區(qū)塊鏈賦能鐵路：應(yīng)用前景與典型案例分析

朱 力，梁 豪，唐 濤，文 韜，肖 暢，肖 驍

(1.北京交通大學(xué) 軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044；2.中國鐵道學(xué)會(huì) 標(biāo)準(zhǔn)與認(rèn)證部，北京 100844；3.交控科技股份有限公司 研究院，北京 100070)

目前，全球科技革命和產(chǎn)業(yè)變革蓬勃興起，鐵路運(yùn)輸?shù)葌鹘y(tǒng)行業(yè)迎來新一輪機(jī)遇和挑戰(zhàn)。以區(qū)塊鏈為代表的新一代信息技術(shù)助推社會(huì)經(jīng)濟(jì)新舊動(dòng)能轉(zhuǎn)換的同時(shí)，正在加快重塑世界產(chǎn)業(yè)格局。

區(qū)塊鏈概念最早由中本聰在2008年提出，并在2009年開發(fā)出 “創(chuàng)世區(qū)塊”[1]。隨后區(qū)塊鏈技術(shù)發(fā)展呈現(xiàn)出3個(gè)階段：區(qū)塊鏈1.0——虛擬貨幣時(shí)代；區(qū)塊鏈2.0——可編程區(qū)塊鏈時(shí)代；區(qū)塊鏈3.0——社會(huì)化編程區(qū)塊鏈時(shí)代。本質(zhì)上作為一種去中心化的分布式賬本數(shù)據(jù)庫，區(qū)塊鏈提供了在不依賴單一可信任方的情況下在分布式實(shí)體間達(dá)成共識(shí)的工具，以保證數(shù)據(jù)安全和控制敏感數(shù)據(jù)。這意味著，今后區(qū)塊鏈可以有效解決各行業(yè)依靠傳統(tǒng)的中央實(shí)體存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和管理訪問控制策略所面臨的單點(diǎn)故障、隱私泄露以及框架瓶頸等問題。

鐵路作為大容量、高速度的交通工具，其運(yùn)行安全和效率對(duì)廣大旅客的出行至關(guān)重要[2]。近年來我國在鐵路工程建設(shè)、客運(yùn)服務(wù)、動(dòng)車組維修和安全防護(hù)等方面已形成成套的、體系化的鐵路信息系統(tǒng)，其中鐵路工程管理平臺(tái)、新一代鐵路客票系統(tǒng)、鐵路旅客服務(wù)系統(tǒng)、動(dòng)車組管理系統(tǒng)等在鐵路運(yùn)營中發(fā)揮著舉足輕重的作用。并且隨著數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)的大量應(yīng)用，大大提高了鐵路信息化管理的效率和質(zhì)量。如智能京張高速鐵路在建筑信息模型、故障智能診斷、列車自動(dòng)駕駛以及智能調(diào)度指揮等方面實(shí)現(xiàn)集成化應(yīng)用[3]。但是作為以安全為核心的封閉傳統(tǒng)行業(yè)，鐵路部門間的信息孤島現(xiàn)象嚴(yán)重、信任基礎(chǔ)薄弱、協(xié)作成本高且效率低，導(dǎo)致數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能發(fā)揮不足，鐵路進(jìn)一步智能化發(fā)展遇到瓶頸障礙。而區(qū)塊鏈技術(shù)作為一種全新的分布式基礎(chǔ)架構(gòu)和計(jì)算范式，通過利用塊鏈數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來存儲(chǔ)和追溯交易、利用分布式節(jié)點(diǎn)共識(shí)機(jī)制來構(gòu)建信任和抵御攻擊、利用密碼學(xué)方式來傳輸數(shù)據(jù)和保證安全、利用智能合約來自動(dòng)執(zhí)行交互規(guī)則和獎(jiǎng)勵(lì)分配，將有助于打破信息壁壘并促進(jìn)多方安全協(xié)作，從而賦能鐵路全生命周期發(fā)展過程。

目前我國正大力推動(dòng)鐵路系統(tǒng)向更加數(shù)字化、信息化、智能化的方向邁進(jìn)。區(qū)塊鏈作為新一代信息技術(shù)，其技術(shù)優(yōu)勢與鐵路智能化發(fā)展過程中的需求高度契合，在未來鐵路系統(tǒng)的智能化發(fā)展中將發(fā)揮出巨大的潛能。為了把區(qū)塊鏈作為鐵路智能化領(lǐng)域創(chuàng)新的重要突破口，全方位推動(dòng)區(qū)塊鏈在鐵路的賦能作用，促進(jìn)鐵路高質(zhì)量發(fā)展，打造行業(yè)經(jīng)濟(jì)新增長點(diǎn)，本文研究了區(qū)塊鏈技術(shù)及其在鐵路中的應(yīng)用。首先對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)的基本原理、主流區(qū)塊鏈平臺(tái)以及國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了概述；然后對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)分析；設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鐵路區(qū)塊鏈平臺(tái)，并對(duì)該平臺(tái)的系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試；最后總結(jié)了區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路領(lǐng)域應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)和仍需解決的問題。

1 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

1.1 基本原理

區(qū)塊是區(qū)塊鏈的核心單元，從概念上講，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯蓞^(qū)塊按照時(shí)間順序相互連接組成的單向鏈?zhǔn)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。每個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)塊一般包括區(qū)塊頭和區(qū)塊體兩部分。區(qū)塊頭用于記錄前一區(qū)塊和當(dāng)前區(qū)塊的標(biāo)識(shí)信息；區(qū)塊體用于存儲(chǔ)當(dāng)前區(qū)塊通過共識(shí)的交易信息。區(qū)塊結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 區(qū)塊結(jié)構(gòu)

區(qū)塊鏈技術(shù)作為多種計(jì)算機(jī)技術(shù)的集成創(chuàng)新應(yīng)用，其系統(tǒng)架構(gòu)一般分為數(shù)據(jù)層、網(wǎng)絡(luò)層、共識(shí)層、激勵(lì)層、合約層和應(yīng)用層[4]。區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)見圖2。

圖2 區(qū)塊鏈基礎(chǔ)架構(gòu)

1.2 主流區(qū)塊鏈平臺(tái)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)去中心化程度，區(qū)塊鏈主要可以劃分為3種基本類型：①公有鏈，無官方管理機(jī)構(gòu)，節(jié)點(diǎn)自由接入，不受控制，呈現(xiàn)完全的去中心化特性；②私有鏈，機(jī)構(gòu)內(nèi)部建立，修改、讀取等權(quán)限僅限于少數(shù)節(jié)點(diǎn)，保留部分去中心化特性；③聯(lián)盟鏈，若干機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)起，兼具部分去中心化特性。主流區(qū)塊鏈平臺(tái)對(duì)比見表1。

1.3 國內(nèi)外應(yīng)用現(xiàn)狀

區(qū)塊鏈作為當(dāng)下最受歡迎的熱點(diǎn)前沿技術(shù)之一，引起國內(nèi)外學(xué)術(shù)界、工業(yè)界、甚至各國政府的廣泛關(guān)注。中國將區(qū)塊鏈列入《“十三五”國家信息化規(guī)劃》；美國成立國會(huì)區(qū)塊鏈決策委員會(huì)；歐盟建立“歐盟區(qū)塊鏈觀測站及論壇”機(jī)制；英國將區(qū)塊鏈列入國家戰(zhàn)略部署；韓國推出“I-Korea4.0區(qū)塊鏈”戰(zhàn)略；全球區(qū)塊鏈聯(lián)盟委員會(huì)在迪拜成立。

表1 主流區(qū)塊鏈平臺(tái)對(duì)比

區(qū)塊鏈獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢賦予了其變革傳統(tǒng)行業(yè)的潛能，能加強(qiáng)各領(lǐng)域中的多方協(xié)作信任、降低成本和提高資源利用率等。Christidis等[5]研究了區(qū)塊鏈技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應(yīng)用，提出智能合約的應(yīng)用可以有助于促進(jìn)物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)和資源的共享。Zyskind等[6]基于區(qū)塊鏈技術(shù)設(shè)計(jì)了一種分散式的個(gè)人數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，來解決用戶在使用第三方服務(wù)時(shí)面臨的個(gè)人數(shù)據(jù)隱私安全問題。Feng等[7]針對(duì)移動(dòng)通信設(shè)備，基于區(qū)塊鏈技術(shù)研究了計(jì)算任務(wù)卸載與資源分配問題，得出區(qū)塊鏈在MEC系統(tǒng)中的應(yīng)用可以顯著提高系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)安全性、數(shù)據(jù)完整性和計(jì)算有效性。Liang等[8]提出一種基于區(qū)塊鏈的聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架，并將其應(yīng)用到列車的智能控制中，在保護(hù)信息安全的前提下促進(jìn)了運(yùn)營商間的數(shù)據(jù)共享和模型協(xié)作訓(xùn)練?？傮w而言，目前區(qū)塊鏈技術(shù)賦能的應(yīng)用場景主要集中在以下幾種領(lǐng)域：

(1)協(xié)作效率低、且信任成本高的領(lǐng)域；

(2)對(duì)數(shù)據(jù)隱私安全、可驗(yàn)證性、共識(shí)性有極高要求的領(lǐng)域；

(3)對(duì)大體量數(shù)據(jù)分享和計(jì)算有較大需求的領(lǐng)域。

隨著過去幾年全球資本和市場的洗禮，區(qū)塊鏈技術(shù)加速演進(jìn)且日臻成熟，“脫虛向?qū)崱壁厔菝黠@，與實(shí)體經(jīng)濟(jì)融合成為主旋律[9]。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用前景分析

為推動(dòng)實(shí)現(xiàn)鐵路降本增效、轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展，把區(qū)塊鏈作為鐵路智能化創(chuàng)新的重要突破口，全方位推動(dòng)區(qū)塊鏈在鐵路的賦能作用[10]，本文對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)分析。

2.1 區(qū)塊鏈賦能鐵路規(guī)劃建設(shè)

鐵路憑借其大容量、高速度和安全可靠的運(yùn)行特點(diǎn)，已經(jīng)成為國民出行的首要選擇，并且作為國家基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要部分之一，得到快速發(fā)展。但作為傳統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)行業(yè)，鐵路規(guī)劃建設(shè)仍然存在一些痛點(diǎn)問題，而區(qū)塊鏈技術(shù)將能提供有效的解決方案。

(1)文檔審批流程

鐵路規(guī)劃建設(shè)中的文檔管理是工程項(xiàng)目管理的重要環(huán)節(jié)，具有審批流程長、環(huán)節(jié)多等一些特點(diǎn)。而現(xiàn)有的鐵路分布式電子文件審批系統(tǒng)還無法有效應(yīng)對(duì)偽造、篡改等攻擊。所有的文檔記錄和審批流程都記錄在統(tǒng)一的集中式服務(wù)器中，系統(tǒng)的安全性會(huì)隨著審批流程的變長而減弱，一旦中間審批環(huán)節(jié)被攻擊者篡改或刪除，將直接影響整體審批環(huán)節(jié)的效率，甚至威脅項(xiàng)目工程的安全性。

區(qū)塊鏈作為一個(gè)具有去中心化、不可篡改和可以實(shí)現(xiàn)完整溯源特性的新興信息技術(shù)，可以有效滿足鐵路分布式文檔審批的需求。文檔可以在區(qū)塊鏈中安全共享，并利用安全的共識(shí)算法達(dá)成共識(shí)，以保證文檔的安全性和唯一性。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中，只有有效、合法的用戶才有資格在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行文檔審批，并且用戶所有的審批內(nèi)容會(huì)被標(biāo)注時(shí)間戳共享在區(qū)塊鏈上。區(qū)塊鏈文檔的審批進(jìn)度對(duì)區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中所有合法用戶共享可見，根據(jù)流程對(duì)文檔安全審批，保證了電子文檔系統(tǒng)本身的時(shí)效性。區(qū)塊鏈還可以通過對(duì)文檔審批過程的記錄，實(shí)現(xiàn)問題溯源，根據(jù)施工過程中出現(xiàn)的問題，對(duì)審批內(nèi)容和審批方進(jìn)行追責(zé)溯源，這將有利于鐵路建設(shè)項(xiàng)目的智能化管理。

(2)招投標(biāo)機(jī)制

在現(xiàn)有的鐵路工程項(xiàng)目招投標(biāo)機(jī)制中，由于數(shù)據(jù)共享不暢導(dǎo)致招投標(biāo)工作負(fù)擔(dān)重、效率低，以及數(shù)據(jù)驗(yàn)證難以追溯。利用區(qū)塊鏈技術(shù)防篡改和可追溯等特性可以保障交易數(shù)據(jù)的真實(shí)性和安全性，提升招投標(biāo)工作的透明度和效率，以及應(yīng)對(duì)招投標(biāo)活動(dòng)中的違規(guī)操作。通過部署智能合約能夠保證整個(gè)招投標(biāo)流程按照既定規(guī)則自動(dòng)執(zhí)行，避免中心化信息篡改問題，從而保障招投標(biāo)人的利益。并且將關(guān)聯(lián)的多方信息安全互通，直接通過多方協(xié)同參與作業(yè)來提高招投標(biāo)效率。另外，將招投標(biāo)全程數(shù)據(jù)上鏈，不僅可以將招投標(biāo)過程信息公開透明，還便于及時(shí)回溯以往招投標(biāo)信息。根據(jù)鏈上歷史數(shù)據(jù)，能夠幫助監(jiān)管機(jī)構(gòu)對(duì)招投標(biāo)主體進(jìn)行信用評(píng)估。區(qū)塊鏈技術(shù)能夠有效解決現(xiàn)有招投標(biāo)機(jī)制中的信任與效率問題，保證招投標(biāo)過程的公開、公平與公正，促進(jìn)鐵路工程項(xiàng)目的規(guī)劃建設(shè)。

(3)工程管理與施工

鐵路建設(shè)工程具有投資大、施工項(xiàng)目多、技術(shù)復(fù)雜、建設(shè)周期長、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素多等特點(diǎn)，是典型的大型復(fù)雜高風(fēng)險(xiǎn)性系統(tǒng)工程?，F(xiàn)有的工程項(xiàng)目管理平臺(tái)難以保證管理方與施工方之間高效協(xié)作、有效溝通和多效融合，而區(qū)塊鏈作為一種信息真實(shí)且可溯源的分布式賬本技術(shù)，可以解決傳統(tǒng)模式所面臨的痛點(diǎn)問題。首先，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠提供溯源性追索，以及精準(zhǔn)查詢建設(shè)過程中所出現(xiàn)的問題，有利于工程質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)督和事后追責(zé)。其次，區(qū)塊鏈鏈上數(shù)據(jù)的不可篡改性，將有助于構(gòu)建管理與施工雙方間信用管理系統(tǒng)，為后續(xù)項(xiàng)目的招投標(biāo)提供相應(yīng)的參考依據(jù)。另外，區(qū)塊鏈的共識(shí)機(jī)制有利于增強(qiáng)對(duì)施工文件真實(shí)性的認(rèn)可，方便各項(xiàng)施工數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和安全共享。最后，區(qū)塊鏈與BIM、大數(shù)據(jù)技術(shù)的結(jié)合，有助于實(shí)時(shí)分析現(xiàn)場施工成本的超支和節(jié)約問題；區(qū)塊鏈與人工智能技術(shù)的相結(jié)合，可以做好施工建設(shè)的安全預(yù)防工作。鐵路工程建設(shè)作為一門涉及多專業(yè)、多工種的綜合性建設(shè)工程，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用將有助于各專業(yè)和各工種之間的協(xié)調(diào)管理，以保障工程施工建設(shè)的安全與質(zhì)量。

(4)合同執(zhí)行與結(jié)算

鐵路工程項(xiàng)目的合同涉及范圍廣且數(shù)量巨大，合同的正確執(zhí)行對(duì)工程的順利完工具有舉足輕重的作用，而現(xiàn)有的合同管理平臺(tái)不便審查和維護(hù)，合同內(nèi)容還存在被篡改的風(fēng)險(xiǎn)。區(qū)塊鏈作為一種“構(gòu)造信任的機(jī)器”，可使各參與方嚴(yán)格按照既定的規(guī)則和共識(shí)機(jī)制共同維護(hù)同一合同賬本，從而最大化地減少合同執(zhí)行偏差，以提高項(xiàng)目的管理和監(jiān)督能力。通過區(qū)塊鏈維護(hù)合同交易，可以存儲(chǔ)可供審查的所有合同記錄，甚至整個(gè)工期的信息交易記錄，能夠通過區(qū)塊鏈把工程項(xiàng)目的全部合同、建設(shè)進(jìn)度信息及財(cái)務(wù)信息全部上鏈，形成一個(gè)資金流信息和工程進(jìn)度信息的耦合，使得工程項(xiàng)目更加透明和穩(wěn)定。

區(qū)塊鏈技術(shù)中的智能合約，即在各方共識(shí)下達(dá)成的、可自動(dòng)運(yùn)行的程序代碼，可在特定條件下自動(dòng)觸發(fā)和執(zhí)行，任何一方都不能私自篡改和干預(yù)其執(zhí)行，從而保證其公正性。這可以幫助解決工程項(xiàng)目長期存在的滯納金和現(xiàn)金流問題，使項(xiàng)目資金自動(dòng)依據(jù)合同數(shù)據(jù)化流轉(zhuǎn)，按照合同條款自動(dòng)啟動(dòng)工程結(jié)算等，有助于建立利益相關(guān)方之間的信任，并大幅度提升項(xiàng)目工程的透明度和協(xié)作程度。

2.2 區(qū)塊鏈賦能鐵路運(yùn)營維護(hù)

2.2.1 基于區(qū)塊鏈的鐵路數(shù)據(jù)共享

大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)的應(yīng)用效果對(duì)數(shù)據(jù)有很強(qiáng)的依賴性，然而出于數(shù)據(jù)隱私安全保護(hù)的考慮，鐵路行業(yè)大量的數(shù)據(jù)仍以數(shù)據(jù)孤島的形式分散在各專業(yè)部門，部門間難以打破的數(shù)據(jù)壁壘阻礙了鐵路的智能化發(fā)展，數(shù)據(jù)交流使用和數(shù)據(jù)安全保護(hù)似乎成為不可協(xié)調(diào)的矛盾。

區(qū)塊鏈作為分布式數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)傳輸、共識(shí)機(jī)制、加密算法等計(jì)算機(jī)技術(shù)的新型應(yīng)用模式，能夠在滿足數(shù)據(jù)隱私、安全和監(jiān)管要求的前提下，構(gòu)造一個(gè)相互信任的大數(shù)據(jù)共享和機(jī)器學(xué)習(xí)框架。建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的鐵路數(shù)據(jù)共享平臺(tái)，能保證每一次數(shù)據(jù)操作的公開透明、不可篡改，有效實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享的安全可控，保證數(shù)據(jù)的可用性、保密性、完整性、隱私性，以及系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。另外，區(qū)塊鏈的代幣生成機(jī)制，能激勵(lì)更多數(shù)據(jù)持有方共享自己的數(shù)據(jù)，讓共享數(shù)據(jù)平臺(tái)的生態(tài)更健康地發(fā)展。通過區(qū)塊鏈技術(shù)可以在保證數(shù)據(jù)安全的前提下連通部門間割裂的信息孤島，促進(jìn)駕駛、調(diào)度、客票等多方數(shù)據(jù)的交流共享。基于區(qū)塊鏈的鐵路數(shù)據(jù)共享技術(shù)應(yīng)用不僅有利于為鐵路系統(tǒng)中各參與方提供有效的數(shù)據(jù)智能技術(shù)支撐，更有利于挖掘數(shù)據(jù)資源價(jià)值、盤活數(shù)據(jù)潛在資產(chǎn)，促進(jìn)大數(shù)據(jù)智能技術(shù)在鐵路系統(tǒng)中的廣泛高質(zhì)量應(yīng)用。

2.2.2 基于區(qū)塊鏈的鐵路智能運(yùn)維

隨著我國鐵路運(yùn)營規(guī)模的迅速擴(kuò)大，鐵路行業(yè)對(duì)提高運(yùn)營的可靠性、有效性和降低運(yùn)營成本表現(xiàn)出巨大的剛性需求。鐵路現(xiàn)有智能運(yùn)維平臺(tái)由于對(duì)不同的車站和設(shè)備進(jìn)行分立式維護(hù)，導(dǎo)致鐵路系統(tǒng)中雖可提供各子系統(tǒng)內(nèi)部專業(yè)的故障報(bào)警及部分分析功能，但仍然存在傳感器感知覆蓋面不廣、監(jiān)測信息不全、記錄信息不完善和數(shù)據(jù)孤島等問題，無法實(shí)現(xiàn)跨地區(qū)跨系統(tǒng)的聯(lián)合分析和智能診斷，難以進(jìn)一步提高智能運(yùn)維的效率。

綜合考慮現(xiàn)有鐵路系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)間的接口關(guān)系、數(shù)據(jù)種類、數(shù)據(jù)記錄方式等現(xiàn)狀，將區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用至智能運(yùn)維場景，可以有效提高鐵路系統(tǒng)智能運(yùn)維的綜合表現(xiàn)。區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私方面的巨大優(yōu)勢，可以有效解決鐵路各部門之間數(shù)據(jù)孤島問題。區(qū)塊鏈的共享性、分布式和不可篡改等特點(diǎn)，以及基于時(shí)間戳的機(jī)制，可以保證運(yùn)營維護(hù)過程的平穩(wěn)有序進(jìn)行；同時(shí)可以將設(shè)備的預(yù)計(jì)生命周期和養(yǎng)護(hù)記錄寫入?yún)^(qū)塊，便于定期對(duì)設(shè)備進(jìn)行檢查維護(hù)；有序維護(hù)數(shù)據(jù)記錄，可以避免重復(fù)施工，有效節(jié)約鐵路系統(tǒng)的成本。區(qū)塊鏈的分布式特性，同樣可以結(jié)合鐵路不同部門不同地區(qū)的運(yùn)維數(shù)據(jù)，便于從整體角度對(duì)鐵路系統(tǒng)進(jìn)行綜合分析，有助于進(jìn)一步提高運(yùn)營的效率，并保證系統(tǒng)內(nèi)所有設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2.3 基于區(qū)塊鏈的鐵路乘客信用管理

近年來，雖然我國鐵路信用檔案體系建設(shè)已在全國范圍內(nèi)展開，鐵路信用電子檔案已經(jīng)建立，但是現(xiàn)有的信用管理平臺(tái)在數(shù)據(jù)壁壘、數(shù)據(jù)安全性、可移植性、信用評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)等方面還存在一定問題。

作為下一代全球信用認(rèn)證和價(jià)值互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)協(xié)議之一，區(qū)塊鏈?zhǔn)怯煞植际骄W(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)在無信任條件下通過共識(shí)機(jī)制和數(shù)字加解密技術(shù)構(gòu)建的一個(gè)可信任系統(tǒng)。利用區(qū)塊鏈技術(shù)可避免底層復(fù)雜的數(shù)據(jù)傳輸連接機(jī)制，直接通過點(diǎn)對(duì)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)安全通信和匿名保護(hù)的效果，并且能夠確保鏈上數(shù)據(jù)無法修改，鏈下數(shù)據(jù)真實(shí)可靠。利用區(qū)塊鏈技術(shù)可打破信用管理的信息孤島問題，加快信用數(shù)據(jù)的沉淀匯聚，加強(qiáng)用戶數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)，降低征信成本，并結(jié)合人工智能技術(shù)可以打造更好的信用評(píng)分模型?；趨^(qū)塊鏈的鐵路乘客信用管理體系可以有效克服當(dāng)前信用體制中的不足，激發(fā)鐵路信用管理新模式、新業(yè)態(tài)。

2.3 區(qū)塊鏈賦能鐵路運(yùn)行控制

2.3.1 基于區(qū)塊鏈的鐵路分布式智能計(jì)算

安全和效率始終是鐵路運(yùn)輸最重要的兩個(gè)方面，在保證運(yùn)行安全的前提下，進(jìn)一步提升鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行效率一直是研究的熱點(diǎn)。大數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的人工智能技術(shù)的廣泛應(yīng)用為鐵路智能計(jì)算帶來了新的活力。但傳統(tǒng)的人工智能機(jī)器學(xué)習(xí)方法，往往需要把訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中于某一臺(tái)機(jī)器或單個(gè)數(shù)據(jù)中心。隨著集中式數(shù)據(jù)處理和智能計(jì)算模式所暴露出的信息安全和計(jì)算效率問題得到廣泛關(guān)注，近年來以聯(lián)邦學(xué)習(xí)為代表的分布式計(jì)算技術(shù)在解決大運(yùn)算量的數(shù)據(jù)安全處理與分析問題上發(fā)揮著越來越重要的作用。作為一種分布式機(jī)器學(xué)習(xí)方法，聯(lián)邦學(xué)習(xí)是解決傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)方法所面臨的數(shù)據(jù)困境的一種新的嘗試，這是一種在保護(hù)數(shù)據(jù)隱私、滿足合法合規(guī)的前提下，多參與方或多計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間開展高效率機(jī)器學(xué)習(xí)的新型人工智能技術(shù)。但目前聯(lián)邦學(xué)習(xí)在安全性驗(yàn)證、隱私權(quán)限等級(jí)、識(shí)別惡意節(jié)點(diǎn)等方面仍存在不足。

作為一種在缺乏相互信任的競爭環(huán)境中低成本完成可信交易的新型計(jì)算范式或協(xié)作模式，區(qū)塊鏈憑借其獨(dú)特的信任解決機(jī)制，可以改進(jìn)當(dāng)前聯(lián)邦學(xué)習(xí)的訓(xùn)練模式，提高其安全性和魯棒性。同時(shí)，區(qū)塊鏈的激勵(lì)機(jī)制能激勵(lì)更多參與方加入數(shù)據(jù)的分享和模型的訓(xùn)練，從而大幅度提高模型的性能。通過建立基于區(qū)塊鏈的分布式聯(lián)邦學(xué)習(xí)框架，多方參與者可以及時(shí)構(gòu)建新的聯(lián)邦學(xué)習(xí)模型，搜集新的數(shù)據(jù)，并在區(qū)塊鏈上持續(xù)協(xié)作地訓(xùn)練和完善模型。

2.3.2 基于區(qū)塊鏈的鐵路運(yùn)行資源分配

鐵路系統(tǒng)中列車的安全高效運(yùn)行，也就是在保證資源占用不沖突的前提下，盡可能及時(shí)、合理地分配路網(wǎng)資源，以縮短列車的行車間隔，因此，列車運(yùn)行控制本質(zhì)上是保證列車在路網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中安全、有序地使用道岔、區(qū)段等資源，并在合適的階段解除對(duì)資源的占用。除了路網(wǎng)資源，鐵路系統(tǒng)業(yè)務(wù)的多元化和復(fù)雜化也給無線通信資源帶來巨大的壓力，無線資源的沖突使用，可能導(dǎo)致業(yè)務(wù)連接中斷，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的安全和效率。隨著鐵路互聯(lián)互通和網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，其運(yùn)輸組織將面臨更多的挑戰(zhàn)，鐵路網(wǎng)絡(luò)瓶頸出現(xiàn)的根本原因就是供需矛盾，只有通過合理的運(yùn)力資源分配才能使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)效益最優(yōu)。以車載為中心、基于車車通信的下一代新型列控系統(tǒng)，將采用列車分散控制模式替代地面集中控制模式，這將對(duì)路網(wǎng)資源和無線通信資源的合理分配提出更高的要求。另外，作為新一代鐵路數(shù)字化、智能化建設(shè)的方向之一，云計(jì)算和邊緣計(jì)算在為鐵路系統(tǒng)提供豐富計(jì)算資源和存儲(chǔ)資源的同時(shí)，需要做到對(duì)所有的虛擬資源做合理分配和優(yōu)化處理。

區(qū)塊鏈技術(shù)能夠擺脫傳統(tǒng)中心化資源管理模式所帶來的效率低下、單點(diǎn)故障以及信任問題，以一種去中心化的方式對(duì)鐵路路網(wǎng)資源、無線通信資源和虛擬資源進(jìn)行管理和分配，有利于突破現(xiàn)階段鐵路網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展瓶頸，并且為下一代列控資源分散協(xié)同管理模式所面臨的資源競爭提供新的有效解決思路，以及提高新一代鐵路云計(jì)算和邊緣計(jì)算虛擬資源的利用率。建立基于區(qū)塊鏈技術(shù)的資源分配管理平臺(tái)，列車能夠自主根據(jù)進(jìn)路需求情況對(duì)路網(wǎng)資源、無線通信資源以及虛擬資源進(jìn)行預(yù)約申請，然后區(qū)塊鏈系統(tǒng)依據(jù)鏈上部署的智能合約自動(dòng)對(duì)資源征用請求進(jìn)行身份確認(rèn)、權(quán)限檢查、資源劃分、敵對(duì)分析及沖突抉擇等，從而對(duì)資源進(jìn)行合理分配和占用管理。基于區(qū)塊鏈的分布式共享特性，所有相關(guān)列車和管理方可以共同維護(hù)同一份資源配置信息，保證資源的安全高效分配。

2.3.3 基于區(qū)塊鏈的鐵路信息安全防護(hù)

現(xiàn)代列控系統(tǒng)作為典型的信息物理系統(tǒng)(CPS)，由于所依賴的操作系統(tǒng)、通信技術(shù)和開放協(xié)議等技術(shù)本身存在的脆弱性，使得系統(tǒng)容易受到各方面的信息安全攻擊。針對(duì)鐵路的惡意攻擊會(huì)嚴(yán)重影響鐵路的運(yùn)行安全，并造成惡劣的政治、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)影響。鐵路現(xiàn)有的信息安全防御手段多依賴防火墻、入侵檢測等技術(shù)，只能為鐵路系統(tǒng)提供被動(dòng)防御，且一旦攻擊者通過復(fù)雜技術(shù)進(jìn)入鐵路網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)的防御手段將無法對(duì)攻擊者進(jìn)行有效識(shí)別。

區(qū)塊鏈技術(shù)憑借其諸多技術(shù)優(yōu)勢，可以有效解決傳統(tǒng)鐵路系統(tǒng)所面臨的信息安全、單點(diǎn)故障、隱私泄露、框架瓶頸等問題，其所提供的在不依賴單一可信方情況下在分布式實(shí)體間達(dá)成共識(shí)的工具，可以保證數(shù)據(jù)安全、控制敏感數(shù)據(jù)，以及防御惡意節(jié)點(diǎn)攻擊。值得注意的是，共識(shí)算法節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的選擇對(duì)列控系統(tǒng)的安全和效率存在影響，因此，在選擇共識(shí)算法時(shí)，需要綜合考慮系統(tǒng)的安全與效率。區(qū)塊鏈的不同共識(shí)算法在鐵路中以策略的形式應(yīng)用，鐵路系統(tǒng)在不同的運(yùn)行階段對(duì)信息安全的要求不同，相應(yīng)地共識(shí)算法的選擇也不同。使用深度學(xué)習(xí)模型和加強(qiáng)學(xué)習(xí)模型可以計(jì)算列控系統(tǒng)在不同信息安全狀態(tài)下的最佳策略，從而保證鐵路系統(tǒng)在不同階段狀態(tài)下選擇最佳的共識(shí)算法，滿足系統(tǒng)對(duì)安全性與效率的需求。

2.4 區(qū)塊鏈賦能鐵路改造升級(jí)

現(xiàn)在，全球正經(jīng)歷新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、人工智能和區(qū)塊鏈等新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，國際產(chǎn)業(yè)格局加快重構(gòu)。區(qū)塊鏈作為繼大型機(jī)、個(gè)人電腦、互聯(lián)網(wǎng)之后計(jì)算模式的一項(xiàng)顛覆性技術(shù)，可以為實(shí)體經(jīng)濟(jì)降本提效，助推傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展，加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。同時(shí)區(qū)塊鏈應(yīng)用正在衍生為新業(yè)態(tài)，成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)能。

區(qū)塊鏈的去中心化、防篡改、多方共識(shí)、激勵(lì)機(jī)制等特點(diǎn)，決定了其在解決鐵路數(shù)據(jù)孤島現(xiàn)象、促進(jìn)多方合作與信任建立、優(yōu)化運(yùn)營商間及與上下游產(chǎn)業(yè)鏈的合作協(xié)同等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。區(qū)塊鏈可以滿足鐵路改造升級(jí)過程中的增信、數(shù)字化和智能化需求，通過技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)模式創(chuàng)新，并作為新舊動(dòng)能接續(xù)轉(zhuǎn)換的重要?jiǎng)恿Γ诰蛐碌慕?jīng)濟(jì)增長點(diǎn)。

此外，通過構(gòu)建鐵路與其他傳統(tǒng)行業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)互聯(lián)的區(qū)塊鏈眾包網(wǎng)絡(luò)，可以在確保信息安全的前提下，激勵(lì)全領(lǐng)域的群智發(fā)揮和價(jià)值傳遞；有利于嗅探不同領(lǐng)域中興起的較有潛力的新技術(shù)，并在日后追蹤其在全領(lǐng)域中的應(yīng)用程度，最終能依據(jù)智能合約中部署的鐵路行業(yè)特征與要求，自動(dòng)給出適用于鐵路行業(yè)應(yīng)用的技術(shù)指導(dǎo)，從而引領(lǐng)鐵路行業(yè)的進(jìn)一步技術(shù)升級(jí)。

3 鐵路區(qū)塊鏈平臺(tái)搭建與性能測試

3.1 平臺(tái)搭建

為實(shí)現(xiàn)與驗(yàn)證區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路系統(tǒng)中的重要賦能作用，本文基于EOS區(qū)塊鏈技術(shù)，搭建了一套基于區(qū)塊鏈的鐵路數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，并將其應(yīng)用于鐵路列控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全管理與傳輸中。鐵路區(qū)塊鏈平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。

圖3 鐵路區(qū)塊鏈平臺(tái)系統(tǒng)架構(gòu)

在鐵路數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)中，所有的數(shù)據(jù)共享交易均在鐵路系統(tǒng)所連接的區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行。通過部署特殊功能的區(qū)塊鏈智能合約，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的訪問控制功能，進(jìn)而保障數(shù)據(jù)持有者對(duì)數(shù)據(jù)的絕對(duì)控制。通過在智能合約中定義不同數(shù)據(jù)的信息安全等級(jí)和訪問權(quán)限，來明確數(shù)據(jù)的安全共享決策與審計(jì)，將數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢、請求和訪問等操作全都以交易的形式進(jìn)行記錄，以保證每一次數(shù)據(jù)操作的公開透明和不可篡改。另外，為保障數(shù)據(jù)的安全共享，設(shè)計(jì)了一種基于非對(duì)稱加密方式的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制。列控子系統(tǒng)通過有線與區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)直連，從而保證節(jié)點(diǎn)與設(shè)備間通信的安全性，并由區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)與其他子系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的共享與轉(zhuǎn)發(fā)。列控系統(tǒng)中各子系統(tǒng)內(nèi)部的邏輯功能不受區(qū)塊鏈的影響，系統(tǒng)整體的可擴(kuò)展性更高。

在列控系統(tǒng)中嵌入EOS區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)作為各子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)安全認(rèn)證和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，安裝EOSIO服務(wù)應(yīng)用和合約編譯應(yīng)用，利用EOSIO的cleos組件創(chuàng)建用戶并完成智能合約的部署，同時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)配置，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)用戶間的相互通信。區(qū)塊鏈EOS節(jié)點(diǎn)的部署環(huán)境為Ubuntu18.04，本文所使用的EOS版本為EOSIO v1.7.3。

3.2 性能測試

首先測試不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下交易共識(shí)達(dá)成的時(shí)間。共識(shí)時(shí)延測試結(jié)果見圖4，反映出不同節(jié)點(diǎn)數(shù)量下的共識(shí)時(shí)間與平均內(nèi)存占用率的變化趨勢?？梢钥闯鲈黾庸?jié)點(diǎn)的數(shù)目不會(huì)對(duì)列控系統(tǒng)數(shù)據(jù)通信所需的時(shí)間產(chǎn)生較大的影響。

圖4 共識(shí)時(shí)延測試結(jié)果

其次測試區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)對(duì)傳輸時(shí)延的影響。由于在通信鏈路中增加了區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)作為數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設(shè)備，為保證數(shù)據(jù)包在傳輸過程中的實(shí)時(shí)性，需要檢測區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)可能對(duì)數(shù)據(jù)通信帶來的影響。環(huán)回時(shí)延測試結(jié)果見圖5。

圖5 環(huán)回時(shí)延測試結(jié)果

由圖5可以看出，環(huán)回時(shí)延約維持在10 ms左右，則單向時(shí)延約為5 ms。對(duì)比原系統(tǒng)，設(shè)備之間直接通過有線連接進(jìn)行通信，通信時(shí)延可以忽略。即相比于原列控仿真系統(tǒng)，添加區(qū)塊鏈節(jié)點(diǎn)使時(shí)延增加了約5 ms。列控系統(tǒng)通信中數(shù)據(jù)包的發(fā)送間隔一般為200 ms，要求通信的最大單向時(shí)延不超過150 ms，所以本平臺(tái)系統(tǒng)的測試結(jié)果能夠滿足現(xiàn)階段列控通信實(shí)時(shí)性能要求。

4 鐵路區(qū)塊鏈應(yīng)用面臨的挑戰(zhàn)與問題

鐵路行業(yè)規(guī)模宏大、涉及領(lǐng)域繁多，利用區(qū)塊鏈這種安全高效的新型協(xié)作模式，有助于改善生產(chǎn)關(guān)系、降低監(jiān)管成本、簡化操縱流程和提高協(xié)作效率，對(duì)于推動(dòng)鐵路向更安全、更高效方面轉(zhuǎn)型升級(jí)有著巨大的潛力和期望。但是作為最受關(guān)注的顛覆性技術(shù)之一，區(qū)塊鏈在與諸多實(shí)體產(chǎn)業(yè)，特別是鐵路行業(yè)的融合過程中仍面臨一些瓶頸和挑戰(zhàn)亟需解決[11]：

(1)隨著鐵路數(shù)字化和信息化的快速發(fā)展，其對(duì)通信性能的要求也越來越高，而當(dāng)前的區(qū)塊鏈系統(tǒng)在吞吐量和時(shí)延性能等方面還有待提高。

(2)共識(shí)機(jī)制作為區(qū)塊鏈技術(shù)的關(guān)鍵安全手段之一，約定了區(qū)塊的添加過程和鏈的管理機(jī)制，其效率與安全之間的平衡需要依據(jù)鐵路不同的應(yīng)用需求進(jìn)行折中考慮。

(3)智能合約作為鐵路區(qū)塊鏈多方業(yè)務(wù)交互的重要規(guī)則，不僅要嚴(yán)格審查代碼漏洞，還要對(duì)合約協(xié)議安全性進(jìn)行分析，防止因?yàn)闃I(yè)務(wù)邏輯漏洞造成不可挽回的嚴(yán)重?fù)p失。

(4)區(qū)塊鏈目前的數(shù)據(jù)安全加密多基于非對(duì)稱加密、哈希算法等機(jī)制，而未來隨著量子計(jì)算的突破，量子霸權(quán)將對(duì)傳統(tǒng)加密算法構(gòu)成威脅，給鐵路區(qū)塊鏈的安全應(yīng)用帶來隱患和挑戰(zhàn)。

5 結(jié)論

區(qū)塊鏈技術(shù)不僅被視為具有國家戰(zhàn)略意義的新型技術(shù)，也是各行業(yè)新舊動(dòng)能接續(xù)轉(zhuǎn)換的重要引擎，能夠通過技術(shù)創(chuàng)新推動(dòng)模式創(chuàng)新，進(jìn)而引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)變革。本文針對(duì)區(qū)塊鏈賦能鐵路進(jìn)行了應(yīng)用前景研究與典型案例分析：

(1)對(duì)區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用前景進(jìn)行了詳細(xì)分析，分別研究了其在鐵路規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)營維護(hù)、運(yùn)行控制和改造升級(jí)等方面的重要賦能作用。

(2)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了鐵路區(qū)塊鏈平臺(tái)系統(tǒng)，并對(duì)該系統(tǒng)性能進(jìn)行了測試，結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的區(qū)塊鏈平臺(tái)能夠促進(jìn)鐵路系統(tǒng)安全高效的價(jià)值互聯(lián)。

(3)總結(jié)了未來區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路行業(yè)應(yīng)用仍需解決的問題。