基于区块链的车辆信息系统

IEEE智能交通系统汇刊，第22卷，第4期，2021年4月 2013

交通生态系统中的可信性：区块链车辆信息系统

萨尔瓦托雷·迪斯特凡诺、安德烈亚·迪贾科莫和曼努埃尔·马扎拉

摘要

现代交通系统与计算机网络一样，正变得越来越快，旨在“缩短”距离和出行时间。这一趋势促使人们思考新服务，并基于智能交通系统等新技术重新审视现有服务。由此可以设想一个涵盖制造、物流、出行、保险、维护和交易等多个领域与交通领域交叉的综合性场景。构建这一交通生态系统的基础是一个能够围绕移动性和车辆概念汇聚所有相关利益方和领域的信息系统，以高效且可信的方式应对复杂的多方面问题。本文提出采用分布式账本技术来实现这样一个以车辆为中心的信息系统，在网络中分布式存储数据的同时确保可信性。基于车辆生命周期中不可篡改且经过认证的信息，可实施用于跨领域应对交通生态系统中多样性与复杂性的新服务。提出的解决方案融合了MultiChain和 MongoDB技术，在可信性与性能之间实现权衡，仅将元数据存储在MultiChain网络中。通过一个车辆交易服务示例验证了该方案的有效性，结果表明，在I/O操作上，相较于纯 MongoDB方案，所提出方案的开销低于18%。

索引词

—分布式账本，车辆生命周期，交通本体，安全，性能，可扩展性。

I. 引言

从系统工程的角度来看，交通系统由不同的组件（或子系统）组成，这些组件协同运作以运送乘客和货物。此类子系统的示例包括交通基础设施（道路、桥梁、港口、机场、铁路、车站、停车换乘场站等）、车辆（汽车、卡车、火车、船舶、飞机等）、设备（标志、摄像头、称重设备、交通信号灯、传感器等）以及交通管理系统（导航系统、交通监控等）。在全球化时代，交通系统是无边界的，必须应对不同地理环境带来的挑战，并考虑相关需求。

稿件收到日期2020年7月12日；修订于2020年11月30日；接受于2021年1月19日。出版日期2021年2月9日；当前版本日期2021年3月31日。本文的副编辑为A. 布基亚罗内。（通讯作者：曼努埃尔·马扎拉。）萨尔瓦托雷·迪斯特凡诺和安德烈亚·迪贾科莫隶属于意大利墨西拿大学数学、信息科学、物理与地球科学系‐MIFT，意大利墨西拿98122（电子邮件：sdistefano@unime.it；dgcndr98a06f158z@studenti.unime.it）。曼努埃尔·马扎拉隶属于俄罗斯因诺波利斯大学软件开发与工程研究所，俄罗斯因诺波利斯420500（电子邮件：m.mazzara@innopolis.ru）。数字对象标识符 10.1109/TITS.2021.3054996

物联网（IoT）、云计算、雾计算、边缘计算、大数据、人工智能、增强现实和虚拟现实以及信息与通信技术（ICT）拓展了智能交通系统（ITS）的范围，实现了新型增值服务（智能出行、自动驾驶车辆、供应链监控、出行等）。

因此，可以设想一个由多种异构交通（信息物理）系统（CPS）组成的生态系统，其重点在于移动性和车辆的概念。在这种以车辆为中心的交通生态系统中，一个重大挑战是通过合理利用智能交通系统（ITS）的网络/智能部分来监控、预测、支持和管理底层的物理部分（即交通系统），从而提供一种全面的方法来解决特定问题。在此背景下，一个跨领域的核心问题是可信性，即CPS的一个综合性属性，包括安全、隐私性、安全性和可靠性、韧性[1]。该交通生态系统可能包含与外部设施（如道路）交互的自动驾驶车辆、需要追踪的运输货物、出行时查阅信息娱乐系统（如交通、公共交通信息）的乘客、使用导航系统规划路线的驾驶员，以及监控和控制交通的交通管理系统等。因此，在所设想的交通生态系统中，各方之间交换信息的前提是彼此具备可信性。

满足这一需求需要提出采用一种基于区块链的解决方案来管理交通数据，使所有相关实体（利益相关者、乘客、货物、基础设施、传感器与执行器、车辆、服务等）能够通过一个可信的基于区块链的信息系统及关联机制实现可信地协同操作。这是构建交通生态系统的第一步，该生态系统旨在实现综合性解决方案，综合考虑多项目标，例如优化（多样化）货物（甚至混合货物）和人员的运输、多式联运、面向供应链的智能服务（包括出行即服务）、激励机制、商业模式以及其他机制（如分账支付、ITS区块链加密货币）。同时提供特定机制以避免机密信息泄露，例如匿名化，确保通过访问控制机制实现数据管理和共享。

本文规定了所形成的区块链车辆信息系统（VIS）的参考架构及其设计

以及概念验证的实现，旨在证明其在交通生态系统中的适用性和有效性。因此，本文其余部分组织如下：第二节通过特定的本体和车辆生命周期模型定义了以车辆为中心的交通生态系统的高层场景。第三节概述了基于VIS区块链的解决方案，而第四节详细描述了其设计与实现。第五节报告了一个增强型车辆交易服务示例，通过评估来证明所提出解决方案在当前问题上的可行性和适用性。第六节讨论了相关工作，第七节则对全文进行总结，并提出了未来工作的展望。

二、从交通系统到生态系统

A. 愿景

交通系统是“在一个特定区域内产生出行需求以及满足该需求的交通服务供给的各种要素及其相互作用的组合”[2]。这种需求可以表现为需要运输的乘客和/或货物，而供给则可以通过设施（基础设施、车辆）和服务（公共交通、票务、路线规划和交通管理）来体现。它与活动系统存在交互关系，包括所有其他生活和商业活动[2]，如图1所示。近年来信息与通信技术（ICT）的进步，例如物联网（IoT）、云计算、雾计算、边缘计算和大数据等，推动了对交通网络中多种创新且具有成本效益的移动服务和应用的研究，这些正在成为所谓智能交通系统（ITS）的基石“several innovative and cost-effective mobile services and applications for traffic networks are under investigation, emerging as the cornerstone of the so-called intelligent transportation systems (ITS)”[3]。这使得诸如智能出行之类的新服务成为可能，缩小了交通系统与活动系统之间的差距。

然而，要使这两个系统更加接近甚至融合，仍需付出一些努力。将运输中货物或出行乘客的信息与车辆、道路和交通状况相结合，可以在商业和社会场景中显著改进估算和预测。对交通系统与活动系统进行高效而深入的整合，能够在安全性、安全及其他质量方面提升现有服务，并实现新的增值服务。图1展示了一个智能交通生态系统。这种整合不仅限于交通环境中的车辆、基础设施、乘客、货物和服务；还包括汽车、空中、航天、船舶海运行业及其相关环节的所有步骤

产品生命周期（从设计到运营和维护，直至报废与回收）以及各类服务（如租赁、保险、旅行、信息娱乐、票务）。

在展望这种智能交通生态系统即将到来的未来时，其路线图的第一步便是设计一个统一的信息系统来收集交通数据，以确保安全性和可靠性。该系统将能够存储有关乘客、货物、车辆、交通基础设施以及提供给活动系统的相关服务的信息。然而，实现此类整合的主要障碍在于这两个领域及其相关利益相关者之间缺乏信心或信任。因此，需要建立可信机制来认证、授权、识别和验证数据来源。

本文的目的是定义一个框架，使得连接交通与活动领域的此类生态系统中的所有元素能够安全、可靠且可信地相互交互。该目标旨在改善和促进乘客和货物的运输，支持智能出行，实施针对车辆（车对车（V2V））和基础设施（车对基础设施‐基础设施对车（V2I‐I2V））的安全通信机制，安全地管理信息（事件、地理定位、维护警报等），并向所有生态系统利益相关者提供增强型、创新型且可追溯的服务，同时提供可扩展性机制以纳入新的利益相关方和服务。在一个交通生态系统中每个实体均被正式“注册”并唯一可识别的场景下，可以为车辆（交易、租赁、共享、合乘、保险、维护等）、乘客（票务、预订、调度、多式联运等）、货物（货运、追踪、供应链监控）、驾驶员和工作人员（交通监控、导航系统）等提供最优的增值服务，并允许他们与基础设施设施（例如道路传感器可直接且安全地与自动驾驶车辆交互）进行（安全的）交互。

B. 交通生态系统本体

因此确定的智能交通生态系统可以通过图2所示的本体进行描述，该本体由以下实体/利益相关者组成。

1)

车辆

：通用车辆（汽车、公共汽车、火车、船舶、飞机等）是主要实体，是交通生态系统的基石。一些车辆分类法和本体已被定义[4]。它们大多数专注于不同的领域（例如公共交通、货运、陆地、maritime、空中、多式联运、智能交通系统），特别是针对自动驾驶车辆[5],[6]和驾驶自动化系统[7]。本文重点在于表示车辆生命周期信息，从设计与制造到运营、维护与报废，如下所述。

2)

基础设施

：交通基础设施包含所有支持车辆移动性的实体（道路、高速公路、港口、车站、机场等）。与车辆类似，一些交通基础设施分类法和本体已被定义[4]，且大多专注于不同的领域（例如陆地、maritime、空中、多式联运以及智能交通系统）。在此背景下，智能交通系统基础设施本体尤其重要，例如在[4]中提出的本体，其包含了传感器与执行器等概念。这是用于表示车辆在出行和交通过程中所利用的基础设施要素的参考模型。

3)

载荷

：载荷是指车辆所承载的人员或货物。载荷可分为：

a)

乘客

：乘客代表车辆的人员载荷，可能关注时间安排与时刻表以及所有与行程管理相关的服务（预订、票务等），并可根据其需求分为不同类别，通常是通勤者和访客或旅行者。因此，已为乘客定义了一些分类法和本体，例如通勤者[8]或旅行者[9]，这些是本工作的基础。

b)

货物

：货物与产品通常需要进行地理上的移动，经常利用多种不同车辆。物理性的硬件货物可能在物态、危险性、食品或易腐货物等方面有所不同。主要需要对运输货物及整个供应链进行追踪与监控的服务。为了定义并自动化这些流程，本文中定义了用于产品与货物的特定分类法与本体[10]。

4)

车主

：车主是指拥有车辆的个人或公司。一个车主至少拥有一辆车，而一辆车可以由一个或多个车主共同拥有。如果车主使用该车辆，则其为自用用户（同时也是工作人员的一种特例）。

5)

人员

：人员由负责操作车辆的个人或一组个人组成，通常由其所有者任命，例如司机、飞行员、乘务员、船长和船员。对于私人及个人车辆而言，人员/驾驶员与车主可能为同一人（自用用户）。在本体和分类学方面，针对车辆人员的定义尝试较少，因为这不仅取决于车辆本身，还取决于所属组织/车主以及所载载荷的类型。

6)

服务

：该服务包括向以下对象提供的所有服务：车辆（如设计、制造、经销、租赁与维护）、载荷（销售、订票、共享、合乘、运输及货物监控）、车主（保险与交易）、工作人员（停车费/通行费支付与导航）、基础设施（维护及智慧城市/出行服务）。文献中已定义了一些交通服务本体[11]，但这些定义并未同时涵盖上述所有方面。

C. 以车辆为中心的智能交通生态系统

以移动性为核心，如上文所定义的智能交通生态系统的关键是车辆，车辆用于移动并运输乘客和货物。车辆是任何交通服务的基本和核心单元，利用交通基础设施所提供的设施和服务。因此，有必要追踪车辆生命周期，包括直接和间接交互的实体（驾驶员、车主、维护人员以及运输的货物或人员），以及与移动性概念相关的所有要素。

因此，一个以车辆为中心的智能交通生态系统可被视为面向移动性的交通生态系统的专门化形式，涵盖能够向活动系统中所有相关利益方提供的各类服务（及其提供者），从而与旅游、商业、金融、公共管理、媒体和信息娱乐领域产生重叠。

安全与可信性是使该生态系统能够允许所有利益相关者安全且可信地相互交互的基本需求。本文旨在实现该解决方案的第一个支柱，即一个以车辆为中心的交通生态系统的信息系统。

基于产品生命周期管理理论[12]，图3展示了一个通用的车辆生命周期，识别了从车辆生产到报废的各个步骤。

第一步是制造，由制造商主导，涵盖车辆生产过程中的研发、设计、开发和测试/认证阶段。车辆制造完成后，需交付给经销商或车主（分销），随后可进行销售/转售（交易），并涉及公共登记机构。车辆必须在此过程中投保（保险）以进入其运营阶段，并在保险到期时定期续保，内循环代表此过程；而外循环则描述了二手车的转售交易周期。车辆的运营可能因维护而中断，直至车辆达到使用寿命结束或进入报废阶段，对零部件或材料进行回收用于新车辆的制造，从而完成其生命周期。

车辆生命周期中涉及不同的利益相关者，包括制造商、分销商、保险机构、经销商、车主、车辆登记机构和用户（驾驶员、乘客及其他工作人员）机械维修和报废车间。

利益相关者产生大量数据：制造商管理车辆技术细节、零部件、设计文档、流程及相关参数，如燃油消耗和排放。分销商熟悉车辆供应链信息。车辆登记机构提供车牌、车辆识别码、注册日期、车主、品牌、型号、发动机排量、马力（CV）以及税费缴纳情况。保险公司管理保险政策和事故历史。车主管理车辆，分配任务（运输乘客和/或货物），并共享其位置、目的地等信息。通过与经销商的合作，车主了解车辆交易历史，而机械维修和报废车间则分别掌握维护和回收信息。这需要一个合适的平台，根据交通生态系统愿景在各利益相关者之间共享数据。

然而，欧盟估计，50%的车辆存在通过调表欺诈进行的里程篡改，导致消费者、经销商、租赁公司、保险公司、维修方和制造商每年损失€5.6至€9.6亿欧元；此外，还增加了公共安全风险。以车辆为中心的交通生态系统可受益于一个可信信息系统，通过新服务或增强服务提供关于车辆真实状况的认证信息，从而防止调表欺诈等欺诈行为。这种方法可提高交易服务的准确性；简化纠正性/预防性维护的诊断与预测；实现高度可定制的保险政策；减少里程欺诈；改善税收监管；支持供应链监控，提升货物运输和乘客出行服务；提供关于车辆地理位置和维护状况的可信信息（例如通过认证黑匣子）等。另一方面，在设想的以车辆为中心的交通生态系统中，还可实现新的智能出行以及车队和货物追踪与管理服务。

III. 提出的解决方案

从上述内容可知，车辆是交通系统的主要组成部分，其重点在于移动性，并延伸至一个生态系统，涉及交通环境外部的利益相关方。提出的解决方案主要针对以车辆为中心的交通生态系统实施一个信息系统，涵盖第二节中确定的所有元素和利益相关者，并由图2的本体表示。

A. 概述

管理以车辆为中心的交通生态系统信息需要提出一种基于区块链的解决方案，从而建立一个利益相关者社区，通过分布式系统实现可信的信息共享。在此社区中，部分利益相关方作为贡献者contributors，可能生成信息（生产者），这些信息可供其他人（其他生产者和/或消费者）访问或使用。

表I VIS系统需求

在由管理系统的管理员授权后，只有部分利益相关者、生产者和管理员可以在区块链系统上执行交易操作，而所有这些角色都可以参与已授权访问的区块的验证，因此需要一个许可型区块链。

在区块链车辆信息系统（VIS）中，可以识别出三种主要的利益相关方类型：生产者、消费者和管理员。生产者拥有对系统的读写权限。示例包括制造商、分销商、经销商、车主、工作人员、机械维修车间、保险代理人、车辆登记机构和废车场。消费者主要是系统的最终用户，例如乘客、货物追踪器或其他第三方服务（如交通监控系统和旅行社），经管理员允许后可访问系统的部分信息。因此，高效共享交通生态系统数据需要根据贡献者角色和权限应用过滤器和掩码，仅显示相关且被授权的信息。该过程由管理员通过适当的访问控制列表以及AAA（认证、授权和计费）机制进行管理。

B. 需求

上述讨论的以车辆为中心的信息系统的主要目标是以安全可信的方式（持续地）收集和共享信息，这些信息大多与图3中的车辆生命周期相关。为了实现以车辆为中心的信息系统，必须明确管理员以及贡献者（进一步分为生产者和消费者）的需求。在此生态系统中，任何利益相关方都必须向管理员提交申请，以注册为贡献者。注册申请包括潜在贡献者的基本信息、其角色（生产者或消费者）以及访问权限。管理员需要评估VIS注册请求，并决定接受或拒绝。如果请求被接受，管理员需配置系统访问权限，并支持其运行和管理。表I总结了VIS平台应根据角色分类实现的功能。

在非功能性方面，车辆信息系统必须将可信性作为基本且首要的要求来确保trustworthiness，而不仅仅关于数据的保密性、完整性和隐私性，以及可靠性和可用性。此外，提出的解决方案应具备可扩展性，能够应对大量贡献者和数据量，从而凸显出对性能的需求。用户界面必须易于使用且用户友好，并且在车辆信息系统上的所有操作对用户而言必须是透明的，避免向用户披露或要求其了解实现细节（例如区块链）。

IV. 设计与实现

车辆信息系统（VIS）的架构由不同的区块链节点组成，这些节点分为对等节点（参与读取和/或写入操作）和备份节点（被动节点，仅由对等节点更新），以保持服务的可用性。生产者通过其客户端VIS接口将数据插入车辆信息系统，而作为区块链系统成员的管理员则通过管理员客户端VIS管理接口管理系统。贡献者通过其本地的客户端VIS接口查询车辆信息系统。该区块链解决方案确保了上述可信性/非功能性需求的部分实现，主要涉及信息安全。

为了满足可靠性、可用性、性能和可扩展性需求，车辆信息系统被划分为两部分：原始数据（图像、文件、文档等）存储在VIS数据库中，而元数据则存储在区块链网络中，如图4所示的参考架构。因此，元数据在区块链系统中被加密并安全存档，包含用于检索原始数据的链接；原始数据本身不加密，存储在数据库中，且不对元数据进行索引以供检索。这有助于满足可信性需求，同时通过采用分布式数据库并将VIS服务器部署到（云）容器化环境中以实现自动扩展，进一步增强了系统的可信性。

如图4所示，节点（无论是移动的，例如车载计算机或个人设备，还是静态的，例如工作站）通过REST API与VIS服务器交互，而区块链节点之间的交互则通过远程过程调用（RPC）执行。因此，这些节点不依赖于VIS服务器，VIS服务器主要可被视为用于查询车辆信息系统的Web界面。

A. 工作流

一个利益相关方加入车辆信息系统社区的通用工作流程如图5所示。第一步是注册，由利益相关方正式提出申请，

通过Web服务发送请求，并转发给需要管理该请求的管理员。如果管理员批准了该请求，利益相关方即可加入车辆信息系统，在其中根据其访问权限（读取和/或写入特定信息，具体取决于角色）提交查询（内层循环）。与此同时，区块链信息系统将使利益相关方参与系统操作（如验证、挖矿和更新），直到该利益相关方离开系统。

注册工作流程如图6所示。利益相关方通过VIS服务器加入区块链后，需提交VIS注册请求并填写表格，该表格将被转发给管理员。管理员则通过管理客户端模块处理待定请求，评估该请求以决定是否接受。随后，系统会将决策结果通知请求者：若请求被接受，管理员需更新并配置VIS平台，为新贡献者定义访问权限和策略。

注册后，贡献者以及管理员可自由通过其BC客户端模块加入和离开车辆信息系统，如图7a所示。每次加入时，BC客户端必须通过查询区块链系统，更新本地BC区块数据库，该数据库包含自上次访问VIS以来所有经贡献者访问授权的交易。读写I/O操作可能涉及区块链系统和数据库，如图7b所示。VIS服务器管理I/O请求，首先检查利益相关方是否具有执行该操作的权限，从而访问区块链系统以获取元数据。随后，VIS服务器可能需要访问VIS数据库，以检索或存储与该元数据相关联的数据。

B. 数据设计

上述讨论的架构描述了能够处理由图2所示的以车辆为中心的本体所表达的数据和信息的主要组件。该架构在图8所示的数据模型中实现，数据模型分为车辆信息系统区块链（元数据）和数据库（如视频、音频和文档）两部分。以下详细介绍这两部分。

1)

数据库

: 车辆信息系统由来自图2本体及图8相关数据模型的数据集合组成。已识别出七个集合，如表II所示。所有利益相关方被归入利益相关方集合，提供或使用服务集合中的服务，并汇集来自其他集合的信息。基础设施和车辆集合分别存储关于交通基础设施设施和车辆的静态信息，而关于基础设施和车辆的地理定位及事件的动态信息则分别包含在地理定位信息和事件集合中。关于车辆、基础设施和服务的经济财务信息由交易集合收集。

2)

区块链

: 数据存储在区块链内，使用流，这是一种具有无模式结构的键值数据库，允许定义索引或键。一个特殊的属性发布者用于存储节点，通过其地址在流中插入新元素。每条流记录，即一笔交易，还具有以下特征：链外，一个用于指示的布尔标志该条目是否与链同步；available，一个布尔标志，用于指定该条目是否已在网络的所有节点上更新并可用；confirmations，在与流条目相关联的交易之后区块链中创建的区块数量；blocktime，区块生成的时间戳；txid，流内元素的ID。为车辆信息系统区块链定义了七个主要的输入/输出流，对应于表II中的集合。这些流可进一步划分为子域，以调整（更细粒度的）数据共享和访问控制策略。

C. 实现

在车辆信息系统的实现中，可以确定一些关键的使能技术。Node.js 作为一种 JavaScript 运行环境，被用于开发车辆信息系统服务器前端。Electron（一种基于 Node.js 的框架，用于开发跨平台桌面应用），被用于开发车辆信息系统接口。MongoDB（一种面向文档、分布式、非关系型（NoSQL）的开源数据库管理系统，具备水平可扩展性和可用性）被选作车辆信息系统数据库。文档以 JSON 格式表示，并在物理层映射为 BSON。MultiChain 是所选用的区块链系统平台。MultiChain 采用轮询的共识模型，以确定哪个节点挖掘区块链的下一个区块。一旦生成区块，每个（被允许的）节点都会在将新交易添加到链之前对其进行验证和确认。

为防止51%攻击，MultiChain 提供了一个 lockblock 参数，用于设置一个检查点，以便在发生攻击时回滚到该链上指定位置。此外，还提供其他机制和运行时参数，以进一步加强验证过程[13]。MultiChain 支持创建资产，用于区块链对等节点之间的交易，以及创建流来存储数据。创建第一个区块（即称为 genesis 区块）的对等节点将自动获得管理员权限。

为确保安全和数据隐私，管理员可以通过将对等节点分配到“组”（即管理自身区块链分支的流）来指定网络中对等节点允许执行的操作。在众多选项（如 Hyperledger 或 BigChainDB）中选择 MultiChain 的原因在于其强大的访问控制机制和设施，这些功能由组及其相关的区块链分支提供。此外，MultiChain 支持定义多个以及多币种区块链，每个区块链都有自己的名称和配置文件，并且可以相互交互以交换数据。

基于这些技术，第四节A部分中描述的三个操作实现如下。图6中的注册由对车辆信息系统感兴趣的参与方发起，并涉及管理员。该操作通过使用 Multichainchild_process 包在壳层内执行命令行操作来实现。为了与 MultiChain 区块链交互，节点必须拥有用于运行 MultiChain 区块链进程的可执行文件。在管理员成功评估请求后，将根据请求中指定的贡献参数创建并定制一个新节点。同时，在 AppData 中创建一个本地文件夹，用于存储所有区块链信息，包括节点钱包和 RPC 连接的凭证。

对等节点通过 BC 客户端 API 调用发送连接请求，加入 VIS MultiChain，并接收其钱包和区块更新作为回复，这些内容存储在 AppData 文件夹中，如图7a所示。I/O 交互如图7b所示，由 multichainNodeAsync 对象实现。为使所有 MultiChain API 方法变为异步，使用了 bluebird npm 包。该车辆信息系统实现代码及部分示例可在在线获取。

五、从理论到实践

A. 应用场景

采用去中心化且可信的平台可提升以车辆为中心的交通生态系统中各利益相关方的协调性和生产力，在确保相关服务可信性的同时，开启新应用场景。例如，在制造方面，可以实施新的增强服务，以改进整体的车辆开发过程。通过收集来自车辆运行与维护的详细且真实的反馈，可以借鉴软件工程领域中 DevOps 所采取的方向，将其纳入车辆开发过程中，从而优化现有设计和新设计。车辆信息系统能够建立与客户的直接联系，客户可利用该系统获取车辆信息，并请求特定、定制化及按需服务（如车辆定制和预防性维护）。例如，现代汽车正与 IBM 合作开发一个去中心化应用，以协调所有生产活动，自动化所有“人工”流程，可能会导致延迟，为降低成本并提高吞吐量，使利益相关者能够了解所有生产阶段。

车辆的地理定位信息能够为乘客和货物提供实时信息与服务（智能出行、地理定位以及信息娱乐服务，和车队管理），使其可根据此类信息追踪并规划出行或货运（例如多式联运、追踪、交通/供应链监控、路线规划、票务、出行、停车和共享）。在安全性方面，还可通过可信且可靠的车辆静态（维护）和动态（速度和轨迹）状态详细信息，在监控和改进维护服务、事故和应急管理方面获得其他重要益处，同时防止调表欺诈，减少盗窃及其他欺诈行为。在此背景下，大众汽车于2018年收购了立陶宛初创企业 carVertical，以利用区块链网络追踪车辆历史，防止欺诈。该服务会在不同平台搜索信息并将其记录到区块链中。

在较低层级，可以通过利用 IOTA 以及类似的面向物联网的分布式账本解决方案，实现车辆与交通基础设施之间更高效的一体化。这将影响车辆与基础设施之间的连接（V2V、V2I、I2V）以及相关服务（如智能出行、信息娱乐、广告和交通管理），从而能够向驾驶员定制化提供信息，并通过与交通基础设施设备（例如摄像头、交通信号灯、动态信息标志）的主动交互，改进并扩展自动驾驶车辆的应用场景。

然而，一个可信的车辆信息系统可能主要在商业和经济领域产生颠覆性影响：现有的服务，如车辆交易、保险和票务服务，可以被彻底改变，从而提高估值的准确性，并根据用户的驾驶/出行偏好和历史记录实现精细化和个性化定制。此外，还可以利用区块链的杀手级应用——加密货币，开发新型经济服务，例如支持（多式联运的）交通服务聚合，通过将支付分拆给多个服务提供商，使用户能够发现、比较、组合并选择最佳服务，涉及新的和多个利益相关方，并通过智能合约驱动的交互实现。博世正与西门子合作，开发基于区块链的系统，以自动化电动汽车充电，在系统中向用户显示最近的充电站及其相关信息（充电速度、费用等）。类似地，他们也参与了基于智能合约的智能停车支付系统的开发。

B. 初步评估

以图9所示的车辆估值服务为例，该服务已在车辆信息系统（VIS）基础上实现，并经过评估以证明其可行性和有效性。该服务描述了一种先进的估值系统，该系统从传统的第三方估值服务（基于年份、里程和车辆状况）出发，能够利用车辆信息系统（VIS）提供的经认证的车辆信息（如事故记录、维护记录等）来改进估值结果。在性能方面，车辆信息系统（VIS）的估值服务利用了第四节中所述的车辆信息系统区块链（VIS Blockchain）操作，从而因与区块链系统的交互而产生了一定的开销。为了评估这一性能开销，通过车辆估值服务对车辆信息系统（VIS）的操作进行了基准测试，测试过程中使用了不同的数据集和存储系统。

实验主要在同一个城市区域的测试平台上进行。VIS 服务器部署在位于墨西拿大学的一台服务器上的虚拟机实例中，而1至7个不同的贡献者客户端以及1个管理员客户端则作为容器部署在位于墨西拿的三台笔记本电脑上，并通过 ADSL 互联网连接（最高30 Mbps）与服务器相连。在 VIS 操作性能评估中，每次实验均执行1000次，以评估准确性的标准差和置信区间（95%）。

在实验中，我们首先对注册操作进行了基准测试，该操作相对简单，因为它不依赖于车辆信息系统中的利益相关者和条目的数量。然而，如图6所示，它积极涉及管理员，这是一种随机且难以评估的交互。因此，在实验中，我们假设管理员会自动且即时地确认收到的注册请求，从而获得1.432秒的平均注册时间。

车辆信息系统加入操作主要需要更新本地交易数据库，因此会受到自上次离开以来在授权访问/订阅流中执行的交易数量的影响，主要体现在区块方面。为了公平地进行加入时间的基准测试，需要存在相同大小的区块，因此相关的 VIS MultiChain 参数被设置为每区块10笔交易，每笔交易约10 KB，平均达到平均每区块100 KB。图10所示的测量结果表明，车辆信息系统加入操作呈现出准线性趋势，展示了高效的可扩展性。

为了评估 VIS I/O 操作，在 VIS 估值服务实验中使用了四个分别包含1000、10000、100000和1000000条目的数据集。此外，三个已考虑了不同的存储系统：i) MultiChain，其中所有车辆信息（即数据+元数据）存储在区块链系统中；ii) MongoDB，其中所有车辆信息存储在（无需信任的）MongoDB 集群中；iii) MultiChain + MongoDB，即 VIS 提出的解决方案，将车辆元数据存储在区块链系统中，数据存储在 MongoDB 系统中。因此，实验中确定了12种不同的 VIS 配置，即对一辆车辆的查询（宝马，位于罗马，柴油，价格低于21000欧元，功率在90马力至230马力之间，里程低于10万公里）。所得结果如图11所示。

正如预期，由于 MongoDB 每秒允许280000次操作，而 MultiChain 每秒仅允许2000笔交易，因此将所有数据存储在 MultiChain 中是最慢的解决方案，而 MongoDB 是最快的。然而，重要的是要指出，提出的 VIS 解决方案（MongoDB+Multichain）几乎具有与 MongoDB 相同的性能，在表III中报告的开销为7%到18%之间。事实上，所提出的解决方案最坏情况下比 MongoDB 慢90毫秒（考虑10万和100万条目时），并且这两个存储系统（MongoDB vs MongoDB+Multichain）之间的性能比率随数据大小略有增长（对数增长），直至达到10万，之后趋于稳定。这种增长主要是由于 MultiChain 使用的内存数据库（LevelDB）比 MongoDB 更慢所致。然而，MultiChain 增强了安全、可用性和可扩展性使区块链应用具有可信性，如果像车辆信息系统中那样结合使用 MongoDB，则能在性能和可信性之间实现有效的权衡。

VI. 相关工作

交通科学与工程领域正越来越多地融入区块链和分布式账本技术。一些综述性研究已在物联网和智慧城市服务背景下部分探索了这一广泛领域，例如智能出行[14]–[16]，或在更具体的应用领域如物流[17]和供应链[18]中展开。

大多数区块链应用集中在智能交通系统（ITS）[19],[20]领域，主要目标是改善并保障智能交通系统智能对象之间的通信。在这方面，车辆、车载网络[20]、车联网[21]受到广泛关注，特别是针对智能[22]、电动[23]和自动驾驶车辆[14],[24]。可信的信息娱乐系统已在[25]中实现，主要形式为车载公告网络。Block-VN[26]对车载网络进行了研究，主要聚焦于智慧城市中的车对车（V2V）和车对基础设施（V2I）通信，以实现安全可靠的交互机制。类似地，DrivMan[27]旨在基于区块链和通过物理不可克隆函数实现的认证机构，在车载自组织网络（VANET）中构建一个数据共享系统。同样，文献[28]提出了一种有前景的方法，结合不同的分布式账本，在车载自组织网络通信中提供可扩展性（IOTA 和 IPFS）和服务能力（以太坊智能合约）。在通过智能合约实现可信的出行即服务范式方面，已有研究尝试提出方案，例如文献[29]主要关注出行相关方面，而文献[30]则针对智能停车管理系统。

区块链技术在商业交通领域正受到越来越多的关注：超过50%的汽车制造商高层管理者认为，基于区块链的解决方案可能对汽车行业产生重大影响。一些用于管理车辆生命周期信息的基于区块链的解决方案已在商业环境中开展研发并构建了原型，通过区块链网络系统连接特定的车载物联网设备来提供智能服务。示例包括 Vinturas 和 VinChain，它们提供追踪车辆生产阶段的服务。

Vinturas 是由多家欧洲物流公司组成的联盟，将与 IBM 合作推出基于区块链技术的去中心化应用，以建立从制造商到经销商的车辆追踪平台。其主要目标是标准化所有任何利益相关方提供的信息，以促进所有生产和交付阶段。

VinChain 是一个基于区块链的平台，存储由安装在车辆上的特定设备获取的车辆信息和事件，并将数据发送至该平台。为了推动此类设备的采用，所有用户都将获得 VinChain 代币奖励，这些代币可用于对其他车辆的查询，或转换为其他加密货币。

尽管应用场景不同，但所有这些研究主要解决的共同问题是在车辆之间（车对车（V2V）、车载自组织网络）以及车辆与交通基础设施之间（车对基础设施‐基础设施对车（V2I‐I2V））建立和管理可信通信。在少数情况下，例如电动车辆（电池充电）[23]、物流/运输/供应链监控[16]–[18]以及智能出行[29],[30]，其增强服务构建于区块链解决方案之上。一些孤立的尝试已在商业环境中实施基于区块链的信息系统，主要集中在特定应用领域（如供应链和维护），并需要专用设备。然而，这些努力表明，分布式账本解决方案几乎适用于所有应用领域的交通系统和服务，包括从供应链监控到交通管理，从智能出行为基础设施管理，再到车辆制造与维护以及运输和出行。现有解决方案大多采用孤立的、封闭模式，仅关注少数特定方面。一个全面、开放的平台不仅是可行的，而且是必要的，以便从分布式账本这一共同基础出发，为广泛社区整体性地解决上述所有问题。所提出的 VIS 方法将交通系统的范围扩展为一个生态系统，涵盖活动系统服务，涉及从制造商到维修车间、从乘客到货物、从经销商到共享或租赁服务、从保险到登记机构等多方利益相关者，实现一种去中心化和开放解决方案，避免商业方案中的供应商锁定。为了实现这样的交通生态系统，所有服务都应在相同的技术和平台上运行，即所提出的区块链车辆信息系统。

结论

本文提出了一种以移动性为中心的可信以车辆为中心的交通生态系统的新颖愿景，旨在将（智能）交通系统的范围扩展至活动系统。为了实现这一交通生态系统的愿景，我们从开发一种能够依托分布式账本在相关利益方之间可信地共享数据的信息系统入手。该技术的基本特性，如分布式、高效性和可验证性，为以数据为中心的应用带来了颠覆性潜力，尤其是在可信性成为必备需求的场景中。交通正是此类场景之一。

本工作的核心贡献是 VIS 平台，利用区块链实现用于认证、授权和计费管理的信任体系，所设想的交通生态系统，使车辆生命周期数据不可篡改，从而支持新的应用和服务。所提出的 VIS 解决方案结合了分布式数据库和区块链技术，分别用于存储数据和相关元数据，该方案利用 MongoDB 和 MultiChain 技术进行设计与实现，以确保可信性与性能/可扩展性之间的合理权衡。

通过对 VIS 平台主要操作的概念验证实现进行了性能评估，并以车辆估值服务为例进行了基准测试。实验中使用了不同的数据集，还将 VIS 结合 MultiChain-MongoDB 的解决方案与仅基于 MongoDB 或 MultiChain 的“纯”存储方案进行了比较。结果表明，VIS 解决方案非常有效，在可信性、性能和可扩展性之间实现了良好的平衡。未来工作将侧重于将评估扩展到更实际且更复杂的案例研究。