楊 迪，徐 涵，龍承念，彭紹亮

1.國防科技大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，湖南長沙410073

2.上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240

3.湖南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南長沙410082

近年來隨著社會的發(fā)展，中國私家車的數(shù)量不斷增加。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2020年4月，全國汽車保有量約為2.6 億輛，比2009年多了2 倍[1]。汽車數(shù)量的增加加劇了城市的擁堵，也使得停車難的問題愈加突出。目前，中國城市停車場通過出入口的閘機(jī)以及掃碼繳費(fèi)等方式，已逐漸實(shí)現(xiàn)智能化管理，提升了管理運(yùn)營效率。然而，對于城市道路路邊停車而言，仍然以人工收費(fèi)方式為主。這種方式存在以下幾個弊端：1）管理效率低下，每個人管理的停車范圍非常有限；2）人工收費(fèi)存在“中飽私囊”的問題；3）存在停車時長和收費(fèi)不明發(fā)生糾紛的可能；4）財(cái)務(wù)和審計(jì)部門在收費(fèi)結(jié)算和核算的流程方面較為復(fù)雜。

物質(zhì)世界數(shù)字化是提高效率的一種有效方法。隨著信息技術(shù)的發(fā)展，城市基礎(chǔ)設(shè)施越來越智能化和數(shù)字化。例如，人臉識別技術(shù)在車站安檢口的使用、高速公路ETC 技術(shù)的推廣等大大提高了人員和車輛的通行效率。對于道路路邊停車而言，很有必要引入一套數(shù)字化的管理系統(tǒng)來取代傳統(tǒng)的人工模式。

區(qū)塊鏈最早由中本聰在2008年提出[2]，是一種將時序數(shù)據(jù)以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)組合而成、以密碼學(xué)機(jī)制保證交易數(shù)據(jù)不可篡改的分布式賬本，具有分布式、不可篡改、安全可信等優(yōu)點(diǎn)，可以為停車收費(fèi)數(shù)據(jù)提供可靠性保障。區(qū)塊鏈根據(jù)參與節(jié)點(diǎn)的身份是否確定以及是否引入了經(jīng)濟(jì)激勵機(jī)制，分為公有鏈和許可鏈。目前綜合各類因素來看，許可鏈更適合國內(nèi)的商業(yè)級部署[3]。它通過內(nèi)部若干機(jī)構(gòu)或組織共同參與管理區(qū)塊鏈，各自運(yùn)行一個或多個節(jié)點(diǎn)，其中的數(shù)據(jù)只允許系統(tǒng)內(nèi)不同的機(jī)構(gòu)進(jìn)行讀取和發(fā)送交易，并且共同記錄交易數(shù)據(jù)。

許可鏈的典型框架是Hyperledger Fabric[4]，它是Linux 基金會于2015年發(fā)起的推進(jìn)區(qū)塊鏈數(shù)字技術(shù)和交易驗(yàn)證的開源項(xiàng)目。擁有靈活的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以提供企業(yè)級安全性、可擴(kuò)展性和良好的吞吐性能。它獨(dú)特的分布式分類賬技術(shù)（distributed ledger technology,DLT）能夠確保數(shù)據(jù)的完整性和一致性，因此本系統(tǒng)采用Fabric 平臺搭建停車管理區(qū)塊鏈系統(tǒng)。

圍繞數(shù)字化停車管理的研究很多。文獻(xiàn)[5] 設(shè)計(jì)了一種基于閘口放行的停車場數(shù)字化管控方案。文獻(xiàn)[6] 提出了一種路邊停車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，但僅僅是圍繞動態(tài)引導(dǎo)及尋車、違停提醒等進(jìn)行了探討，并沒有在根本上改變路邊停車的管理方式。文獻(xiàn)[7] 從保護(hù)用戶隱私的角度出發(fā)，基于FISCO BCOS 聯(lián)盟鏈設(shè)計(jì)了一套停車場與用戶之間交互、政府部門和系統(tǒng)管理者監(jiān)管的停車管理系統(tǒng)。文獻(xiàn)[8] 強(qiáng)調(diào)了區(qū)塊鏈系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)中心化節(jié)點(diǎn)所具有的優(yōu)點(diǎn)，并針對擁擠城市停車難的問題設(shè)計(jì)了一套停車位置共享和引導(dǎo)系統(tǒng)，便于司機(jī)獲得空置車位的實(shí)時信息。文獻(xiàn)[9] 提出了一種面向停車場和用戶的停車收費(fèi)管理系統(tǒng)，旨在打通各停車場之間的邊界，方便停車用戶使用。以上研究都沒有針對道路路邊停車問題提出有效的解決方案。為此，本文提出并實(shí)現(xiàn)了一個基于Hyperledger Fabric 許可鏈的道路路邊停車管理系統(tǒng)，通過邊緣設(shè)備采集停車信息，將關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲至區(qū)塊鏈平臺。本系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：1）引入數(shù)字化的管理，提高路邊停車管理效率。2）將停車交易數(shù)據(jù)存放在區(qū)塊鏈上，利用區(qū)塊鏈的防篡改特性保證停車收費(fèi)數(shù)據(jù)安全可靠。3）優(yōu)化多部門業(yè)務(wù)交互關(guān)系，利用Fabric 鏈上數(shù)據(jù)訪問控制機(jī)制，保護(hù)用戶的隱私性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的業(yè)務(wù)主體有交通管理部門、財(cái)務(wù)部門、審計(jì)部門、停車用戶以及邊緣設(shè)備，如圖1所示。主要有以下四部分的業(yè)務(wù)開發(fā)：

1）Fabric 環(huán)境部署及鏈碼開發(fā)業(yè)務(wù)

根據(jù)系統(tǒng)的功能需求部署Fabric 環(huán)境，建立Fabric 網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)配置有3 個組織，分別為交通管理部門、財(cái)務(wù)部門、審計(jì)部門，每個組織的節(jié)點(diǎn)上安裝不同的鏈碼以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

2）多部門查詢停車數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

各部門根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求，擁有不同的數(shù)據(jù)查詢權(quán)限。交通管理部門主要查詢車位的使用情況，財(cái)務(wù)和審計(jì)部門主要查詢停車費(fèi)用的入賬及核賬情況。

3）客戶端/管理端業(yè)務(wù)

客戶端可實(shí)現(xiàn)綁定車輛、解綁車輛、查看停車交易記錄、電子化支付等功能。管理端主要供交通管理部門下轄的管理人員使用，實(shí)現(xiàn)車位增加、刪除等操作。

4）邊緣設(shè)備業(yè)務(wù)

每臺邊緣服務(wù)器與N個攝像頭組網(wǎng)形成邊緣節(jié)點(diǎn)，再通過Nginx 服務(wù)與Web 服務(wù)器相連。攝像頭捕獲停車信息后將視頻元數(shù)據(jù)發(fā)送至相連的邊緣設(shè)備。邊緣設(shè)備接收到數(shù)據(jù)后，對視頻進(jìn)行丟幀處理，并使用部署在邊緣設(shè)備的深度學(xué)習(xí)算法識別車牌。待車牌識別完成后，將車牌號、停車地點(diǎn)、時間戳發(fā)送至Web 服務(wù)器。

圖1 業(yè)務(wù)流程Figure 1 Business process

1.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)架構(gòu)主要包括Fabric 區(qū)塊鏈平臺、Web 服務(wù)器端和客戶端/管理端三部分，其具體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)架構(gòu)Figure 2 System architecture

Fabric 區(qū)塊鏈平臺包括數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、合約層，其功能是對上傳的關(guān)鍵停車數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲。其中數(shù)據(jù)層是區(qū)塊鏈的核心部分，可以將停車數(shù)據(jù)加密后上傳到區(qū)塊鏈；網(wǎng)絡(luò)層是Fabric區(qū)塊鏈平臺信息傳輸?shù)幕A(chǔ)，包括共識機(jī)制、P2P 網(wǎng)絡(luò)及網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)驗(yàn)證機(jī)制；合約層封裝的是能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)功能的智能合約。Fabric 上的智能合約又稱為鏈碼，是一段可以在Fabric區(qū)塊鏈平臺上進(jìn)行驗(yàn)證、存儲和執(zhí)行等操作的代碼，可以與Fabric 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交互[10]。最外層是Fabric SDK 模塊，是區(qū)塊鏈系統(tǒng)與后端服務(wù)的連接件。

Web 服務(wù)器是系統(tǒng)的中樞，本系統(tǒng)采用Nodejs 作為后端業(yè)務(wù)框架，結(jié)合Nginx 服務(wù)對客戶端請求進(jìn)行負(fù)載均衡處理。后端服務(wù)在接收到客戶端/管理端傳來的圖片后，調(diào)用車牌識別功能進(jìn)行識別，之后通過Fabric SDK 將停車信息上鏈。考慮到Fabric 區(qū)塊鏈吞吐量不大[11]，為減少數(shù)據(jù)上鏈存儲操作，在Web 服務(wù)器端增加MySQL 數(shù)據(jù)庫作為緩存。用戶開始停車時先將停車數(shù)據(jù)寫入MySQL 數(shù)據(jù)庫，待用戶駕車離開時再將MySQL 中開始停車時的數(shù)據(jù)取出，與離開時的時間戳等停車交易信息進(jìn)行上鏈存儲操作。該方法將開始停車和結(jié)束停車兩次上鏈操作縮減為一次，從而提高了系統(tǒng)的綜合性能。

客戶端/管理端為用戶及管理人員提供交互界面。本系統(tǒng)采用微信小程序作為前端框架，通過API 與Web 服務(wù)器后端交互，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯功能及數(shù)據(jù)流動。

2 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

路邊停車管理系統(tǒng)主要涉及Fabric 區(qū)塊鏈平臺、Web 服務(wù)器端、客戶端/管理端3 個部分的開發(fā)。

2.1 Fabric 區(qū)塊鏈平臺

2.1.1 Fabric 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境部署

Fabric 網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是鏈碼開發(fā)以及運(yùn)行的基礎(chǔ)。在操作系統(tǒng)中，首先需要安裝環(huán)境依賴程序，如Go 語言、Docker 容器等，并下載Fabric 系統(tǒng)文件。之后使用Fabric 文件中的bootstrap.sh 腳本，下載相關(guān)的bin 二進(jìn)制執(zhí)行文件、docker 鏡像及fabric-samples 文件。完成上述步驟后使用fabric-samples 中的configtx 配置文件創(chuàng)建組織節(jié)點(diǎn)，生成相應(yīng)證書、數(shù)據(jù)文件以及系統(tǒng)和通道的創(chuàng)始塊，并開啟orderer 節(jié)點(diǎn)和peer 節(jié)點(diǎn)，待通道創(chuàng)建后將節(jié)點(diǎn)加入，完成單機(jī)系統(tǒng)部署。之后，使用kubernetes 容器編排技術(shù)完成Fabric 網(wǎng)絡(luò)的多機(jī)部署。本系統(tǒng)根據(jù)需求創(chuàng)建3 個組織1 個通道的Fabric 系統(tǒng)，其配置信息中的組織標(biāo)識符和組織ID 及后續(xù)所安裝的鏈碼名稱如表1所示。

表1 Fabric 區(qū)塊鏈組織信息Table 1 Fabric’s organization information

2.1.2 Fabric 鏈碼開發(fā)

鏈碼是Fabric 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)邏輯的載體，本系統(tǒng)中的鏈碼使用Go 語言開發(fā)。3 個鏈碼分別安裝在不同組織的節(jié)點(diǎn)上，可以通過鏈碼上傳停車信息或根據(jù)各自業(yè)務(wù)需要查詢不同的鏈上數(shù)據(jù)。

在鏈碼部署成功后的實(shí)例化過程中，首先調(diào)用Init 方法完成系統(tǒng)初始化，接著調(diào)用Invoke方法執(zhí)行數(shù)據(jù)上鏈存儲或查詢操作。本系統(tǒng)定義了以下4 種Invoke 方法，如表2所示。

表2 Fabric 鏈碼Invoke 方法Table 2 Invoke method of chaincode

表中，addTx() 用于數(shù)據(jù)上鏈存儲操作，queryTxByUser()、queryTxByFinacial()、query-TxByAudit() 分別對應(yīng)客戶端、財(cái)務(wù)、審計(jì)的查詢。調(diào)用不同的鏈碼方法，可以實(shí)現(xiàn)隱私數(shù)據(jù)的隔離訪問。

在鏈碼中，首先需要定義鏈上數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)上鏈數(shù)據(jù)包括用戶賬戶名、車牌號、收費(fèi)值、開始和結(jié)束停車時間以及停車位置信息。之后，鏈碼讀取MySQL 數(shù)據(jù)庫中的停車數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)編碼后以鍵值對的形式通過API 接口存儲至區(qū)塊鏈。鏈碼具體的執(zhí)行過程如圖3所示。

圖3 鏈碼執(zhí)行過程Figure 3 Chaincode execution process

數(shù)據(jù)查詢和數(shù)據(jù)上鏈存儲過程存在較大的不同之處，其區(qū)別在于：

數(shù)據(jù)查詢操作首先通過步驟①獲得身份認(rèn)證后，在步驟②與peer 節(jié)點(diǎn)建立連接并發(fā)送交易提案。peer 節(jié)點(diǎn)對提案進(jìn)行組織身份、通道信息及鏈碼地址的驗(yàn)證。驗(yàn)證成功后，在peer節(jié)點(diǎn)構(gòu)建交易模擬器，之后經(jīng)過步驟⑤啟動鏈碼，按照交易提案內(nèi)容通過步驟⑥查詢對應(yīng)的賬本，取出數(shù)據(jù)后經(jīng)步驟⑦返回查詢結(jié)果至客戶端。

數(shù)據(jù)上鏈存儲操作在步驟①與②的基礎(chǔ)上獲得peer 節(jié)點(diǎn)簽名并滿足背書策略要求，通過步驟③將交易和響應(yīng)信息封裝后廣播到共識網(wǎng)絡(luò)，待完成排序服務(wù)后經(jīng)步驟④打包成區(qū)塊廣播到同一個通道的所有peer 節(jié)點(diǎn)。peer 節(jié)點(diǎn)收到共識網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的區(qū)塊后，首先對區(qū)塊中的交易背書策略、區(qū)塊數(shù)據(jù)、交易版本號進(jìn)行驗(yàn)證，然后通過步驟⑤調(diào)用鏈碼并經(jīng)過步驟⑥將區(qū)塊添加到通道對應(yīng)的鏈上。最后，由步驟⑦返回上鏈成功的信息至客戶端。

2.2 Web 服務(wù)器端

Web 服務(wù)器接收到車牌圖片后，先通過車牌識別服務(wù)識別出車牌號，將車輛信息優(yōu)先緩存至MySQL 數(shù)據(jù)庫，再通過Fabric SDK 存儲關(guān)鍵數(shù)據(jù)至Fabric 區(qū)塊鏈。

2.2.1 車牌識別

車牌識別算法不是本文的研究重點(diǎn)，且該算法目前已比較成熟，有很多開源的項(xiàng)目。本系統(tǒng)使用了HyperLPR[12]，該方法的識別準(zhǔn)確率可達(dá)95% 以上，識別時間可控制在100 ms 以內(nèi)，其識別過程如圖4所示。通過圖像預(yù)處理、車牌定位、字符分割、字符識別等過程，完成車牌的識別。

圖4 車牌識別過程Figure 4 License plate recognition process

2.2.2 MySQL 緩存數(shù)據(jù)庫

MySQL 數(shù)據(jù)庫主要存放用戶個人信息、停車位信息、車輛信息以及停車支付、充值、提現(xiàn)等交易信息，其數(shù)據(jù)庫設(shè)計(jì)如圖5所示。

圖5 MySQL 數(shù)據(jù)庫表的設(shè)計(jì)Figure 5 Design of MySQL database tables

在圖5中，所有表的主鍵ID 均是由系統(tǒng)自動生成的唯一標(biāo)識。User 表存儲用戶信息，其中Password 存放的是用戶密碼的Hash 值，用于保護(hù)車主賬戶安全；Type 用以區(qū)分用戶和管理員，Balance 表示該賬戶的余額。MoneyFlow 表存儲用戶資金流水信息，Type 用以區(qū)分充值操作和提現(xiàn)操作。ParkingInfo 表存儲停車位信息，其中Pstatus 表示停車位的狀態(tài)，分別是未停車、已停車。Car 表與User 表關(guān)聯(lián)，存儲用戶賬戶下注冊的汽車車牌，其中PlateNumber 表示車牌號。Transaction 表是停車系統(tǒng)的核心，存儲停車交易信息，主要包括車牌號PlateNumber、停車位ID、起止時間、付費(fèi)值Fee。

2.2.3 Fabric SDK

Fabric SDK 是Web 服務(wù)器與Fabric 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，通過Farbric 的Peer 節(jié)點(diǎn)和Orderer 節(jié)點(diǎn)并基于gRPC 協(xié)議的接口，實(shí)現(xiàn)Peer 節(jié)點(diǎn)與Orderer 節(jié)點(diǎn)命令/數(shù)據(jù)交互。Fabric 官方提供了多種語言的SDK 來封裝操作區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)的API，本系統(tǒng)采用Nodejs語言的SDK。借助fabric-network、fabric-client、fabric-ca-client 這3 個模塊，F(xiàn)abric 區(qū)塊鏈應(yīng)用可以訪問Fabric 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的賬本、交易、鏈碼、事件、權(quán)限管理等多種資源。

2.3 客戶端/管理端

客戶端/管理端是系統(tǒng)與人交互的窗口界面，在系統(tǒng)業(yè)務(wù)中是發(fā)起服務(wù)請求的載體。為便于使用，本系統(tǒng)均采用微信小程序的方式實(shí)現(xiàn)。通過賬戶管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用戶/管理員的注冊、登錄、找回密碼等功能，其前端界面如圖6所示。

圖6 客戶端/管理端界面Figure 6 Interface of client and management

下面以用戶停車過程為例，闡述該過程的業(yè)務(wù)流程。

步驟1用戶通過綁定車輛的操作，為其賬戶添加注冊車輛Car_x。

步驟2用戶停車至停車位P_x，管理員在管理端將Car_x 車牌號拍照后與停車位P_x信息一起上傳至Web 服務(wù)器。

步驟3Web 服務(wù)器識別出Car_x 車牌號Plate_x 后，將車牌號Plate_x、停車位P_x、時間戳T_start 存儲至MySQL 數(shù)據(jù)庫。

步驟4用戶駕車離開時，管理員確認(rèn)車輛離開信息，將時間戳T_end 上傳并寫入MySQL 數(shù)據(jù)庫中停車位P_x 對應(yīng)的最后條目。后端應(yīng)用訪問MySQL 數(shù)據(jù)庫取出該條停車數(shù)據(jù)，根據(jù)收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)和停車時間，計(jì)算收費(fèi)值Fee_x 并完成扣費(fèi)。最后將車牌號Plate_x、停車位P_x、時間戳T_start 和T_end、付費(fèi)值Fee_x 進(jìn)行上鏈存儲。

3 性能測試分析

本系統(tǒng)Web 服務(wù)及Fabric 區(qū)塊鏈環(huán)境搭建在云服務(wù)器中，操作系統(tǒng)為Centos 7.6，處理器主頻為2.5 GHz，處理器核心數(shù)為2，內(nèi)存為4 GB，硬盤為40 GB，網(wǎng)絡(luò)帶寬為5 Mbit/s。

數(shù)據(jù)上鏈和數(shù)據(jù)查詢性能指標(biāo)主要為吞吐量以及響應(yīng)延遲時間，由Hyperledger Caliper性能基準(zhǔn)測試框架[13]進(jìn)行測試，各鏈碼執(zhí)行性能結(jié)果如表3所示。

表3 Caliper 測試鏈碼性能結(jié)果Table 3 Caliper test chaincode performance results

由表3可以看出：在測試發(fā)送率send rate 設(shè)置為1 000 的條件下，F(xiàn)abric 區(qū)塊鏈查詢吞吐量平均在500 tps（transaction per second）以上，延遲小于200 ms；數(shù)據(jù)上鏈存儲吞吐量為220 tps，延遲小于500 ms。由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)上鏈存儲操作采取定時的惰性的從MySQL 數(shù)據(jù)庫中讀取的方式，雖然僅有220 tps 的吞吐量，但也可以滿足業(yè)務(wù)場景正常的使用需求。

4 結(jié) 語

本文針對道路路邊停車應(yīng)用場景，設(shè)計(jì)了一個基于Fabric 區(qū)塊鏈的路邊停車管理系統(tǒng)。通過手機(jī)管理端采集停車信息，并將停車關(guān)鍵數(shù)據(jù)存儲至Fabric 區(qū)塊鏈平臺，依靠區(qū)塊鏈去中心化、鏈上數(shù)據(jù)不可篡改等特點(diǎn)，保證停車收費(fèi)數(shù)據(jù)安全可靠。經(jīng)過性能分析可以知道；鏈上數(shù)據(jù)查詢時間在200 ms 以內(nèi)，數(shù)據(jù)上鏈吞吐量在200 tps 以上，可以滿足實(shí)際業(yè)務(wù)需要。下一步，我們計(jì)劃針對智慧城市萬物互聯(lián)的特點(diǎn)，綜合運(yùn)用攝像頭、地磁、RFID 等邊緣設(shè)備并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，進(jìn)一步優(yōu)化路邊停車管理的方式。