多式聯(lián)運數據交換區(qū)塊鏈技術應用研究

黃敏珍，王瑞民，林曉蕾

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 電子計算技術研究所，北京 100081)

多式聯(lián)運在充分利用運輸資源、降低綜合物流成本、促進“節(jié)支降耗”，以及在提高運輸服務水平，促進現代物流、現代產業(yè)鏈和供應鏈發(fā)展方面具有重要作用。鐵路作為綜合交通運輸體系的骨干企業(yè)，在鐵路多式聯(lián)運信息化建設方面不斷推進， 隨著鐵路多式聯(lián)運數據交換平臺的研發(fā)，實現鐵路與港口生產數據互聯(lián)互通，為鐵公水業(yè)務深度融合、多式聯(lián)運全面貫通奠定技術基礎。多式聯(lián)運業(yè)務涉及鐵路、公路、海運、港口，以及國際多式聯(lián)運的各方，存在數據共享困難、存證困難、業(yè)務協(xié)同作業(yè)困難及業(yè)務數據流轉繁雜等問題，而區(qū)塊鏈技術具有去中心化、多方共識、安全不可篡改等特點，應用區(qū)塊鏈技術對多式聯(lián)運的數據交換方式進行研究，可以更好地實現多式聯(lián)運各主體間運單及業(yè)務數據共享，優(yōu)化整體作業(yè)流程，加速運輸協(xié)調、信息流轉，提高物流效率。同時，利用區(qū)塊鏈技術可以打通鐵路、港口、公路、口岸站、物流園區(qū)之間的信息壁壘，提升各運輸方式之間的作業(yè)協(xié)同能力，構建全程物流信息鏈條，為實現多式聯(lián)運“一單制”奠定基礎，從而降低社會整體物流成本，促進“節(jié)支降耗”，提升經濟社會綜合效益。

1 多式聯(lián)運數據交換需求分析

1.1 數據交換業(yè)務需求

多式聯(lián)運包括公鐵聯(lián)運、鐵水聯(lián)運、公水聯(lián)運、空陸聯(lián)運、組合運輸等多種聯(lián)運方式，多式聯(lián)運參與者包括多式聯(lián)運經營人、實際承運人、無車承運人、無船承運人、貨運代理人等，要實現多式聯(lián)運多方的作業(yè)協(xié)同，利用新技術更好地實現各方之間的數據高度共享和交換是非常關鍵的一個環(huán)節(jié)，選取與鐵路相關的典型的鐵水聯(lián)運、公鐵聯(lián)運數據交換等場景進行分析研究。

在鐵水聯(lián)運數據交換方面，鐵路運輸包括整車、零擔、集裝箱等組織方式。對于整車運輸，主要業(yè)務流程包括托運人提報需求、需求受理、裝車、制票、在途、到達和在站等階段。對于集裝箱運輸，還包括配箱、用具回送等階段。鐵路運輸流程如圖1 所示。

圖1 鐵路運輸流程圖Fig.1 Railway transportation flow chart

在鐵水聯(lián)運過程中，整個業(yè)務過程復雜，不僅涉及到鐵路內部各部門各作業(yè)環(huán)節(jié)之間的數據交換，還涉及到鐵路和港口之間的數據共享交換，而且在各個作業(yè)環(huán)節(jié)需要共享的信息非常復雜。從鐵路業(yè)務系統(tǒng)角度分析，托運人在95306 網站提報需求和受理需求后，鐵路需要將鐵路箱下水信息、承認車信息傳送給港口；在受理需求之后，對于各種類型的運輸方式，其交換數據也不一樣，對于整車運輸的貨物，需要將裝車制票、貨檢、在途和到達等信息實時反饋給港口；對于集裝箱運輸，還需要將集裝箱信息、運送用具回送清單等信息傳送給港口系統(tǒng)。從港口業(yè)務系統(tǒng)角度分析，港口需要把船期、港存信息、集疏運信息、港口鐵路日階段作業(yè)計劃、整車運輸的階段需求和裝車需求等信息共享給鐵路系統(tǒng)。另外，對于集裝箱運輸，還需要共享艙單、訂箱、裝車和企業(yè)現在車等信息。

在公鐵聯(lián)運數據交換方面，公鐵聯(lián)運業(yè)務涉及客戶需求受理、站內作業(yè)、途中運輸、跨局中轉、全路物流調度、物流配送、預警監(jiān)控、質量考核等物流全過程信息化管理。公鐵聯(lián)運作業(yè)流程如圖2所示。

公鐵聯(lián)運數據共享主要面向公鐵聯(lián)運的站段作業(yè)人員，需要具備取配任務管理和作業(yè)管理、運營監(jiān)控和統(tǒng)計分析、車輛動態(tài)管理、司機配送管理等。對于公鐵聯(lián)運的貨物，客戶提報聯(lián)運需求后，由鐵路系統(tǒng)生成公鐵聯(lián)運取貨任務，然后選擇相關的運力商，公路獲取到取貨任務后進行派車，然后貨物運送到鐵路進行進站交接裝車，接著貨物進入鐵路運輸環(huán)節(jié)，貨物到達鐵路貨運站后，如果需要通過公路進行送貨，由鐵路系統(tǒng)生成公鐵聯(lián)運的送貨任務，選擇相關運力商后，公路系統(tǒng)接收任務，派車送貨并將運輸信息反饋給鐵路。

除了鐵水聯(lián)運、公鐵聯(lián)運以外，多式聯(lián)運數據交換還包括鐵路與電廠、煤礦等大型生產企業(yè)、物流企業(yè)、專用線，運輸裝備所有者，船公司，專業(yè)物流公司、集裝箱公司、口岸和物流園區(qū)等企業(yè)之間的數據交換。通過傳統(tǒng)電子數據交換(Electronic Data Interchange，EDI)的方式，可以實現系統(tǒng)之間的數據交換，但是多式聯(lián)運業(yè)務對數據交換提出了更高的需求。從管理角度看，需要實現跨系統(tǒng)、跨區(qū)域、跨部門之間的實時數據共享與協(xié)同；從技術角度看，需要各層級各系統(tǒng)之間的數據同步交換，保障數據安全可信。為了更好地進行多式聯(lián)運數據交換，將區(qū)塊鏈技術與多式聯(lián)運業(yè)務進行融合，探索“區(qū)塊鏈+多式聯(lián)運業(yè)務”模式，提升各運輸方式之間的作業(yè)協(xié)同能力，不斷推進多式聯(lián)運“一單制”運輸。

圖2 公鐵聯(lián)運作業(yè)流程圖Fig.2 Operation flow of highway and railway combined transportation

1.2 區(qū)塊鏈與數據交換的關系

在區(qū)塊鏈技術方面，2008 年以來，國內外學者對區(qū)塊鏈技術進行了大量研究[1-5]，區(qū)塊鏈技術已經從數字貨幣領域延伸到證券、金融、物流、電子發(fā)票等領域，在集裝箱、海運[6-7]、鐵路[8-11]等領域都有區(qū)塊鏈技術的融合應用研究。在多式聯(lián)運數據交換方面，鐵路多式聯(lián)運數據交換平臺上線，實現了鐵路貨運數據與寧波港、上海港、連云港港等港口數據的無縫對接，雖然鐵路與港口、公路之間的數據交換共享可以實現，但是在數據共享機制、信任機制、安全機制和合約機制方面提出了更高的要求，而區(qū)塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、多方共識、公開透明等特點。多式聯(lián)運和區(qū)塊鏈技術有如下關聯(lián)性和契合點。

（1）共享協(xié)同機制方面。多式聯(lián)運數據交換涉及托運方、收貨方、鐵路、港口、公路、海關等之間的共享協(xié)同實現信息交換共享。而區(qū)塊鏈技術作為分布式共享數據庫技術，每個節(jié)點都存儲了完整賬本，不同節(jié)點互為備份，數據更新與維護由多個節(jié)點共同完成。區(qū)塊鏈技術在解決多方協(xié)作共享問題方面有很多方面的優(yōu)勢，可以通過架構靈活，可伸縮、可擴展的底層聯(lián)盟鏈技術，建立一個適應復雜場景的多式聯(lián)運聯(lián)盟鏈，打通多式聯(lián)運各承運人企業(yè)，實現各種運輸過程中信息流對稱。

（2）信任機制方面。多式聯(lián)運數據交換涉及到多式聯(lián)運企業(yè)之間的充分信任，按照傳統(tǒng)的方式，往往是通過第三方機構監(jiān)管等方式建立信任機制。而區(qū)塊鏈技術則通過去信任化實現數據的交互，不必再需要擔保機構的介入。這種機制可以大大提高多式聯(lián)運主體間的信任程度，改善信任關系，在此基礎上，交易信息可以準確、快捷地交換。

（3）安全機制方面。多式聯(lián)運的數據交換對安全性有很高的要求，需要保障多層級數據同步交換、數據安全可靠，尤其是交易信息和用戶信息的安全。而區(qū)塊鏈對信息有很強的安全保障，區(qū)塊鏈的安全機制可以有效解決多式聯(lián)運數據交換中的安全問題。

（4）合約機制方面。在多式聯(lián)運數據交換中，涉及到很多合同條款以及業(yè)務邏輯。而區(qū)塊鏈技術內置于區(qū)塊中的智能合約經編譯后被觸發(fā)時可自動執(zhí)行，如果使用智能合約，其自動執(zhí)行的特點可以避免人為惡意干擾，提高了執(zhí)行效率。

2 基于區(qū)塊鏈技術的多式聯(lián)運數據交換總體架構設計

2.1 總體架構

基于多式聯(lián)運數據交換的鐵水聯(lián)運、公鐵聯(lián)運典型的業(yè)務場景，結合區(qū)塊鏈技術架構方式，設計基于區(qū)塊鏈技術的多式聯(lián)運數據交換方式?；趨^(qū)塊鏈技術的多式聯(lián)運數據交換總體架構如圖3 所示，包括基礎層、區(qū)塊鏈核心層、應用服務層、應用接口和業(yè)務應用層。

（1）基礎層?；A層處于架構的最底層，為區(qū)塊鏈提供節(jié)點和網絡運行所需的數據庫存儲、文件存儲、P2P 通信協(xié)議以及虛擬化技術。其中數據庫存儲包括區(qū)塊鏈數據存儲和區(qū)塊鏈數據緩存，區(qū)塊鏈數據存儲包括關系型數據庫和非關系型數據庫的存儲，區(qū)塊鏈數據緩存包括交易數據、塊數據、運行數據等的存儲。在通信協(xié)議方面，區(qū)塊鏈平臺一般采用分布式的P2P協(xié)議進行網絡傳輸，每個節(jié)點均可以發(fā)布和廣播信息。

圖3 基于區(qū)塊鏈技術的多式聯(lián)運數據交換總體架構圖Fig.3 Overall architecture diagram of multimodal transportation data exchange based on blockchain technology

（2）區(qū)塊鏈核心層。區(qū)塊鏈核心層提供區(qū)塊鏈整個網絡運行和維護的所有功能。包括智能合約、共識機制、密碼算法、隱私保護、權限管理和安全通信、區(qū)塊鏈運維管理等核心技術。①在智能合約方面，構建安全的智能合約機制，包括注冊發(fā)布、合約執(zhí)行以及合約模板的管理?；诙嗍铰?lián)運業(yè)務，用戶根據公鐵聯(lián)運、鐵水聯(lián)運以及不同聯(lián)運場景制定相應的合約機制，并對智能合約進行發(fā)布和部署，同時對部署運行的合約進行實時監(jiān)管和定期審查，防止合約漏洞造成危害。②在共識機制方面，設計可靠高效共識機制。為了實現更加靈活可靠高效的共識機制，提供可插拔的共識機制，包括分布式一致性共識機制或者基于分片技術的雙層共識機制，以適應多式聯(lián)運跨系統(tǒng)和跨部門各類應用場景，極大提升共識效率。③在密碼算法和隱私保護方面，提供安全可靠的密碼和隱私保護機制。在密碼算法方面，提供支持國密算法的密碼算法，支持對第三方可信CA 的用戶身份認證；在隱私保護方面，提供多種隱私保護技術用于在不同條件下保證隱私安全。主要的隱私技術包括：基于多通道的隱私保護，基于可信存證庫的隱私保護，基于密碼學的隱私保護工具，如環(huán)簽名、零知識證明、隱形地址等方式。④在安全通信方面，為不同需求提供多種CA 接入方案。提供基于國密算法的密鑰認證體系，一方面使網絡擺脫CA 的限制，可以在更小的資源使用情況下達到更高的性能，另一方面，支持多種CA 接入方案可提高系統(tǒng)的兼容性。同時，為保證區(qū)塊鏈網絡的傳輸安全，可設計基于商密算法的安全傳輸層協(xié)議來保障數據的傳輸安全，在建立安全通信前，發(fā)送端和接收端會交換一些必要信息，協(xié)商安全通信使用的密碼套件，驗證對方的身份，對數據進行加密，防止數據被竊取，并驗證數據的完整性。為了方便區(qū)塊鏈平臺的運行和維護，構建的運維管理包括監(jiān)控區(qū)塊鏈運行狀態(tài)、配置和部署區(qū)塊鏈，以及設置預警等；定制權限和用戶管理，可采用基于屬性證書與區(qū)塊鏈相結合的方式，實現基于屬性證書的訪問控制模型，可靈活配置的訪問策略，可適用于多種業(yè)務場景。

（3）應用服務層。應用服務層提供多式聯(lián)運業(yè)務所需的智能合約、隱私保護相關合約以及為業(yè)務系統(tǒng)提供的集成接口。在智能合約和隱私保護合約方面，多式聯(lián)運各方協(xié)商一致，利用相關的安全保障和機密技術，制定統(tǒng)一的合約機制，并形成統(tǒng)一可調用的服務或接口。在業(yè)務服務方面，結合多式聯(lián)運業(yè)務的特點，分析區(qū)塊鏈技術與多式聯(lián)運主要的業(yè)務場景，梳理可以提供業(yè)務系統(tǒng)公用的服務，主要包括運單生成、運單流轉、貨物信息上傳更改以及追溯、運輸存證等服務。同時，隨著公路、鐵路以及港口等系統(tǒng)應用需求的需要，應用服務層的服務可進行不斷的拓展和增加完善。

（4）應用接口層和業(yè)務應用層。上層業(yè)務系統(tǒng)包括多式聯(lián)運區(qū)塊鏈系統(tǒng)、貨運信息系統(tǒng)、公路信息系統(tǒng)、港口信息系統(tǒng)。其中多式聯(lián)運區(qū)塊鏈系統(tǒng)包括運單流轉、運單處理、運單更新、運單查詢、貨物位置更新和歷史運單查詢。鐵路貨運信息系統(tǒng)、公路信息系統(tǒng)、港口信息系統(tǒng)主要用于采集各個節(jié)點相關信息，如鐵路貨運信息系統(tǒng)把鐵路運單信息、貨物信息、運單追蹤等信息共享到區(qū)塊鏈中，聯(lián)盟鏈中的其他節(jié)點就可以及時查詢到權限內多式聯(lián)運運單的狀態(tài)及位置信息等。

2.2 網絡架構

在鐵水聯(lián)運、公鐵聯(lián)運場景中，系統(tǒng)的參與方包括收發(fā)貨人、鐵路、公路、港口、水運等角色。系統(tǒng)由4 個節(jié)點組建的區(qū)塊鏈網絡以及外圍業(yè)務系統(tǒng)組成。4 個節(jié)點分別是鐵路節(jié)點、公路節(jié)點、港口節(jié)點和運輸交易節(jié)點。外圍業(yè)務系統(tǒng)包括鐵路貨運系統(tǒng)、公路信息系統(tǒng)、港口信息系統(tǒng)、貨運信息系統(tǒng)。上述節(jié)點構成基于區(qū)塊鏈技術的聯(lián)盟鏈?；趨^(qū)塊鏈技術的多式聯(lián)運數據交換網絡圖如圖4所示。

其中，運輸交易節(jié)點通過貨運信息系統(tǒng)將貨物、收貨人、發(fā)貨人、運輸方式、目的地等信息上鏈，完成發(fā)貨及收貨信息采集和業(yè)務辦理，并通過對網絡中各類承運人節(jié)點提供的貨物運輸信息進行歸集，為發(fā)貨人、收貨人提供對貨物信息的查詢、修改等功能。鐵路節(jié)點將多式聯(lián)運中相關鐵路業(yè)務信息，如鐵路運單、鐵路運輸貨物信息進行上鏈實現信息共享，并根據其他目的地為鐵路提供的運單信息進行作業(yè)安排。公路節(jié)點將多式聯(lián)運中相關公路業(yè)務信息，如運單、貨物狀態(tài)、收費信息提交上鏈，并根據其他目的地提供的運單信息進行作業(yè)安排。港口節(jié)點將多式聯(lián)運中相關港口業(yè)務信息，如水運運單，水運貨物狀態(tài)、收費信息進行上鏈實現信息共享，根據其他目的地提供的運單信息進行作業(yè)安排。

2.3 典型業(yè)務流程設計

2016 年，國家發(fā)展和改革委員會《營造良好市場環(huán)境推動交通物流融合發(fā)展實施方案》中提出推行物流全程“一單制”，交通運輸部提出引導企業(yè)建立全程“一次委托”、運單“一單到底”、結算“一次收取”的服務方式。按照傳統(tǒng)的方式，由于多式聯(lián)運涉及到鐵路、公路、港口，以及承運人、貨運代理人等，業(yè)務流程交錯復雜，嘗試在區(qū)塊鏈的架構下，以鐵水聯(lián)運為例來說明基于區(qū)塊鏈技術的運單數據在系統(tǒng)中的流轉過程?；趨^(qū)塊鏈的多式聯(lián)運數據交換業(yè)務流程圖如圖5 所示。

以鐵水聯(lián)運運單為例，發(fā)貨人填寫運單信息，通過運輸交易節(jié)點生成運單。運單生成后由區(qū)塊鏈的隱私保護合約識別運單內容，判斷第一程運輸為鐵路運輸，隱私保護合約將運單分發(fā)到鐵路節(jié)點的賬本中。同時，發(fā)貨人、收貨人可全程查看貨物運送情況。

鐵路貨運系統(tǒng)在鐵路節(jié)點中收到新的運單，確定接收將運單流轉到鐵路，開始鐵路貨運作業(yè)及運輸，并將過程中的運單狀態(tài)、貨物狀態(tài)等信息通過貨運系統(tǒng)更新到鐵路節(jié)點中。此時隱私保護合約判斷運單狀態(tài)，根據規(guī)則將運單信息共享到目的地港口節(jié)點，并向運輸交易節(jié)點更新運單信息。

港口信息系統(tǒng)在港口節(jié)點中收到新的運單，根據鐵路貨運軌跡安排港口作業(yè)計劃，在貨物到達后，確定接收，將運單流轉到港口，開始港口貨運作業(yè)及水路運輸，并將過程中的運單狀態(tài)、貨物狀態(tài)等信息通過貨運系統(tǒng)更新到港口節(jié)點中。此時隱私保護合約判斷運單狀態(tài)，根據規(guī)則將運單信息共享到運輸交易節(jié)點。

圖4 基于區(qū)塊鏈技術的多式聯(lián)運數據交換網絡圖Fig.4 Network diagram of multimodal transportation data exchange based on blockchain technology

圖5 基于區(qū)塊鏈的多式聯(lián)運數據交換業(yè)務流程圖Fig.5 Business flow of multimodal transportation data exchange based on blockchain technology

3 結束語

鐵路是多式聯(lián)運的核心運輸環(huán)節(jié)，依托鐵路開展多式聯(lián)運數據交換，實現鐵水聯(lián)運、公鐵聯(lián)運、國際聯(lián)運信息共享，是多式聯(lián)運融合發(fā)展的重要基礎性工作。區(qū)塊鏈技術與多式聯(lián)運數據交換的融合創(chuàng)新應用，可解決傳統(tǒng)EDI 數據交換中的數據中心化、協(xié)同性不高以及安全防篡改弱等問題。隨著區(qū)塊鏈底層技術的不斷發(fā)展和成熟，區(qū)塊鏈技術將結合大數據、人工智能、云計算及5G 技術，共同促進多式聯(lián)運智能化和數字化發(fā)展，推進多式聯(lián)運以及國際聯(lián)運各主體間的數據共享和高效協(xié)同，提升各運輸方式之間的作業(yè)協(xié)同能力，構建全程物流信息鏈條，為實現多式聯(lián)運“一單制”奠定基礎，從而降低社會整體物流成本，促進節(jié)支降耗，提升經濟社會綜合效益。