注冊(cè)即可登錄平臺(tái)

。同時(shí)，應(yīng)對(duì)用戶信息進(jìn)行匿名保護(hù)和信息加密，保障用戶的信息安全。若大型充電樁運(yùn)營(yíng)商申請(qǐng)加入平臺(tái)，則通過(guò)用戶信息認(rèn)證方式進(jìn)行認(rèn)證，以提高運(yùn)營(yíng)商充電樁的信息管理實(shí)效

。另外，在充電樁交易過(guò)程中，應(yīng)保證交易信息的保密性，以保障交易安全。為方便用戶查看充電樁狀態(tài)與交易收益情況，用戶可以通過(guò)共享平臺(tái)的主頁(yè)面進(jìn)行查看。若用戶想增加充電樁數(shù)量進(jìn)行共享使，應(yīng)向平臺(tái)提交申請(qǐng)，待審核通過(guò)后，方可在平臺(tái)系統(tǒng)中查找到新增的充電樁的定位信息、交易信息、充電樁類型等

。

伴隨電動(dòng)汽車與私人充電樁的數(shù)量不斷增加，電動(dòng)汽車充電分享服務(wù)的人群(充電樁服務(wù)商及私人充電樁所有者)數(shù)量也將呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，在未來(lái)，此人群數(shù)量可以達(dá)到上億規(guī)模

?；诖耍潆姺?wù)用戶(電動(dòng)汽車車主)人數(shù)將遠(yuǎn)高于這一數(shù)據(jù)。由此可見(jiàn)，未來(lái)充電需求與供應(yīng)將是一項(xiàng)非常龐大的工程，充電服務(wù)商之間很難實(shí)現(xiàn)充電服務(wù)的標(biāo)準(zhǔn)和服務(wù)質(zhì)量統(tǒng)一，充電費(fèi)用也將參差不齊。因此用戶在選擇服務(wù)商、充電樁時(shí)會(huì)面臨許多困難

。區(qū)塊鏈技術(shù)的出現(xiàn)可以有效解決這一問(wèn)題，可以增強(qiáng)雙方之間的信任。在整體流程中，充電樁共享平臺(tái)參與主體 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)技術(shù)架構(gòu)如圖2所示，主要參與主體如下：

其次，可以憑借腳本完成數(shù)據(jù)清洗、電池?cái)?shù)據(jù)報(bào)表生成等工作。當(dāng)數(shù)據(jù)報(bào)表生成后，智能合約借助私鑰簽署功能完成MD5 碼(Message-Digest Algorithm)生成工作，并將其納入到區(qū)塊當(dāng)中，在此過(guò)程中還可以完成數(shù)據(jù)采集工作，為數(shù)據(jù)報(bào)表生成奠定基礎(chǔ)。對(duì)于動(dòng)力電池全生命周期來(lái)說(shuō)，不同階段需要采集不同的電池?cái)?shù)據(jù)，然后將其以報(bào)表的形式的存儲(chǔ)在各階段所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中

。擁有數(shù)據(jù)查詢權(quán)限的用戶在查閱時(shí)，需要完成私鑰驗(yàn)證，私鑰驗(yàn)證流程為以動(dòng)力電池?cái)?shù)據(jù)接口進(jìn)行切入查閱電池?cái)?shù)據(jù)報(bào)表。在數(shù)據(jù)報(bào)表獲取過(guò)程中，系統(tǒng)需要判斷MD5碼是否發(fā)生改變，以此分析電池?cái)?shù)據(jù)真實(shí)性

。即現(xiàn)階段技術(shù)人員可以對(duì)動(dòng)力電池全生命周期各個(gè)階段數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，并且可以在保證數(shù)據(jù)真實(shí)性的基礎(chǔ)上完成數(shù)據(jù)共享。

3.3 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)的安全性

“是的！”高個(gè)子外星人開(kāi)心地轉(zhuǎn)了一圈，“我很喜歡現(xiàn)在的樣子，當(dāng)然我也不會(huì)忘記‘人’的感覺(jué)。怎么樣，你也要留下來(lái)了吧？”

在數(shù)據(jù)私有交易的過(guò)程中，借助區(qū)塊鏈技術(shù)，可以保證用戶在使用共享充電樁過(guò)程中，數(shù)據(jù)信息具有隱秘性。既有研究成果和共享平臺(tái)建設(shè)情況分析可知，一般區(qū)塊鏈結(jié)構(gòu)中，交易節(jié)點(diǎn)可見(jiàn)，但在交易過(guò)程中需要通過(guò)驗(yàn)證才可以生成共識(shí)性新區(qū)塊

?；诖?，引入私有交易模塊，通過(guò)智能合約的應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了用戶權(quán)限的代碼性控制，非權(quán)限用戶無(wú)法獲取交易信息數(shù)據(jù)，有效保障了用戶及充電樁交易信息數(shù)據(jù)安全，杜絕交易信息數(shù)據(jù)被第三方竊聽(tīng)的風(fēng)險(xiǎn)。在數(shù)據(jù)信息共享過(guò)程中，區(qū)塊鏈內(nèi)可能存在多條充電樁共享交易訂單內(nèi)容，且在每個(gè)節(jié)點(diǎn)內(nèi)只能查看到與登錄賬號(hào)相關(guān)的交易內(nèi)容

。若想查看其他節(jié)點(diǎn)的私有交易內(nèi)容，需要向監(jiān)管節(jié)點(diǎn)提交信息數(shù)據(jù)查看申請(qǐng)，當(dāng)申請(qǐng)通過(guò)后，方可查看相關(guān)內(nèi)容

。另外，在智能合約模塊中，監(jiān)管節(jié)點(diǎn)給出的信息數(shù)據(jù)證明，可以對(duì)充電樁共享平臺(tái)中的交易數(shù)據(jù)信息進(jìn)行驗(yàn)證，以保證節(jié)點(diǎn)狀態(tài)始終處于最新?tīng)顟B(tài)。在本系統(tǒng)平臺(tái)中，應(yīng)用智能合約模塊，對(duì)充電樁的共享應(yīng)用情況、電池健康數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行保護(hù)和權(quán)限查詢，不僅提高了平臺(tái)信息的安全性，更為基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)保障

。

在數(shù)據(jù)信息不可篡改方面，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)可以通過(guò)MD5碼，將電池?cái)?shù)據(jù)信息發(fā)送給用戶認(rèn)證，并簽字上傳于區(qū)塊鏈信息數(shù)據(jù)管理中心

。若想人為修改電池?cái)?shù)據(jù)信息，需要通過(guò)用戶投票方式(一半以上用戶節(jié)點(diǎn)投票通過(guò))完成修改。根據(jù)充電樁共享平臺(tái)既有研究和實(shí)際運(yùn)行分析，這種信息修改方式幾乎不可能實(shí)現(xiàn)。在聯(lián)盟鏈視角下，若電池?cái)?shù)據(jù)信息修改要求通過(guò)，則合約規(guī)則發(fā)生改變，但這不會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)信息的安全性、不可篡改性產(chǎn)生影響

。

隱私保護(hù)方面，基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)中的數(shù)據(jù)信息可以形成數(shù)據(jù)報(bào)表，并在鏈上公開(kāi)MD5碼

。為獲取完整的充電樁及電池?cái)?shù)據(jù)報(bào)表，需要通過(guò)報(bào)表獲取授權(quán)與信息驗(yàn)證，有效避免了數(shù)據(jù)信息的泄露。另外，充電樁及電池信息數(shù)據(jù)采集過(guò)程中，區(qū)塊鏈技術(shù)中的監(jiān)控模塊可以對(duì)數(shù)據(jù)信息涉及到的用戶隱私信息進(jìn)行清洗與保護(hù)

。

信息與計(jì)算科學(xué)專業(yè)是數(shù)學(xué)、信息科學(xué)和計(jì)算機(jī)科學(xué)三者交叉的學(xué)科，它以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，計(jì)算機(jī)為工具，解決信息和工程計(jì)算方面的實(shí)際問(wèn)題．這一專業(yè)設(shè)置較好地適應(yīng)了以信息技術(shù)為核心的全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展格局下的人才培養(yǎng)與專業(yè)發(fā)展[1-4]．

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用可以提高電動(dòng)汽車充電樁共享效率與質(zhì)量，在信息數(shù)據(jù)保護(hù)、優(yōu)化信息數(shù)據(jù)體驗(yàn)等方面發(fā)揮重要作用。為進(jìn)一步優(yōu)化平臺(tái)應(yīng)用質(zhì)量，本文在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，加入智能合約模塊，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)信息的安全性，為基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁共享平臺(tái)高質(zhì)量發(fā)展提供技術(shù)支撐與保障。未來(lái)實(shí)踐發(fā)展中，相關(guān)技術(shù)人員和平臺(tái)研發(fā)人員應(yīng)借助新興技術(shù)內(nèi)容，立足電動(dòng)汽車充電樁需求分析和可持續(xù)發(fā)展需要，對(duì)充電樁共享平臺(tái)進(jìn)行優(yōu)化和完善，在有效保障用戶信息安全的基礎(chǔ)上，提高用戶使用充電樁的便利性和安全性。

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