区块链技术在现代公路管理中的应用研究

祝忆春 徐培哲 中国联合网络通信有限公司江西省分公司 南昌市 0029

马世霞2 中国公路工程咨询集团有限公司 北京市 100000

0 引言

目前，我国交通运输基础设施建设已取得显著成效，全国公路总里程约500万公里，高速公路总里程16万公里，建成了全球最大的高速公路网络，但是依然存在数字化程度不足、综合管理手段单一、行业协同治理能力有待提升等问题［1］。为了满足人民日益增长的出行需求，尤其是对出行服务质量的高要求，使得数字化转型、智能化提升成为交通管理的重要发展方向。随着公路的新型基础设施建设进度加快，公路的服务功能不断丰富，公路的驿站、停车区、观景台等沿线设施，以及沿线的酒店、餐饮、购物、娱乐等各类商业聚集，各类运营管理数据不断被积累。数据即资源，数据的价值是有目共睹的，但因为数据的所有方不一样，数据流动成为一个难题，数据互信共享问题亟须解决。

区块链技术是一种新兴技术，是一种由多方共同维护，运用密码学来保证传输和访问过程的安全，从而实现数据一致存储、难以篡改、防止抵赖的分布式账本记账技术。常见的数据共享阻碍因素包括技术、成本、法律等方面，而区块链技术提供了一种在缺乏信任主体场景下的技术信任，为进一步解决互联网中的安全问题、信任问题和效率问题提供了新的解决方案［2］。区块链作为我国核心技术自主创新的重要突破口，各地积极推进区块链技术运用，提升区块链管理能力。例如，海南省为培育区块链产业生态，采取了加快区块链基础设施建设，推广旅游消费区块链技术，推动电子政务项目链改等一系列措施。公路运输的业务场景涉及政府部门、公路运营企业、商业企业等，建立一个高可信度的区块链平台，可以实现数据互通，支持公路的管控、服务、旅游、商业、新能源等业务需求。因此，本文在分析了区块链技术的特征和应用现状的基础上，设计了基于区块链技术的应用平台架构，探索分析了利用该平台可实现的公路管理应用场景。

1 区块链技术应用现状

1.1 区块链技术为数字经济带来新机遇

数字化时代全面到来，物联网、人工智能和区块链三项前沿技术分别降低了信息采集、信息处理、和信息信任的成本，推动了产品从实物形态向数字形态的转化。数字货币是市场需求和技术推动下的产物之一，2014年中国人民银行成立专门的技术团队研发数字人民币，目前深圳、苏州、北京等城市已相继开展了试点测试工作。数字货币不同于比特币、以太坊等虚拟货币完全基于区块链技术实现，但借鉴区块链技术分布式结构和加密等特性，能够实现点对点支付。未来数字人民币的应用场景将会更加丰富，区块链技术随之会得到更广泛的关注，其核心技术的研发创新将加速推进。2019年10月，习近平总书记提出要推动区块链底层技术与智慧城市建设的结合，探索区块链在信息基础设施、智慧交通等领域的推广应用，提升城市管理的智能化、精准化水平。2020年5月交通运输部提出要在公路工程信息管理、灾害预防、应急救援等方面推动区块链技术应用。区块链让数据成为了关键生产要素，应充分释放区块链技术的应用潜力，抢占区块链技术产业创新制高点，进行更加广泛的区块链技术实践创新，推进数字经济发展。

1.2 区块链技术优化了信息共享解决方案

区块链技术伴随着比特币出现，其具有去中心化、共识机制、可追溯性和高度信任四大特征，解决了传统互联网数据共享遇到的阻碍［3］。它的出现标志着人类开始构建真正的信任互联网，针对高成本、低效率的信息共享提供了一种可行的解决方案，因此区块链应用于信息共享的技术路径成为研究热点。基于区块链技术的ETC管理系统，能够将ETC通行交易记录的数据处理、存储、整合等过程放在区块链上进行，在解决了ETC数据存储安全问题的同时，降低了成本，提高了效率［4-5］。区块链具备点对点传输、分布式存储、安全可信、开源可变编程等技术特性，利用区块链技术的个人信用信息共享平台［6］适合解决个人征信中的信息共享问题。区块链技术在医药行业的信息共享中也具有优势，设计基于区块链的医药行业供应链架构体系、供应链信息共享机制与管理模式的区块链技术方案，为区块链在供应链信息共享中的应用提供了具体模式和方法［7］。

1.3 区块链技术被延伸应用于多个领域

一直以来，金融机构对于区块链技术的潜力和作用高度认可［8］，在区块链技术应用于虚拟货币、国际支付［9］、全球一体化清算等方面广泛关注，尤其在银行和支付系统方面，区块链技术使得传统银行变为数字银行［10］，可以为全球人类提供金融服务。除了金融行业，医疗服务、能源管理、零售业、制造业等其他行业也逐渐认识到区块链技术的应用优势。例如网络安全行业，通过区块链技术消除了传统系统和网络的中间过程，有效防止篡改和攻击。在供应链管理中，交易可以被区块链技术记录为永久的分布式数据，从而实现一种安全、透明的监管方式，特别是用于产品追踪，从源头验证产品的真实性。在保险行业，基于区块链技术形成一种全新的信用管理方式，可用于验证保险合同中的多种数据。在能源管理方面，区块链在能源系统的系统调度、网络数据安全、交易效率、需求响应等方向的应用研究也逐步展开，为能源系统协同化、低碳化、智能化和数字化提供解决方案［11］。作为传统农业大国，农业智慧化是一个重要发展方向，利用区块链技术可以实现农产品信息溯源和农产品市场信息透明化［12］。慈善领域经常会出现效率低下和腐败的问题，导致筹集的基金不能及时到达需要帮助的人手中，区块链技术的应用可以追踪筹集的物资或钱款，保证资金和物资的透明化［13］。区块链也已应用在个人出行和共享出行中，创建基于区块链的分布式的、点对点式的共享出行应用，让车主和乘客以安全的方式同第三方供应商协商各自的条款和条件。例如使用电子钱包让车主自动支付停车费［14］、高速过路费［15］、车辆充电费等。

整体而言，区块链技术优化了数据共享方案，有望解决数据孤岛问题，实现数据价值流通，能够为各个行业带来技术变革，但实际应用目前尚处于探索阶段，需要更进一步的研究和实践来验证其应用效果。

2 区块链应用平台架构

数据价值的流动是数字经济的核心动能。现在交通运输市场存在数据的违法、违规使用和交易都是因为没有一套完整且有效的数据价值体系的支撑。基于区块链打造高性能应用平台，构建围绕公路管理的分布式数据交互网络与数据共享交易体系，融合区块链、大数据、云计算、物联网和人工智能等先进技术，有助于推动公路基础设施智能化、数字化改造。本文提出适用于公路管理场景需求的区块链应用平台架构，具体架构如图1所示。

图1 区块链应用平台架构图

从数据收集到面向用户，将应用平台划分为4个层次，分别是数据层、基础层、支撑层和应用层。

（1）数据层

数据层包含与旅游公路相关的数据资源，为上层应用提供基础支撑，基于区块链打造数据价值流通网络和数据安全共享体系，平台可邀请政府部门、数据中心、互联网企业等共同参与数据共享、交易。数据安全共享，是全新的数据流通机制，原始数据存储在企业自己的数据库，通过哈希存证、数字身份、可信计算、点对点传输等技术实现数据的确权、授权与可信共享或交易过程，既保护了数据隐私，又确保数据的真实性。

（2）基础层

基础层是指区块链底层系统，主要目的是构建自主可控的、安全的、高性能的区块链底层网络，为区块链数据开放平台以及其他需要可信数据的各类外部应用提供区块链底层支持。区块链技术作为一项前沿科学技术，其架构体系一直在不断地探索改进中，但在不同的区块链项目中，数据层、网络层和共识层都是不可或缺的部分。其中，数据层主要的功能为数据存储、账户和交易的实现与安全；网络层用于实现区块链网络节点之间的信息交互；共识层的核心是通过共识算法形成共识，实现去中心化和性能的有效平衡。

（3）支撑层

支撑层是指区块链数据开放平台，主要目的是为各类应用的接入提供通用模块及便利性工具，降低开发成本。数字身份是通过在数字世界建立基于区块链的数字身份体系，实现个人或企业等实体的行为在数字世界的映射，并通过密码学技术保证了用户对身份的控制权、数据的所有权。可信交换模块提供数据目录上链、链上数据目录变更、数据目录下链、存证等服务。可信计算是在可信硬件执行环境中，实现基于多方数据的协同计算。智能合约仓库可内置常用的智能合约模板，支持合约模板浏览、模板管理、合约导出等功能，以便于上层区块链应用进行快速集成使用。数据网关服务是应用软件和区块链底层系统的连接工具，提供满足规范的通用API接口，降低应用软件接入区块链的成本。

图2 区块链数据开放平台智能合约

（4）应用层

应用层是指接入区块链平台的各类创新应用，这些应用将以APP、电脑端等形式最终呈现给用户，基于大量、多维度的可信数据资源，无论是对政府、企业还是个人，都将获得更加丰富、高效、便捷的服务。

3 公路管理中的应用场景

目前，区块链技术的应用场景处于不断探索与改进的过程中，对于公路管理而言，基于区块链应用平台架构，可以从以下几个方面探索其实践应用。

（1）规范数据交易行为

数据交易是区块链技术的核心应用之一。公路服务贯穿于交通、景区、住宿、餐饮、消费等各个场景，所有与公路相关的经营企业若是可以及时共享可信数据，对于各个企业的经营管理、服务整合具有重要作用。事实上，企业已逐渐具有数据意识，但目前的数据交易中存在数据造假、数据泄露、交易成本高等问题，导致数据从源头到应用的流通动能不足。区块链技术可以实现不依赖于数据中介的可信数据交易，如图3所示，利用区块链应用平台，数据提供方仅上传存证数据的索引，原始数据仍存储在企业自己的数据库中，数据的安全性和隐私性得到了保障。其他企业根据自身业务需要，在平台上检索对应数据的索引信息，如果检索到需要的索引信息，可以进行数据购买交易。数据提供方收到其他企业的数据获取请求后，在平台上确认请求数据的企业是否已经购买了数据，如果已经购买则需要在企业内部从原始数据中提取数据打包后发送给请求方，购买企业收到数据后可以根据索引信息对原始数据再次验证，确保获取的数据是真实可靠数据。数据交易过程也会被存证在区块链上。因此通过区块链技术实现的数据交易，能够保证数据不被篡改、真实可靠，实现各企业对数据交易过程的信任。

图3 数据共享与交易示意图

（2）优化资产监管方式

公路基础设施投资多元化，所有权与经营权分离现象增多，透明化的资产监管有利于企业互信，降低管理成本，提高管理效率。以公共充电桩为例，充电桩的建设运营过程中，往往涉及多方参与，在充电桩托管业务中，场地提供方、电站运营方、投资机构等多方互信困难，存在对账成本高，企业融资难等问题，利用区块链的数据存证、可溯源特性，同时结合链上审计与分账合约，可以实现托管业务的可靠监控和可信分账，基本可以打消托管企业顾虑，减轻对账工作量，提升分账效率。

（3）提升政务协同能力

随着我国公路基础设施建设水平不断提升，出行需求不断丰富，在公路上布设了大量交通管控、运营监测、出行服务等相关设备，在公路的驿站、停车区、房车营地等沿线设施中有各种各样的商业设施。这些基础设施的建设、运营、养护、监管过程中往往涉及到多个部门或多家单位参与，业务环节繁多，因为数据不一致、信息不互通、共享不及时等问题，导致政务部门在政务管理中办事流程繁杂，办事效率低。因此，基于区块链的分布式技术，可以将相关管理部门集中到一条链上，实现信息共享，通过智能合约实现政务管理一网通办，提升工作流程智能化，降低过程成本，改善政府部门审核效率，提高政务办公的公信力和透明度。对于需要监管的设施设备，资产所有方或运营方将资产信息进行链上存证，并共享给相关监管部门。政府监管机构作为一种特殊的企业，作为联盟节点加入，在交易索引信息时可以不需要支付任何积分，直接从企业端获取到所需的原始数据，获得穿透式的资产监管能力。政府访问数据的相关行为，在区块链上都会留下记录，公开透明，有效降低信息获取和持续披露的成本。

（4）降低融资管理成本

公路主体、配套设施及沿线设施建设需要投入大量的资金，通常除了财政投入外，需要引入大量的社会资本共同参与建设。传统的投融资过程需要大量的人力进行前期尽职调查和投后管理，且公路资产往往量大且分散，使得投前尽调和投后管理成本增加，不利于投融资的达成。区块链应用平台为企业和金融机构搭建信息“桥梁”，经过区块链存证的可信数据根据授权，直接提供给金融机构，大大提升融资效率，降低融资成本。以充电桩运营企业融资为例，区块链平台可以为以融资租赁公司为代表的金融机构提供穿透资产的可信数据，帮助融资租赁公司判断资产质量，高效做出投资决策。区块链平台除了解决的是设备运营企业的融资问题，对于以融资租赁公司为代表的金融机构，同样可以通过区块链应用平台获得底层资产可信数据，大大降低投前尽调、投后管理成本。

（5）助力消费生态圈构建

为了培养忠实的顾客群体，建立长期稳定的市场，获得经营盈利，众多企业采取会员制的营销方式，建立会员积分奖励规则，但目前多数商家发行的积分价值低、使用限制多、兑换环节复杂，而且不可转让、流通性差，导致用户不关注也不愿意兑换，难以达到增加用户黏性的作用。因此，以公路为纽带，特别是针对具有旅游功能的公路，建立区块链开放平台，将交通、酒店、餐饮、购物、娱乐等众多商家形成统一的账户体系、积分体系以及支付体系等，通过已经完成的交易行为形成积分，将其作为消费者的数字资产，再经区块链的信息传播，便可形成自由流通。不同商家消费积分的互通互兑，一方面提升了用户体验，另一方面推动了商家之间的用户共享、营销共推、服务互动。商家通过可信、高效协同的区块链平台，为用户提供合适的服务，并开展宣传、销售等一系列活动，打造围绕公路运输的商业生态圈，有助于盘活公路存量，提升公路建设的经济效益和社会效益。

4 结束语

为适应数字经济发展，满足公众多层次出行需求，深化公路管理的数字化转型，各地积极推进新技术、新产品的示范应用，有序打通科技与社会融合发展的通道。区块链是在缺乏信任主体的场景下提供技术信任，因此区块链的应用极度依赖业务场景驱动。对于公路管理中涉及到的多层级、多部门、跨区域、跨专业的业务场景，区块链技术能够提供开放、可信、公正、高效协同环境，有助于建立信息共享机制，实现协同管理、统一指挥。打造区块链应用平台，开展数据交易、资产监管、政务协同、数字金融和公路积分等业务，对于打破公路管理中的数据孤岛，促进数据规模化，促进多元数据融合，以更低的成本实现数据共享，提升数据综合应用能力具有重要意义，同时能切实推动治理转型升级，提升公路运输数字化运营能力，降低监管成本，高效转化数据价值，促进公路融合应用与服务体系建设。

区块链技术在现代公路管理中具有较为良好的应用前景，但在落地过程中仍面临诸多挑战，将长期维持在探索与改进的状态。未来应进一步提升区块链技术应用的行业共识，增加相关人才储备，有效集中研发力量，让区块链技术满足现代公路管理的应用需求，制定统一完善的标准体系，规范行业秩序，提升法律和监管政策，加强协作，建立行业内持续、深入的合作机制。