鐵路物流與區塊鏈融合應用研究

黃敏珍，李國華，林曉蕾，李一丹

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能和區塊鏈技術的發展，區塊鏈技術已經從數字貨幣延伸到金融、證券、物流和醫療等社會的各個領域[1]。基于區塊鏈防篡改、去中心化、安全性和公開性等特點，開展鐵路貨運物流與區塊鏈技術的融合創新研究，探索鐵路貨運物流科學發展的應對之策，對于加快鐵路開展國際貨運業務發展具有重要的理論價值和實踐意義。同時，隨著鐵路貨運票據電子化的實施，生產流程不斷優化，打通了既有獨立的多個專業信息系統，通過多系統有機結合、多工作緊密協作，實現了客戶需求和內部生產信息電子化流轉、無縫銜接，實現了貨運數據全程共享，為開展鐵路物流與區塊鏈技術的融合研究奠定了數據基礎。

本文總結了區塊鏈的起源、發展階段和關鍵技術，通過分析多式聯運、國際聯運的數據交換與數據共享等各方面需求，結合鐵路貨運信息系統的現狀，對鐵路物流與區塊鏈的融合應用進行了研究。

1 區塊鏈

1.1 區塊鏈概念

區塊鏈技術起源于2008年，由化名為“中本聰”的學者發表的論文[2]。狹義區塊鏈是一種按時間順序，以順序相連的方式，將數據區塊組合起來的鏈式數據結構。廣義上講，區塊鏈技術是利用加密等技術驗證并存儲數據，利用分布式共識算法增加和更新數據，利用智能合約，保證業務邏輯自動強制執行的全新去中心化基礎架構與分布計算范式[3]。

1.2 區塊鏈關鍵技術

區塊鏈是各種技術的組合和融合應用，這些技術組合包括密碼學、P2P協議、共識機制、智能合約等。

1.2.1 加密算法

在比特幣區塊鏈底層技術中，大量使用了加密算法，有各種哈希樹算法、對稱和非對稱式加密算法，另外還有一些編碼算法，如Base58編碼、VarInt編碼和DER編碼等[4]。

1.2.2 P2P協議

互聯網是以網站為中心，利用點對點協議可以改變這種方式，實現去中心化，區塊鏈平臺一般利用分布式的P2P協議作為網絡傳輸協議，每個節點均擁有路由發現、廣播交易、廣播區塊、發現新節點等功能[5]。

1.2.3 共識算法

共識是網絡中所有節點如何記賬、驗證記賬結果及維護等問題達成的一致認識。若要修改某個區塊內的交易信息, 就必須將該區塊和后面所有區塊的信息進行修改。具體技術包括分布式賬本的計算和存儲、節點間的共識服務、背書驗證管理及節點間的網絡傳輸協議，共識服務是區塊鏈的核心組成部分，為區塊鏈的主體功能提供底層支撐。

1.2.4 智能合約

智能合約的實現一般利用腳本技術, 智能合約可視為一段部署在區塊鏈上的去中心化、可共享、可自動運行合約條款的計算機程序或代碼, 這段程序將協議雙方約定的內容進行數字化編碼寫入區塊中, 約定內容一旦發生, 系統將自動執行智能合約。

2 基于區塊鏈的鐵路物流協作平臺構建

本文以區塊鏈相關技術，鏈接客戶、鐵路貨運企業、海運等多式聯運企業、物流園區、金融機構、監管機構等，構建基于區塊鏈的鐵路物流協作平臺，促使供應鏈中商流、物流、資金流、信息流四流合一[6]，建立互信共贏并且共享的鐵路物流聯盟鏈系統。

2.1 基于區塊鏈的鐵路物流類型選擇

根據不同的應用場景和需求，區塊鏈可分為公有鏈、聯盟鏈、私有鏈3類。聯盟鏈和私有鏈也統稱為許可鏈，公有鏈稱為非許可鏈[7]。以比特幣為代表的公有鏈是所有節點共享，完全開放，公有鏈作為基礎層服務促進了技術的進步。但公有鏈交易會導致速度變慢、節點加入門檻低,而純私有鏈則過于封閉，節點不具備平等性[6]。以企業以太坊聯盟為代表的聯盟鏈，適用范圍更廣，能在保證交易速度的同時實現網絡的去中心化，保證數據的不可更改性。典型的聯盟鏈是R3公司主導開發的40多家全球性金融機構參與的區塊鏈交互平臺[8-9]。基于鐵路物流的特點，可以選擇基于區塊鏈技術的聯盟鏈形式構建信息平臺。安全性、效率及實際應用場合的要求，以企業以太坊聯盟為代表的聯盟鏈由于具備處理速度快，節點的數量和身份比較明確，安全性方面更有保障等特點，聯盟鏈近年來發展速度很快。

2.2 鐵路物流聯盟鏈構建

在鐵路物流場景以及鐵路貨運運輸生產過程中，涉及到物流企業、生產企業和監督部門之間運輸信息共享、作業高效協同；在多式聯運和國際聯運方面，需要融合區塊鏈技術打通公路、鐵路、貨運代理商、海運承運商、港口和海關之間的信息壁壘，實現鐵水聯運、鐵公聯運以及國際聯運等信息共享傳遞。基于鐵路物流涉及企業、相關單位的數量和身份基本比較明確，對數據安全保障方面的要求比較高，可以構建鐵路物流聯盟鏈的形式，如圖1所示。

圖1 鐵路物流聯盟鏈示意圖

2.3 鐵路物流聯盟鏈各方主體

2.3.1 全程物流各方

全程物流是一種新型的物流模式。鐵路物流關聯了生產企業、物流企業、運輸企業、金融機構和監督部門等，通過鐵路物流聯盟鏈，可以及時有效地為客戶提供從信息到運輸、從物流倉儲到后市場服務的一站式全方位供應鏈綜合服務，通過區塊鏈技術高效安全的實現商品從需求提報、裝卸、運輸、到站卸車、倉儲和接取送達等全流程透明化。

2.3.2 多式聯運各方

在多式聯運方面，涉及到公路、鐵路、港口和海關等各方，傳統方式，一般是由一個核心企業構建一個共享平臺，或者各個企業建立自己的平臺，各個企業之間開發相應的接口進行對接，系統的安全性和數據的可靠性比較依賴于核心企業。通過建立鐵路區塊鏈聯盟，各方是數據維護的參與方，多式聯運各方主體共同維護分布式的賬本，可以解決信息不對稱、防止信息被篡改，建立一個互相高度信任的社會物流環境。

2.3.3 境外鐵路

在中歐班列方面，利用傳統數據交換的方式要實現公路、鐵路、貨運代理商、海運承運商、港口和海關之間的信息共享存在各種信息壁壘，通過鐵路物流聯盟鏈，利用區塊鏈技術實現各方之間的信息交互與共享，打通國內鐵路運輸追蹤信息與境外鐵路運輸追蹤信息的壁壘。

2.3.4 金融機構

在鐵路運輸過程中，會產生許多依附供應鏈的金融需求，例如數字倉單質押融資、供應鏈金融等。通過鐵路物流聯盟鏈，鐵路運輸過程中積累的大量的企業和物流信息都可以上鏈，解決物流過程相關企業與金融機構之間信息不對稱問題、征信方面的問題，便于鐵路物流征信數據查詢和實時共享。

2.3.5 監管機構

通過鐵路物流聯盟鏈，監管機構能夠利用智能合約等相關技術，把監管條例和辦法等直接寫入區塊鏈，不同于傳統的政府單位監管的模式，而是轉化為各參與方共同監管的方式。

3 基于區塊鏈鐵路物流應用場景分析

3.1 貨運流程優化

鐵路貨運票據電子化工程通過數據串聯的方式整合貨運運輸作業各個系統，實現到達流程卡控、數據共享。在這個過程中，涉及鐵路貨運的實物流、信息流、資金流，還包括鐵路運輸過程中裝卸作業、貨物檢查、安全保障、到貨卸車、倉儲服務、接取送達等各個環節，關聯發貨方、鐵路貨運相關部門、收貨方等。適合構建按照作業環節順序將數據區塊組合成的鏈式結構，通過與現代物流技術相結合，將貨物信息智能化，實現運輸全流程區塊鏈化[10]，如圖2所示。

圖2 鐵路貨運全流程區塊鏈化

3.2 多式聯運

多式聯運企業作為數據的使用方和提供方，在數據進行共享和交換時，通常會擔心數據資產泄露等問題。而區塊鏈技術可以通過搭建聯盟鏈的形式，數據提供方對數據需求方進行授權，在本地進行數據的采集和加工，通過標準SDK+API給每一個聯盟鏈的節點進行提供，可以實現資產上鏈、建立信用主體、進行數據確權，安全保障等功能。通過制定多式聯運數據交換標準，以集裝箱為載體，聯結多種運輸方式，整合包括箱源、貨源、車源、倉儲資源、運力資源等資源在內的多種運輸資源，加強協同合作，可以重塑供應鏈、產業鏈、價值鏈，推進物流信息共享，促進各種運輸方式有效銜接，降低物流成本。

3.3 全程物流追蹤

跨境供應鏈包括貨運公司、海運承運商、貨運代理商、港口和海關等，利用區塊鏈技術可以實現各方之間信息的透明性，并且可以降低貿易成本和復雜性，減少欺詐，縮短產品的運輸時間，降低綜合物流成本。

貨物在貨主、承運單位、收貨方、貨運代理商和海關之間的物流信息傳輸，通過物聯網和區塊鏈賬本技術實現商品從需求提報、裝卸、運輸、到站卸車、倉儲、接取送達等全流程透明化。區塊鏈技術可以保證存儲數據的真實性，物聯網技術則可保證數據收集過程的真實可靠，促進跨境全程物流追蹤服務的實現。

3.4 鐵路物流征信和金融

利用區塊鏈技術實現信息資源背書，減少欺詐和錯誤，研究區塊鏈與物流征信融合解決方案，實現物流征信信息、可信數據交易、數字倉單質押融資和供應鏈金融等延伸服務。

分析鐵路貨運在支付、金融服務等方面的現狀及痛點，分析鐵路95306網站重構后，開展第四方物流在支付、結算、金融等方面的需求，進一步挖掘鐵路貨運資源經營能力、可開展的金融服務、為鐵路物流支付、結算、金融服務應用場景提供統一的解決方案。

3.5 鐵路貨運安全保障

近年來，物聯網的發展迅速，特別是物聯網技術在貨運安全監控、安全保障方面起了非常大的作用。云計算、大數據和AI相當于人的大腦，是物聯網的神經中樞，物聯網和區塊鏈相當于人的感覺器官和執行器官[11]。另外，物聯網的核心和基礎是互聯網，而互聯網上的網絡攻擊、數據泄露和網絡窺探等網絡安全問題很難保證，利用區塊鏈技術，可以用賬本的形式保留物聯網設備歷史記錄，并且可以保證真實性，區塊鏈技術可以為物聯網中人與機、機與機的交互提供可信度高的平臺和安全的共享賬本[12]；通過物聯網技術，可以獲取商品在物流過程中的各項數據，并保障數據收集的真實性，而融合區塊鏈技術能同時保證這些數據存放的可靠性。

同時，利用區塊鏈與物聯網技術，可以促進物流安全相關數據局安全傳遞，加強貨運檢查，危險品貨物的監控，實現安全、預警、危險品、安全檢查、安全風險隱患、事故處理、環保監控等信息的實時上鏈，實現安全、監管信息的不可篡改和可追溯，通過對貨物運輸的每一個關鍵節點進行監控，從而實現貨物運輸全程安全監管可控。

4 結束語

本文研究了與區塊鏈相關關鍵技術，結合鐵路貨運信息系統的現狀，研究了基于區塊鏈的鐵路物流協作平臺的構建，融合鐵路物流與區塊鏈技術，提出并分析了區塊鏈在貨運流程優化、多式聯運、全程物流追蹤、物流征信、金融，以及鐵路貨運安全保障方面的應用場景。而區塊鏈聯盟鏈構建涉及到多方主體，如何協同物流供應鏈上下游企業去信任一個去中心化的平臺并進行協作，如何讓各方進行最大限度的信息資源共享與協作，這些都將是區塊鏈技術在真正落地實施時會遇到的問題。后續將對區塊鏈的關鍵技術與多式聯運數據交換應用平臺進行深入研究。