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区块链技术在高速公路的两种应用场景

发布时间:2021-02-23区块链应用评论
2020年,全国取消486处省界收费站,安装建设2万多套门架系统,至此高速公路迈入了一张网时代。在此背景下,车辆路径的精准识别、ETC联网运营都成为重中之重。区块链近年来则一直备

2020年,全国取消486处省界收费站,安装建设2万多套门架系统,至此高速公路迈入了一张网时代。在此背景下,车辆路径的精准识别、ETC联网运营都成为重中之重。

区块链近年来则一直备受关注,从2008年被提出,经历了区块链1.0(去中心化的数字货币应用)、区块链2.0(数字资产金融应用或企业级应用),目前已经到了区块链3.0(区块链在金融行业之外的各行业的应用场景,被称为互联网技术之后的新一代技术创新)。

区块链与高速公路,将会擦出怎样的火花?在近期《中国交通信息化》杂志中,有两篇文章给出了相应建议。

区块链与高速公路路径还原

高速公路收费方式按照实际行驶路径收费以来,路径的精确识别一直是运营者和出行者关心的问题。一方面,路径精确识别尚存在技术问题;另一方面,路径识别结果的不开放性导致了公众对生成的通行费用存在疑问。路径精确识别的核心是正确判别路网中每一车辆的实际行驶路径,通过一定的技术手段对路网中可能出现行驶歧义的车辆进行确认。

作者王棚(江苏通行宝智慧交通科技有限公司)在《基于区块链的高速公路行驶路径还原技术探究》一文中认为,可以将2万多套门架建设成一个分权共治组织,通过对每个门架记录的过车信息和车牌识别结果进行分布式记账,最终拟合成一条无二义的精确行驶路径。

他从路径还原区块链架构、路径还原区块链数据结构、路径还原流程三个方面进行了分析。

一、路径还原区块链架构

路径还原区块链以门架系统作为记账节点,以行经车辆作为轻节点。记账节点用于记录门架中存储的过车信息,包括车牌号、OBU信息、记账节点。由于OBU的存储能力和计算能力有限,OBU只作为轻节点实现查询功能。路径还原区块链网络架构如图1所示。图1路径还原区块链网络架构

路径还原块链基于应用场景,对比特币区块链进行了改造。路径还原区块链不存在工作量证明和激励机制,它的核心功能是保证数据的不可篡改和所有节点达成行驶路径唯一性共识,系统架构如图2所示。图2路径还原区块链架构

二、路径还原区块链数据结构

路径区块链的数据结构如图3所示。每个区块由两个部分组成——区块头部和区块数据。其中,区块头部中有一个哈希指针指向上一个区块,这个哈希指针包含前一个数据块的哈希值。哈希值可以被看成是数据块的指纹,即在后一个区块的头部中均存储有上一个区块数据的指纹。如果上一个区块中的数据被篡改了,那么数据和指纹就对不上号,篡改行为就被发现了。要改变一个区块中的数据,对其后的每个区块都必须相应地进行修改。数据部分为一条过车数据。图3路径还原区块链数据结构

三、路径还原流程

车辆行经高速公路出口,缴费前发起路径查询请求,距离出口最近的门架节点查询本节点账本,将该车辆行经的门架记录进行组合,还原出行驶路径。为了提高查询效率,记账节点中的区块链数据结构头部应包含上一个门架的地址。在进行路径还原的时候,以发起查询任务的门架为终点,门架在账本中以车牌号为查询条件进行查询,将查询结果按照时间进行排序后,还原出车辆行驶路径。

区块链与ETC管理

随着ETC联网运营的不断推进,当前ETC运营系统主要面临结算中心安全性、结算数据完整性、数据的处理效率、系统的兼容性四方面问题。

作者杨洪路(交通运输部科学研究院)等在《基于区块链的ETC管理系统设计与实现》一文中提出了一种区块链技术的ETC管理系统,利用区块链技术去信任、去中心化、不可篡改及可追溯的特点,实现ETC通行交易记录在区块链上保存,为ETC高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供有效的解决方案。

该系统采用3层应用架构,分为应用层、服务层和数据层,如图4所示。图4系统架构图

一、数据层

数据层由提供存储的BUMO区块链和MySQL数据库组成。BUMO是下一代商用级基础公共区块链,旨在建立价值流通的泛在信任网络,致力于打造广泛数字信任、价值自由流通、大众共享应用的分布式商业生态。

BUMO的服务架构分为五层:图5BUMO的服务架构图

底层

是区块链的基本组成,包括P2P组网、账本结构、共识机制和激励机制等;

交易、合约层

是区块链对上的表现形式;

技术扩展层

包括跨链、侧链、隐私等;

服务层

是最高层,包括数字资产、物联网及第三方应用;

数字钱包、区块链浏览器、数据监控分析、身份认证等外层应用

能够连接整个生态,并打通数字资产的通体系。

二、服务层

服务层负责应用层和数据层的交互,服务层提供包括用户注册、生成公私钥、交易记录上链、查询上链详细信息等接口。

1、generateKeys()

生成密钥信息,包括公钥、私钥和地址。采用ECC椭圆曲线加密算法,生成的公钥、私钥和地址用于通行记录上链过程。以发行中心F为例,一般的发送形式为F.generateKey()。

2、submitTransaction(X)

新增通行交易记录上链。该过程分为获取账户nonce值、构建操作、序列化交易、签名交易、提交交易五步,上链成功后生成交易hash值。

3、getTransactionInfo(X)

根据上链生成的hash值查看区块链上交易X的详细信息。如根据hash=2495b6acf633b0852d01768428947aaad594729dc4028090636efab4b235c688找到区块链上的相应交易并提取相关信息,包括签名后数据、交易金额、区块序列号、交易序列号等。以省中心S为例,一般的发送形式为S.getTransactionInfo(hash)。

三、应用层

应用层为多角色的Web系统,为用户提供操作功能页面,用户角色分为ETC用户、收费路段、省管理中心、国家路网中心、省ETC卡发行中心和ETC卡服务网点六种。Web系统选用Spring-side框架,并对其进行扩展和定制。

为了保证系统内数据不被非法用户窃取,应用层加入了严格的权限管理机制,结合Bootstrap作为前端UI框架,提高了系统的交互性。系统对登录用户进行了访问控制,并将访问控制逻辑放在Web服务器实现。

根据用户角色向MySQL数据库查询相应的操作权限,以此来判断用户是否有权限进行请求操作,例如:省中心管理员只能查询到本省的收费站信息、路段收费参数和进出本省的通行记录;发行中心管理员只能对本省发行的ETC卡片和用户信息进行操作,同时只能查看本省的交易信息;用户只能查询到与自己相关的交易记录和ETC卡片信息,并只能对自己的个人信息进行操作。

两种应用场景展望

区块链技术在高速公路领域的应用前景无疑是巨大的,不过以现在区块链技术的发展情况来看,距离真正意义上的落地依然还有很长的路要走。

在本文所提出的两种应用场景中,也受现有知识水平和研究时间的限制,研究工作仍不尽完善。

比如,精准路径还原作为高速公路ETC按行车路径收费的关键,在解决高速公路行驶路径识别问题的同时,能够面向公众将路径识别系统进行开放,最终将高速公路建设成分权共治的数据化组织,但实际落地与应用仍需长期观察。

比如,在ETC运营方面,区块链技术为ETC高成本、低效率和数据存储不安全等问题提供了有效的解决方案。但是,如何提高系统的吞吐量、提高系统的查询速率,未来还需要通过真实数据进行更加深入的研究。

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