基于區塊鏈的鐵路電子檔案管理技術研究

孔旸

(北京市地鐵運營有限公司， 北京 100044)

0 引言

伴隨著互聯網相關技術的蓬勃發展，傳統的紙質檔案已逐漸被線上的電子檔案所代替，檔案涵蓋了幾乎所有領域的重要信息，對人們的日常生產生活與社會實踐活動等，均會造成不同層次的多方影響[1]。在鐵路電子檔案的管理中，由于其數據信息具有多變性與實時性，且其數量巨大，因此在日常管理中存在一定的難度。Aste T等[2]認為區塊鏈技術有著可預見的社會影響與工業影響，通過對其進行溯源與細致分析，并將其成功應用至比特幣數字現金系統中。針對傳統零售模式的改革，區塊鏈技術可使得消費者在任意時間或地點享受商品的優質服務，并保證供應鏈的透明化與公開化，有效實現零售商與消費者之間的共贏[3]。因此，此次研究將當前區塊鏈技術的弊端及關鍵技術等內容作為研究重點，并將其應用到鐵路電子檔案管理技術中，旨在促進其可持續發展。

1 區塊鏈的關鍵技術及相關特點

區塊鏈技術是一種集綜合性與創新性于一體的優秀技術，具有較強的不可篡改性與去中心化等特點，能夠為保障鐵路電子檔案的安全儲存與高效管理提供輔助作用。該項技術是互聯網之后的又一顆技術新星，區塊鏈的新指的并不是它自身可作為一項單獨的新興技術，而是融合了多種相關技術而成的復雜新技術，具有較強的創新性[4]。就本質而言，區塊鏈表示的是對數字貨幣等進行加密的去中心化基礎架構，且其應用范圍極為廣泛，該項技術起源于眾所周知的比特幣技術，然而其應用領域卻不僅僅局限于比特幣之上[5-6]。將數字貨幣的交易作為例子可知，區塊鏈上囊括了數量巨大的區塊，每一個區塊上均記錄著交易中的所有相關信息，各區塊之間互相關聯，呈鏈式結構。在數字貨幣具體的交易過程中，每當一筆新交易產生，則同時會有一個新的區塊隨之而成，且各區塊間存在鏈條將其互相進行關聯。隨著交易數量的不斷增多，區塊的數量也會持續有所增長，進而使得區塊鏈形成且不斷延長，則其建立與驗證如圖1所示。

圖1 區塊鏈的建立與驗證研究

由圖1可知，區塊鏈最為重要的作用則是對信息安全的存儲。由于所有需要得到儲存的信息，均可以寫入區塊鏈中，同時外界也可以從區塊鏈中讀取到相應的存儲信息，因此可將其看作為一個龐大的數據庫，且其具有公開性、透明性、去中心化，以及較高的集體維護性等特點。區塊鏈不將中心機構作為技術核心，摒除對中心機構的依賴，而利用網絡點對點的相關技術，來對所有的信息文件進行合理的分布存儲，使信息文件可以互相進行驗證與傳播[7]。基于此，區塊鏈技術能夠在諸多復雜條件的環境中實現信息交互，具有較高的公信力。在實際的區塊鏈交易過程中，其各方面的特點明顯，交易全景如圖2所示。

圖2 區塊鏈交易全景示意

由圖2可以清晰地看到區塊鏈的交易全景，發現其作為多種技術進行融合與創新后產生的新技術，具有顯著的公開性、透明性，以及交易可追溯性。就技術層面而言，區塊鏈作為一種全新的數據存儲技術，具有明顯的分布式特點，以點對點的數據傳輸方式來進行信息的傳遞。就社會經濟層面而言，將該技術廣泛應用至社會的各行各業，覆蓋各個領域，即可促進社會經濟效益的產生，進一步實現信息的全面互通，構建共享型的經濟發展領域。綜上所述，從不同的發展層面看來，區塊鏈的應用均具有較高的實際價值。

區塊鏈技術具備較為全面的特點，囊括了去中心化、不可篡改、不可逆，以及匿名性等。其中去中心化指的是區塊鏈將原有的中心化數據庫進行分散處理，使每一個獨立的節點均實時且同步地對檔案中的信息進行復制，在經過限制比例的節點統一后，方可對相關信息進行修改，并將其加入到區塊鏈之中，以此來保證檔案信息的公開透明及確定性。不可篡改性指的是區塊鏈中任一單獨節點均對所有信息進行存儲，需要擁有半數以上節點的控制權限才可對某個單一信息進行修改，可有效避免惡意修改。不可逆的特點則表現在當信息的修改與存儲等相關操作得到確認以后，所有的相關記錄均會得到保存，且不可逆轉。匿名性指的是區塊鏈中各個節點的身份信息是被隱藏起來且不可取的，信息的傳遞也是以匿名的方式進行，保障了信息及其歸屬的安全性。

2 區塊鏈技術在鐵路電子檔案管理中的應用研究

2.1 區塊鏈技術在電子檔案管理中的弊端及解決措施

在區塊鏈技術應用到鐵路電子檔案管理的實際過程中，由于種種客觀原因，仍然存在一定的弊端亟需解決。弊端之一為區塊鏈中的安全漏洞，該漏洞的表現形式包括代碼邏輯上的問題與私鑰保管不當。其二指的是區塊鏈的容量不足以支撐整個電子檔案管理系統的穩定運行，當前區塊鏈的容量均值為47TB，與鐵路電子檔案管理所需的容量仍然相去甚遠，這對區塊鏈中各項交易的進行均有所影響，其中最為顯著的是交易速度的減慢[8]。故而在未來的區塊鏈應用中，需要對容量進行擴充，以優化相應的管理系統。

若區塊鏈中出現安全漏洞，相應的信息管理平臺被對手信息系統所掌控，為了有效防止信息數據的泄露，區塊鏈技術將構建出穩定可靠的可信性保護框架。由于鐵路電子檔案文件的生命周期主要分為4個階段，即創建收集、使用、修改移交以及銷毀階段，因此需要系統中所有的節點均進行信息確認，才可進行區塊鏈中的相關操作[9]。無論是對鐵路電子檔案文件進行創建、查閱，還是修改，抑或是銷毀等操作，系統均會發送相應的操作請求給所有節點，上述節點將對獲取的電子信息進行存儲并確認其真實性，在最終獲取到管理員的同意以后，才會執行相關操作。該種機制確保了區塊鏈應用的安全性與可靠性，使得即使信息管理平臺被外界掌控，自身也可以及時進行阻攔與挽救，進而實現系統的安全維護[10]。除此以外，區塊鏈技術的應用會導致系統計算的復雜度與成本均有所上升，但相較于對系統安全性的提升而言，這二者的提升無足掛齒。該項技術可以使得鐵路電子檔案文件的管理更加可靠，各軟硬件提升的成本大約為原始成本的120%，小成本會帶來更加喜人的大回報。

2.2 區塊鏈技術在實際檔案管理應用中的優勢

在區塊鏈技術中，集成了多層次多角度的各項綜合性關鍵技術，囊括了智能合約、共識機制、非對稱加密算法，以及分布式賬本。其中智能合約指的是對數字資產進行有效控制的數字形式合約，該合約中包含了所有合約參與者的權利與義務，由技術系統自動運行。該合約的核心技術為時間戳與數字簽名，即在運行過程中利用腳碼來對相應的規則進行制定，隨后賦予其上述兩項核心技術，以保證所有的節點均遵守所制定的規則。據此則可在區塊系統中對信息的實時更新與流通起到一定的保障作用，將其運用到鐵路電子檔案的管理中時，即可使所有環節實時且準確地進行信息的傳遞與處理。共識機制是指使區塊鏈中的所有節點，在運行過程中達成一致的規范，從而避免鐵路電子檔案中的相關文件信息遭到惡意篡改。要達成共識機制需要滿足2個先決條件，其一為預先設置好相應的工作準則，且使任一節點均遵循該準則；其二為保證每一個單一節點的平等性。通過上述操作即可成功引用共識機制，進而提供多方的信任。由于篇幅限制，在此不再對非對稱加密算法，以及分布式賬本的相關內容進行贅述，上述兩點即為區塊鏈技術的核心所在。

綜合運用區塊鏈技術中的智能合約與共識機制等特點，即可將該技術恰當應用到鐵路電子檔案的可信保護之中。要實現這一目標，需要構建出2.1中所述基于區塊鏈技術的可信性保護框架，以保障相關鐵路電子檔案文件的準確性、真實性、有效性及可靠性，其中最為重要的就是真實性與可靠性。需要清楚地知悉并明確區塊的各項概念，區塊指的是區塊頭與區塊體，前者中包含6個不同的字段，分別為哈希值、難度值、時間戳、版本號、隨機數以及相應的描述信息；后者則覆蓋了鐵路電子檔案文件的內容，以及相關的變動信息。核心應用模式如圖3所示。

圖3 區塊鏈的核心應用模式

正如圖3所示，區塊鏈應用在項目中的關鍵在于加密算法的研發與運用，且該算法需與鐵路電子檔案中特定的文件格式相匹配。根據項目發展的需求，需要使用相關的神經網絡技術來對所有的鐵路電子文件進行學習。由于鐵路電子文件屬于不同的類型，且具有不同的屬性，因此要以圖像攝取的手段來對文件中的相關特征進行提取，最終研制出較為特殊的哈希值。通過該種方式，可以使鐵路電子文件具有較強的獨立性，不會為外界任何干擾因素所影響。

3 實驗與分析

通過對區塊鏈技術自身的特性進行研究，以及對將該技術應用至電子檔案管理中的優勢進行分析，可知基于區塊鏈的電子檔案管理具有較強的可行性。在具體的鐵路電子檔案管理中，由于其相關數據信息數量巨大，且時刻在進行不斷的更新，因此需要建立相應的可信性保護框架，如圖4所示。

在圖4所示的框架之中，區塊鏈技術的基礎貫穿始終，覆蓋了鐵路電子檔案文件管理的整個周期，有效利用區塊鏈的真實性與可靠性，在一定程度上保證了鐵路電子檔案的所有相關操作均會被如實且完備地得到記錄。不管是鐵路電子檔案文件的創建，抑或是對所有鐵路電子檔案文件的使用等相關操作，都在區塊鏈技術的支撐下，與傳統的檔案服務有機結合，有效地維護了鐵路電子檔案生命周期的可信性。除此以外，還根據終端區塊的工作量相關證明，結合鐵路客票業務的實現，以鐵路業務的交易量作為觀察重點，來對鐵路業務進行細致且隨機的透徹分析。按照鐵路車站售票的規模來對其進行了劃分，分為一級至五級共5個等級，銷售量依次遞減。一級車站的售票情況如圖5所示。

圖5 一級車站售票量分布情況

如圖5所示，一級車站指的是日均銷售規模達到20 000張以上的相關車站，其中包括廣州、北京西站、上海、鄭州，以及沈陽。圖5(a)指的是車站窗口的售票情況，圖5(b)是代售點窗口的售票情況，圖5(c)則為自動售票機上的售票情況。與其相似的是三級車站的售票量情況，如圖6所示。

圖6與圖5類似，圖6(a)、(b)、(c)分別代表著三級車站中售票量在車站窗口、代售點窗口，以及自動售票機上的分布情況，據圖5、圖6可知，一級車站與三級車站的售票高峰期在8點至17點之間，其中車站窗口在9點10分達到售票量的峰值；代售點的高峰期位于9點至15點，其余時刻均較低，且日起伏較大；自動售票機的售票峰值出現在11點左右。與此相反，售票規模最小的五級車站售票情況如圖7所示。

圖6 三級車站售票量分布情況

圖7 五級車站售票量分布情況

通過圖7可知，五級車站的日均銷售量處于2000以下，該類車站以瑞安、海口、琿春、富寧，以及婺源為代表。圖7中的(a)、(b)、(c)分別代表著車站窗口、代售點窗口，以及自動售票機上的售票情況。該級車站涵蓋范圍較廣，具有多樣化的鐵路售票情況，未見明顯的售票規律。區塊鏈的相關技術可對上述各級車站的售票情況等內容存儲到鐵路電子檔案之中，便于對各級車站的售票管理與檔案管理等方式進行相應的改進與優化，使得各級車站能夠從大數據的角度上透徹了解自身鐵路車站運行的情況，進而為廣大群眾提供更優質的服務。綜上所述，基于區塊鏈的鐵路電子檔案管理技術具有較高的優越性與可行性。

4 總結

互聯網各項技術的發展推動著各行各業的持續發展，改變了相關產業原有的管理方式等，其中檔案管理技術的改變尤為顯著，由紙質檔案搖身一變成為了電子檔案。為了實現對鐵路電子檔案的高效管理，對鐵路電子檔案管理技術進行一定的優化與改進，此次研究深入細致地分析了區塊鏈技術的關鍵所在，且將其恰當地應用到鐵路電子檔案管理技術中。結果顯示，區塊鏈技術的不可篡改性、真實性與可靠性等，均能夠有效地保證鐵路電子檔案管理技術得到優化，對相關檔案文件的安全處理起到積極的影響作用。此次研究盡管有幸挖掘出了區塊鏈技術應用到鐵路電子檔案管理中的核心問題，取得了一定的成果，然而仍然存在部分不足，如未對區塊鏈中所有的關鍵技術進行細致的分析，希望在之后的研究中能夠盡善盡美，實現透徹全面的研究。