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區(qū)塊鏈在城市軌道交通中應(yīng)用探析

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區(qū)塊鏈在城市軌道交通中應(yīng)用探析

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(shù)及其特征,然后從權(quán)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(yīng)用,從而得出結(jié)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(shù)的應(yīng)用可促進(jìn)城市軌道交通智能化,保障其運營安全。

關(guān)鍵詞:城市軌道交通;區(qū)塊鏈;數(shù)據(jù)共享;應(yīng)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(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施和重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。截至2020年9月30日,中國內(nèi)地累計有41個城市開通城市軌道交通,運營線路達(dá)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(jìn)入智慧化時代。目前,京滬穗等城市的智慧車站建設(shè)已經(jīng)開始,并即將在城市軌道交通行業(yè)進(jìn)行信息化和智慧城軌建設(shè)?!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(shè)要應(yīng)用云計算、大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈、AI、5G等新興信息技術(shù),全面感知、深度互聯(lián)和智能融合乘客、設(shè)施、設(shè)備、環(huán)境等實體信息[3],其中區(qū)塊鏈作為新興信息技術(shù)的一種,將在城市軌道交通智能和智慧建設(shè)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(zhì)量。

1區(qū)塊鏈技術(shù)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(nèi)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(kuò)大,一個區(qū)塊與另一個區(qū)塊相繼接續(xù),形成的結(jié)果稱為區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈的本質(zhì)是點對點的分布式賬本技術(shù)[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(shù)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(shù)于一身,其中每一個節(jié)點都維護(hù)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(quán)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(jié)合,廣泛應(yīng)用于金融領(lǐng)域;③區(qū)塊鏈3.0使區(qū)塊鏈的應(yīng)用場景推進(jìn)到金融行業(yè)之外的各行各業(yè)中。區(qū)塊鏈技術(shù)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(shù)的主要特征如下。(1)去中心化。區(qū)塊鏈本質(zhì)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(quán),且任意節(jié)點的權(quán)利和義務(wù)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(hù)功能的節(jié)點共同維護(hù)。(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?zhǔn)情_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(guān)應(yīng)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(gòu)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(fù)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(dǎo),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(biāo)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(jié)構(gòu)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(yīng)用到加密貨幣之外的領(lǐng)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(hù)機制[4]。Zhang等人利用區(qū)塊鏈技術(shù)建立了相互信任的數(shù)據(jù)共享系統(tǒng),將其用于AI驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(shù)的應(yīng)用已從金融領(lǐng)域延伸到物聯(lián)網(wǎng)、智能制造、供應(yīng)鏈管理、數(shù)字資產(chǎn)交易等多個領(lǐng)域[10],在新的技術(shù)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(yīng)用場景

隨著現(xiàn)代信息與通信技術(shù)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(yīng)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(gòu),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(yán)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(shù)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(quán)限管理

城市軌道交通信息化的發(fā)展需要權(quán)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(guān)的關(guān)鍵數(shù)據(jù))進(jìn)行權(quán)限管理。權(quán)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(quán)限管理方案在權(quán)限分配時容易存在漏洞,從而導(dǎo)致系統(tǒng)關(guān)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(quán)限管理結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。區(qū)塊鏈技術(shù)被引入城市軌道交通權(quán)限管理將深化權(quán)限管控方面的實踐,它可以針對不同角色、不同場景設(shè)置不同的數(shù)據(jù)權(quán)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(quán)限分配差錯,保證特殊權(quán)益所有者的權(quán)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(shè)具有技術(shù)復(fù)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(shè)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(zhǔn)跟蹤且存在許多問題,如違約轉(zhuǎn)包、資金挪用、安全質(zhì)量隱患等,從而嚴(yán)重影響項目的質(zhì)量、進(jìn)度等。區(qū)塊鏈技術(shù)在共享數(shù)據(jù)的同時增強了信息的安全性。該技術(shù)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(shè)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(shè)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(zhì)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(hù)措施并制定復(fù)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(dǎo)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(jìn)行整合存儲。出于對數(shù)據(jù)隱私保護(hù)的需要,系統(tǒng)為所有的用戶提供匿名保護(hù)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(lǐng)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(zhì)量?;趨^(qū)塊鏈的城市軌道交通數(shù)據(jù)共享結(jié)構(gòu)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(guān)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(jìn)(LTE-M)無線通信技術(shù)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?zé)o線通信必須進(jìn)行加密和認(rèn)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(shù)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?zé)o線通信也可用區(qū)塊鏈進(jìn)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(gòu)建新的服務(wù)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(wù)、可靠和精細(xì)的控制與調(diào)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(dǎo)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(yīng)用到AI數(shù)據(jù)中會驅(qū)動城市軌道交通的機器模型訓(xùn)練過程,能夠有效提高其學(xué)習(xí)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(jié)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(shù),并分析其在權(quán)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(yīng)用。目前,區(qū)塊鏈在城市軌道交通中的應(yīng)用還處于起步階段,后續(xù)還需要在實際工程中進(jìn)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(xué)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(shè)備有限公司

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