區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路貨運中的應(yīng)用

馬春琦，任 爽

（北京交通大學(xué) 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，北京 100044）

我國鐵路貨運規(guī)模龐大，2019年，中歐班列全年開行8 225列，同比增長29%，發(fā)送貨物72.5萬標(biāo)箱，同比增長34%[1]。在“公轉(zhuǎn)鐵”、“一帶一路”的大背景下，鐵路貨運加快多樣化轉(zhuǎn)型，提升服務(wù)質(zhì)量，但仍存在數(shù)字業(yè)務(wù)效率低、貨蹤不透明、物流企業(yè)融資困難、缺乏信息服務(wù)等問題。

區(qū)塊鏈技術(shù)具有去中心化、開放、可追溯、不可篡改等特點，能夠加強多系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)融合，促進協(xié)作。在鐵路貨運領(lǐng)域，李平等人分析區(qū)塊鏈技術(shù)國內(nèi)外應(yīng)用情況，提出了鐵路大數(shù)據(jù)共享、“一帶一路”鐵路貨運物流等場景[2]。本文討論了鐵路貨運中區(qū)塊鏈應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)和主要應(yīng)用場景，以供參考。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈可以看作一種不可篡改的分布式數(shù)據(jù)庫。利用分布式技術(shù)，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中的每個成員存儲著一致的賬本，賬本的信息打包儲存在數(shù)據(jù)區(qū)塊中。如圖1所示，區(qū)塊和區(qū)塊間以時間為序，組成鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，利用密碼學(xué)技術(shù)首尾連接在一起，每個區(qū)塊中包含的信息可以是事件的細(xì)節(jié)、價值交易、自動化操作或其他信息。

圖1 區(qū)塊鏈邏輯結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈適合于內(nèi)在分散、孤立的行業(yè)。鐵路貨運涉及多方密切協(xié)作，是區(qū)塊鏈典型的應(yīng)用場景。區(qū)塊鏈應(yīng)用在貨運領(lǐng)域的探索可以追溯至2015年前后，目前應(yīng)用研究較少，主要針對流程優(yōu)化、物流追蹤、物流金融等方向，具體包括結(jié)算對賬、商品溯源、冷鏈運輸、電子發(fā)票等領(lǐng)域。

2 鐵路貨運中區(qū)塊鏈應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 聯(lián)盟鏈網(wǎng)絡(luò)

按照網(wǎng)絡(luò)部署方式的不同，區(qū)塊鏈可以分為公有鏈、聯(lián)盟鏈和私有鏈。公有鏈?zhǔn)峭耆ブ行幕慕Y(jié)構(gòu)，通常用于開放的共享記賬系統(tǒng)；聯(lián)盟鏈?zhǔn)遣糠种行幕姆植际浇Y(jié)構(gòu)，由參與聯(lián)盟的多個機構(gòu)形成多中心，通常用于行業(yè)間地位相對對等的組織團體共享數(shù)據(jù)；私有鏈?zhǔn)菣C構(gòu)內(nèi)部形成的中心化結(jié)構(gòu)，通常用于企業(yè)內(nèi)部的控制和審計[3]。3種區(qū)塊鏈的對比如表1所示。

表1 3種類型區(qū)塊鏈對比

鐵路貨運區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)出于業(yè)務(wù)和監(jiān)管的考量，需要一定程度的中心化。因此，鐵路貨運區(qū)塊鏈架構(gòu)設(shè)計應(yīng)選擇架構(gòu)更為靈活的聯(lián)盟鏈，并采取部分私有的方式。比如區(qū)塊鏈節(jié)點以鐵路貨運公司為主，相關(guān)業(yè)務(wù)方可以選擇加入?yún)^(qū)塊鏈節(jié)點，如圖2（a）所示，或者通過網(wǎng)絡(luò)訪問區(qū)塊鏈中的節(jié)點，如圖2（b）所示。

圖2 區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)組織方式

鐵路貨運區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)建設(shè)初期，應(yīng)該遵循最小業(yè)務(wù)原則，為一部分簡單的業(yè)務(wù)建立數(shù)據(jù)模型和業(yè)務(wù)邏輯，組建小型的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)。隨著鐵路公司與不同主體的業(yè)務(wù)增加，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可以隨之拓展，若干區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)之間再構(gòu)成更大范圍的區(qū)塊鏈，將不同分區(qū)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)匯聚起來，兼容了分散化和中心化。

2.2 跨鏈技術(shù)

因為整個區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)是分區(qū)的，數(shù)據(jù)集成時必然面臨兩個問題：信息孤島和區(qū)塊鏈異構(gòu)。異構(gòu)區(qū)塊鏈間數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口協(xié)議的不同會導(dǎo)致交易合法性證明各不相同，加劇信息孤島。跨鏈技術(shù)通過連接互相獨立的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，實現(xiàn)不同鏈上資產(chǎn)和數(shù)據(jù)的互操作，從而解決孤島問題。

常見的跨鏈技術(shù)實現(xiàn)方式包括公證人機制、哈希鎖定和側(cè)鏈/中繼技術(shù)[4]。公證人機制需要一個或一組節(jié)點在兩條鏈間作為公證人，進行雙方交易的收集和驗證，架構(gòu)簡單，但引入了一定的中心化；哈希鎖定利用了哈希鎖和時間鎖，能夠確保交換的原子性和真實性，但哈希鎖定只能用于交換，且增加了交易次數(shù)，目前只適合資產(chǎn)交易場景；側(cè)鏈/中繼鏈技術(shù)通過雙向錨定的方式實現(xiàn)資產(chǎn)在不同鏈之間的轉(zhuǎn)移，中繼鏈可以看作去中心的公證人機制，不同的鏈之間都可以在中繼鏈上進行跨鏈交互。

鐵路貨運中不同業(yè)務(wù)鏈涉及跨鏈通信時，要考慮具體場景的連接方式、信息傳輸渠道、驗證機制和消息反饋機制。如集裝箱公司和供應(yīng)商之間存在對賬結(jié)算鏈，集裝箱公司和金融機構(gòu)間存在貸款融資鏈，通過中繼鏈互認(rèn)、互操作即可完成可靠的信息流轉(zhuǎn)。運輸中涉及多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，硬件模塊的選擇和組合具有多樣性，對區(qū)塊鏈平臺的支持能力各不相同，且部署完成后難以更新，而跨鏈技術(shù)可較好的滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備在多樣化場景中的需求。

2.3 物聯(lián)網(wǎng)終端接入

物聯(lián)網(wǎng)終端是鐵路貨運里的重要一環(huán)。在區(qū)塊鏈中，必須保證數(shù)據(jù)源頭可信。在貨運過程中，可基于智能設(shè)施和物聯(lián)網(wǎng)完成數(shù)據(jù)的自動采集、存儲和傳遞，盡可能排除人為干擾。物聯(lián)網(wǎng)的智能識別技術(shù)主要包括條形碼/二維碼識別技術(shù)、射頻識別技術(shù)、GPS技術(shù)、信息物理系統(tǒng)（CPS，Cyber-Physical Systems）技術(shù)等。

針對如何將物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備與區(qū)塊鏈集成，各行業(yè)研究者們提出了較多方案[5]：Xie等人設(shè)計了基于區(qū)塊鏈和傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)產(chǎn)品溯源系統(tǒng)[6]，傳感器網(wǎng)絡(luò)收集并上傳GPS、壓力、加速度、溫度、濕度模塊的數(shù)據(jù)，封裝后儲存進區(qū)塊鏈，供應(yīng)用層訪問；Bocek等人搭建了一個基于區(qū)塊鏈的系統(tǒng)架構(gòu)[7]，監(jiān)控藥品在運輸過程中的溫度，確保藥品質(zhì)量，其架構(gòu)包含前端、后端、物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備，前端用于接收傳感器數(shù)據(jù)并與后端服務(wù)器交換JSON格式的數(shù)據(jù)。

在鐵路貨運中，物聯(lián)網(wǎng)終端與區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)融合可用于車號/箱號識別、運輸狀態(tài)監(jiān)測，可提供準(zhǔn)確、可靠的產(chǎn)品信息和物流信息。將其與區(qū)塊鏈中可信的數(shù)據(jù)溯源結(jié)合，可以確保貨運信息在收集、傳遞和共享的過程中真實、完整。

2.4 智能合約

智能合約是區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中承載數(shù)據(jù)和業(yè)務(wù)的部分，根據(jù)具體的業(yè)務(wù)，定義數(shù)據(jù)模型和功能接口，供上層功能調(diào)用。存儲在區(qū)塊鏈節(jié)點的數(shù)據(jù)，在讀寫時都需要通過節(jié)點上的智能合約。創(chuàng)建好的智能合約需要被安裝在區(qū)塊鏈節(jié)點上，合約每一次改動后都需要被重新部署，并在區(qū)塊鏈上留下可溯源的記錄，以此確保鏈上的每一個節(jié)點都認(rèn)同新的合約規(guī)則。

鐵路貨運中，智能合約是業(yè)務(wù)落地的關(guān)鍵點，通過智能合約可以靈活地實現(xiàn)設(shè)備管理、訪問控制、產(chǎn)品溯源等應(yīng)用功能。劉昱剛等針對多式聯(lián)運電子提單業(yè)務(wù)提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的電子提單流轉(zhuǎn)平臺[8]，將提單作為托運人、多式聯(lián)運、海關(guān)、商檢、金融機構(gòu)之間的流轉(zhuǎn)物，在線完成電子提單的簽發(fā)、轉(zhuǎn)讓、付款、貨物檢查等事件。

3 鐵路貨運中區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景

3.1 物流追蹤

終端消費者需要了解鐵路貨運的產(chǎn)品物流信息，從而加強對此次消費的信任；上游供應(yīng)方由于鐵路運輸時延較長，掌握物流信息能更好地預(yù)測市場；承運方掌握詳細(xì)的信息更有助于了解運輸中上下游的情況。

區(qū)塊鏈與物聯(lián)網(wǎng)的組合，對所運輸貨物的物權(quán)、數(shù)量、質(zhì)量、狀態(tài)等證明文件的真實性、可靠性和有效性意義重大。企業(yè)可利用區(qū)塊鏈技術(shù)，打造鐵路貨運存證平臺，實現(xiàn)對運輸過程中產(chǎn)生的各種證明、貨物狀態(tài)等的記錄和查詢，確保信息的真實、可靠和有效。

3.2 流程優(yōu)化

與公路和飛機相比，鐵路運輸周期較長，流程復(fù)雜，涉及相關(guān)方較多。如果能實現(xiàn)單證電子化，提高作業(yè)過程信息化程度，就能減少信息孤島，提高信息時效，有利于解決各方痛點，提升鐵路貨運整體運作效率，降低運營成本。

結(jié)算雙方企業(yè)需要通過系統(tǒng)接口對接的方式完成不同階段數(shù)據(jù)的共享與流通，信用簽收依賴紙質(zhì)運單，雙方各有一套清結(jié)算數(shù)據(jù)，結(jié)算雙方每個結(jié)算周期要進行對賬，需要人工審核大量的紙質(zhì)單據(jù)，有成本高、效率低，結(jié)算周期長的問題。通過引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，可形成具有不可篡改性的賬單記錄。以此賬單作為物流企業(yè)與上游客戶以及下游供應(yīng)商之間的財務(wù)對賬依據(jù)，可以實現(xiàn)交易即清算。同時將包含運價規(guī)則的電子合同寫入?yún)^(qū)塊鏈，使結(jié)算雙方共享同一份雙方認(rèn)可的交易數(shù)據(jù)和運價規(guī)則，保障計費后對賬單的一致性。如果對賬過程中存在異常賬單，可以進行調(diào)賬，將調(diào)賬的審核過程和結(jié)算付款發(fā)票信息作為存證寫入?yún)^(qū)塊鏈，從而降低對賬成本，減少貿(mào)易摩擦。

3.3 抵押融資

鐵路貨運周期一般為7～14天，貨物價值高，資金回收可靠，較適合做抵押貸款。但傳統(tǒng)的倉單質(zhì)押業(yè)務(wù)存在銀行對倉單信息獲取不及時的問題，使得銀行難以對貸款風(fēng)險進行評估，導(dǎo)致企業(yè)融資困難。

區(qū)塊鏈技術(shù)可用來劃定運輸中貨物的權(quán)屬，使貨物價值在各個實體間傳遞，從而分離大宗集體資產(chǎn)的所有權(quán)、使用權(quán)、交易權(quán)、收益權(quán)，同時促進動產(chǎn)質(zhì)押業(yè)務(wù)從現(xiàn)有的自發(fā)、自主描述化的模式向系統(tǒng)確認(rèn)的模式轉(zhuǎn)變，發(fā)揮資產(chǎn)的流動性價值。

3.4 鐵路物流企業(yè)征信

我國貨運物流長期以來有“多、小、散、亂”的特點，信息不對稱、不完整。眾多經(jīng)營主體缺乏有效的組織和管理，經(jīng)營行為不規(guī)范，制約行業(yè)發(fā)展。

通過區(qū)塊鏈、大數(shù)據(jù)等技術(shù)，根據(jù)鐵路貨運相關(guān)企業(yè)交易信息，研究企業(yè)信用評級模型，可以圍繞鐵路企業(yè)建立信用評價機制，加強信用記錄信息共享，對違法失信行為進行預(yù)警和披露。進而整合鐵路供應(yīng)鏈涉及的市場準(zhǔn)入、海關(guān)、質(zhì)檢等環(huán)節(jié)，健全鐵路貨運市場誠信體系。

4 結(jié)束語

本文分析了區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路貨運中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用場景。目前，區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路貨運中的研究尚處在起步階段，應(yīng)用的過程中還存在一些難題，距離產(chǎn)業(yè)化還有較大距離。區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路貨運領(lǐng)域的落地不僅僅是技術(shù)問題，而是如何在鐵路內(nèi)外的眾多企業(yè)、組織中克服協(xié)作壁壘，構(gòu)建信任網(wǎng)絡(luò)的問題。

下一步，還需努力推動區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路集裝箱運輸、鐵路快運對賬、鐵路物流金融、海關(guān)存證、物流企業(yè)征信等場景的示范項目。針對不同場景，尋求共識協(xié)議、跨鏈通信、加密算法等關(guān)鍵技術(shù)的適配和改進，提高區(qū)塊鏈系統(tǒng)在鐵路貨運業(yè)務(wù)中的可用性、可擴展性、吞吐量、安全性，探索更有前景和活力的應(yīng)用模式。