基于區塊鏈技術的高速公路收費ETC體系改進研究

金虹 閆夢迪 何精武 高林 劉家健

摘? ?要：基于區塊鏈技術的的高速公路不停車收費ETC體系，充分利用區塊鏈的“不可造假”“留痕追查”“可追溯”“透明公開”“共同維護”、數據可信任、安全可靠的特點，將區塊鏈技術應用到高速公路的ETC系統中，對現有ETC系統中的高消費、低效能和數據存儲不安全等問題進行優化，最后形成基于區塊鏈技術的不停車收費ETC體系，從而為建設智慧型城市、解決交通出行問題提供新思路。

關鍵詞：高速公路收費ETC；區塊鏈技術；交通出行；智慧城市；數據安全

中圖分類號：F54? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：1673-291X（2023）16-0035-03

2019年1月10日，國家互聯網信息辦公室發布《區塊鏈信息服務管理規定》，指出區塊鏈是核心技術自主創新的重要突破口，應加速推進區塊鏈發展。作為國家戰略，大力發展區塊鏈技術成為社會關注的焦點，從而為區塊鏈技術融合到建設智慧城市奠定了堅實的“信任”基礎，創造了可靠的“合作”機制，開辟了廣闊的運用前景。這些年來，區塊鏈技術作為一項國家大力扶持的技術，由于其具有去除中心化、不可編造、可以追溯的特點而被普遍應用到金融、互聯網、智慧城市建設、交通等領域。

一、文獻綜述

區塊鏈技術在金融中的應用研究主要聚焦于賦能供應鏈金融發展創新。郭毅夫（2023）提出，要將區塊鏈技術逐步納入供應鏈金融體系的構建中，從而使得企業的運行和發展能夠對全金融機構的資源進行高效配置。賀嘉（2023）在關于跨境支付數據安全的問題探討中提出法律監管跨境管理支付安全問題，認為要將區塊鏈技術運用其中，要在全球跨境支付系統大變革的機遇下，積極參與區塊鏈跨境支付的系統設計和制度構建，從而提升我國在全球跨境支付國際規則構筑中的話語權。

除了金融領域，區塊鏈技術在互聯網領域也起到了重要作用。魏祚程（2023）在關于互聯網洗錢犯罪的偵查中研究提及，要運用區塊鏈技術及時感知互聯網洗錢犯罪，收集固定證據，打破各機關之間的信息壁壘，形成信息共享機制。樂益矣（2023）在政府服務的創新應用研究中提出，要通過區塊鏈的應用推動落實數字化改革等重要戰略部署。

區塊鏈為智慧城市建設帶來新思路，以應對建設中出現的數據孤島和數據安全問題。徐語聰（2021）通過研究區塊鏈利用自身優勢，重塑社會的數據信任，為智慧城市發展帶來新機遇。而在針對新型智慧城市建設中具體的應用探究中，劉春明（2019）在文章指出，為了實現將所有先進技術整合的目的，應采用區塊鏈技術保證所有技術的獨立性，避免沖突發生，也實現各技術板塊的連接，使區塊鏈技術很好地落實在新型智慧城市概念建設中。

區塊鏈在金融、互聯網、智慧城市建設中的諸多研究文章表明，區塊鏈在未來生活方方面面都會滲入，而作為建設智慧城市樞紐的交通，其便利快捷有序就顯得尤為重要。雖然交通領域的ETC發展一直是備受關注的，但現有ETC系統中的高消費、低效能和數據存儲不安全等問題并沒有得到解決。本文通過運用區塊鏈數據“不可造假”“留痕追查”“可追溯”“透明公開”“共同維護”等特點，將區塊鏈具體作用到用戶、發卡公司、出口處RUS三方交易關系中，使原來ETC面臨的問題得到明顯改善。

二、高速公路收費ETC系統現有結構的安全隱患

（一）ETC的系統構成

高速公路收費ETC系統的組成包括車載單元、路側單元、DSRC協議。DSRC協議的特征有半雙工通信方式、主從結構、非同步分時多重存取。

ETC車道系統的收費車道數據采集主要通過DSRC協議來完成，整個ETC系統是否可以有效運行的關鍵取決于交通控制以及與上級系統通信的前端系統的順利工作。

ETC車道系統有以下功能：

第一，數據收集功能。通過DSRC協議進行收集、交換和處理數據。ETC系統的原始數據、報警信息和車道設備的相關信息將傳送到收費站的管理系統中，然后通過識別系統收集的信息和費率表來對收費進行結算。

第二，車道外圍設備控制功能。ETC車道系統還可以進行實時交通控制，通過控制外圍設備來保證車輛順利通行。外圍設備主要包括車輛檢測器、雨棚燈、通行燈、電動欄桿機、黃閃報警器、費額顯示器、車道攝像機、RSU控制器等。在整個收費過程中，車道系統和DSRC協議發揮了至關重要的作用。首先，收費數據的采集處理和傳輸都離不開車道系統；其次，其負責在收費過程中對外場設備的控制。所以，ETC車道系統不但是一個實時控制系統，也是一個收費處理系統。這些外圍設備可靠、準確的工作確保了收費作業快捷、順利地完成。

（二）ETC系統存在主要安全隱患的

1.運營效率低

高速公路的ETC系統存在較大的兼容性問題，這種情況使ETC系統不能在經濟上、社會上發揮出最大的效益。目前我國很多省市ETC還沒實現互通，這使得高速公路ETC交易時出現交易失敗問題。

2.數據不可靠性問題

ETC系統中包含車輛、用戶、卡片等各種敏感信息，一旦這些信息泄露，將對用戶的財產和個人隱私造成重大損失。數據泄露的原因可能是系統內部人員的失誤，也可能是黑客攻擊等外部因素所致。

3.數據出現丟失問題

高速公路上ETC系統進行收費后，交易數據要進行存儲，如果當時車流量過大、計算機儲存緩慢，或出現信號不好的問題，就會使交易數據存儲不上去，出現數據丟失問題。

4.不能保證全網安全性

高速公路上的ETC收費數據的整合是一個龐大的工程，數據被集中存放，如果有不法分子惡意攻擊網絡，就會使存儲數據的數據庫崩潰，且之后很難恢復已經丟失或被篡改的數據。

三、應用區塊鏈技術進行技術改進的意義

（一）提高交易的效率

在沒有將區塊鏈技術引入ETC時，交易的結算都需要匯總到數據中心進行統一的結算處理。引入ETC之后，交易數據可以直接在高速公路收費節點中進行結算，通過智能合約完成交易。

（二）基于區塊鏈分布式賬本的ETC交易結算來解決數據不可靠問題

利用區塊鏈分布式賬本P2P技術能夠解決異構多方記賬的賬單一致性問題。在ETC費系統、清結算中心和銀行ETC信用卡賬務系統中部署聯盟鏈和區塊節點，利用節點賬本自動同步機制確保各方異構賬本的一致性。同時，利用區塊鏈的防篡改優勢提高賬本數據的可信度，并采用賬務溯源技術構建異構多方一致性賬本。這樣，從銀行扣款到清算優惠再到交易的自動化驗證功能就能實現。這一技術可以降低消費者賬務處理的驗證成本，并提高整體ETC消費網絡的可信度。

（三）解決數據的不完整性問題

為了避免車道交易系統由于跨省結算使數據沒有計入流水文件而造成損失，運用區塊鏈的分布式特點，ETC的收費清算變得更加快捷安全。通過將各省級結算中心接入ETC交易網絡，實現高速公路跨省通行差異化和點對點的結算策略，實現跨省數據完整錄入。

（四）運用密碼學加密技術提高全網交易安全性

采用非對稱加密算法，保障哈希鏈分布式賬本數據庫數據安全。私鑰簽名，公鑰驗簽，公鑰加密、私鑰解密。利用各省結算中心分布式部署條件，形成分散密鑰簽發和認證的安全保障，ETC消費者可以在聯盟鏈網絡上申請上鏈。

四、區塊鏈技術在ETC收費支付及結算系統中的角色定位

（一）ETC收費支付結算過程中的角色分配和分工

區塊鏈：RUS、用戶和發卡公司之間會發生交易，而區塊鏈是一個載體，相當于以它為載體交易，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，才能進行積分交易請求。

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

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

發卡公司使具有管理能力，負責發放OBU和IC，也提供IC卡充值和積分兌換等服務。

（二）ETC收費支付結算過程主要有三部分相互作用

區塊鏈技術是構想的ETC框架的基礎。作為框架主人公的區塊鏈、RUS、發卡公司三者之間兩兩聯系合作，從而實現了高效、便捷的結算。需要注意的是，交易鏈上記載可查詢的只是ETC與區塊鏈作用部分，ETC其他流程部分并不能在鏈上查詢得到。

1.發卡公司與用戶之間進行積分交易的程序

第一步，用戶需要申請賬號，為了在區塊鏈上可以申請到獨立的OBU和IC鑰匙；

第二步，為IC進行充值，發卡公司將收到相應的充值款項；

第三步，該IC卡被發卡公司提取其公鑰地址，以便后續使用；

第四步，運用智能合約技術，發卡機構將對應于充值金額的積分轉移至IC卡賬戶中；

第五步，以區塊鏈為公正的記錄者，詳細記錄本次積分交易轉賬的所有細節。

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；通過進出口RSU信息獲得付款金額、相應積分、出口RUS鑰匙；

（3）用戶通過區塊鏈合約向出口RSU轉移對應積分；

（4）區塊鏈再次扮演記錄者，對當前積分交易進行轉賬記錄。

3.發卡公司和RSU之間積分交易過程

（1）運營公司管理出口RSU鑰匙時，在查詢營收積分額度時常常借助區塊鏈技術；

（2）運營公司和發卡單位之間存在的業務：轉讓積分交易、收款；

（3）發卡單位基于經營公司管理出口RSU公鑰信息，對企業營收積分和金額進行區塊鏈驗證；

（4）在發卡公司驗證無誤時，對運營公司提出的請求予以通過；

（5）公司下屬各出口RSU獲得發卡公司公鑰地址；

（6）透過智能合約，公司所有出口RSU都會把對應分數轉給發卡公司；

（7）所述區塊鏈上記錄有當前積分、交易的轉賬記錄以及發卡公司將積分交易額支付給所述公司的相應款項。

參考文獻：

[1]? ?郭毅夫.區塊鏈賦能供應鏈金融發展創新[J].時代經貿，2023（3）：67-70.

[2]? ?賀嘉.基于區塊鏈技術的跨境支付數據安全的法律監管研究[J].中國金融，2023（3）：55-65.

[3]? ?陳濤.區塊鏈在智慧城市信息共享與使用中的應用研究[J].電子政務，2018（7）：36-45.

[4]? ?王立.基于文件存儲證明的共識算法及其應用[D].長春：吉林大學，2015.

[5]? ?王永生.ETC系統中DSRC協議的分析與實現[D].西安：西安電子科技大學，2011.

[6]? ?周才博.基于區塊鏈的物聯網安全機制研究[D].蘭州：蘭州大學，2021.

[7]? ?魏祚程.區塊鏈技術視域下互聯網洗錢犯罪的偵查[J].西都學刊，2023（5）：56-59.

[8]? ?盛淑賢.基于區塊鏈的檢驗檢測平臺治理機制設計[D].長沙：湖南大學，2020.

[責任編輯? ?興? ?華]