智能公交区块链系统研究与应用

朱世龙 陆治国 汤澳 赵学龙

摘要：随着城市公交的快速发展，城市公交系统数据量日益增大，公交系统暴露出数据安全、数据孤岛和相关信息记录不完备等问题。为解决传统城市公交系统目前存在的问题，文中对城市公交系统现状以及区块链技术特点进行分析探讨，展开基于区块链技术完善公交系统的相关研究，聚焦于国内外针对区块链技术在城市公交系统的研究与应用，提出了利用区块链技术优势完善公交系统的方法，并基于区块链技术层次化体系结构，提出了基于区块链技术的智能公交区块链系统技术架构，有效解决传统公交系统存在的数据安全、数据孤岛等问题。设计了智能公交区块链系统应用的整体流程，为未来推动公交系统数据资源共享以及区块链技术应用在城市公交系统的设计及应用提供一定的思路及启示。

关键词：区块链技术；城市公交；数据安全；数据孤岛；数据共享

中图分类号：U121 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2024）11-0094-04

0 引言

城市公交在城市交通网络中扮演着关键的角色。城市公交在快速发展的过程中，也存在一部分问题需要进行改善。数据安全是公交系统中的关键要素之一，在公交系统中，存在数据安全问题，如公交司机篡改里程数骗取国家补助、乘客篡改公交卡金额等。另一方面，城市公交系统中包含了乘客行程信息等相关信息，当数据库遭受非法攻击时，存在数据泄露的风险[1]。同时，城市公交存在着数据孤岛的问题，部分城市存在多个公交公司参与运营，不同部门、区域间数据协同共享流程复杂，各部分信息共享较为困难，导致全国公交一体化建设因衔接和配合问题受阻，跨区域管制困难[2-4]。另外，传统公交系统对于投币、他人代替支付的乘客，无法准确记录乘客的相关信息，并且目前城市公交普遍一票制造成乘客下车信息不记录，导致乘客身份信息和乘车信息存在不完备、不准确的问题，从而导致面对突发事件时，无法及时确定车上相关信息[5]。

区块链技术是指运用块链式数据结构来存储数据、利用共识机制更新数据、运用智能合约操作数据的一种分布式系统架构[6]。区块链技术以其去中心化、共识机制以及信息难以篡改等技术特点，已经应用到了生活中的很多领域，如金融领域、物流领域等。在交通领域也有了一定的研究与应用，刘民[7]、薄钧戈[8]、王浩远[9]等研究了面向智能交通领域的区块链技术方案和网络架构系统搭建方法，为实现信息不可篡改，提升智能公交系统的数据安全性提供了决策依据。国外学者Vittorio Astarit， Branka Mikavica 等人[10-11]提出利用区块链技术可以让信息在分享时更加安全可靠，并且利用区块链的去中心化和共识机制，可以解决智能交通网络中的信任管理问题。根据以上学者的研究，本文进一步依据区块链的技术优势，研究区块链技术在智能公交系统上的相关应用，对智能公交领域现今存在的痛点问题进行针对性研究解决。

1 区块链技术

区块链技术是运用加密链块结构来验证和存储数据，运用共识机制生成和更新数据，运用智能合约操作数据的分布式系统架构[12]。实质上，它是一个不依托中心化管理的分散式数据库，是一串使用密码学方法相关联产生的数据块，每一个数据块中包含了一次网络交易的信息，用于验证其信息的有效性和生成下一个区块[13]。区块链区块的具体格式如图1所示。

2 系统应用技术分析

2.1 分布式账本

分布式账本本质上是一个允许数据在多个站点、不同地理位置或多个机构之間进行共享的数据库系统。基于区块链技术的分布账本技术特点，不同公交公司的节点可以直接共享彼此的数据，同时，去中心化的特性，杜绝了网络中传输、存储的信息因服务器故障或者恶意篡改导致的数据丢失问题，并且难以定位到广播的初始节点，因此也能够对节点的隐私信息进行保护。从而解决当前城市公交存在的数据孤岛以及数据安全性问题。

2.2 智能合约

智能合约本质上是存储在区块链上的一个程序，该程序会在运行时自动调用，智能合约在满足预置条件下自动执行的特性，使得相关操作在不需要第三方监督者的情况下，完成相关操作，确保了操作的准确性[14]。利用智能合约，可以实现如检测到车辆出现故障时，自动发送车辆信息至相关部门等操作。因此，智能合约可以保证智能公交区块链系统摆脱第三方人工管理的情况下准确执行。

2.3 共识机制

区块链中的共识机制是指在没有中央权威的情况下，通过一组参与者达成关于交易有效性和区块添加顺序的一致意见的规则或算法。共识机制的技术特点可以使得智能公交区块链系统在不需要中心节点进行监管，通过各节点达成共识共同对网络进行维护。且只有共识达成，区块数据的才能上链生效，因此可以防止恶意行为者篡改区块信息或创建虚假区块。

2.4 加密技术

为了防止公交系统中数据记录被篡改和抵赖，并保护节点隐私不被泄露可以通过区块链加密技术来实现。区块链中涉及的加密技术主要包括非对称加密技术和哈希函数。非对称加密可以保证公交相关数据在传输过程中，不被泄露并实现防伪。并采用数字签名为公布的文书背书、从而防止抵赖，实现脱离第三方监督的特性[15]。并通过哈希函数可以实现对文件信息的检错、比对、验证等功能。从而保证系统区块数据难以被篡改[15]。

3 系统研究与应用

3.1 智能公交区块链系统技术架构

基于区块链技术的特点，本文设计了智能公交系统的技术应用框架，该框架旨在提高数据的安全性、透明性和可用性。本文将从四个维度来解析基于区块链技术的智能公交系统的架构：应用层、网络层、核心层和数据层。系统框架图如图2所示。

3.1.1 应用层

应用层包括了具体应用场景和用例，在车端负责相关信息的识别并记录，如公交车车辆位置、状态等信息的记录，乘客上下车人员的信息记录等。车端系统将相关信息记录传递给核心层进行相应处理。另外，应用层还包括用户终端，主要面向管理员、乘客和公交服务提供商，为其提供多种功能服务界面，包括车辆追踪与监控、乘车记录查询、公交车信息查询和公交路线查询等。系统面向的用户包括管理员、乘客和公交服务提供商，不同用户的权限有所区别，因此，采用多链结合的形式，赋予不同用户不同权限。

同时区块链还可以连接不同地区的公交系统，实现跨区域数据共享，可以与国家级平台相互联通。这为政府部门提供了深度参与管理的权限，以及双向追溯和精准定位公交车的能力，从而实现更高效的公交车管理服务。对于乘客而言，区块链技术通过公交车信息追溯，实时提供关键信息，帮助其更好地了解公交车的相关情况，便利日常出行。

3.1.2 核心层

将区块链应用于公交车管理系统中，可以实现智能合约机制。通过智能合约，将公交车的运营信息以及乘客上车信息的管理规则部署在区块链中。这有助于在信息上链的过程中自动执行预先设定的相关规则，从源头上提高管理部门对公交车运营的监管力度，防止相关企业的不当行为。同时，引入共识机制，对公交车运营体系的参与者进行审核。通过审核，将信息上链，参与者被赋予对系统信息进行更新和管理的权限。这一机制增强了公交信息的可靠性。每个公交车运营环节都可以通过物联网技术，实时监测和更新车辆信息，这些信息将锁定在智能合约和共识机制下，从而能够及时发现问题并报告相关部门。由此，区块链在公交车管理中的应用将有助于提高信息的安全性、可靠性以及监管的有效性，从而增强公交车管理体系的可信度。

3.1.3 网络层

网络层规定了系统的组网方式、消息传播协议以及数据验证机制等要素，当数据上传后，将广播到网络中，网络中所有节点根据预定义的验证机制对数据进行验证，无效的丢弃。通过大多数节点验证的数据才能传输到数据层进行上链存[16]。另外，结合云存储等智能物联网核心技术，可以在智能公交系统中实现数字化管理，为各个节点提供信息追溯功能[17]。同时，通过开放式的网络接口，可以将公交车信息传递给上一层，实现不同主体之间的信息共享，确保了信息的真实性和可靠性。并且，网络层采用P2P技术实现分布式的结构，并依赖TCP/IP通信协议实现点对点通信。每个节点不仅负责接受信息，还可以将信息传递给其他节点，确保信息在网络中的流通[13]。这种分布式网络的特点使得每个节点都拥有系统的所有信息，即使某个节点受到攻击或发生故障，整个系统仍然可以正常运行。并且采用去中心化的网络结构不仅能增加公交车系统的稳定性和安全性，也确保了信息的难以篡改性和透明性。

3.1.4 数据层

每一条乘车信息都严格按照区块格式进行输入，并采取分布式存储系统进行存储，均具有一定时间顺列和唯一的加密签名，可有效地规避传统中心化存储方式数据容易篡改和失真的问题，同时，区块链技术非对称加密算法可以在数据传输过程中采用公钥加密，在接收时数据用私钥解密，进一步保证信息的安全性[17]。

3.2 智能公交区块链系统应用流程

基于区块链技术的公交系统网络模型由智能公交车，P2P网络以及用户组成。智能公交车通过蜂窝网络等无线通信技术与P2P云服务器进行通信，用户则通过相应的终端对P2P中数据进行访问[18]。公交车上的传感器以及路侧单元会收集车辆相关信息，并将信息发送至P2P网络进行验证和存储。经共识达成，信息在P2P网络中传播验证，经验证通过的信息将以区块链形式存储在P2P网络上，从而实现数据的安全共享。具体应用流程如图3所示。

智能公交区块链系统具体应用流程如下：

（1） 公交车辆停靠公交车站点，进行人员信息标记和车辆信息获取

人员信息标记：当公交车到达车站时，乘客需要进行刷卡、投币或使用移动支付等方式进行乘车验证，公交车上的刷卡机或者移动支付设备会根据乘客的刷卡和扫码信息以及公交车辆上下门位置的摄像头将对上车下车人员进行人脸识别，对人员信息进行唯一标记，然后根据信息采集方式得到的乘车人员信息进行综合整理，得到较精准的人员信息，方便后期若遇特殊情况对车辆人员路径的精准定位查询。

车辆信息获取：车辆站点信息或者车牌号信息根据公交车的固定轨迹进行行驶录入，采用传感器设备（例如：GPS） 对车辆地理位置信息，速度信息，乘车时间信息等进行采集，同时可利用路测感知设备、摄像头等捕捉车辆行驶过程中的图像和视频信息，这些信息可用来对公交车辆进行车辆轨迹识别，违章检测等。

站点信息采集：在整个公交车行驶过程中，在车辆到达站点时，记录当前时间戳作为到站时间。在车辆启动，同时上传信息时，记录时间戳作为出站时间。

（2） 公交车辆离开站点，站点处收集的信息进行区块链上传

一旦公交车离开站点，智能公交系统通过各种设备标记与获取到的乘客人员信息、车辆信息（车牌号、车辆站点、行驶路径等）以及时间戳（车辆到站以及出站时间）等数据将被打包加密；这些数据被上传到区块链网络中的一个新的区块，并与之前的区块链接起来，形成连续的数据链；信息上传之后无法被篡改，管理人员只拥有查看权限。区块链的不可篡改性和去中心化特性确保乘车人员信息、车辆信息等数据的安全性和可靠性。

（3） 公交车辆停靠站点，并进行终点判断

当公交车停靠时，系统首先记录时间戳，作为到站时间（非终点站与终点站同样），同时将根据当前站点信息与行驶过程中获取的公交车轨迹信息匹配判断是否为当前公交车辆终点站。若是终点站，系统将结束当前行程，将最新的区块信息（到站信息、站点信息）添加到区块链中，并生成相应的行程记录；若不是终点站，系统将重新跳转到第二步，继续进行人员信息标记、车辆信息和站点信息的获取。

通过以上流程，基于区块链的智能公交系统能够实现人员与公交车辆从起点到终点的所有信息的获取和区塊链上传等功能。这一系统能够确保公交乘客的身份验证，并且保证数据的安全和可信。同时，通过区块链的技术，可以提高公交系统的透明度和效率，不仅为相应机关提供了在遇到特殊事故与案件时便利的信息查找途径，而且为乘客提供了更便捷、安全的出行服务。

4 智能公交区块链系统优势分析

智能公交区块链系统相较于传统普通公交系统具有明显的数据安全性、共享方便等优势。下面是对这两种系统进行的分析比较。

（1） 数据安全性

智能公交区块链系统采用去中心化的存储模式，数据存储在多个节点上，并非集中存储在中心服务器上，任何数据更改都需要获得网络中大部分节点的共识，从而智能公交区块链系统相较于传统公交系统具有数据不可篡改性，系统数据存储更为安全。同时基于区块链的智能公交系统可以记录完备的公交数据和乘车信息，这使得数据的来源和去向可以被准确追溯，因此，智能公交区块链系统具有更高的数据安全性。

（2） 数据共享性

智能公交区块链系统允许数据在多个站点、不同地理位置或多个机构之间进行共享，系统中的节点无需通过任何中心机构授权，就可以共享系统数据。相较于传统公交系统存在较多不同数据信息系统及数据格式，能够更加方便实现跨区域、跨平台数据共享，实现数据的公开透明。

（3） 信息完备性

相较于传统公交系统，智能公交区块链系统对信息记录方式提出优化方案，对于投币等不易进行信息记录的乘客，采用智能识别的方式进行信息记录，并且对下车乘客进行信息记录，从而能够实现较为完备的信息记录。当面对突发事故时，能够利用系统及时确定公交车上的相关信息。

基于区块链技术的智能公交系统相比传统普通公交系统数据安全性更高、数据共享更为方便以及信息记录更为完备。但是基于区块链技术的智能公交系统还存在一些挑战，例如处理速度较慢和存储空间需求增大等。随着区块链技术的不断发展和完善，这些问题有望得到解决，为公交系统的未来发展带来新的可能性。

5 总结与展望

本文基于区块链技术的去中心化、数据难以篡改、信息可追溯、去信任等特点，研究结合区块链技术的智能公交区块链系统用于解决城市公交数据安全性问题、数据孤岛问题以及乘客信息记录不完备问题的相关应用。提出了智能公交区块链系统的技术架构以及其在城市公交上的一般应用流程，为后续相关智能公交区块链系统的设计与具体应用提供一定的启示和思路。需要指出的是，区块链技术在城市公交的具体应用尚处于研究阶段，缺乏具体应用场景的实践探索，未来对于特定应用场景的分析还应结合实证研究进一步深化和具体化。

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【通联编辑：李雅琪】