智能公交區塊鏈系統研究與應用

朱世龍 陸治國 湯澳 趙學龍

摘要：隨著城市公交的快速發展，城市公交系統數據量日益增大，公交系統暴露出數據安全、數據孤島和相關信息記錄不完備等問題。為解決傳統城市公交系統目前存在的問題，文中對城市公交系統現狀以及區塊鏈技術特點進行分析探討，展開基于區塊鏈技術完善公交系統的相關研究，聚焦于國內外針對區塊鏈技術在城市公交系統的研究與應用，提出了利用區塊鏈技術優勢完善公交系統的方法，并基于區塊鏈技術層次化體系結構，提出了基于區塊鏈技術的智能公交區塊鏈系統技術架構，有效解決傳統公交系統存在的數據安全、數據孤島等問題。設計了智能公交區塊鏈系統應用的整體流程，為未來推動公交系統數據資源共享以及區塊鏈技術應用在城市公交系統的設計及應用提供一定的思路及啟示。

關鍵詞：區塊鏈技術；城市公交；數據安全；數據孤島；數據共享

中圖分類號：U121 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2024）11-0094-04

0 引言

城市公交在城市交通網絡中扮演著關鍵的角色。城市公交在快速發展的過程中，也存在一部分問題需要進行改善。數據安全是公交系統中的關鍵要素之一，在公交系統中，存在數據安全問題，如公交司機篡改里程數騙取國家補助、乘客篡改公交卡金額等。另一方面，城市公交系統中包含了乘客行程信息等相關信息，當數據庫遭受非法攻擊時，存在數據泄露的風險[1]。同時，城市公交存在著數據孤島的問題，部分城市存在多個公交公司參與運營，不同部門、區域間數據協同共享流程復雜，各部分信息共享較為困難，導致全國公交一體化建設因銜接和配合問題受阻，跨區域管制困難[2-4]。另外，傳統公交系統對于投幣、他人代替支付的乘客，無法準確記錄乘客的相關信息，并且目前城市公交普遍一票制造成乘客下車信息不記錄，導致乘客身份信息和乘車信息存在不完備、不準確的問題，從而導致面對突發事件時，無法及時確定車上相關信息[5]。

區塊鏈技術是指運用塊鏈式數據結構來存儲數據、利用共識機制更新數據、運用智能合約操作數據的一種分布式系統架構[6]。區塊鏈技術以其去中心化、共識機制以及信息難以篡改等技術特點，已經應用到了生活中的很多領域，如金融領域、物流領域等。在交通領域也有了一定的研究與應用，劉民[7]、薄鈞戈[8]、王浩遠[9]等研究了面向智能交通領域的區塊鏈技術方案和網絡架構系統搭建方法，為實現信息不可篡改，提升智能公交系統的數據安全性提供了決策依據。國外學者Vittorio Astarit， Branka Mikavica 等人[10-11]提出利用區塊鏈技術可以讓信息在分享時更加安全可靠，并且利用區塊鏈的去中心化和共識機制，可以解決智能交通網絡中的信任管理問題。根據以上學者的研究，本文進一步依據區塊鏈的技術優勢，研究區塊鏈技術在智能公交系統上的相關應用，對智能公交領域現今存在的痛點問題進行針對性研究解決。

1 區塊鏈技術

區塊鏈技術是運用加密鏈塊結構來驗證和存儲數據，運用共識機制生成和更新數據，運用智能合約操作數據的分布式系統架構[12]。實質上，它是一個不依托中心化管理的分散式數據庫，是一串使用密碼學方法相關聯產生的數據塊，每一個數據塊中包含了一次網絡交易的信息，用于驗證其信息的有效性和生成下一個區塊[13]。區塊鏈區塊的具體格式如圖1所示。

2 系統應用技術分析

2.1 分布式賬本

分布式賬本本質上是一個允許數據在多個站點、不同地理位置或多個機構之間進行共享的數據庫系統。基于區塊鏈技術的分布賬本技術特點，不同公交公司的節點可以直接共享彼此的數據，同時，去中心化的特性，杜絕了網絡中傳輸、存儲的信息因服務器故障或者惡意篡改導致的數據丟失問題，并且難以定位到廣播的初始節點，因此也能夠對節點的隱私信息進行保護。從而解決當前城市公交存在的數據孤島以及數據安全性問題。

2.2 智能合約

智能合約本質上是存儲在區塊鏈上的一個程序，該程序會在運行時自動調用，智能合約在滿足預置條件下自動執行的特性，使得相關操作在不需要第三方監督者的情況下，完成相關操作，確保了操作的準確性[14]。利用智能合約，可以實現如檢測到車輛出現故障時，自動發送車輛信息至相關部門等操作。因此，智能合約可以保證智能公交區塊鏈系統擺脫第三方人工管理的情況下準確執行。

2.3 共識機制

區塊鏈中的共識機制是指在沒有中央權威的情況下，通過一組參與者達成關于交易有效性和區塊添加順序的一致意見的規則或算法。共識機制的技術特點可以使得智能公交區塊鏈系統在不需要中心節點進行監管，通過各節點達成共識共同對網絡進行維護。且只有共識達成，區塊數據的才能上鏈生效，因此可以防止惡意行為者篡改區塊信息或創建虛假區塊。

2.4 加密技術

為了防止公交系統中數據記錄被篡改和抵賴，并保護節點隱私不被泄露可以通過區塊鏈加密技術來實現。區塊鏈中涉及的加密技術主要包括非對稱加密技術和哈希函數。非對稱加密可以保證公交相關數據在傳輸過程中，不被泄露并實現防偽。并采用數字簽名為公布的文書背書、從而防止抵賴，實現脫離第三方監督的特性[15]。并通過哈希函數可以實現對文件信息的檢錯、比對、驗證等功能。從而保證系統區塊數據難以被篡改[15]。

3 系統研究與應用

3.1 智能公交區塊鏈系統技術架構

基于區塊鏈技術的特點，本文設計了智能公交系統的技術應用框架，該框架旨在提高數據的安全性、透明性和可用性。本文將從四個維度來解析基于區塊鏈技術的智能公交系統的架構：應用層、網絡層、核心層和數據層。系統框架圖如圖2所示。

3.1.1 應用層

應用層包括了具體應用場景和用例，在車端負責相關信息的識別并記錄，如公交車車輛位置、狀態等信息的記錄，乘客上下車人員的信息記錄等。車端系統將相關信息記錄傳遞給核心層進行相應處理。另外，應用層還包括用戶終端，主要面向管理員、乘客和公交服務提供商，為其提供多種功能服務界面，包括車輛追蹤與監控、乘車記錄查詢、公交車信息查詢和公交路線查詢等。系統面向的用戶包括管理員、乘客和公交服務提供商，不同用戶的權限有所區別，因此，采用多鏈結合的形式，賦予不同用戶不同權限。

同時區塊鏈還可以連接不同地區的公交系統，實現跨區域數據共享，可以與國家級平臺相互聯通。這為政府部門提供了深度參與管理的權限，以及雙向追溯和精準定位公交車的能力，從而實現更高效的公交車管理服務。對于乘客而言，區塊鏈技術通過公交車信息追溯，實時提供關鍵信息，幫助其更好地了解公交車的相關情況，便利日常出行。

3.1.2 核心層

將區塊鏈應用于公交車管理系統中，可以實現智能合約機制。通過智能合約，將公交車的運營信息以及乘客上車信息的管理規則部署在區塊鏈中。這有助于在信息上鏈的過程中自動執行預先設定的相關規則，從源頭上提高管理部門對公交車運營的監管力度，防止相關企業的不當行為。同時，引入共識機制，對公交車運營體系的參與者進行審核。通過審核，將信息上鏈，參與者被賦予對系統信息進行更新和管理的權限。這一機制增強了公交信息的可靠性。每個公交車運營環節都可以通過物聯網技術，實時監測和更新車輛信息，這些信息將鎖定在智能合約和共識機制下，從而能夠及時發現問題并報告相關部門。由此，區塊鏈在公交車管理中的應用將有助于提高信息的安全性、可靠性以及監管的有效性，從而增強公交車管理體系的可信度。

3.1.3 網絡層

網絡層規定了系統的組網方式、消息傳播協議以及數據驗證機制等要素，當數據上傳后，將廣播到網絡中，網絡中所有節點根據預定義的驗證機制對數據進行驗證，無效的丟棄。通過大多數節點驗證的數據才能傳輸到數據層進行上鏈存[16]。另外，結合云存儲等智能物聯網核心技術，可以在智能公交系統中實現數字化管理，為各個節點提供信息追溯功能[17]。同時，通過開放式的網絡接口，可以將公交車信息傳遞給上一層，實現不同主體之間的信息共享，確保了信息的真實性和可靠性。并且，網絡層采用P2P技術實現分布式的結構，并依賴TCP/IP通信協議實現點對點通信。每個節點不僅負責接受信息，還可以將信息傳遞給其他節點，確保信息在網絡中的流通[13]。這種分布式網絡的特點使得每個節點都擁有系統的所有信息，即使某個節點受到攻擊或發生故障，整個系統仍然可以正常運行。并且采用去中心化的網絡結構不僅能增加公交車系統的穩定性和安全性，也確保了信息的難以篡改性和透明性。

3.1.4 數據層

每一條乘車信息都嚴格按照區塊格式進行輸入，并采取分布式存儲系統進行存儲，均具有一定時間順列和唯一的加密簽名，可有效地規避傳統中心化存儲方式數據容易篡改和失真的問題，同時，區塊鏈技術非對稱加密算法可以在數據傳輸過程中采用公鑰加密，在接收時數據用私鑰解密，進一步保證信息的安全性[17]。

3.2 智能公交區塊鏈系統應用流程

基于區塊鏈技術的公交系統網絡模型由智能公交車，P2P網絡以及用戶組成。智能公交車通過蜂窩網絡等無線通信技術與P2P云服務器進行通信，用戶則通過相應的終端對P2P中數據進行訪問[18]。公交車上的傳感器以及路側單元會收集車輛相關信息，并將信息發送至P2P網絡進行驗證和存儲。經共識達成，信息在P2P網絡中傳播驗證，經驗證通過的信息將以區塊鏈形式存儲在P2P網絡上，從而實現數據的安全共享。具體應用流程如圖3所示。

智能公交區塊鏈系統具體應用流程如下：

（1） 公交車輛停靠公交車站點，進行人員信息標記和車輛信息獲取

人員信息標記：當公交車到達車站時，乘客需要進行刷卡、投幣或使用移動支付等方式進行乘車驗證，公交車上的刷卡機或者移動支付設備會根據乘客的刷卡和掃碼信息以及公交車輛上下門位置的攝像頭將對上車下車人員進行人臉識別，對人員信息進行唯一標記，然后根據信息采集方式得到的乘車人員信息進行綜合整理，得到較精準的人員信息，方便后期若遇特殊情況對車輛人員路徑的精準定位查詢。

車輛信息獲取：車輛站點信息或者車牌號信息根據公交車的固定軌跡進行行駛錄入，采用傳感器設備（例如：GPS） 對車輛地理位置信息，速度信息，乘車時間信息等進行采集，同時可利用路測感知設備、攝像頭等捕捉車輛行駛過程中的圖像和視頻信息，這些信息可用來對公交車輛進行車輛軌跡識別，違章檢測等。

站點信息采集：在整個公交車行駛過程中，在車輛到達站點時，記錄當前時間戳作為到站時間。在車輛啟動，同時上傳信息時，記錄時間戳作為出站時間。

（2） 公交車輛離開站點，站點處收集的信息進行區塊鏈上傳

一旦公交車離開站點，智能公交系統通過各種設備標記與獲取到的乘客人員信息、車輛信息（車牌號、車輛站點、行駛路徑等）以及時間戳（車輛到站以及出站時間）等數據將被打包加密；這些數據被上傳到區塊鏈網絡中的一個新的區塊，并與之前的區塊鏈接起來，形成連續的數據鏈；信息上傳之后無法被篡改，管理人員只擁有查看權限。區塊鏈的不可篡改性和去中心化特性確保乘車人員信息、車輛信息等數據的安全性和可靠性。

（3） 公交車輛停靠站點，并進行終點判斷

當公交車停靠時，系統首先記錄時間戳，作為到站時間（非終點站與終點站同樣），同時將根據當前站點信息與行駛過程中獲取的公交車軌跡信息匹配判斷是否為當前公交車輛終點站。若是終點站，系統將結束當前行程，將最新的區塊信息（到站信息、站點信息）添加到區塊鏈中，并生成相應的行程記錄；若不是終點站，系統將重新跳轉到第二步，繼續進行人員信息標記、車輛信息和站點信息的獲取。

通過以上流程，基于區塊鏈的智能公交系統能夠實現人員與公交車輛從起點到終點的所有信息的獲取和區塊鏈上傳等功能。這一系統能夠確保公交乘客的身份驗證，并且保證數據的安全和可信。同時，通過區塊鏈的技術，可以提高公交系統的透明度和效率，不僅為相應機關提供了在遇到特殊事故與案件時便利的信息查找途徑，而且為乘客提供了更便捷、安全的出行服務。

4 智能公交區塊鏈系統優勢分析

智能公交區塊鏈系統相較于傳統普通公交系統具有明顯的數據安全性、共享方便等優勢。下面是對這兩種系統進行的分析比較。

（1） 數據安全性

智能公交區塊鏈系統采用去中心化的存儲模式，數據存儲在多個節點上，并非集中存儲在中心服務器上，任何數據更改都需要獲得網絡中大部分節點的共識，從而智能公交區塊鏈系統相較于傳統公交系統具有數據不可篡改性，系統數據存儲更為安全。同時基于區塊鏈的智能公交系統可以記錄完備的公交數據和乘車信息，這使得數據的來源和去向可以被準確追溯，因此，智能公交區塊鏈系統具有更高的數據安全性。

（2） 數據共享性

智能公交區塊鏈系統允許數據在多個站點、不同地理位置或多個機構之間進行共享，系統中的節點無需通過任何中心機構授權，就可以共享系統數據。相較于傳統公交系統存在較多不同數據信息系統及數據格式，能夠更加方便實現跨區域、跨平臺數據共享，實現數據的公開透明。

（3） 信息完備性

相較于傳統公交系統，智能公交區塊鏈系統對信息記錄方式提出優化方案，對于投幣等不易進行信息記錄的乘客，采用智能識別的方式進行信息記錄，并且對下車乘客進行信息記錄，從而能夠實現較為完備的信息記錄。當面對突發事故時，能夠利用系統及時確定公交車上的相關信息。

基于區塊鏈技術的智能公交系統相比傳統普通公交系統數據安全性更高、數據共享更為方便以及信息記錄更為完備。但是基于區塊鏈技術的智能公交系統還存在一些挑戰，例如處理速度較慢和存儲空間需求增大等。隨著區塊鏈技術的不斷發展和完善，這些問題有望得到解決，為公交系統的未來發展帶來新的可能性。

5 總結與展望

本文基于區塊鏈技術的去中心化、數據難以篡改、信息可追溯、去信任等特點，研究結合區塊鏈技術的智能公交區塊鏈系統用于解決城市公交數據安全性問題、數據孤島問題以及乘客信息記錄不完備問題的相關應用。提出了智能公交區塊鏈系統的技術架構以及其在城市公交上的一般應用流程，為后續相關智能公交區塊鏈系統的設計與具體應用提供一定的啟示和思路。需要指出的是，區塊鏈技術在城市公交的具體應用尚處于研究階段，缺乏具體應用場景的實踐探索，未來對于特定應用場景的分析還應結合實證研究進一步深化和具體化。

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【通聯編輯：李雅琪】