物联网环境下共享停车区块链模型研究

2022-03-02孔祥科李树彬李青桐

山东建筑大学学报 2022年1期

孔祥科李树彬李青桐

(1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101；2.山东警察学院交通管理工程系，山东济南 250014)

0 引言

随着我国社会经济的发展，小汽车保有量不断攀升，伴随而来的是日益严峻的停车难问题。解决好这一问题已成为缓解道路交通拥堵、促进城市发展的关键因素。以济南市为例，截至2019年底全市机动车保有量达到280余万辆，全年新增约31.8万辆，据不完全统计，济南二环以内有机动车130万辆，但仅有70万个停车位，停车位的供给远远不能满足停车需求。近年来，随着共享经济的兴起，通过共享车位打破私人车位的停车限制，有效地提高车位利用率，成为解决停车难问题的新思路。

在可行性研究方面，曾馨仪[1]通过实际调查的混合用地停车场使用时间分布论证了共享停车的可行性，并提出通过改进应用程序(Application，APP)、优化运营模式来推动共享停车的落地。XIE等[2]通过偏好调查(State Preferences，SP)，应用结构方程模型分析共享停车带来的经济、社会利益、安全风险等因素之间的复杂关系，确定不同因素的影响系数，为提高共享停车接受程度提供依据。在共享模式研究方面，陈沁[3]将共享停车模式分为固定租用和临时租用，分别采取停放许可和浮动收费措施，研究了停放许可的发放数量、价格、使用时段以及浮动收费方式。路扬等[4]提出了网络共享停车匹配优化模型，并通过仿真算例在共享泊位供不应求的情况下，验证了模型具有较好性能。徐浩[5]分析了共享停车的系统组成和主要模式，并对共享停车中资源获取，风险控制、利益分配等关键问题提出解决思路。在软硬件开发方面，张瑞增[6]设计了一种智能车位锁，从设计方案、硬件开发、软件运行优化等方面进行了详细说明，该智能锁可以实现远程开锁、车位检测、自动上锁以及故障报修等功能，为实现车位共享提供了可靠选择。徐欣等[7]设计了一款无线传感网智能地锁设备，并通过分析业务需求提出了面向用户的软件模型和框架。

综上，目前通过小区物业合作、统一管理实现的临近区域停车场(如住宅区与邻近商场)之间的车位共享，由于其只能在特定区域推广，其范围受限、应用不够灵活，因此对解决城市全局的停车难问题作用较小。而实现个人之间的车位共享能够充分利用城市各个时段和区域的空闲停车位资源，对于解决城市停车难问题、缓解交通拥堵具有重要意义。文章以车位主和停车需求者个人之间的车位共享方式为研究对象，针对该方式面临的依赖中央服务器、隐私保护、数据存储、可信第三方选择，车位利用率等方面的问题，在传统的共享停车模式中引入一项新的技术——区块链技术。杨逸群[8]将区块链技术引入自动驾驶技术中，解决在大数据情况下数据共享不及时、点对点服务等方面的问题。许丹丹等[9]详细说明了区块链的演进趋势和生态布局，论述了如何实现区块链技术与第五代移动通信技术(5th Generation Mobile Communication Technology，5G)的交叉融合，并提出区块链＋5G在金融保险、社会治理方面的创新应用。何正源等[10]等介绍了区块链在物联网中的应用场景，并综述了物联网中应用区块链技术的难题及相应工作成果。ZHANG等[11]针对物联网终端安全问题，提出了基于区块链的可信网络连接，并验证了在物联网终端保护的可行性。THAKORE等[12]针对解决中心式物联网数据隐私、安全等问题，提出了基于区块链的物联网体系结构。文章结合区块链技术去中心化、难篡改、可追溯和分布式的特性[13]，以及在数据安全、资金流动等方面的优势，利用物联网和智能设备将区块链技术应用到共享停车中，提出了物联网环境下的共享停车区块链(Shared Parking Blockchain，SPBC)模型，旨在为共享停车提供新的发展模式，促进共享停车的广泛落地，并探索区块链作为通用技术的应用场景。

1 物联网环境搭建

1.1 物联网环境框架

物联网环境是部署SPBC模型的前提。物联网通过各种信息传感设备和智能控制设备，使物理实体作为互联网的用户端，系统可以自动实时地对物体进行识别、定位、监控并触发物理实体响应指令事件[14]。在SPBC模型中，物联网环境分为4个层次，分别是感知识别层、网络连接层、综合管理层和服务应用层。感知识别层通过在物理实体上安装大量的传感器等智能设备采集物理实体的实时信息。网络连接层负责实时通信、数据和指令传输，通常采用无线通信的方式，如蓝牙、通用分组无线服务(General Packet Radio Service，GPRS)、无线局域网(Wireless Fidelity，WiFi)等。信息数据传输至综合管理层后，经过数据分析处理，进行智能决策，并将决策指令发送至用户移动终端，实现人机交互。在物联网环境中需要用到的关键技术见表1。

表1 环境搭建所需关键技术表

1.2 物联网环境所需的智能设备

(1)超声波传感器

超声波传感器负责检测车位内是否有车辆停放。安装在车位上方超声波传感器通过测量超声波探头与被测物体之间的距离，判断车位内是否有车辆停放。同时，通过内嵌计时装置，可以监测车辆的停放时间。为提高探测精度，可在停车场实际高度h的基础上添加允许误差距离Δl，当测得距离H∈[h，h＋Δl]时，车位无车辆停放；反之，有车辆停放。超声波测距公式由式(1)表示为

式中H为待测距离，m；T为从发出超声波到接收到回波的时间，s；c为声音在空气中传播速度，m/s。

(2)智能车位锁

SPBC模型中智能车位锁负责控制预约车辆停放或驶离共享车位，其主要功能包括实时双向通信、接收指令、控制车位锁开关、发送状态信息[6]。智能车位锁控制车位有3种状态，由式(2)表示为

式中S为车位状态集合；si为车位i的智能车位锁实时状态。当si＝0时，智能车位锁关闭，车位空闲接收预定；当si＝1时，智能车位锁激活，车位已被预定等待开锁；当si＝2时，智能车位锁开启，车位处于使用状态。

(3)停车场入口设备

停车场入口设备利用车牌识别技术，通过捕获车辆车牌、图像预处理、特征提取、字符识别等，实现从背景中获取车牌照片并捕获车牌区域，完成车牌号读取[15]。将读取的车牌号与该设备对应的区块链节点中保存的预订车位的车辆牌号对比，对比吻合后，允许车辆进入停车场。

2 区块链技术

2.1 区块链技术的发展

区块链的发展包括3个阶段:(1)区块链1.0即比特币 2008年11月中本聪在«比特币:点对点的电子现金系统»中首次提出了区块链的理论概念[16]。智能合约的出现赋予了区块链底层数据可编程性，为区块链2.0奠定了基础[17]。(2)区块链2.0即以太坊是一种可编程的货币，通过构建以太坊虚拟机来实现智能合约的运行。(3)区块链3.0 展现的是区块链的底层通用性，实现区块链技术在各个领域的交叉应用。区块链发展流程图如图1所示。目前，我国已将区块链技术的集成应用作为技术革命、产业革新以及核心技术自主创新的重要突破口，并在区块链＋政务、区块链＋生态等方面取得了一定实践成效。

图1 区块链发展流程图

2.2 区块链概念和关键技术

区块链技术本质上是一种去中心化的分布式账本数据库，区块记录系统在一段时间内的所有交易和状态，按照时间序列将区块串联成链。区块链中每一个节点都存储着整个账本的数据，任一节点的损坏或者失效都不会对系统造成影响。每产生一个新的区块就会通过设定的算法对其进行加密，并在整个区块链系统中备份。区块链有4大关键技术，分别是非对称加密、分布式共识、点对点传输和智能合约。

(1)非对称加密(Asymmetric Encryption) 在非对称加密中有一个密钥对。在通过公钥对数据或信息加密后，只有通过私钥才能解密。非对称加密技术能够确保共享车位过程中信息和资金流安全，同时通过信息编码能够大大减少存储空间。

(2)分布式共识(Distributed Consensus) 区块链中所有节点对同一个提案达成共识的方法，主要有中心共识法、投票法和抽签法。分布式共识达成机制能够在共享车位区块链网络面对蓄意攻击时极具稳定性。

(3)点对点传输(Peer-to-Peer，P2P) 以点对点的连接方式将各个客户端连接成拓扑网络，使每个节点都可以提供存储空间和计算能力。P2P的网络连接方式恰能适用于个体间的共享停车方式，每个节点都可以参与交易并提供算力，解决了依靠中央控制节点存储和计算全部数据的难题。

(4)智能合约(Smart Contract) 布置在区块链中以信息化方式传播、验证或执行的计算机协议，可以自动验证和执行触发式规则并向外界发送信息和价值。通过智能合约可以在共享单车区块链布置交易规则，保证交易按规则进行。

区块链的关键技术决定了其公开透明、不可篡改、集体维护、安全可信的特性。将区块链技术应用到物联网环境下的共享停车中，为每一个物联网设备关联区块链节点，将设备采集数据和交易数据加密后存储在区块链节点中，通过智能合约预设共享车位的交易规则，车位需求者通过满足智能合约触发条件，获得车位的使用权。物联网环境下的SPBC模型可以实现物联网与区块链的优势互补，既解决物联网环境下海量信息存储、隐私信息安全、第三方信任等方面的问题，又通过物联网将区块链技术与物理世界联系起来，实现区块链技术的应用落地。

3 物联网环境下SPBC模型

3.1 模型构建

3.1.1 模型架构

SPBC模型为三角形架构，如图2所示，其中包含感知识别模块、用户应用模块和综合管理模块。感知识别模块有着大量的物联网设备，负责检测车位、车辆的实时状态。用户应用模块是用户移动终端的集合，用户可通过移动终端平台进行车位共享/需求信息发布、路线导航、账单支付等功能[18]，用户移动终端平台为共享停车区块链面向用户的可视化操作平台。综合管理模块包括区块链节点网络以及部署在区块链上的智能合约，负责分布式数据存储与传输、车位匹配、指令发送等操作。{SE，UT，BC，SC，α，β，γ}。其中，SE＝{sem｜m∈

图2 模型架构图

SPBC模型包括7个元组，即SPBC＝N＋}为物联网设备有限集，sem为第m个物联网设备；UT＝{utn｜n∈N＋}为用户移动终端有限集，utn为第n个用户移动终端；BC＝{bck｜k∈N＋}为区块链节点有限集，bck为第k个区块链节点；SC为布置在区块链上的智能合约；α、β、γ分别为各模块两两之间的联网方式。

3.1.2 数据存储

SPBC模型需要通过SE和UT获取共享车位信息和待停车辆信息。共享车位信息包括5个元组，即。其中，p为车位；为车位i的经纬度坐标；为车位i的开放时间；T(p)i为车位i的关闭时间；si为车位i智能车位锁实时状态；Wi为车位i拥有者的钱包账号。待停车辆信息包括5个元组，即Vj＝，其中v为车辆；为车辆j出行目的地坐标；为车辆j的预计到达时间；为车辆j的预计离开时间；为车辆j的车牌号；Wj为车辆j拥有者的钱包账号。

在数据存储时，SPBC模型不再采取依靠中心节点存储全部数据的方式，而是通过区块链实现分布式存储。区块按照时间顺序相链接，每一个区块包含区块头和区块体两部分[17]。在区块体中，通过哈希算法将获取的数据编码为固定长度的哈希值，以SHA256为例，可以将信息数据生成256位的信息摘要数据。然后，在区块链中利用Merkle树形式进行组织存储，生成Merkle根，如图3所示。以二叉树为例，其叶子节点为原始数据的哈希值，非叶子节点为该节点包含的所有子节点哈希值的组合结果。在区块头中包含上一区块哈希值、时间戳、区块高度以及对应的Merkle根等[19]。

图3 Merkle树结构图

3.1.3 智能合约

在区块链中布置条件触发式智能合约，使交易按照事先设定好的规则进行。当模型输入满足触发条件后响应预制规则，包括智能合约向指定设备发出相应的数据资源以及触发事件的指令[20]。SPBC模型综合管理模块布置3阶段智能合约，即最佳车位匹配合约、车位预订合约、共享交易合约。3阶段智能合约循环为一个整体，上一阶段的响应结果作为后续阶段合约的触发条件之一。

(1)最佳车位匹配合约

在该合约中，提出以下假设:①车位需求者上传的预计离开时间基本准确；②车位需求者从预约车位到达出行目的地的的实际步行距离通过两点之间的直线距离与折线距离之和，结合实际路线情况，修正求得[21]。该合约触发条件为车位需求者提出车位申请，采集到其Vj数据集合，触发最优化问题，由式(3)~(7)表示为

式中Z为预约车位与出行目的地之间的实际步行距离，m；ξ为计算实际步行距离的修正系数，结合实际路线情况求得；L为预约车位与出行目的地限定距离，m；δ为预留的停放车辆离开时间，min。

最佳车位匹配合约以求解与出行目的地实际步行距离最近的可用共享车位为优化目标，通过设置限定距离，缩小自变量取值，降低求解难度。限定距离L可以通过实际调查得到居民可接受步行距离得到。最佳车位匹配合约最优化问题可通过分支定界法、粒子群算法等智能优化算法求得，以粒子群算法为例，其求解流程如图4所示，得到最优解(，)对应的车位pi即为vj匹配的最佳车位，并执行操作:将pi对应的Wi发送至车位需求者对应的用户移动终端。

图4 粒子群算法计算流程图

(2)车位预订合约

车位预订合约可通过事件通知[22]完成对智能车位锁、停车场入口装置等设备的控制。该合约的触发条件是vj向匹配的最佳车位pi对应的Wi预付停车定金，由式(8)表示为

式中u为交易时步，1；wi(μ)为用户i在μ时步的钱包余额，元。

条件触发后，响应规则如下:①向车位智能锁发送指定，激活车位智能锁，实时车位状态变更为“预订”状态，即si＝1；②向车库进出设备发送预约车辆车牌号；③向车位预订者移动终端发送车位信息集合Pi。

(3)共享交易合约

共享交易合约主要负责停车计时和账单生成。该合约的触发条件为智能车位锁开启且车位传感器检测到车辆停放，即si＝2。

条件触发后，响应如下规则:①开始计时，当超声波传感器检测到车辆驶离时，计时结束，初始、结束计时时间分别为tsta和tend；②向车位预订者移动终端utj发送账单Fij，等待支付。账单Fij由式(9)表示为

式中Fij为车辆vj停放在车位pi所需支付的费用，元；f1为车位正常使用时的单价，元/min；f2为停放车辆超过预计离开时间所需支付的额外费用单价，元/min。

3.2 停车流程

假设共享用户均通过智能终端向区块链网络申请并经验证获取唯一身份、钱包账户及密码，可以通过该身份在移动终端平台发布车位共享或申请车位。具体的共享停车流程可分为6个步骤，如图5所示。

图5 共享停车流程图

步骤1 车位需求方通过移动终端发布车位申请，并采集或上传行程信息、停放需求等相关信息数据。

步骤2 车位拥有方通过移动终端发布车位共享信息，并采集或上传车位相关信息数据；当安装在车位上方的超声波传感器检测到车辆驶离车位时，接受车位需求者预定。

步骤3 通过智能合约，完成共享交易双方匹配，车位需求方通过预付停车费，获取匹配车位信息、停车场进出许可、智能车位锁开锁权限等。

步骤4 接收智能合约指令，车位接受停车任务，停车场入口进出设备获取预约车辆信息，智能车位锁激活，等待开锁指令。

步骤5 车辆到达停车场，通过停车场入口进出设备，读取车牌号，与预约车辆信息比对，比对成功后，实现不停车入库；通过手机APP向激活状态智能车位锁发送开锁指令；超声波传感器检测到车辆停入时，开始计时。

步骤6 超声波传感器检测到车辆驶离时，计时结束。根据车辆停放时间，生成相应账单发送至对应账户，等待支付。支付完成后，此次交易结束。

3.3 模型特点及解决的关键问题

SPBC模型将区块链技术引用到物联网环境下的共享停车中，其特点在于:

(1)利用区块链分布式账本和P2P网络实现共享停车过程中的数据存储和转发。在共享停车过程中，需要调用和转发大量的个人隐私数据，如交易账户、居住小区等，数据隐私与安全是实现共享停车需要解决的关键问题。相比于将所有的个人信息、监测数据以及控制指令都通过中央服务器进行存储和转发传统模式，文章提出的SPBC模型优势在于:①所有传输数据都是经过严格的数据加密处理，并且通过区块链的共识机制能够有效防止非法节点接入物联网，有效保证了个人隐私和数据安全。②利用分布式账本和P2P网络，避免使用中心服务器进行数据的存储、计算、传输，可以大大降低系统的运营维护费用。

(2)利用区块链智能合约实现共享过程交易规则的设定和执行，解决信任问题。信任是共享经济的关键，信任程度决定了共享的广度和深度。传统的解决方法是依赖于可信第三方实现信任，但是可信第三方的选取和构建需要耗费大量的人力、物力成本，且具有一定的不确定性。SPBC模型在区块链中布置智能合约，使预先设定好的规则和条款按照参与者的意愿正确执行，不需第三方便可实现可信交易。

(3)传统模式共享停车在上一交易结束开启新交易过程中，需要人为操作，存在大量的延迟。SPBC模型依靠智能设备，检测到车位空闲时，可以使车位实时参与到智能合约中，大大提高了车位利用率。