基于區(qū)塊鏈的鐵路電子檔案管理技術(shù)研究

孔旸

(北京市地鐵運(yùn)營有限公司， 北京 100044)

0 引言

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質(zhì)檔案已逐漸被線上的電子檔案所代替，檔案涵蓋了幾乎所有領(lǐng)域的重要信息，對人們的日常生產(chǎn)生活與社會實(shí)踐活動等，均會造成不同層次的多方影響[1]。在鐵路電子檔案的管理中，由于其數(shù)據(jù)信息具有多變性與實(shí)時(shí)性，且其數(shù)量巨大，因此在日常管理中存在一定的難度。Aste T等[2]認(rèn)為區(qū)塊鏈技術(shù)有著可預(yù)見的社會影響與工業(yè)影響，通過對其進(jìn)行溯源與細(xì)致分析，并將其成功應(yīng)用至比特幣數(shù)字現(xiàn)金系統(tǒng)中。針對傳統(tǒng)零售模式的改革，區(qū)塊鏈技術(shù)可使得消費(fèi)者在任意時(shí)間或地點(diǎn)享受商品的優(yōu)質(zhì)服務(wù)，并保證供應(yīng)鏈的透明化與公開化，有效實(shí)現(xiàn)零售商與消費(fèi)者之間的共贏[3]。因此，此次研究將當(dāng)前區(qū)塊鏈技術(shù)的弊端及關(guān)鍵技術(shù)等內(nèi)容作為研究重點(diǎn)，并將其應(yīng)用到鐵路電子檔案管理技術(shù)中，旨在促進(jìn)其可持續(xù)發(fā)展。

1 區(qū)塊鏈的關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)特點(diǎn)

區(qū)塊鏈技術(shù)是一種集綜合性與創(chuàng)新性于一體的優(yōu)秀技術(shù)，具有較強(qiáng)的不可篡改性與去中心化等特點(diǎn)，能夠?yàn)楸Ｕ翔F路電子檔案的安全儲存與高效管理提供輔助作用。該項(xiàng)技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)之后的又一顆技術(shù)新星，區(qū)塊鏈的新指的并不是它自身可作為一項(xiàng)單獨(dú)的新興技術(shù)，而是融合了多種相關(guān)技術(shù)而成的復(fù)雜新技術(shù)，具有較強(qiáng)的創(chuàng)新性[4]。就本質(zhì)而言，區(qū)塊鏈表示的是對數(shù)字貨幣等進(jìn)行加密的去中心化基礎(chǔ)架構(gòu)，且其應(yīng)用范圍極為廣泛，該項(xiàng)技術(shù)起源于眾所周知的比特幣技術(shù)，然而其應(yīng)用領(lǐng)域卻不僅僅局限于比特幣之上[5-6]。將數(shù)字貨幣的交易作為例子可知，區(qū)塊鏈上囊括了數(shù)量巨大的區(qū)塊，每一個(gè)區(qū)塊上均記錄著交易中的所有相關(guān)信息，各區(qū)塊之間互相關(guān)聯(lián)，呈鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)。在數(shù)字貨幣具體的交易過程中，每當(dāng)一筆新交易產(chǎn)生，則同時(shí)會有一個(gè)新的區(qū)塊隨之而成，且各區(qū)塊間存在鏈條將其互相進(jìn)行關(guān)聯(lián)。隨著交易數(shù)量的不斷增多，區(qū)塊的數(shù)量也會持續(xù)有所增長，進(jìn)而使得區(qū)塊鏈形成且不斷延長，則其建立與驗(yàn)證如圖1所示。

圖1 區(qū)塊鏈的建立與驗(yàn)證研究

由圖1可知，區(qū)塊鏈最為重要的作用則是對信息安全的存儲。由于所有需要得到儲存的信息，均可以寫入?yún)^(qū)塊鏈中，同時(shí)外界也可以從區(qū)塊鏈中讀取到相應(yīng)的存儲信息，因此可將其看作為一個(gè)龐大的數(shù)據(jù)庫，且其具有公開性、透明性、去中心化，以及較高的集體維護(hù)性等特點(diǎn)。區(qū)塊鏈不將中心機(jī)構(gòu)作為技術(shù)核心，摒除對中心機(jī)構(gòu)的依賴，而利用網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)對點(diǎn)的相關(guān)技術(shù)，來對所有的信息文件進(jìn)行合理的分布存儲，使信息文件可以互相進(jìn)行驗(yàn)證與傳播[7]。基于此，區(qū)塊鏈技術(shù)能夠在諸多復(fù)雜條件的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)信息交互，具有較高的公信力。在實(shí)際的區(qū)塊鏈交易過程中，其各方面的特點(diǎn)明顯，交易全景如圖2所示。

圖2 區(qū)塊鏈交易全景示意

由圖2可以清晰地看到區(qū)塊鏈的交易全景，發(fā)現(xiàn)其作為多種技術(shù)進(jìn)行融合與創(chuàng)新后產(chǎn)生的新技術(shù)，具有顯著的公開性、透明性，以及交易可追溯性。就技術(shù)層面而言，區(qū)塊鏈作為一種全新的數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，具有明顯的分布式特點(diǎn)，以點(diǎn)對點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸方式來進(jìn)行信息的傳遞。就社會經(jīng)濟(jì)層面而言，將該技術(shù)廣泛應(yīng)用至社會的各行各業(yè)，覆蓋各個(gè)領(lǐng)域，即可促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)效益的產(chǎn)生，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)信息的全面互通，構(gòu)建共享型的經(jīng)濟(jì)發(fā)展領(lǐng)域。綜上所述，從不同的發(fā)展層面看來，區(qū)塊鏈的應(yīng)用均具有較高的實(shí)際價(jià)值。

區(qū)塊鏈技術(shù)具備較為全面的特點(diǎn)，囊括了去中心化、不可篡改、不可逆，以及匿名性等。其中去中心化指的是區(qū)塊鏈將原有的中心化數(shù)據(jù)庫進(jìn)行分散處理，使每一個(gè)獨(dú)立的節(jié)點(diǎn)均實(shí)時(shí)且同步地對檔案中的信息進(jìn)行復(fù)制，在經(jīng)過限制比例的節(jié)點(diǎn)統(tǒng)一后，方可對相關(guān)信息進(jìn)行修改，并將其加入到區(qū)塊鏈之中，以此來保證檔案信息的公開透明及確定性。不可篡改性指的是區(qū)塊鏈中任一單獨(dú)節(jié)點(diǎn)均對所有信息進(jìn)行存儲，需要擁有半數(shù)以上節(jié)點(diǎn)的控制權(quán)限才可對某個(gè)單一信息進(jìn)行修改，可有效避免惡意修改。不可逆的特點(diǎn)則表現(xiàn)在當(dāng)信息的修改與存儲等相關(guān)操作得到確認(rèn)以后，所有的相關(guān)記錄均會得到保存，且不可逆轉(zhuǎn)。匿名性指的是區(qū)塊鏈中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的身份信息是被隱藏起來且不可取的，信息的傳遞也是以匿名的方式進(jìn)行，保障了信息及其歸屬的安全性。

2 區(qū)塊鏈技術(shù)在鐵路電子檔案管理中的應(yīng)用研究

2.1 區(qū)塊鏈技術(shù)在電子檔案管理中的弊端及解決措施

在區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到鐵路電子檔案管理的實(shí)際過程中，由于種種客觀原因，仍然存在一定的弊端亟需解決。弊端之一為區(qū)塊鏈中的安全漏洞，該漏洞的表現(xiàn)形式包括代碼邏輯上的問題與私鑰保管不當(dāng)。其二指的是區(qū)塊鏈的容量不足以支撐整個(gè)電子檔案管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，當(dāng)前區(qū)塊鏈的容量均值為47TB，與鐵路電子檔案管理所需的容量仍然相去甚遠(yuǎn)，這對區(qū)塊鏈中各項(xiàng)交易的進(jìn)行均有所影響，其中最為顯著的是交易速度的減慢[8]。故而在未來的區(qū)塊鏈應(yīng)用中，需要對容量進(jìn)行擴(kuò)充，以優(yōu)化相應(yīng)的管理系統(tǒng)。

若區(qū)塊鏈中出現(xiàn)安全漏洞，相應(yīng)的信息管理平臺被對手信息系統(tǒng)所掌控，為了有效防止信息數(shù)據(jù)的泄露，區(qū)塊鏈技術(shù)將構(gòu)建出穩(wěn)定可靠的可信性保護(hù)框架。由于鐵路電子檔案文件的生命周期主要分為4個(gè)階段，即創(chuàng)建收集、使用、修改移交以及銷毀階段，因此需要系統(tǒng)中所有的節(jié)點(diǎn)均進(jìn)行信息確認(rèn)，才可進(jìn)行區(qū)塊鏈中的相關(guān)操作[9]。無論是對鐵路電子檔案文件進(jìn)行創(chuàng)建、查閱，還是修改，抑或是銷毀等操作，系統(tǒng)均會發(fā)送相應(yīng)的操作請求給所有節(jié)點(diǎn)，上述節(jié)點(diǎn)將對獲取的電子信息進(jìn)行存儲并確認(rèn)其真實(shí)性，在最終獲取到管理員的同意以后，才會執(zhí)行相關(guān)操作。該種機(jī)制確保了區(qū)塊鏈應(yīng)用的安全性與可靠性，使得即使信息管理平臺被外界掌控，自身也可以及時(shí)進(jìn)行阻攔與挽救，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全維護(hù)[10]。除此以外，區(qū)塊鏈技術(shù)的應(yīng)用會導(dǎo)致系統(tǒng)計(jì)算的復(fù)雜度與成本均有所上升，但相較于對系統(tǒng)安全性的提升而言，這二者的提升無足掛齒。該項(xiàng)技術(shù)可以使得鐵路電子檔案文件的管理更加可靠，各軟硬件提升的成本大約為原始成本的120%，小成本會帶來更加喜人的大回報(bào)。

2.2 區(qū)塊鏈技術(shù)在實(shí)際檔案管理應(yīng)用中的優(yōu)勢

在區(qū)塊鏈技術(shù)中，集成了多層次多角度的各項(xiàng)綜合性關(guān)鍵技術(shù)，囊括了智能合約、共識機(jī)制、非對稱加密算法，以及分布式賬本。其中智能合約指的是對數(shù)字資產(chǎn)進(jìn)行有效控制的數(shù)字形式合約，該合約中包含了所有合約參與者的權(quán)利與義務(wù)，由技術(shù)系統(tǒng)自動運(yùn)行。該合約的核心技術(shù)為時(shí)間戳與數(shù)字簽名，即在運(yùn)行過程中利用腳碼來對相應(yīng)的規(guī)則進(jìn)行制定，隨后賦予其上述兩項(xiàng)核心技術(shù)，以保證所有的節(jié)點(diǎn)均遵守所制定的規(guī)則。據(jù)此則可在區(qū)塊系統(tǒng)中對信息的實(shí)時(shí)更新與流通起到一定的保障作用，將其運(yùn)用到鐵路電子檔案的管理中時(shí)，即可使所有環(huán)節(jié)實(shí)時(shí)且準(zhǔn)確地進(jìn)行信息的傳遞與處理。共識機(jī)制是指使區(qū)塊鏈中的所有節(jié)點(diǎn)，在運(yùn)行過程中達(dá)成一致的規(guī)范，從而避免鐵路電子檔案中的相關(guān)文件信息遭到惡意篡改。要達(dá)成共識機(jī)制需要滿足2個(gè)先決條件，其一為預(yù)先設(shè)置好相應(yīng)的工作準(zhǔn)則，且使任一節(jié)點(diǎn)均遵循該準(zhǔn)則；其二為保證每一個(gè)單一節(jié)點(diǎn)的平等性。通過上述操作即可成功引用共識機(jī)制，進(jìn)而提供多方的信任。由于篇幅限制，在此不再對非對稱加密算法，以及分布式賬本的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行贅述，上述兩點(diǎn)即為區(qū)塊鏈技術(shù)的核心所在。

綜合運(yùn)用區(qū)塊鏈技術(shù)中的智能合約與共識機(jī)制等特點(diǎn)，即可將該技術(shù)恰當(dāng)應(yīng)用到鐵路電子檔案的可信保護(hù)之中。要實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，需要構(gòu)建出2.1中所述基于區(qū)塊鏈技術(shù)的可信性保護(hù)框架，以保障相關(guān)鐵路電子檔案文件的準(zhǔn)確性、真實(shí)性、有效性及可靠性，其中最為重要的就是真實(shí)性與可靠性。需要清楚地知悉并明確區(qū)塊的各項(xiàng)概念，區(qū)塊指的是區(qū)塊頭與區(qū)塊體，前者中包含6個(gè)不同的字段，分別為哈希值、難度值、時(shí)間戳、版本號、隨機(jī)數(shù)以及相應(yīng)的描述信息；后者則覆蓋了鐵路電子檔案文件的內(nèi)容，以及相關(guān)的變動信息。核心應(yīng)用模式如圖3所示。

圖3 區(qū)塊鏈的核心應(yīng)用模式

正如圖3所示，區(qū)塊鏈應(yīng)用在項(xiàng)目中的關(guān)鍵在于加密算法的研發(fā)與運(yùn)用，且該算法需與鐵路電子檔案中特定的文件格式相匹配。根據(jù)項(xiàng)目發(fā)展的需求，需要使用相關(guān)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)來對所有的鐵路電子文件進(jìn)行學(xué)習(xí)。由于鐵路電子文件屬于不同的類型，且具有不同的屬性，因此要以圖像攝取的手段來對文件中的相關(guān)特征進(jìn)行提取，最終研制出較為特殊的哈希值。通過該種方式，可以使鐵路電子文件具有較強(qiáng)的獨(dú)立性，不會為外界任何干擾因素所影響。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

通過對區(qū)塊鏈技術(shù)自身的特性進(jìn)行研究，以及對將該技術(shù)應(yīng)用至電子檔案管理中的優(yōu)勢進(jìn)行分析，可知基于區(qū)塊鏈的電子檔案管理具有較強(qiáng)的可行性。在具體的鐵路電子檔案管理中，由于其相關(guān)數(shù)據(jù)信息數(shù)量巨大，且時(shí)刻在進(jìn)行不斷的更新，因此需要建立相應(yīng)的可信性保護(hù)框架，如圖4所示。

在圖4所示的框架之中，區(qū)塊鏈技術(shù)的基礎(chǔ)貫穿始終，覆蓋了鐵路電子檔案文件管理的整個(gè)周期，有效利用區(qū)塊鏈的真實(shí)性與可靠性，在一定程度上保證了鐵路電子檔案的所有相關(guān)操作均會被如實(shí)且完備地得到記錄。不管是鐵路電子檔案文件的創(chuàng)建，抑或是對所有鐵路電子檔案文件的使用等相關(guān)操作，都在區(qū)塊鏈技術(shù)的支撐下，與傳統(tǒng)的檔案服務(wù)有機(jī)結(jié)合，有效地維護(hù)了鐵路電子檔案生命周期的可信性。除此以外，還根據(jù)終端區(qū)塊的工作量相關(guān)證明，結(jié)合鐵路客票業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)，以鐵路業(yè)務(wù)的交易量作為觀察重點(diǎn)，來對鐵路業(yè)務(wù)進(jìn)行細(xì)致且隨機(jī)的透徹分析。按照鐵路車站售票的規(guī)模來對其進(jìn)行了劃分，分為一級至五級共5個(gè)等級，銷售量依次遞減。一級車站的售票情況如圖5所示。

圖5 一級車站售票量分布情況

如圖5所示，一級車站指的是日均銷售規(guī)模達(dá)到20 000張以上的相關(guān)車站，其中包括廣州、北京西站、上海、鄭州，以及沈陽。圖5(a)指的是車站窗口的售票情況，圖5(b)是代售點(diǎn)窗口的售票情況，圖5(c)則為自動售票機(jī)上的售票情況。與其相似的是三級車站的售票量情況，如圖6所示。

圖6與圖5類似，圖6(a)、(b)、(c)分別代表著三級車站中售票量在車站窗口、代售點(diǎn)窗口，以及自動售票機(jī)上的分布情況，據(jù)圖5、圖6可知，一級車站與三級車站的售票高峰期在8點(diǎn)至17點(diǎn)之間，其中車站窗口在9點(diǎn)10分達(dá)到售票量的峰值；代售點(diǎn)的高峰期位于9點(diǎn)至15點(diǎn)，其余時(shí)刻均較低，且日起伏較大；自動售票機(jī)的售票峰值出現(xiàn)在11點(diǎn)左右。與此相反，售票規(guī)模最小的五級車站售票情況如圖7所示。

圖6 三級車站售票量分布情況

圖7 五級車站售票量分布情況

通過圖7可知，五級車站的日均銷售量處于2000以下，該類車站以瑞安、海口、琿春、富寧，以及婺源為代表。圖7中的(a)、(b)、(c)分別代表著車站窗口、代售點(diǎn)窗口，以及自動售票機(jī)上的售票情況。該級車站涵蓋范圍較廣，具有多樣化的鐵路售票情況，未見明顯的售票規(guī)律。區(qū)塊鏈的相關(guān)技術(shù)可對上述各級車站的售票情況等內(nèi)容存儲到鐵路電子檔案之中，便于對各級車站的售票管理與檔案管理等方式進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)與優(yōu)化，使得各級車站能夠從大數(shù)據(jù)的角度上透徹了解自身鐵路車站運(yùn)行的情況，進(jìn)而為廣大群眾提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。綜上所述，基于區(qū)塊鏈的鐵路電子檔案管理技術(shù)具有較高的優(yōu)越性與可行性。

4 總結(jié)

互聯(lián)網(wǎng)各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展推動著各行各業(yè)的持續(xù)發(fā)展，改變了相關(guān)產(chǎn)業(yè)原有的管理方式等，其中檔案管理技術(shù)的改變尤為顯著，由紙質(zhì)檔案搖身一變成為了電子檔案。為了實(shí)現(xiàn)對鐵路電子檔案的高效管理，對鐵路電子檔案管理技術(shù)進(jìn)行一定的優(yōu)化與改進(jìn)，此次研究深入細(xì)致地分析了區(qū)塊鏈技術(shù)的關(guān)鍵所在，且將其恰當(dāng)?shù)貞?yīng)用到鐵路電子檔案管理技術(shù)中。結(jié)果顯示，區(qū)塊鏈技術(shù)的不可篡改性、真實(shí)性與可靠性等，均能夠有效地保證鐵路電子檔案管理技術(shù)得到優(yōu)化，對相關(guān)檔案文件的安全處理起到積極的影響作用。此次研究盡管有幸挖掘出了區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用到鐵路電子檔案管理中的核心問題，取得了一定的成果，然而仍然存在部分不足，如未對區(qū)塊鏈中所有的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行細(xì)致的分析，希望在之后的研究中能夠盡善盡美，實(shí)現(xiàn)透徹全面的研究。