區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用研究

趙澤宇，吳歆彥，閆宏偉，尹福康

（中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司，北京 100038）

區(qū)塊鏈?zhǔn)潜忍貛诺牡讓蛹夹g(shù)，是一種去中心化、去信任的分布式數(shù)據(jù)庫[1]。其去中心化思想改變了社會固有的思維模式，組織模式和運營方式對現(xiàn)有的社會架構(gòu)、管理方式做出了新的創(chuàng)新。目前，區(qū)塊鏈的技術(shù)構(gòu)想已經(jīng)從數(shù)字貨幣延伸至金融、證券、物流、醫(yī)療等社會的各個領(lǐng)域[2]。鐵路系統(tǒng)規(guī)模龐大，涉及領(lǐng)域眾多，利用區(qū)塊鏈技術(shù)可以降低監(jiān)督和管理成本[3]。但是鐵路領(lǐng)域?qū)τ趨^(qū)塊鏈研究還不成熟，區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用方向還沒有明確。本文結(jié)合區(qū)塊鏈的技術(shù)特點，探討區(qū)塊鏈在鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用場景，以及區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路系統(tǒng)的發(fā)展方向。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)簡介

區(qū)塊鏈的本質(zhì)是一種分布式數(shù)據(jù)庫，通過技術(shù)手段解決了雙花問題和拜占庭將軍問題[4]，系統(tǒng)不依賴于單一的機(jī)器或者節(jié)點，而是通過去中心化的方式由許多節(jié)點共同維護(hù)，這些節(jié)點通過互聯(lián)網(wǎng)連接到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，每個節(jié)點擁有部分或全部的數(shù)據(jù)庫拷貝，負(fù)責(zé)同步數(shù)據(jù)和驗證記錄的合法性。任意節(jié)點失效，其他節(jié)點仍能正常工作。節(jié)點之間的數(shù)據(jù)交換通過數(shù)字簽名技術(shù)確保真實可靠。整個系統(tǒng)基于既定的協(xié)議自行運作，不受人為干預(yù)[5]。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且幌盗屑夹g(shù)相互結(jié)合形成的一種新的數(shù)據(jù)存儲和表達(dá)方式，其本身是一串?dāng)?shù)據(jù)塊，這些數(shù)據(jù)塊之間通過密碼學(xué)相關(guān)聯(lián)，每一個數(shù)據(jù)塊中包含了多條記錄，每一條記錄都有時間標(biāo)記—時間戳[6]。當(dāng)有新的加密數(shù)據(jù)需要記錄時，由所有節(jié)點共同廣播至全網(wǎng)，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中特定的節(jié)點（礦工）會對數(shù)據(jù)解密進(jìn)行驗證,將多條記錄打包生成新的區(qū)塊，新的區(qū)塊嚴(yán)格按照時間戳線性鏈接到區(qū)塊鏈的末端，維持鏈的增長。礦工的選拔有很多種方式，常見的有“工作量證明”、“權(quán)益證明”和“股份授權(quán)證明”等方式。比特幣采用的就是“工作量證明”方式：全網(wǎng)的礦工共同計算一道數(shù)學(xué)問題，最先計算出的礦工才有機(jī)會打包新的區(qū)塊，并且獲得數(shù)字貨幣的獎勵。

區(qū)塊鏈主要用來解決信任問題，主要特點如下。

1.1 去中心化

去中心化是相對于中心化而言的，社會生活中，人們通過“信任中心”來解決信任問題。銀行賬戶之間轉(zhuǎn)賬時，由銀行來保證交易的合法性，確保轉(zhuǎn)賬雙方的權(quán)利；網(wǎng)上購物時，通過購物網(wǎng)站來解決買方和賣方的信任問題，進(jìn)行商品的購買、配送和接收。這里的銀行和購物網(wǎng)站就是所謂的“中心”，用來進(jìn)行交易認(rèn)證和交易信息的記錄。中心化產(chǎn)生的最主要原因是轉(zhuǎn)賬用戶之間、網(wǎng)絡(luò)購物的客戶和商家之間不能相互信任，如果沒有中心化的運營機(jī)構(gòu)，就有可能產(chǎn)生欺騙或者侵害行為。因為所有的人都信任這個“中心”，所以交易能夠正常進(jìn)行。而區(qū)塊鏈技術(shù)是將對中心的信任轉(zhuǎn)化為對群體的信任。區(qū)塊鏈中，每一筆交易都會在系統(tǒng)中廣播，每個節(jié)點都會記錄這筆交易，也就是說每筆交易都有很多個節(jié)點見證，因此將對“中心”的信任轉(zhuǎn)化為對全體節(jié)點的信任，從而避免由于“中心”事故而導(dǎo)致的問題。區(qū)塊鏈技術(shù)在雙方在沒有三方機(jī)構(gòu)參與的情況下，可以完成交易、擔(dān)保等信任行為，這是區(qū)塊鏈帶來的重大突破。中心化與去中心化對比，如圖1所示。

1.2 不可撤銷、不可篡改

圖1 中心化與去中心化對比

區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中每條記錄都會被蓋上時間戳，多條記錄一起被打包，打包時由網(wǎng)絡(luò)中其他礦工核對，確認(rèn)無誤后會被寫入?yún)^(qū)塊。而數(shù)據(jù)一旦寫入?yún)^(qū)塊便會在全網(wǎng)廣播，網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點都會對數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。區(qū)塊嚴(yán)格按照時間順序推進(jìn)，單個甚至多個節(jié)點對區(qū)塊的修改或刪除無法影響其他的節(jié)點，會受到其他節(jié)點的排斥，除非能夠掌握全網(wǎng)超過50%節(jié)點的控制權(quán)。因此數(shù)據(jù)一旦被寫進(jìn)區(qū)塊鏈之中，便無法再被篡改和刪除。

1.3 開放、自治、匿名

區(qū)塊鏈中所有的數(shù)據(jù)都對內(nèi)部節(jié)點公開，整個系統(tǒng)內(nèi)部信息高度透明，完全開放。整個區(qū)塊鏈系統(tǒng)的運行基于協(xié)商一致的規(guī)范和協(xié)議，所有節(jié)點都完全遵循相同的規(guī)則，任何欺騙行為都會受到其他節(jié)點的排斥和抑制，更不會受到人為的干預(yù)，因此不需要管理機(jī)構(gòu)和中介機(jī)構(gòu)，降低了管理成本。此外，由于賬戶之間的互動基于固有的算法，程序會自動監(jiān)控和執(zhí)行，因此不需要個人信用來避免違約。區(qū)塊鏈技術(shù)通過加密算法保證信息安全和賬戶隱私，雖然整個鏈上的信息是公開的，但是賬戶信息是被保護(hù)起來的，可以有效的保護(hù)個人隱私。

2 區(qū)塊鏈在鐵路應(yīng)用研究

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)還處于早期研究階段，沒有統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，各種技術(shù)方案仍在發(fā)展和嘗試。總體上看，區(qū)塊鏈的發(fā)展經(jīng)歷了3個階段：區(qū)塊鏈1.0是可編程貨幣，是與轉(zhuǎn)賬、支付相關(guān)的貨幣應(yīng)用；區(qū)塊鏈2.0是可編程金融，是與股票、期權(quán)、智能合約等相關(guān)的經(jīng)濟(jì)、市場和金融領(lǐng)域的應(yīng)用；區(qū)塊鏈3.0是價值互聯(lián)網(wǎng)的內(nèi)核，可以構(gòu)造成全球性的分布式記賬系統(tǒng)，應(yīng)用進(jìn)一步擴(kuò)展到審計、醫(yī)療、物流等領(lǐng)域，進(jìn)而應(yīng)用到整個社會。

從公開程度和中心化控制力度方面區(qū)分，區(qū)塊鏈分為公有鏈、私有鏈和聯(lián)盟鏈。公有鏈的信息完全公開，典型應(yīng)用就是比特幣。私有鏈只對專門個人和團(tuán)體開放，沒有完全去中心化，因此更適用于政府機(jī)關(guān)和企業(yè)內(nèi)部。聯(lián)盟鏈對特定的群體和有限的第三方開放，即允許授權(quán)的節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)，并賦予相應(yīng)權(quán)限。

區(qū)塊鏈發(fā)展到3.0階段，才適用于鐵路行業(yè)的應(yīng)用場景。而且由于鐵路系統(tǒng)涉及到信息安全和國防領(lǐng)域，完全的去中心化方式并不適用，宜選擇私有鏈的部署方式，通過分布式數(shù)據(jù)庫保證數(shù)據(jù)的安全和不可篡改。此外，不同于比特幣系統(tǒng)，鐵路系統(tǒng)的區(qū)塊鏈不需要數(shù)字貨幣的激勵來保證礦工投入到區(qū)塊鏈的維護(hù)和增長工作，因此不需要發(fā)行數(shù)字貨幣。綜合以上幾點，區(qū)塊鏈技術(shù)可以應(yīng)用到鐵路系統(tǒng)的如下方面。

2.1 鐵路建設(shè)

目前鐵路工程建設(shè)過程中存在如下問題：

（1）由于施工現(xiàn)場地質(zhì)條件變化，氣候環(huán)境等因素導(dǎo)致施工圖變更；

（2）線路建設(shè)過程中，有新的連接線引入導(dǎo)致設(shè)計變更；

（3）由于專業(yè)接口之間設(shè)計不協(xié)調(diào)導(dǎo)致設(shè)計圖紙變更；

（4）由于設(shè)計不完備導(dǎo)致的問題不能有效追責(zé)，出現(xiàn)問題后的臨時處理措施不能被記錄在案；

（5）施工過程無法跟蹤，施工作業(yè)單等管理記錄不能有效記錄在案；

（6）工作聯(lián)系單中涉及的變更不能夠完全反映到竣工圖紙上；

（7）以上問題導(dǎo)致的既有線施工時現(xiàn)場環(huán)境和竣工圖不符。

總體來說，鐵路建設(shè)的管理流程還略顯粗放，數(shù)字化水平相對滯后[7]，除了要承擔(dān)錯誤施工，重復(fù)施工導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)損失外，對于問題責(zé)任方的放縱處理并不利于鐵路建設(shè)的長效發(fā)展。利用區(qū)塊鏈的不可撤銷、不可篡改的特性，可以有效地解決上述問題。搭建私有鏈實現(xiàn)對預(yù)可研、可研、設(shè)計和施工階段的全程追蹤，各階段研究報告、設(shè)計圖紙、施工圖紙、變更圖紙全部存儲在鏈上，通過時間戳保證變更順序，避免錯誤施工。對于各環(huán)節(jié)出現(xiàn)的重大事故也能有效追責(zé)，因此保證了施工效率和建設(shè)流程的規(guī)范。對于以后的運營養(yǎng)護(hù)和既有線改造也能帶來極大便利。

2.2 運營養(yǎng)護(hù)、機(jī)車檢修

線路養(yǎng)護(hù)涉及行車安全，不能有絲毫懈怠。但是鐵路系統(tǒng)規(guī)模龐大，人員眾多，養(yǎng)護(hù)任務(wù)的完成主要依靠基層單位的管理水平。加上基層站段養(yǎng)護(hù)手段還很原始，工期排班，養(yǎng)護(hù)記錄仍由人工錄入。工作是否按規(guī)定完成，養(yǎng)護(hù)記錄是否真實無法保證，長期記錄也難以保存。因此純靠制度和人為管理并不能完全保證鐵路行車安全。養(yǎng)護(hù)流程區(qū)塊鏈化有助于實現(xiàn)對線路養(yǎng)護(hù)的全流程追蹤，時間戳標(biāo)記不可偽造，確保了養(yǎng)護(hù)頻率準(zhǔn)確無誤，數(shù)據(jù)不可篡改，養(yǎng)護(hù)記錄補(bǔ)記、漏記一目了然，因而節(jié)約管理成本，保證線路養(yǎng)護(hù)如期進(jìn)行。

此外，區(qū)塊鏈技術(shù)也可以應(yīng)用在機(jī)車檢修過程中。通過將工具使用情況、檢修流程、物料庫存等數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈化，可以進(jìn)一步提高工作效率、保證工作質(zhì)量、避免工具和材料的丟失和重復(fù)使用，從而簡化管理成本，進(jìn)而提高鐵路運輸安全系數(shù)。

2.3 貨運物流

貨運是鐵路運輸?shù)闹匾M成部分[8]，幾年來，由于物流行業(yè)的爆發(fā)式發(fā)展，鐵路貨運呈現(xiàn)出多樣化、復(fù)雜化的特性[9-10]，現(xiàn)有的貨運模式面臨巨大的挑戰(zhàn)。采用區(qū)塊鏈技術(shù)，可以在以下方面有所突破。

（1）信息透明：通過與現(xiàn)代物流技術(shù)相結(jié)合，將貨物信息智能化，實現(xiàn)運輸全流程區(qū)塊鏈化，當(dāng)貨物狀態(tài)發(fā)生變化時，系統(tǒng)內(nèi)的所有節(jié)點都會對貨物信息的變更進(jìn)行記錄和存儲，這不僅能夠保證貨物運輸過程的公開透明，也能夠提高貨物運輸信息和資金的可追溯性。

（2）貨物防偽：現(xiàn)有的電子標(biāo)簽技術(shù)，通過與供應(yīng)商、制造商、分銷商、零售商等合作，可以從源頭追蹤貨物起源、屬性和所有權(quán)，但并不能避免中間商惡意篡改數(shù)據(jù)記錄。利用區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改特性，可以將原材料、半成品、成品的各階段數(shù)據(jù)區(qū)塊鏈化，生成不可被篡改的數(shù)字化歷史，進(jìn)而達(dá)到防偽目的，如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈用于貨物防偽

（3）運輸安全：通過區(qū)塊鏈記錄貨運路線，編組方案和交付單位等信息，通過數(shù)字證書確認(rèn)每一環(huán)節(jié)的經(jīng)手人，防止貨物冒領(lǐng)和丟失。

2.4 權(quán)益證明

區(qū)塊鏈上保存的信息無法篡改，具有相當(dāng)?shù)目煽啃裕虼诉m合用作于資產(chǎn)或權(quán)益證明。可以使用區(qū)塊鏈技術(shù)對特殊權(quán)益所有者確權(quán)，提供對軍人、殘疾人、學(xué)生、工作人員等特殊群體的權(quán)益證明，與私鑰等手段配合使用，可以避免優(yōu)惠證件的冒用。

3 結(jié)束語

區(qū)塊鏈技術(shù)通過去中心的方式，依靠既定的協(xié)議和規(guī)則由集體共同維護(hù)，避免了個體的影響，將對人的信任轉(zhuǎn)化為對機(jī)器的信任，對現(xiàn)有的管理模式提出了新的構(gòu)想。但是由于多節(jié)點共同維護(hù)，因此相比于傳統(tǒng)的分布式數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈技術(shù)也存在一些缺陷，例如：效率下降、并行處理能力較弱、延遲較大等問題。因此對于高并發(fā)的業(yè)務(wù)并不適用，但是隨著技術(shù)的進(jìn)步，上述問題正逐漸得到改進(jìn)。

結(jié)合區(qū)塊鏈的技術(shù)特點和鐵路系統(tǒng)特有的安全屬性，本文提出：鐵路系統(tǒng)數(shù)據(jù)不適合采用開放式的存儲方式，管理流程仍需要政策和人為干預(yù)，因此完全的去中心化并不適用，宜采用私有鏈的部署方式。文章進(jìn)一步對區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路建設(shè)、運營養(yǎng)護(hù)、機(jī)車檢修、貨運物流、權(quán)益證明等方面的應(yīng)用進(jìn)行了探討和研究。提出應(yīng)用區(qū)塊鏈技術(shù)能夠減少管理成本，提高系統(tǒng)的自治能力和穩(wěn)定性，規(guī)范鐵路建設(shè)、運營和養(yǎng)護(hù)的流程，保證信息安全。通過與物流等上下游企業(yè)合作，能夠提高服務(wù)質(zhì)量，細(xì)化管理流程，更好地服務(wù)于鐵路運輸。