基于“區塊鏈+數字人民幣”的國際鐵路聯運數據共享體系架構研究

趙永斌，曹陽陽，祁曉臨

(1.石家莊鐵道大學信息科學與技術學院，河北石家莊 050043；2.中國鐵路北京局集團有限公司北京工務段，北京 100069)

隨著我國國際貨物貿易的快速增長，對國際鐵路聯運提出了更高的要求，但聯運過程中，由于數據共享不足導致的貨物通關率低以及紙質運單易丟失等問題，影響了國際聯運的服務能力。2020 年以來，我國多輪次多場景下開展數字人民幣的試點使用，表明數字人民幣在支付便利的前提下具備更高的安全性，能夠為國際貨物的交易提供更好的支持。區塊鏈以其透明和不可篡改等特性，能夠為聯運提供高效的數據共享平臺；全同態加密以其良好的保密性以及密文可計算性，可為運單物權提供良好的保密性和密文可計算性。因此，提出一種基于“區塊鏈+數字人民幣”聯運數據共享體系架構來初步解決國際鐵路聯運過程中與數據共享及運單物權無紙化的相關問題。

1 國際鐵路聯運及區塊鏈和數字人民幣現狀分析

1.1 區塊鏈

區塊鏈的概念于2018 年由中本聰首次提出，本質上是一種由參與者共同維護的去中心化的公共的分布式賬本[1]。區塊鏈在云計算、物聯網、大數據及供應鏈等不同場景中都已被廣泛應用。從體系架構方面分析，區塊鏈主要分為公有鏈、私有鏈和聯盟鏈3 類。其中，公有鏈開放程度最高，去中心化屬性最強，可信度高，但記錄數據較慢；私有鏈不對外公開，被授權的節點可以訪問區塊鏈上的數據，無去中心化屬性；聯盟鏈只向授權的組織或機構開放，數據處理速度明顯加快，有良好的訪問控制，但是安全性和去中心化特性不如公有鏈。隨著以比特幣為代表的區塊鏈技術的不斷發展，智能合約技術不斷發展壯大，能夠進一步加快可編程貨幣和可編程金融的實現。基于區塊鏈的智能合約技術具有去中心化、自治化、可驗證等特點，廣泛應用于數字支付、金融貿易、多重簽名合約、云計算以及共享經濟等多個領域[1]。基于區塊鏈的加密數字貨幣技術從誕生以來就廣受關注，以比特幣為代表的加密數字貨幣擁有去中心化、高流動性以及發行量穩定的特性，被視為未來全球貨幣的發展方向。然而這一新興的貨幣種類本身具有風險性且對金融秩序有破壞性，我國暫時禁止比特幣等加密虛擬數字貨幣交易。近年來，區塊鏈以其良好的匿名性、自治性、開放性、透明性、不可篡改性、可編程性以及可追溯性等特性被廣泛應用于各行各業。在供應鏈金融方面，李健等[2]以中小企業倉單質押業務為研究對象，通過ⅤaR風險計量方法對比分析應用區塊鏈技術前后的質押率決策，同時分析得出應用區塊鏈可以幫助生產企業獲得更高的貸款，并能提高銀行的質押率上限。在突發事件應急管理方面，李健等[3]對區塊鏈在突發事件應急管理中的應用特點進行分析，提出關于區塊鏈在突發事件應急管理中應用的建議。在高速鐵路應用方面，張利華等[4]提出基于聯盟鏈的去中心化雙鏈存儲模型，可以安全可靠地實現存儲鐵路沿線監測數據。在雙鏈應用方面，郭佳程等[5]為解決現有分布式能源供需共享網絡存在能源主體間達成信任難、能源消耗高等問題，基于區塊鏈技術設計可信分布式能源共享網絡，建立互信機制，實現網絡性能提升和主體隱私保護，提高整體能源利用率。

1.2 數字人民幣

中國人民銀行從2014 年起對央行數字貨幣(CBDC)進行研究，近年來啟動了中國央行數字貨幣項目。經過7 年的分析論證、技術研究、風險規范等，中國的法定數字貨幣(數字人民幣)已進入封閉試點測試階段[6]。數字人民幣由中國人民銀行向商業銀行發行，而后商業銀行再面向社會公眾發行，即采用雙層運營機制發行數字人民幣。數字人民幣不僅具有支付功能，而且是法定貨幣，屬于現金范疇，具有國家信用、法償性，是可替代M0 的數字錢包。同時，數字人民幣既能實現雙離線支付也可以通過實名驗證并采用硬件形式的可信執行環境對抗雙花攻擊，同時也能實現跨行、跨鏈交易，在基本具備比特幣等虛擬貨幣的優勢的同時可被監管。

1.3 國際鐵路聯運

國際鐵路貨物聯運是指在兩個或兩個以上國家鐵路運送中，使用一份運送單據，并以連帶責任辦理貨物的全程運送。在貨物聯運過程中，不需要發貨方和收貨方的參與，鐵路當局的承運人對運輸全程全權負責[7]。為提高國際鐵路聯運效率，我國從2020 年7 月起應用95306“數字口岸”系統[7]。鐵路95306“數字口岸”系統的投入使用，使鐵路部門和海關總署首次實現全面信息協同作業，在一定程度上提升了口岸作業效率和通關效率，目前系統已研究推出快速通關模式、邊境口岸高效作業模式、多式聯運物流和通關模式。但是，由于每批次貨物生效的紙質運單只有一張，因而容易出現運單丟失問題以及貨物承運人和接續承運人辦理業務效率低下的問題。與此同時，國際鐵路聯運列車在經過口岸時仍需要至少2 次換裝，報關程序繁多，進一步降低了運行效率和通關效率；由于各國貿易結構不同，運單物權無紙化沒有實現，交易不便捷，承運業務辦理效率低，從而導致整體運營成本升高[8]。

為實現國際鐵路聯運服務的信息化，提高承運效率，引入區塊鏈技術、智能合約技術、加密技術以及央行數字貨幣(數字人民幣)，利用區塊鏈的開放性、透明性、可追溯性，智能合約內容的公開透明、合約內容不可篡改特性，加密技術的安全性，以及數字人民幣的國家信用和可被監督等特性，為國際鐵路聯運提供保障，實現物權可監督，推動運單物權無紙化，降低聯運過程中買賣雙方及第三方失信的風險，提高統籌協調性。

2 國際鐵路聯運數據共享體系架構及關鍵技術

綜合考慮國際鐵路聯運業務流程，共享體系架構主要解決數據的收集、存儲、審計、檢索、共享及交易等關鍵技術問題。在這些環節中，關鍵技術包括區塊鏈應用、存儲方案研究、共享方案研究及貨物交易合約研究與設計。

2.1 聯運數據共享體系架構

基于區塊鏈和數字人民幣的特征和各自的優勢，設計基于“區塊鏈+數字人民幣”的國際鐵路聯運數據共享體系架構，該數據共享體系架構主要包括數據層、區塊層、合約層、應用層和服務層。聯運數據共享體系架構如圖1所示。

圖1 聯運數據共享體系架構Fig.1 Data sharing architecture of intermodal transport

（1）數據層。國際鐵路聯運數據量大、種類多，若全部數據采用上鏈存儲的方式，必然會導致鏈過長，區塊膨脹速度過快，浪費大量資源。而第三方云存儲可以存儲大量數據也可以進行數據計算，因此聯運體系結構的數據存儲采用“云+鏈”的形式。鏈下采用第三方云進行存儲，鏈上存儲數據信息摘要。鏈下，將其他無需上鏈的原始數據信息加密存儲到云上。鏈上，將各方信息、用戶信息、運單及信息摘要存儲在區塊上，并通過區塊連接達成區塊同步。

（2）區塊層。該層是聯運體系的核心技術層，能夠實現多個節點用戶身份的認證和管理，建立底層數據交互協議，結合各環節的關鍵技術以及區塊鏈中的一些算法和方案，如共識算法、加密方案和數字簽名等共同建立聯運區塊層。

（3）合約層。該層將合約規范化，以數字人民幣為基礎建立既可監管又可去中心化的合約，主要包含聯運體系中在授權、檢索、共享、審計和交易時的各類智能合約。其中，授權合約即給用戶授予權限，讓其擁有訪問特定數據的權限；檢索合約，即用戶能夠通過觸發檢索合約，從鏈中檢索得到數據信息；共享合約，即用戶通過觸發合約，實現數據上鏈共享以及查看共享數據；審計合約，即監察審計數據的完整性，觸發合約后只有審計通過的貨物才可以通過口岸；交易合約，指在發、收貨方以及承運人之間根據運單相關情況判定交易能否如期進行，為參與交易的各方財產安全提供保障。

（4）應用層。該層的關鍵應用包括貨款交易、運單上鏈、聯運數據信息收集、審計、檢索和共享。①數據收集。收集國際鐵路聯運過程中的數據，如運單信息、添附文件、發貨方、收貨方、承運人及接續承運人、運輸工具等其他進出口貨物時產生的相關數據等。②數據審計。在數據審計中，各鐵路站點等待檢驗方對數據進行承諾，審計方根據承諾構建審核組，審計合約利用審核組完成對國際鐵路聯運運單、添附文件以及進出口貨物交接時相關單據的審核查驗，并將結果存儲于區塊鏈中。③數據檢索。在使用數據前對數據的粒度、屬性和范圍進行檢索，留下滿足要求的數據。用戶對數據進行一系列操作或計算時，需要提前向系統提出授權申請，授權通過后產生的授權信息被記入鏈上并廣播。④數據共享。在數據共享過程中，用戶可以針對不同的數據需求發起數據共享權限申請，通過申請后將授權信息寫入共享合約，同時用戶可以在第三方云數據庫中獲得共享數據，為保障各方權益，共享權限可以被提供數據的用戶隨時收回。⑤貨款交易。采用數字人民幣方式支付貨款，產生的支付信息被記入鏈上并廣播，但在貨款交易之前，參與每批次貨物聯運的各方需要利用系統隨機分配的私鑰對該批次的貨物運單進行數字簽名，簽名后的運單與紙質運單具備相同的法律效力，能夠支持各方完成貨款交易。由于數字人民幣的法定屬性和可監管特性，可以很好地監督每批次參與聯運的各方并追責。

（5）服務層。該層主要包括共享體系的服務對象，即數據提供者、數據管理者及數據使用者。①數據提供者。主要包括從技術層面對數據進行維護的單位以及對數據使用進行管理的部門。數據提供者在聯運體系中既能夠完成對數據的收集，同時可以決定數據的檢索和共享范圍。②數據管理者。數據管理者對收集到的數據進行統一管理，并對數據審計、檢索、共享與交易進行授權。③數據使用者。即需要數據的鐵路行業業務部門等，數據使用者只有在獲得數據提供者和數據管理者的同意后，才能獲取數據憑證，從云數據庫中獲取數據。

2.2 關鍵技術

在“區塊鏈+數字人民幣”國際鐵路聯運數據共享體系架構中，需要解決的關鍵技術問題包括區塊鏈應用方案、數據加密共享存儲方案及貨款交易合約的研究與設計。

2.2.1 區塊鏈應用方案設計

鐵路聯運數據涉及多用戶、多節點之間的交互，采用基于PBFT 共識機制的聯盟鏈作為鏈上存儲鏈，但由于聯盟存儲鏈長度有限且相比于公鏈長度較短，同時國際鐵路聯運上鏈數據逐漸增長，為節省鏈上資源，每當區塊數據量達到一定大小時，運用側鏈技術將其打包驗證并上公有鏈。主要步驟如下：假設國際鐵路聯運聯盟存儲鏈為主鏈，分批次存儲合約等交易數據信息的公有鏈為側鏈，側鏈主要用來數據同步，聯運參與方中的監管機構為驗證方。國際鐵路聯運過程中涉及的多方參與者如發貨方、收貨方、承運人、接續承運人、各監管機構、數據使用者、數據管理者等需要完成注冊，取得聯盟鏈的使用權限。當聯運參與各方對數據的操作及交易等產生的數據信息量達到一定大小時，將該數據信息打包分片并按批次編號，存儲至側鏈，監管機構對側鏈上該批次數據進行驗證，驗證通過后鎖定側鏈上數據信息，通過MerkleTree 算法產生MerkleRoot，并將MerkleRoot同步至聯盟存儲鏈，隨即公有鏈(側鏈)上數據信息被鎖定，聯盟存儲鏈(主鏈)上數據信息被釋放。若出現追責問題，需要查看公有鏈(側鏈)源數據信息時，聯盟存儲鏈查看MerkleRoot 是否被篡改，若未被篡改，監管機構查詢公有鏈上源數據，將結果返回聯盟鏈。基于側鏈技術的國際鐵路聯運主鏈數據經過驗證之后可將數據上傳至側鏈，同時，側鏈也可將上傳的數據返回主鏈，實現數據交互。一旦側鏈上的源數據信息被修改，被同步的MerkleRoot 也隨之被修改，監管方可以通過MerkleTree 算法快速定位問題數據分支，并進行追責，達到反向監督的效果。

2.2.2 數據加密共享存儲方案設計

聯運數據進行云存儲之前，各方需要對原始數據進行加密，為保證加密數據也同樣可被分析和計算，采用全同態加密的方式對原始數據進行加密。根據聯運數據特點，設置方案安全參數λ、誤差分布χ 等初始參數，然后根據參數隨機產生私鑰s，根據私鑰s和參數生成公鑰p，用公鑰p 對聯運數據執行加密操作，將產生的密文存儲于第三方云數據庫中，以便于共享、檢索和計算。若各上傳數據用戶需要查看原始聯運數據或數據分析方需要對分析結果進行查看，可以通過私鑰s 和參數對密文進行解密得到原始聯運數據或分析結果，數據分析方獲得授權信息后可以獲得分析結果明文。在聯運數據共享中，首先，確定共享數據的屬性和范圍，如貨物的運行軌跡、過去某個特定時間段的發貨量、發貨品類等數據信息能夠被共享，個人身份信息等一些用戶隱私信息不能被共享。其次，在共享過程中，數據提供者對聯運數據共享權限有實時控制權，能夠隨時收回。并且用戶在完成數據檢索后也可以發起共享申請，與檢索類似，此時只需要使用者向數據提供者和管理者發起共享授權申請，數據提供者和管理者分別審核后用各自的秘鑰簽名授權，區塊鏈節點驗證該雙重簽名正確性后將授權信息，如被授權的使用者信息、授權的數據的屬性與范圍等寫入數據共享合約。鏈上用戶節點調用合約，若滿足授權條件則將信息摘要利用用戶的公鑰加密后發給用戶，用戶收到后用私鑰解密發送至第三方云數據庫，并獲得共享數據，至此，共享完成。如果不滿足授權條件將忽略該次請求。

2.2.3 貨物交易合約設計

結合傳統貨物交易流程，設計聯運貨物交易合約體系如圖2 所示。發貨方、收貨方以及締約承運人需注冊成為區塊鏈的用戶，而后區塊鏈為各個用戶發放各自的公私鑰對，然后發、收貨方根據需求共同擬定一份合約，同時發貨方和締約承運人之間也需要擬定一份運單，為確保合約的真實性和法律效力，各方需要確認合約信息及運單信息并用各自私鑰簽名，而后將合約及運單內容上鏈，合約及運單真實性由認證節點驗證，驗證通過后上鏈，廣播全網并自動執行。收貨方查詢貨品并確定購買之后向發貨方發送訂貨請求和交易信息，發收貨雙方共同確認合約內容并生成合約，合約生成后在區塊鏈中完成共識并導入區塊，當發、收貨雙方確認合約并簽名后，發貨方需要與締約承運人簽訂運單物權憑證，在生成貨物運單后，發貨方和締約承運人需要利用私鑰對運單憑證進行簽名生成運單物權憑證，運單物權憑證生成后上鏈完成共識并導入區塊，在締約承運人完成貨物運送后，通過發、收貨方使用數字人民幣按結束條件完成貨款及運送費用清算。由于數字人民幣由央行統一管理，且通過智能合約來確保發收貨雙方的權益，因而即使在交易過程中發生違約情況，也能通過法律手段處理。

圖2 聯運貨物交易合約體系Fig.2 Intermodal data transaction contract system for goods of intermodal transport

3 國際鐵路聯運數據交易共享體系架構性能分析

3.1 安全性分析

在聯運數據交易共享體系架構中，通過全同態加密和多重簽名實現加密數據云存儲與摘要上鏈，通過智能合約和基于屬性的訪問控制策略實現了數據授權、檢索、共享以及交易權限的申請與執行。首先，數據所有者完全掌控個人數據，加密以后存儲于第三方云上，提取摘要信息上鏈，采用全同態加密方案，可以在進行數據計算和數據操作時保證用戶信息不被泄露，提高數據安全性。其次，區塊鏈的引入，可以實現分布式存儲和訪問控制，只有擁有授權、檢索、共享或交易權限的用戶才能從第三方云數據庫中獲取屬性信息或進行交易，不擁有授權的攻擊者無法在一定時間內完成暴力破解。區塊鏈平臺保存不同參與方的全部通信數據和業務信息摘要，保證數據的可追溯性和不可篡改性，避免出現追責追不到人和數據被肆意更改的情況。

3.2 可監管性分析

數字人民幣采用雙層運營機制，由中國人民銀行向商業銀行發行后商業銀行再向公眾發行，雖然能夠進行匿名交易，但與比特幣和Libra 等加密虛擬貨幣的完全匿名不同，數字人民幣的匿名交易是可控的，在使用數字人民幣之前都需要進行注冊、登錄和上鏈3 步，它是一種具有法律效力的法定數字貨幣，由發行銀行中國人民銀行統一監督管理。在聯運數據交易共享體系架構中，使用數字人民幣作為貨幣進行款項支付，既簡化了貨款的支付流程，又實現了貨款的可監管性。交易記錄的上鏈廣播增加了交易的透明性，也使得用戶在一定程度上實現對交易的監管。

通過對各類數據加密的方式，在保證數據安全性的同時數據操作變得更便捷。數據共享合約的應用可以提高國際鐵路聯運過程中貨物的通關效率，聯盟鏈與公有鏈的結合也可以進一步提升國際鐵路聯運在數據存儲、多方交易等操作時的便利性。

3.3 應用性分析

（1）智能交易。聯運系統采用聯運數據交易共享體系架構，各方遵守系統規則，在系統中注冊并完善各方信息，并申領兌換數字人民幣，只要收貨方支付貨款或押金，系統上鏈交易信息，發貨方即可準備貨物并與締約承運人簽訂運單物權憑證，而后將貨物發出，系統上鏈貨物信息并跟蹤。采用“區塊鏈+數字人民幣”的形式，能夠監督發收貨方以及運輸過程中的各方，在保證各方權益的基礎上完成貨物相關交易。同時，數字人民幣的應用能使各方在沒有網絡的情況下進行交易，更加便捷，降低了聯運中運單紙質憑證大量流轉帶來的成本問題并提高了通關效率，也會為國際貨物聯運創造更多的可能。

（2）加密共享。采用聯運數據共享體系架構的用戶在上傳數據信息前需利用全同態加密的方式對個人數據信息或貨物數據信息等進行加密并上傳，經過全同態加密信息的密文計算結果解密后能夠與明文計算結果一致，便于防止數據信息的泄露。在數據共享時，只共享有權限的數據信息，個人和貨物隱私數據不共享，隨著貨物軌跡等信息的共享，能夠降低通關成本，提升通關效率。

4 結束語

基于“區塊鏈+數字人民幣”的國際鐵路聯運數據共享體系架構的引入可以使國際鐵路貨物聯運向前邁進一大步，運單加密上鏈使運單物權無紙化成為可能，貨物聯運過程也會更便捷、更有保障。運用基于區塊鏈的數字人民幣系統，可以提高以中歐班列為代表的國際鐵路聯運運行效率，降低運行成本，促進國際鐵路聯運協調發展。研究只是通過運單加密上鏈的方式對運單物權無紙化進行初步探討，將聯運數據共享體系架構引入系統后仍需繼續對運單無紙化問題進行研究。