一、背景介绍
区块链技术是继互联网、云计算、大数据和人工智能等之后，计算和网络技术的又一次重大创新，作为支撑人类社会转型的基础设施，受到各国政府和社会各界的高度关注。2016年12月，由国务院印发的《“十三五”国家信息化规划》中，将区块链作为战略性前沿技术纳入了国家超前布局行动计划，区块联技术已上升至国家战略层面。
区块链基于其去中心化、合约自动生成并执行、稳定可靠性、可追溯性、不可篡改性等特点，在解决交通问题方面发挥着巨大作用，符合以下发展需求：（1）数据汇聚与开放共享的需求。应用区块链技术，可以从底层建设去中心化的网络平台，汇聚交通管理各部门之间的交通信息数据，同时为交通部门之间的资源联通与共享提供支撑。（2）交通数据增值服务与产业发展的需求。区块链在解决网络资源的权属确认、唯一性和溯源等方面有很大优势。通过将交通算法资源上链，能够实现交通数据价值的流动，推动交通产业发展。（3）社会征信体系建设的需求。以区块链为底层技术支撑的信用系统为交通支付征信提供技术支撑，能够符合经济发展对社会信用体系建设的需求。
因此，将区块链技术引入交通领域，系统性开展交通联盟链底层平台构建、区块链核心关键技术和示范应用等方面的研究，更好更科学地指导城市交通决策管理和服务，显得尤为迫切和必要。
二、研究内容
基于交通联盟链的停车收费应用示范在FISCO BCOS 交通联盟链底层平台与BaaS平台架构、交通联盟链新型共识算法与智能合约、交通类收费数据上链及业务数据存证功能等技术基础上，构建基于交通联盟链的停车收费管理核心技术系统和能力，选取上海市道路停车收费场景开展示范应用，通过联盟链完成交易确认与过程监管，并纳入出行信用体系，实现区块链技术在智慧城市交通管理业务场景的应用，为推动交通数据全息采集、开放共享和增值服务，加强交通精细化管理、促进交通类收费和支付诚信体系的建立提供技术基础。
（一）应用示范总体方案
基于联盟链的城市停车收费应用示范系统主要实现停车收费数据采集和上链、区块链处理、数据存储、分发与共享和停车收费管理应用五大功能，包含数据上链子系统、区块链子系统、数据存储子系统、数据分发共享组件和停车收费管理应用五个子系统。如图1所示：
图 1 交通联盟链总体架构
1.数据上链⼦系统
主要实现POS机设备端数据上链服务和服务器端交易数据上链服务，以及交通停车收费数据存证功能。
1）POS机设备端数据上链
POS机设备端数据包括pos机人工录入的停车进出场数据、车辆信息数据和停车交易数据，通过开发的Jar钱包并内置于POS机内，当Pos机完成业务数据上报后，将原始数据中的车辆信息、交易信息等部分关键内容，实现提供终端设备的交易数据的打包、签名和上链服务。加载钱包后数据以链上智能合约内的数据记录形式存在，用于作为之后原始数据查询比对的依据。
2）服务器端数据上链
实现近60个路边停车道路或车位的停车交易数据上链服务。通过对公共停车平台的停车交易数据直接打包、签名和上链服务，实现服务器端交易数据的上链。上链数据与前述POS机端上链的数据可形成相互校核与查询，实现多源数据比对与分析。
3）交通停车收费数据存证DApp
DApp是部署于区块链子系统上的智能合约，记录接收终端设备和平台收费交易哈希上链数据，并对外提供查询接口。
2.区块链子系统
区块链子系统是本示范系统的核心组成部分，具备高性能、安全可控、功能丰富等优势，为开展区块链应用提供可靠的基础设施。区块链子系统的基础层用于提供基础工具和算法库，核心层用于实现区块链内核逻辑以及网络共识算法等关键模块，管理层实现区块链的管理功能，包括参数配置、账本管理等。接口层提供面向区块链开发者用户的多种协议PRC接口、SDK和交互控制台。
3.数据存储子系统
实现链上链下数据存储功能。支持多种以上接口化数据库和1种去中心化数据库，支持数据接口及处理系统读写接口。数据安全共享组件的存储适配中间件读数据接口。
4.数据分发共享组件
主要实现交通数据开发共享过程中的数据加密、链上存证和监管。
用于数据分发共享的DApp，是数据使用方和提供方的桥梁。DApp接收数据使用方DApp的使用请求，返回数据提供方生成的数据分发Url，当使用方访问Url时将其访问日志上链。用于数据分发共享的DApp Client（SDK）为数据使用方的DApp和数据提供方的DApp提供SDK，实现与数据分发共享DApp的数据交互。代理Proxy是根据请求生成数据分发URL和随机对称加密密钥，并针对访问请求进程数据访问控制和权限验证，通过返回随机对称加密密钥加密的数据存储适配中间件。适配于中心化数据库和去中心化数据库，根据请求从数据存储子系统中读取返回相关数据。数据与业务端应用程序之间的接口，主要提供原始数据和交易数据的请求与查询需求。交通稽查管理端Web应用接口用于接收管理用户停车交易哈希对应的原始数据查询请求。交通稽查用户端小程序接口用于接收应用端停车交易哈希对应的原始数据查询请求。业务存证数据存储子系统接口主要对接存储适配中间件，根据请求返回相关数据。区块链子系统API接口将数据分发共享过程中的请求和查询信息上链。
5.交通稽查与信用管理子系统
主要包含后台管理用户端Web应用和用户端应用小程序。后台管理用户端Web应用主要实现交通停车收费交易的管理，提供任意用户上链交易可信数据安全查询服务。实现交通停车信用报表查询下载，定期生成停车用户的交通信用评分报表并提供前端查询下载。并提供数据安全共享组建和存证数据DApp接口。
用户端小程序主要实现用户的注册、身份证认证和车牌绑定管理，实现交通停车收费交易和停车信用管理功能，提供用户个人的上链交易提供可信数据安全查询服务。并提供数据安全共享组建和存证数据DApp接口。
（二）应用示范业务流程
停车收费业务包含车辆驶入停车位、车辆驶离停车位和后台数据管理三大部分。如图2所示。
车辆驶入业务涉及的数据流转环节包含车辆进场，停车位空满确认，车辆历史交费情况请求查询反馈等。收费员将车牌信息、车辆图片信息、车位信息通过pos机采集确认，并向后台申请历史欠费信息查询，确认无欠费信息后允许车辆停入车位，以上流程产生的信息通过pos机内置的Jar钱包直接上链。
车辆驶离业务涉及的数据流转环节略有不同，分为付费驶离和未付费驶离两种。付费驶离的车辆出场，收费员通过pos机完成和采集停车完成时间和车辆离场信息，并向后台发送车辆缴费金额确认信息，自动更新欠费和累计欠费数据，经确认后完成的停车费交易支付数据保存在公共停车平台数据库中，并通过数据库服务器接口上传到交通联盟链上。
图 2 基于交通联盟链的道路停车收费数据业务流程
未付费驶离的车辆出场纪录人工写入pos机，并向后台发送车辆待缴费金额信息，自动更新欠费和累计欠费数据，经确认后完成的停车费交易支付数据保存在公共停车平台数据库中。此时未缴费车辆的未完成交易订单记录为欠费数据。欠费数据按照时长、频率、累计金额等进行大数据分析挖掘，与欠费规则比对后形成逃缴费黑名单，并进入停车信用管理数据库，支撑停车管理部门欠费通知和催缴费的依据。
（三）数据采集通信接口
道路停车收费需要通过外场收费POS机，采集停车进场与支付数据并送入钱包方式上链，因此数据上链过程中包含POS机数据采集接口和Jar钱包数据接口两个环节的技术。
1. POS机端数据采集接口
POS机通过移动网络直连转发，向交通联盟链进行数据上传。数据通过实时上传和数据补传后的数据，完整性不低于99.99%；实时数据时延不超过1min。心跳信息传输周期为5min，数据完整性要求为每日正常心跳数据288条，心跳数误差<8条；数据补传通信要求为每日凌晨1点之前需保证前一日数据的完整，即前一日的进/出场数据上传失败记录通过补传接口上传。
2.Jar钱包数据接口
（1）Jar钱包数据接口功能与内容
POS机采集到的数据包括车辆入库数据、车辆出库数据、交易记录三类信息，具体含有入库时间、车牌、支付方式、车辆类型、车辆原始照片等数据。
这些数据在完成业务数据上报后结束上传原始记录的动作，对原始数据中的部分关键内容，如车辆原始照片信息，加载hash算法sha256，然后将产生的数据打包上链，在智能合约内记录该信息，用于作为之后原始数据查询比对的依据。
POS机上进入Jar钱包的数据，还有用户向停车记录智能合约发起查询的功能需求。支持按时间，车牌，停车记录ID查询，返回停车记录的信息包括详细记录的URI信息，根据URI，从去中心化存储(IPFS)获得停车记录的详细信息，如原始入库照片数据，通过对原始信息做HASH计算sha256，与智能合约返回的记录做对比，可以确保原始记录的信息没有被篡改。
（2）智能合约及接口技术
根据实际的业务场景，设计3个合约用于处理停车业务的三个关键环节，分别是车辆入库智能合约、车辆出库智能合约、交易记录存储查询智能合约, 分别用来处理数据的记录和查询处理。智能合约主要职责是核实上报数据的身份、授信pos机可上传记录，记录数据记录和查询数据记录三个作用。为了实现智能合约的主要作用，首先需要建立Solidity 通用状态记录Library，形成智能合约的通用库，用于存储通用的状态定义。其次建立并开发三项合约的接口程序以及基于Java API-v0.3的链操作模块。
（四）逃缴费研判与识别
为保证公共资源的合理利用，需要设计停车逃缴费研判与识别系统，以便对恶意欠费用户采取进一步处置工作。具体模型设计如图3所示：
图 3 停车逃缴费研判与识别模型
用户欠费的风险值W由两个一级指标决定，一个指标是用户欠费的恶意程度P，用于度量用户欠费的严重性；另一指标是用户欠费造成的损失S。恶意程度P由4个二级指标决定，分别是用户欠费次数（T）、用户欠费密度（DE）、用户欠费时长总和（ST）、距离用户最近欠费时长（SC）；经济损失S由2个二级指标决定，分别是用户欠费总额（D）、应收违约金总额（L）。风险值的计算公式如下：
1.计算欠费造成的经济损失（S）
2.计算用户恶意欠费的严重性（P）
3.计算欠费用户危害性（W）
最后根据事先设定的W的阈值判断用户是否为恶意逃缴费用户。
三、现场演示
选取上海市闵行区立跃路——江月路东侧道路停车位（路段编号MHW-095）进行现场测试。测试流程如下：
（1）13:50测试车辆驶入停车位，收费员将车牌信息、车辆图片信息、车位信息通过pos机采集确认，确认无欠费信息后允许车辆停入车位，以上流程产生的信息通过pos机内置的Jar钱包直接上链。如图4所示：
图 4 记录车辆入场信息
（2）13:52测试车辆驶离，收费员通过pos机采集车辆离场信息并向车主收取本次停车费用,同时，pos机向后台发送车辆缴费金额确认信息。如图5所示：
图5 车辆驶离并收取停车费用
（3）经确认后完成的停车费交易支付数据和车辆信息数据保存在后台的公共停车平台数据库中，并通过数据库服务器接口上传到交通联盟链上。如图6所示：
图6 BaaS区块链平台后端数据记录
四、意义及展望
基于交通联盟链的停车收费应用示范探索了区块链在智能交通领域中的创新式应用理论与技术，构建了交通联盟链，用于停车收费类交通业务场景的数据存证、加密存储和智能应用。选取上海市道路路边停车示范点完成了数据上链及应用分析示范，支撑了上海市公共停车平台交通信用体系建设，为交通领域交易类场景数据安全计算、多方存证和加密共享等提供了应用案例和技术理论储备。该应用可复制和扩展应用到ETC、小区停车管理、出行分享等智慧城市典型场景中去，具有重要技术引领作用。
