铁路物流与区块链融合应用研究

黄敏珍，李国华，林晓蕾，李一丹

（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）

随着物联网、大数据、云计算、人工智能和区块链技术的发展，区块链技术已经从数字货币延伸到金融、证券、物流和医疗等社会的各个领域[1]。基于区块链防篡改、去中心化、安全性和公开性等特点，开展铁路货运物流与区块链技术的融合创新研究，探索铁路货运物流科学发展的应对之策，对于加快铁路开展国际货运业务发展具有重要的理论价值和实践意义。同时，随着铁路货运票据电子化的实施，生产流程不断优化，打通了既有独立的多个专业信息系统，通过多系统有机结合、多工作紧密协作，实现了客户需求和内部生产信息电子化流转、无缝衔接，实现了货运数据全程共享，为开展铁路物流与区块链技术的融合研究奠定了数据基础。

本文总结了区块链的起源、发展阶段和关键技术，通过分析多式联运、国际联运的数据交换与数据共享等各方面需求，结合铁路货运信息系统的现状，对铁路物流与区块链的融合应用进行了研究。

1 区块链

1.1 区块链概念

区块链技术起源于2008年，由化名为“中本聪”的学者发表的论文[2]。狭义区块链是一种按时间顺序，以顺序相连的方式，将数据区块组合起来的链式数据结构。广义上讲，区块链技术是利用加密等技术验证并存储数据，利用分布式共识算法增加和更新数据，利用智能合约，保证业务逻辑自动强制执行的全新去中心化基础架构与分布计算范式[3]。

1.2 区块链关键技术

区块链是各种技术的组合和融合应用，这些技术组合包括密码学、P2P协议、共识机制、智能合约等。

1.2.1 加密算法

在比特币区块链底层技术中，大量使用了加密算法，有各种哈希树算法、对称和非对称式加密算法，另外还有一些编码算法，如Base58编码、VarInt编码和DER编码等[4]。

1.2.2 P2P协议

互联网是以网站为中心，利用点对点协议可以改变这种方式，实现去中心化，区块链平台一般利用分布式的P2P协议作为网络传输协议，每个节点均拥有路由发现、广播交易、广播区块、发现新节点等功能[5]。

1.2.3 共识算法

共识是网络中所有节点如何记账、验证记账结果及维护等问题达成的一致认识。若要修改某个区块内的交易信息, 就必须将该区块和后面所有区块的信息进行修改。具体技术包括分布式账本的计算和存储、节点间的共识服务、背书验证管理及节点间的网络传输协议，共识服务是区块链的核心组成部分，为区块链的主体功能提供底层支撑。

1.2.4 智能合约

智能合约的实现一般利用脚本技术, 智能合约可视为一段部署在区块链上的去中心化、可共享、可自动运行合约条款的计算机程序或代码, 这段程序将协议双方约定的内容进行数字化编码写入区块中, 约定内容一旦发生, 系统将自动执行智能合约。

2 基于区块链的铁路物流协作平台构建

本文以区块链相关技术，链接客户、铁路货运企业、海运等多式联运企业、物流园区、金融机构、监管机构等，构建基于区块链的铁路物流协作平台，促使供应链中商流、物流、资金流、信息流四流合一[6]，建立互信共赢并且共享的铁路物流联盟链系统。

2.1 基于区块链的铁路物流类型选择

根据不同的应用场景和需求，区块链可分为公有链、联盟链、私有链3类。联盟链和私有链也统称为许可链，公有链称为非许可链[7]。以比特币为代表的公有链是所有节点共享，完全开放，公有链作为基础层服务促进了技术的进步。但公有链交易会导致速度变慢、节点加入门槛低,而纯私有链则过于封闭，节点不具备平等性[6]。以企业以太坊联盟为代表的联盟链，适用范围更广，能在保证交易速度的同时实现网络的去中心化，保证数据的不可更改性。典型的联盟链是R3公司主导开发的40多家全球性金融机构参与的区块链交互平台[8-9]。基于铁路物流的特点，可以选择基于区块链技术的联盟链形式构建信息平台。安全性、效率及实际应用场合的要求，以企业以太坊联盟为代表的联盟链由于具备处理速度快，节点的数量和身份比较明确，安全性方面更有保障等特点，联盟链近年来发展速度很快。

2.2 铁路物流联盟链构建

在铁路物流场景以及铁路货运运输生产过程中，涉及到物流企业、生产企业和监督部门之间运输信息共享、作业高效协同；在多式联运和国际联运方面，需要融合区块链技术打通公路、铁路、货运代理商、海运承运商、港口和海关之间的信息壁垒，实现铁水联运、铁公联运以及国际联运等信息共享传递。基于铁路物流涉及企业、相关单位的数量和身份基本比较明确，对数据安全保障方面的要求比较高，可以构建铁路物流联盟链的形式，如图1所示。

图1 铁路物流联盟链示意图

2.3 铁路物流联盟链各方主体

2.3.1 全程物流各方

全程物流是一种新型的物流模式。铁路物流关联了生产企业、物流企业、运输企业、金融机构和监督部门等，通过铁路物流联盟链，可以及时有效地为客户提供从信息到运输、从物流仓储到后市场服务的一站式全方位供应链综合服务，通过区块链技术高效安全的实现商品从需求提报、装卸、运输、到站卸车、仓储和接取送达等全流程透明化。

2.3.2 多式联运各方

在多式联运方面，涉及到公路、铁路、港口和海关等各方，传统方式，一般是由一个核心企业构建一个共享平台，或者各个企业建立自己的平台，各个企业之间开发相应的接口进行对接，系统的安全性和数据的可靠性比较依赖于核心企业。通过建立铁路区块链联盟，各方是数据维护的参与方，多式联运各方主体共同维护分布式的账本，可以解决信息不对称、防止信息被篡改，建立一个互相高度信任的社会物流环境。

2.3.3 境外铁路

在中欧班列方面，利用传统数据交换的方式要实现公路、铁路、货运代理商、海运承运商、港口和海关之间的信息共享存在各种信息壁垒，通过铁路物流联盟链，利用区块链技术实现各方之间的信息交互与共享，打通国内铁路运输追踪信息与境外铁路运输追踪信息的壁垒。

2.3.4 金融机构

在铁路运输过程中，会产生许多依附供应链的金融需求，例如数字仓单质押融资、供应链金融等。通过铁路物流联盟链，铁路运输过程中积累的大量的企业和物流信息都可以上链，解决物流过程相关企业与金融机构之间信息不对称问题、征信方面的问题，便于铁路物流征信数据查询和实时共享。

2.3.5 监管机构

通过铁路物流联盟链，监管机构能够利用智能合约等相关技术，把监管条例和办法等直接写入区块链，不同于传统的政府单位监管的模式，而是转化为各参与方共同监管的方式。

3 基于区块链铁路物流应用场景分析

3.1 货运流程优化

铁路货运票据电子化工程通过数据串联的方式整合货运运输作业各个系统，实现到达流程卡控、数据共享。在这个过程中，涉及铁路货运的实物流、信息流、资金流，还包括铁路运输过程中装卸作业、货物检查、安全保障、到货卸车、仓储服务、接取送达等各个环节，关联发货方、铁路货运相关部门、收货方等。适合构建按照作业环节顺序将数据区块组合成的链式结构，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[10]，如图2所示。

图2 铁路货运全流程区块链化

3.2 多式联运

多式联运企业作为数据的使用方和提供方，在数据进行共享和交换时，通常会担心数据资产泄露等问题。而区块链技术可以通过搭建联盟链的形式，数据提供方对数据需求方进行授权，在本地进行数据的采集和加工，通过标准SDK+API给每一个联盟链的节点进行提供，可以实现资产上链、建立信用主体、进行数据确权，安全保障等功能。通过制定多式联运数据交换标准，以集装箱为载体，联结多种运输方式，整合包括箱源、货源、车源、仓储资源、运力资源等资源在内的多种运输资源，加强协同合作，可以重塑供应链、产业链、价值链，推进物流信息共享，促进各种运输方式有效衔接，降低物流成本。

3.3 全程物流追踪

跨境供应链包括货运公司、海运承运商、货运代理商、港口和海关等，利用区块链技术可以实现各方之间信息的透明性，并且可以降低贸易成本和复杂性，减少欺诈，缩短产品的运输时间，降低综合物流成本。

货物在货主、承运单位、收货方、货运代理商和海关之间的物流信息传输，通过物联网和区块链账本技术实现商品从需求提报、装卸、运输、到站卸车、仓储、接取送达等全流程透明化。区块链技术可以保证存储数据的真实性，物联网技术则可保证数据收集过程的真实可靠，促进跨境全程物流追踪服务的实现。

3.4 铁路物流征信和金融

利用区块链技术实现信息资源背书，减少欺诈和错误，研究区块链与物流征信融合解决方案，实现物流征信信息、可信数据交易、数字仓单质押融资和供应链金融等延伸服务。

分析铁路货运在支付、金融服务等方面的现状及痛点，分析铁路95306网站重构后，开展第四方物流在支付、结算、金融等方面的需求，进一步挖掘铁路货运资源经营能力、可开展的金融服务、为铁路物流支付、结算、金融服务应用场景提供统一的解决方案。

3.5 铁路货运安全保障

近年来，物联网的发展迅速，特别是物联网技术在货运安全监控、安全保障方面起了非常大的作用。云计算、大数据和AI相当于人的大脑，是物联网的神经中枢，物联网和区块链相当于人的感觉器官和执行器官[11]。另外，物联网的核心和基础是互联网，而互联网上的网络攻击、数据泄露和网络窥探等网络安全问题很难保证，利用区块链技术，可以用账本的形式保留物联网设备历史记录，并且可以保证真实性，区块链技术可以为物联网中人与机、机与机的交互提供可信度高的平台和安全的共享账本[12]；通过物联网技术，可以获取商品在物流过程中的各项数据，并保障数据收集的真实性，而融合区块链技术能同时保证这些数据存放的可靠性。

同时，利用区块链与物联网技术，可以促进物流安全相关数据局安全传递，加强货运检查，危险品货物的监控，实现安全、预警、危险品、安全检查、安全风险隐患、事故处理、环保监控等信息的实时上链，实现安全、监管信息的不可篡改和可追溯，通过对货物运输的每一个关键节点进行监控，从而实现货物运输全程安全监管可控。

4 结束语

本文研究了与区块链相关关键技术，结合铁路货运信息系统的现状，研究了基于区块链的铁路物流协作平台的构建，融合铁路物流与区块链技术，提出并分析了区块链在货运流程优化、多式联运、全程物流追踪、物流征信、金融，以及铁路货运安全保障方面的应用场景。而区块链联盟链构建涉及到多方主体，如何协同物流供应链上下游企业去信任一个去中心化的平台并进行协作，如何让各方进行最大限度的信息资源共享与协作，这些都将是区块链技术在真正落地实施时会遇到的问题。后续将对区块链的关键技术与多式联运数据交换应用平台进行深入研究。