區塊鏈技術在鐵路貨運中的應用

馬春琦，任 爽

（北京交通大學 計算機與信息技術學院，北京 100044）

我國鐵路貨運規模龐大，2019年，中歐班列全年開行8 225列，同比增長29%，發送貨物72.5萬標箱，同比增長34%[1]。在“公轉鐵”、“一帶一路”的大背景下，鐵路貨運加快多樣化轉型，提升服務質量，但仍存在數字業務效率低、貨蹤不透明、物流企業融資困難、缺乏信息服務等問題。

區塊鏈技術具有去中心化、開放、可追溯、不可篡改等特點，能夠加強多系統間的數據融合，促進協作。在鐵路貨運領域，李平等人分析區塊鏈技術國內外應用情況，提出了鐵路大數據共享、“一帶一路”鐵路貨運物流等場景[2]。本文討論了鐵路貨運中區塊鏈應用的關鍵技術和主要應用場景，以供參考。

1 區塊鏈技術概述

區塊鏈可以看作一種不可篡改的分布式數據庫。利用分布式技術，區塊鏈網絡中的每個成員存儲著一致的賬本，賬本的信息打包儲存在數據區塊中。如圖1所示，區塊和區塊間以時間為序，組成鏈式結構，利用密碼學技術首尾連接在一起，每個區塊中包含的信息可以是事件的細節、價值交易、自動化操作或其他信息。

圖1 區塊鏈邏輯結構

區塊鏈適合于內在分散、孤立的行業。鐵路貨運涉及多方密切協作，是區塊鏈典型的應用場景。區塊鏈應用在貨運領域的探索可以追溯至2015年前后，目前應用研究較少，主要針對流程優化、物流追蹤、物流金融等方向，具體包括結算對賬、商品溯源、冷鏈運輸、電子發票等領域。

2 鐵路貨運中區塊鏈應用的關鍵技術

2.1 聯盟鏈網絡

按照網絡部署方式的不同，區塊鏈可以分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈。公有鏈是完全去中心化的結構，通常用于開放的共享記賬系統；聯盟鏈是部分中心化的分布式結構，由參與聯盟的多個機構形成多中心，通常用于行業間地位相對對等的組織團體共享數據；私有鏈是機構內部形成的中心化結構，通常用于企業內部的控制和審計[3]。3種區塊鏈的對比如表1所示。

表1 3種類型區塊鏈對比

鐵路貨運區塊鏈網絡出于業務和監管的考量，需要一定程度的中心化。因此，鐵路貨運區塊鏈架構設計應選擇架構更為靈活的聯盟鏈，并采取部分私有的方式。比如區塊鏈節點以鐵路貨運公司為主，相關業務方可以選擇加入區塊鏈節點，如圖2（a）所示，或者通過網絡訪問區塊鏈中的節點，如圖2（b）所示。

圖2 區塊鏈網絡組織方式

鐵路貨運區塊鏈網絡建設初期，應該遵循最小業務原則，為一部分簡單的業務建立數據模型和業務邏輯，組建小型的區塊鏈網絡。隨著鐵路公司與不同主體的業務增加，區塊鏈網絡節點可以隨之拓展，若干區塊鏈網絡之間再構成更大范圍的區塊鏈，將不同分區的業務數據匯聚起來，兼容了分散化和中心化。

2.2 跨鏈技術

因為整個區塊鏈網絡是分區的，數據集成時必然面臨兩個問題：信息孤島和區塊鏈異構。異構區塊鏈間數據結構、接口協議的不同會導致交易合法性證明各不相同，加劇信息孤島。跨鏈技術通過連接互相獨立的區塊鏈系統，實現不同鏈上資產和數據的互操作，從而解決孤島問題。

常見的跨鏈技術實現方式包括公證人機制、哈希鎖定和側鏈/中繼技術[4]。公證人機制需要一個或一組節點在兩條鏈間作為公證人，進行雙方交易的收集和驗證，架構簡單，但引入了一定的中心化；哈希鎖定利用了哈希鎖和時間鎖，能夠確保交換的原子性和真實性，但哈希鎖定只能用于交換，且增加了交易次數，目前只適合資產交易場景；側鏈/中繼鏈技術通過雙向錨定的方式實現資產在不同鏈之間的轉移，中繼鏈可以看作去中心的公證人機制，不同的鏈之間都可以在中繼鏈上進行跨鏈交互。

鐵路貨運中不同業務鏈涉及跨鏈通信時，要考慮具體場景的連接方式、信息傳輸渠道、驗證機制和消息反饋機制。如集裝箱公司和供應商之間存在對賬結算鏈，集裝箱公司和金融機構間存在貸款融資鏈，通過中繼鏈互認、互操作即可完成可靠的信息流轉。運輸中涉及多種物聯網設備，硬件模塊的選擇和組合具有多樣性，對區塊鏈平臺的支持能力各不相同，且部署完成后難以更新，而跨鏈技術可較好的滿足物聯網設備在多樣化場景中的需求。

2.3 物聯網終端接入

物聯網終端是鐵路貨運里的重要一環。在區塊鏈中，必須保證數據源頭可信。在貨運過程中，可基于智能設施和物聯網完成數據的自動采集、存儲和傳遞，盡可能排除人為干擾。物聯網的智能識別技術主要包括條形碼/二維碼識別技術、射頻識別技術、GPS技術、信息物理系統（CPS，Cyber-Physical Systems）技術等。

針對如何將物聯網設備與區塊鏈集成，各行業研究者們提出了較多方案[5]：Xie等人設計了基于區塊鏈和傳感器網絡的農產品溯源系統[6]，傳感器網絡收集并上傳GPS、壓力、加速度、溫度、濕度模塊的數據，封裝后儲存進區塊鏈，供應用層訪問；Bocek等人搭建了一個基于區塊鏈的系統架構[7]，監控藥品在運輸過程中的溫度，確保藥品質量，其架構包含前端、后端、物聯網傳感設備，前端用于接收傳感器數據并與后端服務器交換JSON格式的數據。

在鐵路貨運中，物聯網終端與區塊鏈網絡融合可用于車號/箱號識別、運輸狀態監測，可提供準確、可靠的產品信息和物流信息。將其與區塊鏈中可信的數據溯源結合，可以確保貨運信息在收集、傳遞和共享的過程中真實、完整。

2.4 智能合約

智能合約是區塊鏈網絡中承載數據和業務的部分，根據具體的業務，定義數據模型和功能接口，供上層功能調用。存儲在區塊鏈節點的數據，在讀寫時都需要通過節點上的智能合約。創建好的智能合約需要被安裝在區塊鏈節點上，合約每一次改動后都需要被重新部署，并在區塊鏈上留下可溯源的記錄，以此確保鏈上的每一個節點都認同新的合約規則。

鐵路貨運中，智能合約是業務落地的關鍵點，通過智能合約可以靈活地實現設備管理、訪問控制、產品溯源等應用功能。劉昱剛等針對多式聯運電子提單業務提出基于區塊鏈技術的電子提單流轉平臺[8]，將提單作為托運人、多式聯運、海關、商檢、金融機構之間的流轉物，在線完成電子提單的簽發、轉讓、付款、貨物檢查等事件。

3 鐵路貨運中區塊鏈的應用場景

3.1 物流追蹤

終端消費者需要了解鐵路貨運的產品物流信息，從而加強對此次消費的信任；上游供應方由于鐵路運輸時延較長，掌握物流信息能更好地預測市場；承運方掌握詳細的信息更有助于了解運輸中上下游的情況。

區塊鏈與物聯網的組合，對所運輸貨物的物權、數量、質量、狀態等證明文件的真實性、可靠性和有效性意義重大。企業可利用區塊鏈技術，打造鐵路貨運存證平臺，實現對運輸過程中產生的各種證明、貨物狀態等的記錄和查詢，確保信息的真實、可靠和有效。

3.2 流程優化

與公路和飛機相比，鐵路運輸周期較長，流程復雜，涉及相關方較多。如果能實現單證電子化，提高作業過程信息化程度，就能減少信息孤島，提高信息時效，有利于解決各方痛點，提升鐵路貨運整體運作效率，降低運營成本。

結算雙方企業需要通過系統接口對接的方式完成不同階段數據的共享與流通，信用簽收依賴紙質運單，雙方各有一套清結算數據，結算雙方每個結算周期要進行對賬，需要人工審核大量的紙質單據，有成本高、效率低，結算周期長的問題。通過引入區塊鏈技術，可形成具有不可篡改性的賬單記錄。以此賬單作為物流企業與上游客戶以及下游供應商之間的財務對賬依據，可以實現交易即清算。同時將包含運價規則的電子合同寫入區塊鏈，使結算雙方共享同一份雙方認可的交易數據和運價規則，保障計費后對賬單的一致性。如果對賬過程中存在異常賬單，可以進行調賬，將調賬的審核過程和結算付款發票信息作為存證寫入區塊鏈，從而降低對賬成本，減少貿易摩擦。

3.3 抵押融資

鐵路貨運周期一般為7～14天，貨物價值高，資金回收可靠，較適合做抵押貸款。但傳統的倉單質押業務存在銀行對倉單信息獲取不及時的問題，使得銀行難以對貸款風險進行評估，導致企業融資困難。

區塊鏈技術可用來劃定運輸中貨物的權屬，使貨物價值在各個實體間傳遞，從而分離大宗集體資產的所有權、使用權、交易權、收益權，同時促進動產質押業務從現有的自發、自主描述化的模式向系統確認的模式轉變，發揮資產的流動性價值。

3.4 鐵路物流企業征信

我國貨運物流長期以來有“多、小、散、亂”的特點，信息不對稱、不完整。眾多經營主體缺乏有效的組織和管理，經營行為不規范，制約行業發展。

通過區塊鏈、大數據等技術，根據鐵路貨運相關企業交易信息，研究企業信用評級模型，可以圍繞鐵路企業建立信用評價機制，加強信用記錄信息共享，對違法失信行為進行預警和披露。進而整合鐵路供應鏈涉及的市場準入、海關、質檢等環節，健全鐵路貨運市場誠信體系。

4 結束語

本文分析了區塊鏈技術在鐵路貨運中應用的關鍵技術及應用場景。目前，區塊鏈技術在鐵路貨運中的研究尚處在起步階段，應用的過程中還存在一些難題，距離產業化還有較大距離。區塊鏈技術在鐵路貨運領域的落地不僅僅是技術問題，而是如何在鐵路內外的眾多企業、組織中克服協作壁壘，構建信任網絡的問題。

下一步，還需努力推動區塊鏈技術在鐵路集裝箱運輸、鐵路快運對賬、鐵路物流金融、海關存證、物流企業征信等場景的示范項目。針對不同場景，尋求共識協議、跨鏈通信、加密算法等關鍵技術的適配和改進，提高區塊鏈系統在鐵路貨運業務中的可用性、可擴展性、吞吐量、安全性，探索更有前景和活力的應用模式。