王紹荃，項勝乙，葉強(qiáng)

（浙江圖盛輸變電工程有限公司溫州科技分公司，浙江 溫州 325000）

0 引言

電動化是21世紀(jì)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本趨勢，電動汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模化推廣需要一系列的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備作為支撐，其中充電樁就是一項關(guān)鍵性的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備，它為電動汽車提供能源和動力，充電樁運營維護(hù)是確保充電樁正常工作的重要條件，它包括對充電樁工作狀態(tài)的實時動態(tài)監(jiān)控、充電計量、安全檢查、充電負(fù)荷分配、資金結(jié)算、數(shù)據(jù)分享等多個環(huán)節(jié)，涉及充電樁、運維單位、監(jiān)管部門、電力配售機(jī)構(gòu)、檢定單位等諸多主體的經(jīng)濟(jì)利益?？紤]到充電樁及其運營維護(hù)的分布性和多主體等特點，以及大規(guī)模電動汽車對充電樁高效運維的要求，本文引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在充電樁運營維護(hù)中的作用、價值和優(yōu)勢，并就區(qū)塊鏈技術(shù)在充電樁運營維護(hù)中的具體應(yīng)用機(jī)制進(jìn)行深入分析。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)

1.1 區(qū)塊鏈內(nèi)涵

區(qū)塊鏈即Blockchain，它是基于時間序列的方法將相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)塊組合而成的一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，采用高安全性密碼技術(shù)來確保數(shù)據(jù)的不可偽造性和不可篡改性，并且以去中心化的方式進(jìn)行分布式存儲，它的基礎(chǔ)架構(gòu)與計算方式與傳統(tǒng)中心化數(shù)據(jù)相比較是一種全新的革命性的創(chuàng)新[1]。

1.2 區(qū)塊鏈相關(guān)技術(shù)

（1）非對稱加密。區(qū)塊鏈的非對稱加密技術(shù)也通常稱為數(shù)字簽名，它是基于安全性和所有權(quán)驗證問題產(chǎn)生的，在利用某種算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行非對稱加密后，需要另外一個與之相對應(yīng)的算法才能解密，區(qū)塊鏈中的每個數(shù)據(jù)節(jié)點都有一對獨立的公鑰私鑰，私鑰在數(shù)據(jù)發(fā)送時進(jìn)行簽名，其他節(jié)點接收數(shù)據(jù)后首先對私鑰簽名進(jìn)行驗證，在核實了數(shù)據(jù)合法性和完整性后才予以認(rèn)可。

（2）共識機(jī)制。區(qū)塊鏈中所有的節(jié)點都保存有數(shù)據(jù)的副本，那么如何確保數(shù)據(jù)更新在每一個節(jié)點的同步就顯得非常重要，這就是共識機(jī)制的作用，它確保所有存儲節(jié)點保存有相同的完整的數(shù)據(jù)副本，目前共識機(jī)制算法主要有PoW、BTF、Po等幾種算法[2-3]。

區(qū)塊鏈的設(shè)計理念和算法技術(shù)賦予了區(qū)塊鏈以下四大特征：去中心化、不可篡改、可追溯性、高可靠性，這也正是本文在充電樁運營維護(hù)中引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)的重要原因所在。

2 充電樁運營維護(hù)中區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用

2.1 應(yīng)用場景

一個典型的充電樁運營維護(hù)場景通常包括以下組成部分：充電樁、變電站、配電機(jī)構(gòu)、檢定單位、運維部門、監(jiān)管機(jī)構(gòu)等，該場景具有以下特征：高分布性，充電樁依據(jù)人口、交通、經(jīng)濟(jì)等情況呈現(xiàn)很強(qiáng)的分布密度不均勻性，這為集中管理帶來了挑戰(zhàn)；多主體性，充電樁運營維護(hù)涉及的主體和利益關(guān)系比較復(fù)雜；高協(xié)同性，充電樁運營維護(hù)的順利進(jìn)行需要相關(guān)利益主體之間協(xié)同一致并構(gòu)建互信機(jī)制。

2.2 應(yīng)用價值與優(yōu)勢

將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到充電樁運營維護(hù)中可以獲得以下價值和優(yōu)勢：

（1）高度靈活可靠且低成本的分布式管理?；趨^(qū)塊鏈的智能合約可以為高分布性的充電樁運營維護(hù)提供高度靈活可靠且成本十分低廉的分布式管理，通過構(gòu)建智能的自治管理網(wǎng)絡(luò)可以將預(yù)先定義的規(guī)則在區(qū)塊鏈節(jié)點之間進(jìn)行分發(fā)，并適時地觸發(fā)和啟動相應(yīng)的交易規(guī)則，實現(xiàn)交易數(shù)據(jù)和信息的自治管理。充電樁可以根據(jù)實際情況向檢定單位自動地發(fā)出維保請求，運營維護(hù)部門與配電機(jī)構(gòu)之間可以實現(xiàn)費用的自主結(jié)算，監(jiān)管機(jī)構(gòu)與充電樁運營維護(hù)部門之間實現(xiàn)補貼的自主輸送，充電樁運行數(shù)據(jù)和信息的自主實時上傳，充電樁運行維護(hù)系統(tǒng)的周期性維護(hù)等。

（2）去中心化的管理。充電樁運營維護(hù)中涉及的彼此獨立的經(jīng)濟(jì)主體之間在區(qū)塊鏈中分屬不同的具有平等地位的節(jié)點，這些節(jié)點在充電樁運營維護(hù)中對交易數(shù)據(jù)享有平等地接收、發(fā)送和維護(hù)的權(quán)利，而不是像傳統(tǒng)的以某個節(jié)點為中心所帶來的固有權(quán)益沖突或缺陷。

（3）節(jié)點間的交易數(shù)據(jù)透明化和高可靠性。區(qū)塊鏈技術(shù)所獨有的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、非對稱加密算法和共識機(jī)制確保了充電樁實時運行信息和數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測、檢定、計量、傳輸?shù)鹊母叨韧该骰?、可追溯性和高保真性，相關(guān)主體和機(jī)構(gòu)可以隨時隨地從區(qū)塊鏈上獲得真實完整不可篡改的數(shù)據(jù)，避免了傳統(tǒng)管理方式下的信息不對稱所帶來的各種計量不準(zhǔn)、誘騙補貼等事件的發(fā)生[4]。

2.3 應(yīng)用架構(gòu)

（1）鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)選擇。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)根據(jù)參與節(jié)點是否需要授權(quán)可以將其劃分為三種類型結(jié)構(gòu)，即公有鏈、私有鏈以及聯(lián)盟鏈，公有鏈允許節(jié)點匿名參與，其在安全性、隱私性等方面不適合充電樁運營維護(hù)的業(yè)務(wù)需求，私有鏈一般為組織內(nèi)部使用、節(jié)點加入退出具有復(fù)雜的審批程序，因此也不適合充電樁所要求的更為靈活快捷的業(yè)務(wù)需求，聯(lián)盟鏈適合多個節(jié)點參與且節(jié)點身份相互之間透明的多個組織之間，內(nèi)部特定節(jié)點完成記賬功能、其他節(jié)點提供信息查詢，它不僅具有較高的運行效率，而且具有更強(qiáng)的隱私保護(hù)機(jī)制，同時又具有較強(qiáng)的靈活性，最適合充電樁業(yè)務(wù)靈活快捷的要求。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置。區(qū)塊鏈中參與節(jié)點不僅具有數(shù)據(jù)存儲、加密、驗證、傳送等功能，而且對于整個系統(tǒng)的管理也有重要作用。從理論上而言區(qū)塊鏈中的每個節(jié)點具有同樣的地位、擁有同樣的權(quán)限、行使同樣的功能，但考慮到充電樁運行維護(hù)的業(yè)務(wù)特點和實際需要，不同參與節(jié)點之間應(yīng)該在功能劃分、算力分配、功耗、應(yīng)用等方面進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲茫瑒澐譃閮纱箢愋?，一是?biāo)準(zhǔn)類型的區(qū)塊鏈節(jié)點，具有數(shù)據(jù)分發(fā)、同步、記賬、共識等職能，基于實際需要這些標(biāo)準(zhǔn)類型節(jié)點由運維部門、配電機(jī)構(gòu)、檢定單位和監(jiān)管機(jī)構(gòu)等來承擔(dān)；另一類是非標(biāo)準(zhǔn)類型的區(qū)塊鏈節(jié)點，這類節(jié)點主要承擔(dān)數(shù)據(jù)采集和傳送功能，從其他節(jié)點接收信息并存儲相鄰節(jié)點的信息，但不參與記賬、同步、共識和系統(tǒng)維護(hù)等功能，充電樁以及現(xiàn)場檢測裝置就承擔(dān)這樣的角色。以上基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁運行維護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置實際上是一個分布式對等網(wǎng)絡(luò)，在這個網(wǎng)絡(luò)中，共識機(jī)制負(fù)責(zé)確保每個參與節(jié)點的數(shù)據(jù)信息一致性，并且負(fù)責(zé)處理由網(wǎng)絡(luò)攻擊所造成的系統(tǒng)安全或故障，示意圖如圖1所示。

圖1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁運營維護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點布置示意圖

（3）共識機(jī)制設(shè)計。PoW共識算法的特點不適合充電樁運營維護(hù)這類業(yè)務(wù)的需要，PBFT即實用拜占庭容錯共識算法具有較強(qiáng)的適用性，具備了一定容錯能力的同時提升了區(qū)塊鏈系統(tǒng)的響應(yīng)速度，同時也比較適合充電樁運營維護(hù)這種不需要較高算力的應(yīng)用場合。

2.4 功能架構(gòu)

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的充電樁運營維護(hù)系統(tǒng)在功能架構(gòu)上可以分為三個層次，從上到下依次為服務(wù)層、管理層和數(shù)據(jù)接口層。

服務(wù)層主要從功能、通信和區(qū)塊鏈三個層次和側(cè)端提供具體的服務(wù)。功能側(cè)主要包含充電樁的運行狀態(tài)檢測、配電管理、充電樁現(xiàn)場檢定、運維、故障報送以及運行監(jiān)管等一系列功能；區(qū)塊鏈側(cè)主要包含賬戶管理、密鑰管理、數(shù)據(jù)加密、訪問控制、合約與共識機(jī)制管理等方面的功能；通信側(cè)主要包含充電樁運行狀態(tài)現(xiàn)場檢測裝置以及通信總線，現(xiàn)場檢測裝置、充電樁、檢定單位、運維部門、監(jiān)管部門等之間的通信，同時還醋則新的充電樁和現(xiàn)場檢測裝置的接入管理[5]。

管理層提供的服務(wù)，應(yīng)用層面的主要有充電樁注冊與管理、現(xiàn)場檢測裝置的注冊與管理、不同參與節(jié)點不同業(yè)務(wù)類型的認(rèn)證授權(quán)與管理、智能電網(wǎng)與電動汽車之間的跨區(qū)塊鏈管理、充電檢定維保等的交易與管理、充電樁與配電機(jī)構(gòu)之間的費用結(jié)算與管理、監(jiān)管機(jī)構(gòu)與運維部門之間的費用補貼結(jié)算與管理等。

數(shù)據(jù)層主要面向PC客戶端、移動客戶端、大數(shù)據(jù)系統(tǒng)等三種類型的端口以及第三方開發(fā)提供API接口服務(wù)。PC客戶端可以基于不同應(yīng)用場景選擇使用不同的功能模塊，諸如充電樁現(xiàn)場檢測裝置遠(yuǎn)程管理、檢定、補貼發(fā)放、電費結(jié)算、用電負(fù)荷監(jiān)控等。

3 結(jié)語

將區(qū)塊鏈技術(shù)引入到充電樁運營維護(hù)中，構(gòu)架了具有分布式數(shù)據(jù)存儲、采用非對稱加密算法、具有較高可追溯性的安全靈活的充電樁運營維護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)了充電樁運營維護(hù)過程中各項交易環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)信息的自治管理，為充電樁運營維護(hù)中所涉及的充電樁、變電站、配電機(jī)構(gòu)、檢定單位、運維部門、監(jiān)管機(jī)構(gòu)等多方經(jīng)濟(jì)主體提供了具有較高可行性和透明性的管理方案。