摘 要：公路货车动态检测系统涉及的硬件设备、软件系统较多，技术标准不统一，数据存储、传输、共享过程中容易被人为篡改，安全隐患较大，基于此，文章对区块链技术在公路货车动态检测系统中的应用进行了研究。利用区块链技术的去中心化、数据存证、数据可信、共识计算等特性，研究公路货车动态系统数据存储、传输、共享等阶段的安全、可信应用，并通过该研究进一步提升公路货车动态检测数据存储、传输、共享的安全性、可信性，增强监管效力、构建执法区域协同体系。
关键词：区块链；公路动态检测；数据加密
中图分类号：TP39；TP309.1 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2024）15-0185-05
Research on the Application of Blockchain Technology in the Dynamic Detection System of Highway Trucks
—Taking Xuzhou City as an Example
ZHANG Yunlin
（Xuzhou Transportation Comprehensive Administrative Law Enforcement Detachment， Xuzhou 221000， China）
Abstract： The dynamic detection system for highway trucks involves a lot of hardware equipment and software systems， with inconsistent technical standards. The data is easily tampered with humans during the process of storage， transmission， and sharing， and there are significant safety hazards. This paper studies the application of blockchain technology in the dynamic detection system of highway trucks. Based on this， it utilizes the characteristics of blockchain technology such as decentralization， data authentication， data trustworthiness， and consensus computing， researches the secure and trustworthy applications of data storage， transmission， and sharing in the dynamic system of highway trucks. Through research， it further improves the security and credibility of dynamic detection data storage， transmission， and sharing for highway trucks， enhances regulatory effectiveness， and builds a collaborative system for law enforcement regions.
Keywords： blockchain; highway dynamic detection; data encryption
0 引 言
公路运输是货物运输的主要方式，公路货运车辆违法超限超载运输极易引发公路交通安全事故，扰乱货运市场秩序，损坏公路和桥梁设施，危害人民群众生命财产安全。公路动态检测系统作为公路重要监测设施，是治理货车超限超载的重要载体，公路货车动态检测数据是开展科技治超、区域治超、非现场执法、源头执法、事中事后监管的重要依据。当前，公路货车动态检测系统涉及的硬件设备、软件系统较多，标准不尽统一，数据在采集、存储、传输、使用过程中容易被篡改，存在较大的安全隐患，需要利用新技术进行优化升级，保证数据采集、存储、传输、使用等各阶段的安全可信，并支持跨部门、跨区域、跨层级之间的执法协同和数据共享。近年来，基于分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法[1]等多技术组合创新的区块链技术日渐成熟，并得到应用。区块链的去中心化、不可篡改、公开透明等技术优势，可以规避数据在业务流转中的篡改、造假行为，有利于打造安全、可信、可溯源的交易环境。
习近平总书记强调：“加快推动区块链技术和产业创新发展，积极推进区块链和经济社会融合发展[2]。”交通运输行业是人流、货流、资金流、信息流、商务流“五流合一”的行业[3]。区块链技术与交通运输执法场景融合发展，对推动交通运输行业数据共享、增强大数据监管效力、提升安全发展水平、构建执法协同体系等具有重要意义。
1 公路动态检测设施和系统现状
徐州市位于苏鲁豫皖四省交界处，境内国省干线公路四通八达，是全国公路主枢纽城市。截至2022年底，全市公路通车总里程达15 859千米，养护里程15 341千米。全市有8条国道、18条省道穿境而过，其中高速公路通车总里程464千米，一级公路1 343千米，二级公路1 592千米。
1.1 公路动态检测系统
公路货车动态监测设施包含：动态称重、车牌识别、车貌抓拍、车辆检测、视频监控、信息发布、站端管理[4]等系统，以及配套工程（供电防雷系统、网络传输系统、补光照明系统、安全设施）。公路货车动态检测设施示意图如图1所示。
公路货车动态监测系统示意图如图2所示，流程如下：
1）车辆进入动态检测区域。
2）称重传感部件对车辆进行动态称重；抓拍摄像机进行车头、车尾、车侧面照片的抓拍并提取该车辆的前车牌信息；视频片段摄像机截取车辆进入及驶出检测区的片段视频。
3）形成运输车辆相关信息。后台处理软件对提取的车辆信息（包括重量、车牌、车貌、车速、动态视频等）进行系统匹配，将一辆车的所有检测信息打包上传，该信息作为原始证据链进行保存。
4）对超限超载车辆和执法人员发布信息。当系统判断出车辆超限时，系统会将车辆信息进行实时发布。通过户外可变情报板进行提示，对超限车辆进行告知。将相关超限超载信息发送到值班室监控终端或执法人员移动终端上，进行告知和报警。
5）数据上传管理平台。系统将通过车辆相关数据上传至管理平台。
1.2 公路动态检测设施分布情况
截至2023年底，徐州市共建成公路货车动态检测系统33处，其中市区9处、丰县5处、沛县6处、睢宁县2处、邳州市4处、新沂市1处、铜山区3处、贾汪区2处。徐州市公路货车动态检测系统日采集货车过车数据约24万条，系统通过比对公路超限管理系统、江苏运政在线、一体化管理平台、大件运输许可系统、重点营运车辆联网联控系统等研判产生货车超限超载线索信息800余条。
1.3 公路货车动态检测系统存在的问题
1）数据真实性、安全性不高。公路货车动态检测数据是开展货车超限超载运输非现场执法、源头执法、事后信用监管的重要数据，对数据的真实性、安全性和可信性要求很高。目前，全市已建成的33套公路货车动态监测设施，大部分建设时间较早，设施设备老化、数据存储能力落后；全市公路货车动态检测设施较为分布，参建单位多，标准不尽统一，数据采集种类多；受制于资金等因素，全市公路货车动态检测系统网络安全设备配备缺失，数据安全性不高；全市公路货车动态检测点大多在野外，机箱物理安全不够，存在网络被非法接入，篡改数据的风险。
2）数据传输网络安全风险较高。全市公路货车动态检测设施数据传输主要通过运营商线路先汇聚到就近治超点，然后汇聚到县区治超站，再逐级上传至市级治超平台和省级平台，线路传输节点多、网络跳转复杂，前端网络安全防护有限，存在线路传输安全隐患；治超点等基层办公点存在业务内外网混用、室外治超可变情报板通过互联网运行、与公安部门通过互联网APP交换数据等问题，数据传输网络防护较弱。
3）数据协同共享困难。当前公路治超工作已经进入路警联合、区域协同、非现场执法、事后信用监管等新阶段。公路动态检测数据需要实时共享给交警等部门，预警信息推送到一线执法人员实现线上线下一体化执法，违法证据信息共享到属地监管部门开展事后监管等。按照交通运输部和长三角交通运输一体化执法要求，还要实现长三角区域内的治超数据互联互通、共享交换，联网执法。受制于数据传输、共享的安全性、可信性和可追溯性等问题，当前徐州市公路动态检测数据仅在徐州市使用，不具备跨省、跨部门数据共享使用能力。
1.4 研究内容
本研究利用区块链技术的去中心化、数据存证、数据可信传输、加密计算等特性，为徐州市公路动态检测数据存储、传输、应用提供一种新的技术路径，解决传统公路动态检测系统中存在的安全性、可信性、可追溯性等问题，实现公路动态数据的真实可信采集、安全加密传输和可追溯性管理。
2 区块链技术应用研究
2.1 主要技术特点
2.1.1 数据可信存证
区块链采用共识机制来决定哪些数据可以被添加到区块链中，主要使用工作量证明（PoW）、权益证明（PoS）、权威证明（PoA）等算法：
1）工作量证明机制。主要是通过节点大量的计算能力驱动，参与节点需要通过不断尝试不同的随机数，使区块头部的哈希值小于某个难度值，一旦找到某个符合的随机数就会在全网进行广播，其他节点在验证通过之后，会承认该节点对区块的所有权，以及区块创建时对该节点的奖励。
2）权益证明机制。主要是根据节点持有数字货币的时间、具体数量为节点进行发放奖励。
3）权威证明机制。该机制的区块由可信节点依次产生，而节点之间无须在计算能力和币龄上进行竞争。
2.1.2 数据可信传输
P2P是区块链技术的网络通信架构，具备以下特点：
1）去中心化。网络中的资源和服务分布在所有的节点上，每一个节点保存着所有数据，信息的传输可以直接在节点之间进行，不需要中间环节[5]。
2）可扩展性。其他用户可以随时加入网络，系统的资源和服务能力也可以同步扩充。
3）健壮性。系统资源和服务是分散在各个节点之间的，部分节点或网络遭到破坏对其他节点货网络的影响较小[6]。
4）高性价比。可以利用互联网中散布的大量普通节点，将计算任务或存储数据分布到所有节点上。
5）隐私保护。信息的传输分散在各节点之间进行无须经过某个集中环节，隐私信息被窃听和泄漏的可能性大大减小。
6）负载均衡。每个节点既是服务器又是客户端，减少了传统C/S模型中对服务器计算能力、存储的要求，同时资源分布在多个节点，实现了整个网络的负载均衡[7]。
2.1.3 数据加密技术
主要利用密码学算法来解决数据的安全问题，包括哈希算法、数字签名和加解密算法[8]。介绍如下：
1）哈希算法。哈希（Hash）算法是将任意长度的二进制明文串映射为较短且固定长度的二进制串，并且不同的明文很难映射成相同的Hash值[9]。
2）数字签名。数字签名技术是对数字消息的摘要进行加密从而获得签名，用于证实该数字内容的完整性和来源。
3）加解密算法。加解密算法分为对称加密算法和非对称加密算法，两种模式适用于不同的需求，形成互补。
2.1.4 权限控制与管理
主要利用公钥密码学完成对身份权限的管理，每个参与者都拥有一对公钥和私钥。公钥可以公开分享，用于验证身份和进行加密操作；私钥则只有拥有者知道，并用于解密操作和数字签名。
2.2 搭建系统区块链联盟链
搭建徐州市交通执法支队公路货车动态数据区块链联盟链，在7个县区大队建设节点，形成1+7联盟链，覆盖全市33个公路货车动态检测系统。1为徐州市市级管理节点，对全市进行认证、管理等。7为各县区大队的分节点，负责本地的公路动态检测数据的管理、服务等。联盟链初始节点部署完成后，主干网络运行。市级保留1个初始节点私钥权限，将其他7个节点授权给7个县区大队进行管理，从而掌握节点的实际控制权，使业务相关的各方共同参与到联盟链网络的维护与治理中，确保联盟链有效可信。同时，基于业务需求，可以通过开放映射端口的形式完成与其他节点互联互通，实现联盟链的扩充。市级节点负责与上级部门、公安交警、市场监管、应急管理等跨部门、跨区域、跨层级的数据共享交换。
2.3 系统架构
基于区块链技术的徐州市公路货车动态检测系统总体架构由资源层、区块链层、数据层、适配层、服务层、应用层等功能层组成，示意图如图3所示。
具体介绍如下：
1）资源层。主要包括公有云、政务云、私有（自建）云等存储资源，计算中心、物理机等计算资源，区块链一体机等链资源，网络传输资源等。
2）区块链层。由图链区块结构、P2P网络结构、智能合约、共识机制、密码服务等组成。
3）数据层。提供区块链、分布式、业务、中间件等数据库。
4）适配层。提供核心层数据、应用等接口适配。访问接口通过调用核心层功能组件，提供可靠接入服务支撑。
5）服务层。主要包括链管理、链治理、链运维等。提供丰富的联盟链管理功能，满足不同业务和架构，实现业务与区块链网络的无缝对接。
6）应用层。根据公路动态检测业务的特点特性，在数据可信采集、数据安全传输、处罚信息流转、数据溯源、跨区域信息共享等业务场景中打造应用场景。
2.4 系统数据应用流程
徐州市公路货车动态检测系统采集货车过车数据（称重、图片、视频等）后上链存储、传输至市支队政务云存储平台，经系统自动比对判定是否超载，然后根据不同场景开展现场执法、非现场执法、源头监管、区域协同等执法监管业务，生成执法（监管）信息后上链存储共享。应用业务流程如图4所示。
3 创新点分析
基于区块链技术的公路货车动态检测数据传输可以实现数据的去中心化管理和安全加密传输、使用，防止数据篡改和泄露，提高数据的可信度和安全性。系统模块界面如图5所示。
系统主要有以下创新点：
1）保证过车数据的原始性、真实性。利用软件集成方式，在数据采集设备内集成与区块链平台相兼容软件开发工具包（SDK），使设备具有与区块链交互能力。在采集数据之后对数据（包括传感器编号、采集时间、具体采集数据、相关照片视频、文件等）进行加密处理并传输至徐州交通执法支队政务云存储平台，仅允许拥有查看权限的核查方，可解密并查看原始数据；同时，通过部署相应的智能合约实现数据指纹（哈希值）自动上链存证，避免数据篡改，保证数据的原始性、真实性。
2）安全、可信的数据传输。通过区块链的密码学数据加密技术，保障了全市公路货车动态检测数据在链上共享传输过程中不会发生数据被窃取或者被篡改等数据安全问题。上链前通过相应工具（如以太坊的Web3）处理数据，并且进行签名[10]。采用签名将发送者身份和发送信息绑定，进行身份认证，处理好的认证信息发送到不同节点。上链将动态数据写入区块的过程是去中心化的，由各分布式节点处理，上链后的数据无法篡改。上链后的动态数据需要进行智能合约处理和修改状态默克尔树。保证数据的安全、可信传输。
3）灵活、可扩容的节点管理。通过建立徐州市公路货车动态检测系统联盟链，可实现全市33个点位采集数据的存储、交换、共享和溯源等功能。通过便捷部署、灵活接入节点以及节点扩增等方式，快速搭建起4省13市、长三角货车动态数据联盟链主干网络，丰富链上执法数据。
4）高可用的数据。通过将全市33个点位采集的数据、当事人违法数据、电子证据上链，为开展区域协作、联合执法、非现场执法等工作提供数据支撑，完成跨区域违法车辆采集数据信息的“去中心化”“可追溯”的数据共享，实现执法业务协同；区块链赋能提升各类数据的证据属性，增强执法行为的公信力。称重超限超载报警详图如图6所示。
5）区域协同、跨链共享。各参与方共同维护区块链分布式账本，改变了传统的执法数据共享平台中数据中心对数据的主导地位，促进不同部门、不同区域、不同层级之间的合作，解决交通运输执法数据共享与开放中的互信、隐私数据保护、数据安全访问、数据交换的时效性、可追溯性可审计、身份认证、访问权限控制等问题，推动治超执法数据共享方式不断完善。
6）事后信用监管。可以实现对公路货车非法超限超载行为的源头执法和事后信用监管等。
4 结 论
本研究针对徐州市传统公路货车动态检测系统中存在的安全性、可信性、可追溯性等问题，将区块链技术中的数据可信存证、可信传输、加密技术、权限控制与管理等技术应用到公路货车动态检测系统数据传输中，完善了业务系统与区块链技术融合，研究成果对提高公路动态检测系统的数据真实可信、强化数据安全传输、高效应用方面具有一定意义。
参考文献：
[1] 张乐平.区块链时代的城市运营管理 [J].智能城市，2020，6（12）：22-23.
[2] 谭春桥，刘瑞环，赵程伟.基于区块链技术的疫苗供应链定价策略研究 [J].管理工程学报，2022，36（6）：205-220.
[3] 王琰，张永军，常征.交通运输的网络安全状况与技术措施分析 [J].电子技术，2021，50（12）：31-35.
[4] 潘彪，薛英龙，刘星.动态称重系统在城市道路运营管理中的应用 [J].市政技术，2021，39（4）：45-48.
[5] 杨帆，李争峰，梁利刚.关于P2P网络搜索算法介绍及应用 [J].价值工程，2011，30（28）：137.
[6] 李红雨，华宇，于静.多信道环境下的P2P通信系统设计 [J].无线电通信技术，2011，37（2）：1-3.
[7] 刘悦，李强，李舟军.P2P网络安全及防御技术研究综述 [J].计算机科学，2013，40（4）：9-13.
[8] 周桐.基于区块链技术的可信数据通证化方法的研究与应用 [D].合肥：中国科学技术大学，2019.
[9] 王甜宇，张柯欣，孙艳秋，等.基于区块链的中医药大数据云存储共享方案研究 [J].中华中医药学刊，2022，40（2）：132-135.
[10] 王隽.区块链技术在长三角区域交通运输从业人员信息共享中的应用 [J].中国产经，2023（13）：167-169.
作者简介：张允林（1986.03—），男，汉族，江苏沛县人，网络大队党支部书记、副大队长，高级工程师，硕士，研究方向：交通执法、科技信息化、智慧执法、党建。
