基于區(qū)塊鏈的電動汽車共享充電樁平臺設(shè)計

劉維揚，王 冰，曹智杰

(1．河海大學(xué) 能源與電氣學(xué)院，江蘇 南京 211100；2.南京豪慶信息科技有限公司，江蘇 南京 210006)

0 引 言

隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展，充電需求量與日俱增。在現(xiàn)有技術(shù)下，電動汽車續(xù)航能力的問題仍有待解決，并且相較于現(xiàn)有的加油站服務(wù)系統(tǒng)，充電基礎(chǔ)設(shè)施及運營模式發(fā)展相對滯后，存在設(shè)施數(shù)量少、規(guī)劃布局不完善、管理服務(wù)不成熟的問題[1]，特別是缺乏有效統(tǒng)籌管理的私人充電樁的大量涌入，在增加經(jīng)濟管理成本的同時導(dǎo)致高比例的閑置率，造成車主充電難、運營商難盈利的困境，嚴重制約了電動汽車市場的發(fā)展。因此，如何構(gòu)建合理有效的電動汽車充電樁資源配置平臺，充分調(diào)動各市場主體的資源優(yōu)勢、提高閑置充電樁的使用率，是目前亟待解決的問題。

共享經(jīng)濟模式能夠極大地促進資源的有效利用，而充電樁作為有償?shù)墓补蚕砩鐣Y源，使私人充電樁也具有明顯的共享經(jīng)濟特征[3]。然而傳統(tǒng)的共享平臺都依賴于中心化機制，存在征信成本高、信息不對稱、數(shù)據(jù)泄露與篡改風(fēng)險高的弊端，無法保障共享經(jīng)濟的安全性和可信性[4]。具備去中心化、共識信任機制、不可篡改可追溯等特點的區(qū)塊鏈技術(shù)與充電樁共享模式有很好的契合點，可為電動汽車的共享充電服務(wù)創(chuàng)新奠定堅實的基礎(chǔ)。

區(qū)塊鏈在共享經(jīng)濟領(lǐng)域的應(yīng)用包含物品共享交易服務(wù)[5]、集裝箱共享模式[6]、隱私共享保護機制[7]等。針對電動汽車充電樁的研究，文獻[3]基于閃電網(wǎng)絡(luò)和智能合約技術(shù)為充電樁構(gòu)建了區(qū)塊鏈共享經(jīng)濟生態(tài)環(huán)境；文獻[8]利用區(qū)塊鏈技術(shù)為電動汽車用戶與電力市場構(gòu)建有效的雙邊交易與競價體系；文獻[9,10]基于區(qū)塊鏈技術(shù)為車主與充電站之間的交易提供了有效的隱私保護機制。上述文獻大多側(cè)重于電動汽車與充電樁之間隱私保護與交易安全的問題，所提區(qū)塊鏈技術(shù)多體現(xiàn)在理論設(shè)計的安全性驗證，對于共享充電樁完備的平臺設(shè)計與應(yīng)用涉及較少，未能在共享經(jīng)濟領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)區(qū)塊鏈與充電樁的有效融合。

基于上述背景，本文將區(qū)塊鏈技術(shù)引入電動汽車充電樁共享應(yīng)用研究?；诮Y(jié)合區(qū)塊鏈和智能合約體系的以太坊平臺，首先對電動汽車充電樁共享系統(tǒng)進行框架設(shè)計，建立了多層次的應(yīng)用架構(gòu)；接著，根據(jù)電動汽車用戶、充電樁運營商和電動汽車管理商各自所具備的邏輯需求，實現(xiàn)充電積分和充電樁相關(guān)智能合約的設(shè)計；最后，通過算例驗證本文所設(shè)計的區(qū)塊鏈下共享充電樁平臺的可行性。

1 重要概念與技術(shù)

1.1 共享經(jīng)濟

共享經(jīng)濟是在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下發(fā)展出的全新經(jīng)濟模式，以一種合作消費的形式將所有者閑置的物品出租給需求方，在提升物品資源利用率的同時獲取一定的經(jīng)濟效益[11]。在現(xiàn)有電動汽車充電產(chǎn)業(yè)中引入共享充電樁的經(jīng)濟模式，一方面緩解了公共充電站充電設(shè)施不足的難題，另一方面彌補了用戶因購買私人充電樁而造成的高額閑置成本。

而現(xiàn)有的共享經(jīng)濟模式平臺大多需要第三方中介機構(gòu)進行集中式的數(shù)據(jù)傳輸與保護。隨著私人充電樁數(shù)量的急劇增多，其規(guī)模大、隨機性強的充電行為會導(dǎo)致租用者與被租用者的交易信息存在很大程度上的隱私泄露與篡改風(fēng)險，大大增加了系統(tǒng)管理成本和數(shù)據(jù)保護成本。為此，作為分布式賬本的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)運而生，其本質(zhì)恰恰能夠消除對第三方機構(gòu)的依賴，共享體和市場主體相對區(qū)塊數(shù)據(jù)都是平等的，能夠?qū)崿F(xiàn)對等的直接交易，推動真正的充電樁共享經(jīng)濟的發(fā)展[12]。

1.2 區(qū)塊鏈與以太坊技術(shù)

區(qū)塊鏈實質(zhì)上是一系列數(shù)據(jù)區(qū)塊的列表，區(qū)塊鏈上的每個區(qū)塊均記錄了某一時段內(nèi)的全部交易數(shù)據(jù)，運用了賬戶公私鑰之間的非對稱加密安全技術(shù)、Hash算法保障下的默克爾樹數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、點對點的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、區(qū)塊之間取得信任的共識機制等技術(shù)。由于缺乏相應(yīng)的支持系統(tǒng)和技術(shù)，其應(yīng)用廣度和深度一直未能充分發(fā)掘。

隨著具有智能合約功能的公共平臺以太坊的誕生，區(qū)塊鏈技術(shù)得到了天然的應(yīng)用擴展，且二者相輔相成：以太坊平臺底層封裝了區(qū)塊鏈的各項技術(shù)與調(diào)用接口，并為其提供了靈活多樣的智能合約部署空間，為交易者權(quán)利和義務(wù)的法定執(zhí)行提供了自動程序化的保障平臺；區(qū)塊鏈作為底層分布式賬本，在無第三方中心機構(gòu)參與的情況下，形成相互共識、不可篡改、安全透明化的區(qū)塊數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并在每個參與節(jié)點保留一份區(qū)塊數(shù)據(jù)副本，去中心化地保障交易的安全、透明和可追溯。

2 電動汽車充電樁共享平臺框架設(shè)計

2.1 設(shè)計框架

考慮到目前共享服務(wù)行業(yè)存在大量的優(yōu)惠積分推廣政策，本文以充電積分的形式購買相應(yīng)的充電需求，激勵電動汽車車主參與、擴大充電樁的普遍應(yīng)用。本文在此共享平臺中引入充電優(yōu)惠的積分模式(如1充電積分可抵1元購買力)，以充電優(yōu)惠積分作為支付媒介參與共享充電樁的資金流動，并參與各市場主體間的轉(zhuǎn)讓或兌換操作，提供靈活多樣的業(yè)務(wù)邏輯，增加用戶粘性。其整體框架如圖1所示。

圖1 共享充電樁平臺框架

參與到區(qū)塊鏈共享平臺中的市場主體包括電動汽車用戶、充電樁運營商和電動汽車管理商，作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中獨立節(jié)點。每個市場主體基于含IP地址、公鑰和私鑰等加密信息的節(jié)點參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交互，構(gòu)成點對點的分布式共享交易系統(tǒng)。電動汽車管理商以發(fā)布和清算充電積分的方式來簡化管理用戶和充電樁運營商的支付交易情況：電動汽車管理商僅能向用戶發(fā)布充電積分以優(yōu)惠用戶，充電樁運營可向管理商兌換充電積分以獲得相應(yīng)的真實資金；電動汽車用戶和充電樁運營商均可根據(jù)自身需求在各主體之間靈活轉(zhuǎn)讓充電積分，實現(xiàn)資源共享與最優(yōu)配置；充電樁運營商向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)發(fā)布充電樁的尋租需求信息，用戶根據(jù)自身需求既可以租用充電樁進行充電服務(wù)，也可以共享閑置的私人充電樁進行尋租服務(wù)。各市場主體之間的交互式業(yè)務(wù)邏輯均以智能合約的形式部署在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，一旦滿足合約執(zhí)行的判定條件則達成智能合約，在區(qū)塊鏈共享平臺中自動執(zhí)行相應(yīng)的交易，并將交易合約信息記錄在底層區(qū)塊鏈分布式賬本中。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

本平臺采用Truffle應(yīng)用開發(fā)架構(gòu)。Truffle是以太坊應(yīng)用開發(fā)中分層可擴展的開發(fā)技術(shù)框架，上層可用JavaScript語言方便地進行應(yīng)用開發(fā)，底層內(nèi)置了智能合約編譯器，可實現(xiàn)編譯、部署、測試的整個流程。本文所設(shè)計的具體開發(fā)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 共享充電樁系統(tǒng)開發(fā)架構(gòu)

如圖2所示，本文所設(shè)計的共享系統(tǒng)架構(gòu)由3部分組成：基于區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)層、基于智能合約的業(yè)務(wù)邏輯操作層、基于Web3技術(shù)的中間接口層和面向各市場主體操作的應(yīng)用層。

2.2.1 數(shù)據(jù)層

數(shù)據(jù)層由基于以太坊平臺的區(qū)塊鏈分布式交易賬本作為數(shù)據(jù)存儲環(huán)境，支持并存儲上層智能合約操作所達成的各項區(qū)塊信息。各市場主體節(jié)點之間通過POW(proof of work)共識機制和非對稱加密技術(shù)實現(xiàn)合法記賬，每個節(jié)點都獲得一個唯一、真實賬本的副本，防篡改且透明可追溯。

2.2.2 智能合約層

各市場主體間的需求與可執(zhí)行的業(yè)務(wù)邏輯均以智能合約的形式載入?yún)^(qū)塊鏈以太坊平臺，作為一套完整的交互式協(xié)議，規(guī)范各主體的交易模式，且合約一旦達成并部署就不可修改。

2.2.3 中間接口層

采用Web3技術(shù)實現(xiàn)上層應(yīng)用與智能合約具體操作的接口API(application programming interface)，封裝智能合約的操作協(xié)議，使底層業(yè)務(wù)邏輯操作與上層應(yīng)用的交互式界面相對接，構(gòu)成完整有效的應(yīng)用操作架構(gòu)。

2.2.4 應(yīng)用層

通過HTML語言構(gòu)成的Web瀏覽器界面為參與的市場主體提供可視化的交互式操作界面，使各市場主體能夠方便快捷地實現(xiàn)各智能合約操作的交互。

3 智能合約設(shè)計

3.1 合約屬性設(shè)計

各市場主體作為獨立的智能合約執(zhí)行者，以電動汽車用戶為例，其各項屬性信息見表1。采用配對的公私鑰作為賬戶模型，賬號即公鑰地址，密碼即私鑰地址。充電樁信息的添加與查詢以充電樁編號為索引。充電樁的屬性信息見表2，其中充電樁類型表示交/直流和充電功率的區(qū)別。

表1 電動汽車用戶合約屬性

表2 單個充電樁屬性

3.2 合約功能模塊設(shè)計

3.2.1 客戶端登陸合約

客戶端登陸合約主要包括電動汽車用戶和充電樁運營商的密鑰獲取、注冊登陸、賬戶管理。各市場主體通過配對的公鑰和私鑰作為賬號和密碼注冊并登陸各自智能合約操作客戶端。

3.2.2 充電積分操作合約

充電樁運營商之間積分轉(zhuǎn)讓與兌換操作流程如圖3所示。其余市場主體的積分操作與之類似。

圖3 充電樁運營商充電積分操作流程

3.2.3 充電樁操作合約

電動汽車用戶共享私人充電樁和租用可用充電樁的操作流程如圖4所示。充電樁運營商的充電樁操作與之類似。

圖4 電動汽車用戶充電樁操作流程

4 實驗與驗證

采用以太坊作為區(qū)塊鏈環(huán)境平臺，在Ubuntu 16.04操作系統(tǒng)下測試，采用Solidity語言編寫智能合約。對于以太坊私有鏈的搭建，以Ganache-cli客戶端所提供的公鑰和私鑰地址作為測試賬戶，以本機IP地址的3個端口號作為3個市場主體的測試節(jié)點地址，構(gòu)成局部點對點的以太坊區(qū)塊鏈私有網(wǎng)絡(luò)。

4.1 以太坊私有鏈的搭建

登陸Ganache-cli客戶端，在本機IP地址的8545端口上監(jiān)聽并搭建以太坊私有鏈，所申請的10個測試賬戶如圖5 所示，即對應(yīng)的公鑰和私鑰地址。為了防止代碼指數(shù)型爆炸和無線循環(huán)，以太坊在執(zhí)行每筆交易時以消耗一部分Gas值的方式對計算步驟做出限制[13]。故每個地址默認已提供100ETH(以太幣)的賬戶余額，用來支付以太坊網(wǎng)絡(luò)對Gas費用的收取。

圖5 區(qū)塊鏈測試賬戶

為簡化代碼、防止默認的Gas值過大導(dǎo)致產(chǎn)生Out of Gas的錯誤，本文在充電積分支付與轉(zhuǎn)讓智能合約方法中顯式定義Gas值，保證消耗的Gas值足以支付所有的交易邏輯方法，僅在共享或租用充電樁時通過Metamask錢包動態(tài)地定義Gas值并設(shè)置交易確認對話框，體現(xiàn)以太坊區(qū)塊鏈平臺下用戶交互式應(yīng)用模式。

4.2 應(yīng)用界面設(shè)計

各市場主體以賬號和密碼的形式注冊并登陸共享充電樁平臺，電動汽車用戶的登陸界面如圖6所示。其余市場主體登陸界面與之類似。

基于智能合約有關(guān)登陸的邏輯調(diào)用方法，以Ganache-cli所提供的第5個測試賬號0x9ffabb9cedb9ffcb5 ddd765f5e7b1e29615a364d作為電動汽車用戶的用戶地址，相應(yīng)的私鑰作為密碼，登陸后的界面如圖7所示。具體包括當(dāng)前登錄的用戶信息查詢、轉(zhuǎn)讓充電積分的設(shè)置、租用和共享閑置充電樁的設(shè)置。頂端狀態(tài)欄信息為當(dāng)前電動汽車用戶賬號地址。其余市場主體登陸客戶端后的界面與之類似。

圖6 電動汽車用戶登陸界面

圖7 電動汽車用戶管理操作界面

4.3 系統(tǒng)實現(xiàn)

4.3.1 充電積分操作

電動汽車管理商通過發(fā)行與清算充電積分的形式間接體現(xiàn)各市場主體的充電樁共享使用情況，因此本文以管理商的視角驗證充電積分的操作。圖8(a)為管理商向前文所注冊的用戶賬戶地址發(fā)行100個充電積分操作，點擊發(fā)行按鈕后上側(cè)狀態(tài)欄顯示“發(fā)行積分成功”。

查看該賬戶下電動汽車用戶充電積分余額，如圖8(b)頂端狀態(tài)欄“當(dāng)前余額”信息顯示，已由初始余額為零獲得100個充電積分，驗證管理商發(fā)行充電積分成功。與之類似，其余市場主體間的充電積分轉(zhuǎn)讓與查詢均可通過相應(yīng)的操作實例獲得。

圖8 發(fā)行積分操作

4.3.2 充電樁租用與發(fā)布/共享操作

電動汽車用戶或充電樁運營商在進行充電樁操作時會顯示如圖9(a)所示的共享充電樁狀態(tài)列表。以此為例展示了目前已發(fā)布到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的所有共享充電樁狀態(tài)與屬性信息，狀態(tài)分為已租用(Used)或待租(Rent)狀態(tài)，屬性信息包含充電樁交/直流類型與充電功率、編號、充電價格等，以供用戶個性化選擇。

圖9 共享充電樁操作界面

同樣，以賬戶號為0x9ffabb9cedb9ffcb5ddd765-f5e7b1e29615a364d的電動汽車用戶為例，登陸瀏覽器插件Metamask錢包，以瀏覽器擴展的形式讓用戶通過瀏覽器與以太坊進行人性化的交互式賬戶管理。例如電動汽車用戶根據(jù)自身需求點擊“Rent”按鈕租用編號為0002的充電樁，跳出如圖10所示的交易確認信息，包含向以太坊本地私有網(wǎng)絡(luò)提交的Gas費用價格與限制設(shè)置等信息。

圖10 Metamask交易確認界面

為測試智能合約邏輯，選擇默認設(shè)置點擊“SUBMIT”確認交易后，共享充電樁列表如圖9(b)所示。編號為0002的充電樁已由待租狀態(tài)“Rent”轉(zhuǎn)變?yōu)榛疑摹癠sed”的已租用狀態(tài)，相應(yīng)的Gas交易信息記錄在Metamask中。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)根據(jù)電動汽車用戶在客戶端中設(shè)置的所需充電量，扣除相應(yīng)的費用即充電積分，完成充電樁租用費的支付。與充電積分轉(zhuǎn)讓、扣除之類操作類似，在此不在贅述。

4.4 共享充電樁區(qū)塊數(shù)據(jù)

基于以太坊智能合約邏輯方法，各市場主體之間的充電積分交互和充電樁的共享/發(fā)布與租用信息將記錄在底層區(qū)塊鏈分布式賬本中，形成共享充電樁區(qū)塊鏈。以上文電動汽車用戶租用充電樁的測試驗證為例，所形成的共享充電樁區(qū)塊數(shù)據(jù)如圖11所示。包含區(qū)塊號、交易者地址、交易費用、交易詳情等信息。

圖11 共享充電樁區(qū)塊數(shù)據(jù)

至此，本實驗通過具體的實例操作展示了區(qū)塊鏈電動汽車共享充電樁平臺的應(yīng)用流程，并驗證區(qū)塊鏈在電動汽車共享充電樁中應(yīng)用的可行性。

5 結(jié)束語

(1)基于共享經(jīng)濟模式與共享充電樁契合度的分析，突破區(qū)塊鏈固有特征下的應(yīng)用局限，采用以太坊實現(xiàn)區(qū)塊鏈下電動汽車共享充電樁平臺的落地應(yīng)用，無中心化的存儲機構(gòu)，構(gòu)建了不可篡改、透明、可追溯、高可信的區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)體系。

(2)各市場主體間充電積分與充電樁的業(yè)務(wù)操作邏輯以智能合約的形式部署在以太坊中，形成相互共識的共享交易協(xié)議，在充分調(diào)動各市場主體需求的同時，有效實現(xiàn)各市場主體高效、安全、可信任的去中心化共享交易。

(3)設(shè)計了各市場主體間的交互式應(yīng)用界面，并以具體實例操作驗證區(qū)塊鏈共享充電樁平臺的可行性，為區(qū)塊鏈在電動汽車共享充電樁中的應(yīng)用提供切實參考。

本文后續(xù)工作中，還將繼續(xù)完善智能合約的邏輯需求功能，并與數(shù)據(jù)庫和移動端開發(fā)相結(jié)合，進一步實現(xiàn)平臺的多適用性與可靠性。