区块链在城市轨道交通中的应用场景

2021-07-21赵红礼李莉莉

现代城市轨道交通 2021年7期

赵红礼，李莉莉

（1. 北京交通大学轨道交通运行控制系统国家工程研究中心，北京 100044；2. 大唐移动通信设备有限公司，北京 100083）

城市轨道交通已成为公共交通的命脉，是最具可持续性的交通运输模式，是国家关键基础设施和重要基础产业。截至2020年9月30日，中国内地累计有41个城市开通城市轨道交通，运营线路达7 140 km。近年来，随着计算机计算和存储能力的快速提升，大数据和人工智能（AI）发挥着越来越重要的作用，为各行各业带来了新的活力[1-2]，城市轨道交通也将进入智慧化时代。目前，京沪穗等城市的智慧车站建设已经开始，并即将在城市轨道交通行业进行信息化和智慧城轨建设。《中国城市轨道交通智慧城轨发展纲要》指出，我国智慧城轨建设要应用云计算、大数据、区块链、AI、5G等新兴信息技术，全面感知、深度互联和智能融合乘客、设施、设备、环境等实体信息[3]，其中区块链作为新兴信息技术的一种，将在城市轨道交通智能和智慧建设中发挥重要作用，可以实现城市轨道交通的信息管理并提升其安全性，从而提高我国城市轨道交通管理的效率和质量。

1 区块链技术及特征

区块链起源于比特币，在比特币形成过程中，区块是一个一个的存储单元，记录了一定时间内各个区块节点全部的交流信息。各个区块之间通过随机散列(也称哈希算法)实现链接，后一个区块包含前一个区块的哈希值，随着信息交流的扩大，一个区块与另一个区块相继接续，形成的结果称为区块链。区块链的本质是点对点的分布式账本技术[4]，它可以把用户操作的历史记录永久地记录在区块链上。区块链技术集数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术于一身，其中每一个节点都维护着一个区块链的副本，并且通过共识算法实现分类账本的一致性[5]。区块链具有共享性、数据不可篡改和透明公开等特点，可以保证用户的数据隐私安全。另外，区块链允许不受信任的参与者以安全的方式相互通信并发送状态更新消息，而无需完全信任的第三方或授权的中央节点[6]。

区块链的发展经历了以下3个阶段：①区块链1.0是以比特币为代表的虚拟货币时代，是虚拟货币交易的公共账簿；②区块链2.0为去中心化数据库，采用智能合约与货币相结合，广泛应用于金融领域；③区块链3.0使区块链的应用场景推进到金融行业之外的各行各业中。

区块链技术可以有效解决传统集中式信息共享平台面临的诸多问题，其发展更具实用性，并赋能各行业，可提高整体系统的工作效率[7]。区块链技术的主要特征如下。

（1）去中心化。区块链本质是一个去中心化的分布式账本数据库，每个节点都有记账权，且任意节点的权利和义务都是均等的。系统中的数据块由整个系统中具有维护功能的节点共同维护。

（2）匿名性。区块链算法的实现是通过地址寻址的方式，而不是以个人身份，交易者不用通过公开身份的方式让对方产生信任。

（3）开放性。区块链中的共有链是开放的，任何人只要是其中的一个节点都可以读写其中的信息，并能够开发相关应用。整个系统的信息是高度透明的。

（4）不可篡改性。区块链中每一个区块都是由区块头和区块主体构成的。区块头的组成如图1所示。区块主体是一棵默克尔树，将树上节点（交易）的哈希值两两哈希后得到新的哈希值（新的节点），重复直至生成最后的哈希值就是默克尔根，如图2所示。因此，如果一个节点发生变化，则要修改一整条哈希路径直至最后的默克尔根。另外，如果某一个区块被修改，后续区块中“前一区块的哈希值”也会变化，这样经过区块链的传导，修改区块之后的所有区块都要修改。篡改区块链中的交易需要同时控制系统中超过51%的节点，否则单个节点上对数据库的修改是无效的。由此可见，区块链数据的稳定性和可靠性都非常高。

图1 区块头组成

图2 区块主体产生默克尔根

（5）可追溯性。图1中，区块链后一区块头中包含前一区块的哈希值，这样依次链接形成完整的区块链。每个区块都有哈希值唯一标识，这样便于数据查询，并可以追踪区块链中的数据变化。

区块链的去中心化结构可以在保障数据安全的同时实现数据共享，避免单点故障和数据孤岛，因此Wood提出将区块链应用到加密货币之外的领域[8]。例如，Dubovitskaya等人提出基于区块链的电子医疗数据管理和共享系统，并考虑了系统中的安全和隐私保护机制[4]。Zhang等人利用区块链技术建立了相互信任的数据共享系统，将其用于AI驱动的网络运营，从而打破了各运营商间的数据壁垒；并利用区块链将访问控制和监控结合起来，为数据共享创造了一个安全的环境[9]。区块链技术的应用已从金融领域延伸到物联网、智能制造、供应链管理、数字资产交易等多个领域[10]，在新的技术革命和产业变革中将起到重要作用。

2 城市轨道交通区块链应用场景

随着现代信息与通信技术的快速发展，大数据、云计算、宽带无线通信等已被广泛应用于现代城市轨道交通中。传统的数据存储采用的是中心化架构，一旦数据中心遭到破坏，整个信息系统将陷入瘫痪，严重威胁城市轨道交通运营安全。随着数据量的爆炸式增长，传统数据存储方式已不能满足城市轨道交通向智能化与智慧化发展的需要。而区块链技术具有的去中心化、开放性、防篡改性等特征，可提升数据共享、存储的安全性，对城市轨道交通智能化与智慧化的实现具有重要意义。

2.1 权限管理

城市轨道交通信息化的发展需要权限管控体系对城市轨道交通物资和数据（特别是与列车运行相关的关键数据）进行权限管理。权限管理使物资和数据的安全性大幅增强、可操作性大幅提高，但传统的集中式权限管理方案在权限分配时容易存在漏洞，从而导致系统关键数据被窃取、篡改等信息安全问题。

基于区块链的城市轨道交通权限管理结构示意如图 3所示。区块链技术被引入城市轨道交通权限管理将深化权限管控方面的实践，它可以针对不同角色、不同场景设置不同的数据权限。由于信息安全性的增强，区块链可避免城市轨道交通物资和数据的权限分配差错，保证特殊权益所有者的权限。例如，城市轨道交通最早引入区块链的电子发票，其利用区块链开放性和不可篡改性的特征保障地铁发票发放的安全性和有效性。

图3 基于区块链的城市轨道交通权限管理结构

2.2 施工管理

城市轨道交通工程建设具有技术复杂、参与单位多、涉及面广、工期长等特点。传统施工管理由于采用的中心数据库方式在数据共享方面难度大，不同建设方之间数据库不共享且安全性差，因此在施工过程中，业主无法精准跟踪且存在许多问题，如违约转包、资金挪用、安全质量隐患等，从而严重影响项目的质量、进度等。

区块链技术在共享数据的同时增强了信息的安全性。该技术将带来城市轨道交通工程项目管理的变革，可以共享不同建设方、不同部门、不同层级的数据，共享工程项目中的文件资料、设备和材料信息、人员信息，实现不同部门、不同项目的数据可信共享，从而提高各方的协同效率并实现项目全过程透明管理，有效控制项目的成本和质量。

2.3 数据共享管理

城市轨道交通运营中每天都会产生大量的数据，如列车运行数据、客流量数据等，这些数据分散存储在各自不同的部门，各部门分别采用数据保护措施并制定复杂的数据访问策略，因数据隐私而产生的壁垒导致难以实现数据交流共享[11]。城市轨道交通中传统的数据共享是建立一个集中的信息存储交流平台，将各部门的信息进行整合存储。出于对数据隐私保护的需要，系统为所有的用户提供匿名保护和数据加密，这成倍地增加了共享成本和难度，制约了城市轨道交通信息化的发展。

区块链具有开放性、匿名性和不可篡改性的特征使其适用于城市轨道交通领域的数据共享管理，并提高了数据管理的效率和质量。基于区块链的城市轨道交通数据共享结构如图4所示，它可以实现列车行驶数据共享、客流量共享、主机及通信系统运行日志共享等场景。区块链分布式账本具有的特性可增强城市轨道交通数据共享中的安全性和隐私性。

图4 基于区块链的城市轨道交通数据共享结构

2.4 密钥管理

密钥管理维持系统中各实体之间的密钥关系，以抗击各种可能的威胁。目前，城市轨道交通基于通信的列车控制（CBTC）中采用无线局域网（WLAN）或地铁长期演进（LTE-M）无线通信技术传输控制信息[12]。其中无线通信是CBTC系统最大的信息安全弱点，且为实现城市轨道交通互联互通，LTE-M系统也需要互联互通，这更增加了信息泄露的隐患。为保证CBTC系统信息安全，车地无线通信必须进行加密和认证。目前CBTC系统无线通信均采用集中式密钥管理，存在单点故障与安全性差的问题。

区块链技术的分布式特征使其适合用于CBTC系统实现分布式密钥管理，这样在提高CBTC系统信息安全的同时能够克服集中式密钥管理的单点故障问题，从而提高系统的可靠性。另外，乘客信息系统（PIS）采用的车地无线通信也可用区块链进行密钥管理。

2.5 分布式智能场景

城市轨道交通正朝着安全、绿色、高效、智能方向发展，AI与城市轨道交通融合将构建新的服务模式和管理体系，提供更智能便捷的乘车体验、多元化的服务、可靠和精细的控制与调度。但城市轨道交通传统管理中各部门、各专业采用各自独立的数据库，它们之间的数据壁垒可能导致的记录数据缺失和数据错误将成为城市轨道交通AI发展的瓶颈。将区块链的分布式特性应用到AI数据中会驱动城市轨道交通的机器模型训练过程，能够有效提高其学习效率、安全性和鲁棒性，并在降低成本的同时充分保障城市轨道交通的安全。