基于區(qū)塊鏈技術(shù)的主動(dòng)式城市交通擁堵緩解系統(tǒng)架構(gòu)研究

摘要 為保障動(dòng)態(tài)交通中緩堵策略的可執(zhí)行性與高適應(yīng)性，研究提出了依托區(qū)塊鏈技術(shù)與個(gè)體智能設(shè)備的主動(dòng)式城市交通擁堵緩解系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)多個(gè)協(xié)同工作的去中心化動(dòng)態(tài)Mesh網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)交通事件的主動(dòng)識(shí)別分析與基于使用者需求的自適應(yīng)處理，從而降低城市交通運(yùn)行的隨機(jī)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)城市交通擁堵的根本性緩解。

關(guān)鍵詞 城市交通；區(qū)塊鏈；Mesh網(wǎng)絡(luò)；擁堵規(guī)避

中圖分類號(hào) TP311.13 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）08-0023-03

0 引言

城市誕生以來，交通擁堵作為人口流動(dòng)的派生物，不斷影響著城市運(yùn)行與發(fā)展效率。從宏觀層面分析，擁堵可能在于服務(wù)供給與服務(wù)需求的不匹配；從中觀層面分析，擁堵可能是既有交通資源配置不當(dāng)、協(xié)同不暢所致；而從微觀層面分析，交通擁堵又可能源于運(yùn)行信息的傳遞不暢，是出行引導(dǎo)不準(zhǔn)確、不及時(shí)所致。因此，如果要從根本上緩解城市交通擁堵，則需構(gòu)建從微觀到宏觀，主動(dòng)式自適應(yīng)的干預(yù)、監(jiān)管與協(xié)同，以實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)交通的有效引導(dǎo)與管理。

1 研究背景

目前，傳統(tǒng)交通管理模式多以中心化控制系統(tǒng)為主，可實(shí)現(xiàn)對(duì)城市片區(qū)路網(wǎng)規(guī)模交通的管理與調(diào)度，但對(duì)道路節(jié)點(diǎn)、路段等微觀層面的干預(yù)效果不強(qiáng)。雖然隨著機(jī)器視覺技術(shù)的普及與應(yīng)用，基于道路監(jiān)控?cái)z像頭的交通事故識(shí)別技術(shù)已可及時(shí)識(shí)別路段交通事故，并與城市交管部門聯(lián)動(dòng)[1]，但此類節(jié)點(diǎn)交通緩堵策略需同時(shí)配備足夠的現(xiàn)場(chǎng)指揮管理人員，以保障事故到場(chǎng)速度及人工疏導(dǎo)效率[2]，對(duì)重要瓶頸節(jié)點(diǎn)較為適用，而規(guī)模化應(yīng)用成本及管理阻力可能較大。此外，從發(fā)現(xiàn)事故到完成人為干預(yù)處置，仍會(huì)存在一定的處理時(shí)間，無法有效地避免事故對(duì)后續(xù)交通的影響，后續(xù)駛?cè)胧鹿庶c(diǎn)的車輛，在事故完成處置到路段完全恢復(fù)正常通行速度之前，仍無法規(guī)避事故帶來的擁堵影響，也無法對(duì)常態(tài)化的道路節(jié)點(diǎn)擁堵進(jìn)行有效干預(yù)。目前個(gè)人導(dǎo)航軟件只能提供出行前查詢路況擁堵程度、出行中提供規(guī)避擁堵路線兩種策略，沒有主動(dòng)引導(dǎo)疏解的能力。因而，現(xiàn)階段的緩堵策略無法有效實(shí)現(xiàn)微觀、中觀、宏觀三層次的管理聯(lián)動(dòng)，需結(jié)合新技術(shù)探索新管理策略，預(yù)留與現(xiàn)有中心化管理系統(tǒng)的協(xié)同接口，以實(shí)現(xiàn)從全維度交通管理，根據(jù)不同層級(jí)動(dòng)態(tài)的交通情況，匹配生成同時(shí)滿足系統(tǒng)及個(gè)體需求的緩堵方案。

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)在汽車工業(yè)方面的快速發(fā)展，智能化車機(jī)系統(tǒng)、多重車載感應(yīng)設(shè)備、智能輔助駕駛等新技術(shù)正逐漸普及，車輛對(duì)道路環(huán)境的感知及數(shù)據(jù)分析處理能力正加速提升[3]，而手機(jī)等個(gè)人移動(dòng)設(shè)備處理能力的增強(qiáng)也使微觀交通層面可執(zhí)行的數(shù)據(jù)處理規(guī)模達(dá)到了前所未有的高度，為微觀交通個(gè)體互聯(lián)協(xié)作提供了技術(shù)條件。可以預(yù)見，如通過一定手段將分散的設(shè)施設(shè)備組網(wǎng)協(xié)同，將有望形成規(guī)模化算力，實(shí)現(xiàn)交通事件的主動(dòng)識(shí)別，自動(dòng)定制符合個(gè)體需求的緩堵方案，使微觀層面交通擁堵的即時(shí)、有效干預(yù)成為可能。有關(guān)研究表明，當(dāng)擁堵緩解方案的接受與執(zhí)行度達(dá)到一定比例后，將顯著降低擁堵路段及上游路段的通過時(shí)長[4]，個(gè)體將切實(shí)感受到擁堵情況的改善。

但同時(shí)，上述應(yīng)用場(chǎng)景下出行數(shù)據(jù)的共享與擁堵解決方案的執(zhí)行，必將涉及大量的個(gè)人隱私與多元的引導(dǎo)協(xié)議制定，需應(yīng)用合適的架構(gòu)來保障數(shù)據(jù)安全及擁堵緩解方案的高執(zhí)行比，使系統(tǒng)生成的緩堵方案真正可靠、可執(zhí)行。

2 區(qū)塊鏈在交通協(xié)同信息處理場(chǎng)景中的應(yīng)用分析

區(qū)塊鏈作為一個(gè)復(fù)雜的技術(shù)體系，其核心特征在于構(gòu)建了由帶時(shí)間戳與非對(duì)稱加密的數(shù)據(jù)層、含驗(yàn)證機(jī)制的P2P網(wǎng)絡(luò)層、含共識(shí)算法與激勵(lì)機(jī)制的共識(shí)層組成的基礎(chǔ)架構(gòu)，并可通過引入智能合約拓展至合約層與應(yīng)用層以高效處理更多實(shí)際需求[5]。

對(duì)應(yīng)到不同層次交通協(xié)同信息處理上來看，微觀層面上，可將交通行為作為帶時(shí)間戳記的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與存儲(chǔ)。同時(shí)，可利用區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)層的結(jié)構(gòu)特征，將受交通事件影響程度不同的個(gè)體分別組網(wǎng)，生成匹配不同影響程度的緩堵方案，再利用區(qū)塊鏈共識(shí)層的架構(gòu)機(jī)制，對(duì)促進(jìn)擁堵緩解的個(gè)體進(jìn)行獎(jiǎng)勵(lì)，以有效保障緩堵方案的高執(zhí)行率，實(shí)現(xiàn)對(duì)原本不可控的擁堵的分級(jí)量化自適應(yīng)處理。再進(jìn)一步，可設(shè)計(jì)智能合約與中心化的監(jiān)管調(diào)度系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，使單個(gè)交通個(gè)體在面對(duì)常態(tài)化擁堵時(shí)，可在一定條件下執(zhí)行激勵(lì)條件所提供的特權(quán)，充分享有對(duì)一定交通資源的優(yōu)先配置，從個(gè)體需求層面實(shí)現(xiàn)去中心化的擁堵緩解。

3 主動(dòng)式城市交通擁堵緩解系統(tǒng)架構(gòu)研究

結(jié)合區(qū)塊鏈在不同交通協(xié)同信息處理場(chǎng)景中的應(yīng)用分析，研究設(shè)計(jì)由“三級(jí)兩類四體系”構(gòu)成的主動(dòng)式城市交通擁堵緩解系統(tǒng)。具體架構(gòu)如圖1所示。

3.1 “三級(jí)”交通擁堵管理層級(jí)

對(duì)應(yīng)于微觀、中觀、宏觀交通，分三級(jí)同時(shí)同步進(jìn)行交通管理，并對(duì)實(shí)時(shí)擁堵情況進(jìn)行識(shí)別與處理。微觀層級(jí)定位為處理動(dòng)態(tài)交通狀況的基礎(chǔ)，承擔(dān)五大職責(zé)：

一是“組網(wǎng)”，即以智能手機(jī)或具備Mesh網(wǎng)絡(luò)路由功能的智能車載系統(tǒng)為節(jié)點(diǎn)，采用合適技術(shù)可使一定距離內(nèi)車輛間自行組建無線網(wǎng)絡(luò)[6]。二是“監(jiān)控”，即通過調(diào)用各節(jié)點(diǎn)車輛的道路交通感知設(shè)備，承擔(dān)對(duì)城市道路交叉節(jié)點(diǎn)、節(jié)點(diǎn)間路段交通運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并利用自組網(wǎng)動(dòng)態(tài)自適應(yīng)的特點(diǎn)，將前方車輛監(jiān)控到的實(shí)時(shí)路況在不借助固定基站的條件下，向后方車輛進(jìn)行廣播。三是“識(shí)別”，即通過調(diào)用車輛自組網(wǎng)內(nèi)所有智能設(shè)備的道路交通感知及數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，自主識(shí)別交通事件，判別影響程度。四是“協(xié)同”，即利用區(qū)塊鏈技術(shù)在同一無線自組網(wǎng)中通過一定智能合約，對(duì)網(wǎng)內(nèi)各節(jié)點(diǎn)設(shè)備上的基本信息（包含但不限于駕駛員信息、出行起終點(diǎn)、到達(dá)時(shí)間期望、旅行速度期望等）進(jìn)行調(diào)用，結(jié)合“識(shí)別”階段對(duì)交通事件影響程度的判定，整合網(wǎng)內(nèi)所有設(shè)備算力，運(yùn)算生成匹配各節(jié)點(diǎn)車輛使用者需求的緩堵方案，并引導(dǎo)執(zhí)行。五是“記錄”，即操作指引生成并獲得執(zhí)行后，該自組網(wǎng)內(nèi)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)車輛對(duì)本網(wǎng)其他車輛的執(zhí)行情況完成認(rèn)定，并在自組網(wǎng)內(nèi)以區(qū)塊鏈形式進(jìn)行記錄，各車將該車執(zhí)行情況進(jìn)行本地存儲(chǔ)，更新該車設(shè)備上的基本信息。由于進(jìn)行“記錄”的車輛自組網(wǎng)在完成記錄后將自行解散，存儲(chǔ)在本地的執(zhí)行情況記錄由于原區(qū)塊鏈不存在，也將永遠(yuǎn)不可修改，可作為激勵(lì)機(jī)制中的有效憑證。

中觀層級(jí)定位為處理片區(qū)路網(wǎng)組織、連接道路交通使用者與其他交通系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，承擔(dān)兩大功能：一是“超視距引導(dǎo)”，即對(duì)微觀擁堵影響區(qū)域以外的路網(wǎng)使用者，根據(jù)其預(yù)計(jì)達(dá)到影響范圍圈的時(shí)間，提前報(bào)送實(shí)時(shí)擁堵情況，引導(dǎo)其準(zhǔn)確了解前方交通情況，結(jié)合自身出行目標(biāo)需求，執(zhí)行速度、路線、交通模式等方面上的轉(zhuǎn)變，提前規(guī)避擁堵風(fēng)險(xiǎn)。二是“無縫銜接”，即在區(qū)域交通層面依托V2X技術(shù)構(gòu)建道路交通使用者與靜態(tài)交通設(shè)施、公共交通設(shè)施等交互聯(lián)系[7]，以使用者出行時(shí)空目標(biāo)為依據(jù)協(xié)同制定多種交通模式無縫銜接的出行方案，引導(dǎo)高效合理出行。

宏觀層級(jí)定位為處理各類交通模式，完善系統(tǒng)整體架構(gòu)和數(shù)據(jù)流程的重要通道，是輔助整個(gè)交通資源頂層管理并聯(lián)系微觀個(gè)體需求的核心。

3.2 “兩類”交通擁堵緩解策略

即突發(fā)交通事件擁堵與常態(tài)化交通擁堵兩類。

3.3 基于區(qū)塊鏈的技術(shù)“四體系”

3.3.1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的城市交通資源鏈體系

在完成城市交通資源數(shù)據(jù)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)客觀交通空間的不同，從城市道路交通、軌道交通及靜態(tài)交通三方面構(gòu)建資源模型，并以三類交通資源的使用權(quán)為基礎(chǔ)構(gòu)建激勵(lì)機(jī)制，依托區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)建城市交通資源鏈。該鏈承擔(dān)城市交通資源的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，對(duì)實(shí)時(shí)交通運(yùn)行數(shù)據(jù)承擔(dān)中繼功能，同時(shí)，可協(xié)同若干未參與其他體系工作的閑置個(gè)人設(shè)備組建區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，以調(diào)取設(shè)備中存儲(chǔ)的緩堵方案執(zhí)行記錄，并在該區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中對(duì)個(gè)體在擁堵事件中的綜合貢獻(xiàn)值進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)應(yīng)核發(fā)具備交通資源優(yōu)先使用權(quán)Token代幣，同時(shí)將代幣可對(duì)應(yīng)換取的交通服務(wù)記錄在城市交通資源鏈上，作為待執(zhí)行服務(wù)。

3.3.2 以V2V區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的車輛協(xié)同體系

采用Mesh無線自組網(wǎng)模式構(gòu)建車—車互聯(lián)的V2V區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，在順暢交通條件下啟用監(jiān)視主策略，不調(diào)用設(shè)備計(jì)算，依托Mesh網(wǎng)絡(luò)多跳式傳輸模式，可在無基站設(shè)備條件下，快速向后方車輛自組網(wǎng)區(qū)塊及其他體系傳遞實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)。而對(duì)突發(fā)交通事故以及常態(tài)化交通瓶頸，采用如下處置邏輯生成緩堵方案并執(zhí)行、記錄：

（1）受交通事件影響的首車將在減速同時(shí)與直接影響范圍（受事件影響，必須減速停車的）內(nèi)的所有車輛自動(dòng)組建無線Mesh網(wǎng)絡(luò)。該區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)將負(fù)責(zé)監(jiān)控周邊道路情況，向間接影響車輛（受事件影響，可以減速并更換車道繞避的）及中心化交通管理系統(tǒng)發(fā)送提示消息及事故簡報(bào)，并運(yùn)算生成脫困策略指導(dǎo)間接影響車輛適當(dāng)減速，以便直接影響車輛逐一借助周邊車道駛離。

（2）必須大幅減速并變道才能規(guī)避交通事件發(fā)生點(diǎn)的車輛將自動(dòng)組建第一層級(jí)間接影響車輛協(xié)作網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)將監(jiān)控周邊車道及后續(xù)車輛運(yùn)行情況，分析計(jì)算該網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各車輛變道方向與變道時(shí)機(jī)并形成脫離方案，同時(shí)與對(duì)直接影響車輛網(wǎng)絡(luò)生成的脫困策略進(jìn)行匹配，保障其安全變道駛離。

（3）需輕微減速并需變道規(guī)避的車輛將組建第二層級(jí)間接影響車輛協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，接收交通事件簡報(bào)信息并協(xié)作制定減速變道策略，以最低程度地減少對(duì)第一層級(jí)間接影響車輛策略實(shí)施的影響。

（4）不需減速，只需變道或轉(zhuǎn)變通行路線的車輛將組建第三層級(jí)間接影響車輛協(xié)作網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)監(jiān)控前序車輛處置方案的運(yùn)行情況，并對(duì)應(yīng)制定規(guī)避策略。

3.3.3 以V2X區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的車輛—設(shè)施協(xié)同體系

在若干V2V構(gòu)成的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，與路網(wǎng)周邊諸如公共停車場(chǎng)、P+R換乘中心、軌道交通車站等靜態(tài)交通設(shè)施實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)自組網(wǎng)，收集靜態(tài)設(shè)施相關(guān)信息，并利用靜態(tài)設(shè)施閑置算力，為面臨擁堵風(fēng)險(xiǎn)的出行者制定可調(diào)用各類交通工具、設(shè)施的綜合擁堵規(guī)避方案，并記錄執(zhí)行情況。

3.3.4 以交通聯(lián)盟鏈為基礎(chǔ)的不同交通方式間協(xié)同體系

利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建覆蓋多種交通方式的管理聯(lián)盟鏈，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類交通方式的宏觀調(diào)控，指導(dǎo)新建交通設(shè)施規(guī)劃布局。同時(shí)，對(duì)接城市交通資源鏈體系，匯總各級(jí)緩堵方案的執(zhí)行情況，核銷Token代幣獎(jiǎng)勵(lì)，動(dòng)態(tài)更新交通資源使用情況，完成系統(tǒng)數(shù)據(jù)流與服務(wù)流閉環(huán)。

4 結(jié)語

該文結(jié)合現(xiàn)階段交通及信息領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，提出利用區(qū)塊鏈技術(shù)構(gòu)建依托交通使用者個(gè)人智能設(shè)備的去中心化動(dòng)態(tài)Mesh網(wǎng)絡(luò)，從而整合微觀交通層面數(shù)據(jù)處理算力，實(shí)現(xiàn)結(jié)合使用者需求的交通事件主動(dòng)分析與自適應(yīng)處理。同時(shí)，通過設(shè)計(jì)由“三級(jí)兩類四體系”構(gòu)成的主動(dòng)式城市交通擁堵緩解系統(tǒng)架構(gòu)，構(gòu)建多個(gè)基于區(qū)塊鏈技術(shù)的處理體系并將其合理分工聯(lián)動(dòng)，并對(duì)鏈上節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)共識(shí)協(xié)議進(jìn)行規(guī)范，可實(shí)現(xiàn)個(gè)人隱私數(shù)據(jù)的有效保護(hù)。下一步，建議持續(xù)深化激勵(lì)引導(dǎo)條件研究，制定可實(shí)施性強(qiáng)的方案，并與既有中心化管理系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，充分利用既有資源，推動(dòng)城市交通實(shí)現(xiàn)從使用者角度出發(fā)的全維度的交通管理，使未來城市交通實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式的擁堵緩解。

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