區塊鏈技術及其在鐵路行業的典型應用研究

李 平，張曉棟，郭 悅，謝 鵬

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司，北京 100081；2.中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081）

當前，新一輪科技革命和產業變革席卷全球，大數據、云計算、物聯網、人工智能、區塊鏈等技術不斷涌現和快速滲透，數字經濟正深刻地改變著人類的生產和生活方式。區塊鏈作為一項顛覆性技術正在推動全球從“信息互聯網”向“價值互聯網”變遷。區塊鏈應用有望為實體經濟“降成本”“提效率”，助推傳統產業高質量發展，加快產業轉型升級。

鐵路運輸作為我國國民經濟的大動脈和大眾化交通運輸工具，歷經多年信息化建設，取得了顯著成效，建立了一體化信息集成平臺和覆蓋客貨服務、經營管理、調度指揮、安全監控等領域的多個業務信息系統，并基于海量數據資產，開展了大數據和人工智能技術的創新應用，為開展區塊鏈技術應用積累了充分的技術基礎。與此同時，我國鐵路也面臨著新形勢下降本增效等方面的挑戰。鐵路系統規模龐大、業務鏈條長、涉及領域眾多，利用區塊鏈技術可以降低監督和管理成本[1]，有利于降低鐵路乃至全社會的客貨運輸總體成本，推進新時期鐵路高質量發展。

本文詳細介紹區塊鏈技術的定義、特征與關鍵技術，分析區塊鏈技術的國內外應用現狀，提出在鐵路大數據共享、“一帶一路”鐵路貨運物流等典型場景的區塊鏈技術應用方案，并且給出了鐵路區塊鏈技術應用的相關建議。

1 區塊鏈技術的定義、特征與關鍵技術

1.1 區塊鏈定義與分類

區塊鏈（Blockchain）技術起源于2008年由化名為“中本聰”（Satoshi Nakamoto）的學者的奠基性論文《Bitcoin: A peer-to-peer electronic cash system》[2]。區塊鏈的定義可以從狹義和廣義兩個方面進行闡述。

狹義的區塊鏈是一種按照時間順序將數據區塊以順序相連的方式組合成的鏈式數據結構，以密碼學方式保證數據不可篡改、不可偽造，具有去中心化特征。廣義的區塊鏈是利用加密技術來驗證與存儲數據，利用分布式共識算法來新增和更新數據，利用運行在區塊鏈上的代碼，即智能合約，來保證業務邏輯自動強制執行的全新的多中心化基礎架構與分布式計算范式。

區塊鏈根據網絡中心化程度可劃分為3種基本類型。

（1）公有鏈。無官方組織及管理機構，無中心服務器，呈現完全的去中心化特性。參與節點按照系統規則自由接入網絡、不受控制，節點間基于共識機制開展工作。

（2）私有鏈。某個企業內部建立，系統運作規則需根據企業要求進行設定，修改、讀取等權限僅限于少數節點，保留部分去中心化特性。

（3）聯盟鏈。若干機構聯合發起，介于公有鏈和私有鏈之間，兼具部分去中心化特性。

1.2 區塊鏈關鍵技術

從技術角度來講，區塊鏈并不是一個全新的技術，而是集成了多種現有技術進行的組合式創新，涉及到以下幾個方面。

（1）分布式賬本。交易記賬由分布在不同地方的多個節點共同完成，而且每一個節點記錄的是完整的賬目。

（2）智能合約。智能合約可視為一段部署在區塊鏈上的去中心化、可信息共享、可自動運行合約條款的計算機程序，將協議雙方約定的內容進行數字化編碼并寫入區塊中；約定內容一旦發生，系統將自動執行智能合約。

（3）多通道技術。系統可以創建多條通道，某個節點可以加入到不同的通道中，在每個通道中有自身的創世區塊和實例化智能合約。

（4）認證技術。主要完成對成員的注冊、登記、證書申請、授權等方面的管理工作，節點成員只有獲得證書才能加入到區塊鏈網絡中。

（5）共識機制。區塊鏈系統呈現去中心化，采用共識機制使網絡中所有節點采用同一規則驗證與維護記賬結果。

1.3 區塊鏈主要特性

區塊鏈通過上述關鍵技術建立強大的價值傳輸網絡，使其具備開放/共識、去中心/去信任、交易透明/雙方匿名、不可篡改/可追溯等主要特性，為實現傳統產業價值在數字世界的流轉提供重要支撐[3]。

（1）開放與共識。區塊鏈網絡允許任何人參與其中，每臺設備都可作為一個節點，并獲得一份完整的數據庫拷貝。共識機制是節點間的可靠保障，通過競爭計算共同維護整個區塊鏈。鏈中任意節點失效，其余節點仍可正常工作。

（2）去中心與去信任。在區塊鏈系統中，眾多節點共同組成一個端到端的網絡，不存在中心化的設備和管理機構。節點之間數據交換通過數字簽名技術進行驗證，無需互相信任，也不需要第三方仲裁，只需按照系統既定的規則進行，任何節點之間的權利和義務對等，節點之間不能也無法產生欺騙行為。

（3）交易透明與雙方匿名。區塊鏈中所有數據都對內部節點公開，整個系統內部的運行規則和數據信息高度透明，每筆交易對所有節點完全開放[4]。節點與節點之間是去信任的，因此節點之間無需公開身份，每個參與節點都是匿名的。雖然整個鏈上的信息公開，但是賬戶信息被嚴格保護起來，可有效保護鏈上用戶隱私[4]。

（4）不可篡改與可追溯。區塊鏈中的單個節點甚至多個節點對數據庫的修改無法影響其他節點的數據庫，除非能控制整個網絡中超過50%的節點同時修改。區塊鏈中的每一筆交易都會被蓋上時間戳，在確認無誤后寫入區塊，并通過密碼學方法與相鄰兩個區塊串聯，確報任何一筆交易的可追溯性。

1.4 區塊鏈交易過程

區塊鏈交易過程一般分為6個環節，如圖1所示。

（1）交易啟動。交易者創建交易，并將交易過程進行記錄，包括交易日期、時間、當事人、金額等信息。

（2）交易發布。按照次序將本次交易記錄加入到網絡的區塊中，制成交易單并提交，網絡中每個節點擁有賬本的完整副本。

（3）交易傳播。區塊被廣播至全網，每個節點會將數筆未驗證的交易Hash值收集到區塊中。

圖1 區塊鏈交易過程

（4）交易驗證。對交易進行網絡核實、驗證和批準，商定的共識被記錄，并作為信任機制的基礎。

（5）區塊接鏈。已確認的區塊以線性和時間的順序入鏈，并提供透明的交易記錄等信息以生成可靠的、不可篡改的交易記錄。

（6）交易完成。區塊鏈中一個完成的區塊將位于另一個區塊之后。

1.5 區塊鏈技術發展趨勢

區塊鏈1.0、2.0、3.0概念是由Melanie Swan的《區塊鏈新經濟的藍圖》[5]一書提出。區塊鏈1.0是以比特幣為代表的數字貨幣，于2008年實現了可編程貨幣，主要場景包括支付、流通等貨幣職能。區塊鏈2.0是以太坊為代表的數字貨幣與智能合約相結合，于2014年實現了可編程金融。區塊鏈3.0是以EOS公有鏈和Hyperledger Fabric聯盟鏈為代表的共識協議，是對區塊鏈2.0的優化，解決了性能與能耗問題，于2017年從金融延伸到其他領域。

2018年，Barton Chao發起InterValue項目，代表區塊鏈4.0時代的到來。區塊鏈4.0與行業應用結合更緊密，注重應用落地，各種不同的數字資產可以安全、無障礙地跨鏈互聯，成為真正的價值互聯網。

2 區塊鏈技術應用現狀分析

2.1 國外應用現狀

國外對區塊鏈技術多數呈現積極態度，但產業發展階段各不相同。如圖2所示，澳大利亞、韓國、德國、荷蘭、塞浦路斯、阿聯酋、馬耳他等國積極發展區塊鏈產業，在國家層面制定了總體發展戰略；美國、中國、韓國、英國、澳大利亞及歐盟重視區塊鏈技術研究與應用探索；同時，中國、澳大利亞、法國、瑞士、芬蘭等國已陸續制定了區塊鏈監管方面的法律法規[6]。

在應用落地方面，區塊鏈源于加密數字貨幣，正在向多領域延伸。許多國家針對區塊鏈技術開展了大量實踐[7]：美國、愛沙尼亞、迪拜等國積極采用區塊鏈技術推進政府數字化轉型；德國、日本、澳大利亞等國利用區塊鏈技術對經濟金融開展降本提效的探索；瑞士、美國使用區塊鏈技術推動財產登記與交易分配；新加坡、瑞士等國將區塊鏈技術用于貿易物流領域，為客戶提供便捷的交付范式；英國、美國等利用區塊鏈技術從事社會民生事業，實現公共資金的效益最大化。

圖2 部分國家區塊鏈總體發展戰略

在鐵路領域，一些國家也正在積極探索區塊鏈技術應用。德國鐵路（DB）與區塊鏈整合平臺（Unibright）合作，研發了基于區塊鏈的標記化生態系統，可以連接旅客全行程的不同區域，對行程的每個部分（包括里程、服務、餐飲、酒店預訂、本地交通等）進行標記化，旨在通過區塊鏈技術應用降低運營成本，實現與旅游業的其他公司互動。俄羅斯鐵路運輸公司（RZD）正在推出利用區塊鏈技術的加密貨幣售票系統，以及基于區塊鏈的鐵路貨運數字交易平臺。2017年8月，美國的伯靈頓北方圣太菲鐵路運輸公司（BNSF）、聯合包裹速遞服務公司（UPS）、聯邦快遞（FedEx）以及施奈德物流公司等200多家知名貨運、物流企業加盟區塊鏈貨運聯盟（BITA Alliance），組成世界上最大的區塊鏈商業聯盟。此外，瑞士、荷蘭、加拿大等國的鐵路公司也在鐵路運輸行業開始引入區塊鏈和加密貨幣。

2.2 區塊鏈國內政策發展趨勢

我國區塊鏈產業相關政策發展趨勢，如圖3所示。自2016年以來，國家相繼出臺了多項關于區塊鏈發展的政策，尤其是《“十三五”國家信息化規劃》中，把區塊鏈作為一項重點前沿技術[8]。同時，上海、廣州、深圳、重慶、浙江、江蘇、貴州和山東等多地發布政策指導信息。

圖3 中國區塊鏈產業相關政策發展趨勢

2.3 區塊鏈國內產業應用現狀

截至2019年3月，我國區塊鏈企業數量達到499家，僅次于美國的553家，主要集中在北京、上海、廣東、浙江等地區。目前，區塊鏈技術的產業應用場景不斷拓展，在金融服務、供應鏈協同、知識產權、社會民生等方面積極探索，助力商流、信息流、資金流的“三流合一”。

2.3.1 區塊鏈與金融服務

區塊鏈在金融服務的應用主要體現在交易支付、資產數字化、智能證券、客戶識別和清算結算上。

交易支付通過區塊鏈技術降低金融機構間的對賬成本，顯著提高支付業務的處理速度及效率，在跨境支付領域實現點到點交易，減少中間費用。資產數字化通過區塊鏈對股權、債券等進行整合，轉化為鏈上數字資產，資產所有者無需通過各種中介機構即可發起交易。智能證券通過區塊鏈技術充分地表達如固定收益證券、回購協議等交易合約的業務邏輯，進而實現合約的自動執行。客戶識別利用區塊鏈技術降低客戶識別時耗，提高消費者身份驗證效率。清算和結算通過基于區塊鏈技術的法定數字貨幣與數字資產點對點對接，顯著降低價值轉移的成本，縮短清算、結算時間。

2.3.2 區塊鏈與供應鏈管理

供應鏈是由供應商、制造商、倉庫、配送中心和渠道商等構成的物流網絡，與區塊鏈網絡在結構上存在一定的相似性。區塊鏈的不可篡改、可追溯、透明性、匿名性等特征在物流快遞和溯源防偽上具重要價值。

物流快遞涉及交付雙方，利用區塊鏈技術加密雙方私鑰簽名，能夠杜絕快遞員通過偽造簽名來逃避考核的行為和防止貨物的冒領誤領，并在快遞單據上隱藏收件人實名制信息。在溯源防偽方面，區塊鏈可利用時間戳追溯交易行為，有效解決食品、藝術品、收藏品等假冒偽劣問題。

2.3.3 區塊鏈與知識產權

互聯網使內容型知識產權得以免費分享，但也帶來了嚴重的侵權盜版現象，特別是缺少話語權和主導權的原創作者，創作積極性倍受打擊。區塊鏈技術能夠有效解決知識產權保護效率低、收費高、維權難的問題。

在電子音像版權方面，作品的所有交易都會被區塊鏈節點實時記錄，實現全生命周期可追溯、可追蹤，確保所有權人直接在作品的銷售中獲益。在文化眾籌方面，消費者能夠廣泛參與知識產權創作、生產、傳播和消費的全流程，添加信任的確權節點，解決交易不透明、內容不公開等問題。

2.3.4 區塊鏈與社會民生

區塊鏈在社會民生方面也起到了積極的作用。在公益基金監管與跟蹤方面，區塊鏈技術對必要的隱私信息進行保護，捐贈人可清晰監控捐款去向。在教育就業方面，利用分布式賬本記錄學生信息，方便追蹤學生在校園時期所有正面以及負面的行為記錄，促進信用生態的構建。

2.4 應用中存在的普遍問題

區塊鏈技術日臻成熟，但存在的問題依然突出，主要有以下幾個方面：

（1）區塊鏈使金融機構或者企業可能面臨復雜的法律和合規問題；

（2）當前分布式賬本技術仍不成熟，尚待更多行業應用證明；

（3）區塊鏈技術路線多，不同類型的區塊鏈易形成信息孤鏈；

（4）去中心化對現有格局變化較大，相關領域缺乏主動變革的內在動力；

（5）開源區塊鏈基本技術維護可持續性較差；（6）存在一定的濫用和泛用現象。

3 鐵路領域區塊鏈技術應用方向

隨著區塊鏈技術研究的不斷深入，各行業積極開展基于區塊鏈技術的轉型升級。鐵路行業涉及領域多、數據交換關系復雜、信息安全要求高，可結合分布式聯盟鏈確保數據的安全和不可篡改；同時，鐵路系統的區塊鏈不需要數字貨幣的激勵來保證礦工投入到區塊鏈的維護與增長工作[4]，規避了區塊鏈技術的被投機風險。結合區塊鏈技術特點，探索鐵路領域的區塊鏈技術應用場景與方向，本文主要介紹鐵路大數據共享和“一帶一路”鐵路貨運物流2個方面。

3.1 區塊鏈在鐵路大數據共享中的應用

3.1.1 鐵路數據共享與交換面臨的難題

2018年，中國國家鐵路集團有限公司數據中心建成，承載全路集中應用系統的部署及數據資源存儲；配套建設鐵路數據服務平臺，面向全路提供數據匯集與管理服務。數據軟硬件設施構建完成后，通過數據共享和數據交換等形式應用數據資產、挖掘數據價值是當前鐵路面臨的主要問題，應用過程中出現2個關鍵難題。

（1）數據真實性缺乏保障。數據真實性風險出現在數據生成和數據流轉2個階段，即生成階段數據內容本身的偽造風險和流轉過程數據內容的被篡改風險。

（2）數據資產無授權流轉。數據作為一種非實體資產，具有可復制性，也存在被盜取的可能性。同時，數據的產生和支配并不一定是同步的，可能在產生之初便被數據收集人支配。數據資產的無授權流轉現象較為普遍，使得數據確權實現起來相當困難。

3.1.2 基于區塊鏈的鐵路數據共享可信平臺

從鐵路數據共享與交換面臨的難題出發，構建基于區塊鏈的鐵路數據共享可信平臺，如圖4所示。以數據為資產對象，結合區塊鏈的不可篡改和可追溯特征，從“大一統的數據匯集”模式逐步轉變為“多模態數據匯集”。結合現有鐵路數據服務平臺具備的數據治理與數據融合功能，將“獲取原始數據”為主的累積性大數據建設模式向“獲取分析結果”為主的應用型大數據建設模式轉變。

圖4 基于區塊鏈的鐵路數據共享可信平臺

基于區塊鏈的鐵路數據共享可信平臺在鐵路數據聯盟鏈技術的基礎上，精準連接數據使用方、數據提供方、建模服務方、監管方等，實現身份數據、數據目錄、數據授權、共享數據的鏈上操作。通過數據服務平臺在源頭保證鐵路數據確權和真實性，利用數據授權與權限控制嚴格監控數據流轉過程。與傳統數據共享方式相比，基于區塊鏈的鐵路數據共享可信平臺支持加密密文數據交換和共享模式，提供基于數據目錄、數據授權的共享，也支持基于數據模型、數據計算的數據共享。

3.2 區塊鏈在“一帶一路”鐵路貨運物流中的應用

隨著“一帶一路”建設的不斷推進而壯大，中歐班列是目前我國與“一帶一路”沿線國家聯系最為緊密的路徑，也是共建“一帶一路”倡議扎實落地、成熟的典范。截至2019年10月底，中歐班列累計開行數量已近2萬列，通過鐵路連接俄羅斯、波蘭、德國、西班牙、比利時、奧地利、伊朗等多個國家。國內貨運組織改革的持續深入，鐵路貨運內部開展貨運市場營銷，圍繞全品類物流、全流程服務、全方位經營、全過程管理，加快推進鐵路現代物流發展[9]，向“一帶一路”沿線國家提供更加豐富多元、高效快捷的運輸服務。

3.2.1 “一帶一路”鐵路貨運物流面臨的難題

“一帶一路”鐵路貨運物流當前面臨4大難題。

（1）去中心化的多運輸主體間信任程度低。“一帶一路”涉及跨境貿易、項目管理和物流交通等方面，業務關系均建立在多方數據互通基礎上，雖然在政治、經濟、文化等層面沿線國家努力達到相互理解，但仍存在一定的信任缺失，具體體現在對本國運輸物流數據資產的嚴格保護等方面[10]。

（2）運輸物流專業化水平參差不齊。“一帶一路”沿線國家經濟水平差異較大，運輸物流專業化水平參差不齊，在實現一體化、信息化聯合運輸方面存在困難。

（3）通關規則程序復雜。“一帶一路”沿線國家自然資源、人文稟賦等差異巨大，產品標準、通關準則各有不同，易出現管理分散、服務滯后、檢驗檢疫程序繁瑣等物流效率低下的現象。

（4）物流跨境結算繁瑣。傳統的商業物流跨境結算形式主要是銀行間的國際結算，如電匯、信匯、票匯等，易產生靈活性差、結算速度慢、交易成本高等問題。“一帶一路”沿線國家貿易往來增多、鐵路運輸需求強烈，對物流跨境結算提出安全便捷、簡單快捷等新要求。

3.2.2 “一帶一路”鐵路貨運物流區塊鏈

區塊鏈與鐵路貨運深度融合，形成“一帶一路”鐵路貨運物流區塊鏈，能夠提高傳統貨運物流運行效率，提高信息透明度，解決上述關鍵難題，如圖5所示。

圖5 “一帶一路”鐵路貨運物流區塊鏈

圖5中，商流為商貿、運輸、聯運、發票等票據合同信息；信息流為貨源、需求、生產運輸計劃等信息；物流為運行軌跡、倉單、庫存等信息；資金流為融資、支付、清算、結算、信用等信息。

“一帶一路”鐵路貨運物流區塊鏈采用分布式共享賬本，增強可信度，減少數據協同復雜性；采用高效智能合約自動完成跨境、跨機構的合約與交易結算；采用認證與共識機制，保證流轉數據可信、物理世界與數字世界保持一致，進而實現跨國電子合同共信認證、跨國物流信息上鏈追蹤、智能合約清算標準一致、可信票據流轉清晰可見、跨國共享賬本安全防篡改、多方數據隱私安全保障。

4 鐵路區塊鏈技術應用的相關建議

當前，區塊鏈技術的應用正在從金融領域向其他領域拓展，多個行業都處在探索階段。鐵路運輸本質上就是人流、貨流、車流、信息流、資金流等多流合一的運輸組織方式，迫切需要應用區塊鏈技術實現鐵路運輸全過程的可信任、可追溯及合約智能化。結合其他領域及行業區塊鏈研究與應用情況，鐵路行業區塊鏈技術應用建議圍繞以下4個方面開展研究。

（1）調研分析區塊鏈的應用場景和典型案例，開展鐵路區塊鏈總體規劃和頂層設計，研究形成技術路線圖；

（2）構建區塊鏈在鐵路應用的技術框架，研究建立鐵路區塊鏈的標準體系，制定相關技術標準和實施標準；

（3）調研分析國內外區塊鏈技術現狀，研究典型應用場景的總體技術方案，開展關鍵技術研究與可行性論證；

（4）加快建立鐵路行業區塊鏈服務平臺，引導區塊鏈技術與鐵路業務深度融合。

5 結束語

區塊鏈技術與鐵路行業各領域結合，能夠解決鐵路大數據共享和“一帶一路”鐵路貨運物流中普遍存在的難題。文中介紹的方案還需要進行系統論證，進一步縮小與工程實踐的距離。同時，也要注意技術發展過程中的適用性問題，及時對技術發展方向進行把控，引導區塊鏈在鐵路行業的健康發展。