摘要：近年来，不停车电子收费系统在中国迅猛发展，为司乘人员提供了高效、舒适、便利的通行方式，具有良好的经济与社会效益。但同时存在结算数据丢失、结算中心系统安全性低、区域之间兼容性差等问题。区块链技术作为一种新兴的技术手段，具有自信任、去中心化、可追溯等特征。本文提出了基于区块链技术的不停车电子收费系统框架和各个环节的流程，从而解决当前不停车电子收费系统存在的问题。
关键词：交通；区块链；ETC；信息安全
引言
近年来，随着计算机及网络技术的飞速发展，不停车电子收费系统[1]（ETC，Electronic Toll Collection）作为目前世界上主流的路桥收费方式，得到了广泛的应用。ETC降低了用户的通行成本和高速公路公司的运营成本，并且提高了车道通行效率。ETC系统基于数字通信，庞大的收费数据最终全部由后台的收费结算中心进行清分结算处理。由于该结算中心高度“中心化”，如果中心服务器被网络攻击，将会造成不可估量的后果，千亿级的交易数据将会丢失。区块链技术作为近年来兴起的一项重要技术，本身具有的去中心化、自信任、可追溯性、信息不可篡改等特征，为解决上述问题提供了新的思路和方案。下文将介绍区块链技术的关键内涵和特征，分析当前ETC系统及存在的问题，提出区块链技术在ETC系统中的应用架构和各个环节的流程，并分析其优势。
1.区块链技术的基本内涵和特征
1.1区块链基本概念
最早在中本聪关于比特币[2]的论文中，区块链作为比特币的底层技术和基础架构被提出。区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的一种链式数据结构，并以密码学方式保证的不可篡改和不可伪造的分布式账本。
区块链本质上是一个去中心化的数据库，其链接指针是采用密码学哈希算法对区块头进行处理所产生的区块头哈希值。区块链中的交易是通过时间戳标记的，并且捆绑成区块。这些区块形成了一个线性序列，其中每个区块引用前一个区块的随机散列，形成区块链[3]。区块链由网络中所有节点维护，每个节点执行并记录相同的交易信息，网络中任何节点可以读取交易。区块链结构见图1。
图1区块链结构图
1.2基于区块链技术的智能合约系统
中本聪提出的比特币的区块链架构主要应用于互联网金融领域，为了更好地将区块链技术应用在其他领域，提出了区块链2.0的概念[4]。其核心理念是把区块链作为一个可编程的分布式信用基础设施，支撑智能合约应用。通过增加链上的扩展性功能，把区块链的技术范围扩展到支撑一个去中心化的市场，交易内容可以多种多样。
区块链2.0系统包含了很多技术，其中有存储数据的数据区块及其之上的数字签名、时间戳等技术，有作为支撑的P2P网络和维护系统的共识算法，有工作量证明机制等相关技术概念。区块链2.0结构见图2。
图2 区块链2.0结构图
1.2.1智能合约
智能合约是驻留在区块链上的一段代码，由唯一地址标识。智能合约包含一组可执行的函数和状态变量。当对这些功能进行交易时，功能被执行。交易包括合约中功能所需的输入参数。执行一个函数后，合约中的状态变量会根据函数中执行的逻辑而改变[5]。合约可以用各种高级语言编写。用于智能合约的特定于语言的编译器将合约编译为字节码。编译后，合约将上传到区块链网络，该区块链向合约分配唯一的地址。区块链网络上的任何用户都可以通过向合约发送交易来触发合约中的功能。合约代码在参与网络的每个节点上执行，作为新区块验证的一部分。图3显示了智能合约的结构。
图3智能合约结构图
1.2.2加密算法
为保证存储于区块链中的信息的安全与完整，区块及区块链的定义和构造中使用了包含密码哈希函数和公钥密码技术在内的大量的现代密码学技术，同时，这些密码学技术也被用于设计基于工作量证明的共识算法并识别用户。
1.2.3共识机制
为了解决共识问题，提出了工作量证明方法。该算法主要寻找一个随机数作为输入，使得哈希运算结果符合一个特定的要求[6]。工作量证明机制的前提是，问题的求解只能用穷举法求解，但是验证得到的解是否正确很简单，例如哈希函数。工作量证明的基本概念就是工作端提交已知难于计算但易于验证的计算结果，而其他任何节点都能够通过验证这个答案就确信工作端为了求得结果已经完成了量相当大的计算工作。该工作量证明机制一般依靠的是CPU计算难度，有时还包括内存难度。
2.ETC系统现有架构及安全隐患
传统的高速公路收费方式大多为人工收费，造成了交通堵塞和拥挤问题。为了充分发挥高速公路高效、畅通、快速的特点[7]，高速公路不停车电子收费系统应运而生。下文将介绍ETC系统的系统框架和工作流程，以及现有ETC系统可能存在的问题。
2.1ETC系统的系统框架和收费流程
ETC系统的基本原理是使安装在车辆上的车载单元（OBU，On Board Unit）通过无线信号与安装在收费口上的路侧单元（RSU，Road Side Unit）进行信息交换，根据该装置中保存的与收费相关的数据，可以即时算出并征收通行费用，从而实现不停车收费[8]。故ETC技术节约了高速公路系统的人工资源，提高了公路系统的运作效率。
2.1.1 ETC系统的结构组成
ETC系统为了满足“互联互通”需求，采用“层层传输，中心处理”的方式来进行清分结算。如图4所示，收费数据通过一级级收费站、收费中心直至传输到中心的联网收费结算中心[9-]。结算中心对收费数据进行处理，计算得到清分数据，并要求发卡公司支付IC卡消费费用，通过清算银行将消费费用转账给各个高速公路运营公司。由此可见，ETC系统有一个典型的“中心化”的后台数据处理中心，每天需存储和处理大量数据。
图4 ETC系统的结构组成图
2.1.2 ETC系统的工作流程
如图5所示，ETC系统的工作流程如下：
（1）用户从发卡公司购买电子标签（OBU），并充值IC卡；
（2）用户将IC卡插入车载电子标签（OBU）中；
（3）车辆通过收费站车道时，RSU通过无线通信读取OBU的信息；
（4）收费点计算机通过获得的车辆进出口信息生成交易数据；
（5）收费点计算机上传收费数据到联网收费的结算中心和对应的运营公司；
（6）结算中心结算，要求发卡公司支付IC卡消费的费用。
图5 ETC系统的工作流程图
2.2ETC系统目前存在的潜在风险
目前ETC在推广使用中仍然存在一些潜在的风险。
第一，兼容性。虽然目前ETC系统已经实现了29个省市互联互通，但是在实际运行中，对于其他省份发行的车载单元或多或少存在兼容性问题，从而导致ETC车道的交易成功率有所下降，使得高速公路的社会效益和经济效益大打折扣。
第二，结算中心安全性。由于该结算中心高度“中心化”，如果被网络攻击，千亿级的交易数据将会丢失或者被篡改，后果将是不可估量的。
第三，结算数据完整性。车道系统有可能发生故障，导致车道交易数据没有写入流水文件造成数据丢失，将会给高速公路带来通行费的损失[10]。
3.基于区块链的ETC收费支付及结算系统
针对现有ETC系统存在的问题，提出基于区块链技术的ETC收费支付及结算系统。该系统在保留原ETC系统的所有功能和大部分框架和设备的基础上，简化了收费支付和结算流程。收费数据不再需要通过联网的收费结算中心和清算银行，可以直接将消费金额转入所对应的高速公路运营公司，且能保证数据的安全可靠。由于去掉了“中心化”的收费结算中心，区块链分布式存储数据的特点提高了ETC系统的安全性。本文将具体介绍该收费支付及结算系统的框架和流程。
3.1 基于区块链的ETC收费支付及结算系统框架
图6是基于区块链的ETC收费支付及结算系统框架。其各部分功能如下：
区块链底层平台：该平台通过智能合约记录RSU、用户、发卡公司三者积分交易信息，从而形成区块链进行保存，任何一笔积分交易请求都必须满足智能合约的要求才可以发生。
用户：包括OBU和IC卡。OBU存储车辆信息，IC卡记录积分余额，每个用户拥有自己的私钥和公钥。
RSU：分为入口处RSU和出口处RSU。入口处RSU只与用户进行信息交互，不进行积分交易；出口处RSU拥有自己的私钥和公钥，与用户、发卡公司进行积分交易。
发卡公司：发放OBU和IC的机构，同时提供IC卡充值兑换积分服务，拥有自己的私钥和公钥。
高速公路运营公司：对自家公司旗下的RSU进行管理。通过区块链底层平台获得旗下所有出口处RSU的营收积分金额，并要求发卡公司转账支付金额。
值得注意的是，运营公司并不参与整个积分交易环节，只能查询区块链上的交易信息和拥有公司旗下RSU的私钥地址。
如图6所示，RSU、用户、发卡公司三者通过区块链底层平台的智能合约进行信息交互和积分交易，三者之间的清分交易信息将被记录在区块链底层平台中，形成区块链进行保存。
图6 基于区块链的ETC系统支付系统框架图
3.2基于区块链的ETC收费支付及结算系统流程图
基于区块链的ETC系统框架，其收费支付结算流程主要由用户与发卡公司、用户与出口处RSU、发卡公司与出口处RSU三部分构成。下文将依次介绍这三部分的清分交易流程。值得注意的是，下列流程只记录了与区块链相关的交易流程，ETC系统现有的其他工作流程，例如：计算收费金额算法、公路区段划分算法等并没有改变。
3.2.1 用户与发卡公司之间积分交易流程
如图7所示为基于区块链的用户与发卡公司积分交易流程，步骤如下：
（1）用户注册区块链账户，得到自身OBU和IC卡的公钥和私钥；
（2）用户在发卡公司进行为IC进行充值，发卡公司收到充值金额；
（3）发卡公司读取该IC卡；
（4）发卡公司获得该IC卡的公钥地址；
（5）通过智能合约，发卡公司将与充值金额相对应的积分转到IC卡中；
（6）区块链记录下本次积分交易转账记录。
图7用户与发卡公司之间积分交易流程图
3.2.2用户与RSU之间积分交易流程
如图8所示为基于区块链的用户与RSU积分交易流程，步骤如下：
（1）用户与入口处RSU进行通信；
（2）用户记录入口处RSU信息；
（3）用户与出口处RSU进行通信；
（4）通过入、出口处RSU信息，计算得到应付款金额及对应的积分和该出口处RSU的私钥地址；
（5）通过智能合约，用户将相应的积分转到出口处RSU中；
（6）区块链记录下本次积分交易转账记录。
图8用户与RSU之间积分交易流程图
3.2.3发卡公司与RSU之间积分交易流程
如图9所示为基于区块链的用户与RSU积分交易流程，步骤如下：
（1）运营公司通过旗下管理的出口处RSU公、私钥信息，通过区块链查询本公司的营收积分以及对应金额；
（2）运营公司向发卡公司提出转移积分交易和收款申请；
（3）发卡公司根据该运营公司旗下管理的出口处RSU的公钥信息，通过区块链核实该公司的营收积分以及对用金额；
（4）当发卡公司核实正确后，同意该运营公司的申请；
（5）该公司旗下的所有出口处RSU得到发卡公司的公钥地址；
（6）通过智能合约，该公司旗下的所有出口处RSU将相应的积分转到发卡公司中；
（7）区块链记录下本次积分交易转账记录。
（8）发卡公司向该公司支付积分交易额对应的金额。
图9用户与RSU之间积分交易流程图
3.3区块链在ETC系统中的应用优势分析
通过区块链技术，现有ETC系统存在的问题得到了改善。首先，在ETC区块链系统中，用户（OBU和IC卡）和RSU两类节点是等价的，用户将直接向RSU付款，即用户直接向高速公路运营公司付款，即没有中心数据库或机构的存在，简化了支付流程。且由于去掉中心化的结算中心，ETC系统的安全性得到提升。其次，由于所有的积分交易信息都将记录在区块链上，基于工作量证明和哈希函数，历史数据极难篡改，同时数据也不易丢失。第三，区块链点对点的交易使得区域与区域之间的结算时间大大缩短，同时各地区ETC之间将不再存在无法兼容的问题。最后，由于交易数据透明可查，每一笔款项都可追溯到，因此方便监管部门进行审查，贪污路费的情况将无处隐藏。
4.结语
本文基于区块链的技术特征，提出了将区块链技术应用在ETC系统中的初步系统框架结构。解决了现有ETC系统中心化模式中存在的数据安全性低、数据易被篡改、信任成本高等问题，有望建立一个更加安全、便捷的ETC系统。后续研究中，我们将对本文提出的架构，通过以太坊等开发平台，编写相应智能合约代码，在开发应用平台上进行运行测试，从而真正运用到ETC系统中。
Research on theApplication of Blockchain Technology in Electronic Toll Collection
HuangShize,Yang Xiaolu,Li Xinghua,Shi Lijuan
[Key Laboratory of Road and Traffic Engineering of Ministry of Education,Shanghai201804]
Abstract:In recent years, the Electronic Toll Collection has been developing rapidly in China, providing efficient, comfortable, and convenient transportation for people, and has good economic and social benefits. However, there are some problems such as the loss of settlement data, low security of the settlement center system, and poor compatibility between regions. Blockchain technology as a new technology means, with self-trust, decentralization, traceability and other features. Based on the blockchain technology, this paper proposes a new framework of Electronic Toll Collection and the process of each link, which can solve the above problems.
key words:transportation; blockchain; Electronic Toll Collection; information security
参考文献：
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原文发表于《上海公路》2018年4月
