2024, Vol. 56
表1(Table 1)
2. 郑州市区块链与数据智能重点实验室 河南 郑州 450002;
3. 嵩山实验室 河南 郑州 450002;
4. 中国石油化工股份有限公司中原油田分公司 信息化管理中心 河南 濮阳 457001
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
车联网可以连接车辆、行人和路边基础设施，通过交换交通信息能够减少事故率和交通拥堵，同时提高便利性、舒适性和安全性。车联网技术满足了智能交通系统(intelligent traffic system，ITS)的复杂功能需求，是城市道路智能交通的核心支撑[1-4]。城市道路智能交通中存在高移动性、低时延、高复杂性和异构性的特点，系统中的数据交换和数据存储平台需要具备去中心化、分布式、高度灵活、可拓展等特性，以适应城市道路智能交通的发展。
城市道路智能交通应用中存在着一些问题：ITS会产生大量交通数据和用户隐私数据，需要保证数据信息和用户隐私安全；计算资源和数据资源闲置，需要刺激用户进行共享；危害交通安全的违章行为溯源问题和影响交通效率的信号灯配时问题，需要更好的解决方案。如何解决城市道路智能交通应用中存在的这些问题，是目前的研究热点。
区块链作为一种分布式账本技术[5-6]，在金融、医疗、物联网、公共服务等领域中有着广泛的应用。区块链技术应用在城市道路智能交通中，不仅可以为城市道路智能交通应用中存在的问题提供新的解决方案，还可以提高ITS的安全性、隐私性，保证ITS的高效性。因此，区块链在城市道路智能交通中的应用研究正在蓬勃发展，本文对区块链在城市道路智能交通领域中的应用进行了综述和展望。
1 区块链技术区块链技术最早出现在中本聪发表的比特币白皮书中[7]。区块链是区块的集合，区块负责存储交易，新生成的区块将会记录前一区块的Hash值以确保前一区块无法被篡改，并且区块间通过Hash值前后链接在一起。区块以数字账本的形式存储在链上，账本由区块链中的所有参与者进行维护。
区块链具有去中心化、共识机制、激励机制等特性[8-13]，并根据去中心化的程度划分为公有链、联盟链、私有链三大类，如表 1所示。
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表 1 区块链的分类 Tab. 1 Classification of blockchain |
公有链秉承区块链最初的理念，完全地去中心化，链中的节点有着相同的地位，共同维护数据；联盟链中的节点需要先进行注册认证，认证后的节点拥有访问和维护数据的权利；私有链一般为个人或某组织拥有，节点数量少，相互之间信任度高，但去中心化程度低。在城市道路智能交通应用中，为了适应安全、共享和运营等场景，通常会选择使用联盟链技术。
2 区块链在城市道路智能交通中的应用城市道路智能交通中节点数量众多且具有高移动性的特点，传统的中心化系统很难满足城市道路智能交通中节点高移动性对系统高时效性、高安全性的要求。区块链的去中心化、不可篡改、共识机制、激励机制、可追溯性等特性，为城市道路智能交通应用中存在的问题带来了新的解决方法。
本节从安全、共享、运营三个方面介绍区块链在城市道路智能交通中的应用。如图 1所示，在安全方面的应用包含数据信息安全和用户隐私安全，在共享方面的应用包含计算资源共享和交通信息共享，在运营方面的应用包含交通违章溯源和交通信号控制。
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图 1 区块链在城市道路智能交通中的应用框架 Fig. 1 The application framework of blockchain in urban road intelligent transportation |
随着车辆和车载应用不断增多，需要保证车辆生成的数据和用户隐私信息的安全。区块链在城市道路智能交通中安全方面的应用主要包含数据信息安全和用户隐私安全。借助区块链的去中心化、不可篡改等特性可以显著提高城市道路智能交通中数据信息的安全性和用户隐私的安全性。
2.1.1 数据信息安全城市道路智能交通中的车辆可以通过自身设备获取交通信息，也可以接收来自其他车辆的交通信息。在开放的无线通信环境中，攻击者很容易窃听、篡改或伪造数据。关键信息一旦被篡改，不仅会降低交通效率，还会威胁到生命安全[14-15]。
利用区块链去中心化和不可篡改两方面的特性保护数据信息安全[16-17]，如图 2所示。处于同一区域的车辆可以相互通信，车辆通过路侧单元(road side unit，RSU)进行数据上链和信息获取。每一个RSU都拥有属于自己的账本，共同参与区块链的维护，保证数据的安全。区块链中的区块通过存储前一区块的Hash值进行链接，区块内部的交通信息使用Merkle树进行存储，保证数据不可篡改。区块链的去中心化和不可篡改特性不仅提高了ITS的抗攻击性，而且保证了数据在网络传输过程中的安全性和完整性。
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图 2 数据信息安全 Fig. 2 Data information security |
Sharma等[16]将椭圆加密技术和区块链技术相结合，提出一种基于区块链和射频识别的车联网安全框架，以进一步增强车联网网络的安全性。Zhang等[17]提出一种基于联盟区块链的数据安全共享和存储系统，用于保护数据的完整性和安全性。区块链是系统的核心，利用智能合约处理交易请求，使用基于椭圆曲线双线性配对性质的数字签名技术确保数据传输时的完整性和安全性。
2.1.2 用户隐私安全城市道路智能交通中的应用依赖于信息共享，共享的信息中包含车辆的身份、位置等隐私数据。因此，城市道路智能交通应用面临着隐私信息泄露的风险[18]。
区块链在城市道路智能交通领域保护用户隐私安全方面的应用主要包括保护身份隐私和位置隐私[19-22]，如图 3所示。车辆加入网络时，向可信机构(trusted authority，TA)注册获取假名。车辆向RSU发送请求，RSU通过区块链向TA进行身份验证。身份验证通过后，车辆通过RSU获取交通信息。区块链与匿名身份验证技术的结合，可以有效保护用户隐私安全。
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图 3 用户隐私安全 Fig. 3 User privacy security |
Yao等[20]提出一种基于区块链的车辆轻量级匿名身份验证机制，车辆使用假名保护身份隐私，同时可以在验证身份后更改假名，控制假名的更新时间和频率。Liu等[21]使用匿名聚合车辆公告协议允许车辆在非完全可信环境中匿名发送消息，保护身份隐私；利用区块链保证数据信息的安全性和可靠性，同时使用基于逻辑回归的信任计算提高对恶意车辆的检测能力。Li等[22]提出一种基于区块链的信任管理模型来保护位置隐私，利用一种RSU主导的算法来构建匿名隐身区域，减少车辆的计算负担，保护位置隐私；同时使用优化分布式k-匿名算法，规范和约束车辆行为。
2.2 共享方面车辆拥有一定的计算资源和数据资源，共享没有得到充分利用的资源，可以使城市道路智能交通应用更加安全、高效。区块链在城市道路智能交通共享方面的应用包括计算资源共享和交通信息共享。区块链技术中的激励机制，可以让车辆更加积极地参与计算资源共享和交通信息共享。
2.2.1 计算资源共享计算资源共享是指用户可以在使用车辆的过程中出售车辆多余的计算资源，换取经济效益。区块链不仅可以激励用户参与计算资源共享，还能保证整个计算资源共享过程的安全性[23-24]。如图 4所示，由需要计算资源的机构通过智能合约发布计算资源共享任务，车辆获取任务信息后，共享计算资源，完成计算任务，通过RSU验证计算结果。验证通过后，区块链的激励机制会奖励完成计算任务的车辆。
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图 4 计算资源共享 Fig. 4 Computing resource sharing |
Lai等[23]设计了一种基于反向拍卖的有效激励方案，激励用户为地图实时更新提供高质量的数据。地图服务平台发布所需的数据类型，用户收集数据进行投标，平台根据预算以及用户报价选择拍卖中的获胜者。中标者提供数据，通过区块链的安全支付系统获得对应的奖励。Hassija等[24]提出一种基于区块链的安全众包模型，激励用户参与交通流量预测。该模型保障了用户的隐私安全，通过激励方案为车辆提供了参与流量预测的动力。
2.2.2 交通信息共享交通信息共享是指车辆共享收集到的交通信息，同时也需要确保共享的交通信息的有效性。使用区块链不仅保护了车辆交通信息共享的安全性，还促进了交通信息共享的积极性[25-27]。如图 5所示，车辆之间可以进行通信，车辆也可以通过RSU与区块链进行信息交互，所有的RSU共同维护区块链，保护数据的安全。田钊等[25]提出一种基于局部自组网的路况信息可靠共享模型，同时提出一种改进型的实用拜占庭容错(practical Byzantine fault tolerance，PBFT)算法。该模型通过组建局部自组网的方式控制参与共识的节点数量，并使用改进型的PBFT算法缩短共识阶段的通信时长，提高共识效率。Li等[26]提出一种名为CreditCoin的有效公告网络，通过一定的经济效益激励用户分享交通信息，并且通过用户匿名来保证隐私安全。公告由几个诚实的证人签署来保证真实性，可以实现有条件的可追溯性。
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图 5 交通信息共享 Fig. 5 Traffic information sharing |
对危害交通安全的违章行为进行准确溯源和优化交通效率的信号灯配时都是交通运营场景下的重要研究方向。区块链在城市道路智能交通运营方面的应用包括交通违章溯源和交通信号控制。区块链不可篡改、可追溯性的特点，可以使交通违章溯源更准确，保证交通违章行为的准确记录；区块链的共识机制可以让车辆参与信号灯配时，提高交叉路口车辆通行效率。
2.3.1 交通违章溯源交通违章行为会破坏正常的交通运营，具有危险性。因此，当发生交通违章行为时，需要对违章行为进行准确记录，及时进行溯源，确定责任，并且保证记录不可篡改。基于区块链的交通违章溯源应用通过当事车辆以及目击车辆共同生成违章信息，如图 6所示，违章信息经过事故车辆、目击车辆和RSU共同验证，验证通过后上传到区块链网络中，利用区块链技术保护信息的安全、可信、可追溯以及不可篡改[28-29]。Guo等[28]提出一个具有动态联邦共识的“事件证明”机制。事故发生时，事故车辆和目击车辆都生成事件数据，通过车载网络广播它们的事件数据。由车辆和RSU动态地形成联盟，对事故车辆和目击车辆的所有事件数据进行验证并保存在新区块中。通过区块链保护事件信息，保证事故数据的可追溯性。Vangala等[29]设计了一种基于区块链的证书认证方案BCAS-VADN。在BCAS-VADN中，通过身份验证，车辆可以将与事故相关的交易转发到附近的簇头。簇头将车辆收集的交易信息发送RSU，边缘服务器负责准备包含交易和Merkle树根的区块体，对这些信息进行数字签名，转发到区块链和云服务器中，完成区块的创建、验证和上链。借助区块链技术，BCAS-VADN不仅可以抵御各种潜在的攻击，而且可以保持信息的透明性、不变性和不可篡改性。
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图 6 交通违章溯源 Fig. 6 Tracing traffic violation |
交通拥堵的一个关键因素是交叉路口交通信号控制对实时交通流量不敏感，动态地优化交通信号灯配时对于解决交通拥堵问题至关重要。通过共识机制可以让车辆参与交通信号灯配时的优化，提高通行效率[30-31]。如图 7所示，车辆在交叉路口时，与交叉路口的其他车辆一起商议信号灯配时，商议结果经过共识验证后，由RSU上传到区块链。同时，将要到达此交叉口的车辆，可以在刚加入区域网络的时候，通过RSU快速获取当前信号灯配时。
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图 7 交通信号控制 Fig. 7 Traffic signal control |
Cheng等[30]提出一种在车联网中使用的基于属性的区块链半中心化模式，通过车辆来控制信号灯的配时，提高交通效率。在开始通信之前，基于用户的属性(例如位置和方向)进行分组。用户在不泄露隐私的情况下进行交互，对临时信号时序达成一致。该模式不仅可以解决信号灯配时问题，而且具有保护隐私和对历史信息责任追溯的能力。Zeng等[31]提出一种基于区块链技术的智能信号灯配时方案，利用冗余切割技术对现有的智能合约进行了改进，可以有效减少通信负载。该方案优化了交通信号灯配时，提高了交叉路口车辆通行效率。
2.4 应用方面概述区块链具有去中心化、共识机制、激励机制、不可篡改、可追溯等特性，为解决城市道路智能交通现存的问题提供了新的方案。如表 2所示，基于区块链的城市道路智能交通应用主要集中在安全、共享、运营3个方面。
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表 2 区块链在城市道路智能交通中的应用状况 Tab. 2 Application status of blockchain in urban road intelligent transportation |
城市道路智能交通在安全方面的应用研究包含数据信息安全和用户隐私安全两个场景。区块链和数字加密技术结合，提高系统的抗攻击性，保证数据信息安全；区块链和匿名身份验证技术结合，保证用户参与数据共享时的身份隐私安全。
城市道路智能交通在共享方面的应用研究包含计算资源共享和交通信息共享两个场景。对资源的有效利用可以提高应用的性能，利用区块链技术的激励机制，鼓励用户对闲置的计算资源进行共享，并激励用户及时共享获取到的交通信息。
城市道路智能交通在运营方面的应用研究包含交通违章溯源和交通信号控制两个场景。区块链的应用可以提高车辆通行效率，保护交通安全。利用区块链不可篡改以及可追溯的特性，准确有效地记录交通违章信息；利用区块链的共识机制，车辆节点可以参与信号灯的配时，让车辆通行更加高效。
此外，在城市道路智能交通中，区块链还应用在提高GPS定位精度[32]、车辆间的电子支付[33]、训练自动驾驶汽车[34]以及智能交通大数据检索算法[35]等场景。
3 小结与展望本文讨论了区块链在城市道路智能交通中的应用，首先介绍了城市道路智能交通领域目前存在的问题，其次对区块链技术进行了概述，然后从安全、共享、运营三个方面对区块链在城市道路智能交通中的应用进行介绍。区块链在未来也将成为城市道路智能交通领域的核心支撑技术，与城市道路智能交通一起蓬勃发展。
随着区块链技术在城市道路智能交通领域的应用越来越深入，暴露了区块链技术的一些不足，未来的区块链还需要在共识机制、智能合约、存储方案等方面进一步发展。在共识机制方面，城市道路智能交通系统中节点数量众多，区块链的共识机制已经成为区块链系统性能的关键瓶颈。在城市道路智能交通的场景下，大多数节点的计算资源和网络通信资源都相当有限，提高共识效率是未来的发展方向之一。在智能合约方面，智能合约在城市道路智能交通中的应用十分广泛，但是也存在着一些不足[36]，通过智能合约攻击区块链的案例还时有发生[37]，提高智能合约的安全性是未来重要的研究方向。在存储方案方面，区块链中的节点将会存储所有的交易和记录，但对于城市道路智能交通中的大多数节点，存储区块链信息将是一个难题[38]。如何在保证数据安全性的同时，降低存储资源的消耗也是未来的一个研究发展趋势。
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