區塊鏈技術在公路貨車動態檢測系統中的應用研究

摘 要：公路貨車動態檢測系統涉及的硬件設備、軟件系統較多，技術標準不統一，數據存儲、傳輸、共享過程中容易被人為篡改，安全隱患較大，基于此，文章對區塊鏈技術在公路貨車動態檢測系統中的應用進行了研究。利用區塊鏈技術的去中心化、數據存證、數據可信、共識計算等特性，研究公路貨車動態系統數據存儲、傳輸、共享等階段的安全、可信應用，并通過該研究進一步提升公路貨車動態檢測數據存儲、傳輸、共享的安全性、可信性，增強監管效力、構建執法區域協同體系。

關鍵詞：區塊鏈；公路動態檢測；數據加密

中圖分類號：TP39；TP309.1 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2024）15-0185-05

Research on the Application of Blockchain Technology in the Dynamic Detection System of Highway Trucks

—Taking Xuzhou City as an Example

ZHANG Yunlin

（Xuzhou Transportation Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment， Xuzhou 221000， China）

Abstract： The dynamic detection system for highway trucks involves a lot of hardware equipment and software systems， with inconsistent technical standards. The data is easily tampered with humans during the process of storage， transmission， and sharing， and there are significant safety hazards. This paper studies the application of blockchain technology in the dynamic detection system of highway trucks. Based on this， it utilizes the characteristics of blockchain technology such as decentralization， data authentication， data trustworthiness， and consensus computing， researches the secure and trustworthy applications of data storage， transmission， and sharing in the dynamic system of highway trucks. Through research， it further improves the security and credibility of dynamic detection data storage， transmission， and sharing for highway trucks， enhances regulatory effectiveness， and builds a collaborative system for law enforcement regions.

Keywords： blockchain; highway dynamic detection; data encryption

0 引 言

公路運輸是貨物運輸的主要方式，公路貨運車輛違法超限超載運輸極易引發公路交通安全事故，擾亂貨運市場秩序，損壞公路和橋梁設施，危害人民群眾生命財產安全。公路動態檢測系統作為公路重要監測設施，是治理貨車超限超載的重要載體，公路貨車動態檢測數據是開展科技治超、區域治超、非現場執法、源頭執法、事中事后監管的重要依據。當前，公路貨車動態檢測系統涉及的硬件設備、軟件系統較多，標準不盡統一，數據在采集、存儲、傳輸、使用過程中容易被篡改，存在較大的安全隱患，需要利用新技術進行優化升級，保證數據采集、存儲、傳輸、使用等各階段的安全可信，并支持跨部門、跨區域、跨層級之間的執法協同和數據共享。近年來，基于分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法[1]等多技術組合創新的區塊鏈技術日漸成熟，并得到應用。區塊鏈的去中心化、不可篡改、公開透明等技術優勢，可以規避數據在業務流轉中的篡改、造假行為，有利于打造安全、可信、可溯源的交易環境。

習近平總書記強調：“加快推動區塊鏈技術和產業創新發展，積極推進區塊鏈和經濟社會融合發展[2]。”交通運輸行業是人流、貨流、資金流、信息流、商務流“五流合一”的行業[3]。區塊鏈技術與交通運輸執法場景融合發展，對推動交通運輸行業數據共享、增強大數據監管效力、提升安全發展水平、構建執法協同體系等具有重要意義。

1 公路動態檢測設施和系統現狀

徐州市位于蘇魯豫皖四省交界處，境內國省干線公路四通八達，是全國公路主樞紐城市。截至2022年底，全市公路通車總里程達15 859千米，養護里程15 341千米。全市有8條國道、18條省道穿境而過，其中高速公路通車總里程464千米，一級公路1 343千米，二級公路1 592千米。

1.1 公路動態檢測系統

公路貨車動態監測設施包含：動態稱重、車牌識別、車貌抓拍、車輛檢測、視頻監控、信息發布、站端管理[4]等系統，以及配套工程（供電防雷系統、網絡傳輸系統、補光照明系統、安全設施）。公路貨車動態檢測設施示意圖如圖1所示。

公路貨車動態監測系統示意圖如圖2所示，流程如下：

1）車輛進入動態檢測區域。

2）稱重傳感部件對車輛進行動態稱重；抓拍攝像機進行車頭、車尾、車側面照片的抓拍并提取該車輛的前車牌信息；視頻片段攝像機截取車輛進入及駛出檢測區的片段視頻。

3）形成運輸車輛相關信息。后臺處理軟件對提取的車輛信息（包括重量、車牌、車貌、車速、動態視頻等）進行系統匹配，將一輛車的所有檢測信息打包上傳，該信息作為原始證據鏈進行保存。

4）對超限超載車輛和執法人員發布信息。當系統判斷出車輛超限時，系統會將車輛信息進行實時發布。通過戶外可變情報板進行提示，對超限車輛進行告知。將相關超限超載信息發送到值班室監控終端或執法人員移動終端上，進行告知和報警。

5）數據上傳管理平臺。系統將通過車輛相關數據上傳至管理平臺。

1.2 公路動態檢測設施分布情況

截至2023年底，徐州市共建成公路貨車動態檢測系統33處，其中市區9處、豐縣5處、沛縣6處、睢寧縣2處、邳州市4處、新沂市1處、銅山區3處、賈汪區2處。徐州市公路貨車動態檢測系統日采集貨車過車數據約24萬條，系統通過比對公路超限管理系統、江蘇運政在線、一體化管理平臺、大件運輸許可系統、重點營運車輛聯網聯控系統等研判產生貨車超限超載線索信息800余條。

1.3 公路貨車動態檢測系統存在的問題

1）數據真實性、安全性不高。公路貨車動態檢測數據是開展貨車超限超載運輸非現場執法、源頭執法、事后信用監管的重要數據，對數據的真實性、安全性和可信性要求很高。目前，全市已建成的33套公路貨車動態監測設施，大部分建設時間較早，設施設備老化、數據存儲能力落后；全市公路貨車動態檢測設施較為分布，參建單位多，標準不盡統一，數據采集種類多；受制于資金等因素，全市公路貨車動態檢測系統網絡安全設備配備缺失，數據安全性不高；全市公路貨車動態檢測點大多在野外，機箱物理安全不夠，存在網絡被非法接入，篡改數據的風險。

2）數據傳輸網絡安全風險較高。全市公路貨車動態檢測設施數據傳輸主要通過運營商線路先匯聚到就近治超點，然后匯聚到縣區治超站，再逐級上傳至市級治超平臺和省級平臺，線路傳輸節點多、網絡跳轉復雜，前端網絡安全防護有限，存在線路傳輸安全隱患；治超點等基層辦公點存在業務內外網混用、室外治超可變情報板通過互聯網運行、與公安部門通過互聯網APP交換數據等問題，數據傳輸網絡防護較弱。

3）數據協同共享困難。當前公路治超工作已經進入路警聯合、區域協同、非現場執法、事后信用監管等新階段。公路動態檢測數據需要實時共享給交警等部門，預警信息推送到一線執法人員實現線上線下一體化執法，違法證據信息共享到屬地監管部門開展事后監管等。按照交通運輸部和長三角交通運輸一體化執法要求，還要實現長三角區域內的治超數據互聯互通、共享交換，聯網執法。受制于數據傳輸、共享的安全性、可信性和可追溯性等問題，當前徐州市公路動態檢測數據僅在徐州市使用，不具備跨省、跨部門數據共享使用能力。

1.4 研究內容

本研究利用區塊鏈技術的去中心化、數據存證、數據可信傳輸、加密計算等特性，為徐州市公路動態檢測數據存儲、傳輸、應用提供一種新的技術路徑，解決傳統公路動態檢測系統中存在的安全性、可信性、可追溯性等問題，實現公路動態數據的真實可信采集、安全加密傳輸和可追溯性管理。

2 區塊鏈技術應用研究

2.1 主要技術特點

2.1.1 數據可信存證

區塊鏈采用共識機制來決定哪些數據可以被添加到區塊鏈中，主要使用工作量證明（PoW）、權益證明（PoS）、權威證明（PoA）等算法：

1）工作量證明機制。主要是通過節點大量的計算能力驅動，參與節點需要通過不斷嘗試不同的隨機數，使區塊頭部的哈希值小于某個難度值，一旦找到某個符合的隨機數就會在全網進行廣播，其他節點在驗證通過之后，會承認該節點對區塊的所有權，以及區塊創建時對該節點的獎勵。

2）權益證明機制。主要是根據節點持有數字貨幣的時間、具體數量為節點進行發放獎勵。

3）權威證明機制。該機制的區塊由可信節點依次產生，而節點之間無須在計算能力和幣齡上進行競爭。

2.1.2 數據可信傳輸

P2P是區塊鏈技術的網絡通信架構，具備以下特點：

1）去中心化。網絡中的資源和服務分布在所有的節點上，每一個節點保存著所有數據，信息的傳輸可以直接在節點之間進行，不需要中間環節[5]。

2）可擴展性。其他用戶可以隨時加入網絡，系統的資源和服務能力也可以同步擴充。

3）健壯性。系統資源和服務是分散在各個節點之間的，部分節點或網絡遭到破壞對其他節點貨網絡的影響較小[6]。

4）高性價比。可以利用互聯網中散布的大量普通節點，將計算任務或存儲數據分布到所有節點上。

5）隱私保護。信息的傳輸分散在各節點之間進行無須經過某個集中環節，隱私信息被竊聽和泄漏的可能性大大減小。

6）負載均衡。每個節點既是服務器又是客戶端，減少了傳統C/S模型中對服務器計算能力、存儲的要求，同時資源分布在多個節點，實現了整個網絡的負載均衡[7]。

2.1.3 數據加密技術

主要利用密碼學算法來解決數據的安全問題，包括哈希算法、數字簽名和加解密算法[8]。介紹如下：

1）哈希算法。哈希（Hash）算法是將任意長度的二進制明文串映射為較短且固定長度的二進制串，并且不同的明文很難映射成相同的Hash值[9]。

2）數字簽名。數字簽名技術是對數字消息的摘要進行加密從而獲得簽名，用于證實該數字內容的完整性和來源。

3）加解密算法。加解密算法分為對稱加密算法和非對稱加密算法，兩種模式適用于不同的需求，形成互補。

2.1.4 權限控制與管理

主要利用公鑰密碼學完成對身份權限的管理，每個參與者都擁有一對公鑰和私鑰。公鑰可以公開分享，用于驗證身份和進行加密操作；私鑰則只有擁有者知道，并用于解密操作和數字簽名。

2.2 搭建系統區塊鏈聯盟鏈

搭建徐州市交通執法支隊公路貨車動態數據區塊鏈聯盟鏈，在7個縣區大隊建設節點，形成1+7聯盟鏈，覆蓋全市33個公路貨車動態檢測系統。1為徐州市市級管理節點，對全市進行認證、管理等。7為各縣區大隊的分節點，負責本地的公路動態檢測數據的管理、服務等。聯盟鏈初始節點部署完成后，主干網絡運行。市級保留1個初始節點私鑰權限，將其他7個節點授權給7個縣區大隊進行管理，從而掌握節點的實際控制權，使業務相關的各方共同參與到聯盟鏈網絡的維護與治理中，確保聯盟鏈有效可信。同時，基于業務需求，可以通過開放映射端口的形式完成與其他節點互聯互通，實現聯盟鏈的擴充。市級節點負責與上級部門、公安交警、市場監管、應急管理等跨部門、跨區域、跨層級的數據共享交換。

2.3 系統架構

基于區塊鏈技術的徐州市公路貨車動態檢測系統總體架構由資源層、區塊鏈層、數據層、適配層、服務層、應用層等功能層組成，示意圖如圖3所示。

具體介紹如下：

1）資源層。主要包括公有云、政務云、私有（自建）云等存儲資源，計算中心、物理機等計算資源，區塊鏈一體機等鏈資源，網絡傳輸資源等。

2）區塊鏈層。由圖鏈區塊結構、P2P網絡結構、智能合約、共識機制、密碼服務等組成。

3）數據層。提供區塊鏈、分布式、業務、中間件等數據庫。

4）適配層。提供核心層數據、應用等接口適配。訪問接口通過調用核心層功能組件，提供可靠接入服務支撐。

5）服務層。主要包括鏈管理、鏈治理、鏈運維等。提供豐富的聯盟鏈管理功能，滿足不同業務和架構，實現業務與區塊鏈網絡的無縫對接。

6）應用層。根據公路動態檢測業務的特點特性，在數據可信采集、數據安全傳輸、處罰信息流轉、數據溯源、跨區域信息共享等業務場景中打造應用場景。

2.4 系統數據應用流程

徐州市公路貨車動態檢測系統采集貨車過車數據（稱重、圖片、視頻等）后上鏈存儲、傳輸至市支隊政務云存儲平臺，經系統自動比對判定是否超載，然后根據不同場景開展現場執法、非現場執法、源頭監管、區域協同等執法監管業務，生成執法（監管）信息后上鏈存儲共享。應用業務流程如圖4所示。

3 創新點分析

基于區塊鏈技術的公路貨車動態檢測數據傳輸可以實現數據的去中心化管理和安全加密傳輸、使用，防止數據篡改和泄露，提高數據的可信度和安全性。系統模塊界面如圖5所示。

系統主要有以下創新點：

1）保證過車數據的原始性、真實性。利用軟件集成方式，在數據采集設備內集成與區塊鏈平臺相兼容軟件開發工具包（SDK），使設備具有與區塊鏈交互能力。在采集數據之后對數據（包括傳感器編號、采集時間、具體采集數據、相關照片視頻、文件等）進行加密處理并傳輸至徐州交通執法支隊政務云存儲平臺，僅允許擁有查看權限的核查方，可解密并查看原始數據；同時，通過部署相應的智能合約實現數據指紋（哈希值）自動上鏈存證，避免數據篡改，保證數據的原始性、真實性。

2）安全、可信的數據傳輸。通過區塊鏈的密碼學數據加密技術，保障了全市公路貨車動態檢測數據在鏈上共享傳輸過程中不會發生數據被竊取或者被篡改等數據安全問題。上鏈前通過相應工具（如以太坊的Web3）處理數據，并且進行簽名[10]。采用簽名將發送者身份和發送信息綁定，進行身份認證，處理好的認證信息發送到不同節點。上鏈將動態數據寫入區塊的過程是去中心化的，由各分布式節點處理，上鏈后的數據無法篡改。上鏈后的動態數據需要進行智能合約處理和修改狀態默克爾樹。保證數據的安全、可信傳輸。

3）靈活、可擴容的節點管理。通過建立徐州市公路貨車動態檢測系統聯盟鏈，可實現全市33個點位采集數據的存儲、交換、共享和溯源等功能。通過便捷部署、靈活接入節點以及節點擴增等方式，快速搭建起4省13市、長三角貨車動態數據聯盟鏈主干網絡，豐富鏈上執法數據。

4）高可用的數據。通過將全市33個點位采集的數據、當事人違法數據、電子證據上鏈，為開展區域協作、聯合執法、非現場執法等工作提供數據支撐，完成跨區域違法車輛采集數據信息的“去中心化”“可追溯”的數據共享，實現執法業務協同；區塊鏈賦能提升各類數據的證據屬性，增強執法行為的公信力。稱重超限超載報警詳圖如圖6所示。

5）區域協同、跨鏈共享。各參與方共同維護區塊鏈分布式賬本，改變了傳統的執法數據共享平臺中數據中心對數據的主導地位，促進不同部門、不同區域、不同層級之間的合作，解決交通運輸執法數據共享與開放中的互信、隱私數據保護、數據安全訪問、數據交換的時效性、可追溯性可審計、身份認證、訪問權限控制等問題，推動治超執法數據共享方式不斷完善。

6）事后信用監管。可以實現對公路貨車非法超限超載行為的源頭執法和事后信用監管等。

4 結 論

本研究針對徐州市傳統公路貨車動態檢測系統中存在的安全性、可信性、可追溯性等問題，將區塊鏈技術中的數據可信存證、可信傳輸、加密技術、權限控制與管理等技術應用到公路貨車動態檢測系統數據傳輸中，完善了業務系統與區塊鏈技術融合，研究成果對提高公路動態檢測系統的數據真實可信、強化數據安全傳輸、高效應用方面具有一定意義。

參考文獻：

[1] 張樂平.區塊鏈時代的城市運營管理 [J].智能城市，2020，6（12）：22-23.

[2] 譚春橋，劉瑞環，趙程偉.基于區塊鏈技術的疫苗供應鏈定價策略研究 [J].管理工程學報，2022，36（6）：205-220.

[3] 王琰，張永軍，常征.交通運輸的網絡安全狀況與技術措施分析 [J].電子技術，2021，50（12）：31-35.

[4] 潘彪，薛英龍，劉星.動態稱重系統在城市道路運營管理中的應用 [J].市政技術，2021，39（4）：45-48.

[5] 楊帆，李爭峰，梁利剛.關于P2P網絡搜索算法介紹及應用 [J].價值工程，2011，30（28）：137.

[6] 李紅雨，華宇，于靜.多信道環境下的P2P通信系統設計 [J].無線電通信技術，2011，37（2）：1-3.

[7] 劉悅，李強，李舟軍.P2P網絡安全及防御技術研究綜述 [J].計算機科學，2013，40（4）：9-13.

[8] 周桐.基于區塊鏈技術的可信數據通證化方法的研究與應用 [D].合肥：中國科學技術大學，2019.

[9] 王甜宇，張柯欣，孫艷秋，等.基于區塊鏈的中醫藥大數據云存儲共享方案研究 [J].中華中醫藥學刊，2022，40（2）：132-135.

[10] 王雋.區塊鏈技術在長三角區域交通運輸從業人員信息共享中的應用 [J].中國產經，2023（13）：167-169.

作者簡介：張允林（1986.03—），男，漢族，江蘇沛縣人，網絡大隊黨支部書記、副大隊長，高級工程師，碩士，研究方向：交通執法、科技信息化、智慧執法、黨建。