劉維揚(yáng)，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(dòng)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(dòng)汽車?yán)m(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(yùn)營(yíng)模式發(fā)展相對(duì)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(jì)管理成本的同時(shí)導(dǎo)致高比例的閑置率，造成車主充電難、運(yùn)營(yíng)商難盈利的困境，嚴(yán)重制約了電動(dòng)汽車市場(chǎng)的發(fā)展。因此，如何構(gòu)建合理有效的電動(dòng)汽車充電樁資源配置平臺(tái)，充分調(diào)動(dòng)各市場(chǎng)主體的資源優(yōu)勢(shì)、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(jì)模式能夠極大地促進(jìn)資源的有效利用，而充電樁作為有償?shù)墓补蚕砩鐣?huì)資源，使私人充電樁也具有明顯的共享經(jīng)濟(jì)特征[3]。然而傳統(tǒng)的共享平臺(tái)都依賴于中心化機(jī)制，存在征信成本高、信息不對(duì)稱、數(shù)據(jù)泄露與篡改風(fēng)險(xiǎn)高的弊端，無法保障共享經(jīng)濟(jì)的安全性和可信性[4]。具備去中心化、共識(shí)信任機(jī)制、不可篡改可追溯等特點(diǎn)的區(qū)塊鏈技術(shù)與充電樁共享模式有很好的契合點(diǎn)，可為電動(dòng)汽車的共享充電服務(wù)創(chuàng)新奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

區(qū)塊鏈在共享經(jīng)濟(jì)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(hù)機(jī)制[7]等。針對(duì)電動(dòng)汽車充電樁的研究，文獻(xiàn)[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(jì)生態(tài)環(huán)境；文獻(xiàn)[8]利用區(qū)塊鏈技術(shù)為電動(dòng)汽車用戶與電力市場(chǎng)構(gòu)建有效的雙邊交易與競(jìng)價(jià)體系；文獻(xiàn)[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(hù)機(jī)制。上述文獻(xiàn)大多側(cè)重于電動(dòng)汽車與充電樁之間隱私保護(hù)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(jì)的安全性驗(yàn)證，對(duì)于共享充電樁完備的平臺(tái)設(shè)計(jì)與應(yīng)用涉及較少，未能在共享經(jīng)濟(jì)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(dòng)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(tái)，首先對(duì)電動(dòng)汽車充電樁共享系統(tǒng)進(jìn)行框架設(shè)計(jì)，建立了多層次的應(yīng)用架構(gòu)；接著，根據(jù)電動(dòng)汽車用戶、充電樁運(yùn)營(yíng)商和電動(dòng)汽車管理商各自所具備的邏輯需求，實(shí)現(xiàn)充電積分和充電樁相關(guān)智能合約的設(shè)計(jì)；最后，通過算例驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈下共享充電樁平臺(tái)的可行性。

1 重要概念與技術(shù)

1.1 共享經(jīng)濟(jì)

共享經(jīng)濟(jì)是在“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下發(fā)展出的全新經(jīng)濟(jì)模式，以一種合作消費(fèi)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(shí)獲取一定的經(jīng)濟(jì)效益[11]。在現(xiàn)有電動(dòng)汽車充電產(chǎn)業(yè)中引入共享充電樁的經(jīng)濟(jì)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(bǔ)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(jì)模式平臺(tái)大多需要第三方中介機(jī)構(gòu)進(jìn)行集中式的數(shù)據(jù)傳輸與保護(hù)。隨著私人充電樁數(shù)量的急劇增多，其規(guī)模大、隨機(jī)性強(qiáng)的充電行為會(huì)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(xiǎn)，大大增加了系統(tǒng)管理成本和數(shù)據(jù)保護(hù)成本。為此，作為分布式賬本的區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，其本質(zhì)恰恰能夠消除對(duì)第三方機(jī)構(gòu)的依賴，共享體和市場(chǎng)主體相對(duì)區(qū)塊數(shù)據(jù)都是平等的，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)等的直接交易，推動(dòng)真正的充電樁共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展[12]。

1.2 區(qū)塊鏈與以太坊技術(shù)

區(qū)塊鏈實(shí)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(gè)區(qū)塊均記錄了某一時(shí)段內(nèi)的全部交易數(shù)據(jù)，運(yùn)用了賬戶公私鑰之間的非對(duì)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(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、區(qū)塊之間取得信任的共識(shí)機(jī)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(tái)以太坊的誕生，區(qū)塊鏈技術(shù)得到了天然的應(yīng)用擴(kuò)展，且二者相輔相成：以太坊平臺(tái)底層封裝了區(qū)塊鏈的各項(xiàng)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(dòng)程序化的保障平臺(tái)；區(qū)塊鏈作為底層分布式賬本，在無第三方中心機(jī)構(gòu)參與的情況下，形成相互共識(shí)、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(gè)參與節(jié)點(diǎn)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(dòng)汽車充電樁共享平臺(tái)框架設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)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(lì)電動(dòng)汽車車主參與、擴(kuò)大充電樁的普遍應(yīng)用。本文在此共享平臺(tái)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(dòng)，并參與各市場(chǎng)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(tái)框架

參與到區(qū)塊鏈共享平臺(tái)中的市場(chǎng)主體包括電動(dòng)汽車用戶、充電樁運(yùn)營(yíng)商和電動(dòng)汽車管理商，作為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中獨(dú)立節(jié)點(diǎn)。每個(gè)市場(chǎng)主體基于含IP地址、公鑰和私鑰等加密信息的節(jié)點(diǎn)參與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)交互，構(gòu)成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的分布式共享交易系統(tǒng)。電動(dòng)汽車管理商以發(fā)布和清算充電積分的方式來簡(jiǎn)化管理用戶和充電樁運(yùn)營(yíng)商的支付交易情況：電動(dòng)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(yùn)營(yíng)可向管理商兌換充電積分以獲得相應(yīng)的真實(shí)資金；電動(dòng)汽車用戶和充電樁運(yùn)營(yíng)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(shí)現(xiàn)資源共享與最優(yōu)配置；充電樁運(yùn)營(yíng)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(jìn)行充電服務(wù)，也可以共享閑置的私人充電樁進(jìn)行尋租服務(wù)。各市場(chǎng)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(dá)成智能合約，在區(qū)塊鏈共享平臺(tái)中自動(dòng)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(tái)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(kuò)展的開發(fā)技術(shù)框架，上層可用JavaScript語言方便地進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，底層內(nèi)置了智能合約編譯器，可實(shí)現(xiàn)編譯、部署、測(cè)試的整個(gè)流程。本文所設(shè)計(jì)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(jì)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(chǎng)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(tái)的區(qū)塊鏈分布式交易賬本作為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)環(huán)境，支持并存儲(chǔ)上層智能合約操作所達(dá)成的各項(xiàng)區(qū)塊信息。各市場(chǎng)主體節(jié)點(diǎn)之間通過POW(proof of work)共識(shí)機(jī)制和非對(duì)稱加密技術(shù)實(shí)現(xiàn)合法記賬，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都獲得一個(gè)唯一、真實(shí)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(chǎng)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(tái)，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(dá)成并部署就不可修改。

2.2.3 中間接口層

采用Web3技術(shù)實(shí)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(duì)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(chǎng)主體提供可視化的交互式操作界面，使各市場(chǎng)主體能夠方便快捷地實(shí)現(xiàn)各智能合約操作的交互。

3 智能合約設(shè)計(jì)

3.1 合約屬性設(shè)計(jì)

各市場(chǎng)主體作為獨(dú)立的智能合約執(zhí)行者，以電動(dòng)汽車用戶為例，其各項(xiàng)屬性信息見表1。采用配對(duì)的公私鑰作為賬戶模型，賬號(hào)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(hào)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(dòng)汽車用戶合約屬性

表2 單個(gè)充電樁屬性

3.2 合約功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 客戶端登陸合約

客戶端登陸合約主要包括電動(dòng)汽車用戶和充電樁運(yùn)營(yíng)商的密鑰獲取、注冊(cè)登陸、賬戶管理。各市場(chǎng)主體通過配對(duì)的公鑰和私鑰作為賬號(hào)和密碼注冊(cè)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(yùn)營(yíng)商之間積分轉(zhuǎn)讓與兌換操作流程如圖3所示。其余市場(chǎng)主體的積分操作與之類似。

圖3 充電樁運(yùn)營(yíng)商充電積分操作流程

3.2.3 充電樁操作合約

電動(dòng)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(yùn)營(yíng)商的充電樁操作與之類似。

圖4 電動(dòng)汽車用戶充電樁操作流程

4 實(shí)驗(yàn)與驗(yàn)證

采用以太坊作為區(qū)塊鏈環(huán)境平臺(tái)，在Ubuntu 16.04操作系統(tǒng)下測(cè)試，采用Solidity語言編寫智能合約。對(duì)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(cè)試賬戶，以本機(jī)IP地址的3個(gè)端口號(hào)作為3個(gè)市場(chǎng)主體的測(cè)試節(jié)點(diǎn)地址，構(gòu)成局部點(diǎn)對(duì)點(diǎn)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(jī)IP地址的8545端口上監(jiān)聽并搭建以太坊私有鏈，所申請(qǐng)的10個(gè)測(cè)試賬戶如圖5 所示，即對(duì)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(shí)以消耗一部分Gas值的方式對(duì)計(jì)算步驟做出限制[13]。故每個(gè)地址默認(rèn)已提供100ETH(以太幣)的賬戶余額，用來支付以太坊網(wǎng)絡(luò)對(duì)Gas費(fèi)用的收取。

圖5 區(qū)塊鏈測(cè)試賬戶

為簡(jiǎn)化代碼、防止默認(rèn)的Gas值過大導(dǎo)致產(chǎn)生Out of Gas的錯(cuò)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(shí)通過Metamask錢包動(dòng)態(tài)地定義Gas值并設(shè)置交易確認(rèn)對(duì)話框，體現(xiàn)以太坊區(qū)塊鏈平臺(tái)下用戶交互式應(yīng)用模式。

4.2 應(yīng)用界面設(shè)計(jì)

各市場(chǎng)主體以賬號(hào)和密碼的形式注冊(cè)并登陸共享充電樁平臺(tái)，電動(dòng)汽車用戶的登陸界面如圖6所示。其余市場(chǎng)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(gè)測(cè)試賬號(hào)0x9ffabb9cedb9ffcb5 ddd765f5e7b1e29615a364d作為電動(dòng)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(dòng)汽車用戶賬號(hào)地址。其余市場(chǎng)主體登陸客戶端后的界面與之類似。

圖6 電動(dòng)汽車用戶登陸界面

圖7 電動(dòng)汽車用戶管理操作界面

4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

4.3.1 充電積分操作

電動(dòng)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(chǎng)主體的充電樁共享使用情況，因此本文以管理商的視角驗(yàn)證充電積分的操作。圖8(a)為管理商向前文所注冊(cè)的用戶賬戶地址發(fā)行100個(gè)充電積分操作，點(diǎn)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(dòng)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(gè)充電積分，驗(yàn)證管理商發(fā)行充電積分成功。與之類似，其余市場(chǎng)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(shí)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(dòng)汽車用戶或充電樁運(yùn)營(yíng)商在進(jìn)行充電樁操作時(shí)會(huì)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(hào)、充電價(jià)格等，以供用戶個(gè)性化選擇。

圖9 共享充電樁操作界面

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

圖10 Metamask交易確認(rèn)界面

為測(cè)試智能合約邏輯，選擇默認(rèn)設(shè)置點(diǎn)擊“SUBMIT”確認(rèn)交易后，共享充電樁列表如圖9(b)所示。編號(hào)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(dòng)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(fèi)用即充電積分，完成充電樁租用費(fèi)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(chǎng)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(dòng)汽車用戶租用充電樁的測(cè)試驗(yàn)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(hào)、交易者地址、交易費(fèi)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(shí)驗(yàn)通過具體的實(shí)例操作展示了區(qū)塊鏈電動(dòng)汽車共享充電樁平臺(tái)的應(yīng)用流程，并驗(yàn)證區(qū)塊鏈在電動(dòng)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(jì)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(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈下電動(dòng)汽車共享充電樁平臺(tái)的落地應(yīng)用，無中心化的存儲(chǔ)機(jī)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(chǎng)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(shí)的共享交易協(xié)議，在充分調(diào)動(dòng)各市場(chǎng)主體需求的同時(shí)，有效實(shí)現(xiàn)各市場(chǎng)主體高效、安全、可信任的去中心化共享交易。

(3)設(shè)計(jì)了各市場(chǎng)主體間的交互式應(yīng)用界面，并以具體實(shí)例操作驗(yàn)證區(qū)塊鏈共享充電樁平臺(tái)的可行性，為區(qū)塊鏈在電動(dòng)汽車共享充電樁中的應(yīng)用提供切實(shí)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(dòng)端開發(fā)相結(jié)合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的多適用性與可靠性。