区块链将如何影响铁路工业的各个领域

本文将讨论区块链技术的蓬勃发展趋势，以及在不久的将来它将如何影响铁路工业的各个领域。

自1853年印度首次从孟买的Bori Bunder到Thane的火车旅行以来，铁路运营得到了长足的发展。铁路作为一种运输技术的引入带来了印度经济的转型。它给这个国家带来了第一场工业革命。从那时起，对廉价高效交通工具的需求呈指数级增长。为了提高效率、安全和线路容量，更多的列车利用轨道，信号和轨道元素，首先应用于机械，后来应用于电力，现在应用于数字控制。

传统提高生产能力的方法包括高资本支出和长期酝酿期。因此，迫切需要不断提高列车运行的各个方面运行水平。所以问题是，现代科技能在提高列车运行水平方面提供其他选择吗？未来会怎样发展？

为了回答这个问题，世界各地的许多铁路基础设施管理人员正在研究用于铁路运营的区块链技术，以便在大幅度降低成本的情况下提高服务质量、可用性、容量和透明度。

区块链是一个值得注意的发现，它其中密码学与分布式网络上的数据认证的融合使在线金融交易更安全，，但其独特的优势正在打开其他商业应用的窗户，比如智能合约、汽车工业、医疗保健、物联网、婚姻证书、网上投票意愿、保险、食品安全和旅行。让我们研究一下这项技术及其在解决铁路问题上的适用性。

什么是区块链？

区块链可以被理解为一种开放的分布式数字账本，它可以高效、真实地记录双方之间的交易。

它不依赖于第三方（如银行），而是使用对等方法，其中的验证是由分布式网络的节点完成。这种技术不仅消除了第三方对身份验证的参与（通常是这些第三方成为安全漏洞的来源），也削减了额外的交易成本。使用这种方法，欺诈性交易的可能性被降到了零，因为称为块的交易组不仅受到数字签名的保护，而数字签名随后要经过一个数学谜题才能对时间进行调整，而且还需要在现有的良好节点中成为网络中最长和最快的一个才能成功。这意味着所有的交易都是完全安全的，如果有任何欺诈交易，将形成一长串这样的区块，所有各方都将清楚地看到这些区块，以确定惩戒行动的犯罪者，而且这种欺诈交易几乎不可能被忽略掉。因此，这种机制完全不受外人通过欺骗、网络钓鱼等方式的黑客攻击。

2. 区块链的演变

区块链是一位名叫中本聪的匿名创造出来的产物。他于2008年构思了一篇题为《比特币：对等电子现金系统》的论文。文章描述了电子现金的流动系统，该系统允许在线支付直接从一方发送到另一方，而无需经过任何金融机构。第一种电子交易系统被发明为比特币，现在发展至加密货币，以及在安全交易系统中存在的所有其他货币。

几个月后，一个实现新协议的开源程序发布了，它以包含50枚币的创世块开始。任何人都可以安装这个开源程序，成为比特币对等网络的一部分。

3.它是如何工作的？

区块链系统是由称为“节点”的用户组成的分布式网络。每个用户都受到私钥的保护，私钥对所有其他用户都是保密的，而分配给他的公钥作为他的公共身份是可见的。每个事务都被发送到使用发送方的“私钥”进行数字签名的接收方的“公钥”。接收方使用发送方的“公钥”验证发送方的数字签名。在这种验证之后，允许事务与同时发生的其他事务组成一个组。这个组被称为“块”，通过以适当的线性时间顺序连接这些块而形成的链称为区块链。网络中的任何节点都可以收集未经确认的事务并形成一个块，然后广播到网络的其余部分。然而，由于这可以由多个节点同时完成，因此按时间顺序排列这些块是很重要的，这是通过使用数学难题来完成的。

这也被称为“工作量证明”，生成块的节点需要证明它已经投入了足够的计算资源来解决数学难题。这样的谜题解决起来并不简单，而且问题的复杂性可以进行调整，使得比特币网络中的一个节点平均需要10分钟的时间来做出正确的猜测并生成一个块。在给定的时间内，系统中生成多个块的概率非常小。批准块的节点将它广播给网络的其他部分。如果同时解决多个块，可能会导致多个分支。然而，求解的数学是非常复杂的，因此区块链很快就稳定下来了，这意味着每个节点都同意从链的末端向后几个块的顺序。为解决这个难题和生成块而贡献计算资源的节点被称为“矿工”，他们的努力得到了经济上的回报。

网络只接受最长的区块链作为有效的区块链。因此，攻击者引入欺诈性事务几乎是不可能的，因为它不仅需要通过解决数学谜题生成块，而且还必须同时与好的节点竞争以生成所有后续的块，从而使其他节点接受它的事务&块作为有效的事务。由于区块链中的块以加密方式连接在一起，这项工作变得更加困难。

4. 特性

除了会颠覆各国经济的无休止的金融应用之外，区块链改革传统运输业的可能性还来自其几个独特的特点：

密码安全： 由于协商一致机制，密码安全具有很高的阈值。

透明度： 公开的区块链上的条目不能更改，因此提供了“真相”的时间戳版本。

完整性： 区块链数据始终完整、准确、可靠、真实。一旦矿商就数据输入达成协商一致意见，就不能改变。此外，在多个参与方共享的单个公共分类账中可用的数据比多个数据库更可靠。

廉价而高效： 区块链消除了对集中式存储库和第三方专用身份验证的需求，从而降低了成本，同时提供了更高的效率。

5. 在铁路行业中的作用

在区块链中，所有参与者共享相同的相关基础设施信息。具体来说，这意味着所有的车辆都可以通过智能合约和轨道元素（如信号、点或平交道口）进行通信。这简化了基础设施，还可以改进整个系统的可用性。

在德国Darmstadt的基础设施运营商调度员培训设施进行的初步测试显示，这些车辆可以选择自己的路线，锁定它们，然后再次释放它们。这将在没有中央控制中心的情况下发生，也不用担心发生车次冲突。基础设施元素的状态记录在防篡改、透明的总分类账中，并不断实时更新。从概念上讲，区块链可以用于所有其他事务，例如检查驾照和驱动程序授权，并向基础设施收费。到目前为止，该技术还处于试验阶段，潜在的用例正在开发中。

（a）奖励积分/忠诚计划

奖励游客继续购买旅行票已经成为信用卡公司和铁路公司的重要营销工具。为此，忠诚度计划需要准确和用户友好，以减少在乘客忠诚度积分和赎回帐户时面临复杂性。最近，旧金山开发了一款基于区块链的忠诚度软件，名为“Loyyal”。该平台不仅力求提高多个方案之间的互操作性，而且还允许使用智能合约，可以在在合作伙伴之间进行发票和支付转移。

从一项服务中兑换积分到另一项服务中，例如火车旅行后自动积分，这些积分可以进一步用于支付在线出租车服务，这将增加更好的旅行体验。

b）完善旅游身份管理

在印度铁路的任何预定舱位上进行旅行，应在网上提供规定的身份证明。在区块链上，旅客的身份证明、更改预订或查询，均可使用旅客身份证，而毋须在旅途中携带任何身份证副本。

c）预测性维护

火车有复杂的机械和电气系统，由成千上万个机械部件组成。为了提供可靠的服务，列车需要定期维护，当达到一定里程时，在特定的时间段后，或者通过监测部件的状态，就可以启动定期维护。状态监测包括检查设备的运行情况，只有在设备出现恶化迹象时才进行更换。

物联网和互补技术的可用性甚至使预测某些设备的故障成为可能。区块链的使用，加上火车或基础设施部件不断发展的传感器技术，可以看作是现代维护的基础，其中各个部件独立地登记它们的需求。

随着基于物联网的状态监测的传播，将会有一个复杂的网络连接传感器和控制器，这些控制器将被聚合到集中存储重要数据的数据中心，作为指挥和控制的神经中心。数据如此集中，潜在的威胁是巨大的。在这里，区块链可以用来确保网络不被篡改、误用，并且通过“工作量证明”，当局可以对一个清晰的审计跟踪进行监视。

意大利主要列车运营商Trenitalia正在建造一个原型，使其能够在故障发生前预测故障，而不仅仅是对故障做出反应。

该公司在机车和客车上安装了物联网传感器，并使用分析和内存计算技术实时评估列车的运行状况。

该项目将改变Trenitalia的商业模式，允许其安排更多的行程，并使每一次行程都更有利可图。铁路公司将能够更好地计划零部件库存，并确定哪些线路一直表现不佳，需要升级。ARC咨询集团表示，新系统每年将节省1亿欧元。

d）分布式列车运行

目前，印度铁路的指令是由中央系统执行的，它向列车操作员发出指令。这种方法面临的最大挑战包括系统故障、通信丢失、数据安全、人为错误、驾驶员死亡或特别的交通分流需求。考虑到这些不可避免的因素，铁路框架需要有防止碰撞和脱轨的安全框架。但这种调度和安全框架也有其自身的缺点，如复杂性、巨大的成本、人力成本、异构性和互操作性问题。

这可以通过采用区块链来控制，区块链可以通过将其转换为模块化的“运输操作系统”，同时处理特殊的交通、偏差、施工引起的变更、设备故障等问题。

该分布式系统应使列车和线路侧设备能够作为一级主动参与者，进行寻路、预约、切换到正确位置、与其他车辆交互、算法驱动的速度控制、自动制动、GPS驱动的列车定位等操作。所有这些操作都应由网络驱动，并确保符合标准工作规则。其可靠性应由物理现实（轨道设备）与信息技术表示（物联网数字孪生）的匹配来确定。这将使检测铁轨故障和预防事故成为可能。

对于列车运行控制，可以考虑逻辑分散的思想。根据区块链的原则，在最大程度上考虑到安全和生命安全的前提下，每一项行动的验证都应由强大的权威机构，如站长等多方进行。虽然系统比逻辑集中化更加复杂，但已经出现了具有去中心化决策的大规模网络，并有效地维持了运营，如公开的比特币和公开的以太坊区块链。这种网络成功地实现了水平扩展、协商一致的工作规则集（使用定义的多数规则进行系统决策）和容错。同时，在保持可伸缩性的同时实现适当的QoS和性能（延迟、吞吐量和可预测性）在分布式账本技术（DLTs）和区块链中仍然具有挑战性。

e）自动计费

许多国家铁路网为相互竞争的客运和货运铁路提供“开放通道”，这些铁路为基础设施的使用（轨道、车站、能源供应）支付规定的费用。同样，“后台”出售提前访问权，因为网络访问受到严格控制，以使时间表化的列车运营能够保持其服务质量。使用区块链，访问权限的分配和实际支付都将使用区块链钱包进行交易并立即进行，其中钱包的余额存储在区块链分类账上。瑞士国有铁路公司瑞士联邦铁路在其售票机上出售比特币。

所有的交互（从购票到分包商付款）都可以使用一个区块链驱动的一致的、可信的、复制的分类账“数据库”来处理，该数据库属于API驱动的多模式“运输操作系统”，可以由所有层共享，例如采购、HR、维修，建设，政府监管，保险，零售商，供应商等。

上图中，显示了该系统最基本的部分。图中所示的每一部分都存在于若干实例中：在国家一级和区域一级以及上述各层都有主权铁路网。

6. 挑战

不同区块链之间的互操作性

在基本主题上有几个变体，在不同的地方做出了不同的设计选择。此外，即使使用的区块链技术相同，两种不同的部署也可能无法相互通信。

不确定性

监管方面的不确定性、技术上的不确定性、能源消耗、网络安全以及与现有系统的整合也是区块链必须克服的挑战之一。

对于审计师来说的隐私性

审计员可获得的不受限制的查阅权本身可能被有意或无意地滥用。这需要加以考虑，在可能的情况下，应采取减轻权力的措施。

身份保护

任意实体可能不知道其他实体之间交易的细节，但尽管不知道任何具体交易背后的身份，但可能有可能从几项交易中挖掘出数据，并利用它们的综合信息，或许通过将这些数据与外部事件联系起来，找出当事人可能是谁。这一问题需要解决。

审计/管理访问

该系统还需要确保某些特定方面，如正式任命的审计人员或监管机构，或其任命的人员，能够访问特定数据，达到他们履行职能所需的水平。为此，该制度需要管制外部各方/审计员的有限进入。

限制的可伸缩性

根据应用程序的类型，区块链网络可能面临网络带宽和数据存储等可伸缩性约束。此外，还可能存在由软件驱动的硬件限制和基于用户技术渗透的与管理配置接口相关的限制。其他因素，如块大小和两个连续块之间的时间间隔也会影响可伸缩性。块的大小越大，并发事务的数量就越多。

因此，在设计区块链平台时，必须考虑安全性、隐私性、功能、风险和可伸缩性之间的折衷。

该方法包括使列车能够建立彼此之间的贸易关系，例如，当火车产生优先权时，使无监督的货币补偿从延迟的快车到货运列车，从而使特快列车能够减少其延误。像区块链这样的技术可以成为印度铁路现代化努力的重要组成部分，因为诸如ETCS L2/CBTC这样的现代列车控制技术是基于IP的，容易受到网络安全威胁和黑客攻击。

7. 结论

本文介绍了基于区块链的分布式铁路控制及其原型实现，将传统的安全原理与前沿的IT技术相结合。列车可以根据透明、有约束力的智能合约，确定可能的路线，并直接预订（包括临时和提前预订），从而确保资源预订不存在冲突。与此同时，我的方法与集中式批量计划并存，这种计划产生长期的时间表，并将预先规划的建设工地——跨铁路项目整合在一起。

考虑到区块链可以引申出来的大量现有结构和实践，不仅它们的输出和效率的完整性将得到提高，我们与这些过程的工作和交互方式也将转变到一个新的水平。这样，现有的模式就会被减少使用，并逐渐从社会和商业模式中淘汰。技术带来更多的技术，使开发成为一个永无止境的链条，区块链就是其中的一个步骤。

让我们一起，去共同研究如何利用区块链技术，令它能够更有效地利用铁路基础设施，去实现灵活、可伸缩和自组织的铁路运营控制。