本文將討論區塊鏈技術的蓬勃發展趨勢，以及在不久的將來它將如何影響鐵路工業的各個領域。

自1853年印度首次從孟買的Bori Bunder到Thane的火車旅行以來，鐵路運營得到了長足的發展。鐵路作為一種運輸技術的引入帶來了印度經濟的轉型。它給這個國家帶來了第一場工業革命。從那時起，對廉價高效交通工具的需求呈指數級增長。為了提高效率、安全和線路容量，更多的列車利用軌道，信號和軌道元素，首先應用于機械，后來應用于電力，現在應用于數字控制。

傳統提高生產能力的方法包括高資本支出和長期醞釀期。因此，迫切需要不斷提高列車運行的各個方面運行水平。所以問題是，現代科技能在提高列車運行水平方面提供其他選擇嗎？未來會怎樣發展？

為了回答這個問題，世界各地的許多鐵路基礎設施管理人員正在研究用于鐵路運營的區塊鏈技術，以便在大幅度降低成本的情況下提高服務質量、可用性、容量和透明度。

區塊鏈是一個值得注意的發現，它其中密碼學與分布式網絡上的數據認證的融合使在線金融交易更安全，，但其獨特的優勢正在打開其他商業應用的窗戶，比如智能合約、汽車工業、醫療保健、物聯網、婚姻證書、網上投票意愿、保險、食品安全和旅行。讓我們研究一下這項技術及其在解決鐵路問題上的適用性。

什么是區塊鏈？

區塊鏈可以被理解為一種開放的分布式數字賬本，它可以高效、真實地記錄雙方之間的交易。

它不依賴于第三方（如銀行），而是使用對等方法，其中的驗證是由分布式網絡的節點完成。這種技術不僅消除了第三方對身份驗證的參與（通常是這些第三方成為安全漏洞的來源），也削減了額外的交易成本。使用這種方法，欺詐性交易的可能性被降到了零，因為稱為塊的交易組不僅受到數字簽名的保護，而數字簽名隨后要經過一個數學謎題才能對時間進行調整，而且還需要在現有的良好節點中成為網絡中最長和最快的一個才能成功。這意味著所有的交易都是完全安全的，如果有任何欺詐交易，將形成一長串這樣的區塊，所有各方都將清楚地看到這些區塊，以確定懲戒行動的犯罪者，而且這種欺詐交易幾乎不可能被忽略掉。因此，這種機制完全不受外人通過欺騙、網絡釣魚等方式的黑客攻擊。

2. 區塊鏈的演變

區塊鏈是一位名叫中本聰的匿名創造出來的產物。他于2008年構思了一篇題為《比特幣：對等電子現金系統》的論文。文章描述了電子現金的流動系統，該系統允許在線支付直接從一方發送到另一方，而無需經過任何金融機構。第一種電子交易系統被發明為比特幣，現在發展至加密貨幣，以及在安全交易系統中存在的所有其他貨幣。

幾個月后，一個實現新協議的開源程序發布了，它以包含50枚幣的創世塊開始。任何人都可以安裝這個開源程序，成為比特幣對等網絡的一部分。

3.它是如何工作的？

區塊鏈系統是由稱為“節點”的用戶組成的分布式網絡。每個用戶都受到私鑰的保護，私鑰對所有其他用戶都是保密的，而分配給他的公鑰作為他的公共身份是可見的。每個事務都被發送到使用發送方的“私鑰”進行數字簽名的接收方的“公鑰”。接收方使用發送方的“公鑰”驗證發送方的數字簽名。在這種驗證之后，允許事務與同時發生的其他事務組成一個組。這個組被稱為“塊”，通過以適當的線性時間順序連接這些塊而形成的鏈稱為區塊鏈。網絡中的任何節點都可以收集未經確認的事務并形成一個塊，然后廣播到網絡的其余部分。然而，由于這可以由多個節點同時完成，因此按時間順序排列這些塊是很重要的，這是通過使用數學難題來完成的。

這也被稱為“工作量證明”，生成塊的節點需要證明它已經投入了足夠的計算資源來解決數學難題。這樣的謎題解決起來并不簡單，而且問題的復雜性可以進行調整，使得比特幣網絡中的一個節點平均需要10分鐘的時間來做出正確的猜測并生成一個塊。在給定的時間內，系統中生成多個塊的概率非常小。批準塊的節點將它廣播給網絡的其他部分。如果同時解決多個塊，可能會導致多個分支。然而，求解的數學是非常復雜的，因此區塊鏈很快就穩定下來了，這意味著每個節點都同意從鏈的末端向后幾個塊的順序。為解決這個難題和生成塊而貢獻計算資源的節點被稱為“礦工”，他們的努力得到了經濟上的回報。

網絡只接受最長的區塊鏈作為有效的區塊鏈。因此，攻擊者引入欺詐性事務幾乎是不可能的，因為它不僅需要通過解決數學謎題生成塊，而且還必須同時與好的節點競爭以生成所有后續的塊，從而使其他節點接受它的事務&塊作為有效的事務。由于區塊鏈中的塊以加密方式連接在一起，這項工作變得更加困難。

4. 特性

除了會顛覆各國經濟的無休止的金融應用之外，區塊鏈改革傳統運輸業的可能性還來自其幾個獨特的特點：

密碼安全： 由于協商一致機制，密碼安全具有很高的閾值。

透明度： 公開的區塊鏈上的條目不能更改，因此提供了“真相”的時間戳版本。

完整性： 區塊鏈數據始終完整、準確、可靠、真實。一旦礦商就數據輸入達成協商一致意見，就不能改變。此外，在多個參與方共享的單個公共分類賬中可用的數據比多個數據庫更可靠。

廉價而高效： 區塊鏈消除了對集中式存儲庫和第三方專用身份驗證的需求，從而降低了成本，同時提供了更高的效率。

5. 在鐵路行業中的作用

在區塊鏈中，所有參與者共享相同的相關基礎設施信息。具體來說，這意味著所有的車輛都可以通過智能合約和軌道元素（如信號、點或平交道口）進行通信。這簡化了基礎設施，還可以改進整個系統的可用性。

在德國Darmstadt的基礎設施運營商調度員培訓設施進行的初步測試顯示，這些車輛可以選擇自己的路線，鎖定它們，然后再次釋放它們。這將在沒有中央控制中心的情況下發生，也不用擔心發生車次沖突。基礎設施元素的狀態記錄在防篡改、透明的總分類賬中，并不斷實時更新。從概念上講，區塊鏈可以用于所有其他事務，例如檢查駕照和驅動程序授權，并向基礎設施收費。到目前為止，該技術還處于試驗階段，潛在的用例正在開發中。

（a）獎勵積分/忠誠計劃

獎勵游客繼續購買旅行票已經成為信用卡公司和鐵路公司的重要營銷工具。為此，忠誠度計劃需要準確和用戶友好，以減少在乘客忠誠度積分和贖回帳戶時面臨復雜性。最近，舊金山開發了一款基于區塊鏈的忠誠度軟件，名為“Loyyal”。該平臺不僅力求提高多個方案之間的互操作性，而且還允許使用智能合約，可以在在合作伙伴之間進行發票和支付轉移。

從一項服務中兌換積分到另一項服務中，例如火車旅行后自動積分，這些積分可以進一步用于支付在線出租車服務，這將增加更好的旅行體驗。

b）完善旅游身份管理

在印度鐵路的任何預定艙位上進行旅行，應在網上提供規定的身份證明。在區塊鏈上，旅客的身份證明、更改預訂或查詢，均可使用旅客身份證，而毋須在旅途中攜帶任何身份證副本。

c）預測性維護

火車有復雜的機械和電氣系統，由成千上萬個機械部件組成。為了提供可靠的服務，列車需要定期維護，當達到一定里程時，在特定的時間段后，或者通過監測部件的狀態，就可以啟動定期維護。狀態監測包括檢查設備的運行情況，只有在設備出現惡化跡象時才進行更換。

物聯網和互補技術的可用性甚至使預測某些設備的故障成為可能。區塊鏈的使用，加上火車或基礎設施部件不斷發展的傳感器技術，可以看作是現代維護的基礎，其中各個部件獨立地登記它們的需求。

隨著基于物聯網的狀態監測的傳播，將會有一個復雜的網絡連接傳感器和控制器，這些控制器將被聚合到集中存儲重要數據的數據中心，作為指揮和控制的神經中心。數據如此集中，潛在的威脅是巨大的。在這里，區塊鏈可以用來確保網絡不被篡改、誤用，并且通過“工作量證明”，當局可以對一個清晰的審計跟蹤進行監視。

意大利主要列車運營商Trenitalia正在建造一個原型，使其能夠在故障發生前預測故障，而不僅僅是對故障做出反應。

該公司在機車和客車上安裝了物聯網傳感器，并使用分析和內存計算技術實時評估列車的運行狀況。

該項目將改變Trenitalia的商業模式，允許其安排更多的行程，并使每一次行程都更有利可圖。鐵路公司將能夠更好地計劃零部件庫存，并確定哪些線路一直表現不佳，需要升級。ARC咨詢集團表示，新系統每年將節省1億歐元。

d）分布式列車運行

目前，印度鐵路的指令是由中央系統執行的，它向列車操作員發出指令。這種方法面臨的最大挑戰包括系統故障、通信丟失、數據安全、人為錯誤、駕駛員死亡或特別的交通分流需求。考慮到這些不可避免的因素，鐵路框架需要有防止碰撞和脫軌的安全框架。但這種調度和安全框架也有其自身的缺點，如復雜性、巨大的成本、人力成本、異構性和互操作性問題。

這可以通過采用區塊鏈來控制，區塊鏈可以通過將其轉換為模塊化的“運輸操作系統”，同時處理特殊的交通、偏差、施工引起的變更、設備故障等問題。

該分布式系統應使列車和線路側設備能夠作為一級主動參與者，進行尋路、預約、切換到正確位置、與其他車輛交互、算法驅動的速度控制、自動制動、GPS驅動的列車定位等操作。所有這些操作都應由網絡驅動，并確保符合標準工作規則。其可靠性應由物理現實（軌道設備）與信息技術表示（物聯網數字孿生）的匹配來確定。這將使檢測鐵軌故障和預防事故成為可能。

對于列車運行控制，可以考慮邏輯分散的思想。根據區塊鏈的原則，在最大程度上考慮到安全和生命安全的前提下，每一項行動的驗證都應由強大的權威機構，如站長等多方進行。雖然系統比邏輯集中化更加復雜，但已經出現了具有去中心化決策的大規模網絡，并有效地維持了運營，如公開的比特幣和公開的以太坊區塊鏈。這種網絡成功地實現了水平擴展、協商一致的工作規則集（使用定義的多數規則進行系統決策）和容錯。同時，在保持可伸縮性的同時實現適當的QoS和性能（延遲、吞吐量和可預測性）在分布式賬本技術（DLTs）和區塊鏈中仍然具有挑戰性。

e）自動計費

許多國家鐵路網為相互競爭的客運和貨運鐵路提供“開放通道”，這些鐵路為基礎設施的使用（軌道、車站、能源供應）支付規定的費用。同樣，“后臺”出售提前訪問權，因為網絡訪問受到嚴格控制，以使時間表化的列車運營能夠保持其服務質量。使用區塊鏈，訪問權限的分配和實際支付都將使用區塊鏈錢包進行交易并立即進行，其中錢包的余額存儲在區塊鏈分類賬上。瑞士國有鐵路公司瑞士聯邦鐵路在其售票機上出售比特幣。

所有的交互（從購票到分包商付款）都可以使用一個區塊鏈驅動的一致的、可信的、復制的分類賬“數據庫”來處理，該數據庫屬于API驅動的多模式“運輸操作系統”，可以由所有層共享，例如采購、HR、維修，建設，政府監管，保險，零售商，供應商等。

上圖中，顯示了該系統最基本的部分。圖中所示的每一部分都存在于若干實例中：在國家一級和區域一級以及上述各層都有主權鐵路網。

6. 挑戰

不同區塊鏈之間的互操作性

在基本主題上有幾個變體，在不同的地方做出了不同的設計選擇。此外，即使使用的區塊鏈技術相同，兩種不同的部署也可能無法相互通信。

不確定性

監管方面的不確定性、技術上的不確定性、能源消耗、網絡安全以及與現有系統的整合也是區塊鏈必須克服的挑戰之一。

對于審計師來說的隱私性

審計員可獲得的不受限制的查閱權本身可能被有意或無意地濫用。這需要加以考慮，在可能的情況下，應采取減輕權力的措施。

身份保護

任意實體可能不知道其他實體之間交易的細節，但盡管不知道任何具體交易背后的身份，但可能有可能從幾項交易中挖掘出數據，并利用它們的綜合信息，或許通過將這些數據與外部事件聯系起來，找出當事人可能是誰。這一問題需要解決。

審計/管理訪問

該系統還需要確保某些特定方面，如正式任命的審計人員或監管機構，或其任命的人員，能夠訪問特定數據，達到他們履行職能所需的水平。為此，該制度需要管制外部各方/審計員的有限進入。

限制的可伸縮性

根據應用程序的類型，區塊鏈網絡可能面臨網絡帶寬和數據存儲等可伸縮性約束。此外，還可能存在由軟件驅動的硬件限制和基于用戶技術滲透的與管理配置接口相關的限制。其他因素，如塊大小和兩個連續塊之間的時間間隔也會影響可伸縮性。塊的大小越大，并發事務的數量就越多。

因此，在設計區塊鏈平臺時，必須考慮安全性、隱私性、功能、風險和可伸縮性之間的折衷。

該方法包括使列車能夠建立彼此之間的貿易關系，例如，當火車產生優先權時，使無監督的貨幣補償從延遲的快車到貨運列車，從而使特快列車能夠減少其延誤。像區塊鏈這樣的技術可以成為印度鐵路現代化努力的重要組成部分，因為諸如ETCS L2/CBTC這樣的現代列車控制技術是基于IP的，容易受到網絡安全威脅和黑客攻擊。

7. 結論

本文介紹了基于區塊鏈的分布式鐵路控制及其原型實現，將傳統的安全原理與前沿的IT技術相結合。列車可以根據透明、有約束力的智能合約，確定可能的路線，并直接預訂（包括臨時和提前預訂），從而確保資源預訂不存在沖突。與此同時，我的方法與集中式批量計劃并存，這種計劃產生長期的時間表，并將預先規劃的建設工地——跨鐵路項目整合在一起。

考慮到區塊鏈可以引申出來的大量現有結構和實踐，不僅它們的輸出和效率的完整性將得到提高，我們與這些過程的工作和交互方式也將轉變到一個新的水平。這樣，現有的模式就會被減少使用，并逐漸從社會和商業模式中淘汰。技術帶來更多的技術，使開發成為一個永無止境的鏈條，區塊鏈就是其中的一個步驟。

讓我們一起，去共同研究如何利用區塊鏈技術，令它能夠更有效地利用鐵路基礎設施，去實現靈活、可伸縮和自組織的鐵路運營控制。