基于區(qū)塊鏈技術(shù)的高速公路收費(fèi)ETC體系改進(jìn)研究

金虹 閆夢迪 何精武 高林 劉家健

摘? ?要：基于區(qū)塊鏈技術(shù)的的高速公路不停車收費(fèi)ETC體系，充分利用區(qū)塊鏈的“不可造假”“留痕追查”“可追溯”“透明公開”“共同維護(hù)”、數(shù)據(jù)可信任、安全可靠的特點(diǎn)，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到高速公路的ETC系統(tǒng)中，對(duì)現(xiàn)有ETC系統(tǒng)中的高消費(fèi)、低效能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不安全等問題進(jìn)行優(yōu)化，最后形成基于區(qū)塊鏈技術(shù)的不停車收費(fèi)ETC體系，從而為建設(shè)智慧型城市、解決交通出行問題提供新思路。

關(guān)鍵詞：高速公路收費(fèi)ETC；區(qū)塊鏈技術(shù)；交通出行；智慧城市；數(shù)據(jù)安全

中圖分類號(hào)：F54? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? 文章編號(hào)：1673-291X（2023）16-0035-03

2019年1月10日，國家互聯(lián)網(wǎng)信息辦公室發(fā)布《區(qū)塊鏈信息服務(wù)管理規(guī)定》，指出區(qū)塊鏈?zhǔn)呛诵募夹g(shù)自主創(chuàng)新的重要突破口，應(yīng)加速推進(jìn)區(qū)塊鏈發(fā)展。作為國家戰(zhàn)略，大力發(fā)展區(qū)塊鏈技術(shù)成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，從而為區(qū)塊鏈技術(shù)融合到建設(shè)智慧城市奠定了堅(jiān)實(shí)的“信任”基礎(chǔ)，創(chuàng)造了可靠的“合作”機(jī)制，開辟了廣闊的運(yùn)用前景。這些年來，區(qū)塊鏈技術(shù)作為一項(xiàng)國家大力扶持的技術(shù)，由于其具有去除中心化、不可編造、可以追溯的特點(diǎn)而被普遍應(yīng)用到金融、互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市建設(shè)、交通等領(lǐng)域。

一、文獻(xiàn)綜述

區(qū)塊鏈技術(shù)在金融中的應(yīng)用研究主要聚焦于賦能供應(yīng)鏈金融發(fā)展創(chuàng)新。郭毅夫（2023）提出，要將區(qū)塊鏈技術(shù)逐步納入供應(yīng)鏈金融體系的構(gòu)建中，從而使得企業(yè)的運(yùn)行和發(fā)展能夠?qū)θ鹑跈C(jī)構(gòu)的資源進(jìn)行高效配置。賀嘉（2023）在關(guān)于跨境支付數(shù)據(jù)安全的問題探討中提出法律監(jiān)管跨境管理支付安全問題，認(rèn)為要將區(qū)塊鏈技術(shù)運(yùn)用其中，要在全球跨境支付系統(tǒng)大變革的機(jī)遇下，積極參與區(qū)塊鏈跨境支付的系統(tǒng)設(shè)計(jì)和制度構(gòu)建，從而提升我國在全球跨境支付國際規(guī)則構(gòu)筑中的話語權(quán)。

除了金融領(lǐng)域，區(qū)塊鏈技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域也起到了重要作用。魏祚程（2023）在關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)洗錢犯罪的偵查中研究提及，要運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)及時(shí)感知互聯(lián)網(wǎng)洗錢犯罪，收集固定證據(jù)，打破各機(jī)關(guān)之間的信息壁壘，形成信息共享機(jī)制。樂益矣（2023）在政府服務(wù)的創(chuàng)新應(yīng)用研究中提出，要通過區(qū)塊鏈的應(yīng)用推動(dòng)落實(shí)數(shù)字化改革等重要戰(zhàn)略部署。

區(qū)塊鏈為智慧城市建設(shè)帶來新思路，以應(yīng)對(duì)建設(shè)中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)孤島和數(shù)據(jù)安全問題。徐語聰（2021）通過研究區(qū)塊鏈利用自身優(yōu)勢，重塑社會(huì)的數(shù)據(jù)信任，為智慧城市發(fā)展帶來新機(jī)遇。而在針對(duì)新型智慧城市建設(shè)中具體的應(yīng)用探究中，劉春明（2019）在文章指出，為了實(shí)現(xiàn)將所有先進(jìn)技術(shù)整合的目的，應(yīng)采用區(qū)塊鏈技術(shù)保證所有技術(shù)的獨(dú)立性，避免沖突發(fā)生，也實(shí)現(xiàn)各技術(shù)板塊的連接，使區(qū)塊鏈技術(shù)很好地落實(shí)在新型智慧城市概念建設(shè)中。

區(qū)塊鏈在金融、互聯(lián)網(wǎng)、智慧城市建設(shè)中的諸多研究文章表明，區(qū)塊鏈在未來生活方方面面都會(huì)滲入，而作為建設(shè)智慧城市樞紐的交通，其便利快捷有序就顯得尤為重要。雖然交通領(lǐng)域的ETC發(fā)展一直是備受關(guān)注的，但現(xiàn)有ETC系統(tǒng)中的高消費(fèi)、低效能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不安全等問題并沒有得到解決。本文通過運(yùn)用區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)“不可造假”“留痕追查”“可追溯”“透明公開”“共同維護(hù)”等特點(diǎn)，將區(qū)塊鏈具體作用到用戶、發(fā)卡公司、出口處RUS三方交易關(guān)系中，使原來ETC面臨的問題得到明顯改善。

二、高速公路收費(fèi)ETC系統(tǒng)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的安全隱患

（一）ETC的系統(tǒng)構(gòu)成

高速公路收費(fèi)ETC系統(tǒng)的組成包括車載單元、路側(cè)單元、DSRC協(xié)議。DSRC協(xié)議的特征有半雙工通信方式、主從結(jié)構(gòu)、非同步分時(shí)多重存取。

ETC車道系統(tǒng)的收費(fèi)車道數(shù)據(jù)采集主要通過DSRC協(xié)議來完成，整個(gè)ETC系統(tǒng)是否可以有效運(yùn)行的關(guān)鍵取決于交通控制以及與上級(jí)系統(tǒng)通信的前端系統(tǒng)的順利工作。

ETC車道系統(tǒng)有以下功能：

第一，數(shù)據(jù)收集功能。通過DSRC協(xié)議進(jìn)行收集、交換和處理數(shù)據(jù)。ETC系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)、報(bào)警信息和車道設(shè)備的相關(guān)信息將傳送到收費(fèi)站的管理系統(tǒng)中，然后通過識(shí)別系統(tǒng)收集的信息和費(fèi)率表來對(duì)收費(fèi)進(jìn)行結(jié)算。

第二，車道外圍設(shè)備控制功能。ETC車道系統(tǒng)還可以進(jìn)行實(shí)時(shí)交通控制，通過控制外圍設(shè)備來保證車輛順利通行。外圍設(shè)備主要包括車輛檢測器、雨棚燈、通行燈、電動(dòng)欄桿機(jī)、黃閃報(bào)警器、費(fèi)額顯示器、車道攝像機(jī)、RSU控制器等。在整個(gè)收費(fèi)過程中，車道系統(tǒng)和DSRC協(xié)議發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。首先，收費(fèi)數(shù)據(jù)的采集處理和傳輸都離不開車道系統(tǒng)；其次，其負(fù)責(zé)在收費(fèi)過程中對(duì)外場設(shè)備的控制。所以，ETC車道系統(tǒng)不但是一個(gè)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，也是一個(gè)收費(fèi)處理系統(tǒng)。這些外圍設(shè)備可靠、準(zhǔn)確的工作確保了收費(fèi)作業(yè)快捷、順利地完成。

（二）ETC系統(tǒng)存在主要安全隱患的

1.運(yùn)營效率低

高速公路的ETC系統(tǒng)存在較大的兼容性問題，這種情況使ETC系統(tǒng)不能在經(jīng)濟(jì)上、社會(huì)上發(fā)揮出最大的效益。目前我國很多省市ETC還沒實(shí)現(xiàn)互通，這使得高速公路ETC交易時(shí)出現(xiàn)交易失敗問題。

2.數(shù)據(jù)不可靠性問題

ETC系統(tǒng)中包含車輛、用戶、卡片等各種敏感信息，一旦這些信息泄露，將對(duì)用戶的財(cái)產(chǎn)和個(gè)人隱私造成重大損失。數(shù)據(jù)泄露的原因可能是系統(tǒng)內(nèi)部人員的失誤，也可能是黑客攻擊等外部因素所致。

3.數(shù)據(jù)出現(xiàn)丟失問題

高速公路上ETC系統(tǒng)進(jìn)行收費(fèi)后，交易數(shù)據(jù)要進(jìn)行存儲(chǔ)，如果當(dāng)時(shí)車流量過大、計(jì)算機(jī)儲(chǔ)存緩慢，或出現(xiàn)信號(hào)不好的問題，就會(huì)使交易數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不上去，出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失問題。

4.不能保證全網(wǎng)安全性

高速公路上的ETC收費(fèi)數(shù)據(jù)的整合是一個(gè)龐大的工程，數(shù)據(jù)被集中存放，如果有不法分子惡意攻擊網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)使存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫崩潰，且之后很難恢復(fù)已經(jīng)丟失或被篡改的數(shù)據(jù)。

三、應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)的意義

（一）提高交易的效率

在沒有將區(qū)塊鏈技術(shù)引入ETC時(shí)，交易的結(jié)算都需要匯總到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行統(tǒng)一的結(jié)算處理。引入ETC之后，交易數(shù)據(jù)可以直接在高速公路收費(fèi)節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行結(jié)算，通過智能合約完成交易。

（二）基于區(qū)塊鏈分布式賬本的ETC交易結(jié)算來解決數(shù)據(jù)不可靠問題

利用區(qū)塊鏈分布式賬本P2P技術(shù)能夠解決異構(gòu)多方記賬的賬單一致性問題。在ETC費(fèi)系統(tǒng)、清結(jié)算中心和銀行ETC信用卡賬務(wù)系統(tǒng)中部署聯(lián)盟鏈和區(qū)塊節(jié)點(diǎn)，利用節(jié)點(diǎn)賬本自動(dòng)同步機(jī)制確保各方異構(gòu)賬本的一致性。同時(shí)，利用區(qū)塊鏈的防篡改優(yōu)勢提高賬本數(shù)據(jù)的可信度，并采用賬務(wù)溯源技術(shù)構(gòu)建異構(gòu)多方一致性賬本。這樣，從銀行扣款到清算優(yōu)惠再到交易的自動(dòng)化驗(yàn)證功能就能實(shí)現(xiàn)。這一技術(shù)可以降低消費(fèi)者賬務(wù)處理的驗(yàn)證成本，并提高整體ETC消費(fèi)網(wǎng)絡(luò)的可信度。

（三）解決數(shù)據(jù)的不完整性問題

為了避免車道交易系統(tǒng)由于跨省結(jié)算使數(shù)據(jù)沒有計(jì)入流水文件而造成損失，運(yùn)用區(qū)塊鏈的分布式特點(diǎn)，ETC的收費(fèi)清算變得更加快捷安全。通過將各省級(jí)結(jié)算中心接入ETC交易網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)高速公路跨省通行差異化和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的結(jié)算策略，實(shí)現(xiàn)跨省數(shù)據(jù)完整錄入。

（四）運(yùn)用密碼學(xué)加密技術(shù)提高全網(wǎng)交易安全性

采用非對(duì)稱加密算法，保障哈希鏈分布式賬本數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)安全。私鑰簽名，公鑰驗(yàn)簽，公鑰加密、私鑰解密。利用各省結(jié)算中心分布式部署條件，形成分散密鑰簽發(fā)和認(rèn)證的安全保障，ETC消費(fèi)者可以在聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)上申請(qǐng)上鏈。

四、區(qū)塊鏈技術(shù)在ETC收費(fèi)支付及結(jié)算系統(tǒng)中的角色定位

（一）ETC收費(fèi)支付結(jié)算過程中的角色分配和分工

區(qū)塊鏈：RUS、用戶和發(fā)卡公司之間會(huì)發(fā)生交易，而區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€(gè)載體，相當(dāng)于以它為載體交易，確保交易信息的安全性和可追溯性，并且只有符合智能合約的條件，才能進(jìn)行積分交易請(qǐng)求。

用戶包括0BU和IC卡，其中0BU用于儲(chǔ)存信息，IC卡起到記錄作用，每個(gè)用戶的積分余額都可以通過在區(qū)塊鏈上鏈后查看。

RSU分為入口RSU和出口RSU兩種類型。入口RUS只進(jìn)行在信息交流同用戶之間，出口RUS進(jìn)行在積分清算同用戶和發(fā)卡公司之間。

發(fā)卡公司使具有管理能力，負(fù)責(zé)發(fā)放OBU和IC，也提供IC卡充值和積分兌換等服務(wù)。

（二）ETC收費(fèi)支付結(jié)算過程主要有三部分相互作用

區(qū)塊鏈技術(shù)是構(gòu)想的ETC框架的基礎(chǔ)。作為框架主人公的區(qū)塊鏈、RUS、發(fā)卡公司三者之間兩兩聯(lián)系合作，從而實(shí)現(xiàn)了高效、便捷的結(jié)算。需要注意的是，交易鏈上記載可查詢的只是ETC與區(qū)塊鏈作用部分，ETC其他流程部分并不能在鏈上查詢得到。

1.發(fā)卡公司與用戶之間進(jìn)行積分交易的程序

第一步，用戶需要申請(qǐng)賬號(hào)，為了在區(qū)塊鏈上可以申請(qǐng)到獨(dú)立的OBU和IC鑰匙；

第二步，為IC進(jìn)行充值，發(fā)卡公司將收到相應(yīng)的充值款項(xiàng)；

第三步，該IC卡被發(fā)卡公司提取其公鑰地址，以便后續(xù)使用；

第四步，運(yùn)用智能合約技術(shù)，發(fā)卡機(jī)構(gòu)將對(duì)應(yīng)于充值金額的積分轉(zhuǎn)移至IC卡賬戶中；

第五步，以區(qū)塊鏈為公正的記錄者，詳細(xì)記錄本次積分交易轉(zhuǎn)賬的所有細(xì)節(jié)。

2.用戶與RSU之間積分交易流程

（1）用戶和入口的RSU通訊，并記錄入口RSU的信息；

（2）用戶和出口的RSU之間的通訊；通過進(jìn)出口RSU信息獲得付款金額、相應(yīng)積分、出口RUS鑰匙；

（3）用戶通過區(qū)塊鏈合約向出口RSU轉(zhuǎn)移對(duì)應(yīng)積分；

（4）區(qū)塊鏈再次扮演記錄者，對(duì)當(dāng)前積分交易進(jìn)行轉(zhuǎn)賬記錄。

3.發(fā)卡公司和RSU之間積分交易過程

（1）運(yùn)營公司管理出口RSU鑰匙時(shí)，在查詢營收積分額度時(shí)常常借助區(qū)塊鏈技術(shù)；

（2）運(yùn)營公司和發(fā)卡單位之間存在的業(yè)務(wù)：轉(zhuǎn)讓積分交易、收款；

（3）發(fā)卡單位基于經(jīng)營公司管理出口RSU公鑰信息，對(duì)企業(yè)營收積分和金額進(jìn)行區(qū)塊鏈驗(yàn)證；

（4）在發(fā)卡公司驗(yàn)證無誤時(shí)，對(duì)運(yùn)營公司提出的請(qǐng)求予以通過；

（5）公司下屬各出口RSU獲得發(fā)卡公司公鑰地址；

（6）透過智能合約，公司所有出口RSU都會(huì)把對(duì)應(yīng)分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)給發(fā)卡公司；

（7）所述區(qū)塊鏈上記錄有當(dāng)前積分、交易的轉(zhuǎn)賬記錄以及發(fā)卡公司將積分交易額支付給所述公司的相應(yīng)款項(xiàng)。

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