區(qū)塊鏈在城市軌道交通中應用探析
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摘要：針對城市軌道交通信息化和智能化發(fā)展中數(shù)據(jù)的共享困難和隱私性問題，文章首先介紹區(qū)塊鏈技術及其特征，然后從權限管理、施工管理、數(shù)據(jù)共享管理、密鑰管理和分布式智能場景幾方面分析區(qū)塊鏈在城市軌道交通中的應用，從而得出結論：區(qū)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(shù)據(jù)共享的同時保證信息的安全，克服中心管理的單點故障。區(qū)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(qū)塊鏈；數(shù)據(jù)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(xù)性的交通運輸模式，是國家關鍵基礎設施和重要基礎產(chǎn)業(yè)。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(shù)據(jù)和人工智能（AI）發(fā)揮著越來越重要的作用，為各行各業(yè)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(jīng)開始，并即將在城市軌道交通行業(yè)進行信息化和智慧城軌建設?！吨袊鞘熊壍澜煌ㄖ腔鄢擒壈l(fā)展綱要》指出，我國智慧城軌建設要應用云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AI、5G等新興信息技術，全面感知、深度互聯(lián)和智能融合乘客、設施、設備、環(huán)境等實體信息[3]，其中區(qū)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(fā)揮重要作用，可以實現(xiàn)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(qū)塊鏈技術及特征
區(qū)塊鏈起源于比特幣，在比特幣形成過程中，區(qū)塊是一個一個的存儲單元，記錄了一定時間內各個區(qū)塊節(jié)點全部的交流信息。各個區(qū)塊之間通過隨機散列(也稱哈希算法)實現(xiàn)鏈接，后一個區(qū)塊包含前一個區(qū)塊的哈希值，隨著信息交流的擴大，一個區(qū)塊與另一個區(qū)塊相繼接續(xù)，形成的結果稱為區(qū)塊鏈。區(qū)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(qū)塊鏈上。區(qū)塊鏈技術集數(shù)據(jù)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(jié)點都維護著一個區(qū)塊鏈的副本，并且通過共識算法實現(xiàn)分類賬本的一致性[5]。區(qū)塊鏈具有共享性、數(shù)據(jù)不可篡改和透明公開等特點，可以保證用戶的數(shù)據(jù)隱私安全。另外，區(qū)塊鏈允許不受信任的參與者以安全的方式相互通信并發(fā)送狀態(tài)更新消息，而無需完全信任的第三方或授權的中央節(jié)點[6]。區(qū)塊鏈的發(fā)展經(jīng)歷了以下3個階段：①區(qū)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(qū)塊鏈2.0為去中心化數(shù)據(jù)庫，采用智能合約與貨幣相結合，廣泛應用于金融領域；③區(qū)塊鏈3.0使區(qū)塊鏈的應用場景推進到金融行業(yè)之外的各行各業(yè)中。區(qū)塊鏈技術可以有效解決傳統(tǒng)集中式信息共享平臺面臨的諸多問題，其發(fā)展更具實用性，并賦能各行業(yè)，可提高整體系統(tǒng)的工作效率[7]。區(qū)塊鏈技術的主要特征如下。（1）去中心化。區(qū)塊鏈本質是一個去中心化的分布式賬本數(shù)據(jù)庫，每個節(jié)點都有記賬權，且任意節(jié)點的權利和義務都是均等的。系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)塊由整個系統(tǒng)中具有維護功能的節(jié)點共同維護。（2）匿名性。區(qū)塊鏈算法的實現(xiàn)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(chǎn)生信任。（3）開放性。區(qū)塊鏈中的共有鏈是開放的，任何人只要是其中的一個節(jié)點都可以讀寫其中的信息，并能夠開發(fā)相關應用。整個系統(tǒng)的信息是高度透明的。（4）不可篡改性。區(qū)塊鏈中每一個區(qū)塊都是由區(qū)塊頭和區(qū)塊主體構成的。區(qū)塊頭的組成如圖1所示。區(qū)塊主體是一棵默克爾樹，將樹上節(jié)點（交易）的哈希值兩兩哈希后得到新的哈希值（新的節(jié)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(jié)點發(fā)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(qū)塊被修改，后續(xù)區(qū)塊中“前一區(qū)塊的哈希值”也會變化，這樣經(jīng)過區(qū)塊鏈的傳導，修改區(qū)塊之后的所有區(qū)塊都要修改。篡改區(qū)塊鏈中的交易需要同時控制系統(tǒng)中超過51%的節(jié)點，否則單個節(jié)點上對數(shù)據(jù)庫的修改是無效的。由此可見，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性和可靠性都非常高。（5）可追溯性。圖1中，區(qū)塊鏈后一區(qū)塊頭中包含前一區(qū)塊的哈希值，這樣依次鏈接形成完整的區(qū)塊鏈。每個區(qū)塊都有哈希值唯一標識，這樣便于數(shù)據(jù)查詢，并可以追蹤區(qū)塊鏈中的數(shù)據(jù)變化。區(qū)塊鏈的去中心化結構可以在保障數(shù)據(jù)安全的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，避免單點故障和數(shù)據(jù)孤島，因此Wood提出將區(qū)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(qū)塊鏈的電子醫(yī)療數(shù)據(jù)管理和共享系統(tǒng)，并考慮了系統(tǒng)中的安全和隱私保護機制[4]。Zhang等人利用區(qū)塊鏈技術建立了相互信任的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng)，將其用于AI驅動的網(wǎng)絡運營，從而打破了各運營商間的數(shù)據(jù)壁壘；并利用區(qū)塊鏈將訪問控制和監(jiān)控結合起來，為數(shù)據(jù)共享創(chuàng)造了一個安全的環(huán)境[9]。區(qū)塊鏈技術的應用已從金融領域延伸到物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、供應鏈管理、數(shù)字資產(chǎn)交易等多個領域[10]，在新的技術革命和產(chǎn)業(yè)變革中將起到重要作用。
2城市軌道交通區(qū)塊鏈應用場景
隨著現(xiàn)代信息與通信技術的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、云計算、寬帶無線通信等已被廣泛應用于現(xiàn)代城市軌道交通中。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲采用的是中心化架構，一旦數(shù)據(jù)中心遭到破壞，整個信息系統(tǒng)將陷入癱瘓，嚴重威脅城市軌道交通運營安全。隨著數(shù)據(jù)量的爆炸式增長，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲方式已不能滿足城市軌道交通向智能化與智慧化發(fā)展的需要。而區(qū)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(shù)據(jù)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(xiàn)具有重要意義。
2.1權限管理
城市軌道交通信息化的發(fā)展需要權限管控體系對城市軌道交通物資和數(shù)據(jù)（特別是與列車運行相關的關鍵數(shù)據(jù)）進行權限管理。權限管理使物資和數(shù)據(jù)的安全性大幅增強、可操作性大幅提高，但傳統(tǒng)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(tǒng)關鍵數(shù)據(jù)被竊取、篡改等信息安全問題?；趨^(qū)塊鏈的城市軌道交通權限管理結構示意如圖3所示。區(qū)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(shù)據(jù)權限。由于信息安全性的增強，區(qū)塊鏈可避免城市軌道交通物資和數(shù)據(jù)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?yún)^(qū)塊鏈的電子發(fā)票，其利用區(qū)塊鏈開放性和不可篡改性的特征保障地鐵發(fā)票發(fā)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(tǒng)施工管理由于采用的中心數(shù)據(jù)庫方式在數(shù)據(jù)共享方面難度大，不同建設方之間數(shù)據(jù)庫不共享且安全性差，因此在施工過程中，業(yè)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(qū)塊鏈技術在共享數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)，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(xiàn)不同部門、不同項目的數(shù)據(jù)可信共享，從而提高各方的協(xié)同效率并實現(xiàn)項目全過程透明管理，有效控制項目的成本和質量。
2.3數(shù)據(jù)共享管理
城市軌道交通運營中每天都會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，如列車運行數(shù)據(jù)、客流量數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)分散存儲在各自不同的部門，各部門分別采用數(shù)據(jù)保護措施并制定復雜的數(shù)據(jù)訪問策略，因數(shù)據(jù)隱私而產(chǎn)生的壁壘導致難以實現(xiàn)數(shù)據(jù)交流共享[11]。城市軌道交通中傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)隱私保護的需要，系統(tǒng)為所有的用戶提供匿名保護和數(shù)據(jù)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(fā)展。區(qū)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(shù)據(jù)共享管理，并提高了數(shù)據(jù)管理的效率和質量?；趨^(qū)塊鏈的城市軌道交通數(shù)據(jù)共享結構如圖4所示，它可以實現(xiàn)列車行駛數(shù)據(jù)共享、客流量共享、主機及通信系統(tǒng)運行日志共享等場景。區(qū)塊鏈分布式賬本具有的特性可增強城市軌道交通數(shù)據(jù)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(tǒng)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(wǎng)（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(tǒng)最大的信息安全弱點，且為實現(xiàn)城市軌道交通互聯(lián)互通，LTE-M系統(tǒng)也需要互聯(lián)互通，這更增加了信息泄露的隱患。為保證CBTC系統(tǒng)信息安全，車地無線通信必須進行加密和認證。目前CBTC系統(tǒng)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(qū)塊鏈技術的分布式特征使其適合用于CBTC系統(tǒng)實現(xiàn)分布式密鑰管理，這樣在提高CBTC系統(tǒng)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(tǒng)的可靠性。另外，乘客信息系統(tǒng)（PIS）采用的車地無線通信也可用區(qū)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(fā)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(tǒng)管理中各部門、各專業(yè)采用各自獨立的數(shù)據(jù)庫，它們之間的數(shù)據(jù)壁壘可能導致的記錄數(shù)據(jù)缺失和數(shù)據(jù)錯誤將成為城市軌道交通AI發(fā)展的瓶頸。將區(qū)塊鏈的分布式特性應用到AI數(shù)據(jù)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(fā)展趨勢下引入?yún)^(qū)塊鏈技術，并分析其在權限管理、施工管理、數(shù)據(jù)共享管理、密鑰管理和分布式智能場景下的應用。目前，區(qū)塊鏈在城市軌道交通中的應用還處于起步階段，后續(xù)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(tǒng)國家工程研究 中心大唐移動通信設備有限公司