物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下共享停車(chē)區(qū)塊鏈模型研究

孔祥科李樹(shù)彬李青桐

(1.山東建筑大學(xué) 交通工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250101；2.山東警察學(xué)院 交通管理工程系，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，小汽車(chē)保有量不斷攀升，伴隨而來(lái)的是日益嚴(yán)峻的停車(chē)難問(wèn)題。解決好這一問(wèn)題已成為緩解道路交通擁堵、促進(jìn)城市發(fā)展的關(guān)鍵因素。以濟(jì)南市為例，截至2019年底全市機(jī)動(dòng)車(chē)保有量達(dá)到280余萬(wàn)輛，全年新增約31.8萬(wàn)輛，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，濟(jì)南二環(huán)以?xún)?nèi)有機(jī)動(dòng)車(chē)130萬(wàn)輛，但僅有70萬(wàn)個(gè)停車(chē)位，停車(chē)位的供給遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足停車(chē)需求。近年來(lái)，隨著共享經(jīng)濟(jì)的興起，通過(guò)共享車(chē)位打破私人車(chē)位的停車(chē)限制，有效地提高車(chē)位利用率，成為解決停車(chē)難問(wèn)題的新思路。

在可行性研究方面，曾馨儀[1]通過(guò)實(shí)際調(diào)查的混合用地停車(chē)場(chǎng)使用時(shí)間分布論證了共享停車(chē)的可行性，并提出通過(guò)改進(jìn)應(yīng)用程序(Application，APP)、優(yōu)化運(yùn)營(yíng)模式來(lái)推動(dòng)共享停車(chē)的落地。XIE等[2]通過(guò)偏好調(diào)查(State Preferences，SP)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)方程模型分析共享停車(chē)帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)利益、安全風(fēng)險(xiǎn)等因素之間的復(fù)雜關(guān)系，確定不同因素的影響系數(shù)，為提高共享停車(chē)接受程度提供依據(jù)。在共享模式研究方面，陳沁[3]將共享停車(chē)模式分為固定租用和臨時(shí)租用，分別采取停放許可和浮動(dòng)收費(fèi)措施，研究了停放許可的發(fā)放數(shù)量、價(jià)格、使用時(shí)段以及浮動(dòng)收費(fèi)方式。路揚(yáng)等[4]提出了網(wǎng)絡(luò)共享停車(chē)匹配優(yōu)化模型，并通過(guò)仿真算例在共享泊位供不應(yīng)求的情況下，驗(yàn)證了模型具有較好性能。徐浩[5]分析了共享停車(chē)的系統(tǒng)組成和主要模式，并對(duì)共享停車(chē)中資源獲取，風(fēng)險(xiǎn)控制、利益分配等關(guān)鍵問(wèn)題提出解決思路。在軟硬件開(kāi)發(fā)方面，張瑞增[6]設(shè)計(jì)了一種智能車(chē)位鎖，從設(shè)計(jì)方案、硬件開(kāi)發(fā)、軟件運(yùn)行優(yōu)化等方面進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，該智能鎖可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程開(kāi)鎖、車(chē)位檢測(cè)、自動(dòng)上鎖以及故障報(bào)修等功能，為實(shí)現(xiàn)車(chē)位共享提供了可靠選擇。徐欣等[7]設(shè)計(jì)了一款無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)智能地鎖設(shè)備，并通過(guò)分析業(yè)務(wù)需求提出了面向用戶(hù)的軟件模型和框架。

綜上，目前通過(guò)小區(qū)物業(yè)合作、統(tǒng)一管理實(shí)現(xiàn)的臨近區(qū)域停車(chē)場(chǎng)(如住宅區(qū)與鄰近商場(chǎng))之間的車(chē)位共享，由于其只能在特定區(qū)域推廣，其范圍受限、應(yīng)用不夠靈活，因此對(duì)解決城市全局的停車(chē)難問(wèn)題作用較小。而實(shí)現(xiàn)個(gè)人之間的車(chē)位共享能夠充分利用城市各個(gè)時(shí)段和區(qū)域的空閑停車(chē)位資源，對(duì)于解決城市停車(chē)難問(wèn)題、緩解交通擁堵具有重要意義。文章以車(chē)位主和停車(chē)需求者個(gè)人之間的車(chē)位共享方式為研究對(duì)象，針對(duì)該方式面臨的依賴(lài)中央服務(wù)器、隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、可信第三方選擇，車(chē)位利用率等方面的問(wèn)題，在傳統(tǒng)的共享停車(chē)模式中引入一項(xiàng)新的技術(shù)——區(qū)塊鏈技術(shù)。楊逸群[8]將區(qū)塊鏈技術(shù)引入自動(dòng)駕駛技術(shù)中，解決在大數(shù)據(jù)情況下數(shù)據(jù)共享不及時(shí)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)服務(wù)等方面的問(wèn)題。許丹丹等[9]詳細(xì)說(shuō)明了區(qū)塊鏈的演進(jìn)趨勢(shì)和生態(tài)布局，論述了如何實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)與第五代移動(dòng)通信技術(shù)(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)的交叉融合，并提出區(qū)塊鏈＋5G在金融保險(xiǎn)、社會(huì)治理方面的創(chuàng)新應(yīng)用。何正源等[10]等介紹了區(qū)塊鏈在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用場(chǎng)景，并綜述了物聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)的難題及相應(yīng)工作成果。ZHANG等[11]針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)終端安全問(wèn)題，提出了基于區(qū)塊鏈的可信網(wǎng)絡(luò)連接，并驗(yàn)證了在物聯(lián)網(wǎng)終端保護(hù)的可行性。THAKORE等[12]針對(duì)解決中心式物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私、安全等問(wèn)題，提出了基于區(qū)塊鏈的物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)。文章結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)去中心化、難篡改、可追溯和分布式的特性[13]，以及在數(shù)據(jù)安全、資金流動(dòng)等方面的優(yōu)勢(shì)，利用物聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到共享停車(chē)中，提出了物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的共享停車(chē)區(qū)塊鏈(Shared Parking Blockchain，SPBC)模型，旨在為共享停車(chē)提供新的發(fā)展模式，促進(jìn)共享停車(chē)的廣泛落地，并探索區(qū)塊鏈作為通用技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景。

1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境搭建

1.1 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境框架

物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境是部署SPBC模型的前提。物聯(lián)網(wǎng)通過(guò)各種信息傳感設(shè)備和智能控制設(shè)備，使物理實(shí)體作為互聯(lián)網(wǎng)的用戶(hù)端，系統(tǒng)可以自動(dòng)實(shí)時(shí)地對(duì)物體進(jìn)行識(shí)別、定位、監(jiān)控并觸發(fā)物理實(shí)體響應(yīng)指令事件[14]。在SPBC模型中，物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境分為4個(gè)層次，分別是感知識(shí)別層、網(wǎng)絡(luò)連接層、綜合管理層和服務(wù)應(yīng)用層。感知識(shí)別層通過(guò)在物理實(shí)體上安裝大量的傳感器等智能設(shè)備采集物理實(shí)體的實(shí)時(shí)信息。網(wǎng)絡(luò)連接層負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)通信、數(shù)據(jù)和指令傳輸，通常采用無(wú)線(xiàn)通信的方式，如藍(lán)牙、通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)(General Packet Radio Service，GPRS)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)(Wireless Fidelity，WiFi)等。信息數(shù)據(jù)傳輸至綜合管理層后，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析處理，進(jìn)行智能決策，并將決策指令發(fā)送至用戶(hù)移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中需要用到的關(guān)鍵技術(shù)見(jiàn)表1。

表1 環(huán)境搭建所需關(guān)鍵技術(shù)表

1.2 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境所需的智能設(shè)備

(1)超聲波傳感器

超聲波傳感器負(fù)責(zé)檢測(cè)車(chē)位內(nèi)是否有車(chē)輛停放。安裝在車(chē)位上方超聲波傳感器通過(guò)測(cè)量超聲波探頭與被測(cè)物體之間的距離，判斷車(chē)位內(nèi)是否有車(chē)輛停放。同時(shí)，通過(guò)內(nèi)嵌計(jì)時(shí)裝置，可以監(jiān)測(cè)車(chē)輛的停放時(shí)間。為提高探測(cè)精度，可在停車(chē)場(chǎng)實(shí)際高度h的基礎(chǔ)上添加允許誤差距離Δl，當(dāng)測(cè)得距離H∈[h，h＋Δl]時(shí)，車(chē)位無(wú)車(chē)輛停放；反之，有車(chē)輛停放。超聲波測(cè)距公式由式(1)表示為

式中H為待測(cè)距離，m；T為從發(fā)出超聲波到接收到回波的時(shí)間，s；c為聲音在空氣中傳播速度，m/s。

(2)智能車(chē)位鎖

SPBC模型中智能車(chē)位鎖負(fù)責(zé)控制預(yù)約車(chē)輛停放或駛離共享車(chē)位，其主要功能包括實(shí)時(shí)雙向通信、接收指令、控制車(chē)位鎖開(kāi)關(guān)、發(fā)送狀態(tài)信息[6]。智能車(chē)位鎖控制車(chē)位有3種狀態(tài)，由式(2)表示為

式中S為車(chē)位狀態(tài)集合；si為車(chē)位i的智能車(chē)位鎖實(shí)時(shí)狀態(tài)。當(dāng)si＝0時(shí)，智能車(chē)位鎖關(guān)閉，車(chē)位空閑接收預(yù)定；當(dāng)si＝1時(shí)，智能車(chē)位鎖激活，車(chē)位已被預(yù)定等待開(kāi)鎖；當(dāng)si＝2時(shí)，智能車(chē)位鎖開(kāi)啟，車(chē)位處于使用狀態(tài)。

(3)停車(chē)場(chǎng)入口設(shè)備

停車(chē)場(chǎng)入口設(shè)備利用車(chē)牌識(shí)別技術(shù)，通過(guò)捕獲車(chē)輛車(chē)牌、圖像預(yù)處理、特征提取、字符識(shí)別等，實(shí)現(xiàn)從背景中獲取車(chē)牌照片并捕獲車(chē)牌區(qū)域，完成車(chē)牌號(hào)讀取[15]。將讀取的車(chē)牌號(hào)與該設(shè)備對(duì)應(yīng)的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)中保存的預(yù)訂車(chē)位的車(chē)輛牌號(hào)對(duì)比，對(duì)比吻合后，允許車(chē)輛進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展

區(qū)塊鏈的發(fā)展包括3個(gè)階段:(1)區(qū)塊鏈1.0即比特幣 2008年11月中本聰在?比特幣:點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的電子現(xiàn)金系統(tǒng)?中首次提出了區(qū)塊鏈的理論概念[16]。智能合約的出現(xiàn)賦予了區(qū)塊鏈底層數(shù)據(jù)可編程性，為區(qū)塊鏈2.0奠定了基礎(chǔ)[17]。(2)區(qū)塊鏈2.0即以太坊 是一種可編程的貨幣，通過(guò)構(gòu)建以太坊虛擬機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)智能合約的運(yùn)行。(3)區(qū)塊鏈3.0 展現(xiàn)的是區(qū)塊鏈的底層通用性，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的交叉應(yīng)用。區(qū)塊鏈發(fā)展流程圖如圖1所示。目前，我國(guó)已將區(qū)塊鏈技術(shù)的集成應(yīng)用作為技術(shù)革命、產(chǎn)業(yè)革新以及核心技術(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，并在區(qū)塊鏈＋政務(wù)、區(qū)塊鏈＋生態(tài)等方面取得了一定實(shí)踐成效。

圖1 區(qū)塊鏈發(fā)展流程圖

2.2 區(qū)塊鏈概念和關(guān)鍵技術(shù)

區(qū)塊鏈技術(shù)本質(zhì)上是一種去中心化的分布式賬本數(shù)據(jù)庫(kù)，區(qū)塊記錄系統(tǒng)在一段時(shí)間內(nèi)的所有交易和狀態(tài)，按照時(shí)間序列將區(qū)塊串聯(lián)成鏈。區(qū)塊鏈中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都存儲(chǔ)著整個(gè)賬本的數(shù)據(jù)，任一節(jié)點(diǎn)的損壞或者失效都不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。每產(chǎn)生一個(gè)新的區(qū)塊就會(huì)通過(guò)設(shè)定的算法對(duì)其進(jìn)行加密，并在整個(gè)區(qū)塊鏈系統(tǒng)中備份。區(qū)塊鏈有4大關(guān)鍵技術(shù)，分別是非對(duì)稱(chēng)加密、分布式共識(shí)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸和智能合約。

(1)非對(duì)稱(chēng)加密(Asymmetric Encryption) 在非對(duì)稱(chēng)加密中有一個(gè)密鑰對(duì)。在通過(guò)公鑰對(duì)數(shù)據(jù)或信息加密后，只有通過(guò)私鑰才能解密。非對(duì)稱(chēng)加密技術(shù)能夠確保共享車(chē)位過(guò)程中信息和資金流安全，同時(shí)通過(guò)信息編碼能夠大大減少存儲(chǔ)空間。

(2)分布式共識(shí)(Distributed Consensus) 區(qū)塊鏈中所有節(jié)點(diǎn)對(duì)同一個(gè)提案達(dá)成共識(shí)的方法，主要有中心共識(shí)法、投票法和抽簽法。分布式共識(shí)達(dá)成機(jī)制能夠在共享車(chē)位區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)面對(duì)蓄意攻擊時(shí)極具穩(wěn)定性。

(3)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸(Peer-to-Peer，P2P) 以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的連接方式將各個(gè)客戶(hù)端連接成拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以提供存儲(chǔ)空間和計(jì)算能力。P2P的網(wǎng)絡(luò)連接方式恰能適用于個(gè)體間的共享停車(chē)方式，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以參與交易并提供算力，解決了依靠中央控制節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)和計(jì)算全部數(shù)據(jù)的難題。

(4)智能合約(Smart Contract) 布置在區(qū)塊鏈中以信息化方式傳播、驗(yàn)證或執(zhí)行的計(jì)算機(jī)協(xié)議，可以自動(dòng)驗(yàn)證和執(zhí)行觸發(fā)式規(guī)則并向外界發(fā)送信息和價(jià)值。通過(guò)智能合約可以在共享單車(chē)區(qū)塊鏈布置交易規(guī)則，保證交易按規(guī)則進(jìn)行。

區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)決定了其公開(kāi)透明、不可篡改、集體維護(hù)、安全可信的特性。將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的共享停車(chē)中，為每一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備關(guān)聯(lián)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)，將設(shè)備采集數(shù)據(jù)和交易數(shù)據(jù)加密后存儲(chǔ)在區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)中，通過(guò)智能合約預(yù)設(shè)共享車(chē)位的交易規(guī)則，車(chē)位需求者通過(guò)滿(mǎn)足智能合約觸發(fā)條件，獲得車(chē)位的使用權(quán)。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的SPBC模型可以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)與區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，既解決物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下海量信息存儲(chǔ)、隱私信息安全、第三方信任等方面的問(wèn)題，又通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)將區(qū)塊鏈技術(shù)與物理世界聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用落地。

3 物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下SPBC模型

3.1 模型構(gòu)建

3.1.1 模型架構(gòu)

SPBC模型為三角形架構(gòu)，如圖2所示，其中包含感知識(shí)別模塊、用戶(hù)應(yīng)用模塊和綜合管理模塊。感知識(shí)別模塊有著大量的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，負(fù)責(zé)檢測(cè)車(chē)位、車(chē)輛的實(shí)時(shí)狀態(tài)。用戶(hù)應(yīng)用模塊是用戶(hù)移動(dòng)終端的集合，用戶(hù)可通過(guò)移動(dòng)終端平臺(tái)進(jìn)行車(chē)位共享/需求信息發(fā)布、路線(xiàn)導(dǎo)航、賬單支付等功能[18]，用戶(hù)移動(dòng)終端平臺(tái)為共享停車(chē)區(qū)塊鏈面向用戶(hù)的可視化操作平臺(tái)。綜合管理模塊包括區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)以及部署在區(qū)塊鏈上的智能合約，負(fù)責(zé)分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與傳輸、車(chē)位匹配、指令發(fā)送等操作。{SE，UT，BC，SC，α，β，γ}。其中，SE＝{sem｜m∈

圖2 模型架構(gòu)圖

SPBC模型包括7個(gè)元組，即SPBC＝N＋}為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有限集，sem為第m個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備；UT＝{utn｜n∈N＋}為用戶(hù)移動(dòng)終端有限集，utn為第n個(gè)用戶(hù)移動(dòng)終端；BC＝{bck｜k∈N＋}為區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)有限集，bck為第k個(gè)區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)；SC為布置在區(qū)塊鏈上的智能合約；α、β、γ分別為各模塊兩兩之間的聯(lián)網(wǎng)方式。

3.1.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)

SPBC模型需要通過(guò)SE和UT獲取共享車(chē)位信息和待停車(chē)輛信息。共享車(chē)位信息包括5個(gè)元組，即。 其中，p為車(chē)位；為車(chē)位i的經(jīng)緯度坐標(biāo)；為車(chē)位i的開(kāi)放時(shí)間；T(p)i為車(chē)位i的關(guān)閉時(shí)間；si為車(chē)位i智能車(chē)位鎖實(shí)時(shí)狀態(tài)；Wi為車(chē)位i擁有者的錢(qián)包賬號(hào)。待停車(chē)輛信息包括5個(gè)元組，即Vj＝，其中v為車(chē)輛；為車(chē)輛j出行目的地坐標(biāo)；為車(chē)輛j的預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間；為車(chē)輛j的預(yù)計(jì)離開(kāi)時(shí)間；為車(chē)輛j的車(chē)牌號(hào)；Wj為車(chē)輛j擁有者的錢(qián)包賬號(hào)。

在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，SPBC模型不再采取依靠中心節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)全部數(shù)據(jù)的方式，而是通過(guò)區(qū)塊鏈實(shí)現(xiàn)分布式存儲(chǔ)。區(qū)塊按照時(shí)間順序相鏈接，每一個(gè)區(qū)塊包含區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分[17]。在區(qū)塊體中，通過(guò)哈希算法將獲取的數(shù)據(jù)編碼為固定長(zhǎng)度的哈希值，以SHA256為例，可以將信息數(shù)據(jù)生成256位的信息摘要數(shù)據(jù)。然后，在區(qū)塊鏈中利用Merkle樹(shù)形式進(jìn)行組織存儲(chǔ)，生成Merkle根，如圖3所示。以二叉樹(shù)為例，其葉子節(jié)點(diǎn)為原始數(shù)據(jù)的哈希值，非葉子節(jié)點(diǎn)為該節(jié)點(diǎn)包含的所有子節(jié)點(diǎn)哈希值的組合結(jié)果。在區(qū)塊頭中包含上一區(qū)塊哈希值、時(shí)間戳、區(qū)塊高度以及對(duì)應(yīng)的Merkle根等[19]。

圖3 Merkle樹(shù)結(jié)構(gòu)圖

3.1.3 智能合約

在區(qū)塊鏈中布置條件觸發(fā)式智能合約，使交易按照事先設(shè)定好的規(guī)則進(jìn)行。當(dāng)模型輸入滿(mǎn)足觸發(fā)條件后響應(yīng)預(yù)制規(guī)則，包括智能合約向指定設(shè)備發(fā)出相應(yīng)的數(shù)據(jù)資源以及觸發(fā)事件的指令[20]。SPBC模型綜合管理模塊布置3階段智能合約，即最佳車(chē)位匹配合約、車(chē)位預(yù)訂合約、共享交易合約。3階段智能合約循環(huán)為一個(gè)整體，上一階段的響應(yīng)結(jié)果作為后續(xù)階段合約的觸發(fā)條件之一。

(1)最佳車(chē)位匹配合約

在該合約中，提出以下假設(shè):①車(chē)位需求者上傳的預(yù)計(jì)離開(kāi)時(shí)間基本準(zhǔn)確；②車(chē)位需求者從預(yù)約車(chē)位到達(dá)出行目的地的的實(shí)際步行距離通過(guò)兩點(diǎn)之間的直線(xiàn)距離與折線(xiàn)距離之和，結(jié)合實(shí)際路線(xiàn)情況，修正求得[21]。該合約觸發(fā)條件為車(chē)位需求者提出車(chē)位申請(qǐng)，采集到其Vj數(shù)據(jù)集合，觸發(fā)最優(yōu)化問(wèn)題，由式(3)~(7)表示為

式中Z為預(yù)約車(chē)位與出行目的地之間的實(shí)際步行距離，m；ξ為計(jì)算實(shí)際步行距離的修正系數(shù)，結(jié)合實(shí)際路線(xiàn)情況求得；L為預(yù)約車(chē)位與出行目的地限定距離，m；δ為預(yù)留的停放車(chē)輛離開(kāi)時(shí)間，min。

最佳車(chē)位匹配合約以求解與出行目的地實(shí)際步行距離最近的可用共享車(chē)位為優(yōu)化目標(biāo)，通過(guò)設(shè)置限定距離，縮小自變量取值，降低求解難度。限定距離L可以通過(guò)實(shí)際調(diào)查得到居民可接受步行距離得到。最佳車(chē)位匹配合約最優(yōu)化問(wèn)題可通過(guò)分支定界法、粒子群算法等智能優(yōu)化算法求得，以粒子群算法為例，其求解流程如圖4所示，得到最優(yōu)解(，)對(duì)應(yīng)的車(chē)位pi即為vj匹配的最佳車(chē)位，并執(zhí)行操作:將pi對(duì)應(yīng)的Wi發(fā)送至車(chē)位需求者對(duì)應(yīng)的用戶(hù)移動(dòng)終端。

圖4 粒子群算法計(jì)算流程圖

(2)車(chē)位預(yù)訂合約

車(chē)位預(yù)訂合約可通過(guò)事件通知[22]完成對(duì)智能車(chē)位鎖、停車(chē)場(chǎng)入口裝置等設(shè)備的控制。該合約的觸發(fā)條件是vj向匹配的最佳車(chē)位pi對(duì)應(yīng)的Wi預(yù)付停車(chē)定金，由式(8)表示為

式中u為交易時(shí)步，1；wi(μ)為用戶(hù)i在μ時(shí)步的錢(qián)包余額，元。

條件觸發(fā)后，響應(yīng)規(guī)則如下:①向車(chē)位智能鎖發(fā)送指定，激活車(chē)位智能鎖，實(shí)時(shí)車(chē)位狀態(tài)變更為“預(yù)訂”狀態(tài)，即si＝1；②向車(chē)庫(kù)進(jìn)出設(shè)備發(fā)送預(yù)約車(chē)輛車(chē)牌號(hào)；③向車(chē)位預(yù)訂者移動(dòng)終端發(fā)送車(chē)位信息集合Pi。

(3)共享交易合約

共享交易合約主要負(fù)責(zé)停車(chē)計(jì)時(shí)和賬單生成。該合約的觸發(fā)條件為智能車(chē)位鎖開(kāi)啟且車(chē)位傳感器檢測(cè)到車(chē)輛停放，即si＝2。

條件觸發(fā)后，響應(yīng)如下規(guī)則:①開(kāi)始計(jì)時(shí)，當(dāng)超聲波傳感器檢測(cè)到車(chē)輛駛離時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束，初始、結(jié)束計(jì)時(shí)時(shí)間分別為tsta和tend；②向車(chē)位預(yù)訂者移動(dòng)終端utj發(fā)送賬單Fij，等待支付。賬單Fij由式(9)表示為

式中Fij為車(chē)輛vj停放在車(chē)位pi所需支付的費(fèi)用，元；f1為車(chē)位正常使用時(shí)的單價(jià)，元/min；f2為停放車(chē)輛超過(guò)預(yù)計(jì)離開(kāi)時(shí)間所需支付的額外費(fèi)用單價(jià)，元/min。

3.2 停車(chē)流程

假設(shè)共享用戶(hù)均通過(guò)智能終端向區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)申請(qǐng)并經(jīng)驗(yàn)證獲取唯一身份、錢(qián)包賬戶(hù)及密碼，可以通過(guò)該身份在移動(dòng)終端平臺(tái)發(fā)布車(chē)位共享或申請(qǐng)車(chē)位。具體的共享停車(chē)流程可分為6個(gè)步驟，如圖5所示。

圖5 共享停車(chē)流程圖

步驟1 車(chē)位需求方通過(guò)移動(dòng)終端發(fā)布車(chē)位申請(qǐng)，并采集或上傳行程信息、停放需求等相關(guān)信息數(shù)據(jù)。

步驟2 車(chē)位擁有方通過(guò)移動(dòng)終端發(fā)布車(chē)位共享信息，并采集或上傳車(chē)位相關(guān)信息數(shù)據(jù)；當(dāng)安裝在車(chē)位上方的超聲波傳感器檢測(cè)到車(chē)輛駛離車(chē)位時(shí)，接受車(chē)位需求者預(yù)定。

步驟3 通過(guò)智能合約，完成共享交易雙方匹配，車(chē)位需求方通過(guò)預(yù)付停車(chē)費(fèi)，獲取匹配車(chē)位信息、停車(chē)場(chǎng)進(jìn)出許可、智能車(chē)位鎖開(kāi)鎖權(quán)限等。

步驟4 接收智能合約指令，車(chē)位接受停車(chē)任務(wù)，停車(chē)場(chǎng)入口進(jìn)出設(shè)備獲取預(yù)約車(chē)輛信息，智能車(chē)位鎖激活，等待開(kāi)鎖指令。

步驟5 車(chē)輛到達(dá)停車(chē)場(chǎng)，通過(guò)停車(chē)場(chǎng)入口進(jìn)出設(shè)備，讀取車(chē)牌號(hào)，與預(yù)約車(chē)輛信息比對(duì)，比對(duì)成功后，實(shí)現(xiàn)不停車(chē)入庫(kù)；通過(guò)手機(jī)APP向激活狀態(tài)智能車(chē)位鎖發(fā)送開(kāi)鎖指令；超聲波傳感器檢測(cè)到車(chē)輛停入時(shí)，開(kāi)始計(jì)時(shí)。

步驟6 超聲波傳感器檢測(cè)到車(chē)輛駛離時(shí)，計(jì)時(shí)結(jié)束。根據(jù)車(chē)輛停放時(shí)間，生成相應(yīng)賬單發(fā)送至對(duì)應(yīng)賬戶(hù)，等待支付。支付完成后，此次交易結(jié)束。

3.3 模型特點(diǎn)及解決的關(guān)鍵問(wèn)題

SPBC模型將區(qū)塊鏈技術(shù)引用到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的共享停車(chē)中，其特點(diǎn)在于:

(1)利用區(qū)塊鏈分布式賬本和P2P網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)共享停車(chē)過(guò)程中的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)。在共享停車(chē)過(guò)程中，需要調(diào)用和轉(zhuǎn)發(fā)大量的個(gè)人隱私數(shù)據(jù)，如交易賬戶(hù)、居住小區(qū)等，數(shù)據(jù)隱私與安全是實(shí)現(xiàn)共享停車(chē)需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。相比于將所有的個(gè)人信息、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及控制指令都通過(guò)中央服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)傳統(tǒng)模式，文章提出的SPBC模型優(yōu)勢(shì)在于:①所有傳輸數(shù)據(jù)都是經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)據(jù)加密處理，并且通過(guò)區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制能夠有效防止非法節(jié)點(diǎn)接入物聯(lián)網(wǎng)，有效保證了個(gè)人隱私和數(shù)據(jù)安全。②利用分布式賬本和P2P網(wǎng)絡(luò)，避免使用中心服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、計(jì)算、傳輸，可以大大降低系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)費(fèi)用。

(2)利用區(qū)塊鏈智能合約實(shí)現(xiàn)共享過(guò)程交易規(guī)則的設(shè)定和執(zhí)行，解決信任問(wèn)題。信任是共享經(jīng)濟(jì)的關(guān)鍵，信任程度決定了共享的廣度和深度。傳統(tǒng)的解決方法是依賴(lài)于可信第三方實(shí)現(xiàn)信任，但是可信第三方的選取和構(gòu)建需要耗費(fèi)大量的人力、物力成本，且具有一定的不確定性。SPBC模型在區(qū)塊鏈中布置智能合約，使預(yù)先設(shè)定好的規(guī)則和條款按照參與者的意愿正確執(zhí)行，不需第三方便可實(shí)現(xiàn)可信交易。

(3)傳統(tǒng)模式共享停車(chē)在上一交易結(jié)束開(kāi)啟新交易過(guò)程中，需要人為操作，存在大量的延遲。SPBC模型依靠智能設(shè)備，檢測(cè)到車(chē)位空閑時(shí)，可以使車(chē)位實(shí)時(shí)參與到智能合約中，大大提高了車(chē)位利用率。

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)的共享停車(chē)模式難以推廣應(yīng)用等難題，文章在物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)和優(yōu)勢(shì)，提出物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的SPBC模型。智能設(shè)施將分散的個(gè)人空閑停車(chē)位與停車(chē)需求信息有效整合、發(fā)布形成物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)、指令的存儲(chǔ)和傳輸以及交易規(guī)則的設(shè)定，得到的主要結(jié)論如下:

(1)共享停車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)空閑車(chē)位的高效利用，解決城市停車(chē)難題。結(jié)合區(qū)塊鏈技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其與共享停車(chē)的適配性，模型能夠在降低運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本、保護(hù)數(shù)據(jù)安全和提高車(chē)位利用率等方面提供更好的解決方案。

(2)SPBC模型探索了一種區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的發(fā)展模式。該模式能夠?qū)崿F(xiàn)區(qū)塊鏈信任與物理世界的自動(dòng)連接，避免中央服務(wù)器和可信第三方引入，大大降低了部署和運(yùn)維成本，可以讓分布式資產(chǎn)參與共享利用并提升公共設(shè)施的管理水平。