區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中的應用綜述

摘要： 從安全、共享、運營三個方面介紹了區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中的應用。在安全方面，區(qū)塊鏈的去中心化和不可篡改的特性能夠保護數(shù)據(jù)信息安全和用戶隱私安全；在共享方面，區(qū)塊鏈的激勵機制促進了車輛計算資源和交通信息的共享；在運營方面，區(qū)塊鏈的不可篡改和可追溯性保證了運營中對交通違章準確有效的溯源，利用共識機制讓交通信號燈配時更加高效。此外，分析了區(qū)塊鏈在城市道路智能交通應用中存在的不足，并展望了區(qū)塊鏈在城市道路智能交通領域的未來發(fā)展方向。

關鍵詞： 區(qū)塊鏈； 城市道路； 智能交通； 隱私安全； 數(shù)據(jù)共享

中圖分類號： U495

文獻標志碼： A

文章編號： 1671-6841（2024）06-0009-08

DOI： 10.13705/j.issn.1671-6841.2023039

Review of Blockchain Application in Urban Road Intelligent Transportation

TIAN Zhao1，2， JIN Pengxiang1，2， NIU Yajie1，2， SHE Wei1，2，3， LONG Fei4， LIU Wei1，2

（1.School of Cyber Science and Engineering， Zhengzhou University， Zhengzhou 450002， China;

2.Zhengzhou Key Laboratory of Blockchain and Data Intelligence， Zhengzhou 450002，China;

3.Songshan Laboratory， Zhengzhou 450002， China; 4.Information Management Center，

Zhongyuan Oilfield Branch of SINOPEC， Puyang 457001，China）

Abstract： The application of blockchain in urban road intelligent transportation was introduced from three aspects： security， sharing， and operation. In terms of security， the decentralized and non-tamperable features of blockchain protected the data information security and user privacy security.In terms of sharing， the incentive mechanism of blockchain promoted the sharing of vehicle computing resources and traffic information.In terms of operation， the non-tamperable and traceability of the blockchain ensured the accurate and effective traceability of trafficOELbVFtsE59dRuv9+gAwEg== violations， and the consensus mechanism made traffic signal timing more efficient. In addition， the shortcomings of blockchain application in urban road intelligent transportation were analyzed， and the future development of blockchain in the field of urban road intelligent transportation was explored.

Key words： blockchain; urban road; intelligent transportation; privacy security; data sharing

0 引言

車聯(lián)網(wǎng)可以連接車輛、行人和路邊基礎設施，通過交換交通信息能夠減少事故率和交通擁堵，同時提高便利性、舒適性和安全性。車聯(lián)網(wǎng)技術滿足了智能交通系統(tǒng)（intelligent traffic system，ITS）的復雜功能需求，是城市道路智能交通的核心支撐［1-4］。城市道路智能交通中存在高移動性、低時延、高復雜性和異構性的特點，系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)存儲平臺需要具備去中心化、分布式、高度靈活、可拓展等特性，以適應城市道路智能交通的發(fā)展。

城市道路智能交通應用中存在著一些問題：ITS會產(chǎn)生大量交通數(shù)據(jù)和用戶隱私數(shù)據(jù)，需要保證數(shù)據(jù)信息和用戶隱私安全；計算資源和數(shù)據(jù)資源閑置，需要刺激用戶進行共享；危害交通安全的違章行為溯源問題和影響交通效率的信號燈配時問題，需要更好的解決方案。如何解決城市道路智能交通應用中存在的這些問題，是目前的研究熱點。

區(qū)塊鏈作為一種分布式賬本技術［5-6］，在金融、醫(yī)療、物聯(lián)網(wǎng)、公共服務等領域中有著廣泛的應用。區(qū)塊鏈技術應用在城市道路智能交通中，不僅可以為城市道路智能交通應用中存在的問題提供新的解決方案，還可以提高ITS的安全性、隱私性，保證ITS的高效性。因此，區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中的應用研究正在蓬勃發(fā)展，本文對區(qū)塊鏈在城市道路智能交通領域中的應用進行了綜述和展望。

1 區(qū)塊鏈技術

區(qū)塊鏈技術最早出現(xiàn)在中本聰發(fā)表的比特幣白皮書中［7］。區(qū)塊鏈是區(qū)塊的集合，區(qū)塊負責存儲交易，新生成的區(qū)塊將會記錄前一區(qū)塊的Hash值以確保前一區(qū)塊無法被篡改，并且區(qū)塊間通過Hash值前后鏈接在一起。區(qū)塊以數(shù)字賬本的形式存儲在鏈上，賬本由區(qū)塊鏈中的所有參與者進行維護。

區(qū)塊鏈具有去中心化、共識機制、激勵機制等特性［8-13］，并根據(jù)去中心化的程度劃分為公有鏈、聯(lián)盟鏈、私有鏈三大類，如表1所示。

公有鏈秉承區(qū)塊鏈最初的理念，完全地去中心化，鏈中的節(jié)點有著相同的地位，共同維護數(shù)據(jù)；聯(lián)盟鏈中的節(jié)點需要先進行注冊認證，認證后的節(jié)點擁有訪問和維護數(shù)據(jù)的權利；私有鏈一般為個人或某組織擁有，節(jié)點數(shù)量少，相互之間信任度高，但去中心化程度低。在城市道路智能交通應用中，為了適應安全、共享和運營等場景，通常會選擇使用聯(lián)盟鏈技術。

2 區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中的應用

城市道路智能交通中節(jié)點數(shù)量眾多且具有高移動性的特點，傳統(tǒng)的中心化系統(tǒng)很難滿足城市道路智能交通中節(jié)點高移動性對系統(tǒng)高時效性、高安全性的要求。區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改、共識機制、激勵機制、可追溯性等特性，為城市道路智能交通應用中存在的問題帶來了新的解決方法。

本節(jié)從安全、共享、運營三個方面介紹區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中的應用。如圖1所示，在安全方面的應用包含數(shù)據(jù)信息安全和用戶隱私安全，在共享方面的應用包含計算資源共享和交通信息共享，在運營方面的應用包含交通違章溯源和交通信號控制。

2.1 安全方面

隨著車輛和車載應用不斷增多，需要保證車輛生成的數(shù)據(jù)和用戶隱私信息的安全。區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中安全方面的應用主要包含數(shù)據(jù)信息安全和用戶隱私安全。借助區(qū)塊鏈的去中心化、不可篡改等特性可以顯著提高城市道路智能交通中數(shù)據(jù)信息的安全性和用戶隱私的安全性。

2.1.1 數(shù)據(jù)信息安全

城市道路智能交通中的車輛可以通過自身設備獲取交通信息，也可以接收來自其他車輛的交通信息。在開放的無線通信環(huán)境中，攻擊者很容易竊聽、篡改或偽造數(shù)據(jù)。關鍵信息一旦被篡改，不僅會降低交通效率，還會威脅到生命安全［14-15］。

利用區(qū)塊鏈去中心化和不可篡改兩方面的特性保護數(shù)據(jù)信息安全［16-17］，如圖2所示。處于同一區(qū)域的車輛可以相互通信，車輛通過路側單元（road side unit，RSU）進行數(shù)據(jù)上鏈和信息獲取。每一個RSU都擁有屬于自己的賬本，共同參與區(qū)塊鏈的維護，保證數(shù)據(jù)的安全。區(qū)塊鏈中的區(qū)塊通過存儲前一區(qū)塊的Hash值進行鏈接，區(qū)塊內(nèi)部的交通信息使用Merkle樹進行存儲，保證數(shù)據(jù)不可篡改。區(qū)塊鏈的去中心化和不可篡改特性不僅提高了ITS的抗攻擊性，而且保證了數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡傳輸過程中的安全性和完整性。

Sharma等［16］將橢圓加密技術和區(qū)塊鏈技術相結合，提出一種yi1yKjzGzi63rsOxuLmDmw==基于區(qū)塊鏈和射頻識別的車聯(lián)網(wǎng)安全框架，以進一步增強車聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡的安全性。Zhang等［17］提出一種基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的數(shù)據(jù)安全共享和存儲系統(tǒng)，用于保護數(shù)據(jù)的完整性和安全性。區(qū)塊鏈是系統(tǒng)的核心，利用智能合約處理交易請求，使用基于橢圓曲線雙線性配對性質的數(shù)字簽名技術確保數(shù)據(jù)傳輸時的完整性和安全性。

2.1.2 用戶隱私安全

城市道路智能交通中的應用依賴于信息共享，共享的信息中包含車輛的身份、位置等隱私數(shù)據(jù)。因此，城市道路智能交通應用面臨著隱私信息泄露的風險［18］。

區(qū)塊鏈在城市道路智能交通領域保護用戶隱私安全方面的應用主要包括保護身份隱私和位置隱私［19-22］，如圖3所示。車輛加入網(wǎng)絡時，向可信機構（trusted authority，TA）注冊獲取假名。車輛向RSU發(fā)送請求，RSU通過區(qū)塊鏈向TA進行身份驗證。身份驗證通過后，車輛通過RSU獲取交通信息。區(qū)塊鏈與匿名身份驗證技術的結合，可以有效保護用戶隱私安全。

Yao等［20］提出一種基于區(qū)塊鏈的車輛輕量級匿名身份驗證機制，車輛使用假名保護身份隱私，同時可以在驗證身份后更改假名，控制假名的更新時間和頻率。Liu等［21］使用匿名聚合車輛公告協(xié)議允許車輛在非完全可信環(huán)境中匿名發(fā)送消息，保護身份隱私；利用區(qū)塊鏈保證數(shù)據(jù)信息的安全性和可靠性，同時使用基于邏輯回歸的信任計算提高對惡意車輛的檢測能力。Li等［22］提出一種基于區(qū)塊鏈的信任管理模型來保護位置隱私，利用一種RSU主導的算法來構建匿名隱身區(qū)域，減少車輛的計算負擔，保護位置隱私；同時使用優(yōu)化分布式k-匿名算法，規(guī)范和約束車輛行為。

2.2 共享方面

車輛擁有一定的計算資源和數(shù)據(jù)資源，共享沒有得到充分利用的資源，可以使城市道路智能交通應用更加安全、高效。區(qū)塊鏈在城市道路智能交通共享方面的應用包括計算資源共享和交通信息共享。區(qū)塊鏈技術中的激勵機制，可以讓車輛更加積極地參與計算資源共享和交通信息共享。

2.2.1 計算資源共享

計算資源共享是指用戶可以在使用車輛的過程中出售車輛多余的計算資源，換取經(jīng)濟效益。區(qū)塊鏈不僅可以激勵用戶參與計算資源共享，還能保證整個計算資源共享過程的安全性［23-24］。如圖4所示，由需要計算資源的機構通過智能合約發(fā)布計算資源共享任務，車輛獲取任務信息后，共享計算資源，完成計算任務，通過RSU驗證計算結果。驗證通過后，區(qū)塊鏈的激勵機制會獎勵完成計算任務的車輛。

Lai等［23］設計了一種基于反向拍賣的有效激勵方案，激勵用戶為地圖實時更新提供高質量的數(shù)據(jù)。地圖服務平臺發(fā)布所需的數(shù)據(jù)類型，用戶收集數(shù)據(jù)進行投標，平臺根據(jù)預算以及用戶報價選擇拍賣中的獲勝者。中標者提供數(shù)據(jù)，通過區(qū)塊鏈的安全支付系統(tǒng)獲得對應的獎勵。Hassija等［24］提出一種基于區(qū)塊鏈的安全眾包模型，激勵用戶參與交通流量預測。該模型保障了用戶的隱私安全，通過激勵方案為車輛提供了參與流量預測的動力。

2.2.2 交通信息共享

交通信息共享是指車輛共享收集到的交通信息，同時也需要確保共享的交通信息的有效性。使用區(qū)塊鏈不僅保護了車輛交通信息共享的安全性，還促進了交通信息共享的積極性［25-27］。如圖5所示，車輛之間可以進行通信，車輛也可以通過RSU與區(qū)塊鏈進行信息交互，所有的RSU共同維護區(qū)塊鏈，保護數(shù)據(jù)的安全。田釗等［25］提出一種基于局部自組網(wǎng)的路況信息可靠共享模型，同時提出一種改進型的實用拜占庭容錯（practical Byzantine fault tolerance，PBFT）算法。該模型通過組建局部自組網(wǎng)的方式控制參與共識的節(jié)點數(shù)量，并使用改進型的PBFT算法縮短共識階段的通信時長，提高共識效率。Li等［26］提出一種名為CreditCoin的有效公告網(wǎng)絡，通過一定的經(jīng)濟效益激勵用戶分享交通信息，并且通過用戶匿名來保證隱私安全。公告由幾個誠實的證人簽署來保證真實性，可以實現(xiàn)有條件的可追溯性。

2.3 運營方面

對危害交通安全的違章行為進行準確溯源和優(yōu)化交通效率的信號燈配時都是交通運營場景下的重要研究方向。區(qū)塊鏈在城市道路智能交通運營方面的應用包括交通違章溯源和交通信號控制。區(qū)塊鏈不可篡改、可追溯性的特點，可以使交通違章溯源更準確，保證交通違章行為的準確記錄；區(qū)塊鏈的共識機制可以讓車輛參與信號燈配時，提高交叉路口車輛通行效率。

2.3.1 交通違章溯源

交通違章行為會破壞正常的交通運營，具有危險性。因此，當發(fā)生交通違章行為時，需要對違章行為進行準確記錄，及時進行溯源，確定責任，并且保證記錄不可篡改?；趨^(qū)塊鏈的交通違章溯源應用通過當事車輛以及目擊車輛共同生成違章信息，如圖6所示，違章信息經(jīng)過事故車輛、目擊車輛和RSU共同驗證，驗證通過后上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中，利用區(qū)塊鏈技術保護信息的安全、可信、可追溯以及不可篡改［28-29］。Guo等［28］提出一個具有動態(tài)聯(lián)邦共識的“事件證明”機制。事故發(fā)生時，事故車輛和目擊車輛都生成事件數(shù)據(jù)，通過車載網(wǎng)絡廣播它們的事件數(shù)據(jù)。由車輛和RSU動態(tài)地形成聯(lián)盟，對事故車輛和目擊車輛的所有事件數(shù)據(jù)進行驗證并保存在新區(qū)塊中。通過區(qū)塊鏈保護事件信息，保證事故數(shù)據(jù)的可追溯性。Vangala等［29］設計了一種基于區(qū)塊鏈的證書認證方案BCAS-VADN。在BCAS-VADN中，通過身份驗證，車輛可以將與事故相關的交易轉發(fā)到附近的簇頭。簇頭將車輛收集的交易信息發(fā)送RSU，邊緣服務器負責準備包含交易和Merkle樹根的區(qū)塊體，對這些信息進行數(shù)字簽名，轉發(fā)到區(qū)塊鏈和云服務器中，完成區(qū)塊的創(chuàng)建、驗證和上鏈。借助區(qū)塊鏈技術，BCAS-VADN不僅可以抵御各種潛在的攻擊，而且可以保持信息的透明性、不變性和不可篡改性。

2.3.2 交通信號控制

交通擁堵的一個關鍵因素是交叉路口交通信號控制對實時交通流量不敏感，動態(tài)地優(yōu)化交通信號燈配時對于解決交通擁堵問題至關重要。通過共識機制可以讓車輛參與交通信號燈配時的優(yōu)化，提高通行效率［30-31］。如圖7所示，車輛在交叉路口時，與交叉路口的其他車輛一起商議信號燈配時，商議結果經(jīng)過共識驗證后，由RSU上傳到區(qū)塊鏈。同時，將要到達此交叉口的車輛，可以在剛加入?yún)^(qū)域網(wǎng)絡的時候，通過RSU快速獲取當前信號燈配時。

Cheng等［30］提出一種在車聯(lián)網(wǎng)中使用的基于屬性的區(qū)塊鏈半中心化模式，通過車輛來控制信號燈的配時，提高交通效率。在開始通信之前，基于用戶的屬性（例如位置和方向）進行分組。用戶在不泄露隱私的情況下進行交互，對臨時信號時序達成一致。該模式不僅可以解決信號燈配時問題，而且具有保護隱私和對歷史信息責任追溯的能力。Zeng等［31］提出一種基于區(qū)塊鏈技術的智能信號燈配時方案，利用冗余切割技術對現(xiàn)有的智能合約進行了改進，可以有效減少通信負載。該方案優(yōu)化了交通信號燈配時，提高了交叉路口車輛通行效率。

2.4 應用方面概述

區(qū)塊鏈具有去中心化、共識機制、激勵機制、不可篡改、可追溯等特性，為解決城市道路智能交通現(xiàn)存的問題提供了新的方案。如表2所示，基于區(qū)塊鏈的城市道路智能交通應用主要集中在安全、共享、運營3個方面。

城市道路智能交通在安全方面的應用研究包含數(shù)據(jù)信息安全和用戶隱私安全兩個場景。區(qū)塊鏈和數(shù)字加密技術結合，提高系統(tǒng)的抗攻擊性，保證數(shù)據(jù)信息安全；區(qū)塊鏈和匿名身份驗證技術結合，保證用戶參與數(shù)據(jù)共享時的身份隱私安全。

城市道路智能交通在共享方面的應用研究包含計算資源共享和交通信息共享兩個場景。對資源的有效利用可以提高應用的性能，利用區(qū)塊鏈技術的激勵機制，鼓勵用戶對閑置的計算資源進行共享，并激勵用戶及時共享獲取到的交通信息。

城市道路智能交通在運營方面的應用研究包含交通違章溯源和交通信號控制兩個場景。區(qū)塊鏈的應用可以提高車輛通行效率，保護交通安全。利用區(qū)塊鏈不可篡改以及可追溯的特性，準確有效地記錄交通違章信息；利用區(qū)塊鏈的共識機制，車輛節(jié)點可以參與信號燈的配時，讓車輛通行更加高效。

此外，在城市道路智能交通中，區(qū)塊鏈還應用在提高GPS定位精度［32］、車輛間的電子支付［33］、訓練自動駕駛汽車［34］以及智能交通大數(shù)據(jù)檢索算法［35］等場景。

3 小結與展望

本文討論了區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中的應用，首先介紹了城市道路智能交通領域目前存在的問題，其次對區(qū)塊鏈技術進行了概述，然后從安全、共享、運營三個方面對區(qū)塊鏈在城市道路智能交通中的應用進行介紹。區(qū)塊鏈在未來也將成為城市道路智能交通領域的核心支撐技術，與城市道路智能交通一起蓬勃發(fā)展。

隨著區(qū)塊鏈技術在城市道路智能交通領域的應用越來越深入，暴露了區(qū)塊鏈技術的一些不足，未來的區(qū)塊鏈還需要在共識機制、智能合約、存儲方案等方面進一步發(fā)展。在共識機制方面，城市道路智能交通系統(tǒng)中節(jié)點數(shù)量眾多，區(qū)塊鏈的共識機制已經(jīng)成為區(qū)塊鏈系統(tǒng)性能的關鍵瓶頸。在城市道路智能交通的場景下，大多數(shù)節(jié)點的計算資源和網(wǎng)絡通信資源都相當有限，提高共識效率是未來的發(fā)展方向之一。在智能合約方面，智能合約在城市道路智能交通中的應用十分廣泛，但是也存在著一些不足［36］，通過智能合約攻擊區(qū)塊鏈的案例還時有發(fā)生［37］，提高智能合約的安全性是未來重要的研究方向。在存儲方案方面，區(qū)塊鏈中的節(jié)點將會存儲所有的交易和記錄，但對于城市道路智能交通中的大多數(shù)節(jié)點，存儲區(qū)塊鏈信息將是一個難題［38］。如何在保證數(shù)據(jù)安全性的同時，降低存儲資源的消耗也是未來的一個研究發(fā)展趨勢。

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