陶夢林，王致杰，付曉琳，王 鴻

(1.上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院，上海 201306； 2.同濟(jì)大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院，上海 200092)

為解決石油資源短缺、大氣污染等問題，電動汽車迅速發(fā)展[1]。目前，電動汽車的發(fā)展面臨兩方面的問題。

一方面，中國電動汽車數(shù)量遠(yuǎn)大于充電樁數(shù)量，截止到2019年12月，中國整體車樁比為3.4∶1.0，其中私人充電樁占比高達(dá)60%，遠(yuǎn)低于《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015—2020)》規(guī)劃的1∶1[2]。另外，《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035)》預(yù)計， 到2030年中國電動汽車數(shù)量將達(dá)到6 420萬輛，即未來10年中國需新建6 300萬個充電樁，才能達(dá)到車樁比1∶1的目標(biāo)?？梢?，因充電樁不足而造成的電動汽車充電難的問題將長期困擾電動汽車用戶，阻礙電動汽車的發(fā)展，充電樁共享已成為趨勢。針對這方面問題提出建立充電樁共享平臺，私人充電樁也納入共享范圍。

另一方面，特來電、星星充電是國內(nèi)主要充電樁運營商，各運營商有其對應(yīng)的服務(wù)平臺，但平臺之間相互獨立，每個平臺只能尋找其公司的充電樁，并且每個平臺與電動汽車用戶間的交易方式不同，造成支付復(fù)雜、交易困難的情況[3]。因此，提出建立的平臺可以接入多充電樁運營商。平臺內(nèi)車樁交易會產(chǎn)生龐大的數(shù)據(jù)，如果引入第三方中心機(jī)構(gòu)，統(tǒng)一管理交易信息、支付記錄等，需要消耗較高的成本，且中心化管理具有篡改數(shù)據(jù)、泄露信息的風(fēng)險。針對這方面的問題提出采用區(qū)塊鏈搭建平臺的底層服務(wù)框架。區(qū)塊鏈具有去中心化、防篡改、可信任的特點[4]，智能合約具有自動執(zhí)行結(jié)算的特點，可有效改善上述問題。區(qū)塊鏈已被廣泛應(yīng)用于能源互聯(lián)網(wǎng)交易[5-7]、微電網(wǎng)市場交易[8-9]、 電動汽車交易[10-12]。

關(guān)于區(qū)塊鏈和電動汽車的結(jié)合，已有不少學(xué)者做出研究。文獻(xiàn)[13]提出了基于去中心化的動態(tài)電價逆向拍賣、組合拍賣V2G電力交易機(jī)制，提高了電力銷售方的競爭力、社會福利及市場效率；文獻(xiàn)[14]提出基于區(qū)塊鏈的充電站充電權(quán)交易機(jī)制，充電站之間通過雙向拍賣或P2P市場掛牌進(jìn)行交易，實現(xiàn)了充電權(quán)的最大優(yōu)化配置。以上文獻(xiàn)只考慮了公共充電樁。文獻(xiàn)[15]提出基于區(qū)塊鏈的充電樁共享經(jīng)濟(jì)模式；文獻(xiàn)[16]提出了基于區(qū)塊鏈的共享充電樁方案設(shè)計。以上文獻(xiàn)均未具體介紹私人充電樁接入的運營模式，且沒有涉及電動汽車尋找充電樁策略。

基于此，本文提出基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁共享平臺策略研究。首先，分析采用區(qū)塊鏈搭建平臺的契合點，闡述該平臺的經(jīng)濟(jì)性、安全性。其次，搭建平臺模型，設(shè)計該平臺的結(jié)構(gòu)及工作流程。然后，提出三層尋找充電樁策略，采用粒子群優(yōu)化算法尋找最優(yōu)充電樁。最后，進(jìn)行案例分析，仿真結(jié)果表明采用區(qū)塊鏈可提高平臺的安全性及用戶效用函數(shù)；三層尋找充電樁策略能根據(jù)用戶的不同需求匹配最優(yōu)充電樁，降低用戶充電成本，提高充電樁利用率，降低晚間電動汽車集體充電數(shù)量。

1 基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁共享平臺

1.1 采用區(qū)塊鏈搭建平臺的契合點分析

區(qū)塊鏈?zhǔn)菂^(qū)塊按時間順序相連而成的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，類似于分布式賬本，具有去中心化、可信任、防篡改、易擴(kuò)展等特點，與電動汽車充電樁共享平臺的建設(shè)思想相契合，如圖1所示。通過對比區(qū)塊鏈特性與充電樁共享平臺應(yīng)用特性找到二者的契合點，進(jìn)而得出區(qū)塊鏈共享平臺的優(yōu)勢。

圖1 平臺與區(qū)塊鏈的契合性分析Figure 1 The fit analysis between the platform and blockchain

1)區(qū)塊鏈中各節(jié)點共同記錄、儲存車—樁交易信息，當(dāng)某個節(jié)點信息遭到惡意破壞時，能復(fù)制其他節(jié)點信息進(jìn)行恢復(fù)，無需第三方管理機(jī)構(gòu)，信息可追溯，降低了共享平臺數(shù)據(jù)管理、儲存成本。

2)當(dāng)區(qū)塊鏈中某個惡意節(jié)點想篡改交易記錄，其必需具有51%的算力才有機(jī)會成功，而當(dāng)該節(jié)點有51%的算力時，其充當(dāng)誠實節(jié)點獲得的利益多于充當(dāng)惡意節(jié)點獲得利益，該節(jié)點不需再由篡改信息獲得利益，保證了交易信息不被篡改，提高了平臺的安全性。

3)車、樁用戶通過P2P網(wǎng)絡(luò)發(fā)布信息，可實現(xiàn)信息共享；車、樁用戶只需在用戶終端注冊登錄便可接入平臺成為節(jié)點，擴(kuò)展性強(qiáng)。

1.2 平臺模型架構(gòu)

參考文獻(xiàn)[16]中充電樁共享平臺模型，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行細(xì)化與改進(jìn)，得到本文基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺模型，如圖2所示。

圖2 基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺模型Figure 2 Charging pile sharing platform model based on blockchain

主節(jié)點：記錄平臺完整的交易信息，具有較強(qiáng)的算力，支持查詢功能。充電樁運營商、私人充電樁、電動汽車聚合商屬于主節(jié)點。

輕節(jié)點：只記錄和自身相關(guān)的交易數(shù)據(jù)。電動汽車用戶屬于輕節(jié)點。

監(jiān)管中心：驗證注冊節(jié)點的真實性。

充電樁運營商：國內(nèi)主要的充電樁運營商包括國網(wǎng)、特來電、星星充電等，平臺支持各充電樁運營商接入，共享所有充電樁的運營數(shù)據(jù)，可打破各運營商間存在的信息獨立的狀態(tài)。

私人充電樁：私人充電樁占國內(nèi)充電樁總數(shù)的60%，白天有大量閑置的時間，擁有巨大的市場，將其接入平臺既有利于緩解電動汽車充電難的問題，又可增加私人充電樁主的收入，提高樁的利用率，增加電動汽車用戶的滿意度。

電動汽車聚合商：用于統(tǒng)一管理電動汽車，負(fù)責(zé)將電動汽車用戶發(fā)布的信息廣播到各主點，并將匹配結(jié)果廣播到主節(jié)點和該電動汽車用戶。

電動汽車用戶：充電樁的使用者，發(fā)布信息，尋找符合信息的最優(yōu)充電樁。

鏈下匹配系統(tǒng)：在區(qū)塊鏈上進(jìn)行所有交易會降低區(qū)塊鏈的交易速度。因此，本文設(shè)計在鏈下進(jìn)行電動汽車找樁過程，將最終的匹配結(jié)果廣播到鏈上。

根據(jù)區(qū)塊鏈架構(gòu)[17]而設(shè)計的基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁共享平臺架構(gòu)如圖3所示，分為應(yīng)用、業(yè)務(wù)、共識、網(wǎng)絡(luò)以及數(shù)據(jù)層。數(shù)據(jù)層為基礎(chǔ)層，存儲著車—樁交易雙方、交易時間、電量、電價等各種信息；網(wǎng)絡(luò)層利用P2P網(wǎng)絡(luò)廣播信息，實現(xiàn)車—樁信息共享；共識層采用工作量證明機(jī)制(POW)實現(xiàn)共識，確保各節(jié)點數(shù)據(jù)一致, 避免惡意節(jié)點篡改數(shù)據(jù)；業(yè)務(wù)層部署智能合約及鏈下匹配策略，此3層為核心層；應(yīng)用層用于各節(jié)點注冊、登陸、上傳信息。

圖3 基于區(qū)塊鏈的充電樁共享平臺架構(gòu)Figure 3 Architecture of a charging pile sharing platform based on blockchain

1.3 平臺工作流程

平臺工作流程如圖4所示，具體如下。

1)用戶注冊。用戶注冊時使用非對稱加密算法創(chuàng)建公鑰Ppub、私鑰Ppri，然后填寫身份信息，如充電樁型號、車型等，并將信息與Ppub一起發(fā)至監(jiān)管中心。監(jiān)管中心核實后將用戶信息Ppub存入數(shù)據(jù)庫，其他節(jié)點可以根據(jù)Ppub驗證該節(jié)點的真實性。

2)信息發(fā)布。充電樁運營商、私人充電樁發(fā)布信息，如地理位置、電價、可供預(yù)約充電時間、停車費用等，并將信息廣播到各主節(jié)點。電動汽車用戶發(fā)布信息至電動汽車運營商，由電動汽車運營商將信息廣播到各主節(jié)點。電動汽車用戶發(fā)布的信息包括電動汽車剩余電量、電動汽車期望獲到的電量、當(dāng)前所在位置、理想預(yù)約時間等。

3)鏈下匹配。對電動汽車運營商節(jié)點進(jìn)行匹配，分3層匹配。首先，根據(jù)剩余電量找出電動汽車所能到達(dá)范圍內(nèi)的充電樁；然后，根據(jù)電動汽車用戶的理想預(yù)約充電時間，找出可支持此段時間內(nèi)充電的充電樁；最后，以電動汽車用戶花費時間成本與經(jīng)濟(jì)成本最小為目標(biāo)函數(shù)，采用粒子群算法對該模型求解，從而為電動汽車用戶尋找最優(yōu)充電樁。匹配成功后由電動汽車運營商將匹配結(jié)果廣播到各主節(jié)點。

4)智能合約結(jié)算。當(dāng)滿足智能合約執(zhí)行的條件時，即電動汽車用戶在預(yù)約時間內(nèi)進(jìn)行充電，安裝在充電樁終端的智能電表實時更新充電電量，并上傳至智能合約。充電完畢后智能合約自動進(jìn)行結(jié)算、轉(zhuǎn)賬、記錄，并廣播到各主節(jié)點，由算力強(qiáng)的主節(jié)點打包交易數(shù)據(jù)區(qū)塊，形成區(qū)塊鏈。智能合約內(nèi)容包括交易雙方用戶名、交易地址、交易起始時間、交易電價、交易電量、交易費用。

圖4 平臺工作流程Figure 4 Platform workflow diagram

1.4 電動汽車用戶效用函數(shù)

車—樁交易中，電動汽車充電效用函數(shù)的特點為用戶的效用隨充電電量增加而增加，當(dāng)充電電量達(dá)到一定水平時，充電電量的增加不再使效用增加。電動汽車充電的二次效用函數(shù)為

(1)

基于區(qū)塊鏈的共享平臺中，信息的透明共享讓電動汽車用戶能及時掌握充電樁信息，提高用戶對充電樁的偏好程度，即用戶對樁的偏好程度與信息互通成正相關(guān)關(guān)系，而信息互通程度與區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度成正相關(guān)，所以用戶的偏好程度與區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度關(guān)系如公式所示。區(qū)塊鏈的應(yīng)用程度指車—樁接入?yún)^(qū)塊鏈平臺的比例。

(2)

2 鏈下匹配

2.1 三層尋找充電樁策略

第1層：最大范圍。用戶提供電動汽車剩余電量和耗電量，求得該電動汽車所能到達(dá)的最遠(yuǎn)范圍，篩選出此范圍內(nèi)充電樁。此層篩選避免了電動汽車無法到達(dá)預(yù)約充電樁的情況。電動汽車i所能到達(dá)的最遠(yuǎn)范圍為

(3)

式中Oi、Ci分別為電動汽車i的剩余電量、耗電量。

第2層：理想預(yù)約時間。設(shè)計充電樁最初可供預(yù)約時間Ti為24 h。資料顯示，選擇快充時電動汽車可在0.5～1 h內(nèi)獲得80%的電量，則設(shè)計電動汽車最短預(yù)約時間單位為0.5 h，預(yù)約時間段為00:00—00:30、00:30—01:00、...、23:00—23:30、23:30—00:00，共48個時間段。在第1層篩選的基礎(chǔ)上，用戶根據(jù)自身情選擇理想充電時間，預(yù)約成功后平臺自動移除該段時間。當(dāng)范圍內(nèi)充電樁無法滿足用戶理想充電時間時，用戶需更改充電時間。通常情況下用戶選擇私人充電樁充電時預(yù)約時間不少于5 h。

第3層：用戶需求偏向。在前兩層篩選的基礎(chǔ)上，以電動汽車用戶充電總成本最小為目標(biāo)函數(shù)，充電總成本包括時間和費用成本兩部分，其中，費用成本包含充電、停車、里程費用，即

(4)

(5)

時間與費用代表2個不同維度的變量，為了使時間成本與費用成本具有可比性，對各變量進(jìn)行歸一化處理[18]。歸一化函數(shù)為

(6)

式中xmin、xmax分別為變量x中的最小、最大值。

1)時間成本。

(7)

(8)

(9)

0≤Pj≤Pj,max

(10)

(11)

(12)

4)里程費用。由車樁間距離、電動汽車耗電量、充電電價決定：

(13)

2.2 粒子群優(yōu)化算法尋找最優(yōu)解

(14)

(15)

PSO用于第3尋找充電樁，過程如下。

1)參數(shù)初始化。初始化的參數(shù)包括：c1、c2、最大迭代次數(shù)G、種群規(guī)模N、粒子速度區(qū)間、搜索區(qū)間等。算例仿真中設(shè)置c1=c2=2；G=100；N=50；vmax=0.5，vmin=-0.5；ωmax=0.9，ωmin=0.4，ω=ωmax-(ωmax-ωmin)t/G，t表示當(dāng)前迭代次數(shù)。

2)產(chǎn)生初始粒子和速度，計算適應(yīng)度函數(shù)值、個體極值、群體極值。

3)迭代尋優(yōu)。速度、種群、適應(yīng)度值、個體極值、群體極值等更新。

4)判斷是否達(dá)到迭代次數(shù)，達(dá)到最大迭代次數(shù)，得出最優(yōu)充電樁，沒有達(dá)到迭代次數(shù)，返回步驟3，繼續(xù)迭代。

3 算例分析

3.1 驗證區(qū)塊鏈共享平臺安全性、效用性

車、樁交易完成后主節(jié)點通過工作量證明機(jī)制爭奪區(qū)塊打包權(quán)，最終由算力最強(qiáng)的節(jié)點獲取。該節(jié)點記錄的交易數(shù)據(jù)必須與超過50%的全網(wǎng)主節(jié)點記錄的數(shù)據(jù)一致，打包的區(qū)塊才算成功。車、樁某次交易數(shù)據(jù)如圖5、6所示，將其交易量30 kW·h篡改成31 kW·h，經(jīng)哈希算法打包，哈希值分別為 “e3909094baca34b1bcafb8170e4bc3da6358890721e-2626d4038ab6d1717c48b”,“dfa806dcab03e833f70-ce96e5b2a6d385a0676e83132d843fdca57cla0b24e29”，結(jié)果完全不同。若該節(jié)點不能篡改全網(wǎng)50%以上節(jié)點的信息，即全網(wǎng)惡意節(jié)點低于50%，將無法通過節(jié)點認(rèn)證，篡改無效。

圖5 正確數(shù)據(jù)與哈希值Figure 5 Correct data and hash value

圖6 篡改數(shù)據(jù)與哈希值Figure 6 Tampered data and hash value

由文獻(xiàn)[20]可知，q為惡意節(jié)點篡改下一個區(qū)塊的概率，p為誠實節(jié)點制造下一個區(qū)塊的概率，z為區(qū)塊個數(shù)，qz表示惡意節(jié)點最終追上z個區(qū)塊的概率。當(dāng)q=10%時，qz隨著z的變化如圖7所示?？芍?，當(dāng)區(qū)塊鏈上存在5個區(qū)塊時，區(qū)塊上的信息將無法再被篡改，保證了平臺的安全性。

圖7 概率Figure 7 Probability diagram

圖8 不同區(qū)塊鏈應(yīng)用程度下的用戶效用函數(shù)Figure 8 User's utility function under different blockchain application levels

3.2 驗證三層尋找充電樁策略的有效性

據(jù)調(diào)查，公共充電樁與私人充電樁特性如表1所示，二者在充電費用、方式、時間及功率等方面存在較大差異。以此可將電動汽車用戶劃分為3類：① A類，用戶時間急促，選擇在公共充電樁快充；②B類，用戶時間充裕，選擇在公共充電樁慢充；③C類，用戶時間充裕，選擇在私人充電樁慢充?？斐渑c慢充的車—樁信息如表2所示，本文以家用電動汽車為研究對象。

表1 充電樁信息Table 1 Charging pile information

表2 電動汽車信息Table 2 Information of EV

本文選擇在10 km×10 km的區(qū)域上進(jìn)行仿真。在該區(qū)域設(shè)計有20個私人充電樁、3個公共充電樁隨機(jī)分配，如圖9所示。各充電樁的充電電價、據(jù)電動汽車的距離、停車費信息已知，私人充電樁的電價、停車費用低于公共充電樁電價、停車費用。

圖9 充電樁分布Figure 9 Distribution of charging piles

B、C類用戶選擇不同充電樁的費用成本如圖10所示，其中，充電樁21、22、23號為公共充電樁，可知B類用戶費用遠(yuǎn)高于C類用戶，激勵了電動汽車用戶選擇私人充電樁進(jìn)行慢充，充分利用私人充電樁，降低公共充電樁不足的壓力。A類用戶選擇不同充電樁的費用成本如圖11所示，與圖10的B類用戶充電費用相比，快充成本遠(yuǎn)低于慢充成本，抑制了用戶選擇公共充電樁進(jìn)行慢充，提高了公共充電樁的使用效率。

圖10 B、C類用戶費用成本Figure 10 Cost of B and C

圖11 A類用戶費用成本Figure 11 Cost of A users

在電動汽車用戶尋找充電樁時，考慮路上車流量對用戶到達(dá)充電樁的時間影響較大，在不同時段設(shè)置不同的權(quán)重a1、a2，如表3所示。

表3 不同時段權(quán)重配置Table 3 Weight configuration for different periods

B、C類用戶在不同時段的尋樁情況如圖12所示，平臺在高峰和其他時段為其選擇的充電樁分別為4、16號充電樁，最大程度滿足了用戶的需求。

圖12 B、C類用戶尋樁情況Figure 12 Stake-finding situation of B and C users

假設(shè)該區(qū)域白天會涌入50輛區(qū)域外的電動汽車，此150輛電動汽車用戶為B、C類用戶。私人充電樁未共享前電動汽車的充電現(xiàn)象如圖13所示，充電高峰為07:00—08:00、11:00—12:00、18:00—21:00，工作時段為09:00—11:00、13:00—17:00，充電車輛數(shù)量較少。資料顯示，考慮電動汽車的電池壽命，61%的用戶會避免選擇快充。私人充電樁共享后電動汽車充電現(xiàn)象見圖13，工作時段20%的用戶選擇于私人充電樁充電，私人充電樁利用率達(dá)到80%，18:00—21:00充電數(shù)量降低5.7%，電動汽車充電需求得到滿足的幾率由75%提升至94%(根據(jù)充電需求得到滿足的電動汽車數(shù)量計算)，提高了社會滿意度，減緩了電網(wǎng)壓力。

圖13 不同時段電動汽車充電數(shù)量Figure 13 Charging quantity of EV in different periods

4 結(jié)語

本文所建立的基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁共享平臺，能夠支持多充電樁運營商、私人充電樁接入，具有去安全性、經(jīng)濟(jì)性高的特點；提出的3層尋找充電樁策略能最大程度滿足用戶的需求，具有一定的實用性、經(jīng)濟(jì)性。

1)構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的電動汽車充電樁共享平臺模型架構(gòu)，介紹了平臺節(jié)點及其工作流程，驗證了區(qū)塊鏈平臺的安全性，能提高用戶的效用函數(shù)。

2)提出了3層尋找充電樁策略，用粒子群算法尋優(yōu)，仿真結(jié)果驗證了該方案能最大程度滿足用戶對時間成本和費用成本的不同需求。仿真結(jié)果表明，該平臺可將選擇慢充的電動汽車用戶優(yōu)先分配給私人充電樁，而充電站內(nèi)充電樁則優(yōu)先分配給選擇快充的電動汽車用戶，提高了充電樁的利用率，在一定程度上降低了電動汽車用戶晚間集體充電的概率。