基于区块链技术的高速公路收费ETC体系改进研究

金虹 闫梦迪 何精武 高林 刘家健

摘   要：基于区块链技术的的高速公路不停车收费ETC体系，充分利用区块链的“不可造假”“留痕追查”“可追溯”“透明公开”“共同维护”、数据可信任、安全可靠的特点，将区块链技术应用到高速公路的ETC系统中，对现有ETC系统中的高消费、低效能和数据存储不安全等问题进行优化，最后形成基于区块链技术的不停车收费ETC体系，从而为建设智慧型城市、解决交通出行问题提供新思路。

关键词：高速公路收费ETC；区块链技术；交通出行；智慧城市；数据安全

中图分类号：F54       文献标志码：A      文章编号：1673-291X（2023）16-0035-03

2019年1月10日，国家互联网信息办公室发布《区块链信息服务管理规定》，指出区块链是核心技术自主创新的重要突破口，应加速推进区块链发展。作为国家战略，大力发展区块链技术成为社会关注的焦点，从而为区块链技术融合到建设智慧城市奠定了坚实的“信任”基础，创造了可靠的“合作”机制，开辟了广阔的运用前景。这些年来，区块链技术作为一项国家大力扶持的技术，由于其具有去除中心化、不可编造、可以追溯的特点而被普遍应用到金融、互联网、智慧城市建设、交通等领域。

一、文献综述

区块链技术在金融中的应用研究主要聚焦于赋能供应链金融发展创新。郭毅夫（2023）提出，要将区块链技术逐步纳入供应链金融体系的构建中，从而使得企业的运行和发展能够对全金融机构的资源进行高效配置。贺嘉（2023）在关于跨境支付数据安全的问题探讨中提出法律监管跨境管理支付安全问题，认为要将区块链技术运用其中，要在全球跨境支付系统大变革的机遇下，积极参与区块链跨境支付的系统设计和制度构建，从而提升我国在全球跨境支付国际规则构筑中的话语权。

除了金融领域，区块链技术在互联网领域也起到了重要作用。魏祚程（2023）在关于互联网洗钱犯罪的侦查中研究提及，要运用区块链技术及时感知互联网洗钱犯罪，收集固定证据，打破各机关之间的信息壁垒，形成信息共享机制。乐益矣（2023）在政府服务的创新应用研究中提出，要通过区块链的应用推动落实数字化改革等重要战略部署。

区块链为智慧城市建设带来新思路，以应对建设中出现的数据孤岛和数据安全问题。徐语聪（2021）通过研究区块链利用自身优势，重塑社会的数据信任，为智慧城市发展带来新机遇。而在针对新型智慧城市建设中具体的应用探究中，刘春明（2019）在文章指出，为了實现将所有先进技术整合的目的，应采用区块链技术保证所有技术的独立性，避免冲突发生，也实现各技术板块的连接，使区块链技术很好地落实在新型智慧城市概念建设中。

区块链在金融、互联网、智慧城市建设中的诸多研究文章表明，区块链在未来生活方方面面都会渗入，而作为建设智慧城市枢纽的交通，其便利快捷有序就显得尤为重要。虽然交通领域的ETC发展一直是备受关注的，但现有ETC系统中的高消费、低效能和数据存储不安全等问题并没有得到解决。本文通过运用区块链数据“不可造假”“留痕追查”“可追溯”“透明公开”“共同维护”等特点，将区块链具体作用到用户、发卡公司、出口处RUS三方交易关系中，使原来ETC面临的问题得到明显改善。

二、高速公路收费ETC系统现有结构的安全隐患

（一）ETC的系统构成

高速公路收费ETC系统的组成包括车载单元、路侧单元、DSRC协议。DSRC协议的特征有半双工通信方式、主从结构、非同步分时多重存取。

ETC车道系统的收费车道数据采集主要通过DSRC协议来完成，整个ETC系统是否可以有效运行的关键取决于交通控制以及与上级系统通信的前端系统的顺利工作。

ETC车道系统有以下功能：

第一，数据收集功能。通过DSRC协议进行收集、交换和处理数据。ETC系统的原始数据、报警信息和车道设备的相关信息将传送到收费站的管理系统中，然后通过识别系统收集的信息和费率表来对收费进行结算。

第二，车道外围设备控制功能。ETC车道系统还可以进行实时交通控制，通过控制外围设备来保证车辆顺利通行。外围设备主要包括车辆检测器、雨棚灯、通行灯、电动栏杆机、黄闪报警器、费额显示器、车道摄像机、RSU控制器等。在整个收费过程中，车道系统和DSRC协议发挥了至关重要的作用。首先，收费数据的采集处理和传输都离不开车道系统；其次，其负责在收费过程中对外场设备的控制。所以，ETC车道系统不但是一个实时控制系统，也是一个收费处理系统。这些外围设备可靠、准确的工作确保了收费作业快捷、顺利地完成。

（二）ETC系统存在主要安全隐患的

1.运营效率低

高速公路的ETC系统存在较大的兼容性问题，这种情况使ETC系统不能在经济上、社会上发挥出最大的效益。目前我国很多省市ETC还没实现互通，这使得高速公路ETC交易时出现交易失败问题。

2.数据不可靠性问题

ETC系统中包含车辆、用户、卡片等各种敏感信息，一旦这些信息泄露，将对用户的财产和个人隐私造成重大损失。数据泄露的原因可能是系统内部人员的失误，也可能是黑客攻击等外部因素所致。

3.数据出现丢失问题

高速公路上ETC系统进行收费后，交易数据要进行存储，如果当时车流量过大、计算机储存缓慢，或出现信号不好的问题，就会使交易数据存储不上去，出现数据丢失问题。

4.不能保证全网安全性

高速公路上的ETC收费数据的整合是一个庞大的工程，数据被集中存放，如果有不法分子恶意攻击网络，就会使存储数据的数据库崩溃，且之后很难恢复已经丢失或被篡改的数据。

三、应用区块链技术进行技术改进的意义

（一）提高交易的效率

在没有将区块链技术引入ETC时，交易的结算都需要汇总到数据中心进行统一的结算处理。引入ETC之后，交易数据可以直接在高速公路收费节点中进行结算，通过智能合约完成交易。

（二）基于区块链分布式账本的ETC交易结算来解决数据不可靠问题

利用区块链分布式账本P2P技术能够解决异构多方记账的账单一致性问题。在ETC费系统、清结算中心和银行ETC信用卡账务系统中部署联盟链和区块节点，利用节点账本自动同步机制确保各方异构账本的一致性。同时，利用区块链的防篡改优势提高账本数据的可信度，并采用账务溯源技术构建异构多方一致性账本。这样，从银行扣款到清算优惠再到交易的自动化验证功能就能实现。这一技术可以降低消费者账务处理的验证成本，并提高整体ETC消费网络的可信度。

（三）解决数据的不完整性问题

为了避免车道交易系统由于跨省结算使数据没有计入流水文件而造成损失，运用区块链的分布式特点，ETC的收费清算变得更加快捷安全。通过将各省级结算中心接入ETC交易网络，实现高速公路跨省通行差异化和点对点的结算策略，实现跨省数据完整录入。

（四）运用密码学加密技术提高全网交易安全性

采用非对称加密算法，保障哈希链分布式账本数据库数据安全。私钥签名，公钥验签，公钥加密、私钥解密。利用各省结算中心分布式部署条件，形成分散密钥签发和认证的安全保障，ETC消费者可以在联盟链网络上申请上链。

四、区块链技术在ETC收费支付及结算系统中的角色定位

（一）ETC收費支付结算过程中的角色分配和分工

区块链：RUS、用户和发卡公司之间会发生交易，而区块链是一个载体，相当于以它为载体交易，确保交易信息的安全性和可追溯性，并且只有符合智能合约的条件，才能进行积分交易请求。

用户包括0BU和IC卡，其中0BU用于储存信息，IC卡起到记录作用，每个用户的积分余额都可以通过在区块链上链后查看。

RSU分为入口RSU和出口RSU两种类型。入口RUS只进行在信息交流同用户之间，出口RUS进行在积分清算同用户和发卡公司之间。

发卡公司使具有管理能力，负责发放OBU和IC，也提供IC卡充值和积分兑换等服务。

（二）ETC收费支付结算过程主要有三部分相互作用

区块链技术是构想的ETC框架的基础。作为框架主人公的区块链、RUS、发卡公司三者之间两两联系合作，从而实现了高效、便捷的结算。需要注意的是，交易链上记载可查询的只是ETC与区块链作用部分，ETC其他流程部分并不能在链上查询得到。

1.发卡公司与用户之间进行积分交易的程序

第一步，用户需要申请账号，为了在区块链上可以申请到独立的OBU和IC钥匙；

第二步，为IC进行充值，发卡公司将收到相应的充值款项；

第三步，该IC卡被发卡公司提取其公钥地址，以便后续使用；

第四步，运用智能合约技术，发卡机构将对应于充值金额的积分转移至IC卡账户中；

第五步，以区块链为公正的记录者，详细记录本次积分交易转账的所有细节。

2.用户与RSU之间积分交易流程

（1）用户和入口的RSU通讯，并记录入口RSU的信息；

（2）用户和出口的RSU之间的通讯；通过进出口RSU信息获得付款金额、相应积分、出口RUS钥匙；

（3）用户通过区块链合约向出口RSU转移对应积分；

（4）区块链再次扮演记录者，对当前积分交易进行转账记录。

3.发卡公司和RSU之间积分交易过程

（1）运营公司管理出口RSU钥匙时，在查询营收积分额度时常常借助区块链技术；

（2）运营公司和发卡单位之间存在的业务：转让积分交易、收款；

（3）发卡单位基于经营公司管理出口RSU公钥信息，对企业营收积分和金额进行区块链验证；

（4）在发卡公司验证无误时，对运营公司提出的请求予以通过；

（5）公司下属各出口RSU获得发卡公司公钥地址；

（6）透过智能合约，公司所有出口RSU都会把对应分数转给发卡公司；

（7）所述区块链上记录有当前积分、交易的转账记录以及发卡公司将积分交易额支付给所述公司的相应款项。

参考文献：

[1]   郭毅夫.区块链赋能供应链金融发展创新[J].时代经贸，2023（3）：67-70.

[2]   贺嘉.基于区块链技术的跨境支付数据安全的法律监管研究[J].中国金融，2023（3）：55-65.

[3]   陈涛.区块链在智慧城市信息共享与使用中的应用研究[J].电子政务，2018（7）：36-45.

[4]   王立.基于文件存储证明的共识算法及其应用[D].长春：吉林大学，2015.

[5]   王永生.ETC系统中DSRC协议的分析与实现[D].西安：西安电子科技大学，2011.

[6]   周才博.基于区块链的物联网安全机制研究[D].兰州：兰州大学，2021.

[7]   魏祚程.区块链技术视域下互联网洗钱犯罪的侦查[J].西都学刊，2023（5）：56-59.

[8]   盛淑贤.基于区块链的检验检测平台治理机制设计[D].长沙：湖南大学，2020.

[责任编辑   兴   华]