数字岛与清华大学技术创新发展中心联合主办的“产教融合，教育部区块链9大应用校企政合作研讨会”在6月21日成功举办。论坛由数字岛发起人兼CEO刘靖主持，汇集校企政共同参与，积极探讨推动九大应用场景落地并建成示范应用。中电联能源区块链标委会秘书长刘永相表示，现在电动汽车的私人充电桩只有70万个，不到私人车辆数的五分之一，未来或许可以建立区块链充电桩，双方无需信任基础便可安全交易，还可以通过激励调动用户的积极性，维系“桩主”与车主形成的庞大社群，真正做到中心化的共享平台，同时分布式存储系统取。

充电桩是一个物联网终端，要实现充电桩与区块链平台的接口，且保持充电桩正常充电，需要升级现有的充电桩程序，这一点应该有较大的工作量。其次，充电桩为了实现区块链功能，需要增加相关的信息，如每一个充电桩可能需要包含可以接受资金支付、转账的区块链钱包的功能，那么相应的安全措施需要提升至银行级，否则难以防止网络攻击。再次，通过区块链技术重构充电系统，可能会与现有的金融货币体系抵触，需要规避法律法规风险。

整体环境

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，并对电动汽车的生产、销售和潜在需求造成重大影响。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。近年来，我国也高度重视和积极引导私人充电桩建设，我国2015—2020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%。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。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。

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。

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。

(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。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。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用。

闪电网络技术是解决区块链应用扩展性的可选方案，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。

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所示。

由下图可知，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。

充电桩共享方案及其关键技术

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。

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。

1.2 闪电网络交易管理系统

闪电网络交易管理系统采用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

1.3 充电桩共享方案分析

以图3中电动汽车D与充电桩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

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。

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。支付通道网络如图5所示。

图5 支付通道网络
Fig.5 Network of payment channel

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。

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

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、2h，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。

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。

区块链技术正逐步和各种实体经济相结合，在能源领域呈现加速态势。国家电网公司2019年开始进行区块链试验，2020年各种应用呈扩大趋势，预计在“十四五”期间，国网公司将关注高性能区块链技术，并提高运用和管理区块链技术能力，使区块链技术在建设网络强国、发展数字经济、助力经济社会发展、促进能源互联网发展等方面发挥更大作用。

通过试点应用及相关验证，结合国内其他能源领域试点案例，中国电力企业联合会能源区块链标准委员会梳理形成了中国能源区块链标准体系，目前暂定7个部分，具体包括基础标准、电动汽车、能源交易、综合能源、虚拟电厂、绿证交易、电力安全等。预计2020年将启动1～3个相关能源区块链标准编写工作，拟在《能源系统区块链技术应用-总则》《能源系统区块链技术应用-术语》《能源系统区块链技术应用-架构与要求》等方面开展前期调研，并适时启动编制工作。