任 鵬，徐晶晶，王 意，馬小峰

同濟大學電子與信息工程學院，上海201804

區(qū)塊鏈技術誕生于比特幣系統(tǒng)的設計中.2008年最初提出的區(qū)塊鏈技術僅僅是一種數(shù)據(jù)結構，用來存儲比特幣的交易歷史，并提供可信的交易驗證[1].隨著區(qū)塊鏈技術的不斷演進，它所具有的去中心化、穩(wěn)定安全、不可篡改等特點[2-4]使其脫離了加密數(shù)字貨幣范疇的束縛，開始向供應鏈金融[5]、物聯(lián)網(wǎng)[6]等領域不斷擴展.區(qū)塊鏈技術的本質(zhì)是通過技術方法保證數(shù)據(jù)的可信性，即在沒有強大中心機構提供信任機制的情況下，通過對技術方法的信任創(chuàng)造一種互信的交易環(huán)境，從而使交易變得可行.這種技術特征與汽車租賃聯(lián)盟的構建需求高度契合，但是研究者很少進行此方面的研究.本文提出的共享汽車租賃聯(lián)盟，旨在區(qū)塊鏈服務系統(tǒng)設計中采用當前較為成熟的Hyperleger Fabric 架構，利用聯(lián)盟鏈架構穩(wěn)定可信的特點，提供高效的區(qū)塊鏈系統(tǒng)服務.

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡化和信息化不斷滲透到生產(chǎn)生活的各個方面.車聯(lián)網(wǎng)技術作為物聯(lián)網(wǎng)技術的一種代表性應用，可以借助車載傳感器、無線射頻等技術，實現(xiàn)對車輛特性、運行狀態(tài)等的實時追蹤[7]，并利用信息網(wǎng)絡平臺將數(shù)據(jù)上傳到服務器以進一步的分析處理.在以往的車聯(lián)網(wǎng)技術研究中，通常希望利用車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)進行車輛狀態(tài)追蹤[8].在交通管理方面，通過分析交通設施的使用情況來為智能交通提供引導服務[9].目前在汽車租賃領域主要關注租賃管理系統(tǒng)[10]、車輛調(diào)度模型的設計[11]以及共享租賃模式的分析[12]，很少關注新型租賃模式的開發(fā).

本文提出的共享汽車租賃聯(lián)盟，旨在將車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)和區(qū)塊鏈系統(tǒng)結合起來，通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)賦予車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)可信性，進而建立一個可信的聯(lián)盟.該聯(lián)盟整合了車輛共享租賃商業(yè)場景中車輛所有者、車輛使用者、車輛租賃服務平臺、車輛保險機構以及車輛維修服務機構等角色，通過區(qū)塊鏈系統(tǒng)加快與車輛租賃相關的可信數(shù)據(jù)的流通，進而為參與各方提供個性化的服務，創(chuàng)造一種新型的汽車共享租賃服務模式.

1 區(qū)塊鏈和車聯(lián)網(wǎng)技術

1.1 區(qū)塊鏈技術

如圖1所示，區(qū)塊鏈技術發(fā)展大致經(jīng)歷了3 個階段：基礎技術的理論起源階段、以比特幣交易系統(tǒng)為代表的數(shù)字貨幣試驗階段、支持復雜智能合約和分布式應用的擴展階段.

圖1 區(qū)塊鏈技術演進Figure1 Evolution of blockchain technology

區(qū)塊鏈技術起源于很多成熟的技術組件，憑借巧妙的設計構造了一個能夠穩(wěn)定運行的系統(tǒng).它依賴的技術包括分布式數(shù)據(jù)庫、非對稱加密的密碼學技術、點對點通信網(wǎng)絡技術等.這些技術組合打造了一個沒有中心化服務器的交易系統(tǒng)，使每個參與者既是系統(tǒng)的使用者，也是系統(tǒng)服務的提供者.因為系統(tǒng)設計遵循明確的交易規(guī)則，在技術層面上保證了交易的可靠性，所以參與的節(jié)點依靠的不是對其他節(jié)點的信任，而是對整個系統(tǒng)的信任.

在區(qū)塊鏈技術中第一次成功的試驗當屬比特幣系統(tǒng)的使用.在比特幣系統(tǒng)的實踐中，首次引入了工作量證明（proof of work,PoW）算法[1].該算法設計了一個難以求解但易于驗證的數(shù)學問題，在理論上擁有更高計算能力的節(jié)點在求解中也有更大概率獲得該問題的解.當某一個節(jié)點求得的解被其他節(jié)點驗證之后，就擁有了為下一個區(qū)塊創(chuàng)建工作提供服務的權利.節(jié)點通過完成對當前階段交易內(nèi)容創(chuàng)建區(qū)塊的服務，可以獲得一定的比特幣獎勵.PoW算法是區(qū)塊鏈技術中第一個真正具有實踐意義的算法.

隨著區(qū)塊鏈技術的進一步發(fā)展，加密數(shù)字貨幣的公有鏈架構逐漸擴展出了聯(lián)盟鏈的架構體系.聯(lián)盟鏈和公有鏈的最大區(qū)別在于：聯(lián)盟鏈本身運行在一個具有一定信任基礎的環(huán)境中，此時區(qū)塊鏈體系的最大作用變成了交易數(shù)據(jù)的存證，因為它在很大程度上排除了節(jié)點惡意構造虛假信息的攻擊可能，所以在聯(lián)盟鏈中的共識機制通常更為高效.典型的共識機制有Paxos算法[13-14]、Raft 算法[15]等，也有采用Kafka 機制[16]完成消息共識的策略.由于聯(lián)盟鏈的設計面向企業(yè)應用，因此聯(lián)盟鏈中的智能合約可以支持復雜的業(yè)務邏輯.當前聯(lián)盟鏈架構中具有代表性的是Hyperledger Fabric 項目，該項目對傳統(tǒng)節(jié)點的功能進行拆分后設立新的排序節(jié)點，承擔交易的共識排序服務；同時又引入多通道的功能，可以有效地實現(xiàn)數(shù)據(jù)隔離和業(yè)務隔離.隨著區(qū)塊鏈技術的進一步發(fā)展，一些新的密碼學技術諸如零知識證明[17-18]、同態(tài)加密[19]等相繼應用到區(qū)塊鏈體系中，為更好地提高效率、保護用戶隱私提供了可能.

1.2 車聯(lián)網(wǎng)技術

物聯(lián)網(wǎng)技術通常通過網(wǎng)絡技術將用于數(shù)據(jù)采集的傳感器和用于設備控制的控制器結合起來.在區(qū)塊鏈技術誕生后，一直有學者研究如何更好地將區(qū)塊鏈技術與物聯(lián)網(wǎng)技術進行結合[20-21].研究發(fā)現(xiàn)，采用區(qū)塊鏈技術能夠降低物聯(lián)網(wǎng)的成本、提升物聯(lián)網(wǎng)設備的安全性[6].

車聯(lián)網(wǎng)技術是物聯(lián)網(wǎng)技術在交通領域的重要應用之一，車聯(lián)網(wǎng)可以通過車載傳感器和無線網(wǎng)絡通信技術提取車輛的動態(tài)信息和靜態(tài)屬性并加以分析利用.隨著傳感器、云計算、移動網(wǎng)絡通訊等技術的飛速發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)技術可以完成車輛與車輛之間、車輛與道路基礎設施之間、車輛與后臺服務器之間的快速信息交換[22].

本文提出了基于區(qū)塊鏈技術和車聯(lián)網(wǎng)技術的共享汽車租賃模式，希望通過區(qū)塊鏈技術保證車聯(lián)網(wǎng)采集數(shù)據(jù)的可信度，進而通過可信的數(shù)據(jù)流通，在傳統(tǒng)的汽車租賃場景下創(chuàng)造出更加靈活的商業(yè)模式.

2 共享汽車租賃模式設計

2.1 汽車共享租賃聯(lián)盟構建

隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)和旅游業(yè)的蓬勃發(fā)展，汽車租賃產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速.但是相對于發(fā)達國家的汽車租賃行業(yè)，中國的汽車租賃行業(yè)在產(chǎn)業(yè)規(guī)模、技術管理、服務水平等方面都存在著明顯差距.當前中國的汽車租賃市場規(guī)模化效應較小，集約化程度較低，呈現(xiàn)比較分散的狀態(tài).

在傳統(tǒng)的汽車租賃模式中，通常需要中介機構集合租賃車輛，或者租賃廠商自己購買租賃車輛，而車輛的租借和歸還需要依賴固有的經(jīng)營場所.車輛租賃模式分為長租和短租兩類，通常情況下長租以月為時間單位，短租以天為時間單位.對于一些比較大的租賃廠商，因為擁有更廣泛和完備的租賃網(wǎng)點，所以能夠按小時計時租賃.對于大部分中小租賃企業(yè)，租賃的計時方式和地域范圍仍然缺乏足夠的靈活性.基于區(qū)塊鏈技術和車聯(lián)網(wǎng)技術，本文設計了汽車租賃聯(lián)盟.如圖2所示，依托區(qū)塊鏈技術中的聯(lián)盟鏈的架構，把汽車租賃產(chǎn)業(yè)相關的角色進行了抽象結合.租賃聯(lián)盟中的角色包括:提供車輛保險的保險機構、提供租賃服務的租賃平臺、提供車輛維護的維護機構、提供租賃車輛的車輛所有人和租賃車輛的車輛駕駛人.

圖2 基于區(qū)塊鏈的汽車共享租賃聯(lián)盟構建圖Figure2 Construction diagram of car-sharing and rental alliance based on blockchain

車輛提供者提供的車輛經(jīng)過維護機構的專業(yè)鑒定后生成租賃車輛車況報告，包含車輛的品牌、行駛里程等基礎信息.車況報告經(jīng)車輛租賃服務平臺確認后寫入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡，租賃聯(lián)盟中的成員便能獲知車況信息.車輛租賃者的每一次租賃行為都會被區(qū)塊鏈網(wǎng)絡記錄，記錄的信息既包括租賃訂單的時間、支付情況等信息，也包括由車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采集的車輛在租賃期間的駕駛信息.共享汽車租賃服務平臺根據(jù)車況報告和車輛租賃者的駕駛行為數(shù)據(jù)分析，可以對每次車輛租賃情況進行評估并提供個性化的訂單服務.車輛保險機構根據(jù)車況報告、車輛租賃者的駕駛數(shù)據(jù)分析等可以提供個性化的保險服務.因為區(qū)塊鏈網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的不可篡改性和可信性，聯(lián)盟中的各個角色可以放心地依賴網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行分析，從而顯著提高商業(yè)模式中的信息流通速度，同時降低信息交換和信息監(jiān)督審核的成本.因為能夠在車輛提供者和車輛租賃者之間構建可信的關系，所以擁有閑置車輛的車主可便捷地參與到租賃市場中，充分發(fā)揮共享經(jīng)濟的精神，提高閑置車輛的利用率.這也在一定程度上改善了傳統(tǒng)汽車租賃服務企業(yè)需要自有車輛、資產(chǎn)占用過重的情況.

2.2 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集

傳統(tǒng)的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以通過車載傳感器獲取數(shù)據(jù)，然后通過無線通信網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)上傳到服務器供管理者進一步分析[8].引入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)之后，數(shù)據(jù)的存儲和管理將由區(qū)塊鏈系統(tǒng)負責.如圖3所示，車載傳感器對車輛的狀態(tài)信息進行采集后通過車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)進行上傳，數(shù)據(jù)上傳之后的存儲和管理由區(qū)塊鏈系統(tǒng)中的智能合約負責.由于聯(lián)盟鏈多中心化架構的特點，系統(tǒng)中與數(shù)據(jù)管理相關的合約會接受所有參與方的監(jiān)督并取得參與方的信任.一旦數(shù)據(jù)寫入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡，則不能被篡改，從而保證數(shù)據(jù)的可信性.

圖3 車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)采集寫入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)Figure3 Data acquisition and writing blockchain system for internet of vehicles

因為數(shù)據(jù)的存儲和管理由智能合約負責，所以智能合約的內(nèi)容需要通過聯(lián)盟中相關角色的審核.目前，通過智能合約寫入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要分為兩類，一類是租賃平臺提供的訂單信息，另一類是在該訂單期間車聯(lián)網(wǎng)上傳的駕駛數(shù)據(jù)，用于分析車輛租賃者的駕駛行為.

表1 智能合約管理的主要數(shù)據(jù)Table1 Main data of smart contract management

3 共享汽車租賃個性化業(yè)務設計

3.1 個性化租賃服務

在本文提出的共享汽車租賃聯(lián)盟中，汽車租賃平臺起著信息撮合的作用.因為引入了區(qū)塊鏈系統(tǒng)，聯(lián)盟中的數(shù)據(jù)具有高可信性和高流通性，所以與傳統(tǒng)的汽車租賃服務平臺只起到中介作用相比，本文的汽車租賃服務平臺可以為各方提供簡單的溝通和個性化的服務.

如圖4所示，區(qū)塊鏈系統(tǒng)保存了租賃聯(lián)盟中的車況數(shù)據(jù)和待租賃人的駕駛行為數(shù)據(jù)，分析這些數(shù)據(jù)可以進行個性化定制服務.例如通過駕駛行為數(shù)據(jù)分析可以獲知駕駛人的駕駛技術和駕駛習慣，并對駕駛人的習慣進行評級.獲得優(yōu)異評級的駕駛人在租賃車輛中具有更大的選擇權，車輛所有人也樂于提供更大的優(yōu)惠力度.結合車況的信息評級、駕駛人的駕駛行為評級以及車輛所有人的意愿，汽車租賃服務平臺可以對該訂單進行差異化定價，提供差異化的服務響應.這種差異化的激勵機制可以有效引導車輛租賃者合理使用車輛，提高車輛供租雙方的滿意度，促進車輛供租雙方的良好合作.

圖4 基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的個性化租賃訂單Figure4 Personalized rental order based on blockchain system

3.2 精細化車輛保險

隨著共享汽車租賃平臺的發(fā)展，相關的汽車保險業(yè)務也同步展開.在保險業(yè)務中，理賠時效是衡量保險服務水平的代表性指標，而在傳統(tǒng)的保險業(yè)務中，存在著大量理賠時效糾紛問題.共享汽車使用過程中流動性較大，相對傳統(tǒng)的汽車保險，責任更難認定.如圖5所示，車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)和區(qū)塊鏈系統(tǒng)及時將車輛狀態(tài)記錄存證，可以為后期的保險追溯提供很大便利，從而提升保險服務的效率.

圖5 基于區(qū)塊鏈系統(tǒng)的個性化車輛保險Figure5 Personalized vehicle insurance based on blockchain system

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展和保險業(yè)務的不斷創(chuàng)新，研究者提出了車聯(lián)網(wǎng)保險的概念[23].與本文提出的車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)作用定位相同，車聯(lián)網(wǎng)保險通過車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)獲取車輛靜態(tài)屬性和動態(tài)數(shù)據(jù)，進而分析駕駛人和車輛的安全等級，并針對不同的等級提供差異化的保險費率和保險服務.本文在車聯(lián)網(wǎng)保險的基礎上引入了區(qū)塊鏈技術，不僅可以記錄車聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)，還可以記錄車輛的維護信息和運營信息，既保證了數(shù)據(jù)記錄的全面性，也保證了數(shù)據(jù)記錄的安全性和可信性.通過對這些信息進行分析，保險機構可以獲取詳盡的參考數(shù)據(jù)，制定更加靈活的定價策略和服務策略，進而提供更加高效完善的個性化車輛保險和駕駛人保險服務.

4 共享汽車租賃系統(tǒng)架構設計

共享汽車租賃系統(tǒng)架構的底層是硬件系統(tǒng)，如圖6所示.硬件既包括車聯(lián)網(wǎng)設備、租賃車輛、車輛維護設備，也包括區(qū)塊鏈系統(tǒng)服務器、傳統(tǒng)的網(wǎng)絡服務器和文件服務器.在底層系統(tǒng)之上，可以構筑文件服務和網(wǎng)站服務，用于對外提供業(yè)務服務.整個系統(tǒng)可以通過移動應用和網(wǎng)頁應用與用戶層進行交互.用戶層可以通過前臺系統(tǒng)進行業(yè)務查詢和操作.

圖6 共享汽車租賃系統(tǒng)總體框架Figure6 Overall framework of car sharing rental system

在共享汽車租賃聯(lián)盟中，租賃服務平臺作為核心企業(yè)，負責聯(lián)盟成員的協(xié)調(diào)和技術系統(tǒng)的構建.車輛提供者加入租賃聯(lián)盟之后，由租賃服務平臺負責在車輛上加裝車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，并與區(qū)塊鏈系統(tǒng)建立數(shù)據(jù)通道.其后產(chǎn)生的車輛運行數(shù)據(jù)和業(yè)務數(shù)據(jù)將會寫入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)，車輛所有者可以通過系統(tǒng)進行監(jiān)督查詢，并且在個性化訂單服務中為車輛租賃者提供價格折扣.車輛租賃者的駕駛習慣數(shù)據(jù)由租賃服務平臺獲取并分析，從而得出駕駛習慣評分.車輛保險機構可在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中獲取車輛租賃者的駕駛習慣評分和對應的車況信息，進而提供精細化的車輛租賃保險服務.車輛保險服務的簽約、賠付等環(huán)節(jié)將會在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中按照事先設置好的標準流程進行，從而降低保險欺詐風險，提高保險服務效率.

車聯(lián)網(wǎng)設備采集的數(shù)據(jù)較為詳盡，在長時間的運行中會積累大量運營相關數(shù)據(jù).區(qū)塊鏈系統(tǒng)分布式賬本的特性導致這些數(shù)據(jù)需要在多個節(jié)點同步，直接存儲原始數(shù)據(jù)會占用大量存儲空間，于是在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中存儲的通常是數(shù)據(jù)塊的哈希值.當需要對一些數(shù)據(jù)進行確認驗證時，可以先取得該數(shù)據(jù)塊的哈希值，再到文件服務器中進行比對驗證.具體步驟如下：

步驟1每一個訂單通過車聯(lián)網(wǎng)設備獲取車輛數(shù)據(jù)，與聯(lián)盟中成員提交的運營數(shù)據(jù)作為一個數(shù)據(jù)單位存儲在傳統(tǒng)的文件服務器上.這些原始數(shù)據(jù)M將會按照傳統(tǒng)的存儲技術進行管理，保證數(shù)據(jù)的安全性.

步驟2對原始數(shù)據(jù)的M內(nèi)容進行哈希運算得到H(M)，同時加上數(shù)據(jù)存儲位置U(M)以及寫入?yún)^(qū)塊鏈系統(tǒng)的時間戳T(M)，組合成區(qū)塊鏈系統(tǒng)的存儲內(nèi)容B.生成的存儲內(nèi)容B將在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中進行廣播存儲.

步驟3利用客戶端讀取數(shù)據(jù)時首先從傳統(tǒng)的文件服務器獲取原始數(shù)據(jù)M，然后從區(qū)塊鏈系統(tǒng)中獲取B，按照式(1)進行計算，只有匹配正確的才能被客戶端認可.

步驟4當聯(lián)盟成員根據(jù)驗證過的數(shù)據(jù)M分析得到自己的提案C并寫入?yún)^(qū)塊鏈網(wǎng)絡時，會在B后加上自己的私鑰簽名S(R)和簽名時間戳T(R)，供其他成員驗證，即

5 結 語

本文提出的共享汽車租賃聯(lián)盟的構建，在傳統(tǒng)汽車租賃的基礎上引入了區(qū)塊鏈技術和車聯(lián)網(wǎng)技術，并利用這些新技術推動了業(yè)務創(chuàng)新.相對于傳統(tǒng)共享租賃模式，通過共享汽車租賃聯(lián)盟的構建，可以在車輛租賃者、車輛提供者、車輛租賃服務平臺和車輛保險機構之間構建可信的數(shù)據(jù)連通渠道.這種新的合作模式在提高數(shù)據(jù)流轉效率的同時維持了數(shù)據(jù)的公正性和可信性，增強了合作方加入合作聯(lián)盟的動力.同時，基于對區(qū)塊鏈系統(tǒng)和車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析，可以提供傳統(tǒng)租賃模式下難以實現(xiàn)的個性化定制業(yè)務，包括定制化的車輛租賃訂單服務和精細化的車輛保險服務.但是目前系統(tǒng)設計中也存在一些不足，主要是采用開源的fabric 架構，其系統(tǒng)定制化程度較低，且對一些用戶數(shù)據(jù)隱私的問題沒有進行充分的考慮.下一步可以參考一些新的密碼學技術，例如同態(tài)加密等方法，對用戶數(shù)據(jù)隱私進行更加完備的管理.