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區塊鏈在高速公路的兩種應用場景
2020年08月06日    閱讀量:632    新聞來源:瀝青網 sinoasphalt.com  |  投稿

2020年,全國取消486處省界收費站,安裝建設2萬多套門架系統,至此高速公路邁入了一張網時代。在此背景下,車輛路徑的精準識別、ETC聯網運營都成為重中之重。


區塊鏈近年來則一直備受關注,從2008年被提出,經歷了區塊鏈1.0(去中心化的數字貨幣應用)、區塊鏈2.0(數字資產金融應用或企業級應用),目前已經到了區塊鏈3.0(區塊鏈在金融行業之外的各行業的應用場景,被稱為互聯網技術之后的新一代技術創新)瀝青網sinoasphalt.com


區塊鏈與高速公路,將會擦出怎樣的火花?


區塊鏈與高速公路路徑還原


高速公路收費方式按照實際行駛路徑收費以來,路徑的精確識別一直是運營者和出行者關心的問題。一方面,路徑精確識別尚存在技術問題;另一方面,路徑識別結果的不開放性導致了公眾對生成的通行費用存在疑問。路徑精確識別的核心是正確判別路網中每一車輛的實際行駛路徑,通過一定的技術手段對路網中可能出現行駛歧義的車輛進行確認。


作者王棚(江蘇通行寶智慧交通科技有限公司)在《基于區塊鏈的高速公路行駛路徑還原技術探究》一文中認為,可以將2萬多套門架建設成一個分權共治組織,通過對每個門架記錄的過車信息和車牌識別結果進行分布式記賬,最終擬合成一條無二義的精確行駛路徑。


他從路徑還原區塊鏈架構、路徑還原區塊鏈數據結構、路徑還原流程三個方面進行了分析。


一 路徑還原區塊鏈架構


路徑還原區塊鏈以門架系統作為記賬節點,以行經車輛作為輕節點。記賬節點用于記錄門架中存儲的過車信息,包括車牌號、OBU信息、記賬節點。由于OBU的存儲能力和計算能力有限,OBU只作為輕節點實現查詢功能。路徑還原區塊鏈網絡架構如圖1所示。

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圖1 路徑還原區塊鏈網絡架構


路徑還原塊鏈基于應用場景,對比特幣區塊鏈進行了改造。路徑還原區塊鏈不存在工作量證明和激勵機制,它的核心功能是保證數據的不可篡改和所有節點達成行駛路徑唯一性共識,系統架構如圖2所示。

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圖2 路徑還原區塊鏈架構


二 路徑還原區塊鏈數據結構


路徑區塊鏈的數據結構如圖3所示。每個區塊由兩個部分組成——區塊頭部和區塊數據。其中,區塊頭部中有一個哈希指針指向上一個區塊,這個哈希指針包含前一個數據塊的哈希值。哈希值可以被看成是數據塊的指紋,即在后一個區塊的頭部中均存儲有上一個區塊數據的指紋。如果上一個區塊中的數據被篡改了,那么數據和指紋就對不上號,篡改行為就被發現了。要改變一個區塊中的數據,對其后的每個區塊都必須相應地進行修改。數據部分為一條過車數據。

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圖3 路徑還原區塊鏈數據結構


三 路徑還原流程


車輛行經高速公路出口,繳費前發起路徑查詢請求,距離出口最近的門架節點查詢本節點賬本,將該車輛行經的門架記錄進行組合,還原出行駛路徑。為了提高查詢效率,記賬節點中的區塊鏈數據結構頭部應包含上一個門架的地址。在進行路徑還原的時候,以發起查詢任務的門架為終點,門架在賬本中以車牌號為查詢條件進行查詢,將查詢結果按照時間進行排序后,還原出車輛行駛路徑。


區塊鏈與ETC管理


隨著ETC聯網運營的不斷推進,當前ETC運營系統主要面臨結算中心安全性、結算數據完整性、數據的處理效率、系統的兼容性四方面問題。


作者楊洪路(交通運輸部科學研究院)等在《基于區塊鏈的ETC管理系統設計與實現》一文中提出了一種區塊鏈技術的ETC管理系統,利用區塊鏈技術去信任、去中心化、不可篡改及可追溯的特點,實現ETC通行交易記錄在區塊鏈上保存,為ETC高成本、低效率和數據存儲不安全等問題提供有效的解決方案。該系統采用3層應用架構,分為應用層、服務層和數據層,如圖4所示。

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圖4 系統架構圖


一 數據層


數據層由提供存儲的BUMO區塊鏈和MySQL數據庫組成。BUMO是下一代商用級基礎公共區塊鏈,旨在建立價值流通的泛在信任網絡,致力于打造廣泛數字信任、價值自由流通、大眾共享應用的分布式商業生態。


BUMO的服務架構分為五層:


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圖5 BUMO的服務架構圖


底層:


是區塊鏈的基本組成,包括P2P組網、賬本結構、共識機制和激勵機制等;


交易、合約層:


是區塊鏈對上的表現形式;


技術擴展層:


包括跨鏈、側鏈、隱私等;


服務層:


是最高層,包括數字資產、物聯網及第三方應用;


數字錢包、區塊鏈瀏覽器、數據監控分析、身份認證等外層應用:


能夠連接整個生態,并打通數字資產的通體系。


二 服務層


服務層負責應用層和數據層的交互,服務層提供包括用戶注冊、生成公私鑰、交易記錄上鏈、查詢上鏈詳細信息等接口。


1、generateKeys( )


生成密鑰信息,包括公鑰、私鑰和地址。采用ECC橢圓曲線加密算法,生成的公鑰、私鑰和地址用于通行記錄上鏈過程。以發行中心F為例,一般的發送形式為F. generateKey ( )。


2、submitTransaction(X)


新增通行交易記錄上鏈。該過程分為獲取賬戶nonce值、構建操作、序列化交易、簽名交易、提交交易五步,上鏈成功后生成交易hash值。


3、getTransactionInfo(X)


根據上鏈生成的hash值查看區塊鏈上交易X的詳細信息。如根據hash=2495b6acf633b0852d01768428947aaad594729dc4028090636efab4b235c688找到區塊鏈上的相應交易并提取相關信息,包括簽名后數據、交易金額、區塊序列號、交易序列號等。以省中心S為例,一般的發送形式為S. getTransactionInfo(hash)。


三 應用層


應用層為多角色的Web系統,為用戶提供操作功能頁面,用戶角色分為ETC用戶、收費路段、省管理中心、國家路網中心、省ETC卡發行中心和ETC卡服務網點六種。Web系統選用Spring-side框架,并對其進行擴展和定制。


為了保證系統內數據不被非法用戶竊取,應用層加入了嚴格的權限管理機制,結合Bootstrap作為前端UI框架,提高了系統的交互性。系統對登錄用戶進行了訪問控制,并將訪問控制邏輯放在 Web 服務器實現。


根據用戶角色向MySQL數據庫查詢相應的操作權限,以此來判斷用戶是否有權限進行請求操作,例如:省中心管理員只能查詢到本省的收費站信息、路段收費參數和進出本省的通行記錄;發行中心管理員只能對本省發行的ETC卡片和用戶信息進行操作,同時只能查看本省的交易信息;用戶只能查詢到與自己相關的交易記錄和ETC卡片信息,并只能對自己的個人信息進行操作。


兩種應用場景展望


區塊鏈技術在高速公路領域的應用前景無疑是巨大的,不過以現在區塊鏈技術的發展情況來看,距離真正意義上的落地依然還有很長的路要走。


在本文所提出的兩種應用場景中,也受現有知識水平和研究時間的限制,研究工作仍不盡完善。


比如,精準路徑還原作為高速公路ETC按行車路徑收費的關鍵,在解決高速公路行駛路徑識別問題的同時,能夠面向公眾將路徑識別系統進行開放,最終將高速公路建設成分權共治的數據化組織,但實際落地與應用仍需長期觀察。


比如,在ETC運營方面,區塊鏈技術為ETC高成本、低效率和數據存儲不安全等問題提供了有效的解決方案。但是,如何提高系統的吞吐量、提高系統的查詢速率,未來還需要通過真實數據進行更加深入的研究。


參考文獻


[1] 王棚.基于區塊鏈的高速公路行駛路徑還原技術探究[J].中國交通信息化,2020(7):95-101

[2] 楊洪路,張伊,鄧靜.基于區塊鏈的ETC管理系統設計與實現[J].中國交通信息化, 2020(2):21-23.


標簽:施工案例技術中心
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