區(qū)塊鏈將如何影響鐵路工業(yè)的各個領(lǐng)域

本文將討論區(qū)塊鏈技術(shù)的蓬勃發(fā)展趨勢，以及在不久的將來它將如何影響鐵路工業(yè)的各個領(lǐng)域。

自1853年印度首次從孟買的Bori Bunder到Thane的火車旅行以來，鐵路運(yùn)營得到了長足的發(fā)展。鐵路作為一種運(yùn)輸技術(shù)的引入帶來了印度經(jīng)濟(jì)的轉(zhuǎn)型。它給這個國家?guī)砹说谝粓龉I(yè)革命。從那時起，對廉價(jià)高效交通工具的需求呈指數(shù)級增長。為了提高效率、安全和線路容量，更多的列車?yán)密壍溃?a target="_blank">信號和軌道元素，首先應(yīng)用于機(jī)械，后來應(yīng)用于電力，現(xiàn)在應(yīng)用于數(shù)字控制。

傳統(tǒng)提高生產(chǎn)能力的方法包括高資本支出和長期醞釀期。因此，迫切需要不斷提高列車運(yùn)行的各個方面運(yùn)行水平。所以問題是，現(xiàn)代科技能在提高列車運(yùn)行水平方面提供其他選擇嗎？未來會怎樣發(fā)展？

為了回答這個問題，世界各地的許多鐵路基礎(chǔ)設(shè)施管理人員正在研究用于鐵路運(yùn)營的區(qū)塊鏈技術(shù)，以便在大幅度降低成本的情況下提高服務(wù)質(zhì)量、可用性、容量和透明度。

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€值得注意的發(fā)現(xiàn)，它其中密碼學(xué)與分布式網(wǎng)絡(luò)上的數(shù)據(jù)認(rèn)證的融合使在線金融交易更安全，，但其獨(dú)特的優(yōu)勢正在打開其他商業(yè)應(yīng)用的窗戶，比如智能合約、汽車工業(yè)、醫(yī)療保健、物聯(lián)網(wǎng)、婚姻證書、網(wǎng)上投票意愿、保險(xiǎn)、食品安全和旅行。讓我們研究一下這項(xiàng)技術(shù)及其在解決鐵路問題上的適用性。

什么是區(qū)塊鏈？

區(qū)塊鏈可以被理解為一種開放的分布式數(shù)字賬本，它可以高效、真實(shí)地記錄雙方之間的交易。

它不依賴于第三方（如銀行），而是使用對等方法，其中的驗(yàn)證是由分布式網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)完成。這種技術(shù)不僅消除了第三方對身份驗(yàn)證的參與（通常是這些第三方成為安全漏洞的來源），也削減了額外的交易成本。使用這種方法，欺詐性交易的可能性被降到了零，因?yàn)榉Q為塊的交易組不僅受到數(shù)字簽名的保護(hù)，而數(shù)字簽名隨后要經(jīng)過一個數(shù)學(xué)謎題才能對時間進(jìn)行調(diào)整，而且還需要在現(xiàn)有的良好節(jié)點(diǎn)中成為網(wǎng)絡(luò)中最長和最快的一個才能成功。這意味著所有的交易都是完全安全的，如果有任何欺詐交易，將形成一長串這樣的區(qū)塊，所有各方都將清楚地看到這些區(qū)塊，以確定懲戒行動的犯罪者，而且這種欺詐交易幾乎不可能被忽略掉。因此，這種機(jī)制完全不受外人通過欺騙、網(wǎng)絡(luò)釣魚等方式的黑客攻擊。

2. 區(qū)塊鏈的演變

區(qū)塊鏈?zhǔn)且晃幻兄斜韭數(shù)哪涿麆?chuàng)造出來的產(chǎn)物。他于2008年構(gòu)思了一篇題為《比特幣：對等電子現(xiàn)金系統(tǒng)》的論文。文章描述了電子現(xiàn)金的流動系統(tǒng)，該系統(tǒng)允許在線支付直接從一方發(fā)送到另一方，而無需經(jīng)過任何金融機(jī)構(gòu)。第一種電子交易系統(tǒng)被發(fā)明為比特幣，現(xiàn)在發(fā)展至加密貨幣，以及在安全交易系統(tǒng)中存在的所有其他貨幣。

幾個月后，一個實(shí)現(xiàn)新協(xié)議的開源程序發(fā)布了，它以包含50枚幣的創(chuàng)世塊開始。任何人都可以安裝這個開源程序，成為比特幣對等網(wǎng)絡(luò)的一部分。

3.它是如何工作的？

區(qū)塊鏈系統(tǒng)是由稱為“節(jié)點(diǎn)”的用戶組成的分布式網(wǎng)絡(luò)。每個用戶都受到私鑰的保護(hù)，私鑰對所有其他用戶都是保密的，而分配給他的公鑰作為他的公共身份是可見的。每個事務(wù)都被發(fā)送到使用發(fā)送方的“私鑰”進(jìn)行數(shù)字簽名的接收方的“公鑰”。接收方使用發(fā)送方的“公鑰”驗(yàn)證發(fā)送方的數(shù)字簽名。在這種驗(yàn)證之后，允許事務(wù)與同時發(fā)生的其他事務(wù)組成一個組。這個組被稱為“塊”，通過以適當(dāng)?shù)木€性時間順序連接這些塊而形成的鏈稱為區(qū)塊鏈。網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)都可以收集未經(jīng)確認(rèn)的事務(wù)并形成一個塊，然后廣播到網(wǎng)絡(luò)的其余部分。然而，由于這可以由多個節(jié)點(diǎn)同時完成，因此按時間順序排列這些塊是很重要的，這是通過使用數(shù)學(xué)難題來完成的。

這也被稱為“工作量證明”，生成塊的節(jié)點(diǎn)需要證明它已經(jīng)投入了足夠的計(jì)算資源來解決數(shù)學(xué)難題。這樣的謎題解決起來并不簡單，而且問題的復(fù)雜性可以進(jìn)行調(diào)整，使得比特幣網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)平均需要10分鐘的時間來做出正確的猜測并生成一個塊。在給定的時間內(nèi)，系統(tǒng)中生成多個塊的概率非常小。批準(zhǔn)塊的節(jié)點(diǎn)將它廣播給網(wǎng)絡(luò)的其他部分。如果同時解決多個塊，可能會導(dǎo)致多個分支。然而，求解的數(shù)學(xué)是非常復(fù)雜的，因此區(qū)塊鏈很快就穩(wěn)定下來了，這意味著每個節(jié)點(diǎn)都同意從鏈的末端向后幾個塊的順序。為解決這個難題和生成塊而貢獻(xiàn)計(jì)算資源的節(jié)點(diǎn)被稱為“礦工”，他們的努力得到了經(jīng)濟(jì)上的回報(bào)。

網(wǎng)絡(luò)只接受最長的區(qū)塊鏈作為有效的區(qū)塊鏈。因此，攻擊者引入欺詐性事務(wù)幾乎是不可能的，因?yàn)樗粌H需要通過解決數(shù)學(xué)謎題生成塊，而且還必須同時與好的節(jié)點(diǎn)競爭以生成所有后續(xù)的塊，從而使其他節(jié)點(diǎn)接受它的事務(wù)&塊作為有效的事務(wù)。由于區(qū)塊鏈中的塊以加密方式連接在一起，這項(xiàng)工作變得更加困難。

4. 特性

除了會顛覆各國經(jīng)濟(jì)的無休止的金融應(yīng)用之外，區(qū)塊鏈改革傳統(tǒng)運(yùn)輸業(yè)的可能性還來自其幾個獨(dú)特的特點(diǎn)：

密碼安全： 由于協(xié)商一致機(jī)制，密碼安全具有很高的閾值。

透明度： 公開的區(qū)塊鏈上的條目不能更改，因此提供了“真相”的時間戳版本。

完整性： 區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)始終完整、準(zhǔn)確、可靠、真實(shí)。一旦礦商就數(shù)據(jù)輸入達(dá)成協(xié)商一致意見，就不能改變。此外，在多個參與方共享的單個公共分類賬中可用的數(shù)據(jù)比多個數(shù)據(jù)庫更可靠。

廉價(jià)而高效： 區(qū)塊鏈消除了對集中式存儲庫和第三方專用身份驗(yàn)證的需求，從而降低了成本，同時提供了更高的效率。

5. 在鐵路行業(yè)中的作用

在區(qū)塊鏈中，所有參與者共享相同的相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施信息。具體來說，這意味著所有的車輛都可以通過智能合約和軌道元素（如信號、點(diǎn)或平交道口）進(jìn)行通信。這簡化了基礎(chǔ)設(shè)施，還可以改進(jìn)整個系統(tǒng)的可用性。

在德國Darmstadt的基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)營商調(diào)度員培訓(xùn)設(shè)施進(jìn)行的初步測試顯示，這些車輛可以選擇自己的路線，鎖定它們，然后再次釋放它們。這將在沒有中央控制中心的情況下發(fā)生，也不用擔(dān)心發(fā)生車次沖突。基礎(chǔ)設(shè)施元素的狀態(tài)記錄在防篡改、透明的總分類賬中，并不斷實(shí)時更新。從概念上講，區(qū)塊鏈可以用于所有其他事務(wù)，例如檢查駕照和驅(qū)動程序授權(quán)，并向基礎(chǔ)設(shè)施收費(fèi)。到目前為止，該技術(shù)還處于試驗(yàn)階段，潛在的用例正在開發(fā)中。

（a）獎勵積分/忠誠計(jì)劃

獎勵游客繼續(xù)購買旅行票已經(jīng)成為信用卡公司和鐵路公司的重要營銷工具。為此，忠誠度計(jì)劃需要準(zhǔn)確和用戶友好，以減少在乘客忠誠度積分和贖回帳戶時面臨復(fù)雜性。最近，舊金山開發(fā)了一款基于區(qū)塊鏈的忠誠度軟件，名為“Loyyal”。該平臺不僅力求提高多個方案之間的互操作性，而且還允許使用智能合約，可以在在合作伙伴之間進(jìn)行發(fā)票和支付轉(zhuǎn)移。

從一項(xiàng)服務(wù)中兌換積分到另一項(xiàng)服務(wù)中，例如火車旅行后自動積分，這些積分可以進(jìn)一步用于支付在線出租車服務(wù)，這將增加更好的旅行體驗(yàn)。

b）完善旅游身份管理

在印度鐵路的任何預(yù)定艙位上進(jìn)行旅行，應(yīng)在網(wǎng)上提供規(guī)定的身份證明。在區(qū)塊鏈上，旅客的身份證明、更改預(yù)訂或查詢，均可使用旅客身份證，而毋須在旅途中攜帶任何身份證副本。

c）預(yù)測性維護(hù)

火車有復(fù)雜的機(jī)械和電氣系統(tǒng)，由成千上萬個機(jī)械部件組成。為了提供可靠的服務(wù)，列車需要定期維護(hù)，當(dāng)達(dá)到一定里程時，在特定的時間段后，或者通過監(jiān)測部件的狀態(tài)，就可以啟動定期維護(hù)。狀態(tài)監(jiān)測包括檢查設(shè)備的運(yùn)行情況，只有在設(shè)備出現(xiàn)惡化跡象時才進(jìn)行更換。

物聯(lián)網(wǎng)和互補(bǔ)技術(shù)的可用性甚至使預(yù)測某些設(shè)備的故障成為可能。區(qū)塊鏈的使用，加上火車或基礎(chǔ)設(shè)施部件不斷發(fā)展的傳感器技術(shù)，可以看作是現(xiàn)代維護(hù)的基礎(chǔ)，其中各個部件獨(dú)立地登記它們的需求。

隨著基于物聯(lián)網(wǎng)的狀態(tài)監(jiān)測的傳播，將會有一個復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)連接傳感器和控制器，這些控制器將被聚合到集中存儲重要數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)中心，作為指揮和控制的神經(jīng)中心。數(shù)據(jù)如此集中，潛在的威脅是巨大的。在這里，區(qū)塊鏈可以用來確保網(wǎng)絡(luò)不被篡改、誤用，并且通過“工作量證明”，當(dāng)局可以對一個清晰的審計(jì)跟蹤進(jìn)行監(jiān)視。

意大利主要列車運(yùn)營商Trenitalia正在建造一個原型，使其能夠在故障發(fā)生前預(yù)測故障，而不僅僅是對故障做出反應(yīng)。

該公司在機(jī)車和客車上安裝了物聯(lián)網(wǎng)傳感器，并使用分析和內(nèi)存計(jì)算技術(shù)實(shí)時評估列車的運(yùn)行狀況。

該項(xiàng)目將改變Trenitalia的商業(yè)模式，允許其安排更多的行程，并使每一次行程都更有利可圖。鐵路公司將能夠更好地計(jì)劃零部件庫存，并確定哪些線路一直表現(xiàn)不佳，需要升級。ARC咨詢集團(tuán)表示，新系統(tǒng)每年將節(jié)省1億歐元。

d）分布式列車運(yùn)行

目前，印度鐵路的指令是由中央系統(tǒng)執(zhí)行的，它向列車操作員發(fā)出指令。這種方法面臨的最大挑戰(zhàn)包括系統(tǒng)故障、通信丟失、數(shù)據(jù)安全、人為錯誤、駕駛員死亡或特別的交通分流需求?？紤]到這些不可避免的因素，鐵路框架需要有防止碰撞和脫軌的安全框架。但這種調(diào)度和安全框架也有其自身的缺點(diǎn)，如復(fù)雜性、巨大的成本、人力成本、異構(gòu)性和互操作性問題。

這可以通過采用區(qū)塊鏈來控制，區(qū)塊鏈可以通過將其轉(zhuǎn)換為模塊化的“運(yùn)輸操作系統(tǒng)”，同時處理特殊的交通、偏差、施工引起的變更、設(shè)備故障等問題。

該分布式系統(tǒng)應(yīng)使列車和線路側(cè)設(shè)備能夠作為一級主動參與者，進(jìn)行尋路、預(yù)約、切換到正確位置、與其他車輛交互、算法驅(qū)動的速度控制、自動制動、GPS驅(qū)動的列車定位等操作。所有這些操作都應(yīng)由網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動，并確保符合標(biāo)準(zhǔn)工作規(guī)則。其可靠性應(yīng)由物理現(xiàn)實(shí)（軌道設(shè)備）與信息技術(shù)表示（物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字孿生）的匹配來確定。這將使檢測鐵軌故障和預(yù)防事故成為可能。

對于列車運(yùn)行控制，可以考慮邏輯分散的思想。根據(jù)區(qū)塊鏈的原則，在最大程度上考慮到安全和生命安全的前提下，每一項(xiàng)行動的驗(yàn)證都應(yīng)由強(qiáng)大的權(quán)威機(jī)構(gòu)，如站長等多方進(jìn)行。雖然系統(tǒng)比邏輯集中化更加復(fù)雜，但已經(jīng)出現(xiàn)了具有去中心化決策的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)，并有效地維持了運(yùn)營，如公開的比特幣和公開的以太坊區(qū)塊鏈。這種網(wǎng)絡(luò)成功地實(shí)現(xiàn)了水平擴(kuò)展、協(xié)商一致的工作規(guī)則集（使用定義的多數(shù)規(guī)則進(jìn)行系統(tǒng)決策）和容錯。同時，在保持可伸縮性的同時實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)腝oS和性能（延遲、吞吐量和可預(yù)測性）在分布式賬本技術(shù)（DLTs）和區(qū)塊鏈中仍然具有挑戰(zhàn)性。

e）自動計(jì)費(fèi)

許多國家鐵路網(wǎng)為相互競爭的客運(yùn)和貨運(yùn)鐵路提供“開放通道”，這些鐵路為基礎(chǔ)設(shè)施的使用（軌道、車站、能源供應(yīng)）支付規(guī)定的費(fèi)用。同樣，“后臺”出售提前訪問權(quán)，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)訪問受到嚴(yán)格控制，以使時間表化的列車運(yùn)營能夠保持其服務(wù)質(zhì)量。使用區(qū)塊鏈，訪問權(quán)限的分配和實(shí)際支付都將使用區(qū)塊鏈錢包進(jìn)行交易并立即進(jìn)行，其中錢包的余額存儲在區(qū)塊鏈分類賬上。瑞士國有鐵路公司瑞士聯(lián)邦鐵路在其售票機(jī)上出售比特幣。

所有的交互（從購票到分包商付款）都可以使用一個區(qū)塊鏈驅(qū)動的一致的、可信的、復(fù)制的分類賬“數(shù)據(jù)庫”來處理，該數(shù)據(jù)庫屬于API驅(qū)動的多模式“運(yùn)輸操作系統(tǒng)”，可以由所有層共享，例如采購、HR、維修，建設(shè)，政府監(jiān)管，保險(xiǎn)，零售商，供應(yīng)商等。

上圖中，顯示了該系統(tǒng)最基本的部分。圖中所示的每一部分都存在于若干實(shí)例中：在國家一級和區(qū)域一級以及上述各層都有主權(quán)鐵路網(wǎng)。

6. 挑戰(zhàn)

不同區(qū)塊鏈之間的互操作性

在基本主題上有幾個變體，在不同的地方做出了不同的設(shè)計(jì)選擇。此外，即使使用的區(qū)塊鏈技術(shù)相同，兩種不同的部署也可能無法相互通信。

不確定性

監(jiān)管方面的不確定性、技術(shù)上的不確定性、能源消耗、網(wǎng)絡(luò)安全以及與現(xiàn)有系統(tǒng)的整合也是區(qū)塊鏈必須克服的挑戰(zhàn)之一。

對于審計(jì)師來說的隱私性

審計(jì)員可獲得的不受限制的查閱權(quán)本身可能被有意或無意地濫用。這需要加以考慮，在可能的情況下，應(yīng)采取減輕權(quán)力的措施。

身份保護(hù)

任意實(shí)體可能不知道其他實(shí)體之間交易的細(xì)節(jié)，但盡管不知道任何具體交易背后的身份，但可能有可能從幾項(xiàng)交易中挖掘出數(shù)據(jù)，并利用它們的綜合信息，或許通過將這些數(shù)據(jù)與外部事件聯(lián)系起來，找出當(dāng)事人可能是誰。這一問題需要解決。

審計(jì)/管理訪問

該系統(tǒng)還需要確保某些特定方面，如正式任命的審計(jì)人員或監(jiān)管機(jī)構(gòu)，或其任命的人員，能夠訪問特定數(shù)據(jù)，達(dá)到他們履行職能所需的水平。為此，該制度需要管制外部各方/審計(jì)員的有限進(jìn)入。

限制的可伸縮性

根據(jù)應(yīng)用程序的類型，區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可能面臨網(wǎng)絡(luò)帶寬和數(shù)據(jù)存儲等可伸縮性約束。此外，還可能存在由軟件驅(qū)動的硬件限制和基于用戶技術(shù)滲透的與管理配置接口相關(guān)的限制。其他因素，如塊大小和兩個連續(xù)塊之間的時間間隔也會影響可伸縮性。塊的大小越大，并發(fā)事務(wù)的數(shù)量就越多。

因此，在設(shè)計(jì)區(qū)塊鏈平臺時，必須考慮安全性、隱私性、功能、風(fēng)險(xiǎn)和可伸縮性之間的折衷。

該方法包括使列車能夠建立彼此之間的貿(mào)易關(guān)系，例如，當(dāng)火車產(chǎn)生優(yōu)先權(quán)時，使無監(jiān)督的貨幣補(bǔ)償從延遲的快車到貨運(yùn)列車，從而使特快列車能夠減少其延誤。像區(qū)塊鏈這樣的技術(shù)可以成為印度鐵路現(xiàn)代化努力的重要組成部分，因?yàn)橹T如ETCS L2/CBTC這樣的現(xiàn)代列車控制技術(shù)是基于IP的，容易受到網(wǎng)絡(luò)安全威脅和黑客攻擊。

7. 結(jié)論

本文介紹了基于區(qū)塊鏈的分布式鐵路控制及其原型實(shí)現(xiàn)，將傳統(tǒng)的安全原理與前沿的IT技術(shù)相結(jié)合。列車可以根據(jù)透明、有約束力的智能合約，確定可能的路線，并直接預(yù)訂（包括臨時和提前預(yù)訂），從而確保資源預(yù)訂不存在沖突。與此同時，我的方法與集中式批量計(jì)劃并存，這種計(jì)劃產(chǎn)生長期的時間表，并將預(yù)先規(guī)劃的建設(shè)工地——跨鐵路項(xiàng)目整合在一起。

考慮到區(qū)塊鏈可以引申出來的大量現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和實(shí)踐，不僅它們的輸出和效率的完整性將得到提高，我們與這些過程的工作和交互方式也將轉(zhuǎn)變到一個新的水平。這樣，現(xiàn)有的模式就會被減少使用，并逐漸從社會和商業(yè)模式中淘汰。技術(shù)帶來更多的技術(shù)，使開發(fā)成為一個永無止境的鏈條，區(qū)塊鏈就是其中的一個步驟。

讓我們一起，去共同研究如何利用區(qū)塊鏈技術(shù)，令它能夠更有效地利用鐵路基礎(chǔ)設(shè)施，去實(shí)現(xiàn)靈活、可伸縮和自組織的鐵路運(yùn)營控制。