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(xiàn)代物流、現(xiàn)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(shù)據(jù)交換平臺的研發(fā)，實現(xiàn)鐵路與港口生產數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)共享困難、存證困難、業(yè)務協(xié)同作業(yè)困難及業(yè)務數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換方式進行研究，可以更好地實現(xiàn)多式聯(lián)運各主體間運單及業(yè)務數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)交換需求分析

1.1 數(shù)據(jù)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?shù)榷喾N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(xiàn)多式聯(lián)運多方的作業(yè)協(xié)同，利用新技術更好地實現(xiàn)各方之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換等場景進行分析研究。

在鐵水聯(lián)運數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換，還涉及到鐵路和港口之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)也不一樣，對于整車運輸?shù)呢浳?，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?shù)碾A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(xiàn)在車等信息。

在公鐵聯(lián)運數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換。通過傳統(tǒng)電子數(shù)據(jù)交換(Electronic Data Interchange，EDI)的方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換，但是多式聯(lián)運業(yè)務對數(shù)據(jù)交換提出了更高的需求。從管理角度看，需要實現(xiàn)跨系統(tǒng)、跨區(qū)域、跨部門之間的實時數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)同步交換，保障數(shù)據(jù)安全可信。為了更好地進行多式聯(lián)運數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)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(shù)據(jù)交換方面，鐵路多式聯(lián)運數(shù)據(jù)交換平臺上線，實現(xiàn)了鐵路貨運數(shù)據(jù)與寧波港、上海港、連云港港等港口數(shù)據(jù)的無縫對接，雖然鐵路與港口、公路之間的數(shù)據(jù)交換共享可以實現(xiàn)，但是在數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)信息交換共享。而區(qū)塊鏈技術作為分布式共享數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換對安全性有很高的要求，需要保障多層級數(shù)據(jù)同步交換、數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換中的安全問題。

（4）合約機制方面。在多式聯(lián)運數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換總體架構設計

2.1 總體架構

基于多式聯(lián)運數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換方式?；趨^(qū)塊鏈技術的多式聯(lián)運數(shù)據(jù)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。基礎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(shù)據(jù)庫存儲、文件存儲、P2P 通信協(xié)議以及虛擬化技術。其中數(shù)據(jù)庫存儲包括區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲和區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)緩存，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)存儲包括關系型數(shù)據(jù)庫和非關系型數(shù)據(jù)庫的存儲，區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)緩存包括交易數(shù)據(jù)、塊數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進行加密，防止數(shù)據(jù)被竊取，并驗證數(shù)據(jù)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(xiàn)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(shù)據(jù)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(xiàn)信息共享，并根據(jù)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(jù)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(xiàn)信息共享，根據(jù)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(shù)據(jù)在系統(tǒng)中的流轉過程?；趨^(qū)塊鏈的多式聯(lián)運數(shù)據(jù)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(jù)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(jù)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(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)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(shù)據(jù)交換的融合創(chuàng)新應用，可解決傳統(tǒng)EDI 數(shù)據(jù)交換中的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)、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(shù)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(shù)據(jù)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(xiàn)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。