區塊鏈技術在軌道交通裝備制造業應用方案研究

劉泰 吳士林 崔玉龍 樊玉明

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2101-5640-2882

摘? 要：區塊鏈技術作為一種去中心化的記錄技術，在各領域得到廣泛關注與應用。其數據記錄的分布式、不可篡改、可追溯特性，構建了一種在不可信的競爭環境中能夠實現低成本建立信任的新型計算范式和協作模式，為工業創新變革、工業互聯網技術變革中數據要素的配置管理提供新的解決方案。本文就區塊鏈技術在軌道交通裝備制造業的應用方案做相關探索研究，為區塊鏈技術在領域的應用提供發展建議。

關鍵詞：軌道交通? 裝備制造? 區塊鏈? 聯盟鏈? 智能合約

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）03（c）-0001-4.5

The Application of Blockchain Technology in Rail Transit Equipment Manufacturing Industry

LIU Tai1? WU Shilin1? CUI Yulong1? FAN Yuming2*

（1.CRRC Qingdao Sifang Locomotive & Rolling Stock Co.，Ltd.， Qingdao， Shandong， 266111 China; 2.CRRC Academy Co.，Ltd.， Beijing， 100070 China）

Abstract： Blockchain， as a decentralized recording technology， has been widely concerned and applied in various fields. The distributed， non-tamperable and traceable characteristics of its data record method construct a new computational paradigm and collaboration mode that can achieve low-cost trust-building in an unreliable competitive environment， and provide new solutions for the configuration management of data elements in industrial innovation and industrial Internet technology. This paper explores the application scheme of Blockchain technology in rail transit equipment manufacturing industry， and provides development suggestions for the application of Blockchain technology in the field.

Key Words： Rail transit; Equipment manufacturing; Blockchain; Alliance chain; Smart contract

新一輪的產業變革和“中國制造2025”對于制造業的工業互聯網建設、新技術應用、數字化轉型提出新發展方向。物聯網、邊緣計算、5G、大數據、區塊鏈技術等信息基礎設施與技術的創新與快速發展提供了行業轉型新機遇，隨著工業互聯網不斷深化，數字技術的應用將向全產業鏈擴展，打破企業之間的壁壘，在產業層面實現更大范圍的互聯互通[1]。其中，區塊鏈技術的集成應用在新技術革新和產業變革中起著重要作用，其應用已經由開始的金融延伸到供應鏈管理、物聯網、智能制造、數據存證與交易等新的領域，為工業信息化發展帶來新的機遇與挑戰，用區塊鏈技術構建的可信機制，將改變傳統的商業、數據共享、通信技術的模式，從而引發新一輪的技術創新與產業變革[2]。軌道交通裝備制造業是我國工業體系自主創新的重要組成部分，是工業創新變革的前沿陣地，區塊鏈技術結合了密碼技術、數據庫技術、分布式網絡、智能合約等技術進行組合創新，其對于軌道交通裝備制造業發展的作用、應用領域和方法有待研究。本文就區塊鏈技術在軌道交通裝備制造業的應用進行探討，以期能夠為區塊鏈技術在本領域的應用提供建議與支持。

1? 區塊鏈核心技術與應用原理

區塊鏈（Blockchain）技術的核心潛力在于分布式數據庫的特性和其對安全、透明和效率的增益。更廣泛的意義來看，區塊鏈屬于一種去中心化的記錄技術，技術架構如圖1所示。其典型數據存儲為塊-鏈結構，運行于分布式網絡中，記錄由多方維護，利用密碼學機制來保證傳輸和訪問安全，從而實現數據一致存儲、難以篡改、易于追溯確認的特性。這些特性使得區塊鏈成為一種在不可信的競爭環境中能夠實現低成本建立信任的新型計算范式和協作模式[3]。

目前，各國都在積極推動區塊鏈在工業領域的應用[4]，美國國家標準與技術研究院（NIST）期望通過區塊鏈技術為智能制造提供了安全性和可追溯性保證。德國發布《國家區塊鏈戰略》，重點關注區塊鏈技術在供應鏈管理、提高供應鏈透明度方面的實際能力。澳大利亞在全球供應鏈管理系統建設應用區塊鏈技術在全球范圍內追蹤商品和服務信息。全球移動通信系統協會（GSMA）于2018年曾發布研究報告《物聯網中的分布式賬本技術的機遇和用例（Opportunities and Use Cases for Distributed Ledger Technologies in IoT）》，詳細分析了通過區塊鏈進行設備身份管理，進而進行設備狀態管理、訪問控制的實現方式。IEEE在2019年國際工程與新興技術會議（ICEET）上發布了《區塊鏈對工業4.0的影響（Implications of Blockchain in Industry 4.0）》，闡述了區塊鏈在工業互聯網中設備身份認證、設備權限管理、設備數據采集等方面的價值和意義。

從實現技術上來講，典型的區塊鏈應用方案根據定位和功能可以分為三類[5]：以比特幣為代表的記賬用代幣鏈;以以太坊及其擴展為代表的智能合約應用鏈;以Hyperledger超級賬本為代表的聯盟標準鏈。三者的技術典型應用場景如表1所述。其中超級賬本以聯盟鏈的形式組織，包含多種語言的智能合約，具有完備的完備權限管理與安全保障、創新的一致性算法和可拔插的框架，更適合于大規模商業應用。在打通數據孤島、優化安全配置、建立信任環境、促進協同共享等方面，區塊鏈技術對工業互聯網有天生的巨大價值優勢，有望全面推動工業互聯網實現跨越式發展。

2? 區塊鏈技術在軌道交通裝備制造業的應用切入點與應用條件

軌道交通裝備制造業屬于國家高端裝備制造業，產業鏈龐大，上下游企業眾多，產業鏈協同、流程管理、數據管理的需求日益突出。而目前在產業層面，要實現跨企業的數據要素流通和業務協同，還面臨協同共享技術手段滯后、隱私保護形勢嚴峻、設備安全問題突出、產業鏈條信任缺失等挑戰[6]。通過充分發揮區塊鏈在促進數據共享、優化業務流程、降低運營成本、提升協同效率、建設可信體系等方面的作用，可以從以下三個角度發力助推軌道交通裝備制造業轉型升級：

（1）升級數據服務體系。行業、企業可以基于區塊鏈設置訪問控制，實現認證數據的發布、申請、授權、評價等能力，實現數據可信交換;可以針對不同數據類型提供添加水印的能力，結合區塊鏈技術實現數據交換全流程的保護;可以為每個參與方提供可信計算環境，通過區塊鏈注冊和管理計算節點，實現信息的發布、申請、授權、執行、結果上傳等，全流程通過密碼學算法進行數據保護。

（2）升級安全管理體系。以大規模工業互聯網節點為基礎，應用其天生的分布式特性構建區塊鏈網絡，加強網絡可信化建設;基于區塊鏈技術實現分布式工業交互網絡架構及成員身份可信、數據信令及其交互過程可信、數據存儲體系可信;通過智能合約等技術可以建立統一的身份管理體系，用戶可以基于分布式身份完成數據交換和計算，保護數據安全。

（3）升級供應鏈體系。通過區塊鏈技術的分布式管理、不可篡改等特征使業務信息公開透明公正，有助于信用管理，同時，也使得合同、物流、貨單、檢驗報告等數據不可篡改，可有效降低風控成本;共享賬本由參與方共同維護且不可篡改，確保數據實時、有序、真實不可偽造;各方通過物料唯一碼可進行溯源，確保物料生產、流通及應用過程的真實性、透明性。

在實踐中，評估本領域一個應用或需求是否適用通過引進區塊鏈技術來實現，可以從以下四個方面來考慮：1.去中心化需要-中心機構是否需要移除？如果可以通過移除中心機構來減少數據維護的成本和交互的復雜度，可以考慮采用區塊鏈方案。2.多節點數據同步需要-是否存在多方更新數據？如果通過多方參與記錄和傳播并發交互，可以得到需要的數據準確性和及時性，區塊鏈技術比較適用。3.節點間共識互信需要-是否存在多方分享數據？如果需要一個完整可靠的共享記錄系統來使每個業務關系的參與者共建且受益，區塊鏈技術是一個較好的解決方案。4.數據防篡改需要-是否有驗證和校驗的需求？如果需要在不完全可信環境交互信息防篡改，從而能提高參與伙伴的交互吞吐量和可靠性，引入區塊鏈技術是非常必要的。如果能夠契合以上的一項或者幾項，認為區塊鏈技術可以實現需求，提高效益，有應用價值。而判斷一個系統可以運行區塊鏈應用，還需要滿足以下條件[7]：1.分布式網絡，有多個對等數據地位的節點存續;2.網絡中有多個計算能力足以運行所需區塊鏈任務的節點;3.數據需求與系統和節點的容量能力匹配;4.鏈所在網絡傳輸帶寬足夠運行;5.鏈傳輸運行網絡相對穩定，動態節點角色匹配其狀態。當需求適用區塊鏈技術解決且系統滿足基本要求，即可進行技術應用。

3? 區塊鏈技術在軌道交通裝備制造業應用場景剖析

根據前面所述需求分析原則，就區塊鏈技術與軌道交通裝備制造領域的需要解決的問題來綜合評估分析，有以下應用方向可以考慮進行拓展：

（1）產業行業融合，造修用服數據貫通

造修用服主體不同，網絡數據沒有良好互動共享機制，沒有中心協調管控，各方產生收集的數據關注點和渠道不同，互有交叉，但是無法進行對照互補，沒有得到充分利用，造成優質資源浪費。產業行業間交互是一個典型無中心需要信任建立的分布式交互環境，利用區塊鏈技術可以構建聯盟鏈，建立跨鏈數據交互機制。在分布式的主體（如主機廠、服務商、路局、動車段等）之間利用區塊鏈技術共享數據，提供關鍵數據上鏈機制，指導智能制造和運維，保證數據可以充分共享的同時，還可以實現體系數據安全與可追溯，為質量或運營問題的分析評估提供依據。上下游各單元生產運行過程中各參與方各部門各環節產生的狀態數據，以一致的可信的方式寫入區塊鏈，造修服用過程監控通過區塊鏈共享賬本技術的賦能滲透到分布式生產運用服務的各個環節，從區塊鏈分布式賬本中通過智能合約接口實現對產品全生命周期過程狀態數據的可信查詢和追蹤。通過一致性共享賬本，能夠減少各商業實體在分布式協作網絡中可信一致地分享數據的成本，同時降低各商業實體之間統計信息冗余和不一致所造成的延后風險，提高網絡中各個企業單元狀態視圖的完整性和準確性。

（2）引入多方交互流程管理，協同開發數據有序同步管控

無論是行業的整體的車輛統型管理還是針對具體產品的設計流程管理、設計變更管理，都是一個需要多方參與的過程，這個工作目前在流程上需要中心協調，無法動態實現，并且各參與方的信息互相獨立，溝通成本高，傳統工作模式參與方本身需要做很多重復性的識別、確認、流程分配工作，效率低下。集中式的數據存儲，無法完全規避數據“單點故障”的風險。當數據中心因意外或者軟件漏洞導致數據不一致甚至丟失時，傳統集中式的數據管理很難確保及時偵測到數據異常。可以創新應用區塊鏈模式組織去中心化交互，利用區塊鏈體系進行數據交互、數據管理、流程管理，構建多方共識來進行信息一致性管理，降低交互成本，提高交互效率，縮小迭代周期。還可以引入智能合約來進行自動化流程管理，做數據預判或任務分類，推進流程單元模塊化，參與方模塊化，明確權責劃分，提升智能化管理運維水平。

（3）供應鏈+區塊鏈，雙鏈協同優化助力分布式生產

供應鏈管理是一個典型分布式系統。各方基于自己的產品建立自己的管控數據庫/鏈，構成一個分布式生產網絡，主機生產廠作為最終的集成方，需要掌握所有零部件的信息，零部件還有下級零部件，零部件之間還有互相匹配、迭代、替換等問題，其中的關聯構成了一個巨大的網絡，供應鏈的協同、管控、溯源、流轉涉及到大量信息的共享、記錄、分發、多方協同，目前僅靠主機廠自己做管理，難以面面俱到，細節管控難，投入精力巨大。建立以區塊鏈技術為支持的供應鏈管理網絡，構造聯盟鏈，可以打通設計、采購、庫管、工程、檢驗、售后等環節，做供應鏈的全生命周期管理。從原材料開始到部件、整車都可以納入管控，融合造修流程，對供應的合同、物流、倉單、使用、質量、性能等做全方位的記錄、追溯，多方可以共享，數據不可篡改，流通應用信息真實透明。另外可以依據上述結果進行風險管控，有利于供應鏈金融的發展。基于區塊鏈的分布式生產模式，能夠更大程度上降低供需關系的響應延遲，使得生產廠商更靠近需求端，需求端的訂單發布能夠通過一致的智能合約方式來觸發，從而減少了訂單在需求方與各相關參與方之間來回確認的額外代價，也使得各個生產環節中的參與方能夠獲取一致的訂單內容中，根據自身產能情況優化資源配置更高效的完成生產任務。

（4）區塊鏈改造運維服務，提高運維效率

運維目前主要依靠人力，通過駐點執行，協調應用單位和各供應商解決現場問題，流程繁雜，溝通成本高，效率低下。流程操作、維護記錄是存儲在單一、孤立的信息系統中，一旦出現安全和生產事故，企業、設備廠商和安全生產監管部門在事故調查和責任判定時難以確保運維記錄的真實性與一致性。可以將各類檢測數據采集匯總至邊緣網關，邊緣實現數據的上鏈存儲，智能診斷，可以結合智能合約觸發事件產生工單，并追蹤工單運行。對于任何運維操作都需要進行鏈上授權，嚴格規范運維服務流程，將運維服務規范化、自動化。

表2對幾個典型應用場景與應用方案做了對比分析，總體來看，應用方案可以基于私有鏈或者聯盟鏈實現，可以在設備、生產、運維等各場景介入，解決對應的問題，帶來價值提升。

4? 結語

區塊鏈技術為工業互聯網的數據要素流通和多主體業務協同提供了新的應用思路，但工業應用區塊鏈仍處于社會試驗階段，其應用模式及技術發展程度仍有不足。在軌道交通裝備制造業領域，加入區塊鏈技術需要對原有各系統進行改造，初期投入經濟和技術成本較大，且應用需要一段磨合期，現階段區塊鏈的賦能需求還不急切，區塊鏈技術在本領域的應用仍處于起步階段，行業內標桿性示范項目缺乏，也無應用標準，短期內工業區塊鏈在本領域應用尚有難度，潛力還需進一步挖掘。對于工業區塊鏈在軌道交通裝備制造業的應用，需要結合對行業應用痛點的研究，展開關鍵技術研究開發與測試，突破性能、安全、兼容性等制約應用發展的技術瓶頸，提高核心的公共組件技術研發能力。同時企業組織需要前瞻地適應信息化改造，積極擁抱新技術，針對痛點明顯的業務場景探索和試點新的應用模式，兼顧業務質量的同時體驗區塊鏈等信息化技術帶來的高效便利。

參考文獻

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