一种基于RC链的私家车位分配方案

黎倬孚 李飞

摘  要：随着共享经济的快速发展，车位共享平台应运而生。车位自动分配技术因能大大缩减泊车人寻找车位的时间并提高车位的利用率而逐渐被车位共享平台使用。然而，在私家车位共享场景下，现有车位共享平台在分配车位时只追求车位利用率的最大化而忽略了车位分配的公平性，一定程度上影响了用户使用平台的热情。针对这个问题，研究设计了一种基于RC链的私家车位分配方案。该方案结合RC链（Resilient and Consensus-based Chain）技术与第二拍卖价格策略，在车位分配过程中保证了公平性和高效性。通过使用RemixIDE、Hyperledger Sawtooth和Hyperledger Caliper等工具对方案进行仿真分析，证明了该方案相比传统方案有着更好的公平性和高效性。

关 键 词：车位分配  RC链   第二拍卖价格策略  区块链

An Allocation Scheme for Private Parking Spaces Based on the RC Chain

LI Zhuofu  LI Fei*

（School of Cybersecurity， Chengdu University of Information Technology， Chengdu， Sichuan Province， 610200 China）

Abstract： With the rapid development of sharing economy， parking space sharing platforms have emerged. The automatic allocation technology of parking spaces is gradually used by parking sharing platforms because it can greatly reduce time for parking people to find parking spaces and improve the utilization rate of parking spaces. However， in the scenario of private parking space sharing， existing parking space sharing platforms only pursue the maximization of parking space utilization while ignoring the fairness of parking space allocation when allocating parking spaces， which affects the enthusiasm of users to use platforms to some extent. In order to address this issue， an allocation scheme for private parking spaces based on the RC chain has been studied and designed. This scheme combines resilient and consensus-based chain technology with the second auction price strategy to ensure fairness and efficiency in the allocation of parking spaces. The simulation analysis of this scheme is carried out by using tools such as RemixIDE， Hyperledger Sawtooth and Hyperledger Caliper， and it proves that this scheme has better fairness and efficiency than the traditional scheme.

Key Words： Parking space allocation; RC chain; Second auction price strategy; Blockchain

中图分类号：U495;TP311.56

近年来，随着城市化进程的加速和私家汽车拥有量的快速增长，停车位的供需不平衡问题日益凸显。传统的停车位管理方案往往存在信息不对称、停车位浪费和不公平分配等问题。因此，寻找一种公平、高效的停车位分配方案具有重要意义。

在过去的几年里，已经有许多关于智能车位分配的研究和实现方案。这些方案利用了各种技术和信息物理系统的优势，为用户提供了更高效和智能的车位分配服务。

一些学者提出了一些基于区块链的智能停车服务[1-4]，但他们只使用区块链来解决现有的隐私问题，而没有考虑能耗和低延迟响应。ZHANG J S等人[5]在2023年提出了一种基于后量子区块链的IoV安全能源互联方案，其可以降低能耗，提高可再生能源使用效率，实现绿色节能的车联网能源协调和交易。此外，为了提高QoE，车辆雾计算（VFC）范式使用路边单元（RSU）或停放的车辆作为通信和计算基础设施，实现实时响应， KANG J W等人[6]在2018年提出了车辆边缘计算和网络（VECONs）区块链范式。JIANG S等人[7]在2019年将区块链与IoV相结合，专注于大数据的分布式安全存储和实时响应处理。Al AMIRI W等人[8]在2019年提出了一种基于联盟区块链的智能停车系统，该系统由不同的停车位所有者创建，以确保安全、透明和停车位可用性。SUN L J [9]是一种用于车辆网络的基于声誉的众包区块链，它在透明的智能合约中指定了所有交易规则，并通过降低任何恶意服务消费者或提供商的声誉来防止服务中的敌对或不负责任行为。

在停车系统方面，已经有一些研究应用拍卖、匹配机制或Stackelberg策略来优化系统或激励用户参与。例如，SUN W等人[10]在2020年提出了两种基于双重拍卖的多任务资源分配激励机制，以最大限度地提高系统效率。ZHANG Y等人[11]在2019年提出了一种基于VFC的停车预约拍卖，在租用车辆算力的同时，将车辆引导至停车位，车辆获得的租金也可以补充其停车费。XIE M H等人[12]在2023年建立了一种滚动共享停车分配模型，在停车需求不断变化的场景中提高了系统的效率。ZHANG J X等人[13]在2019年使用Stackelberg策略来研究最优停车任务分配，目标是最小化任务发布者的总成本。从交易响应时间的角度来看许可区块链中的公平性，JIANG S等人[14]在2020年为许可区块链授权的IoT系统提出了第一个基于公平性的交易打包算法。

为了同时改善传统车位分配方案中存在的公平性不足与效率不高的问题，本文提出了一种基于区块链的私家车位分配方案，该方案创新性地将第二价拍卖策略和RC链技术相结合保证了分配过程的公平性并提高了分配的效率。为了验证方案的先进性，本文使用RemixIDE、Hyperledger Sawtooth和Hyperledger Caliper实现了对方案的仿真分析，证明了该方案相比传统方案在公平性和高效性上有一定的优势。

1  基于RC链的车位分配方案

1.1 RC链

RC链[9]是一种区块链技术，旨在提供更强大的鲁棒性和共识机制。传统的区块链系统，如比特币，使用基于工作量证明（Proof of Work）的共识机制，即通过计算复杂的哈希函数来竞争解决数学难题从而获得记账权。然而，这种机制存在一些缺点，如能源消耗高、处理速度慢等。

RC链采用了一种新的共识机制，称为共识式链（Consensus-based Chain），它通过节点间的共识来决定区块的生成和验证。这种共识机制可以是基于权益（Proof of Stake）、基于权威（Proof of Authority）或其他形式的共识算法。共识式链可以提供更高的交易处理速度和更低的能源消耗。

此外，RC链还注重系统的鲁棒性和容错性。它通过在网络中引入多个备份节点和冗余机制来防止单点故障和数据丢失。当某个节点发生故障或攻击时，其他节点可以通过共识算法来修复和恢复系统的正常运行。

1.2 方案流程

车位分配方案的数据模型可以设置为：集合，其中是个用户的集合，投标价格为，它可以与个停车位的集合及分配的保留价格相关联，使得用户可以获得分配的停车位。车辆请求者可以与任何第个停车位所有者进行交易，即用钱包预订任何第位停车位。上述关系可以表示如下表达式：

其中表示用户数量和停车位所有者数量之间的关系。

停车位分配需要满足一些条件。首先，P个用户可以竞标停车位，此时，系统需要检查当前时间（）是否大于竞标周期以防止用户重复竞标。如果条件得到满足，则可以实现智能合约以基于第二价格拍卖模型来分配停车位。在第二价格拍卖模型中，如果投标价，可以通过执行智能合约为用户分配停车位。但也有可能小于，那么我们必须验证是否停车请求的数量（）是否大于可用停车位的数量（），如果为真，则执行第二价格拍卖模型来将停车位分配给用户。这些关系可以表示为如下表达式：

其中和表示基于当前时间和竞价周期分配给用户的和停车位数量。我们引入了第二价格拍卖模型，让最高的用户可以获得停车位，但他们必须支付第二高的价格（），可以表示为：

其中amt表示第个用户的出价金额，即。表示用户预订与个投标价格相关的停车位所需支付的价格。我们设计的车位分配方案应该使得停车价格的预测更加有利于用户，从而鼓励用户出更高的价钱。在将停车位分配给用户后，所有参与预订停车位的其他用户都可以拿回他们的剩余金额（）。可以表示为如下表达式：

其中表示个用户之间的关系，来确定可以获取的剩余金额的大小。方案的具体流程如算法1所示。

2  实验设计与结果分析

2.1 实验条件

为了进行性能评估，在真实环境中使用了5台服务器。每台服务器配备了CPU（Intel core i5 T8500 3.0 GHz）、内存（20.00 GB）、硬盘（1 TB）和iptime a6004 AP。使用Sawtooth v1.0.5进行开发，每个节点的TM使用Golang开发，而每个代理的本地数据库、订阅者、客户端和同步器使用MongoDB v4.0.2进行设计和开发。通过使用Hyperledger Caliper工具，模拟并评估基于RC链的车位分配方案的性能。

2.2基于RC链的车位分配方案性能评估

在本节中，基于固定价格、第一价格拍卖模型和所提出的第二价格拍卖模型，评估了车位分配方案的公平性，还从系统的交易频率方面分析了基于RC链的车位分配方案的性能。

2.2.1评估模型

采用的基准模型具体叙述如下：

（1）固定价格模型：在这个模型中，停车位的价格是固定的，不受竞标和需求的影响。这种模型的优点是简单易行，不需要复杂的定价机制。然而，它可能无法准确反映停车需求的变化，导致停车位的浪费或供不应求的情况。

（2）第一价格拍卖模型：在这个模型中，用户通过竞标来争夺停车位，出价最高的人获得停车位，并支付自己的出价。这种模型可以确保停车位的分配是根据用户对停车位的实际需求和愿意支付的价格来进行的。然而，这种模型可能会导致用户出价过高，支付比其他人更多的费用。

（3）本文采用的第二价格拍卖模型和RC链模型相结合的模型：在这个模型中，出价最高的人获得停车位，但支付的是第二高的出价金额。这种模型可以鼓励用户提供真实的需求和合理的价格，并确保他们支付的费用不会超过其他人太多。这种模型可以提高效率和公平性。通过使用RC链技术，停车位的分配和交易可以更加透明和安全。RC链可以记录用户的出价和停车位的分配情况，确保数据的准确性和不可篡改性。相比于其他区块链模型RC链可以提供更高的交易处理速度和更低的能源消耗。

通过在Remix IDE中进行模拟和分析，可以评估不同拍卖模型和基于RC链的方案的性能。这些结果可以帮助我们了解改进的停车位预订方案的成本效益，以及对用户和停车位所有者的好处。

2.2.2数据收集

实验使用模拟数据集，在Remix IDE上对所提出方案的分析进行了模拟，车辆分配方案的智能合约是使用solidity源代码在Remix IDE上开发、编译、运行和测试的。

实验使用了平均值为50、方差为15（平均值的30%）的高斯分布，随机生成了用户购买力对应的停车位估值。此外，停车位的保留价格是随机生成的，平均值为40，方差为10（平均值的25%）。在python 3.2中，借助生成的30个用户和300个停车位的数据集，以及生成的停车位保留价格，进行了第二次价格拍卖模型模拟然后，使用生成的数据集进行了第二价格拍卖模型的模拟。

在模拟中，使用循环遍历所有的用户和停车位，并比较用户的停车位估值和停车位保留价格。然后，根据第二价格拍卖模型的规则，选择出价最高的用户，并确定该用户需支付的金额为第二高的出价。

最后，计算模拟结果，如用户的支付金额和停车位的分配情况等。这些结果可以用于分析改进的停车位预订方案的成本效益和性能。

由于第二价格拍卖模型中，对停车位的出价等于其估价。这意味着用户会揭示他们对停车位的真实需求和愿意支付的价格。而在第一价格拍卖模型中，用户不会透露真实价格，而是随机选择一个小于估值的出价。

在模拟中，已经基于拍卖分配方案确定了第一价格拍卖模型和第二价格拍卖模型中停车位的价格。在拍卖分配方案中，具有最高出价的用户被分配具有最高保留价格的停车位。在第二价格拍卖模型中，停车位的价格是第二高出价的金额。而在第一价格拍卖模型中，停车位的价格是用户的出价金额。

对于固定价格模型，假设停车位的价格是基于保留价格的利润率的。假设利润率为15%。这意味着停车位的价格将是保留价格加上15%的利润。

在模拟中，已经进行了多次迭代，并取平均值来获取第一价格拍卖模型的模拟结果。这可以提高结果的准确性。

需要注意的是，模拟结果可能受到随机生成数据的影响，因此可以进行多次模拟来获取更准确的结果。此外，还可以根据实际情况和需求进行参数调整和改进模型。

2.2.3基于不同拍卖的利润评估模型

用户的利润可以根据是否被分配停车位来定义。如果用户没有被分配停车位，则其利润为0。如果用户被分配了停车位，则利润为停车位的估价减去停车位的价格。

在第二价格拍卖模型中，用户的出价更接近其估价，因此所有用户的利润都会较低，从而推高了停车位的价格。这意味着停车位所有者的净利润会增加。基于拍卖的模型的特点是将利润从用户转移到停车位所有者身上。

总结来说，在第二价格拍卖模型中，用户的利润较低，停车位所有者的净利润最高。这是因为用户的出价更接近其估价，从而推高了停车位的价格，增加了停车位所有者的利润。

收入可以根据停车位的价格和是否被分配给用户来定义。收入等于停车位的价格乘以一个指示变量。

如果第个停车位没有被分配给用户，即，则收入为0。

如果第个停车位被分配给用户，即，则收入为停车位的价格。

随着停车位价格的增加，系统的总收入也会增加。在第二价格拍卖模型中，由于价格更高，因此系统的总收入也会更高。在所有的拍卖模型中，第二价格拍卖模型的收入最高，因为它的价格更高。

2.3实验结果及分析

2.3.1买卖双方效用

在该模型中，用户提交的出价并不等于他们的真实估价。为了代表真实估价，本文使用随机生成的用户出价。假设所有买方的结算价格为，所有卖方的结算价格均为。买卖双方的效用定义为：

图1至图3所展现的实验结果表明，使用第二价格拍卖模型的车位分配方案可以提高买卖双方的效用。车位分配的利润不会受到车辆请求数的很大影响。用户数量越大，车位分配中可以获得的单笔交易价差就越小。因此，即使车辆请求数增加，平台总收入的变化幅度仍然不大。从用户的角度来看，参与的车辆越多，请求方节省的成本就越多，用户将获得更多的利益。

2.3.2交易频率

本文对比了基于IoV的Fabric框架中的QcFND方案[15]和本文提出的车位分配方案。计算了在双链模式区块链下随机选择的30个数据请求的平均交易确认时间，其中每次请求的数据块批量大小为10，批量超时为2 s，并且从客户端到背书节点的时间可以忽略不计。观察了30个区块的平均交易确认时间。

如图4所示，与QcFND方案的7.515 s相比，本文提出的车位分配方案的平均交易确认时间为2.148 s，具有更好的性能。这个结果表明，在相同的实验条件下，本文提出的车位分配方案相对于QcFND方案有更短的平均交易确认时间。这意味着本文提出的车位分配方案在提高交易处理效率方面具有优势。根据这个结果，可以认为本文的车位分配方案在实际应用中可能更适合，因为它可以更快地确认交易，提高系统的吞吐量和响应时间。

3  结论与展望

本文基于RC链技术和第二拍卖价格策略提出了一种基于RC链的私家车位分配方案，实验结果表明，该方案确保了分配过程的公平性和分配效率，改善了传统车位分配方案中存在的公平性不足与效率不高的问题。然而，本文也存在一些限制与不足之处。第一，系统安全性与隐私保护机制有待加强；其次，大规模场景下的系统性能和稳定性需开展测试验证;最后，与其他智慧城市基础设施的融合可进一步拓展。

未来工作将在上述方向展开，以实现系统在实际应用中的规模化部署，并不断进行优化与改进，以期构建智能、高效、公平的停车管理体系。

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