基于区块链技术的铁路货运物流平台构建

发布时间：2021-05-31所属分类：计算机职称论文浏览：1次

摘 要： 摘要：随着铁路货运和物流的发展，对铁路全程物流服务、多式联运和国际联运等涉及多方主体的信息共享和作业协同提出了更高要求，传统的中心化系统普遍存在信息不对称、各节点间信任机制无法自觉建立、数据安全性和健壮性依赖核心企业、数据存证困难等方面的

　　摘要：随着铁路货运和物流的发展，对铁路全程物流服务、多式联运和国际联运等涉及多方主体的信息共享和作业协同提出了更高要求，传统的中心化系统普遍存在信息不对称、各节点间信任机制无法自觉建立、数据安全性和健壮性依赖核心企业、数据存证困难等方面的问题。对区块链关键技术进行研究，并对区块链技术在金融、海运、供应链和物流等领域的应用进行研究，设计基于区块链技术的铁路货运物流平台方案，提出利用区块链技术的去中心化、防篡改、隐私性、公开性、去信任机制和自治性等特点，提高铁路物流的信息共享能力，提升铁路物流综合服务整体水平，提升物流效率、降低物流成本，为区块链技术在铁路货运物流领域的应用提供新思路。

　　关键词：铁路运输;区块链技术;铁路货运;物流追踪;铁路物流;多式联运

　　0引言

　　近年来，随着铁路生产力布局不断调整、运输能力不断释放，铁路物流作为社会物流的组成部分发生了显著变化，铁路货运和物流信息系统建设不断推进。在铁路货运对外服务方面，中国铁路95306网对外构建全路统一的铁路货运综合营销服务平台，提供铁路货运物流综合信息服务，办理整车、集装箱、国际联运、班列产品、货物快运、综合物流等货运业务，实现货运客户服务的多渠道接入，支持货运客户的全程业务办理和全程信息服务;在铁路全程物流方面，随着铁路货运票据电子化的实施，整合和优化了生产流程，通过多系统有机结合、多工作紧密协作，实现了客户需求和内部生产信息电子化流转、无缝衔接，实现了货运数据全程共享;在多式联运方面，研发了多式联运数据交换平台，可实现铁路与港口、公路的多式联运数据交换;在国际联运方面，不断推进国际联运无纸化通关及数字口岸系统建设。在铁路全程物流、多式联运和国际联运方面，都涉及到多方主体参与、需要进行多节点信息共享和协同、传统中心化系统普遍存在信息不对称和信息被篡改的可能、各节点之间的信任机制无法自觉建立、数据安全性和健壮性依赖于核心企业、数据存证困难等方面的问题。

　　随着区块链技术发展和在相关领域的应用，去中心化、防篡改、隐私性、公开性、去信任机制和自治性等特点可以解决多方主体参与系统的安全性以及信息协同等问题。对区块链技术的发展和在相关行业的应用进行深入研究，设计基于区块链技术的铁路货运物流平台的构建方案，提升铁路物流综合服务水平，同时降低物流成本。

　　1研究现状

　　2008年，化名为“中本聪”(Satoshinakamoto)的学者在密码学邮件组发表奠基性论文《比特币：一种点对点电子现金系统》[1]，区块链技术在国内外的研究不断深入。结合铁路货运物流业务的需要，选取与铁路物流相关的区块链底层技术、物流金融应用、海运和集装箱、供应链和物流等进行研究，并对国内外科技巨头开展区块链技术平台和在应用方面的推进进行调研，以期对铁路货运物流平台的构建可行性和架构思路提供相关借鉴。

　　1.1区块链技术研究现状

　　(1)区块链底层技术。袁勇等[2]对区块链及比特币的原理、技术、方法与应用现状进行了阐述。沈鑫等[3]阐述区块链技术的核心技术原理，探讨区块链技术应用及存在的监管、安全问题。何蒲等[4]介绍基于比特币区块链基础技术、概念及应用前景。Tschorsch等[5]从协议、安全、网络、隐私等方面分析比特币原理。黄俊飞等[6]对区块链的P2P协议、智能合约、共识算法进行描述，并阐述区块链的几种主要应用场景。邵奇峰等[7]分析比特币、以太坊和HyperledgerFabric平台的共性与差异。

　　(2)金融领域。2015年，比特币公司(Coinbase)推出了比特币借记卡。2017年，中国人民银行数字货币研究所挂牌成立。美国全国证券交易商协会自动报价表(纳斯达克)利用区块链建立了LanguageIntegratedQuery(Linq)语言。瑞波币(Ripple)基于区块链技术实现快捷的跨境支付[7]，另外，在商业积分、游戏装备、保险等数字资产方面进行应用研究。

　　(3)海运领域。沈庆琼等[8]分析区块链技术在港口的应用场景，包括无纸化贸易、完善海运供应链网络、助力航运保险、优化货物运输等。朱盛军等[9]分析区块链技术在马士基、现代商船、以星航运等集装箱运输行业的试验案例，并提出区块链技术在集装箱运输行业中的应用建议，包括货物跟踪信息，电子单据、信息共享、数字资产等方面的应用。赵毅[10]指出航运业内大约有上百个不同规模的项目正在开展中。

　　(4)供应链和物流领域。杨慧琴等[11]提出了构建供应链信息平台，促使供应链中商流、物流、资金流、信息流4流合一，构建互信共赢的供应链生态体系。李晓萍等[12]提出构建基于区块链技术的物流服务供应链信息平台。谭征[13]指出区块链在物流供应链重构方面具有较强的实用性。孙俊等[14]提出基于联盟链的农产品追溯系统架构模型。张旭凤等[15]提出构建基于区块链技术的农产品物流信息平台。刘昱刚等[16]对区块链在电子提单方面的应用进行了研究。黄颖等[17]研究区块链技术在无车承运行业发展中的应用框架。

　　(5)铁路领域。王成等[18]提出铁路区块链应用展望;文献[19]对铁路物流与区块链融合应用场景进行分析探索;周亮瑾等[20]结合客运业务环境和应用场景，研究铁路客运私有链共识机制关键技术。

　　1.2区块链平台研究现状

　　1.2.1区块链平台

　　自2016年以来，区块链技术发展已引起各国、各级政府部门关注，越来越多的金融机构和互联网公司投入其中，国内外科技巨头纷纷开展区块链技术研究，并积极推进其应用落地。

　　1.2.2国内外研究现状

　　(1)在国外。2016年初，国际商业机器公司(IBM公司)在IBMInterConnect创新应用大会宣布重点投入区块链领域，推出一套用于在IBM云上创建、部署、运行和监控区块链应用的BaaS服务。另外，微软公司、亚马逊公司、谷歌公司都纷纷建立区块链技术平台。

　　(2)在国内。深圳市腾讯计算机系统有限公司自2016年起开始自研区块链底层技术，腾讯区块链于2017年9月正式推出了BaaS开发平台，并于2018年10月在深圳开出全国首张区块链电子发票，实现了区块链技术在电子发票领域的应用落地。早在2015年，百度公司开始对区块链技术进行研究，后期先后上线了区块链游戏——莱茨狗、区块链原创图片服务平台——图腾、百度百科上链等。阿里巴巴网络技术有限公司(简称阿里巴巴)在2016年云栖大会上与北京易诚互动网络技术有限公司推出基于区块链技术的积分商城——云优商城，为银行提供基于区块链的积分及分期场景;2018年2月，菜鸟网络科技有限公司与阿里巴巴的天猫国际已启用区块链平台。

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　　2平台构建

　　2.1总体架构

　　在铁路货运生产和全程物流服务过程中，涉及到物流企业、生产企业、铁路运输部门、监督部门、银行等之间的信息共享和协作;在多式联运服务方面，需要融合区块链技术打通公路、铁路、港口、货运代理商、海运承运商之间的信息壁垒，实现铁水联运、公铁联运的信息共享传递和作业协同;在国际联运服务方面，涉及国内联运企业、国外联运节点、海关和监管部门节点等，可通过区块链技术更好地实现无纸化通关，同时方便交易过程中的链上存证和价值链上转移。可以通过构建铁路物流联盟链的形式，构架一个基于区块链的铁路货运物流平台。基于区块链技术的铁路货运物流平台总体架构见图1。

　　2.2技术架构

　　基于区块链技术的铁路货运物流平台技术架构主要由基础层、区块链核心层、应用支撑层组成(图2)。

　　基础层为区块链提供节点及网络运行所需的数据库、文件系统、通信协议以及虚拟化功能。

　　区块链核心层提供区块链网络运行、维护所需的所有相关功能，主要包括智能合约、区块链核心技术、区块链平台、区块链运维等管理功能。

　　(1)智能合约管理。负责合约的注册发布、触发执行以及模板管理，主要包括合约生成、合约触发、合约执行和合约管理等功能。

　　(2)区块链核心技术管理。主要包括区块链共识机制、密码技术、隐私保护、监管机制、安全通信以及权限管理等功能。

　　(3)区块链平台管理。主要包括用户管理、区块链节点、链和智能合约管理等功能。授权用户可以增加、删除和管理节点，同时可以管理链中节点的组成和共识机制，提供节点权限管理功能，还可以更新合约代码、查看合约代码和状态。

　　(4)区块链运维管理。主要包括监控区块链运行状态、配置和部署区块链，以及设置预警。运维系统支持快速部署，管理员填写好节点配置信息后可以直接一键部署，包括docker、单机、多主机部署。同时可以设置预警条件，实时监控区块链运行状态，发现不正常状态可及时警示管理员。应用支撑层提供上层业务所需的智能合约，以及调用智能合约所需的接入服务。接入服务支持多种语言、平台，包括java、RESTful等接口，以及Andriod/iOS接口。

　　3关键技术

　　(1)隐私保护。区块链平台提供多种隐私保护技术，可在不同条件下保证隐私安全。利用基于多通道的隐私保护、基于密码学的隐私保护工具，如环签名、同态加密、零知识证明等方式，可解决区块链交易中用户隐私问题，以及通过可信存证库在区块链网络里进行授权后的隐私分发;提供多种隐私保护机制，既提供不同机构之间共享隐私数据的机制，又提供基于密码技术的上层业务隐私保护功能。

　　(2)可靠高效共识机制。区块链平台提供基于国密算法环境下的高性能共识机制，保障整个网络吞吐量的同时，也使网络更符合国家密码安全要求。提供可插拔的共识机制，包括基于kafka的分布式一致性共识机制和基于分片技术的双层共识机制，能够适用于各类应用场景，提升共识效率。

　　(3)安全智能合约。通过形式化验证能够快速发现智能合约的安全漏洞。提供智能合约运行审查，对部署运行的合约进行实时监管，防止合约漏洞造成危害。用户通过合约语言定义合约逻辑，发布到区块链上后，根据合约条款逻辑，由用户签名或者其他事件触发执行，完成交易结算等合约逻辑。通过形式化验证快速发现智能合约的安全隐私，提供安全的IDE，实现模板化的智能合约，方便用户根据不同业务场景快速实现安全可用的智能合约。

　　(4)跨链协议。为了更好地实现区块链之间的数据共享互通，需要利用跨链技术，区块链平台提供的不同区块链网络可互通数据，为跨区块链网络信息融合、实现链间的价值和信息等资源流转提供技术实现。

　　(5)密钥安全。联盟链网络依赖私钥进行认证和开展业务，平台提供区块链节点和用户密钥管理方案。包括多因子密钥管理、加密卡、加密机、UKEY、移动端白盒技术的密钥管理方案，用于适配不同安全等级和接入方式的需求。

　　(6)多CA及无证书认证方案。为不同需求提供多种CA接入方案。提供基于SM2的无证书密钥认证体系，一方面使网络摆脱CA的限制，另一方面降低网络贷款需求，可以在更小资源使用情况下达到更高的性能。

　　4结束语

　　随着区块链技术不断发展和深入研究，去中心化、防篡改、隐私性、公开性、去信任机制和自治性等特点在解决多方主体参与场景有广阔的应用前景，结合区块链关键技术，对基于区块链技术的铁路货运物流平台构建进行研究和方案设计，为区块链技术在铁路货运物流领域的应用提供新思路，随着区块链各种底层技术和平台技术的不断优化和各个领域应用落地的不断推进，为未来区块链技术在铁路货运物流的应用做好平台基础。——论文作者：王瑞民，黄敏珍，李国华