前言：想要寫出一篇引人入勝的文章？我們特意為您整理了區塊鏈在城市軌道交通中應用探析范文，希望能給你帶來靈感和參考，敬請閱讀。
摘要：針對城市軌道交通信息化和智能化發展中數據的共享困難和隱私性問題，文章首先介紹區塊鏈技術及其特征，然后從權限管理、施工管理、數據共享管理、密鑰管理和分布式智能場景幾方面分析區塊鏈在城市軌道交通中的應用，從而得出結論：區塊鏈的去中心化、匿名性、開放性、不可篡改性和可追溯性特征可在數據共享的同時保證信息的安全，克服中心管理的單點故障。區塊鏈技術的應用可促進城市軌道交通智能化，保障其運營安全。
關鍵詞：城市軌道交通；區塊鏈；數據共享；應用場景；智能化
城市軌道交通已成為公共交通的命脈，是最具可持續性的交通運輸模式，是國家關鍵基礎設施和重要基礎產業。截至2020年9月30日，中國內地累計有41個城市開通城市軌道交通，運營線路達7140km。近年來，隨著計算機計算和存儲能力的快速提升，大數據和人工智能（AI）發揮著越來越重要的作用，為各行各業帶來了新的活力[1-2]，城市軌道交通也將進入智慧化時代。目前，京滬穗等城市的智慧車站建設已經開始，并即將在城市軌道交通行業進行信息化和智慧城軌建設。《中國城市軌道交通智慧城軌發展綱要》指出，我國智慧城軌建設要應用云計算、大數據、區塊鏈、AI、5G等新興信息技術，全面感知、深度互聯和智能融合乘客、設施、設備、環境等實體信息[3]，其中區塊鏈作為新興信息技術的一種，將在城市軌道交通智能和智慧建設中發揮重要作用，可以實現城市軌道交通的信息管理并提升其安全性，從而提高我國城市軌道交通管理的效率和質量。
1區塊鏈技術及特征
區塊鏈起源于比特幣，在比特幣形成過程中，區塊是一個一個的存儲單元，記錄了一定時間內各個區塊節點全部的交流信息。各個區塊之間通過隨機散列(也稱哈希算法)實現鏈接，后一個區塊包含前一個區塊的哈希值，隨著信息交流的擴大，一個區塊與另一個區塊相繼接續，形成的結果稱為區塊鏈。區塊鏈的本質是點對點的分布式賬本技術[4]，它可以把用戶操作的歷史記錄永久地記錄在區塊鏈上。區塊鏈技術集數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術于一身，其中每一個節點都維護著一個區塊鏈的副本，并且通過共識算法實現分類賬本的一致性[5]。區塊鏈具有共享性、數據不可篡改和透明公開等特點，可以保證用戶的數據隱私安全。另外，區塊鏈允許不受信任的參與者以安全的方式相互通信并發送狀態更新消息，而無需完全信任的第三方或授權的中央節點[6]。區塊鏈的發展經歷了以下3個階段：①區塊鏈1.0是以比特幣為代表的虛擬貨幣時代，是虛擬貨幣交易的公共賬簿；②區塊鏈2.0為去中心化數據庫，采用智能合約與貨幣相結合，廣泛應用于金融領域；③區塊鏈3.0使區塊鏈的應用場景推進到金融行業之外的各行各業中。區塊鏈技術可以有效解決傳統集中式信息共享平臺面臨的諸多問題，其發展更具實用性，并賦能各行業，可提高整體系統的工作效率[7]。區塊鏈技術的主要特征如下。（1）去中心化。區塊鏈本質是一個去中心化的分布式賬本數據庫，每個節點都有記賬權，且任意節點的權利和義務都是均等的。系統中的數據塊由整個系統中具有維護功能的節點共同維護。（2）匿名性。區塊鏈算法的實現是通過地址尋址的方式，而不是以個人身份，交易者不用通過公開身份的方式讓對方產生信任。（3）開放性。區塊鏈中的共有鏈是開放的，任何人只要是其中的一個節點都可以讀寫其中的信息，并能夠開發相關應用。整個系統的信息是高度透明的。（4）不可篡改性。區塊鏈中每一個區塊都是由區塊頭和區塊主體構成的。區塊頭的組成如圖1所示。區塊主體是一棵默克爾樹，將樹上節點（交易）的哈希值兩兩哈希后得到新的哈希值（新的節點），重復直至生成最后的哈希值就是默克爾根，如圖2所示。因此，如果一個節點發生變化，則要修改一整條哈希路徑直至最后的默克爾根。另外，如果某一個區塊被修改，后續區塊中“前一區塊的哈希值”也會變化，這樣經過區塊鏈的傳導，修改區塊之后的所有區塊都要修改。篡改區塊鏈中的交易需要同時控制系統中超過51%的節點，否則單個節點上對數據庫的修改是無效的。由此可見，區塊鏈數據的穩定性和可靠性都非常高。（5）可追溯性。圖1中，區塊鏈后一區塊頭中包含前一區塊的哈希值，這樣依次鏈接形成完整的區塊鏈。每個區塊都有哈希值唯一標識，這樣便于數據查詢，并可以追蹤區塊鏈中的數據變化。區塊鏈的去中心化結構可以在保障數據安全的同時實現數據共享，避免單點故障和數據孤島，因此Wood提出將區塊鏈應用到加密貨幣之外的領域[8]。例如，Dubovitskaya等人提出基于區塊鏈的電子醫療數據管理和共享系統，并考慮了系統中的安全和隱私保護機制[4]。Zhang等人利用區塊鏈技術建立了相互信任的數據共享系統，將其用于AI驅動的網絡運營，從而打破了各運營商間的數據壁壘；并利用區塊鏈將訪問控制和監控結合起來，為數據共享創造了一個安全的環境[9]。區塊鏈技術的應用已從金融領域延伸到物聯網、智能制造、供應鏈管理、數字資產交易等多個領域[10]，在新的技術革命和產業變革中將起到重要作用。
2城市軌道交通區塊鏈應用場景
隨著現代信息與通信技術的快速發展，大數據、云計算、寬帶無線通信等已被廣泛應用于現代城市軌道交通中。傳統的數據存儲采用的是中心化架構，一旦數據中心遭到破壞，整個信息系統將陷入癱瘓，嚴重威脅城市軌道交通運營安全。隨著數據量的爆炸式增長，傳統數據存儲方式已不能滿足城市軌道交通向智能化與智慧化發展的需要。而區塊鏈技術具有的去中心化、開放性、防篡改性等特征，可提升數據共享、存儲的安全性，對城市軌道交通智能化與智慧化的實現具有重要意義。
2.1權限管理
城市軌道交通信息化的發展需要權限管控體系對城市軌道交通物資和數據（特別是與列車運行相關的關鍵數據）進行權限管理。權限管理使物資和數據的安全性大幅增強、可操作性大幅提高，但傳統的集中式權限管理方案在權限分配時容易存在漏洞，從而導致系統關鍵數據被竊取、篡改等信息安全問題。基于區塊鏈的城市軌道交通權限管理結構示意如圖3所示。區塊鏈技術被引入城市軌道交通權限管理將深化權限管控方面的實踐，它可以針對不同角色、不同場景設置不同的數據權限。由于信息安全性的增強，區塊鏈可避免城市軌道交通物資和數據的權限分配差錯，保證特殊權益所有者的權限。例如，城市軌道交通最早引入區塊鏈的電子發票，其利用區塊鏈開放性和不可篡改性的特征保障地鐵發票發放的安全性和有效性。
2.2施工管理
城市軌道交通工程建設具有技術復雜、參與單位多、涉及面廣、工期長等特點。傳統施工管理由于采用的中心數據庫方式在數據共享方面難度大，不同建設方之間數據庫不共享且安全性差，因此在施工過程中，業主無法精準跟蹤且存在許多問題，如違約轉包、資金挪用、安全質量隱患等，從而嚴重影響項目的質量、進度等。區塊鏈技術在共享數據的同時增強了信息的安全性。該技術將帶來城市軌道交通工程項目管理的變革，可以共享不同建設方、不同部門、不同層級的數據，共享工程項目中的文件資料、設備和材料信息、人員信息，實現不同部門、不同項目的數據可信共享，從而提高各方的協同效率并實現項目全過程透明管理，有效控制項目的成本和質量。
2.3數據共享管理
城市軌道交通運營中每天都會產生大量的數據，如列車運行數據、客流量數據等，這些數據分散存儲在各自不同的部門，各部門分別采用數據保護措施并制定復雜的數據訪問策略，因數據隱私而產生的壁壘導致難以實現數據交流共享[11]。城市軌道交通中傳統的數據共享是建立一個集中的信息存儲交流平臺，將各部門的信息進行整合存儲。出于對數據隱私保護的需要，系統為所有的用戶提供匿名保護和數據加密，這成倍地增加了共享成本和難度，制約了城市軌道交通信息化的發展。區塊鏈具有開放性、匿名性和不可篡改性的特征使其適用于城市軌道交通領域的數據共享管理，并提高了數據管理的效率和質量。基于區塊鏈的城市軌道交通數據共享結構如圖4所示，它可以實現列車行駛數據共享、客流量共享、主機及通信系統運行日志共享等場景。區塊鏈分布式賬本具有的特性可增強城市軌道交通數據共享中的安全性和隱私性。
2.4密鑰管理
密鑰管理維持系統中各實體之間的密鑰關系，以抗擊各種可能的威脅。目前，城市軌道交通基于通信的列車控制（CBTC）中采用無線局域網（WLAN）或地鐵長期演進（LTE-M）無線通信技術傳輸控制信息[12]。其中無線通信是CBTC系統最大的信息安全弱點，且為實現城市軌道交通互聯互通，LTE-M系統也需要互聯互通，這更增加了信息泄露的隱患。為保證CBTC系統信息安全，車地無線通信必須進行加密和認證。目前CBTC系統無線通信均采用集中式密鑰管理，存在單點故障與安全性差的問題。區塊鏈技術的分布式特征使其適合用于CBTC系統實現分布式密鑰管理，這樣在提高CBTC系統信息安全的同時能夠克服集中式密鑰管理的單點故障問題，從而提高系統的可靠性。另外，乘客信息系統（PIS）采用的車地無線通信也可用區塊鏈進行密鑰管理。
2.5分布式智能場景
城市軌道交通正朝著安全、綠色、高效、智能方向發展，AI與城市軌道交通融合將構建新的服務模式和管理體系，提供更智能便捷的乘車體驗、多元化的服務、可靠和精細的控制與調度。但城市軌道交通傳統管理中各部門、各專業采用各自獨立的數據庫，它們之間的數據壁壘可能導致的記錄數據缺失和數據錯誤將成為城市軌道交通AI發展的瓶頸。將區塊鏈的分布式特性應用到AI數據中會驅動城市軌道交通的機器模型訓練過程，能夠有效提高其學習效率、安全性和魯棒性，并在降低成本的同時充分保障城市軌道交通的安全。
3結束語
本文介紹了在城市軌道交通信息化、智能化發展趨勢下引入區塊鏈技術，并分析其在權限管理、施工管理、數據共享管理、密鑰管理和分布式智能場景下的應用。目前，區塊鏈在城市軌道交通中的應用還處于起步階段，后續還需要在實際工程中進一步研究并測試其性能。
作者:趙紅禮 李莉莉 單位:北京交通大學軌道交通運行控制系統國家工程研究 中心大唐移動通信設備有限公司