一种基于区块链的高速计费方法及系统与流程

本发明涉及智能交通领域，具体涉及一种基于区块链的高速计费方法及系统。

背景技术：

目前全国高速公路联网收费系统总体架构由收费公路联网结算管理中心(以下简称“部联网中心”)和省(区、市)联网结算管理中心(以下简称“省联网中心”)、省内路段分中心、收费站、etc门架系统等组成。基于5.8gdsrc技术，在车辆自由流行驶的状态下实现obu车辆“分段计费，分段收费”，搭载cpc的车辆则按照多义路径方式计算不同路段的费用，在出口处统一收取。车辆信息存储在省联网中心和部联网中心，采用集中式存储，可能会导致查询信息缓慢，增加车辆通行时间、易发生数据丢失篡改、车辆路径追溯困难等问题。

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式，利用区块链式数据结构来验证和存储数据，利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式保证数据传输和范文的安全，利用自动化脚本代码组成智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算方式，具有分布式数据存储、点对点数据传输、不可篡改的特点，可以用来解决交易的信任和安全问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于区块链的高速计费方法及系统，将区块链技术与高速cpc计费相结合，实现高速车辆数据的分布式存储，避免由于各种因素导致的数据丢失，有效避免数据遭到非法篡改，减小路径信息查询时间，增加交易成功率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于区块链的高速计费方法，所述方法包括：

(1)当车辆经过收费站入口时，获取所述车辆的车辆信息生成第一交易流水数据上传至所述收费站所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，所述省内区块用于记录所述车辆在省内的路径信息和费用信息；

(2)当所述车辆经过etc门架时，获取所述车辆的路径信息和费用信息上传至所述etc门架所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心检查所述车辆的路径信息是否完整，若确定不完整则根据所述车辆的车辆信息补全所述车辆的路径信息，计算缺失路段的通行费用，通知下一个etc门架补全所述车辆的路径信息和费用信息，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

(3)当所述车辆经过收费站出口时，获取所述车辆的路径信息和费用信息上传至所述收费站所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，根据所述车辆的路径信息判断所述车辆是否跨省通行，若是则在部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和所述部中心的省际账本，所述省际区块用于记录所述车辆经过不同省份的路径信息和总的费用信息。

进一步，如上所述的方法，所述方法还包括：

(4)当所述车辆经过省界入口时，获取所述车辆的车辆信息生成第二交易流水数据上传至所述省界所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

(5)当所述车辆经过省界出口时，获取所述车辆经过该省份的路径信息和总的费用信息上传至所述省界所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，经该省中心确认后在所述部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和所述部中心的省际账本。

进一步，如上所述的方法，步骤(1)中，通过以下任一种方式获取所述车辆的车辆信息生成流水数据：

若所述车辆内搭载有obu，则从所述obu中获取所述车辆的车辆信息，在确定所述车辆合法后写入入口信息，生成第一交易流水数据；

若所述车辆为mtc车辆，则通过摄像头或者人工获取所述车辆的车辆信息，将该车辆信息和入口信息记录到发放的cpc卡中，生成第一交易流水数据。

进一步，如上所述的方法，步骤(3)中，通过以下任一种方式获取所述车辆的路径信息和费用信息：

若所述车辆内搭载有obu，则从所述obu中获取所述车辆的路径信息和费用信息；

若所述车辆为mtc车辆，则从发放的cpc卡中获取所述车辆的路径信息和费用信息。

进一步，如上所述的方法，步骤(2)中，通过以下方式检查所述车辆的路径信息是否完整：

根据所述车辆的路径信息判断上一个etc门架是否为相邻门架，若是则确定所述车辆的路径信息完整，若否则确定所述车辆的路径不完整。

进一步，如上所述的方法，所述省内区块包括：区块头和交易数据，所述区块头包括上一区块地址、时间戳、hash值、随机数、cpc卡或obu标签信息、车辆信息、入口信息和根节点，所述交易数据包括所述根节点下的若干子节点，每个子节点保存一个交易信息，每个交易信息包括门架编号、路径信息和通行费用。

进一步，如上所述的方法，所述省际区块包括：区块头和交易数据，所述区块头包括上一区块地址、时间戳、hash值、随机数、cpc卡或obu标签信息、车辆信息、入口信息和根节点，所述交易数据包括所述根节点下的若干子节点，每个子节点保存一个交易信息，每个交易信息包括省份编号、路径信息和通行费用。

一种基于区块链的高速计费系统，所述系统包括：客户端、路段中心、省中心和部中心，所述客户端包括收费站系统和etc门架系统；

所述收费站系统用于在车辆经过收费站入口时，获取所述车辆的车辆信息生成第一交易流水数据上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，所述省内区块用于记录所述车辆在省内的路径信息和费用信息；

所述etc门架系统用于在所述车辆经过etc门架时，获取所述车辆的路径信息和费用信息上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心检查所述车辆的路径信息是否完整，若确定不完整则根据所述车辆的车辆信息补全所述车辆的路径信息，计算缺失路段的通行费用，通知下一个etc门架补全所述车辆的路径信息和费用信息，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

所述收费站系统用于在所述车辆经过收费站出口时，获取所述车辆的路径信息和费用信息上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，根据所述车辆的路径信息判断所述车辆是否跨省通行，若是则在部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和所述部中心的省际账本，所述省际区块用于记录所述车辆经过不同省份的路径信息和总的费用信息。

进一步，如上所述的系统，所述客户端还包括省界入口门架系统和省界出口门架系统；

所述省界入口门架系统用于在所述车辆经过省界入口时，获取所述车辆的车辆信息生成第二交易流水数据上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

所述省界出口门架系统用于在所述车辆经过省界出口时，获取所述车辆经过该省份的路径信息和总的费用信息上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，经该省中心确认后在所述部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和所述部中心的省际账本。

进一步，如上所述的系统，所述收费站系统用于通过以下任一种方式获取所述车辆的车辆信息生成流水数据：

若所述车辆内搭载有obu，则从所述obu中获取所述车辆的车辆信息，在确定所述车辆合法后写入入口信息，生成第一交易流水数据；

若所述车辆为mtc车辆，则通过摄像头或者人工获取所述车辆的车辆信息，将该车辆信息和入口信息记录到发放的cpc卡中，生成第一交易流水数据；

所述收费站系统用于通过以下任一种方式获取所述车辆的路径信息和费用信息：

若所述车辆内搭载有obu，则从所述obu中获取所述车辆的路径信息和费用信息；

若所述车辆为mtc车辆，则从发放的cpc卡中获取所述车辆的路径信息和费用信息。

本发明的有益效果在于：本发明将区块链技术与高速cpc收费技术相结合，实现高速车辆数据的分布式存储，避免由于各种因素导致的数据丢失，有效避免数据遭到非法篡改，减小路径信息查询时间，增加交易成功率。

1、利用区块链技术提高了数据存储的安全性。省内账本保存在本省路段中心和省中心，省际账本保存在途经的省中心和部中心，省中心有本省的全部账本，部中心有省际的全部账本，多分数据冗余保存，保证了数据的安全性。

2、快速还原路径。当车辆经过etc门架时，如果发现路径缺失时，路段中心和省中心可调用存储在本中心的账本信息快速补全缺失路径信息，在下一个etc门架完成路径补全，而不再需要在车辆通过etc门架的几秒内完成。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的高速公路联网收费系统的总体架构图；

图2为本发明实施例中提供的高速公路封闭式收费制式和开放式收费制式的场景示意图；

图3为本发明实施例中提供的高速公路联网收费系统的场景示意图；

图4为本发明实施例中提供的一种基于区块链的高速计费方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中提供的省内区块链的区块结构图；

图6为本发明实施例中提供的省际区块链的区块结构图；

图7为本发明实施例中提供的车辆经过收费站入口交易流程图；

图8为本发明实施例中提供的车辆经过etc门架交易流程图；

图9为本发明实施例中提供的车辆经过收费站出口交易流程图；

图10为本发明实施例中提供的车辆经过省界入口交易流程图；

图11为本发明实施例中提供的车辆经过省界出口交易流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图与具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

现有技术

全国联网收费系统架构由收费公路联网结算管理中心(以下简称“部联网中心”)、省(区、市)联网结算管理中心(以下简称“省联网中心”)、省内区域/路段中心(路公司)、etc门架、收费站、etc车道、etc/mtc混合车道等组成，总体构成如图1所示。路段中心一般设置在某段高速旁边，负责该段高速的管理工作。省联网中心一般设置在省会城市。部联网中心设置在交通部。

部联网中心在承担etc清分结算，承担全国联网收费运营服务规则制定。省联网中心主要负责本省(区、市)内路段费率管理，以及本省(区、市)内收费数据的接收、汇总、统计、验证与结算等业务，配合部联网中心完成跨省(区、市)现金和非现金拆分结算业务，以及跨省收费数据的上传、接收、验证和结算业务。

区域/路段中心在现有工作基础上，实现对etc门架系统的运行监测与预警、日常维护及收费稽查管理，同时保证与上级系统的数据通信和传输。

高速公路在每个互通立交、入/出口之间均设立etc门架系统，实现etc车辆和mtc车辆分段计费，生成交易流水(或通行凭证)、通行记录和抓拍图像信息(包括车牌号码、车牌颜色等)，并及时上传至省联网中心。

高速公路联网收费方式为开放式收费制式(保留入/出口收费站)，在高速公路断面设置etc门架系统，实现所有车辆分段计费。高速公路封闭式收费制式和开放式收费制式如图2所示。

etc车辆驶入etc车道时，收费站检测系统检测为正常etc用户，则写入入口信息，生成流水数据，快速放行。车辆经过etc门架时根据obu中的车辆信息写入对应费用信息生成交易流水。etc驶出高速时，出口收费站检测为正常etc用户，不扣费，快速放用户通过。

mtc车辆驶入入口车道时发放cpc卡，cpc卡中记录入口信息和车辆信息。mtc车辆经过etc门架时，etc门架读取cpc卡相关信息，并写入相关费用，形成通行记录。mtc车辆驶出高速时会从cpc卡中读取车辆信息、计费信息、过站信息，核对后完成计费并收费并生成流水数据。

高速公路联网收费系统由部联网中心系统、省联网中心系统、etc门架系统、收费站(etc专用车道系统、etc/mtc混合车道系统)、结算系统等组成，如图3所示。

etc门架分为路段etc门架和省界etc门架。路段etc门架布设在省内路段，etc车辆和mtc车辆经过路段etc门架时产生的交易流水首先上传路段中心，然后由路段中心上传至省联网中心进行清分结算，不在上传部联网中心。省界etc门架布设在两省交界处，当etc车辆和mtc车辆经过省界etc门架时，首先将交易流水上传路段中心，由路段中心上传到省联网中心进行清分结算，再由省联网中心上传至部联网中心进行跨省交易的清分结算。

当etc车辆和mtc车辆经过etc门架系统时，如果发生交易失败、获取车辆信息失败、etc门架故障、cpc卡丢失等异常情况时，需要结合已经获取的信息对车辆路径进行拟合还原，而且车辆经过收费站时的时间要求尽量短，因此需要一种高效的数据存储结构方便大量数据的查询和处理操作。

将区块链技术与高速etc计费相结合，可以实现高速车辆数据的分布式存储，避免由于各种因素导致的数据丢失，有效避免数据遭到非法篡改，减小路径信息查询用时，缩短车辆通过时间。

本发明技术

当车辆经过收费站门架、etc门架、省界门架时，会从obu或cpc中获取车辆信息、路径信息以及费用信息，采集的信息包括以下内容：

表1

如图4所示，本发明提供一种基于区块链的高速计费方法，方法包括：

s100、当车辆经过收费站入口时，获取车辆的车辆信息生成第一交易流水数据上传至收费站所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，省内区块用于记录车辆在省内的路径信息和费用信息；

s200、当车辆经过etc门架时，获取车辆的路径信息和费用信息上传至etc门架所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心检查车辆的路径信息是否完整，若确定不完整则根据车辆的车辆信息补全车辆的路径信息，计算缺失路段的通行费用，通知下一个etc门架补全车辆的路径信息和费用信息，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

s300、当车辆经过收费站出口时，获取车辆的路径信息和费用信息上传至收费站所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，根据车辆的路径信息判断车辆是否跨省通行，若是则在部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和部中心的省际账本，省际区块用于记录车辆经过不同省份的路径信息和总的费用信息。

方法还包括：

s400、当车辆经过省界入口时，获取车辆的车辆信息生成第二交易流水数据上传至省界所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

s500、当车辆经过省界出口时，获取车辆经过该省份的路径信息和总的费用信息上传至省界所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，经该省中心确认后在部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和部中心的省际账本。

步骤100中，通过以下任一种方式获取车辆的车辆信息生成流水数据：

若车辆内搭载有obu，则从obu中获取车辆的车辆信息，在确定车辆合法后写入入口信息，生成第一交易流水数据；

若车辆为mtc车辆，则通过摄像头或者人工获取车辆的车辆信息，将该车辆信息和入口信息记录到发放的cpc卡中，生成第一交易流水数据。

步骤300中，通过以下任一种方式获取车辆的路径信息和费用信息：

若车辆内搭载有obu，则从obu中获取车辆的路径信息和费用信息；

若车辆为mtc车辆，则从发放的cpc卡中获取车辆的路径信息和费用信息。

步骤200中，通过以下方式检查车辆的路径信息是否完整：

根据车辆的路径信息判断上一个etc门架是否为相邻门架，若是则确定车辆的路径信息完整，若否则确定车辆的路径不完整。

省内区块包括：区块头和交易数据，区块头包括上一区块地址、时间戳、hash值、随机数、cpc卡或obu标签信息、车辆信息、入口信息和根节点，交易数据包括根节点下的若干子节点，每个子节点保存一个交易信息，每个交易信息包括门架编号、路径信息和通行费用。

省际区块包括：区块头和交易数据，区块头包括上一区块地址、时间戳、hash值、随机数、cpc卡或obu标签信息、车辆信息、入口信息和根节点，交易数据包括根节点下的若干子节点，每个子节点保存一个交易信息，每个交易信息包括省份编号、路径信息和通行费用。

当车辆进入收费站入口时，obu或cpc会记录相应的入口信息，当车辆经过该省份的etc门架时，门架系统会读取obu或cpc中存储的路径信息并计算对应的费用，将门架标号及费用存储到obu或cpc对应文件中。如果车辆从该省份的收费站驶出，收费站出口门架会读取车辆在该省份的路径信息并上传；如果车辆跨省通行，由其他省份收费站驶出，则在车辆经过省界门架时，会将驶出省份的路径信息和费用信息上传，清空记录省内路径的文件，更新省级路径的文件，在经过下一个省份的省界入口时，重新开始下一省份的路径信息。

根据取消高速省界站系统的设计方案，我国高速公路联网收费采用省、部两级结算，省联网中心完成省内etc和mtc通行费的拆分结算，部联网中心完成etc发行方与省联网中心的etc通行费清分结算以及跨省mtc通行费拆分结算。因此联网收费系统区块链同样分为省内区块链和省际区块链。省内区块链存储在路段中心和省中心(省联网中心)，省际区块链存储在省中心和部中心(部联网中心)。

省内区块链记录车辆在本省内部通行时产生的路径信息和费用信息。当车辆经过收费站入时，生成新的区块，保存在路段中心和省中心。省内区块链包含区块生成的时间、对应的车辆信息、经过的门架编号以及路径信息，其结构如图5所示。

省际区块链记录车辆经过不同省份的路径信息和通信费用。当车辆经过省界出口时生成新的区块保存在省中心和部中心。省际区块链包含车辆信息、入口省份、出口省份、相关省份费用信息，结构如图6所示。

区块链上的节点包括客户端、提交节点(submitter)、背书节点(endorser)、共识节点(peer)、共识服务节点(consenters)。高速公路路网元素对应节点角色划分如下：

表2

高速公路收费站、etc门架和所在路段中心存在上下级管理关系，在高速etc扣费过程中需要利用省级联网中心下发的psam卡进行用户卡的合法性验证，因此在交易流程中摒弃传统区块链客户端向共识节点或背书节点多次往返申请交易和背书的过程，站点申请交易，由路段中心模拟执行和背书后直接由路段中心向省中心请求交易，联网收费的各节点是有统一密钥管理的信任网络，清算分别由省中心和部中心负责，不需要使用复杂的共识算法选择几张主节点，省内账本可在省中心节点中选择，省级账本可在部中心节点中选择。

1、经过收费站入口交易流程

如图7所示，当车辆进入收费站入口时，如果车辆搭载的为obu，收费站入口门架从obu获取车辆信息，判断obu正常工作以及车辆合法后生成流水数据；如果车辆为mtc车辆，则由摄像头及工作人员获取车牌号码、车辆颜色、车辆类型等信息，记录到发放的cpc卡中，并生成流水数据。该流水数据会上传到路段中心，由路段中心确认数据正确后上传到省中心，省中心收到数据后生成省内区块，开始记录该车辆在省内的通信路径，并同步更新路段中心的账本。

2、经过省内etc门架交易流程

如图8所示，当车辆经过etc门架时，etc门架系统获取车辆路径信息和通行费用信息，上传路段中心确认后在上传到省中心，更新省内账本。车辆经过etc门架时可能会发生扣费失败或者路径缺失的问题，因此当etc门架检测到车辆后会读取车辆的路径信息，检测车辆经过的上一个门架是否为相邻门架。如果省中心检测到上一个门架并非相邻门架，则会调用车牌识别等设备采集的信息对路径进行还原，计算缺失路段的通行费用，通知下一路段门架对路径信息和费用进行补全，并更新省内账本。

3、经过收费站出口交易流程

如图9所示，当车辆驶出收费站时，收费站出口etc门架系统需要根据路径信息判断该车辆是否为跨省通行。如果车辆只是在本省内行驶则只需生成省内区块，如果车辆跨省通行，则生成省内区块的同时还要生成省际区块。

4、经过省界入口交易流程

如图10所示，当车辆经过省界入口时，交易流程与车辆经过收费站入口时交易流程相似。由于省际区块链记录的是车辆经过不同省份时总的费用信息，因此不会在省界门架入口处更新省际区块。

5、经过省界出口交易流程

如图11所示，当车辆经过省界出口时，省界出口门架会从obu或cpc中读取车辆在驶出省份的路径信息和总的费用信息，上传路段中心，路段中心确认后上传省中心，省中心上传到部中心。路段中心和省中心更新省内账本，省中心和部中心更新省际账本。

本发明还提供一种基于区块链的高速计费系统，系统包括：客户端、路段中心、省中心和部中心，客户端包括收费站系统和etc门架系统；

收费站系统用于在车辆经过收费站入口时，获取车辆的车辆信息生成第一交易流水数据上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，省内区块用于记录车辆在省内的路径信息和费用信息；

etc门架系统用于在车辆经过etc门架时，获取车辆的路径信息和费用信息上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心检查车辆的路径信息是否完整，若确定不完整则根据车辆的车辆信息补全车辆的路径信息，计算缺失路段的通行费用，通知下一个etc门架补全车辆的路径信息和费用信息，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

收费站系统用于在车辆经过收费站出口时，获取车辆的路径信息和费用信息上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，根据车辆的路径信息判断车辆是否跨省通行，若是则在部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和部中心的省际账本，省际区块用于记录车辆经过不同省份的路径信息和总的费用信息。

客户端还包括省界入口门架系统和省界出口门架系统；

省界入口门架系统用于在车辆经过省界入口时，获取车辆的车辆信息生成第二交易流水数据上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本；

省界出口门架系统用于在车辆经过省界出口时，获取车辆经过该省份的路径信息和总的费用信息上传至所属的路段中心，经该路段中心确认后在所属的省中心生成对应的省内区块，同步更新该路段中心和该省中心的省内账本，经该省中心确认后在部中心生成对应的省际区块，同步更新该省中心和部中心的省际账本。

收费站系统用于通过以下任一种方式获取车辆的车辆信息生成流水数据：

若车辆内搭载有obu，则从obu中获取车辆的车辆信息，在确定车辆合法后写入入口信息，生成第一交易流水数据；

若车辆为mtc车辆，则通过摄像头或者人工获取车辆的车辆信息，将该车辆信息和入口信息记录到发放的cpc卡中，生成第一交易流水数据；

收费站系统用于通过以下任一种方式获取车辆的路径信息和费用信息：

若车辆内搭载有obu，则从obu中获取车辆的路径信息和费用信息；

若车辆为mtc车辆，则从发放的cpc卡中获取车辆的路径信息和费用信息。

本发明的技术方案带来的有益效果：

区块链技术与高速cpc计费相结合，实现高速车辆数据的分布式存储，避免由于各种因素导致的数据丢失，有效避免数据遭到非法篡改，减小路径信息查询时间，增加交易成功率。

1、利用区块链技术提高了数据存储的安全性。省内账本保存在本省路段中心和省中心，省际账本保存在途经的省中心和部中心，省中心有本省的全部账本，部中心有省际的全部账本，多分数据冗余保存，保证了数据的安全性。

2、快速还原路径。当车辆经过etc门架时，如果发现路径缺失，路段中心和省中心可调用存储在本中心的账本信息快速补全缺失路径信息，在下一个etc门架完成路径补全，而不再需要在车辆通过etc门架的几秒内完成。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其同等技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。