區(qū)域鏈交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究

任康 沈劍 潘江塞

摘 要：為了解決傳統(tǒng)城市交通的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)架構(gòu)層分布，各組織的數(shù)據(jù)上傳、獨(dú)立管理無法實(shí)現(xiàn)信息共享，存在信息孤島問題。文章提出了近年來不斷發(fā)展逐漸成熟的區(qū)塊鏈技術(shù)，構(gòu)建基于區(qū)塊鏈技術(shù)的城市交通智能大數(shù)據(jù)平臺(tái)?；趨^(qū)塊數(shù)據(jù)將不同數(shù)據(jù)組織機(jī)構(gòu)中心化數(shù)據(jù)管理去除，對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)等方法徹底改變，實(shí)現(xiàn)智能交通多元化系統(tǒng)平臺(tái)大數(shù)據(jù)共享、去中心化就分布式計(jì)算?；趨^(qū)塊鏈技術(shù)城市智能交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)，所需解決和面臨的不同問題，就是要統(tǒng)一不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一監(jiān)管運(yùn)營(yíng)，并做到先進(jìn)計(jì)數(shù)兼容。發(fā)現(xiàn)基于區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)架構(gòu)下，可以解決傳統(tǒng)交通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，存在所受設(shè)備的安裝布局及分屬管理限制，和取決于客觀環(huán)境的數(shù)據(jù)路網(wǎng)覆蓋率較大影響。得出了區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用，能夠成功突破組織機(jī)構(gòu)局限，共享城市智能交通數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)缺失問題。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;大數(shù)據(jù);交通行業(yè)

中圖分類號(hào)：TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2021）06-0099-04

Abstract：In order to solve the traditional urban traffic network data architecture layer distribution， the data upload and independent management of each organization cannot achieve information sharing， and there is a problem of information islands. This paper proposes the continuous development of blockchain technology in recent years， and builds an urban traffic intelligent big data platform based on blockchain technology. Based on block data， the centralized data management of different data organizations is removed， and the methods of data collection， processing， and storage are completely changed， and the intelligent transportation diversified system platform big data sharing， decentralization and distributed computing are realized. The big data platform for urban intelligent transportation based on blockchain technology requires different problems to be solved and faced， which is to unify data from different data sources， realize unified supervision and operation of data， and achieve advanced counting coMPatibility. It is found that under the blockchain-based traffic big data architecture， the traditional traffic data network architecture can be solved. There are restrictions on the installation layout of the equipment and the management of separate management， and the data road network coverage that depends on the objective environment has a greater iMPact. It is concluded that the blockchain transportation big data application can successfully break through the limitations of the organization， share the urban intelligent transportation data， and solve the problem of data lack.

Key words：blockchain; big data; transportation industry

區(qū)塊鏈技術(shù)在近年來不斷成熟發(fā)展中，作為備受關(guān)注的熱門技術(shù)之一，更廣泛應(yīng)用于各行業(yè)，涉及科技、社會(huì)、金融、經(jīng)濟(jì)、政治等多領(lǐng)域[1]。與此同時(shí)云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等新型技術(shù)的不斷滲透，數(shù)字經(jīng)濟(jì)時(shí)代已經(jīng)極大改變了人們的生活生產(chǎn)方式。運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)有望能夠降低經(jīng)濟(jì)成本提升效率，推進(jìn)傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，并加速產(chǎn)業(yè)的升級(jí)轉(zhuǎn)型。而區(qū)塊鏈技術(shù)的研究對(duì)象主要特點(diǎn)，都是基于大數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)[2]。大數(shù)據(jù)本身在應(yīng)用中的實(shí)際需求，也和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)之間存在沖突問題，譬如較差的可編程性，較低的數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)及提取率，存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)中心化安全隱患問題，較差的數(shù)據(jù)流動(dòng)性，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、存儲(chǔ)及處理離散化等，都對(duì)終端數(shù)據(jù)分析復(fù)雜度有所增加，所以對(duì)大數(shù)據(jù)平臺(tái)建設(shè)造成很大制約。因此區(qū)塊鏈技術(shù)在大數(shù)據(jù)平臺(tái)中據(jù)有關(guān)適用性，本文展開對(duì)區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用研究。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈作為一個(gè)可追溯、不可篡改、去中心化且實(shí)現(xiàn)多方維護(hù)的分布式數(shù)據(jù)庫(kù)，可以整合傳統(tǒng)的單方維護(hù)與多業(yè)務(wù)孤立數(shù)據(jù)，分布式存儲(chǔ)能夠共同對(duì)多節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)多方維護(hù)，無論任何一方對(duì)數(shù)據(jù)都無法控制，僅僅能夠依照嚴(yán)格共識(shí)規(guī)則更新，所以達(dá)到了多方信息監(jiān)督共享，綜合提升業(yè)務(wù)處理效率，更對(duì)交易成本有所降低[3]。在區(qū)塊數(shù)據(jù)、區(qū)塊間形成了分布式、連接關(guān)系機(jī)制，可以確保區(qū)塊鏈去中心化，如圖1所示。根據(jù)前一個(gè)區(qū)塊頭數(shù)據(jù)，可以通過哈希函數(shù)計(jì)算所得哈希值，置于后區(qū)塊頭運(yùn)用該方法能夠?qū)η昂髢蓞^(qū)塊相鏈接。

如圖2所示，作為區(qū)塊鏈架構(gòu)模型圖，共有6層，內(nèi)容分別為哈希函數(shù)所構(gòu)建的記憶時(shí)間戳數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層;P2P組網(wǎng)方式下去中心化的網(wǎng)絡(luò)層;PoW、PoS、DPoS等不同共識(shí)機(jī)制目標(biāo)下，系統(tǒng)基于去中心化前提能夠達(dá)成不同節(jié)點(diǎn)區(qū)塊數(shù)據(jù)有效性共識(shí)的共識(shí)層;區(qū)塊鏈起源經(jīng)濟(jì)屬性可以延展運(yùn)用有關(guān)資源激勵(lì)手段的激勵(lì)層;腳本代碼及算法除外的合約層;實(shí)際運(yùn)用的案例場(chǎng)景應(yīng)用層[4]。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)下交通智能大數(shù)據(jù)平臺(tái)構(gòu)建

2.1 平臺(tái)架構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)下構(gòu)建交通智能大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)，如圖2所示。相似區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)，但是兩者間的主要區(qū)別，在于智能交通數(shù)據(jù)區(qū)塊，數(shù)據(jù)層涵蓋靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種數(shù)據(jù)區(qū)塊，且兩類數(shù)據(jù)存在時(shí)間戳特性，較差的靜態(tài)數(shù)據(jù)流動(dòng)性，較強(qiáng)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)時(shí)變性。所以分別在區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)層構(gòu)建兩個(gè)類數(shù)據(jù)，能夠彼此形成關(guān)聯(lián)性區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)[5]。并且在共識(shí)層構(gòu)建動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)共識(shí)算法及靜態(tài)數(shù)據(jù)共識(shí)，激勵(lì)層能夠經(jīng)資源提供、調(diào)節(jié)兩機(jī)制，實(shí)現(xiàn)不同節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)共享及去中心化。同時(shí)還能夠做到有關(guān)資源數(shù)據(jù)的可查詢權(quán)限與數(shù)據(jù)提供和交換認(rèn)證相關(guān)功能。

根據(jù)上圖重構(gòu)區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)架構(gòu)，包含了數(shù)據(jù)網(wǎng)路架構(gòu)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)層至用戶層，并未涵蓋數(shù)據(jù)來源層。建立智能化交通數(shù)據(jù)區(qū)塊、數(shù)據(jù)源之間關(guān)系，如圖3所示。增設(shè)監(jiān)管準(zhǔn)入服務(wù)器，能夠全面負(fù)責(zé)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)的信息安全監(jiān)管。通過對(duì)比能夠發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)下城市智能交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)，建立基于區(qū)塊數(shù)據(jù)核心成功去除不同組織機(jī)構(gòu)的中心化數(shù)據(jù)管理，從而做到大數(shù)據(jù)平臺(tái)共享。經(jīng)共識(shí)層、合約層、激勵(lì)層多層作用，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的可交互、可信任、可驗(yàn)證且易分析。還能夠經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)層統(tǒng)一規(guī)范數(shù)據(jù)，獲得更全、更真的區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)，形成更全局、智能優(yōu)化的數(shù)據(jù)平臺(tái)。

2.2 區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 不同節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一技術(shù)

不同數(shù)據(jù)源數(shù)據(jù)統(tǒng)一需要做到統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式、采集頻率、存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、更新修改，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)源及數(shù)據(jù)塊之間的數(shù)據(jù)統(tǒng)一[6]。通過建立監(jiān)管、準(zhǔn)入服務(wù)器，能夠認(rèn)證入網(wǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)源并予以監(jiān)管，確保數(shù)據(jù)源技術(shù)能夠符合入網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，確保數(shù)據(jù)源運(yùn)營(yíng)無冗余、錯(cuò)漏及故障問題。然后深度分析不同數(shù)據(jù)，包括邏輯、來源、關(guān)聯(lián)度、價(jià)值、精準(zhǔn)度等關(guān)系，基于此確定統(tǒng)一城市交通數(shù)據(jù)區(qū)塊模式，形成數(shù)據(jù)區(qū)塊。最終運(yùn)用區(qū)塊鏈及網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)，能夠統(tǒng)一存儲(chǔ)并傳輸數(shù)據(jù)。

2.2.2 多項(xiàng)技術(shù)公共監(jiān)管運(yùn)營(yíng)

區(qū)塊鏈技術(shù)下的城市交通大數(shù)據(jù)，不同于傳統(tǒng)交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)，傳統(tǒng)交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)的數(shù)據(jù)監(jiān)管需要由不同組織機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，然后在統(tǒng)一平臺(tái)共享，往往無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)一監(jiān)管運(yùn)營(yíng)。但是區(qū)塊鏈技術(shù)下的城市智能交通大數(shù)據(jù)去中心化，則能夠成功去除數(shù)據(jù)的所屬化，滿足數(shù)據(jù)入網(wǎng)后智能統(tǒng)一監(jiān)管運(yùn)營(yíng)。抓緊區(qū)塊鏈技術(shù)下交通大數(shù)據(jù)激勵(lì)層、共識(shí)層、應(yīng)用層及和躍層的統(tǒng)一監(jiān)管運(yùn)營(yíng)，達(dá)到了多項(xiàng)技術(shù)共用。并且數(shù)據(jù)監(jiān)管運(yùn)營(yíng)中各層還能夠構(gòu)建數(shù)據(jù)監(jiān)管運(yùn)營(yíng)技術(shù)處理機(jī)制、資源分配、管理規(guī)則、應(yīng)用等機(jī)制，能夠根據(jù)不同機(jī)制實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)化傳輸、處理及服務(wù)。

2.2.3 聯(lián)網(wǎng)車路技術(shù)兼容

車聯(lián)網(wǎng)就是能夠做到車和車、車和路、車和人、車和傳感設(shè)備之間的交互，能夠達(dá)到車路網(wǎng)絡(luò)化。車聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵是采集何種數(shù)據(jù)，何種網(wǎng)路通信計(jì)數(shù)及提供何種數(shù)據(jù)運(yùn)用。區(qū)塊鏈技術(shù)能夠在車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信中直接作用，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)符合技術(shù)兼容需求同時(shí)，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)外部通信鏈接。車路協(xié)同需要做到人、車、路彼此互感，關(guān)鍵就在需要做到系統(tǒng)協(xié)同，對(duì)系統(tǒng)資源的優(yōu)化利用，從而充分提升道路安全、交通監(jiān)管并大力緩解交通擁堵等目標(biāo)。區(qū)塊鏈技術(shù)不僅需要做到基本數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)功能，除此之外在共識(shí)層、和躍層同樣作為確保系統(tǒng)協(xié)同的重要基礎(chǔ)，激勵(lì)層則能夠?qū)崿F(xiàn)資源優(yōu)化利用目標(biāo)。根據(jù)上圖在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)中，可以實(shí)現(xiàn)交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)的不同數(shù)據(jù)源智能連接，存在技術(shù)兼容性[7]。所以區(qū)塊鏈技術(shù)下的交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)，作為一個(gè)開放性平臺(tái)應(yīng)用，接下來將對(duì)區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)的應(yīng)用仿真案例進(jìn)行分析。

3 應(yīng)用仿真案例

3.1 仿真場(chǎng)景

基于區(qū)塊鏈技術(shù)的交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)建構(gòu)，本部分選擇霧霾情況下交通流數(shù)據(jù)缺失仿真場(chǎng)景，出現(xiàn)這種情況的原因是霧霾降低了交通路網(wǎng)的能見度，很大程度影響了城市交通視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，造成交通流數(shù)據(jù)缺失。具體來講就是及交叉路口因?yàn)槟芤姸扔邢?，所以圖像采集比較模糊，無法監(jiān)測(cè)至交叉口要排隊(duì)等待車輛，所致數(shù)據(jù)缺失。并且因?yàn)榈缆返哪芤姸扔邢?，所以車輛駕駛?cè)藛T需要與自身能見度為依據(jù)對(duì)車速進(jìn)行調(diào)整，勢(shì)必會(huì)一定程度上影響車道的車流量。同時(shí)需要說明的問題，是盡管沙塵、雨雪不同天氣條件，會(huì)對(duì)路網(wǎng)能見度造成影響，但一般不會(huì)在城市出現(xiàn)局部霧霾情況，所以霧霾影響交通問題具有研究代表性[8]。

3.2 應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)

對(duì)于霧霾情況下的路網(wǎng)交通數(shù)據(jù)缺失情況，可以運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)根據(jù)GPS數(shù)據(jù)，將霧霾下的交通流缺失數(shù)據(jù)有效補(bǔ)充。根據(jù)上圖2本次仿真中的數(shù)據(jù)源即交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及霧霾監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，然后將交通流數(shù)據(jù)、霧霾數(shù)據(jù)作為區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)，激勵(lì)層資源為GPS數(shù)據(jù)。對(duì)于數(shù)據(jù)層中，城市交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集時(shí)間作為時(shí)間戳，可以獲得更全數(shù)據(jù)的區(qū)塊鏈。終端設(shè)施包含了交通霧霾監(jiān)測(cè)、交通監(jiān)測(cè)。不同組數(shù)據(jù)有詳細(xì)的設(shè)備數(shù)據(jù)，采集時(shí)間，位置數(shù)據(jù)及各自編號(hào)。區(qū)塊體之間的不同數(shù)據(jù)，哈希函數(shù)能夠?qū)Σ煌O(shè)備的可見空間維度函數(shù)位置體現(xiàn)，并連接不同位置數(shù)據(jù)組，成功構(gòu)建關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)組群。然后即可經(jīng)共識(shí)算法認(rèn)證區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的完整度，與路網(wǎng)的數(shù)據(jù)組位置，對(duì)車道單元或是交叉口單元的數(shù)據(jù)組進(jìn)行判斷，以及數(shù)據(jù)的完整性進(jìn)行判斷。完整數(shù)據(jù)即無需重復(fù)補(bǔ)充，不完整數(shù)據(jù)則需要數(shù)據(jù)補(bǔ)充。區(qū)塊鏈會(huì)保留經(jīng)完整度認(rèn)證后的區(qū)塊，對(duì)于未認(rèn)證成功區(qū)塊，應(yīng)當(dāng)經(jīng)激勵(lì)層的路網(wǎng)位置相關(guān)原則建立資源調(diào)節(jié)機(jī)制。在最終和躍層，數(shù)據(jù)源及激勵(lì)資源需要依照智能組網(wǎng)合作網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，也就是城市交通監(jiān)測(cè)、霧霾監(jiān)測(cè)、與GPS組網(wǎng)協(xié)議之間合作。經(jīng)數(shù)據(jù)補(bǔ)充算法能夠補(bǔ)充未認(rèn)證區(qū)塊數(shù)據(jù)，并保留已經(jīng)認(rèn)證成功的區(qū)塊，刪除未通過認(rèn)證區(qū)塊。

3.3 數(shù)據(jù)補(bǔ)充率

為了對(duì)霧霾下的區(qū)塊鏈交通數(shù)據(jù)補(bǔ)充，建立數(shù)據(jù)補(bǔ)充率指標(biāo)，與以往文獻(xiàn)相結(jié)合構(gòu)建數(shù)據(jù)霧霾路網(wǎng)模型，劃分了路網(wǎng)模型車道、交叉口兩模型部分，以路網(wǎng)能見度及城市交通監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，統(tǒng)計(jì)兩部分模型的交通數(shù)據(jù)缺失率，建立交通數(shù)據(jù)流補(bǔ)充率。對(duì)于車道來講車道數(shù)據(jù)補(bǔ)充率相關(guān)車道數(shù)據(jù)缺失率，作為前后車道數(shù)據(jù)缺失率二者之差，公式如下：

式（1）中：補(bǔ)充前、后車道數(shù)據(jù)的缺失率分別用lo1b、lo1a表示。

針對(duì)交叉口來講數(shù)據(jù)補(bǔ)充率又相關(guān)于數(shù)據(jù)缺失率，那么補(bǔ)充前后的交叉口數(shù)據(jù)缺失率差值計(jì)算公式如下：

式（2）中：補(bǔ)充前后的交叉口數(shù)據(jù)缺失率分別用locb、loca表示。

3.4 仿真結(jié)果

通過建立霧霾下的交通路網(wǎng)仿真模型，基于MATLAB仿真軟件設(shè)計(jì)10s為一次仿真周期，共進(jìn)行18次仿真，180s仿真周期。以以往數(shù)據(jù)建立霧霾下的路網(wǎng)影響度仿真數(shù)據(jù)，以能見度程度劃分霧霾包括輕度、中度、重度，在仿真過程中設(shè)置輕度霧霾時(shí)，車道交叉口可達(dá)1000m能見度，中度時(shí)500m的能見度，重度時(shí)150m的能見度。

霧霾所形成的路網(wǎng)區(qū)域仿真數(shù)據(jù)，劃分了中、重兩種霧霾程度所覆蓋區(qū)域，為盲區(qū)，并依照數(shù)據(jù)的缺失情況劃分了霧霾點(diǎn)、局部、全盲3種。仿真過程中設(shè)置交叉口霧霾點(diǎn)盲區(qū)是12，局部盲區(qū)是12、13、16、17，假設(shè)在非盲區(qū)的車道交叉口達(dá)1000m能見度，400m霧霾盲區(qū)值，在路網(wǎng)全部車輛5%作為浮動(dòng)車，與實(shí)際情況更為接近，隨機(jī)分布標(biāo)記路網(wǎng)中的浮動(dòng)車初始所在位置，設(shè)計(jì)單元車道為20m長(zhǎng)，單元交叉口為10m長(zhǎng)。最終根據(jù)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)本次方法均可以補(bǔ)充不同程度霧霾影響下的交通流數(shù)據(jù)，并且可以達(dá)到40%～60%的交叉口數(shù)據(jù)流補(bǔ)充值，獲得更突出的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

總而言之，通過建立區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)，充分運(yùn)用了區(qū)塊鏈的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)交通大數(shù)據(jù)平臺(tái)的無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享這一問題。并結(jié)合案例方恨霧霾下的路網(wǎng)交通流缺失，發(fā)現(xiàn)可以達(dá)到40%～60%的交叉口數(shù)據(jù)流補(bǔ)充效果，得出了區(qū)塊鏈交通大數(shù)據(jù)應(yīng)用，能夠成功突破組織機(jī)構(gòu)局限，共享城市智能交通數(shù)據(jù)，解決數(shù)據(jù)缺失問題這一結(jié)論。

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