CN114125775A - 一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法。本发明方法方案是通过搭建路车信息联盟链、建立车辆节点信任模型、建立车辆节点分布式信任库和路车节点信息共识等技术手段来提高了路车融合环境下的车辆自主运行能力，本发明方法可广泛应用于车路协同等领域。

Description

一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法
技术领域
本发明涉及车路协同技术领域，尤其涉及一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法。
背景技术
交通运输是国民经济命脉，以移动互联、大数据以及人工智能等为代表的新一代信息技术催生了科技变革，载运工具的智能化发展已成定势。然而由于道路交通系统是由人车路组成的复杂系统，人车、车车、车路之间强耦合，仅靠单车感知与控制的自主式自动驾驶发展遇到了重大瓶颈。单车智能依赖于车载传感器、计算单元等设备，车辆的感知范围和决策控制能力受限，难以应对交通系统要素耦合下的复杂运行场景，导致安全事件频发，严重制约了自动驾驶技术的进一步发展和产业化应用，面向自动驾驶的道路基础设施赋能成为了自动驾驶新的方向。
基于路车融合的自动驾驶车辆运行赋能技术通过先进的道路基础设施实现的路侧对自动驾驶车辆的赋能，通过路与车多传感器融合全息感知车辆的运行状态，运用多模式通信技术实现车与车、车与路之间的信息交互，有效解决单车智能感知不充分和决策控制弱的问题，系统性提升自动驾驶车辆自主运行的能力。因此，在基于车路协同出行场景的基础上，亟需提出一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，实现在车辆运行赋能技术下的路车节点群体共识，大大提高了路车融合环境下的车辆自主运行能力，这对自动驾驶车辆的发展具有重要的应用价值。
发明内容
本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，以解决现有技术缺少车车、车路之间安全可靠的信息交互问题。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，具体包括以下步骤：
(1)搭建路车信息联盟链：在未来的车路协同场景下，由于区块的挖掘和记账需要大量的算力和计算资源，以车辆或是路侧设备为记账节点无法满足算力和成本需求。而在未来的城市发展中，政府中心部门仍然有着可信化和中心透明化的特点，因此本发明将政府中心部门中的节点作为路车信息联盟链的维护和验证节点。选用联盟链来构建灵活、高效、可拓展的区块链架构方案，一方面解决了组织之间的信任的问题，另一方面利用区块链的不可否认的特性，为上链数据提供的真实性提供可追溯的依据。通过将规模庞大的交通系统以行政区域划分为不同的区域，在区域内，可以根据业务场景构建多条链，由于区块链上存储的是路侧信息采集系统和车辆信息采集系统的身份证书，不包含用户身份信息，用户的隐私安全也得到了保障。
(2)建立车辆节点信任模型：为满足车路协同自动驾驶环境下，车辆节点的高移动特性和网络拓扑结构的变化，以及交互过程中的恶意车辆节点筛选，解决行为可信节点带来的消息不可信问题，建立了车辆节点信任模型。针对车辆在路车交互中的消息不信任问题，提出了基于时间衰减因子和距离衰减因子以及信任值的单车可信度评价方法。对于来自首次报告车辆的消息可信度，通过路侧设备初步判断消息的可信度，在分布式信任值库中查看当前车辆的信任值以及报告事件和车辆是否在同一路侧设备覆盖范围内。周围车辆也参与此次信任值的评估，通过在一时间段内对所有报告消息的综合评判决定报告事件的消息可信性，并进行广播。
(3)建立车辆节点分布式信任库：本发明利用区块链技术建立车辆节点的分布式信任库，对车辆节点的信任值数据进行维护和管理，通过周围车辆以及路侧设备评估，构建可信网络环境，将路车交互数据上链实现信息交互共享。通过在步骤二后的节点信任模型建立后，路侧设备验证了当前报告车辆的消息可信度，同时对所有参与车辆的信任值进行动态更新，路侧设备将车辆的动态信任值上传至区块链中，区块链以不可篡改、数据加密、不可伪造的方式对车辆的信任值进行存储和管理。
(4)路车节点信息共识：本发明的参与方为车辆，路侧设备，政府中心部门，其中路侧设备与车辆之间通过LTE-V2X通信。在路车数据交换阶段，数据之间的交换主要依靠车辆的车载单元OBU(On Board Unit)以及路侧设备单元RSU(Road Side Unit)实现。OBU通过安装在车辆上，实现不同移动车辆间的信息共享和数据交互以及和路侧设备单元RSU进行相互通信和数据共享，同时车辆能得到路侧设备发送的道路安全信息，如交通线路优化、前方路况信息和碰撞避免等服务。在车辆行驶过程中车辆自身有规律地广播当前的基础数据和感知数据，如时间、车辆的位置和速度、方向等信息。路侧单元RSU由政府中心部门中的交管部门大规模部署在道路两旁，RSU主要向覆盖范围内的车辆提供一些安全服务，如当前路况信息、道路预警信息等，同时在该方案中对来自不同车辆的事件报告信息进行综合评判。其中路侧设备包含高清摄像头、毫米波雷达和激光雷达等，可以实现远距离恶劣环境下的环境感知，周围部署有边缘计算节点，可以为路侧设备分析路况提供算力。本发明在基于前面信息联盟链和节点信任模型和分布式数据库后，通过路车节点间的联盟链实现了数据记录和信息共识。
本发明的优点是：本发明用于解决在路协同出行场景下可以保证车车、车路之间的信息交互安全，通过搭建路车信息联盟链模型，适应车辆移动的的动态性和路车数据的高效共识需求；建立节点信任模型，解决行为可信节点带来的消息不可信问题；搭建车辆节点分布式信任库，对车辆节点的信任值数据进行维护和管理，上传至区块链中保证了信任值的不可篡改性；最后通过路车节点信息共识等技术手段来提高了路车融合环境下的车辆自主运行能力，此方法可广泛应用于车路协同等领域。
附图说明
图1是本发明路车出行示意图；
图2是路车交互共识流程图；
图3是路车节点信息联盟链模型；
图4是车辆信任值评估流程图；
图5是路车节点信任评估示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1～5所示，本实施例所述的一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，包括以下步骤：
(1)搭建路车信息联盟链；在未来车联网交通出行下，车路协同自动驾驶场景中的参与节点并非全是静态的，车辆节点作为系统的重要参与方具有高速移动的特性，这对于数据的处理效率和不同区域之间的数据共享提出了较高的要求。此外交通数据具有海量性和隐私性，在路车交互中会产生大量的数据，车端和路侧端无法存储庞大的数据和对数据进行分析应用，交通数据同时涉及用户隐私，不应该在链上暴露用户的敏感信息，需要在保护用户的数据隐私基础上进行数据的管理和合理应用。因此本发明将将路车交互中的数据主要分为三类：基础数据、感知数据和统计数据。这三类数据在产生终端和数据处理方式方面存在较大差异。之后搭建路车信息联盟链，保证了路车交互数据的信息安全和数据共享，实现车路协同环境下的自动驾驶。
基础数据包括车辆的车牌号、车辆类型、车主的私人信息、车辆的当前位置、车辆的信任值、周围路侧设备的编号、位置等。其中基础信息用户可以选择性的上传，在车辆之间进行信息交互时，车辆的信任值和车牌号作为必备信息，需要在信息中附带。
感知数据是摄像头、毫米波雷达、激光雷达、超声波传感器、红绿灯等其他传感器实时感知到的数据。在车路协同自动驾驶环境下，车辆和路侧设备都会安装大量的传感器，传感器的感知结果不仅有车辆的，还有路侧设备的。设备感知数据经过上链，在政府数据部门进行存储和分析，经后融合的数据发送给车端，供车辆决策完成自动驾驶。
统计数据是通过政府中心部门，对车辆和路侧的感知数据进行后融合得到的统计数据。通过无线网络发送给车辆和路侧设备，根据采集到的数据，政府中心部门可以得到当前市区的车辆数、地理位置、车辆的目的地等，为政府交管部门和市区内的车辆行驶提供指导。
本发明中车路协同自动驾驶中产生的基础信息车辆可以选择性的上传，感知数据通过上链，在政府中心部门的数据库中进行存储。统计数据通过无线网络发送到车辆和路侧设备。车辆和路侧设备数据上传到路车信息联盟链中，区块链上存储的是路侧信息采集系统和车辆信息采集系统的身份证书，不包含用户身份信息，用户的隐私安全也得到了保障。
本发明中的路车信息联盟链系统模型主要分为三层，自下而上分别是感知层、网络层和应用层。感知层包括车辆的自动驾驶系统和路侧设备的感知模块通过各种传感器获取的环境信息；网络层主要指车辆和路侧设备之间进行数据信息交互的通信方式，车辆和路侧设备之间可以直连通信，实现车辆与道路之间的信息交互共享；应用层指对于车辆和路侧设备之间的数据通过上传到路车信息联盟链，经过政府中心部门的数据分析和后处理之后，发送给车路协同自动驾驶环境下的车辆，使其完成完全无人驾驶。
(2)建立车辆节点信任模型：本发明针对车辆在路车交互中的消息不信任问题，提出了基于时间衰减因子和距离衰减因子以及信任值的单车可信度评价方法。对于来自首次报告车辆的消息可信度，通过路侧设备初步判断消息的可信度，在分布式信任值库中查看当前车辆的信任值以及报告事件和车辆是否在同一路侧设备覆盖范围内。周围车辆也参与此次信任值的评估，通过在一时间段内对所有报告消息的综合评判决定报告事件的消息可信性，并进行广播。
当车辆Vi发现事件e进行广播时，路侧设备根据车辆的历史信任值查询和车辆当前的位置查询，初步判断消息的可信度。随着在时间t内对事件e的其他车辆广播，路侧设备根据收到的消息时间、源节点的位置和车辆的信任值判断Vi车辆的消息可靠度，并动态更新车辆Vi和其余车辆的信任值，对于诚实的车辆和恶意车辆进行奖励和惩罚，实现对车端消息的快速广播和恶意车辆的甄别。该算法的具体步骤如下。
Step1车辆的信任值作为路车信息交互时的判断信息可信度的基础。当车辆Vi在道路行驶发现事件e时进行广播，将事件e的信息报告给最近的路侧设备。
Step2路侧设备在收到车辆Vi报告的消息时，通过查询车辆Vi的历史信任值和事件e的位置是否在同一区域内，初步判断消息的可信性。
Step3随着在时间t内，陆续有其他车辆对该路侧设备进行事件e的报告，路侧设备根据时间段t内报告的其余n辆车，判断消息的可信性。
Step4根据消息判断结果，对参与事件e的所有车辆进行信任值的动态更新，并对事件e的真实性进行广播，针对车辆报告事件的行为进行信任值的奖惩。
Step5车辆的动态信任值作为区块链中的一笔交易，上传记录在区块链的区块中，防止信任值被篡改。
车辆信任值作为车辆之间消息通信的信任基础。在车辆Vi观察到事件e发生时，向周围车辆和路侧设备进行广播，周围车辆在接受到该消息时，无法立即判断消息的真实性。向周围的路侧设备发送车辆信任值查询，得到该车辆的初步信任值，若信任值大于阈值，则认定为初步可信，且报告车辆Vi的信任值越高，则认为该消息越可靠。随着车辆的移动，周围车辆也对该事件e进行报告，路侧设备在一个区块的生成时间段t内对收集到的车辆集合V＝{V1，V2，…，Vn}的报告信息M＝{m1，m2，…，mn}进行综合性判断，对事件e的真实性进行广播，对之后车辆的行驶决策提供建议。
路侧设备作为道路的固定基础设施，通常具有强大的计算和存储能力。路侧设备在收到车辆Vi报告的消息时，通过查询车辆Vi的历史信任值和车辆Vi与事件e的位置是否在同一区域内，初步判断消息的可信性，若车辆的信任值低于阈值或与事发地不在同一个区域内，则直接丢弃该消息，同时对车辆Vi进行信任值惩罚。
在初步得到消息可信性之后，路侧设备通过周围n辆车的集合V＝{V1，V2，…，Vn}发送的关于事件e的报告来判断车辆Vi消息的可信度。在事件e发生后，路侧设备会陆续接受到来自周围车辆的报告信息集合M＝{m1，m2，…，mn}，其中mj表示某一个车辆Vj关于报告事件e的消息，在周围车辆对事件e的报告消息中，带有车辆对该事件e的报告时间集合T＝{t1，t2，…，tn}，其中tj表示车辆节点Vj关于报告事件e时的时间，车辆报告时距离事件e的距离集合D＝{d1，d2，…，dn}，其中dj表示车辆节点Vj报告事件e时的距离事发地的距离。
消息内容的可信度与消息报告者的时间、位置和车辆的自身信任值有关，消息报告者和事件发生时的时间越近，报告时距离事发地的距离越近以及报告车辆自身具有更高的信任值通常具有较高的可信度。因此我们引入了时间衰减因子MT、距离衰减因子MD、车辆信任值R作为评判周围车辆对事件e报告的可信指标。
对于时间衰减因子
MTj＝(tj-ti)-ρ (1)
其中tj是车辆Vj报告事件e时的时间点，ti是首次报告事件e的车辆Vi的时间点，ρ是预设的参数，控制时间衰减因子的变化率，其中ρ＞0，MTj是车辆Vj报告事件e的消息可信度的时间衰减因子。
对于距离衰减因子
Figure BDA0003383075980000071
其中dj是车辆Vj报告事件e时距离事发地的距离，ω是预设的参数，控制距离衰减因子的变化率，其中ω＞0，MDj车辆Vj报告事件e的消息可信度的距离衰减因子。
对于信任值R，通过信任值的区块链账本可以查到车辆Vj的当前信任值Rj。
事件e发生后，路侧设备在收到Vj的报告信息后，计算车辆Vj的综合可信度Hj，其中
Figure BDA0003383075980000072
对于在时间段t内对事件e报告的周围n辆车，假设有真实报告该消息的m辆车的集合V真＝{V1，V2，…，Vm}，恶意报告该消息的n-m辆车的集合V假＝{Vm+1，Vm+2，…，Vn}，则路侧设备对于来自周围车辆对于车辆Vi报告事件e的综合可信度W
Figure BDA0003383075980000073
若W＞0，则路侧设备认为车辆Vi对于事件e的报告是可信的，然后将该消息进行广播，若w＜0，则路侧设备认为车辆Vi对于事件e的报告是错误的，同时对消息的错误性进行广播。
若事件e发生时，只有一辆车没有其他车辆作为第三方评价时，将报告的车辆的信任值作为事件真实性的依据。
(3)建立车辆节点分布式信任库：通过建立车辆信任模型，验证了当前报告车辆的消息可信度，同时对所有参与车辆的信任值进行动态更新，路侧设备将车辆的动态信任值上传至区块链中，区块链以不可篡改、数据加密、不可伪造的方式对车辆的信任值进行存储和管理。信任值上链的工作流程如下：
Step1路侧设备在得到车辆消息的可信度后对消息进行广播，同时计算参与车辆新的信任值。
Step2其他车辆在接受到该消息后进行合理的规划决策，同时收到自己的信任值更新值。
Step3路侧设备将车辆的动态信任值发送到政府中心部门，政府中心部门的节点验证消息的合法性，并将更新后的信任值存放在一个临时区块的区块体中。
Step4政府中心部门的所有节点在接受到存放信任值的区块后，通过共识算法选出矿工节点进行记账，并将该区块进行打包上传并进行广播。
Step5车辆的动态信任值通过区块链记录成一个不可篡改的信任库，对于每次最新的区块则链接到主链上，即车辆的最新信任值记录在最后的一个区块中。
基于区块链的分布式信任值通过矿工节点进行验证打包。考虑到场景的落地性和政府中心部门的安全可靠性，选取Raft共识机制，其中的leader接节点成为矿工节点。共识机制Raft最早是为了管理复制日志而提出的算法，它更注重应用的落地性和可理解性。Raft在区块链系统中实现记账共识过程主要通过先选举leader，然后给予leader节点记账和管理区块的权利。leader节点接受来自政府中心部门的记账请求，完成数据的记账操作并生成新的区块同步到其他节点上。Raft共识机制主要有两个阶段，首先是leader节点的选举，文中leader节点通过政府中心部门的节点选出，之后在leader节点基础上进行正常的区块链操作，也即是对车辆的交互数据和信任值进行打包验证和信息共识。
(4)路车节点信息共识：本发明中的参与组织为三个，普通车辆、路侧设备和政府中心部门。需要说明的是，对于发明中提出的路车信息联盟链，参与组织可以根据实际需求，可以任意增加和减少。当参与组织减少至三个组织时便不可再继续减少，而增加组织机构时，可以任意增加，不设上限。其中普通车辆的车端信息采集系统负责收集和预处理由车载感知设备采集到的车辆的数据或车辆行驶的数据。同时从政府中心部门接收安全、有效、合理的行驶数据。路侧设备负责路况环境的数据信息采集，并将数据上传到路侧信息联盟链。政府职能部门负责维护验证车辆信息联盟链和路侧信息联盟，校验车辆的真实信息和路侧设备编码。政府中心部门从区块链中获取路侧设备数据和车辆采集数据，负责数据的识别、分析与计算，从而研判合理的、有效的行驶数据，车辆根据接收到的数据，实现路车出行环境下的自动驾驶。车辆信息联盟链采用信用值制，用于甄别车辆数据的可信度，通过政府中心部门实时获取车辆的当前信用值，避免恶意车辆的攻击。在该系统中，默认路侧设备和政府中心部门都是可信的。对于路车信息联盟链，政府数据中心作为路车信息联盟链的背书节点，对来自链上的数据进行打包验证，其中数据可以存储在数据库中，保证了数据的高效管理和路车数据的高效共识。

Claims (4)

1.一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
（1）搭建路车信息联盟链：当车辆在进入城市路段时，在可信机构单元上注册，对于路车出行中的数据交互，通过路车信息联盟链进行交互；所述路车信息联盟链的系统模型分为三层，自下而上分别是感知层、网络层和应用层；感知层包括车辆的自动驾驶系统和路侧设备的感知模块通过各种传感器获取的环境信息；网络层指车辆和路侧设备之间进行数据信息交互的通信方式；应用层指对于车辆和路侧设备之间的数据通过上传到路车信息联盟链，经过政府中心部门的数据分析和后处理之后，发送给车路协同自动驾驶环境下的车辆，使其完成完全无人驾驶；
（2）建立车辆节点信任模型：为满足车路协同自动驾驶环境下，车辆节点的高移动特性和网络拓扑结构的变化，以及交互过程中的恶意车辆节点筛选，解决行为可信节点带来的消息不可信问题，建立车辆节点信任模型；针对车辆在路车交互中的消息不信任问题，提出了基于时间衰减因子和距离衰减因子以及信任值的单车可信度评价方法；在车辆节点信任模型中，通过信任管理相关数据，包括来自周围车辆、路侧设施和政府中心部门，帮助消息接收方评估消息的可信程度；信任值是对车辆历史行为的综合评价，代表了车辆发布消息的可信程度，随着车辆不断发送消息，其车辆信任值也会动态变化；
（3）建立车辆节点分布式信任库：车辆的信任值是时刻变化的，在经过车辆节点信任模型后，路侧设备验证了当前报告车辆的消息可信度，同时对所有参与车辆的信任值进行动态更新，路侧设备将车辆的动态信任值上传至区块链中，区块链以不可篡改、数据加密、不可伪造的方式对车辆的信任值进行存储和管理；政府中心部门的所有节点在接受到存放信任值的区块后，通过共识算法选出矿工节点进行记账，并将该区块进行打包上传并进行广播；
（4）路车节点信息共识：路车节点共识的参与组织为三个，普通车辆、路侧设备和政府中心部门；普通车辆的车端信息采集系统负责收集和预处理由车载感知设备采集到的车辆的数据或车辆行驶的数据，同时从政府中心部门接收行驶数据；路侧设备负责路况环境的数据信息采集，并将数据上传到路侧信息联盟链；政府职能部门负责维护验证车辆信息联盟链和路侧信息联盟，校验车辆的真实信息和路侧设备编码；政府中心部门从区块链中获取路侧设备数据和车辆采集数据，负责数据的识别、分析与计算，从而研判合理的、有效的行驶数据，车辆根据接收到的数据，实现路车出行环境下的自动驾驶。
2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，其特征在于：所述的可信机构单元是车辆证书的签发和认证、管理已颁发车辆证书的机关；它来制定政策和验证具体步骤、识别车辆的车主身份，并对经过认证的车辆证书进行签名，以确保认证车辆的身份和对公钥的拥有权；可信机构单元由政府中心部门承担。
3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，其特征在于：车辆在可信机构单元注册之后得到的证书内容包括：电子签证路侧设备的信息、授权车辆的公钥信息、路侧设备和政府中心的签字和有效期等。
4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的路车节点可信网络搭建与共识方法，其特征在于：当车辆在发送正确消息或者错误消息时，通过动态的信任值更新来满足车辆的安全出行，对于发送正确消息的车辆进行信任值的奖励，对于发送恶意消息的车辆进行信任值的扣除，其中信任值的惩罚力度要低于奖励措施，实现对恶意车辆的甄别；对于连续发送错误消息的恶意车辆，当信任值减少至阈值以下时，则无法发送报告信息，保证车辆的整体安全出行。
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