基于区块链的电车共享充电可信系统和方法

本发明涉及共享充电技术领域，特别涉及一种基于区块链的电车共享充电可信系统和方法。

背景技术：

随着石油资源的不断枯竭和空气污染的日益严重，电动汽车迎来黄金发展期。电动汽车在高速发展的同时，也面临着充电难的问题。此外，电动汽车用户存在找桩难的问题，用户app无法获得充电桩的动态信息，难以搜索到分属各个企业或多个充电运营商的充电桩，不同运营商有不同的app，行业内没有实现信息的互联互通；出于安全考虑，私人充电桩不能随意安装，且闲置率很高，一般白天充电桩属于闲置状态。

为解决电车充电难的问题，共享充电概念应运而生，通过将闲置的充电桩或正在服务的充电桩共享出去，以满足更多人的充电需求，增加所有者收益，提升充电桩利用率[1]。目前，共享充电均依赖于一个第三方平台(即共享充电桩运营商)：充电用户、私人电桩的桩主需要在第三方平台进行注册；信息的共享、充电计价都依赖于第三方平台。

这种依赖于第三方平台的共享充电方式较为高效，但存在以下不足：

(1)重要的数据都集中存放于第三方平台，因此第三方平台容易成为黑客攻击的目标，一旦发生故障，共享充电系统有可能出现整体瘫痪；

(2)计价方式对于私人电桩的桩主不透明，第三方平台为了自身利益可能会篡改充电数据、计价规则、利益分成方式等[2、3、4]；

(3)充电用户的用电数据、充电的位置等信息都存放于第三方平台，容易泄露用户的隐私信息。

区块链技术的出现有望解决上述的痛点问题[5、6、7、8]。区块链作为一个分布式可信账本，涉及不同利益体之间的交互，适合于解决不同利益体之间的信任问题，或者作为一个第三方可信平台用来解决用户对平台的信任问题[9，10，11]。在共享充电应用中，区块链的不可篡改以及多方记账的特性，对充电情况进行公开透明的实时记账，从而解决多方之间可能产生的信任摩擦，形成充电桩运营商、私有充电桩所有者、平台用户等多方参与共建的信任环境[12、13、14]。

然而，由于充电网络的计算能力有限以及私人桩主与充电桩运营商之间存在差异等问题，传统的区块链架构不适合直接应用于共享充电。

参考文献

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技术实现要素：

本发明针对现有技术的缺陷，提供了一种基于区块链的电车共享充电可信系统和方法，解决了现有技术中存在的缺陷。

为了实现以上发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于区块链的电车共享充电可信系统，包括：云服务器、能源互联网、共享充电服务平台、区块链网络云服务器用于存储区块链网络中存储的数据；

能源互联网包括：能源发电站、充电桩和输电塔；

能源互联网将发电站、输电塔、充电桩通过光纤电缆进行连接，对电力资源进行合理的整合和配置，并由输电塔担任记账节点，负责向区块链网络打包上传数据。

所述充电桩包括：私人充电桩、公共充电桩，各运营商充电桩；

共享充电服务平台的功能包括：显示充电桩信息、充电服务评分、导航充电桩位置、用户充电缴费、接收用户充电请求等，并在接收到用户的充电请求后，链接到区块链网络，查找充电桩桩主的信息，并在查找到信息之后，通知充电桩的桩主对电动车的充电请求进行授权，电动车充电后接收电动车的评价，并传输至区块链网络；

区块链网络用于存储电动汽车充电交易、质量评价服务信息和用户身份证书等信息，并将其传输至云服务器，每一个区块有一个块编号和一个分支块编号，块编号用于排序，分支块编号用于分类。

本发明还公开了一种基于区块链的电车共享充电可信方法，包括以下步骤：

步骤1，电动汽车用户需要进行充电时，在共享充电服务平台搜索电桩；

步骤2，根据充电桩的位置等特性确定已选定的充电桩之后，向区块链请求充电桩桩主的信息。

步骤3，联系电桩的桩主并触发智能合约，智能合约是由代码组成的一组数字协议，由区块链内的多个用户共同参与制定，用于交易的智能合约则是由输电塔参与制定的。智能合约确定了交易中各方的权利和义务，并将其进行编程，一旦触发，自动执行，无法更改。在确定特定充电用户和此次为其提供服务充电桩后，电车向区块链发出充电请求，触发智能合约。

步骤4，交易智能合约达到触发条件后便开始执行，执行的内容如下，首先，智能合约对电车身份进行验证，验证成功后，电车车主获得桩主信息后，联系桩主并将使用充电桩所需要的押金放置在智能合约中，当桩主收到押金交付成功的消息时，对电车进行充电授权，至此，电动汽车可以使用充电桩进行充电。在充电的过程中，充电量由充电桩上的智能电表记录，并在充电结束时，将所用总充电量发送给智能合约，形成交易。最后，对电动汽车在充电过程中的行为进行评价，给出基于信誉的评分，用于选出记账电车，同时，电车行为评分也是评价充电桩的基础。

步骤5，当电车充电完成后，智能合约执行结束，形成交易，将新产生的充电交易汇总至交易记账节点输电塔，并由其进行确认后，打包发送至区块链。

进一步地，步骤1中搜索电桩时，电动汽车通过共享充电平台向该地区所有空闲充电桩发出竞价邀请。如果私人充电桩、公共充电桩，各运营商充电桩愿意提供充电，他们将缴纳保证金，并进行投标，投标承诺会记录在区块链上。随后，计价合约将调取电车用户请求和充电桩的竞价，从而选出符合计价电车用户需求的最优充电桩，并确定最优计价。

进一步地，竞价的具体步骤如下：

在规定区域范围内，充电桩根据请求信息发出最低价格的投标。根据用户请求，首先检查其自身位置是否在区域r内，在这种情况下，充电桩创建自己的竞价b＝(vb，b)，其中vb为充电桩保证的充电速度，b为对此次充电服务的竞价。所有附近的想要提供服务的充电桩向区块链发送竞价以及保证金，写入区块链竞价信息是公开的和不可变的。投标的公开性激励其他充电桩提供更便宜的价格，在一定时间段内，充电桩可提交一个或多个竞价以及对报价的承诺，根据竞争对手的投标发送更新的报价，区块链将存储在重复投标过程，直到价格收敛。从充电桩中选择一个最优充电桩。

进一步地，步骤4中的评分方法如下：

电动汽车每次充完电，都由智能合约对电动汽车的行为进行打分评价，分别为“优秀”“一般”“不及格”三种评价等级。在评级完成后，根据公式

进行信誉度评价。(1)式中：bvi是电动汽车v在第i次充电交易完成后获得或扣除的积分奖励，设其取值满足集合bvi{-1，0，+1}，当电动汽车正确付费且操作规范时，获得的评价为“优秀”，bvi取值为1；当电动汽车正确付费且无恶意操作时，获得的评价为“一般”，bvi取值为0；当电动汽车正确付费、恶意操作时，获得的评价为“不及格”，bvi取值为-1；

如果信誉度低于系统设定的阈值，即rv<rv,min，或者充电后未支付费用，用户将不能正常使用充电服务。

系统根据充电桩的质量评价，价格、位置等综合因素向信誉度正常的用户推荐适合的充电桩。充电桩的充电服务评价rcp,n随交易次数n增加不断更新，式(2)根据不同信誉度用户给出的评分计算充电桩的充电服务评价。

在(2)式中：rcp,n-1表示充电桩第n-1次交易服务评价，调节参数μ>1确定每次交易评分后服务评价变化的速度。通过调节μ的值，使评价较低的充电桩在服务能力提高后，评价不会总是受到过去不良评价的影响；wn为信誉度为rv的用户做出的评分；en为充电桩拟获得的评分期望；d为服务评价中的最高级。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)系统安全性

采用区块链作为底层技术，区块链技术具有去中心化、匿名性、不可篡改等特性，可以解决传统平台的通病，保证数据的安全和隐私性。同时，与其他的基于区块链的共享充电架构相比，本架构根据各参与方需要存储在区块链上的信息及记账特点不同，采用不同的共识机制选取不同的记账者进行记账，最大程度的保证安全和节省资源。定价，押金、授权、交易等计算复杂、易遭受攻击的操作则采用智能合约进行操作，以保证其安全。设计激励机制，激励电动汽车争夺记账权，规范自己的行为，并激励充电桩提升自己的充电服务。本发明由电动汽车分时租赁运营商、充电桩运营商、私桩提供者、电车用户等多方共同参与，从安全存储、安全计算、安全激励三个方面建立共享充电多方参与的信任环境。

(2)服务质量提升

现有的第三方共享充电平台上只显示开发运营商自己的充电桩，而不显示私桩等共享信息，充电桩利用率低下。电动车主出门往往需要下载多个app，且充完电后还面临着支付难的问题，效率十分低下。本发明将私人充电桩、公共充电桩、运营商充电桩等都放到同一个共享充电平台上，提高了充电桩的效率。并将充电过程中需要记录的重要信息放置到区块链上，保证了充电的安全性和用户信息的隐私性。充电过程中，产生了两种不同类型的区块，为了保证信息共享，本架构将所有的区块放到同一个区块链上，并且，在每个区块中都添加了指针索引项以快速查询。同时，采用基于信誉的评价机制激励电车争夺记账权，并根据电车自身的信誉度和其对充电桩的打分计算充电桩的服务评价，激励充电桩更好的为用户服务。

(3)计价公平性

由于现有的充电桩共享平台对充电桩计价不透明，第三方极容易为了自己的利益对其他经营商的充电桩或者私桩进行数据的篡改。本发明通过区块链和智能合约技术对计价的公平性进行改进，通过多方公平计价技术互相协商充电价格，减少第三方平台抽取费用开销，提升充电桩的利用率。本发明提出的定价合约，通过多方计价拍卖博弈模型分析，确定最优计价响应策略，从而实现多方安全公平计价。定价合约使所有空闲的充电桩皆可参与竞价，并将竞价公开，所有参与竞价的充电桩皆可以根据其他人给出的价格对自己的价格进行调整，直到价格收敛。系统根据充电桩给出的定价、位置、评分等因素，给用户推荐最合适的充电桩，提高充电桩的服务质量。

(4)多信息存储与查询

在其他的面向共享充电的区块链架构的研究中，通常区块链只由充电桩存储充电交易的信息。而在本发明中，为了保证交易的安全性和用户的隐私性，用户信息、充电桩信息等皆记录在区块链上。当充电桩和电车需要验证身份验证时，可以从区块链获取用户身份证书信息以进行验证。且每次电动汽车充电时，产生的充电交易区块和服务评价区块分别由输电塔和记账电车充当记账节点记录，以解决多信息存储的问题。当需要充电时，为了能够在多种信息中快速查找到所需要的所有信息，我们在交易中添加了指针：充电交易的指针指向其对应的充电桩上次上传的充电交易；充电桩的评价信息交易指向其评价的充电桩；电动汽车的评价信息交易指向上次电动汽车所参与的充电交易。

附图说明

图1是本发明实施例电车共享充电可信架构结构示意图；

图2是本发明实施例区块结构示意图；

图3是本发明实施例计价智能合约；

图4是本发明实施例交易智能合约结构示意图；

图5是本发明实施例激励机制应用于不同的情况的评价结果图；

图6是本发明实施例计价智能合约的主要gas消耗图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下根据附图并列举实施例，对本发明做进一步详细说明。

系统架构

共享充电的区块链信任体系架构如图1所示。该体系架构用于构建私桩桩主、公共充电桩、各充电运营商、电动汽车用户等多方共建的信任环境，在此基础上还考虑了充电桩接入能源互联网，共享充电的各参与方的需求对接的共享充电服务平台，以及用于存储随时间不断增长的区块链数据的云。

电动汽车用户需要进行充电时，基于区块链的共享架构中的共享充电服务平台搜索到私桩、公共充电桩、各运营商的充电桩，每个充电桩的充电规则也在服务平台公开，为保证私桩桩主或运营商的隐私不被泄漏，服务平台不显示车桩的桩主信息。桩主的个人信息加密存储在区块链，电动汽车用户在某个充电桩进行充电时，可向区块链请求用户id信息，区块链可根据车桩位置和编号从区块链上加密数据上找到对应桩主的id，电动汽车用户获得桩主id后，联系桩主并触发智能合约，通过智能合约验证双方身份，通过验证后电动汽车用户支付充电押金，然后桩主授权充电，充电桩从授权开始记录充电量，完成充电后将总充电量发送到智能合约，用于产生交易。产生的交易由交易记账节点输电塔进行汇总确认，并将其打包存储在区块链上。

区块结构与记账者

在本发明所提出的架构体系中，涉及到了3种充电桩，分别是私有充电桩、公共充电桩，各运营商充电桩。这三种充电桩的运营模式和隐私需求各不相同，所以无论何种区块类型，皆需在区块链上标注充电桩的类别，除此之外，共享充电除了交易信息需要保护外，还有参与方的身份信息和联系方式、充电授权记录、私桩或供电运营商的服务质量等信息也需要由区块链记录。

(1)记账者

考虑到共享充电网络中各参与方的计算能力及需求主体不同，所选取的记账节点也有所不同。针对电动汽车发起的充电交易，由输电塔担任记账节点，主要因为输电塔作为记账节点时，可以用来检测其辖区内的用电量。针对系统发起的质量评价服务，评价的主体大多是电动车用户，计算能力有限，且可能是恶意的，所以，服务评价记账节点是通过基于信誉的共识机制筛选出来的[24]。对于包含参与者个人信息且能身份验证的用户身份证书块，由于涉及多个参与者，因此由权威信誉中心，运营商和某些用户共同保存。

(2)区块结构

此架构中的区块需要存储电动汽车充电交易，质量评价服务信息和用户身份证书等信息，并需要不同的记账者将其记录在区块链上。为了实现信息共享并避免信息孤岛，不同的记账者需要将块发布在同一区块链上。由不同记账者发布的所有区块均按顺序排序。在每个块的块头中，除了“块编号”之外，还有一个用以区分块类型的“分支块编号”。而且，相同类型的块按“分支块编号”的顺序链接，因此运营商或管理机构可以快速访问某种类型块的信息。为了更快地发现关于充电桩的所有交易和评价信息，并避免在搜索时遍历所有块，将索引添加到不同类型的块中。以充电桩的评价交易块为例，块中存在两个指针分别是“correspondingcptransaction”和“cplastevaluationheight”，分别指向充电桩的相应充电信息和上一个充电桩的评价信息。这样，当共享充电服务平台查询充电桩或电车服务评价信息时，可以通过索引找到关于充电桩和电车的所有信息，而不必遍历整个区块链。用于查询的特定块结构如图2所示。查询算法伪代码如algorithm1所示。

智能合约

智能合约是由代码组成的一组数字协议，由区块链中的多个用户共同制定，其中明确定义了双方的权利和义务。达到触发条件后，它们将自动执行并且无法更改。面向共享充电的区块链体系中涉及到定价、押金、授权、交易等复杂且容易遭受攻击的操作，智能合约将自动执行复杂的操作以实现安全计算，例如充电计价的公平性和充电交易的安全性[25，26，27，28]。

(1)计价智能合约

本发明拟设计一个可靠、公平的基于用户需求的充电计价策略。电动汽车发出需求信号，用共享充电平台查询一定距离内的空闲充电桩，通过利用智能合约实现筛选算法，综合充电速度、充电价格和充电充电服务质量以及充电桩位置的等用户需求，选出可以提供服务的最优充电桩。

计价智能合约如图3所示。电动汽车通过共享充电平台向该地区所有空闲充电桩发出竞价邀请。如果私有的充电桩桩主和充电桩运营商愿意提供充电，他们将缴纳保证金，并进行投标，投标承诺会记录在区块链上。随后，计价合约将调取电车用户请求和私计价桩桩主或充电桩运营商的竞价，执行拍卖博弈算法，找到服务质量与充电价格的平衡点，从而选出符合计价电车用户需求的最优充电桩，并确定最优计价。公平计价算法伪代码如algorithm2所示。

a.多方充电计价拍卖博弈

在规定区域范围内，充电站根据请求信息发出最低价格的投标。根据用户请求，首先检查其自身位置是否在区域r内，在这种情况下，充电站创建自己的竞价b＝(vb，b)，其中vb为充电站保证的充电速度，b为对此次充电服务的竞价。所有附近的想要提供服务的充电桩向区块链发送竞价以及保证金，因此写入区块链竞价信息是公开的和不可变的。投标的公开性激励其他充电桩提供更便宜的价格，使得竞价阶段更加透明可靠。在一定时间段内，充电桩可提交一个或多个竞价以及对报价的承诺，根据竞争对手的投标发送更新的报价，区块链将存储在重复投标过程，直到价格收敛。我们设计相应的筛选合约以实现相应的启发式筛选算法，从私桩或公共充电桩或各家充电运营商的充电桩选择某一个最优充电桩。假定设计的启发式筛选算法可以在充电价格、充电速度、充电桩的距离之间找到最佳的折中点。

b.计价智能合约实现

根据多方充电计价拍卖博弈的纳什均衡给出各参与方的最优决策策略，设计计价智能合约。计价智能合约包括参与拍卖博弈、计算最优策略、生成决策承诺三个部分。参与拍卖博弈部分用于收集参与计价博弈的各参与者的相关信息；计算最优策略用于根据收集的参与者信息计算各参与方的最优决策策略；生成决策承诺，将最优决策承诺写入承诺c＝h(vid，cid，r)中，其中r是随机数，然后此承诺写入区块链。

(2)交易智能合约

在此体系架构中，充电交易的记账节点参与智能合约的制定，并将合约通过p2p网络扩散并存于区块链，当电动汽车需要进行充电时，触发智能合约，通过智能合约付押金、授权充电，生成交易的过程也可由智能合约来实现。充电桩从桩主授权开始记录充电量，完成充电后，将总充电量发送到智能合约，用于产生交易。智能合约将产生的交易发送至交易记账节点，并由交易记账节点发布到区块链上。交易智能合约如图4所示。

a.安装阶段

智能合约由区块链内的多个用户共同参与制定，用于交易的智能合约则是由输电塔参与制定的。协议确定了交易中各方的权利和义务，并将其进行编程，一旦触发，自动执行，无法更改。在确定特定充电用户和此次为其提供服务充电桩后，电车向区块链发出充电请求，触发智能合约。

b.执行阶段

交易智能合约达到触发条件后便开始执行，执行的内容如下，首先，智能合约对电车身份进行验证，验证成功后，电车车主获得桩主信息后，联系桩主并将使用充电桩所需要的押金放置在智能合约中，当桩主收到押金交付成功的消息时，对电车进行充电授权，至此，电动汽车可以使用充电桩进行充电。在充电的过程中，充电量由充电桩上的智能电表记录，并在充电结束时，将所用总充电量发送给智能合约，形成交易。最后，对电动汽车在充电过程中的行为进行评价，给出基于信誉的评分，用于选出记账电车，同时，电车行为评分也是评价充电桩的基础。

c.交易汇总

当电车充电完成后，智能合约执行结束，形成交易，将新产生的充电交易汇总至交易记账节点输电塔，并由其进行确认后，打包发送至区块链。

激励机制

在电动汽车充电完成之后，为使用户有一个更好的充电体验，也为了激励充电桩更好的为用户服务，本架构设计了一套评价机制，为桩主建立服务质量评价值，并将此服务评价值记录在区块链上，其他用户再次选择充电桩时会参考此服务评价值。记录服务评价值的记账节点，大多是电车用户，计算能力有限，且可能是恶意的，所以，通过基于信誉的共识机制选出用于记账的电车，对质量评价进行打包，发送到区块链上。

电动汽车每次充完电，都由智能合约对电动汽车的行为进行打分评价，分别为“优秀”“一般”“不及格”三种评价等级。在评级完成后，根据公式

进行信誉度评价。(1)式中：bvi是电动汽车v在第i次充电交易完成后获得或扣除的积分奖励，设其取值满足集合bvi{-1，0，+1}，当电动汽车正确付费且操作规范时，获得的评价为“优秀”，bvi取值为1；当电动汽车正确付费且无恶意操作时，获得的评价为“一般”，bvi取值为0；当电动汽车正确付费、恶意操作时，获得的评价为“不及格”，bvi取值为-1；

如果信誉度低于系统设定的阈值，即rv<rv,min，或者充电后未支付费用，用户将不能正常使用充电服务，本发明中信誉度初始值与门限值取0。

系统根据充电桩的质量评价，价格、位置等综合因素向信誉度正常的用户推荐适合的充电桩。充电桩的充电服务评价rcp,n随交易次数n增加不断更新，式(2)基于文献[20]评价机制，根据不同信誉度用户给出的评分计算充电桩的充电服务评价。

在(2)式中：rcp,n-1表示充电桩第n-1次交易服务评价，调节参数μ>1确定每次交易评分后服务评价变化的速度。可通过调节μ的值，使评价较低的充电桩在服务能力提高后，评价不会总是受到过去不良评价的影响；wn为信誉度为rv的用户做出的评分，本发明中满足wn{1,2,3}；en为充电桩拟获得的评分期望；d为服务评价中的最高级，本发明取d＝3；φ(rcp,n-1)为使充电服务评价值变化趋近平缓的阻尼函数[20]；为阻尼函数中的加速因子。算法伪代码显示在algorithm3中。

为防止电动汽车恶意评分，在计算充电桩服务质量的同时考虑到了电动汽车用户的信誉问题。这样做，不仅可以激励充电桩提升自己的充电服务水平，还可以解决记账电车选择的问题。在一定时间t内，选择此区域信誉评分最高的电车作为记账电车，被选中的记账电车可以拥有免单或者获取优惠券的权利。

激励机制评价

我们首先验证激励机制的效果，并选择服务质量优异，良好和较差的充电桩，以模拟用户的信誉得分。然后，在另一个实验中，将市场因素引入具有出色服务质量的充电桩，即达到一定的信誉值后，充电桩的服务质量开始下降并欺骗用户。此外，我们通过验证gas消耗量来测试计价智能合约的成本。为了评价基于信誉的激励机制，我们将该算法应用于不同的情况，评价结果如图5所示。我们选取了4个拥有180个评价的充电桩，第一、二、三充电桩的用户评分分别服从n(1,0.6)，n(2,0.6)，n(3,0.6)。第四个充电桩引入了市场因素，即刚开始的时候，其行为举止可靠，直到她达到很高的声誉值，然后开始滥用其声誉来进行欺诈，体现在本实验中，即前60个用户评分服从n(3,0.6)，后120个用户评分服从n(0.3,0.6)。从前3个充电桩的表现看，总体上说，充电桩的服务质量越好，则其声誉值越高。除此之外，充电桩的服务质量越好，则其声誉值越容易收敛，当充电桩的服务质量很低时，其声誉值波动很大，不收敛。从第四个充电桩的表现看，当拥有高信誉值的用户开始进行欺骗时，用户的评分会开始下降，且在后来的用户评价中恢复到真实用户评价的水平。

计价智能合约的开销

本发明提出的计价智能合约是通过solidity进行编程的。接口的状态转换会触发智能合约的执行，因此有必要在remix上部署计价智能合约以衡量其使用量。计价智能合约的主要gas消耗如图6所示。由于拍卖博弈的过程涉及大量交互和状态转换，因此这些过程消耗大量gas，是智能合约的主要消耗。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。