CN109816995B - 一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，包括车载单元、路边单元、交通部门以及ACP系统。车载单元向路边单元发送实时路况信息，预选的记账路边单元节点将信息记录到区块中，交通部门从区块链上解密获取路况信息，触动智能合约自动执行，ACP利用获取的路况信息动态调控信号灯时长。信号灯调控结束后，交通部门对车载单元信誉值进行评价，通过支付信誉值可以享受获取实时路况信息等服务。本发明解决了交通信号控制的中心化问题，减少信号灯管理与协调过程中的高度人为干预，节约财力物力资源。实现信号灯管理与控制的协同优化，为车载自组网提供安全可信的通信环境。同时保证了信息的机密性、隐私性和不可否认性。

Description

一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控 方法
技术领域
本发明属于智能交通信号灯安全动态调控，涉及到信息安全领域中的区块链技术，以及ElGamal加密和数据安全性验证的方法。
背景技术
统计显示，未来10至20年内注册车辆的数量将达到20亿辆，车辆数量的急剧增加导致交通环境恶劣，道路拥塞严重，车辆通行缓慢。交叉口信号灯时长配置不合理是导致交通拥塞的重要因素。目前交通信号控制主要包含三类：定时控制、感应控制和自适应控制。信号灯固定时长控制只适合车流量稳定的情况，感应控制对周期时长等时间参数不敏感，自适应控制根据车流量实时调控信号灯时长，交通信号灯自适应调控成为解决道路拥塞的关键问题。
目前交通信号灯调控的研究成果包括利用视频技术统计汽车数量，计算车流密度，但该方案易受恶劣天气影响,导致得到的车流密度误差较大。为了准确计算车流密度，吴黎兵等在《计算机学报》2016,39(6)“一种VANET环境下的智能交通信号控制方法”中使用双层管道模型采集和处理车辆发送的相关信息，根据实时路况动态调控信号灯时长。A.G.Sims等在《IEEE Transactions on Vehicular Technology》1980,29(2)“The Sydneycoordinated adaptive traffic(SCAT)system philosophy and benefits”中应用SCATS(Sydney Coordinated Adaptive Traffic System)依据平均交通状况分配合理的绿灯时长。Dennis I.Robertson等在《IEEE Transactions on Vehicular Technology》1991,40(1)“Optimizing networks of traffic signals in real time-the SCOOT method”中采用SCOOT(Split,Cycle,and Offset Optimization Techniques)根据检测器检测到的车辆数，自适应调控交通信号灯。以上方案均通过中央控制计算车流密度，易遭受中心节点的攻击，导致信息不对称形成信息孤岛。为了提高信号调控过程的稳定性，Wei-Hsun Lee等在《Information Sciences》2010,180(1)“Collaborative real-time traffic informationgeneration and sharing framework for the intelligent transportation system”中使用分布式协同方式获取交通流信息，免受中心节点攻击且不受天气影响；ErfanShaghaghi等在IEEE Asia Pacific Conference on Wireless&Mobile,2014国际会议上介绍了利用车辆发送的交通信息生成交通信号时长，动态调控信号灯，但交通数据都以明文形式传输，易被攻击者伪造或篡改，破坏信息的机密性，因此获取真实准确的交通状态信息是交通信号控制的焦点。
车载自组织网络在智能交通系统中的通信过程发挥关键作用。网络中的每辆车看作一个节点，车辆可以通过V2V(Vehicle-to-Vehicle)和V2I(Vehicle-to-Infrastructure)传输信息和提供请求服务。车载自组织网络的高移动性和易变性威胁通信过程的安全性、机密性和匿名性，许多基于隐私保护的论文被发表，Victor Sucasas等在《Computers&Security》2016,60“An autonomous privacy-preserving authenticationscheme for intelligent transportation systems”中提出由信任机构(TrustAuthority，TA)为每辆车颁发证书，车辆发送的路况信息使用证书生成签名，无法解决证书管理和私钥托管问题，而且对证书的维护需要巨大的开销。崔杰等在《IEEE Transactionson Vehicular Technology》2017,66(11)“SPACF:A Secure Privacy-preservingAuthentication Scheme for VANET with Cuckoo Filter”中使用cuckoo滤波器加快签名时间，但不能进行批量验证，导致计算开销很大，而且无法解决密钥托管问题。近几年，祝烈煌等在《Future Generation Computer Systems》2018“Controllable and trustworthyblockchain-based cloud data management”中主要应用车载云计算平台管控车辆共享的交通和道路安全信息，有效的防止了明文、中间人攻击，该方案计算开销很小但是通信开销较大。目前，李伦等在《IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems》2018,19(7)“A Privacy-Preserving Blockchain-Based Incentive AnnouncementNetwork for Communications of Smart Vehicles”中提出了基于区块链的隐私保护公告网络，在不暴露车辆隐私的条件下保证车辆发送信息的可靠性，使用门限环签名验证消息，当环的尺寸增大时，伪造签名的攻击者增多，验证签名的计算开销也随之增大。陆赵军等在《IEEE Access》2018,6“Privacy-Preserving Trust Model Based on Blockchain forVANETs”中应用区块链技术的存在和缺失证明实现公钥的更新与撤销，预防车辆发送虚假信息，保护车辆的身份隐私和安全，但是频繁的更新和撤销私钥易造成网络拥塞和数据冗余。本发明使用加密签名算法保证信息交互过程的机密性与安全性，通过预选记账节点避免网络拥塞，采用联盟区块链技术实现去中心化，所以上述方案均不适用于智能交通信号灯安全动态调控。
发明内容
为了克服现有技术的不足，实现交通信号灯安全动态调控，本发明提出一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法。
本发明所述的一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，主要包含车载单元、路边单元、交通部门以及ACP系统，其中ACP系统主要包括人工系统(Artificial System,A)、计算实验(Computational Experiments,C)、并行执行(ParallelExecution,P)。车载单元与车载单元、车载单元与路边单元采用专用短程通信技术进行信息交互；路边单元与路边单元通过有线通信连接；交通部门从区块链上获取密文信息，利用私钥对密文解密获取路况明文；ACP系统首先建立物理交通信号系统对应的人工交通信号系统，然后通过计算实验对人工交通信号系统的绿灯时长进行统计分析，最后利用平行执行将计算结果反馈给物理交通信号系统，实现绿灯时长的分配。车载单元向路边单元发送实时路况信息，预选的记账路边单元节点将信息记录到区块中，交通部门从区块链上解密获取路况信息，触动智能合约自动执行，ACP利用获取的路况信息动态调控信号灯时长。信号灯调控结束后，交通部门对发送真实路况信息的诚实车载单元给予信誉值奖励，对发送虚假路况信息的车载单元扣除信誉值作为惩罚。同时车载单元通过支付信誉值可以享受获取实时路况信息等服务。采用ElGamal加密和群签名算法保证信息的机密性和车载单元的身份隐私，产生纷争时交通部门追踪揭露恶意车辆的真实身份保障安全可信的通信环境。
本发明所述的一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，按以下步骤：
(S01)：使用ACP建立物理交通信号控制系统对应的人工交通信号系统，将交通部门从区块链上解密获取得路况相关信息整合到人工交通信号系统中，通过平行执行把人工交通信号系统的时长分配结果反馈给物理交通信号控制，为交叉路口分配合适的绿灯时长，默认ACP已经完成学习和训练，对交通部门解密获得的路况信息可以进行预处理；
(S02)：对路况信息使用满足语义安全的ElGamal加密实现信息交互的机密性与安全性，采用基于BLS的群签名对路况信息进行验证，路边单元作为群管理者主要负责群成员加入群组的登记、离开群组的撤销和签名的验证，当签名验证失败时，群揭露者——交通部门负责打开签名揭露群成员的真实身份，基于BLS的群签名避免了信息伪造攻击，确保信息交互过程的前后向安全性和不可否认性；车载单元将经过加密签名的路况信息发送给路边单元，预选的记账节点将路况信息记录到区块中，验证节点验证区块和信息的有效性，将验证通过的区块连接到区块链上；
(S03)：交通部门从区块链上解密获取路况信息，智能合约触发ACP根据路况信息计算车辆权重总和，因为右转车流不会影响其他方向车辆的正常行驶，所以本信号调控机制忽略右转车流对绿灯时长分配的影响；
(S04)：车载单元权重总和反映了车流密度，ACP根据车流密度动态分配合适的绿灯时长，车流稀疏时为绿灯分配较短时长，车流密集时为绿灯分配较长时间，车流很少甚至没有车流时，如果仍为当前相位分配绿灯时间会导致其他方向的车流处于红灯等待状态，降低了绿灯使用率，所以当车流很少时，直接跳过绿灯时长的分配，转移绿灯控制权到下一个相位，同一相位多次转移绿灯控制权会导致某些方向的车辆一直无法通过交叉路口，设置绿灯跳过次数的阈值，连续跳过绿灯次数大于该阈值时，为当前相位分配最短绿灯时长；
(S05)：信号灯调控结束后，交通部门根据信誉机制对发送真实路况信息的诚实车载单元给予信誉值奖励，对发送虚假路况信息的车载单元扣除信誉值作为惩罚，同时车载单元通过支付信誉值可以享受获取实时路况信息等服务，车载单元拥有的信誉值越多，响应其服务请求越快，忽略信誉值小于0的车载单元发送的路况信息和服务请求。
本发明步骤(S02)所述的区块结构，包括以下具体内容：
(1)预选的记账节点将路况相关信息记录到区块中，区块体中主要包括状态树、收据树、交易树；
1)状态树：记录信号灯调控后的整体状态，如每次信息交互完成后车载单元信誉值增加或减少、交通信号灯的状态、节点是否为群成员等；
2)收据树：保存每次数据交互的收据，即每次交互影响的结果，如绿灯时长的分配、车载单元的信誉值等；
3)交易树：存储区块中所有历史交互信息，主要指车载单元发送过的路况、车辆类型等数据；
(2)区块体由车辆交互信息的哈希值构成，包括车辆类型，驾驶信息，实时路况，天气状况，故障信息、曝光信息和信誉值。
本发明步骤(S03)所述的车辆权重总和，具体计算方法为：
(1)一辆车等效为一个车载单元，根据车身高度、可承载人数将车辆分为小型、中型、大型三种，权重分别为x1、x2、x3(0<x1＜x2＜x3＜1)，其中小型车辆为标准权重，当前相位的小型车辆、中型车辆、大型车辆的数量分别为n1、n2、n3；
(2)当前相位的车辆总数为N(N＝n1+n2+n3，右转车流除外)，令每辆车的权重为
Figure BDA0002006182370000046
(均大于0)，累加影响绿灯时间分配的所有车辆权重和为Y(0≤Y≤1)，则有
Figure BDA0002006182370000041
其中，
Figure BDA0002006182370000047
的取值如(9)式所示
Figure BDA0002006182370000042
本发明步骤(S04)所述的绿灯时长的分配，具体按以下规则计量：
假设绿灯跳过次数阈值为α，车流稀疏时车辆权重总和的阈值为β，车流密集时车辆权重总和的阈值为θ，多次跳过绿灯的路口分配的最短绿灯时间为TGmin，缓解交通拥塞可分配的最长绿灯时间为TGmax，分配的绿灯时长为TG(TGmin≤TG≤TGmax)，连续跳过绿灯次数为k；如果当前相位的车辆权重总和Y比θ大，表明道路拥塞严重，为路口分配最长绿灯时间TGmax缓解拥塞；若当前相位的车辆权重总和Y比β大但小于或等于θ，表明车流量较大，为当前相位分配绿灯时长TG；若当前相位的车辆权重总和Y小于或等于β，表明车流稀疏，跳过该相位的绿灯时间分配，将绿灯控制权直接分配给下一个相位，当连续跳过绿灯次数k大于α时，为历经多次跳跃绿灯而未通过车辆的路口分配最短绿灯时间TGmin，分配的绿灯时长可用式(3)表示，其中
Figure BDA0002006182370000045
为向上取整函数。
Figure BDA0002006182370000043
本发明步骤(S05)所述的信誉机制，按以下步骤：
车载单元的初始信誉值为0，采用信誉函数计算车载单元的信誉值，信誉函数为：
Figure BDA0002006182370000044
其中
Figure BDA0002006182370000053
表示车载单元i在m次发送或接收信息后的信誉值，
Figure BDA0002006182370000054
表示车载单元i在第m次发送或接收信息所获得的信誉奖励值，
Figure BDA0002006182370000055
表示车载单元i在第m次发送或接受信息所获取的信誉惩罚值，车载单元信息交互过程发送的信息主要包括驾驶信息、路况信息、天气信息、故障信息、举报信息，根据紧急程度将信息的重要性I从低到高排序并做出详细说明：
1)I＝1，驾驶信息主要是车辆驾驶速度、当前位置；
2)I＝2，路况信息，如道路拥塞、道路维修、道路损毁等；
3)I＝3，天气信息，如暴雨、大雪、能见度低的雾天等；
4)I＝4，发生交通事故，如车祸等
5)I＝5，车辆驾驶过程出现的故障，如方向盘失灵、爆胎等；
6)I＝6，举报发送虚假信息的恶意车辆；
式(4)的车辆信誉值与式(5)的信誉奖励函数
Figure BDA0002006182370000056
和式(6)的信誉惩罚函数
Figure BDA0002006182370000057
密切相关，信誉奖励还是信誉惩罚取决于信息的重要性I(I＝1～6)、消息发送的先后顺序N(第一个发送信息的车辆N＝1)、发送信息的车辆与接收信息的车辆之间的欧式距离为D(以米为单位)，
Figure BDA0002006182370000051
Figure BDA0002006182370000052
其中b为信誉奖励系数，c为信誉惩罚系数，c远大于b，当交通部门从区块链上解密获得的路况信息正确，根据(5)式对诚实车载单元给予信誉奖励，其中I取2，N按照消息发送的先后顺序选取，令D＝1；如果交通部门获得了虚假的路况信息，根据(6)式扣除恶意车载单元信誉值作为惩罚，其中I、N、D的具体取值同上；车载单元通过支付信誉值可以享受获取实时路况等服务，响应车载单元若回复的信息真实，根据(5)式计算获得的信誉值作为奖励，剩余信誉值返回给原车载单元，若回复的信息虚假，根据(6)式计算扣除的信誉值作为惩罚。
本发明在总结前人许多经典方法的基础上，公开了一种基于区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法。对于所采取的区块链类型，公有链中的节点无需授权就可以自由进入或离开网络，实现了完全的去中心化，但是网络节点数量太多，数据验证和节点共识时间较长，网络延时大；私有链中部分节点拥有读写权限，绝大多数的节点只有有限的读取权限，网络节点的地位并不平等，无法实现数据共享；联盟链预选一定数量的记账节点，验证数据和区块的有效性，数据验证和共识时间更短，加快了区块的生成。智能信号灯时长分配对数据验证和共识时间有较高要求，所以本发明采用联盟区块链最合适。联盟区块链中路边单元地位平等，根据网络节点的数量预先选定适量路边单元作为记账节点，采用AlgoRan共识算法，具有低延迟、分散控制、灵活信任的特点。
本发明基于联盟区块链技术保证了安全动态得调控交通信号灯，解决了交通信号控制的中心化问题，减少信号灯管理与协调过程中的高度人为干预，节约财力物力资源。交通部门根据车辆发送的路况信息，通过智能合约自适应调控信号灯时长，实现信号灯管理与控制的协同优化，设计的信誉机制有效避免车辆发送虚假信息和恶意请求，提高车辆的可信度，为车载自组网提供安全可信的通信环境。ElGamal加密和群签名算法保证信息的机密性、隐私性和不可否认性。
附图说明
图1为智能交通信号灯安全动态调控的整体流程图。
图2为智能交通信号灯安全动态调控的结构图。
图3为调控机制的区块链结构。
图4为交通信号灯动态调控流程图。
图5为交通信号灯安全调控流程图。
图6为车载单元获取实时路况流程图。
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施例对本发明作进一步说明。
1.本发明的模型设计。
如图2为本发明的整体结构，具体参数定义如下：
区块链节点：联盟区块链中的每个节点均为区块链节点，用N表示，所有的区块链节点表示为N＝{n1,n2,…,nj},ni∈N。所有节点使用假名FID在联盟区块链中登记注册，保证节点的真实身份不被攻击者追踪，他们的假名对链内节点均可见。
路边单元(Roadside Unit，RSU)节点:路边单元固定设置在道路两旁，根据网络的规模和节点的数量，预先选定一定的路边单元作为联盟链的分布式记账节点，一系列的路边单元可以表示为
Figure BDA0002006182370000061
隶属同一个路边单元范围内的车载单元通过DSRC通信；隶属不同路边单元范围内的车载单元，通过OBUi发送信息给所属范围的RSUi，RSUi转发信息给RSUj，RSUj将信息转发给OBUj进行通信。一个路边单元管辖范围内经过的车载单元和该路边单元形成一个群组，路边单元作为群管理员，主要负责群成员加入群组前的登记注册、接收或转发群成员发送的密文信息。
车载单元(Onboard Unit，OBU)节点：每辆车上装有车载单元作为收发器，用于同其他车载单元和路边单元通信。车载单元使用无线通信的方式将信息发送到相邻车载单元或所属路边单元，一系列的车载单元可以表示为
Figure BDA0002006182370000062
车辆一经生产，车载单元的
Figure BDA0002006182370000063
在联盟链中登记注册并对链内其他节点可见，一辆汽车等效于一个车载单元节点。车载单元发出加入群组的要求，群管理者——路边单元对进入所属范围的车载单元的
Figure BDA0002006182370000064
确认，验证通过后车载单元成为群成员，否则不是群成员，只有群成员才能在群组中进行信息交互，非群成员发送的信息丢包不作处理。
交通部门(Traffic Department,TD)：解密区块链上记录的路况信息，通过智能合约调动ACP对数据信息预处理，计算绿灯分配的时长，运用物理与人工交通信号系统的虚实互动和平行调谐实现动态调控信号灯。交通部门给予提供准确路况信息的诚实车载单元信誉奖励，提供虚假信息的恶意车辆信誉值会降低，交通部门还充当群揭露者的角色，揭露恶意车辆真实身份并在全网广播。
本发明所用符号如表1所示：
表1 本发明所用符号
Figure BDA0002006182370000071
Figure BDA0002006182370000081
2.本发明中的联盟区块链结构。
预选的记账节点将路况相关信息记录到区块中，如(S02)，本发明中联盟区块链结构如图3。区块包含区块头和区块体两部分，每个区块头都包含交易树、状态树、收据树，交易树包含区块中所有历史交互信息，主要指车载单元发送过的路况、车辆类型等数据；状态树存储信号灯调控后的整体状态，如每次信息交互完成后车载单元信誉值增加或减少、交通信号灯的状态、节点是否为群成员等；收据树包含每次数据交互的收据，即每次交互影响的结果，如绿灯时长的分配。
区块体由车辆交互信息的哈希值构成，包括车辆类型、驾驶信息、实时路况、天气状况、故障信息、曝光信息和信誉值，具体描述如下：
(1)车辆类型：根据汽车的乘坐人数、车身高度等将车辆分为三类：小型车辆，如轿车、车租车等；中型车辆，如救护车、商务车等；大型车辆，如货车、公交车等；
(2)驾驶信息：主要包含车辆当前的驾驶速度和位置，车辆所处路段若有拥塞，交通部门根据车辆当前位置动态调控所处交叉口绿灯时间；
(3)实时路况：主要指当前行驶道路的状况，包括道路拥塞、道路维修、损毁，是否发生车祸等交通事故；
(4)天气状况：驾驶时天气分为晴天、暴雨、大雪、能见度低的雾天；
(5)故障信息：车辆驾驶时发生故障，如方向盘失灵、爆胎等；
(6)曝光信息：对发送虚假、伪造信息的车辆进行揭露和曝光；
(7)信誉值：交通部门和接收信息的车载单元根据信息的真实性，根据公式(5)、(6)对信息的发送车辆给予信誉奖励或惩罚，根据公式(4)计算车载单元最新的信誉值，车载单元通过支付信誉值可以享受了解实时路况等服务。
3.本发明的信号灯动态调控智能合约。
车辆在交通灯路口的等待时间和启停次数是影响汽车通行量的重要因素，在通过路口时，尽量减少车辆等待时间和启停次数，为信号灯动态分配绿灯时长。车流稀疏时为绿灯分配较短时长；车流密集时为绿灯分配较长时间；几乎没有车流时，仍然分配一定绿灯时长(例如最短绿灯时长TGmin)给当前相位，会导致其他方向的车流处于红灯等待状态。当车流很少时，直接跳过绿灯时长的分配，转移绿灯控制权到下一相位，有效得减少了车辆启停次数与等待时间，跳过绿灯时长分配可能会导致某些方向车辆一直无法通过交叉路口，设置绿灯跳过次数阈值为α，连续跳过绿灯次数k大于时α时，为多次跳过绿灯时长分配的相位分配最短绿灯时长TGmin。图4为动态调控绿灯的具体过程，详细步骤如下：
(1)交通部门解密区块链上存储的信息，获取车辆类型、路况、位置信息；
(2)计算RSU记录的同一车道的车辆权重总和Y并存储在ACP交通信号控制系统，RSU实时更新和维护车辆类型、路况、位置信息；
(3)ACP交通信号控制系统检测当前相位是否取得绿灯控制权，取得绿灯控制权转向步骤(4),否则转向步骤(1)；
(4)ACP比较车辆权重总和Y与车流稀疏时车辆权重总和的阈值β的大小。如果Y＞β，表明道路拥塞，转向步骤(5)，否则转向步骤(6)；
(5)ACP继续比较当前车辆权重总和Y与车流密集时车辆权重总和的阈值θ的大小。如果Y＞θ，表明道路拥塞严重，分配绿灯时长TGmax，转向步骤(8)，否则为绿灯分配时长TG再转向步骤(8)；
(6)ACP检测连续跳过绿灯的次数k。如果k＞α，则转向步骤(7)；否则转向步骤(8)；
(7)交通部门通过ACP为当前路口分配最短绿灯时间TGmin，转向步骤(8)；
(8)ACP转移当前相位的绿灯控制权到下个相位。
4.本发明的安全性分析。
(1)信息交互的安全性。
1)ElGamal加密：本发明使用的加密算法的安全性是基于ElGamal离散对数问题，即使车载单元和路边单元的交互信息被攻击者截取，但是ElGamal加密算法满足语义安全，不会泄露路况信息，实现了信息交互的机密性。
2)群签名：发明中车载单元使用群成员私钥对路况等相关信息进行签名，路边单元收到消息后，利用群公钥进行验证。本发明使用的群签名的安全性是基于ComputationalDi e-Hellman Problem(CDH)问题，保证攻击者不能通过窃听签名来伪造新的签名，从而杜绝了数据伪造攻击；攻击者不打开签名就无法区分签名，确保了签名的无关联性和匿名性；交通部门可以揭露恶意车载单元的真实身份，具有可跟踪性，保证车载自组网的安全性；中国剩余定理保障了新加入的群成员无法使用旧的群公钥验证签名，离开群组的群成员签名无法用新的群公钥验证，具有前后向安全性。
(2)联盟区块链网络安全。
1)节点的通信权限：车载单元和路边单元使用假名FID在联盟链中注册成为合法节点，合法车载单元节点即使进入区块链网络也无法进行数据交互，车载单元必须在群管理员注册成为群成员，其发送的信息才会被接收，才会验证签名。恶意节点或非成员节点发送的消息会被拒绝，也无法进行签名验证，节点的通信权限确保区块链网络的安全性，降低通信开销。
2)节点身份的隐私保护：在本发明的信息交互过程中车载单元独有的假名FID作为身份标识，有效避免攻击者的追踪。无论是车载单元与车载单元之间的通信，还是车载单元与路边单元之间的通信，它们都不知道彼此的真实身份ID，只有车载单元发送虚假信息或签名验证失败时，交通部门TD打开签名揭露车载单元真实身份ID。即使攻击者得知节点的真实身份，仍然不能获得该节点的位置、车辆类型、信誉值和其他信息。
3)防止虚假请求和恶意响应：车辆享受了解实时路况服务时，为了避免虚假请求和保障车载单元有支付信誉值的能力，在其发送服务请求时需要向智能合约地址支付一定的信誉值作为抵押。如果车载单元发送虚假请求，智能合约自动扣除支付的全部信誉值。为了避免车载单元恶意响应服务请求，增大网络开销造成拥塞，当车载单元发送虚假信息时，智能合约会扣除其信誉值作为惩罚。车辆信息交互完成后，智能合约自动扣除服务请求节点的信誉值并支付给响应节点，剩余信誉值返还服务请求节点，使用信誉机制为车载单元提供了可信的通信环境，提高车载单元的可信度。
4)信息的防篡改性：联盟区块链采用哈希算法对记录在区块中信息进行完整性保护，以链式结构连接，如果一个区块被改变，那么之后的每个区块都将被改变，区块链上区块数量越多，数据越难篡改，因此改变某一区块或区块链上的数据几乎是不可能的。
5.本发明通信开销计算。
本发明提出的交通信号安全动态调控方法的通信开销主要有车载单元与路边单元的通信、车载单元与车载单元之间的通信和交通部门揭露恶意车载单元的通信。以交通信号的调控为例，OBUi向RSUi发送加入群组的请求；OBUi签名的路况信息发给RSUi；OBUi将带有多签名的路况信息传给RSUi；OBUi向RSUi单播离开群组的请求，因此OBUi的通信开销为4次单播和0次广播。RSUi将带有自己签名的路况信息单播给OBUi；OBUi加入群组时，RSUi计算D并在全网广播公布；OBUi离开群组时，RSUi计算D'并在全网广播公布，因此RSUi的通信开销为1次单播和2次广播。交通部门TS使用智能合约对OBUi进行信誉评分实时更新其信誉值；当OBUi发送虚假的路况信息，TD在全网广播OBUi的真实身份ID，否则不需要广播，因此TD的通信开销为1次单播和1/0(发送虚假路况信息/发送真实的路况信息)次广播，表2总结了信息交互过程的通信开销。
表2 信息交互过程的通信开销
Figure BDA0002006182370000101
Figure BDA0002006182370000111
6.本发明将通过以下两个实施例作进一步说明。
实施例1：车载单元发送路况相关信息供交通部门安全调控信号灯。即图5中相应的步骤如下：
(1)车载单元OBUi请求加入群组，OBUi向RSUi发送加入请求
Figure BDA00020061823700001121
(2)RSUi首先验证OBUi身份，如果OBUi为合法车载单元，允许OBUi加入群组成为群成员，向OBUi发送
Figure BDA00020061823700001122
否则协议终止。RSUi使用收到的s个群成员的公钥采用中国剩余定理计算
Figure BDA00020061823700001120
其中QiQ'i≡1(modqi),i＝1,2,…,s，公布D。
(3)车载单元OBUi采用交通部门TS的加密参数(gTS,λTS)加密路况信息
Figure BDA00020061823700001123
包括车辆位置、道路是否拥塞、车辆类型。加密后得到路况密文
Figure BDA0002006182370000112
车载单元OBUi使用群成员私钥
Figure BDA0002006182370000113
计算
Figure BDA0002006182370000114
(4)OBUi发送路况信息
Figure BDA0002006182370000115
给RSUi，其中T表示当前时间戳，可用于防止重放攻击。
(5)路边单元RSUi收到报文后，根据
Figure BDA0002006182370000116
确定OBUi是否为群成员，如果不是群成员拒绝接收报文，如果是群成员，验证消息的实时性，判断不等式
Figure BDA0002006182370000117
是否成立，其中
Figure BDA0002006182370000118
表示RSUi收到报文的时间，Δt表示允许的时延，不等式成立，转向步骤(6)，否则丢弃该信息，协议终止。
(6)RSUi计算
Figure BDA0002006182370000119
RSUi随机选择
Figure BDA00020061823700001110
计算Zi＝ziP，
Figure BDA00020061823700001111
Figure BDA00020061823700001112
Figure BDA00020061823700001113
RSUi将
Figure BDA00020061823700001114
发送给TS，TS将其保存到存储列表，路况密文签名为sign＝(σi,Si,qi)，将签名发给OBUi。
(7)OBUi发送路况报文
Figure BDA00020061823700001115
给RSUi。
(8)路边单元RSUi收到报文后，先验证
Figure BDA00020061823700001116
是否成立，等式成立则验证数据是否被篡改或伪造，验证
Figure BDA00020061823700001117
是否相等，如果相等则验证成功，如果不等则验证失败，协议终止。
(9)一旦步骤(8)中等式验证成功，RSUi将
Figure BDA00020061823700001118
记录到区块中，采用AlgoRand共识算法验证区块的有效性，验证成功后将区块接到区块链上。
(10)交通部门TD使用解密参数xTS和解密算法对区块链上存储的路况密文解密，得到明文信息
Figure BDA00020061823700001119
(11)一旦交通部门解密完路况密文信息，智能合约调动ACP利用明文信息计算车辆权重总和Y，交通部门通过ACP使用平行执行动态调控交通信号灯绿灯时长。
(12)每次调控完信号灯，交通部门TD依据信誉机制使用智能合约对诚实车辆给予信誉奖励，对发送虚假信息的恶意车辆给予信誉处罚，计算
Figure BDA0002006182370000121
得到车辆真实身份，向全网广播
Figure BDA0002006182370000122
实现揭露恶意车辆。
(13)OBUi离开群组时，向RSUi发送离开请求
Figure BDA0002006182370000123
(14)RSUi收到请求后，将
Figure BDA00020061823700001222
更新为一个随机素数
Figure BDA00020061823700001223
RSUi重新计算
Figure BDA0002006182370000124
公布D'实现撤销群成员OBUi。
实施例2：车载单元获取实时路况的具体实现过程。即图6中相应的步骤如下：
(1)OBUi加入群组成为群成员的过程与实施例1中步骤(1)-(2)一样。
(2)车载单元OBUi想了解路边单元RSUj范围内的某路段路况信息，OBUi使用RSUj的加密参数
Figure BDA0002006182370000125
加密服务请求信息，包括道路拥塞、交通事故等。加密后得到服务请求密文
Figure BDA0002006182370000126
车载单元OBUi使用群成员私钥
Figure BDA0002006182370000127
计算
Figure BDA0002006182370000128
(3)车载单元OBUi向RSUi发送服务请求报文
Figure BDA0002006182370000129
其中T表示当前时间，可用于防止重放攻击。
(4)车载单元OBUi向智能合约交纳信誉值用来防止虚假请求，如果车载单元发送虚假请求，智能合约扣除交纳的信誉值，如果车载单元请求真实，交互结束后智能合约会扣除一定的信誉值，用来奖励诚实的响应车载单元，返还车载单元OBUi剩余信誉值。
(5)路边单元RSUi收到报文后，根据
Figure BDA00020061823700001210
确定OBUi是否为群成员，如果不是群成员拒绝接收报文，如果是群成员，验证消息的实时性，判断不等式
Figure BDA00020061823700001211
是否成立，其中
Figure BDA00020061823700001212
表示RSUi收到报文的时间，Δt表示允许的时延，不等式成立，转向步骤(6)，否则丢弃该信息，协议终止。
(6)RSUi计算
Figure BDA00020061823700001213
RSUi随机选择
Figure BDA00020061823700001214
计算Zi＝ziP，
Figure BDA00020061823700001215
Figure BDA00020061823700001216
RSUi将
Figure BDA00020061823700001217
发送给TS，TS将其保存到存储列表，路况密文签名为sign＝(σi,Si,qi)，将签名发给OBUi。
(7)OBUi发送服务请求报文
Figure BDA00020061823700001218
给RSUi。
(8)路边单元RSUi收到报文后，先验证
Figure BDA00020061823700001219
是否成立，等式成立则验证数据是否被篡改或伪造，验证
Figure BDA00020061823700001220
是否相等，如果相等则验证成功，如果不等则验证失败，协议终止。
(9)一旦第8步中等式验证成功，路边单元RSUi将
Figure BDA00020061823700001221
发送给RSUj。
(10)RSUj使用解密参数
Figure BDA0002006182370000131
和解密算法得到请求信息
Figure BDA0002006182370000132
(11)RSUj向该区域的车辆广播请求信息。
(12)车载单元OBUj响应请求，使用车载单元OBUi的加密参数
Figure BDA0002006182370000133
加密回复信息，包括路况拥塞程度、是否有交通事故等。加密后得到回复密文
Figure BDA0002006182370000134
车载单元OBUj使用群成员私钥
Figure BDA0002006182370000135
计算
Figure BDA0002006182370000136
(13)OBUj向RSUj发送
Figure BDA0002006182370000137
路边单元RSUj收到报文后，验证消息的实时性、消息签名、签名验证同步骤5-步骤8类似，此处不重复描述。
(14)一旦第13步中等式验证成功，路边单元RSUj将回复密文
Figure BDA0002006182370000138
发送给RSUi。
(15)路边单元RSUi将回复密文转发给OBUi。OBUi使用解密参数
Figure BDA0002006182370000139
和解密算法得到回复信息
Figure BDA00020061823700001310
(16)车辆交互信息结束后，OBUi对收到的回复信息的真实性与准确性进行评估与判断，将判断结果和
Figure BDA00020061823700001311
发送给交通部门，触发智能合约扣除OBUi一定的信誉值作为对诚实的响应车辆OBUj的信誉奖励，返还OBUi剩余的信誉值，响应车辆OBUj如果发送虚假伪造回复，智能合约扣除相应的信誉值作为惩罚。交通部门计算
Figure BDA00020061823700001312
得到发送虚假信息的车载单元的真实身份，向全网广播
Figure BDA00020061823700001313
实现揭露恶意车辆。
(17)OBUi离开群组时，向RSUi发送离开请求
Figure BDA00020061823700001314
(18)OBUi将
Figure BDA00020061823700001315
更新为一个随机素数
Figure BDA00020061823700001317
RSUi重新计算
Figure BDA00020061823700001316
公布D'实现撤销群成员OBUi。

Claims (5)

1.一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，其特征是按以下步骤：
(S01)：使用ACP建立物理交通信号控制系统对应的人工交通信号系统，将交通部门从区块链上解密获取得路况相关信息整合到人工交通信号系统中，通过平行执行把人工交通信号系统的时长分配结果反馈给物理交通信号控制，为交叉路口分配合适的绿灯时长，默认ACP已经完成学习和训练，对交通部门解密获得的路况信息可以进行预处理；
(S02)：对路况信息使用满足语义安全的ElGamal加密实现信息交互的机密性与安全性，采用基于BLS的群签名对路况信息进行验证，路边单元作为群管理者主要负责群成员加入群组的登记、离开群组的撤销和签名的验证，当签名验证失败时，群揭露者——交通部门负责打开签名揭露群成员的真实身份，基于BLS的群签名避免了信息伪造攻击，确保信息交互过程的前后向安全性和不可否认性；车载单元将经过加密签名的路况信息发送给路边单元，预选的记账节点将路况信息记录到区块中，验证节点验证区块和信息的有效性，将验证通过的区块连接到区块链上；
(S03)：交通部门从区块链上解密获取路况信息，智能合约触发ACP根据路况信息计算车辆权重总和，因为右转车流不会影响其他方向车辆的正常行驶，所以本信号调控机制忽略右转车流对绿灯时长分配的影响；
(S04)：车载单元权重总和反映了车流密度，ACP根据车流密度动态分配合适的绿灯时长，车流稀疏时为绿灯分配较短时长，车流密集时为绿灯分配较长时间，车流很少甚至没有车流时，如果仍为当前相位分配绿灯时间会导致其他方向的车流处于红灯等待状态，降低了绿灯使用率，所以当车流很少时，直接跳过绿灯时长的分配，转移绿灯控制权到下一个相位，同一相位多次转移绿灯控制权会导致某些方向的车辆一直无法通过交叉路口，设置绿灯跳过次数的阈值，连续跳过绿灯次数大于该阈值时，为当前相位分配最短绿灯时长；
(S05)：信号灯调控结束后，交通部门根据信誉机制对发送真实路况信息的诚实车载单元给予信誉值奖励，对发送虚假路况信息的车载单元扣除信誉值作为惩罚，同时车载单元通过支付信誉值可以享受获取实时路况信息服务，车载单元拥有的信誉值越多，响应其服务请求越快，忽略信誉值小于0的车载单元发送的路况信息和服务请求。
2.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，其特征是步骤(S02)所述的区块结构为：
(1)预选的记账节点将路况相关信息记录到区块中，区块体中包括状态树、收据树、交易树；
1)状态树：记录信号灯调控后的整体状态，包括每次信息交互完成后车载单元信誉值增加或减少、交通信号灯的状态、节点是否为群成员；
2)收据树：保存每次数据交互的收据，即每次交互影响的结果，包括绿灯时长的分配、车载单元的信誉值；
3)交易树：存储区块中所有历史交互信息，包括指车载单元发送过的路况、车辆类型数据；
(2)区块体由车辆交互信息的哈希值构成，包括车辆类型、驾驶信息、实时路况、天气状况、故障信息、曝光信息和信誉值。
3.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，其特征是步骤(S03)所述的车辆权重总和，具体计算方法为：
(1)一辆车等效为一个车载单元，根据车身高度、可承载人数将车辆分为小型、中型、大型三种，权重分别为x1、x2、x3，且满足0<x1＜x2＜x3＜1，其中小型车辆为标准权重，当前相位的小型车辆、中型车辆、大型车辆的数量分别为n1、n2、n3；
(2)当前相位的车辆总数为N，N＝n1+n2+n3,右转车流除外，令每辆车的权重为
Figure FDA0002438485130000021
均大于0，累加影响绿灯时间分配的所有车辆权重和为Y，0≤Y≤1，则有
Figure FDA0002438485130000022
其中，
Figure FDA0002438485130000023
的取值如(9)式所示
Figure FDA0002438485130000024
4.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，其特征是步骤(S04)所述的绿灯时长的分配，按以下规则计量：
假设绿灯跳过次数阈值为α，车流稀疏时车辆权重总和的阈值为β，车流密集时车辆权重总和的阈值为θ，多次跳过绿灯的路口分配的最短绿灯时间为TGmin，缓解交通拥塞可分配的最长绿灯时间为TGmax，分配的绿灯时长为TG,TGmin≤TG≤TGmax，连续跳过绿灯次数为k；如果当前相位的车辆权重总和Y比θ大，表明道路拥塞严重，为路口分配最长绿灯时间TGmax缓解拥塞；若当前相位的车辆权重总和Y比β大但小于或等于θ，表明车流量较大，为当前相位分配绿灯时长TG；若当前相位的车辆权重总和Y小于或等于β，表明车流稀疏，跳过该相位的绿灯时间分配，将绿灯控制权直接分配给下一个相位，当连续跳过绿灯次数k大于α时，为历经多次跳跃绿灯而未通过车辆的路口分配最短绿灯时间TGmin，分配的绿灯时长可用式(3)表示，其中
Figure FDA0002438485130000025
为向上取整函数：
Figure FDA0002438485130000026
5.根据权利要求1所述的一种基于联盟区块链技术的智能交通信号灯安全动态调控方法，其特征是步骤(S05)所述的信誉机制，按以下步骤：
车载单元的初始信誉值为0，采用信誉函数计算车载单元的信誉值，信誉函数为：
Figure FDA0002438485130000027
其中
Figure FDA0002438485130000031
表示车载单元i在m次发送或接收信息后的信誉值，
Figure FDA0002438485130000032
表示车载单元i在第m次发送或接收信息所获得的信誉奖励值，
Figure FDA0002438485130000033
表示车载单元i在第m次发送或接受信息所获取的信誉惩罚值，车载单元信息交互过程发送的信息主要包括驾驶信息、路况信息、天气信息、故障信息、举报信息，根据紧急程度将信息的重要性I从低到高排序并做出详细说明：
1)I＝1，驾驶信息主要是车辆驾驶速度、当前位置；
2)I＝2，路况信息，包括道路拥塞、道路维修、道路损毁；
3)I＝3，天气信息，包括暴雨、大雪、能见度低的雾天；
4)I＝4，发生交通事故，包括车祸；
5)I＝5，车辆驾驶过程出现的故障，包括方向盘失灵、爆胎；
6)I＝6，举报发送虚假信息的恶意车辆；
式(4)的车辆信誉值与式(5)的信誉奖励函数
Figure FDA0002438485130000034
和式(6)的信誉惩罚函数
Figure FDA0002438485130000035
密切相关，信誉奖励还是信誉惩罚取决于信息的重要性I,I＝1～6、消息发送的先后顺序N:第一个发送信息的车辆N＝1、发送信息的车辆与接收信息的车辆之间的欧式距离为D,以米为单位；
Figure FDA0002438485130000036
Figure FDA0002438485130000037
其中b为信誉奖励系数，c为信誉惩罚系数，c远大于b，当交通部门从区块链上解密获得的路况信息正确，根据(5)式对诚实车载单元给予信誉奖励，其中I取2，N按照消息发送的先后顺序选取，令D＝1；如果交通部门获得了虚假的路况信息，根据(6)式扣除恶意车载单元信誉值作为惩罚，其中I、N、D的具体取值同上；车载单元通过支付信誉值可以享受获取实时路况服务，响应车载单元若回复的信息真实，根据(5)式计算获得的信誉值作为奖励，剩余信誉值返回给原车载单元，若回复的信息虚假，根据(6)式计算扣除的信誉值作为惩罚。
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