区块链技术在铁路系统的应用研究

赵泽宇，吴歆彦，闫宏伟，尹福康

（中国铁路经济规划研究院有限公司，北京 100038）

区块链是比特币的底层技术，是一种去中心化、去信任的分布式数据库[1]。其去中心化思想改变了社会固有的思维模式，组织模式和运营方式对现有的社会架构、管理方式做出了新的创新。目前，区块链的技术构想已经从数字货币延伸至金融、证券、物流、医疗等社会的各个领域[2]。铁路系统规模庞大，涉及领域众多，利用区块链技术可以降低监督和管理成本[3]。但是铁路领域对于区块链研究还不成熟，区块链技术在铁路系统的应用方向还没有明确。本文结合区块链的技术特点，探讨区块链在铁路系统的应用场景，以及区块链技术在铁路系统的发展方向。

1 区块链技术简介

区块链的本质是一种分布式数据库，通过技术手段解决了双花问题和拜占庭将军问题[4]，系统不依赖于单一的机器或者节点，而是通过去中心化的方式由许多节点共同维护，这些节点通过互联网连接到区块链网络，每个节点拥有部分或全部的数据库拷贝，负责同步数据和验证记录的合法性。任意节点失效，其他节点仍能正常工作。节点之间的数据交换通过数字签名技术确保真实可靠。整个系统基于既定的协议自行运作，不受人为干预[5]。

区块链是一系列技术相互结合形成的一种新的数据存储和表达方式，其本身是一串数据块，这些数据块之间通过密码学相关联，每一个数据块中包含了多条记录，每一条记录都有时间标记—时间戳[6]。当有新的加密数据需要记录时，由所有节点共同广播至全网，区块链网络中特定的节点（矿工）会对数据解密进行验证,将多条记录打包生成新的区块，新的区块严格按照时间戳线性链接到区块链的末端，维持链的增长。矿工的选拔有很多种方式，常见的有“工作量证明”、“权益证明”和“股份授权证明”等方式。比特币采用的就是“工作量证明”方式：全网的矿工共同计算一道数学问题，最先计算出的矿工才有机会打包新的区块，并且获得数字货币的奖励。

区块链主要用来解决信任问题，主要特点如下。

1.1 去中心化

去中心化是相对于中心化而言的，社会生活中，人们通过“信任中心”来解决信任问题。银行账户之间转账时，由银行来保证交易的合法性，确保转账双方的权利；网上购物时，通过购物网站来解决买方和卖方的信任问题，进行商品的购买、配送和接收。这里的银行和购物网站就是所谓的“中心”，用来进行交易认证和交易信息的记录。中心化产生的最主要原因是转账用户之间、网络购物的客户和商家之间不能相互信任，如果没有中心化的运营机构，就有可能产生欺骗或者侵害行为。因为所有的人都信任这个“中心”，所以交易能够正常进行。而区块链技术是将对中心的信任转化为对群体的信任。区块链中，每一笔交易都会在系统中广播，每个节点都会记录这笔交易，也就是说每笔交易都有很多个节点见证，因此将对“中心”的信任转化为对全体节点的信任，从而避免由于“中心”事故而导致的问题。区块链技术在双方在没有三方机构参与的情况下，可以完成交易、担保等信任行为，这是区块链带来的重大突破。中心化与去中心化对比，如图1所示。

1.2 不可撤销、不可篡改

图1 中心化与去中心化对比

区块链网络中每条记录都会被盖上时间戳，多条记录一起被打包，打包时由网络中其他矿工核对，确认无误后会被写入区块。而数据一旦写入区块便会在全网广播，网络中所有的节点都会对数据进行备份。区块严格按照时间顺序推进，单个甚至多个节点对区块的修改或删除无法影响其他的节点，会受到其他节点的排斥，除非能够掌握全网超过50%节点的控制权。因此数据一旦被写进区块链之中，便无法再被篡改和删除。

1.3 开放、自治、匿名

区块链中所有的数据都对内部节点公开，整个系统内部信息高度透明，完全开放。整个区块链系统的运行基于协商一致的规范和协议，所有节点都完全遵循相同的规则，任何欺骗行为都会受到其他节点的排斥和抑制，更不会受到人为的干预，因此不需要管理机构和中介机构，降低了管理成本。此外，由于账户之间的互动基于固有的算法，程序会自动监控和执行，因此不需要个人信用来避免违约。区块链技术通过加密算法保证信息安全和账户隐私，虽然整个链上的信息是公开的，但是账户信息是被保护起来的，可以有效的保护个人隐私。

2 区块链在铁路应用研究

目前，区块链技术还处于早期研究阶段，没有统一的技术标准，各种技术方案仍在发展和尝试。总体上看，区块链的发展经历了3个阶段：区块链1.0是可编程货币，是与转账、支付相关的货币应用；区块链2.0是可编程金融，是与股票、期权、智能合约等相关的经济、市场和金融领域的应用；区块链3.0是价值互联网的内核，可以构造成全球性的分布式记账系统，应用进一步扩展到审计、医疗、物流等领域，进而应用到整个社会。

从公开程度和中心化控制力度方面区分，区块链分为公有链、私有链和联盟链。公有链的信息完全公开，典型应用就是比特币。私有链只对专门个人和团体开放，没有完全去中心化，因此更适用于政府机关和企业内部。联盟链对特定的群体和有限的第三方开放，即允许授权的节点加入网络，并赋予相应权限。

区块链发展到3.0阶段，才适用于铁路行业的应用场景。而且由于铁路系统涉及到信息安全和国防领域，完全的去中心化方式并不适用，宜选择私有链的部署方式，通过分布式数据库保证数据的安全和不可篡改。此外，不同于比特币系统，铁路系统的区块链不需要数字货币的激励来保证矿工投入到区块链的维护和增长工作，因此不需要发行数字货币。综合以上几点，区块链技术可以应用到铁路系统的如下方面。

2.1 铁路建设

目前铁路工程建设过程中存在如下问题：

（1）由于施工现场地质条件变化，气候环境等因素导致施工图变更；

（2）线路建设过程中，有新的连接线引入导致设计变更；

（3）由于专业接口之间设计不协调导致设计图纸变更；

（4）由于设计不完备导致的问题不能有效追责，出现问题后的临时处理措施不能被记录在案；

（5）施工过程无法跟踪，施工作业单等管理记录不能有效记录在案；

（6）工作联系单中涉及的变更不能够完全反映到竣工图纸上；

（7）以上问题导致的既有线施工时现场环境和竣工图不符。

总体来说，铁路建设的管理流程还略显粗放，数字化水平相对滞后[7]，除了要承担错误施工，重复施工导致经济损失外，对于问题责任方的放纵处理并不利于铁路建设的长效发展。利用区块链的不可撤销、不可篡改的特性，可以有效地解决上述问题。搭建私有链实现对预可研、可研、设计和施工阶段的全程追踪，各阶段研究报告、设计图纸、施工图纸、变更图纸全部存储在链上，通过时间戳保证变更顺序，避免错误施工。对于各环节出现的重大事故也能有效追责，因此保证了施工效率和建设流程的规范。对于以后的运营养护和既有线改造也能带来极大便利。

2.2 运营养护、机车检修

线路养护涉及行车安全，不能有丝毫懈怠。但是铁路系统规模庞大，人员众多，养护任务的完成主要依靠基层单位的管理水平。加上基层站段养护手段还很原始，工期排班，养护记录仍由人工录入。工作是否按规定完成，养护记录是否真实无法保证，长期记录也难以保存。因此纯靠制度和人为管理并不能完全保证铁路行车安全。养护流程区块链化有助于实现对线路养护的全流程追踪，时间戳标记不可伪造，确保了养护频率准确无误，数据不可篡改，养护记录补记、漏记一目了然，因而节约管理成本，保证线路养护如期进行。

此外，区块链技术也可以应用在机车检修过程中。通过将工具使用情况、检修流程、物料库存等数据区块链化，可以进一步提高工作效率、保证工作质量、避免工具和材料的丢失和重复使用，从而简化管理成本，进而提高铁路运输安全系数。

2.3 货运物流

货运是铁路运输的重要组成部分[8]，几年来，由于物流行业的爆发式发展，铁路货运呈现出多样化、复杂化的特性[9-10]，现有的货运模式面临巨大的挑战。采用区块链技术，可以在以下方面有所突破。

（1）信息透明：通过与现代物流技术相结合，将货物信息智能化，实现运输全流程区块链化，当货物状态发生变化时，系统内的所有节点都会对货物信息的变更进行记录和存储，这不仅能够保证货物运输过程的公开透明，也能够提高货物运输信息和资金的可追溯性。

（2）货物防伪：现有的电子标签技术，通过与供应商、制造商、分销商、零售商等合作，可以从源头追踪货物起源、属性和所有权，但并不能避免中间商恶意篡改数据记录。利用区块链技术的不可篡改特性，可以将原材料、半成品、成品的各阶段数据区块链化，生成不可被篡改的数字化历史，进而达到防伪目的，如图2所示。

图2 区块链用于货物防伪

（3）运输安全：通过区块链记录货运路线，编组方案和交付单位等信息，通过数字证书确认每一环节的经手人，防止货物冒领和丢失。

2.4 权益证明

区块链上保存的信息无法篡改，具有相当的可靠性，因此适合用作于资产或权益证明。可以使用区块链技术对特殊权益所有者确权，提供对军人、残疾人、学生、工作人员等特殊群体的权益证明，与私钥等手段配合使用，可以避免优惠证件的冒用。

3 结束语

区块链技术通过去中心的方式，依靠既定的协议和规则由集体共同维护，避免了个体的影响，将对人的信任转化为对机器的信任，对现有的管理模式提出了新的构想。但是由于多节点共同维护，因此相比于传统的分布式数据库，区块链技术也存在一些缺陷，例如：效率下降、并行处理能力较弱、延迟较大等问题。因此对于高并发的业务并不适用，但是随着技术的进步，上述问题正逐渐得到改进。

结合区块链的技术特点和铁路系统特有的安全属性，本文提出：铁路系统数据不适合采用开放式的存储方式，管理流程仍需要政策和人为干预，因此完全的去中心化并不适用，宜采用私有链的部署方式。文章进一步对区块链技术在铁路建设、运营养护、机车检修、货运物流、权益证明等方面的应用进行了探讨和研究。提出应用区块链技术能够减少管理成本，提高系统的自治能力和稳定性，规范铁路建设、运营和养护的流程，保证信息安全。通过与物流等上下游企业合作，能够提高服务质量，细化管理流程，更好地服务于铁路运输。