1、基于区块链生态系统的充电桩共享经济模式 齐林海 李雪 祁兵 王红 华北电力大学 摘 要： 充电桩共享是解决充电难的创新服务模式。分析了中心化共享平台在信用体系、信息安全、收益分配以及数据共享等方面的弊端, 指出具有分布式点对点、去中心化、共识信任机制和信息不可篡改等特点的区块链技术是实现共享系统的理想选择。由于单项技术难以满足复杂应用系统的多样化需求, 所以需要多项技术相互作用, 互为补充。提出基于区块链、闪电网络和智能合约技术, 形成区块链生态系统, 构建安全、高效和自动化的共享平台。结合电动汽车充电场景, 说明基于闪电网络的支付网络的建立和基于哈希密钥逐级验证的智能合约的实现过程。最后,
2、展望了该方案在售电管理、需求响应管理及新能源消纳等方面构建能源区块链的应用可能性。关键词： 区块链; 闪电网络; 智能合约; 充电; 共享; 交易; 作者简介：齐林海 (1964) , 男, 副教授, 主要从事智能电网大数据应用、电能质量信息处理和自动需求响应等方面的研究工作;作者简介：李雪 (1992) , 女, 硕士研究生, 主要从事智能电网大数据应用、自动需求响应等方面的研究工作;作者简介：祁兵 (1965) , 男, 教授, 主要从事电力节能、自动需求响应等方面的研究工作;作者简介：王红 (1978) , 女, 博士, 讲师, 主要从事智能电网大数据应用、自动需求响应等方面的研究工作。
3、收稿日期：2017-05-30Shared Economy Model of Charging Pile Based on Block Chain EcosystemQI Linhai LI Xue QI Bing WANG Hong North China Electric Power University; Abstract： Charge pile sharing is an innovative service mode to solve charging problems. This paper analyzes the drawbacks of the centralized sh
4、aring platform in credit system, information security, revenue distribution and data sharing, and points out that the block chain technology, which has the characteristics of distributed point-to-point, de-centralization, consensus trust mechanism and information immutability, is the ideal choice fo
5、r implementing sharing system. Since individual technology is difficult to meet the diverse needs of complex application systems, a number of technical interactions need to be used to complement each other. Based on block chain, lightning network and smart contract technology, this paper proposes ab
6、lock chain ecosystem to build a secure, efficient and automated sharing platform. Combining electric vehicle charging scenarios, this paper presents the establishment of the payment network based on the lightning network and the realization of the smart contract based on the hash key verification. F
7、inally, the application possibility of energy block chain in the aspects of electricity sales management, demand response management and newenergy accommodation is discussed.Keyword： block chain; lightning network; smart contract; charging; share; transaction; Received： 2017-05-300 引言到 2020 年中国各类电动汽
8、车保有量将超过 500 万辆, 其中电动公务车与私人乘用车将超过 430 万辆1。电动汽车产业在实现跨越式发展的同时, 也面临着挑战。一方面, 电动汽车大规模接入, 导致电网负荷增长, 峰谷差加剧, 控制难度加大2;另一方面, 现有充电基础设施建设及运营模式与电动汽车发展不协调, 普遍存在重视电动汽车, 不重视充电桩, 造成车多桩少、有车无桩现象严重1。目前, 电动汽车接入电网的研究开展得较为深入, 取得了一系列的研究成果。然而由于充电服务的成熟商业模式尚未形成, 短期内难以盈利, 因此, 企业对充电基础设施建设采取观望态度, 造成充电桩建设滞后。充电难严重影响了电动汽车使用, 并对电动汽车的
9、生产、销售和潜在需求造成重大影响3。改变目前政府、电网企业和整车企业在充电服务模式中扮演重要角色4的局面, 积极引进社会资本进入充电服务市场, 形成竞争格局, 创新充电服务模式已经成为一个迫在眉睫的研究课题。美国、欧洲各国、日本等发达国家的私人充电桩建设规模远大于公共桩5。近年来, 我国也高度重视和积极引导私人充电桩建设, 我国 20152020 年充电基础设施建设规划目标指出:建成超过 280 万个私人充电桩, 占总充电桩比例达58.3%1。2015 年我国私人购买电动汽车比例已达 72%。培育和发展私人消费者是中国汽车市场走向成熟的必经之路, 而私人充电桩建设和运营模式创新是电动汽车发展的
10、关键。作为车联网、智能电网的“入口”, 充电桩业务潜在价值巨大, 具备广阔的发展前景与商业模式创新空间6。随着私人电动车保有量快速增加, 私人充电桩共享模式越来越受到重视和接受。基于“互联网+”环境, 采用共享经济运行模式, 建立一个高效、安全、互信的交易平台十分必要。1 充电桩共享分析私人充电桩具有明显的共享经济特征, 如下详述。 (1) 创造互惠的经济价值。充电桩主和电动车主都可从中获益。 (2) 属于未充分利用的资产。满足自用外, 私人充电桩大量时间处于闲置状态。 (3) 网络易访问。智能充电桩为人机交互以及远程控制提供了可靠的技术保证。 (4) 充电桩主与电动车主形成庞大社群, 维系社
11、群中点对点信任是可持续发展的关键。 (5) 降低所有权需求。成熟、稳定、可靠的共享经济模式可以降低独自拥有充电桩的需求7。私人充电桩共享是破解充电桩建设困局、缓解充电难的创新运营模式。目前, 多家运营商推出的私人充电桩共享平台, 均采用中心化运营模式, 存在以下弊端: (1) 运营商主导的中心化平台征信成本高, 信用体系脆弱, 无法保证充电桩主与电动车主之间点对点直接交易的信用安全。 (2) 传统的中介商业模式通过收取高比例的交易佣金, 满足利润和运营成本要求。这种模式对充电桩共享这种小额、高频、微利的交易影响较大, 不利于吸引更多的用户参与。 (3) 一旦中心机构受到攻击, 数据可能丢失或被
12、篡改, 酿成严重后果。 (4) 过度中心化导致信息不对称, 中心机构掌握市场的所有交易信息, 用户隐私难以保障, 可能存在利用中心权力损害参与者利益的情况8。 (5) 不利于数据共享。数据分散在不同运营商的平台中, 形成信息孤岛, 无法实现数据共享。区块链技术具有分布式点对点、去中心化、共识信任机制、信息不可篡改、开放性、匿名性等特点9。区块链技术特征与充电桩共享的应用需求具有很好的结合点, 可以避免中心化平台带来的弊端。基于区块链技术可以构建运行生态化、认证公平化、合约智能化、信息透明化的应用系统10。然而, 区块链技术在处理能力、时效性、存贮效率等方面存在的局限性, 阻碍了其在更多领域中应
13、用。闪电网络技术是解决区块链应用扩展性的可选方案11, 支持在比特币区块链上建立直接或间接的支付通道, 以实现链上交易资金管理和链下交易过程管理。由于既保证了比特币区块链的特性, 也满足了交易处理能力和数据容量的需求, 闪电网络的技术特征适合于高频小额交易需求。与自然界生态系统相似, 软件系统之间通过信息传递、功能互补, 相互作用、相互依存, 可以构成稳定、高效的软件生态系统12。本文在充分分析区块链、闪电网络和智能合约等技术的基础上, 提出基于比特币区块链、闪电网络和智能合约构建区块链生态系统, 实现去中心化、安全、高效的充电桩共享。2 区块链技术2008 年, 论文Bitcoin:A pe
14、er-to-peer electronic cash system13详细论述了区块链技术支撑的, 实现点对点交易的比特币电子现金系统。区块链技术的基本处理单元是存储了一定时间内所有交易数据及相关验证信息的数据区块。区块链按照时间顺序以链条的方式组合成特定数据结构, 形成以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的去中心化共享数据信息, 并利用 SHA 256 算法和 Merkle 树实现简单安全存储、有先后关系、高效快速验证的数据管理系统9。2.1 区块链的运行机制2.1.1 共识机制区块链技术建立在分布式的点对点网络环境中, 没有中心节点, 不存在层级结构, 需要高度共识。共识机制的核心是采用难
15、度低、计算量大、参与度高的工作量证明法确定新区块记账权。通过共识机制, 每个节点都可以保存一个完整区块链副本, 形成分布式的数据存储, 所有交易均受到共同监督见证。区块链系统中参与共识的节点越多, 共识的凝聚力越强, 可信任度也越高。2.1.2 安全机制区块链采用非对称加密技术保证数据的真实性, 通过避免分叉解决数据安全问题。避免分叉的算法有 2 个要点: (1) 新的区块总是链接到较长的分支末端; (2) 新区块生成后, 需要在其后再链接 6 个区块, 才确认该新区块有效。避免分叉算法具有很高的安全性。避免分叉可以同时有效地阻止数据篡改和撤销的恶意行为。只有重新计算被更改区块及其后续所有区块
16、, 并且追上或超过网络中合法区块链的进度后, 恶意行为才有可能被其他节点认可。理论上, 如果恶意节点占据了全网 51%的计算能力, 他就可以控制新区块的生成。因此, 区块链技术极力避免出现中心化倾向。2.1.3 开放机制比特币区块链系统的开源方式, 确保了系统算法和源代码处于所有人的监督之下, 任何人都无法通过添加恶意代码或者利用系统漏洞牟取利益。同时, 任何节点的接入和退出不会影响系统的运行, 无须真实身份验证和权限控制, 节点采用匿名方式注册登记后, 即可参与交易和验证。去中心化是开放的重要体现。由于共识机制和安全机制的制约, 已经不用考虑信用问题, 成为事实上无需信用的系统;分布式数据存
17、储, 取代了数据中心, 有利于数据共享。2.2 区块链的局限性区块链技术构建了高度可信的运行环境, 但在应用过程中遇到了效率低的问题: (1) 交易处理能力低。区块链 1s 大约处理 7 笔交易, 而现有金融交易系统, 处理能力可达到每 s 数万笔交易。 (2) 交易确认时效性差。10 min 生成 1 个区块, 且需要延时 6 个区块后, 才能确认交易。故无法满足即时业务处理需求。 (3) 存储效率低。每个节点都保存 1 个区块链副本。随着时间推移, 交易量增加, 海量数据的存储对于节点的存储能力要求更高。去中心化是区块链技术的核心, 解决面临的问题应确保去中心化这个原则, 否则, 区块链的
18、共识机制将被破坏。因此, 当区块链自身不能解决其应用扩展性问题时, 需要借助其他技术方案。3 区块链应用技术扩展3.1 闪电网络2015 年 2 月, 针对区块链的局限性, 论文The bitcoin lightning network:Scalable off-chain instant payments11提出了构建闪电网络的设想。3.1.1 闪电网络的基本原理比特币网络中, 小额交易占很大比例, 区块链技术所承载的共识计算、数据存储等压力主要来自小额交易14。闪电网络的思路是:在比特币区块链系统之外, 建立一个采用传统技术方法的交易管理系统。交易双方在比特币系统中存储并共同管理一笔保证金
19、, 将频繁的小额交易信息管理引到链外的交易管理系统中, 当终止交易关系后, 将所有交易记录在比特币区块链系统中广播, 并完成资金转账。在整个交易过程中, 只有开始和结束 2 个时刻在区块链上处理, 对于比特币区块链系统而言, 大量频繁的交易过程管理就像闪电一样快捷, 从而大大提高了系统性能。闪电网络处理过程如图 1 所示。图 1 闪电网络处理过程 Fig.1 Processing of lightning network 下载原图3.1.2 闪电网络实现方法闪电网络的基础是建立交易双方之间的双向支付通道, 即交易双方在比特币区块链上共同申请建立一个多重签名地址 (账号) , 只有双方都签名确认
20、后才能转移地址中的资金。闪电网络的实现过程分为支付通道的创建、更新和关闭 3个阶段。支付通道创建, 分直接支付通道和间接支付网络 2 种方式。直接支付通道中, 交易双方共同在区块链上创建一个多重签名地址, 存入交易准备金。交易双方保存各自的密钥。间接支付网络中, 借助中间人 (中间人可以是多个) , 通过多个节点之间的串联, 形成一个支付通道网络, 实现陌生的交易双方支付通道的快速建立。支付通道的建立是闪电网络技术的基础。支付通道更新是指根据交易行为对多重签名地址中的资金余额进行修改和记录的过程。支付通道关闭是指双方交易关系结束, 进行资金的结算转移。3.1.3 闪电网络的安全策略任何一方,
21、可以随时将最新的资金余额记录发布到比特币区块链上, 按照余额的分配方案, 将资金划转到双方各自的私人账号。为了防止任何一方发布过期的或篡改的余额分配方案, 损害对方利益, 闪电网络规定: (1) 提出关闭通道的一方需要等待生成 1 000 个数据块时长, 才能拿到自己的分配金额; (2) 交易双方在每次更新支付通道余额时, 都自动把上一轮交易中各自的密码发送给对方。这样, 潜在受害一方就有充足时间发现对方的恶意行为, 同时, 可以通过密码证明对方的恶意, 并且可以按照有利于自身利益的方式转移资金。3.2 智能合约智能合约 (smart contract) 是由多产的跨领域学者 NICK S 于
22、 1995 年提出的。他认为智能合约是一套以数字形式定义的承诺, 并包括合约参与方可以在上面执行这些承诺的协议。智能合约是能够自动执行合约条款的计算机程序, 在无人为干涉的情况下, 于可信赖环境中安全、准确地由计算机程序自动根据条款设定条件触发合约执行15。区块链技术提供了可信赖运行环境, 使智能合约获得真正的应用。智能合约以脚本语言编写嵌入式合约程序, 使之融入交易信息中, 完全纳入区块链技术的共识机制与安全机制管控之下, 无须第三方监管, 无法篡改和撤销, 确保合约条款公平、公正执行, 真正实现了由计算机程序触发支付。智能合约为区块链技术打开了广阔的应用空间。智能合约的可编程特性, 不仅使
23、其可以内置在区块链交易数据之中, 得到共识验证, 确保合约的可靠执行, 而且, 智能合约还可以映射到任何联网的有形物体上, 形成数字化资产。例如:房门钥匙、汽车钥匙以及充电桩启动开关等都可以被赋予智能合约。在区块链中, 交易双方设定付款方式和电子钥匙的使用权限等合约条款, 当符合条件时, 触发合约执行, 一方获取使用设备的电子密钥, 另一方获取数字货币。智能合约将区块链与物联网结合起来, 真正地实现了互联网环境下的价值转移。4 基于区块链生态系统的充电桩共享随着软件系统规模、用户群体的急剧增长, 系统功能、性能以及安全需求的多样化, 单个系统已经很难满足要求, 系统之间不再彼此孤立, 需要互利
24、共生。基于区块链技术的比特币系统虽然可以提供安全可信的交易环境, 但是无法满足应用系统性能要求。闪电网络交易管理系统借助于比特币区块链的安全环境, 实现频繁小额交易的管理, 提供高效服务。进一步利用智能合约实现资产数字化管理, 确保无需人为干涉的价值转移, 满足共享经济应用需求。本文提出, 利用比特币区块链、闪电网络和智能合约构建区块链生态系统, 实现去中心化、安全、高效和自动的充电桩点对点共享。该充电桩共享模式如图 2 所示。由图 2 可知, 比特币区块链系统作为通用的数字货币系统, 为各种应用提供支撑。因为其开放性和去中心化特征, 各种用户均可注册。其中, 有数量庞大的为获取比特币奖励而争
25、夺记账权的“矿工”;有为满足充电桩共享而进行交易的充电桩主、电动车主和中间人 (充电服务商等) ;有为共享数据进行数据分析挖掘以辅助业务决策的电网公司用户等。图 2 基于区块链生态系统的充电桩共享模式 Fig.2 Charging pile for sharing based on block chain ecosystem 下载原图5 充电桩共享方案及其关键技术5.1 方案设计闪电网络交易管理系统与比特币区块链是 2 个相对独立的系统。比特币区块链利用闪电网络交易管理系统解决应用扩展性问题。闪电网络系统将区块链作为交易双方信赖的第三方担保, 确保资金和支付操作的安全, 并将大量频繁的交易过程
26、管理和数据存储引入到闪电网络系统中, 保证区块链的处理能力和存储效率。本方案将智能合约映射到基于云平台的互联网环境下的智能充电桩上, 实现智能合约驱动的价值转移。基于闪电网络的充电桩点对点共享逻辑结构如图 3 所示。5.1.1 比特币区块链系统本方案涉及的电动车、充电桩、供电公司、中间人等均可以注册到开放的比特币区块链系统中。其中, 电动车主、充电桩主以及中间人可以实现安全可信的资金存储和交易转账;供电公司作为区块链节点可以利用分布式存储特征, 通过完整的区块链副本, 对充电桩相关数据进行检索、分析、挖掘, 实现充电负荷的有序引导与控制。5.1.2 闪电网络交易管理系统闪电网络交易管理系统采用
27、主流的基于云平台的互联网环境架构。电动车主及其电动车、充电桩主及其充电桩以及参与充电桩共享交易的中间人均以真实身份注册到系统中。电动车主、充电桩主及中间人之间形成智能合约, 除约定合约交易条款外, 应标明各自在区块链系统的匿名地址 (账号) , 以避免由于区块链系统采用匿名方式而造成的合约有效性纠纷问题。图 3 基于闪电网络的充电桩点对点共享逻辑结构 Fig.3 Point-to-point sharing logic diagram of charging pile Based on lightning network 下载原图5.1.3 充电桩共享方案分析以图 3 中电动汽车 D 与充电桩
28、 A 之间的交易为例, 交易流程如图 4 所示。图 4 充电桩点对点交易流程 Fig.4 Flow chart of trading for charging pile by point-to-point sharing 下载原图由于是点对点的交易, 所以交易参与方可以根据市场变化和自身的承受能力, 灵活制定合约期限、充电次数、价格和佣金比例等, 区块链运行机制保证了合约的诚信执行, 可以实现交易参与方利益的最大化。5.2 灵活的支付网络建立支付通道是闪电网络的核心。事实上, 在共享经济模式下, 交易双方建立直接支付通道的情形并不多见。陌生的交易双方往往需要借助中间人构建间接支付通道网络。支付
29、通道网络如图 5 所示。图 5 支付通道网络 Fig.5 Network of payment channel 下载原图与现有金融系统中商业银行及其网点一样, 比特币区块链系统中会有“职业中间人”, 为建立支付通道提供服务;一些商业机构或企业也可以充当中间人, 如充电桩厂商、电动汽车销售商等。为了方便售后服务和维修保养, 充电桩主或电动车主会与他们保持已经建立的支付通道。当陌生充电桩主与电动车主进行充电交易时可以通过中间人建立支付通道网络。通过中间人可以建立完善、灵活的支付通道网络, 极大地方便了交易资金的支付转移。5.3 智能合约驱动的充电桩共享与滴滴打车的面对面交易不同, 充电桩共享必须支
30、持人 (电动车主) 与设备 (充电桩) 之间的安全可信交易。本文利用哈希函数不可逆的单向函数特征, 即只能用哈希密钥 R 计算出哈希值 H (R) , 不能通过哈希值 H (R) 反推出哈希密钥 R, 制定基于哈希密钥的逐级验证的智能合约, 实现基于零知识证明信任机制的充电服务。基于哈希密钥的逐级验证智能合约如图 6 所示。以图 4 所示的充电桩共享方案为例, 算法包括以下步骤: (1) 充电桩主 A 生成哈希密钥 R, 通过闪电网络交易管理系统云平台远程配置充电桩智能锁, 并设置约定的充电量, 将哈希值 H (R) 发送给电动车主 D, 自己保留哈希密钥 R。 (2) 通过运营商 A 和运营
31、商 D 建立支付通道网络。 (3) 依据支付通道网络, 从电动车主 D 开始逐级制定合约。合约约定交易金额及转账期限, 设定触发条件为已获得哈希正确的密钥 R。 (4) 逐级执行合约。从充电桩主 A 开始, 依次提交密钥 R, 最后, 电动车主 D 利用哈希值 H (R) 验证密钥 R, 若与充电桩主 A配置开启密钥吻合, 完成充电。图 6 基于哈希密钥的逐级验证智能合约 Fig.6 Smart contract of step-by-step verification based on Hash key 下载原图在图 6 中, 虚线表示逐级建立合约, 实线表示逐级验证执行合约。其中, 金额由
32、大到小依次为 36.0、34.5、33.0 元, 金额差为中间人的佣金;期限分别为 2天、1 天、2 h, 时间差确保各参与方对合约执行与验证。每次充电后在闪电网络系统中保存交易余额信息, 完成约定的充电次数后, 将最终交易金额的快照提交区块链, 完成转账支付。6 结论区块链技术是比特币等数字货币的底层支撑技术, 特别适合于分布式、点对点、具有交易行为和价值转移的应用;闪电网络技术是解决区块链技术应用扩展性问题的一种解决方案。将智能合约与区块链和闪电网络结合, 使得物联网中设备资产的价值转移获得了一个安全可靠的环境, 实现了程序驱动的资产数字化。电动汽车的移动特性和充电桩分散部署, 构成了点对
33、点应用模式。私人电动汽车的快速增长迫切需要安全可信的充电交易环境。续航能力的限制使得充电成为经常性的行为, 对共享充电提出了迫切需求。随着国家加大对电动汽车产业的支持, 探索充电服务创新模式越来越受到重视, 诸如私人充电桩安装难、共享充电桩在社区应用难等问题将会逐步得到解决。区块链、闪电网络和智能合约三者融合构建的安全、可靠的充电桩共享交易环境, 将极大地方便充电用户, 提高充电桩的利用率。随着区块链技术不断完善, 国家相关部门和企业开始重视区块链技术应用。可以设想在未来, 围绕央行发布的基于区块链技术的数字货币主链, 融合闪电网络和智能合约技术, 开发充电服务、售电管理、需求响应以及新能源消
34、纳管理等多种能源区块链应用, 为参与电能交易的所有用户提供可靠环境, 将成为能源互联网应用研究的新方向。参考文献1中华人民共和国发展与改革委员会.电动汽车充电基础设施发展指南 (2015-2020 年) R/OL. (2015-11-17) 2017-4-20.http:/w w 2胡泽春, 宋永华, 徐智威, 等.电动汽车接入电网的影响与利用J.中国电机工程学报, 2012, 32 (2) :1-10.HU Zechun, SONG Yonghua, XU Zhiwei, et al.Impacts and utilization of electric vehicles integration into power systemsJ.Proceedings of the CSEE, 2012, 32 (2) :1-10. 3李良, 郭艺.充电桩建设面临的突出问题及亟待落实的政策J.中国能源, 2016, 38 (1) :37-39.LI Liang, GUO Yi.The outstanding problems in the construction and urgent implementing of charging pileJ.Energy of China, 2016, 38 (1) :37-39.
