区块链技术及其在铁路行业的典型应用研究

2020-02-22张晓栋

铁路计算机应用 2020年1期

李平，张晓栋，郭悦，谢鹏

（1.中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所，北京 100081）

当前，新一轮科技革命和产业变革席卷全球，大数据、云计算、物联网、人工智能、区块链等技术不断涌现和快速渗透，数字经济正深刻地改变着人类的生产和生活方式。区块链作为一项颠覆性技术正在推动全球从“信息互联网”向“价值互联网”变迁。区块链应用有望为实体经济“降成本”“提效率”，助推传统产业高质量发展，加快产业转型升级。

铁路运输作为我国国民经济的大动脉和大众化交通运输工具，历经多年信息化建设，取得了显著成效，建立了一体化信息集成平台和覆盖客货服务、经营管理、调度指挥、安全监控等领域的多个业务信息系统，并基于海量数据资产，开展了大数据和人工智能技术的创新应用，为开展区块链技术应用积累了充分的技术基础。与此同时，我国铁路也面临着新形势下降本增效等方面的挑战。铁路系统规模庞大、业务链条长、涉及领域众多，利用区块链技术可以降低监督和管理成本[1]，有利于降低铁路乃至全社会的客货运输总体成本，推进新时期铁路高质量发展。

本文详细介绍区块链技术的定义、特征与关键技术，分析区块链技术的国内外应用现状，提出在铁路大数据共享、“一带一路”铁路货运物流等典型场景的区块链技术应用方案，并且给出了铁路区块链技术应用的相关建议。

1 区块链技术的定义、特征与关键技术

1.1 区块链定义与分类

区块链（Blockchain）技术起源于2008年由化名为“中本聪”（Satoshi Nakamoto）的学者的奠基性论文《Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system》[2]。区块链的定义可以从狭义和广义两个方面进行阐述。

狭义的区块链是一种按照时间顺序将数据区块以顺序相连的方式组合成的链式数据结构，以密码学方式保证数据不可篡改、不可伪造，具有去中心化特征。广义的区块链是利用加密技术来验证与存储数据，利用分布式共识算法来新增和更新数据，利用运行在区块链上的代码，即智能合约，来保证业务逻辑自动强制执行的全新的多中心化基础架构与分布式计算范式。

区块链根据网络中心化程度可划分为3种基本类型。

（1）公有链。无官方组织及管理机构，无中心服务器，呈现完全的去中心化特性。参与节点按照系统规则自由接入网络、不受控制，节点间基于共识机制开展工作。

（2）私有链。某个企业内部建立，系统运作规则需根据企业要求进行设定，修改、读取等权限仅限于少数节点，保留部分去中心化特性。

（3）联盟链。若干机构联合发起，介于公有链和私有链之间，兼具部分去中心化特性。

1.2 区块链关键技术

从技术角度来讲，区块链并不是一个全新的技术，而是集成了多种现有技术进行的组合式创新，涉及到以下几个方面。

（1）分布式账本。交易记账由分布在不同地方的多个节点共同完成，而且每一个节点记录的是完整的账目。

（2）智能合约。智能合约可视为一段部署在区块链上的去中心化、可信息共享、可自动运行合约条款的计算机程序，将协议双方约定的内容进行数字化编码并写入区块中；约定内容一旦发生，系统将自动执行智能合约。

（3）多通道技术。系统可以创建多条通道，某个节点可以加入到不同的通道中，在每个通道中有自身的创世区块和实例化智能合约。

（4）认证技术。主要完成对成员的注册、登记、证书申请、授权等方面的管理工作，节点成员只有获得证书才能加入到区块链网络中。

（5）共识机制。区块链系统呈现去中心化，采用共识机制使网络中所有节点采用同一规则验证与维护记账结果。

1.3 区块链主要特性

区块链通过上述关键技术建立强大的价值传输网络，使其具备开放/共识、去中心/去信任、交易透明/双方匿名、不可篡改/可追溯等主要特性，为实现传统产业价值在数字世界的流转提供重要支撑[3]。

（1）开放与共识。区块链网络允许任何人参与其中，每台设备都可作为一个节点，并获得一份完整的数据库拷贝。共识机制是节点间的可靠保障，通过竞争计算共同维护整个区块链。链中任意节点失效，其余节点仍可正常工作。

（2）去中心与去信任。在区块链系统中，众多节点共同组成一个端到端的网络，不存在中心化的设备和管理机构。节点之间数据交换通过数字签名技术进行验证，无需互相信任，也不需要第三方仲裁，只需按照系统既定的规则进行，任何节点之间的权利和义务对等，节点之间不能也无法产生欺骗行为。

（3）交易透明与双方匿名。区块链中所有数据都对内部节点公开，整个系统内部的运行规则和数据信息高度透明，每笔交易对所有节点完全开放[4]。节点与节点之间是去信任的，因此节点之间无需公开身份，每个参与节点都是匿名的。虽然整个链上的信息公开，但是账户信息被严格保护起来，可有效保护链上用户隐私[4]。

（4）不可篡改与可追溯。区块链中的单个节点甚至多个节点对数据库的修改无法影响其他节点的数据库，除非能控制整个网络中超过50%的节点同时修改。区块链中的每一笔交易都会被盖上时间戳，在确认无误后写入区块，并通过密码学方法与相邻两个区块串联，确报任何一笔交易的可追溯性。

1.4 区块链交易过程

区块链交易过程一般分为6个环节，如图1所示。

（1）交易启动。交易者创建交易，并将交易过程进行记录，包括交易日期、时间、当事人、金额等信息。

（2）交易发布。按照次序将本次交易记录加入到网络的区块中，制成交易单并提交，网络中每个节点拥有账本的完整副本。

（3）交易传播。区块被广播至全网，每个节点会将数笔未验证的交易Hash值收集到区块中。

图1 区块链交易过程

（4）交易验证。对交易进行网络核实、验证和批准，商定的共识被记录，并作为信任机制的基础。

（5）区块接链。已确认的区块以线性和时间的顺序入链，并提供透明的交易记录等信息以生成可靠的、不可篡改的交易记录。

（6）交易完成。区块链中一个完成的区块将位于另一个区块之后。

1.5 区块链技术发展趋势

区块链1.0、2.0、3.0概念是由Melanie Swan的《区块链新经济的蓝图》[5]一书提出。区块链1.0是以比特币为代表的数字货币，于2008年实现了可编程货币，主要场景包括支付、流通等货币职能。区块链2.0是以太坊为代表的数字货币与智能合约相结合，于2014年实现了可编程金融。区块链3.0是以EOS公有链和Hyperledger Fabric联盟链为代表的共识协议，是对区块链2.0的优化，解决了性能与能耗问题，于2017年从金融延伸到其他领域。

2018年，Barton Chao发起InterValue项目，代表区块链4.0时代的到来。区块链4.0与行业应用结合更紧密，注重应用落地，各种不同的数字资产可以安全、无障碍地跨链互联，成为真正的价值互联网。

2 区块链技术应用现状分析

2.1 国外应用现状

国外对区块链技术多数呈现积极态度，但产业发展阶段各不相同。如图2所示，澳大利亚、韩国、德国、荷兰、塞浦路斯、阿联酋、马耳他等国积极发展区块链产业，在国家层面制定了总体发展战略；美国、中国、韩国、英国、澳大利亚及欧盟重视区块链技术研究与应用探索；同时，中国、澳大利亚、法国、瑞士、芬兰等国已陆续制定了区块链监管方面的法律法规[6]。

在应用落地方面，区块链源于加密数字货币，正在向多领域延伸。许多国家针对区块链技术开展了大量实践[7]：美国、爱沙尼亚、迪拜等国积极采用区块链技术推进政府数字化转型；德国、日本、澳大利亚等国利用区块链技术对经济金融开展降本提效的探索；瑞士、美国使用区块链技术推动财产登记与交易分配；新加坡、瑞士等国将区块链技术用于贸易物流领域，为客户提供便捷的交付范式；英国、美国等利用区块链技术从事社会民生事业，实现公共资金的效益最大化。

图2 部分国家区块链总体发展战略

在铁路领域，一些国家也正在积极探索区块链技术应用。德国铁路（DB）与区块链整合平台（Unibright）合作，研发了基于区块链的标记化生态系统，可以连接旅客全行程的不同区域，对行程的每个部分（包括里程、服务、餐饮、酒店预订、本地交通等）进行标记化，旨在通过区块链技术应用降低运营成本，实现与旅游业的其他公司互动。俄罗斯铁路运输公司（RZD）正在推出利用区块链技术的加密货币售票系统，以及基于区块链的铁路货运数字交易平台。2017年8月，美国的伯灵顿北方圣太菲铁路运输公司（BNSF）、联合包裹速递服务公司（UPS）、联邦快递（FedEx）以及施奈德物流公司等200多家知名货运、物流企业加盟区块链货运联盟（BITA Alliance），组成世界上最大的区块链商业联盟。此外，瑞士、荷兰、加拿大等国的铁路公司也在铁路运输行业开始引入区块链和加密货币。

2.2 区块链国内政策发展趋势

我国区块链产业相关政策发展趋势，如图3所示。自2016年以来，国家相继出台了多项关于区块链发展的政策，尤其是《“十三五”国家信息化规划》中，把区块链作为一项重点前沿技术[8]。同时，上海、广州、深圳、重庆、浙江、江苏、贵州和山东等多地发布政策指导信息。

图3 中国区块链产业相关政策发展趋势

2.3 区块链国内产业应用现状

截至2019年3月，我国区块链企业数量达到499家，仅次于美国的553家，主要集中在北京、上海、广东、浙江等地区。目前，区块链技术的产业应用场景不断拓展，在金融服务、供应链协同、知识产权、社会民生等方面积极探索，助力商流、信息流、资金流的“三流合一”。

2.3.1 区块链与金融服务

区块链在金融服务的应用主要体现在交易支付、资产数字化、智能证券、客户识别和清算结算上。

交易支付通过区块链技术降低金融机构间的对账成本，显著提高支付业务的处理速度及效率，在跨境支付领域实现点到点交易，减少中间费用。资产数字化通过区块链对股权、债券等进行整合，转化为链上数字资产，资产所有者无需通过各种中介机构即可发起交易。智能证券通过区块链技术充分地表达如固定收益证券、回购协议等交易合约的业务逻辑，进而实现合约的自动执行。客户识别利用区块链技术降低客户识别时耗，提高消费者身份验证效率。清算和结算通过基于区块链技术的法定数字货币与数字资产点对点对接，显著降低价值转移的成本，缩短清算、结算时间。

2.3.2 区块链与供应链管理

供应链是由供应商、制造商、仓库、配送中心和渠道商等构成的物流网络，与区块链网络在结构上存在一定的相似性。区块链的不可篡改、可追溯、透明性、匿名性等特征在物流快递和溯源防伪上具重要价值。

物流快递涉及交付双方，利用区块链技术加密双方私钥签名，能够杜绝快递员通过伪造签名来逃避考核的行为和防止货物的冒领误领，并在快递单据上隐藏收件人实名制信息。在溯源防伪方面，区块链可利用时间戳追溯交易行为，有效解决食品、艺术品、收藏品等假冒伪劣问题。

2.3.3 区块链与知识产权

互联网使内容型知识产权得以免费分享，但也带来了严重的侵权盗版现象，特别是缺少话语权和主导权的原创作者，创作积极性倍受打击。区块链技术能够有效解决知识产权保护效率低、收费高、维权难的问题。

在电子音像版权方面，作品的所有交易都会被区块链节点实时记录，实现全生命周期可追溯、可追踪，确保所有权人直接在作品的销售中获益。在文化众筹方面，消费者能够广泛参与知识产权创作、生产、传播和消费的全流程，添加信任的确权节点，解决交易不透明、内容不公开等问题。

2.3.4 区块链与社会民生

区块链在社会民生方面也起到了积极的作用。在公益基金监管与跟踪方面，区块链技术对必要的隐私信息进行保护，捐赠人可清晰监控捐款去向。在教育就业方面，利用分布式账本记录学生信息，方便追踪学生在校园时期所有正面以及负面的行为记录，促进信用生态的构建。

2.4 应用中存在的普遍问题

区块链技术日臻成熟，但存在的问题依然突出，主要有以下几个方面：

（1）区块链使金融机构或者企业可能面临复杂的法律和合规问题；

（2）当前分布式账本技术仍不成熟，尚待更多行业应用证明；

（3）区块链技术路线多，不同类型的区块链易形成信息孤链；

（4）去中心化对现有格局变化较大，相关领域缺乏主动变革的内在动力；

（5）开源区块链基本技术维护可持续性较差；（6）存在一定的滥用和泛用现象。

3 铁路领域区块链技术应用方向

随着区块链技术研究的不断深入，各行业积极开展基于区块链技术的转型升级。铁路行业涉及领域多、数据交换关系复杂、信息安全要求高，可结合分布式联盟链确保数据的安全和不可篡改；同时，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与增长工作[4]，规避了区块链技术的被投机风险。结合区块链技术特点，探索铁路领域的区块链技术应用场景与方向，本文主要介绍铁路大数据共享和“一带一路”铁路货运物流2个方面。

3.1 区块链在铁路大数据共享中的应用

3.1.1 铁路数据共享与交换面临的难题

2018年，中国国家铁路集团有限公司数据中心建成，承载全路集中应用系统的部署及数据资源存储；配套建设铁路数据服务平台，面向全路提供数据汇集与管理服务。数据软硬件设施构建完成后，通过数据共享和数据交换等形式应用数据资产、挖掘数据价值是当前铁路面临的主要问题，应用过程中出现2个关键难题。

（1）数据真实性缺乏保障。数据真实性风险出现在数据生成和数据流转2个阶段，即生成阶段数据内容本身的伪造风险和流转过程数据内容的被篡改风险。

（2）数据资产无授权流转。数据作为一种非实体资产，具有可复制性，也存在被盗取的可能性。同时，数据的产生和支配并不一定是同步的，可能在产生之初便被数据收集人支配。数据资产的无授权流转现象较为普遍，使得数据确权实现起来相当困难。

3.1.2 基于区块链的铁路数据共享可信平台

从铁路数据共享与交换面临的难题出发，构建基于区块链的铁路数据共享可信平台，如图4所示。以数据为资产对象，结合区块链的不可篡改和可追溯特征，从“大一统的数据汇集”模式逐步转变为“多模态数据汇集”。结合现有铁路数据服务平台具备的数据治理与数据融合功能，将“获取原始数据”为主的累积性大数据建设模式向“获取分析结果”为主的应用型大数据建设模式转变。

图4 基于区块链的铁路数据共享可信平台

基于区块链的铁路数据共享可信平台在铁路数据联盟链技术的基础上，精准连接数据使用方、数据提供方、建模服务方、监管方等，实现身份数据、数据目录、数据授权、共享数据的链上操作。通过数据服务平台在源头保证铁路数据确权和真实性，利用数据授权与权限控制严格监控数据流转过程。与传统数据共享方式相比，基于区块链的铁路数据共享可信平台支持加密密文数据交换和共享模式，提供基于数据目录、数据授权的共享，也支持基于数据模型、数据计算的数据共享。

3.2 区块链在“一带一路”铁路货运物流中的应用

随着“一带一路”建设的不断推进而壮大，中欧班列是目前我国与“一带一路”沿线国家联系最为紧密的路径，也是共建“一带一路”倡议扎实落地、成熟的典范。截至2019年10月底，中欧班列累计开行数量已近2万列，通过铁路连接俄罗斯、波兰、德国、西班牙、比利时、奥地利、伊朗等多个国家。国内货运组织改革的持续深入，铁路货运内部开展货运市场营销，围绕全品类物流、全流程服务、全方位经营、全过程管理，加快推进铁路现代物流发展[9]，向“一带一路”沿线国家提供更加丰富多元、高效快捷的运输服务。

3.2.1 “一带一路”铁路货运物流面临的难题

“一带一路”铁路货运物流当前面临4大难题。

（1）去中心化的多运输主体间信任程度低。“一带一路”涉及跨境贸易、项目管理和物流交通等方面，业务关系均建立在多方数据互通基础上，虽然在政治、经济、文化等层面沿线国家努力达到相互理解，但仍存在一定的信任缺失，具体体现在对本国运输物流数据资产的严格保护等方面[10]。

（2）运输物流专业化水平参差不齐。“一带一路”沿线国家经济水平差异较大，运输物流专业化水平参差不齐，在实现一体化、信息化联合运输方面存在困难。

（3）通关规则程序复杂。“一带一路”沿线国家自然资源、人文禀赋等差异巨大，产品标准、通关准则各有不同，易出现管理分散、服务滞后、检验检疫程序繁琐等物流效率低下的现象。

（4）物流跨境结算繁琐。传统的商业物流跨境结算形式主要是银行间的国际结算，如电汇、信汇、票汇等，易产生灵活性差、结算速度慢、交易成本高等问题。“一带一路”沿线国家贸易往来增多、铁路运输需求强烈，对物流跨境结算提出安全便捷、简单快捷等新要求。

3.2.2 “一带一路”铁路货运物流区块链

区块链与铁路货运深度融合，形成“一带一路”铁路货运物流区块链，能够提高传统货运物流运行效率，提高信息透明度，解决上述关键难题，如图5所示。

图5 “一带一路”铁路货运物流区块链

图5中，商流为商贸、运输、联运、发票等票据合同信息；信息流为货源、需求、生产运输计划等信息；物流为运行轨迹、仓单、库存等信息；资金流为融资、支付、清算、结算、信用等信息。

“一带一路”铁路货运物流区块链采用分布式共享账本，增强可信度，减少数据协同复杂性；采用高效智能合约自动完成跨境、跨机构的合约与交易结算；采用认证与共识机制，保证流转数据可信、物理世界与数字世界保持一致，进而实现跨国电子合同共信认证、跨国物流信息上链追踪、智能合约清算标准一致、可信票据流转清晰可见、跨国共享账本安全防篡改、多方数据隐私安全保障。

4 铁路区块链技术应用的相关建议

当前，区块链技术的应用正在从金融领域向其他领域拓展，多个行业都处在探索阶段。铁路运输本质上就是人流、货流、车流、信息流、资金流等多流合一的运输组织方式，迫切需要应用区块链技术实现铁路运输全过程的可信任、可追溯及合约智能化。结合其他领域及行业区块链研究与应用情况，铁路行业区块链技术应用建议围绕以下4个方面开展研究。

（1）调研分析区块链的应用场景和典型案例，开展铁路区块链总体规划和顶层设计，研究形成技术路线图；

（2）构建区块链在铁路应用的技术框架，研究建立铁路区块链的标准体系，制定相关技术标准和实施标准；

（3）调研分析国内外区块链技术现状，研究典型应用场景的总体技术方案，开展关键技术研究与可行性论证；

（4）加快建立铁路行业区块链服务平台，引导区块链技术与铁路业务深度融合。