CN114117523A - 一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本公开属于智能电表技术领域，提供了一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法级系统，包括以下步骤：获取充电桩用户注册信息；基于区块链网络注册用户信息、验证所注册的用户信息；在区块链网络中查找并推荐用户的历史充电信息；充电桩用户充电，充电结束后将充电信息上传到区块链，智能电表完成用电信息的计量；其中，区块链网络采用基于工作量的委托权益证明共识算法。针对能源交易中存在的安全性问题，对充电服务过程中身份认证方式、交易账单可信存储、交易信息安全公布等进行详细的功能设计，实现用户充电过程的智能化与自助化。

Description

一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法及系统
技术领域
本公开属于智能电表技术领域，具体涉及一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法及系统。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
目前，国内充电桩群通常采用有线传输方式进行电桩与系统之间的通信，服务商的交易数据存储于中心化的数据库系统中。当攻击者采取非法手段访问中心化系统时，数据信息存在被恶意篡改窃取的风险，严重损害了服务商与用户的利益；当攻击者采取非法手段通过身份认证获取操控权限时，充电设施的安全性得不到保证。因此传统交易系统的升级转型已经迫在眉睫，需要一种全新的安全可靠的能源交易系统，确保用户身份信息的合法性、数据信息的安全可靠性。
在推动电动汽车的发展方面，需要从建设安全、可靠、智能、高效的能源交易系统出发，加快电动汽车行业的发展，同时保证用户以及服务商的合法权益。随着不断地深入研究，能源交易服务必将越来越安全、可靠、智能、高效，也将为电动汽车推广带来积极的意义。
发明内容
为了解决上述问题，本公开提出了一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法及系统，针对能源交易中存在的安全性问题，对充电服务过程中身份认证方式、交易账单可信存储、交易信息安全公布等进行详细的功能设计，实现用户充电过程的智能化与自助化。
根据一些实施例，本公开的第一方案提供了一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，采用如下技术方案：
一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，包括以下步骤：
获取充电桩用户注册信息；
基于区块链网络注册用户信息、验证所注册的用户信息；
在区块链网络中查找并推荐用户的历史充电信息；
充电桩用户充电，充电结束后将充电信息上传到区块链，智能电表完成用电信息的计量；
其中，区块链网络采用基于工作量的委托权益证明共识算法。
作为进一步的技术限定，所述充电桩用户注册信息包括用户名、车辆类型、车牌信息和车辆物理地址。
进一步的，所述充电桩用户注册的具体过程为：
通过注册页面提交用户身份信息；
通过区块链网络查询用户身份信息，若查询到用户身份信息则注册失败，否则用户身份信息作为区块链资产存入区块链网络以完成注册。
作为进一步的技术限定，验证所注册的用户信息的过程中，根据充电桩用户注册信息来验证用户身份的合法性。
进一步的，输入用户身份信息，识别并处理车辆图像，在区块链网络中查询车牌信息，若车牌信息不存在，则用户未注册，返回认证失败，在服务界面提示用户认证失败；若车牌信息存在，对返回的字段信息加密对比车辆mac信息，若信息不匹配，则返回认证失败，在服务界面提示用户认证失败；若信息匹配，则返回认证成功，在服务界面提示用户身份验证成功。
作为进一步的技术限定，充电桩智能电表作为一个节点，对车辆进行充电交易，交易信息经加密后上传至区块链节点。
进一步的，所述基于工作量的委托权益证明共识算法包括以下步骤：
通过工作量模型计算智能电表节点的币龄；
通过节点的币龄评估节点；
计算代理节点的信任值、节点的历史信任值和参与代理的总节点数；
工作量证明结束后计算网络中所有节点的信任值。
根据一些实施例，本公开的第二方案提供了一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量系统，采用如下技术方案：
一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量系统，包括：
获取模块，被配置为获取充电桩用户注册信息；
注册验证模块，被配置为基于区块链网络注册用户信息、验证所注册的用户信息；
查找推荐模块，被配置为在区块链网络中查找并推荐用户的历史充电信息；
计量模块，被配置为充电桩用户充电，充电结束后将充电信息上传到区块链，智能电表完成用电信息的计量；
其中，区块链网络采用基于工作量的委托权益证明共识算法。
根据一些实施例，本公开的第三方案提供了一种计算机可读存储介质，采用如下技术方案：
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开第一方面所述的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法中的步骤。
根据一些实施例，本公开的第四方案提供了一种电子设备，采用如下技术方案：
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开第一方面所述的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法中的步骤。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开解决了基于声誉模型的委托权益证明容易被选为代理节点和参与投票节点积极性不高的问题，实现充电桩智能电表的计量方案，实现了安全可靠的能源交易，确保用户身份信息的合法性、数据信息的安全可靠性。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。
图1是本公开实施例一中的车主注册身份信息的流程图；
图2是本公开实施例一中的用户身份认证的流程图；
图3是本公开实施例一中的用户信息査询用例的流程图；
图4是本公开实施例一中的DPoSVT共识算法的流程图
图5是本公开实施例二中的基于区块链技术的充电桩智能电表计量系统的结构框图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
实施例一
本公开实施例一介绍了一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法。
基于声誉模型的委托权益证明(Reputation-based Delegated Proof of Stake，简称RDPos)共识算法具有低能耗、高吞吐量等优点，然而其也存在恶意节点容易被选为代理节点和参与投票的节点积极性不高的问题。
为了进一步降低恶意节点被选为代理节点的概率，本实施例提出了基于工作量的委托权益证明共识算法，在解决了RDPoS共识算法容易被选为代理节点和参与投票节点积极性不高的缺点后，再利用此共识算法实现充电桩智能电表的计量方案。
一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，包括以下步骤：
步骤S01：车主使用本方案中的身份注册模块，向后端提交用户名(user_name)、车辆类型(car_brand)、车牌信息(car_id)以及通过线缆检测车辆物理地址(car_mac)等信息，注册合法身份。车主注册身份信息的流程图如图1所示。
步骤S02：车主在注册页面提交身份信息后，平台将使用部分信息在区块链网络上检索，如果在区块链网络上能查询到身份信息，则说明该身份信息已被注册，返回注册失败的结果；如果没有在区块链网络上查询到身份信息，则将用户身份信息作为区块链资产存入区块链网络，并返回注册成功的结果，在注册界面显示注册成功。
步骤S03：用户使用系统中的身份认证模块，通过向系统提交车牌信息以及通过线缆检测车辆物理地址等信息，验证用户身份的合法性。用户身份认证的流程图如图2所示。用户在使用能源交易服务功能前，需要进行身份认证。设备采集身份信息至平台，对车辆图像进行识别处理，在区块链网络中查询车辆车牌信息，若信息不存在，则用户未注册，返回认证失败，在服务界面提示用户认证失败。若车牌信息存在，平台对返回的字段信息加密对比车辆mac信息，若信息不匹配，则返回认证失败，在服务界面提示用户认证失败；若信息匹配，则返回认证成功，在服务界面提示用户认证成功，并提供服务。
步骤S04：用户通过身份认证后，可以通过本功能模块查询近期消费情况。用户信息査询用例的流程图如图3所示。
步骤S05：用户在服务界面可查询平台近期交易情况，当点击查询按钮后，服务界面向平台提交查询请求，平台在区块链网络查询近期交易情况，将相关字段返还，平台对返还字段进行处理，在服务界面提供给用户。
步骤S06：车主根据自己需要，输入充电的金额，充电桩开始充电，智能电表开始进行计费，充电结束后将交易信息上传到链上。
作为一种或多种实施方式，采取的区块链设计方法如下：
步骤a：设计区块链的共识算法；
步骤b：创建数据资产；
步骤c：转让数据资产。
在步骤a中，使用基于工作量的委托权益证明共识算法(Proof of DelegatedInterest Based on Work，简称PoDIBoW)做为区块链的共识算法。
PoDIBoW共识算法包括以下步骤：
步骤a1：通过工作量模型计算智能电表节点的“币龄”。PoDIBoW共识算法中的工作量证明使用的是权益证明(Proof of Stake，简称PoS)，是一种虚拟挖矿。不需要通过像工作量证明(Proof of Work，简称PoW)一样计算一个Nonce值，从而获得对块的写权。在PoS下规则是按账户持有的货币量和时间来给账户发利息的一个方式。在这里产生一个新的概念“币龄”，一个币持有一天则为一“币龄”。每当账户产生一个新的区块则会清空币龄。这种共识方式类似于股票或者说银行存款，存款时间越久账户获得的利息也就越多。同时PoS共识下无需为产生安全的区块而消耗大量的电力去计算一个Nonce值，并且可避免51％的算力攻击，因为还须有全网51％的货币量。
步骤a2：节点的“币龄”。在PoDIBoW中，代理节点通过PoS选出，因此，在这里我们通过“币龄”来评估节点。此外，节点在周期内的“币龄”反映了该节点在区块链网络中节点认可的程度。
步骤a3：代理节点的信任值。代理节点的信任值同样是一个重要的指标。因此在PoDIBoW信任模型中引入投票节点的信任值，为信任值较高的节点分配更高的权重。
步骤a4：节点的历史信任值。节点的信任值计算不仅取决于当前周期内其他节点对它的支持，还依赖于节点在上一个周期的信任值。
步骤a5：参与代理的总节点数。代理节点的积极性以及区块链网络中节点的参与程度，对于衡量节点的信任值也是一个重要参数。
步骤a6：工作量证明结束后计算网络中所有节点的信任值，计算公式如下：
Figure BDA0003364645460000091
其中，T(μ)表示给节点μ代理节点的总节点数，S(μ)表示节点μ获得的“币龄”，Tv表示代理节点μ的信任值，T'(μ)表示节点μ的历史信任值。
工作量信任模型实现算法如下表所示：
Figure BDA0003364645460000092
使用声誉模型计算节点的声誉值和可信状态。在声誉模型中，根据节点在整个周期内的表现情况进行可信度评估并赋予节点一个声誉值(R)来表示该节点的可信度。
选择代理节点参与共识过程。该算法通过计算节点综合评分的方式选举代理节点。根据评分结果进行排名，选择排名靠前的固定数量的节点作为代理节点参与区块的生成和验证。
每个节点最终的综合评分计算方式如下：
scorej＝wTjVj
其中，Tj表示节点j的信任值，Vj表示该节点在当前周期内获得的“币龄”。w表示权重准备，w根据节点的可信状态(Good、Normal、Abnormal、Error)变化如下所示：
Good：w属于(0.5，1]；
Normal：w＝0.5；
Abnormal：w属于(0，0.5)；
Error：w＝0。
代理节点选择算法如下表所示：
Figure BDA0003364645460000101
Figure BDA0003364645460000111
DPoSVT共识算法的流程图见附图4，详细步骤如下所示：
步骤1：初始化节点的信任值，执行步骤2；
步骤2：节点计算工作量“币龄”并执行步骤3；
步骤3：记录每一个节点所获得的“币龄”、对应的投票人以及投票人的信任值，执行步骤4；
步骤4：计算节点最终的一个信任值，执行步骤5；
步骤5：根据声誉模型计算节点的声誉值，执行步骤6；
步骤6：根据“币龄”、信任值和声誉值计算综合评分，并执行步骤7；
步骤7：根据综合评分由高到低选择N个代理节点，执行步骤8；
步骤8：代理节点间轮流出块，执行步骤9；
步骤9：代理节点间相互验证，执行步骤10；
步骤10：判断当前周期是否结束，如果当前周期结束，则结束，如果当前周期未结束则执行步骤8。
DPoSVT共识算法如下表所示：
Figure BDA0003364645460000112
Figure BDA0003364645460000121
在步骤b中，数据信息以键值对的形式作为数据资产存储在MongoDB中。
数据资产创建的具体步骤如下：
1)密码身份生成:通过generate-keypair0方法为节点"Alice"生成密钥对。alice.public-key公钥用于验证签名的交易确实由声称是签署人的交易确实签名。alice.private_key私钥用于签署交易。
2)资产创建:通过在bdb.transactions.prepare中operation＝'CREATE'，创建数字资产prepared-creation-tx，并携带alice.public-key。对已创建好的数字资产prepared-creation-tx使用Alice的私钥alice.private-key进行签名来完成资产创建，并发送到MongoDB节点。
3)检查交易是否成功发送:在资产创建几秒钟后，检查包含交易的区块高度bdb.blocks.get(txid＝signed_txl'id')。如果块中不包含任何事务，则返回None。
在步骤c中，数据资产转让的具体步骤如下：
1)例如当节点“Alice”想转移资产给节点"Bob”时，需要先通过交易id检索交易hdh，transastionsretrieve(txid)，当资产不存在时则重新创建。
2)在待转让资产bdb.transactions.prepare中将operation＝'TRANSFER'，最终通过bdb.transactions.fulfil将待转让资产和alice.private_key发送到给Bob，使用bob.public-key使Bob成为新的拥有者，通过'owners-before'可知Alice是前所有者。
3)MongoDB利用加密条件库对交易进行加密锁定和解锁。锁定脚本称为condition，相应的脚本fulfillment解锁的输出条件为input_tx。由于一个事务可以有多个输出，每个输出都有自己的加密条件，因此每个事务输入都需要引用它们通过满足的输出条件fulfills['output-index']。
4)区块链的实现
对于产生的区块链数据，本申请采用MongoDB作为离线数据库，具体信息下表所示：
Figure BDA0003364645460000141
由于区块链网络具有信息公开透明的特点，如果用户的信息直接存储在区块链中而没有加密，那么对于区块链管理员和其他节点所有者来说，这些信息是可见的。并且用户消费信息属于用户隐私信息，在区块链网络端，这些信息在用户未授权的情况下不可对外公开，针对区块链网络需要对用户消费信息进行加密存储。加密方法如下：
1)车主在使用本系统前，需要进行信息注册，即将信息上传区块链网络，保证用户身份的合法性。用户需要提供用户名、车牌号码、由充电桩智能电表检测车辆物理地址以及汽车品牌，系统将在本地加密部分信息。车牌号只显示前三位和后一位。通过添加salthash加密算法对车辆的物理地址进行加密，然后将处理后的信息上传到区块链网络中。
2)充电桩智能电表作为一个节点，对车辆进行充电交易，交易信息经加密后上传至区块链节点。考虑到系统有公开部分交易数据的功能性需求，向用户提供其他用户消费情况，保证交易可信。因此用户的交易数据中也只对车辆物理地址进行加密。
用户使用本电量计量办法后，将本地加密的交易数据上传到区块链网络。由于数据在区块链网络中具有开放性和不可篡改性，可以保证数据的安全性和开放性，为其他用户在区块链网络节点查询提供参考，从而保证服务商的信息安全。
实施例二
本公开实施例二介绍了一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量系统。
如图5所示的一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量系统，包括：
获取模块，被配置为获取充电桩用户注册信息；
注册验证模块，被配置为基于区块链网络注册用户信息、验证所注册的用户信息；
查找推荐模块，被配置为在区块链网络中查找并推荐用户的历史充电信息；
计量模块，被配置为充电桩用户充电，充电结束后将充电信息上传到区块链，智能电表完成用电信息的计量；
其中，区块链网络采用基于工作量的委托权益证明共识算法。
详细步骤与实施例一提供的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法相同，在此不再赘述。
实施例三
本公开实施例三提供了一种计算机可读存储介质。
一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，该程序被处理器执行时实现如本公开实施例一所述的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法相同，在此不再赘述。
实施例四
本公开实施例四提供了一种电子设备。
一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，所述处理器执行所述程序时实现如本公开实施例一所述的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法中的步骤。
详细步骤与实施例一提供的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法相同，在此不再赘述。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取充电桩用户注册信息；
基于区块链网络注册用户信息、验证所注册的用户信息；
在区块链网络中查找并推荐用户的历史充电信息；
充电桩用户充电，充电结束后将充电信息上传到区块链，智能电表完成用电信息的计量；
其中，区块链网络采用基于工作量的委托权益证明共识算法。
2.如权利要求1中所述的一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，其特征在于，所述充电桩用户注册信息包括用户名、车辆类型、车牌信息和车辆物理地址。
3.如权利要求2中所述的一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，其特征在于，所述充电桩用户注册的具体过程为：
通过注册页面提交用户身份信息；
通过区块链网络查询用户身份信息，若查询到用户身份信息则注册失败，否则用户身份信息作为区块链资产存入区块链网络以完成注册。
4.如权利要求1中所述的一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，其特征在于，验证所注册的用户信息的过程中，根据充电桩用户注册信息来验证用户身份的合法性。
5.如权利要求4中所述的一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，其特征在于，输入用户身份信息，识别并处理车辆图像，在区块链网络中查询车牌信息，若车牌信息不存在，则用户未注册，返回认证失败，在服务界面提示用户认证失败；若车牌信息存在，对返回的字段信息加密对比车辆mac信息，若信息不匹配，则返回认证失败，在服务界面提示用户认证失败；若信息匹配，则返回认证成功，在服务界面提示用户身份验证成功。
6.如权利要求1中所述的一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，其特征在于，充电桩智能电表作为一个节点，对车辆进行充电交易，交易信息经加密后上传至区块链节点。
7.如权利要求6中所述的一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法，其特征在于，所述基于工作量的委托权益证明共识算法包括以下步骤：
通过工作量模型计算智能电表节点的币龄；
通过节点的币龄评估节点；
计算代理节点的信任值、节点的历史信任值和参与代理的总节点数；
工作量证明结束后计算网络中所有节点的信任值。
8.一种基于区块链技术的充电桩智能电表计量系统，其特征在于，包括：
获取模块，被配置为获取充电桩用户注册信息；
注册验证模块，被配置为基于区块链网络注册用户信息、验证所注册的用户信息；
查找推荐模块，被配置为在区块链网络中查找并推荐用户的历史充电信息；
计量模块，被配置为充电桩用户充电，充电结束后将充电信息上传到区块链，智能电表完成用电信息的计量；
其中，区块链网络采用基于工作量的委托权益证明共识算法。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法中的步骤。
10.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现如权利要求1-7中任一项所述的基于区块链技术的充电桩智能电表计量方法中的步骤。
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