李 明，李 熙，張 驕，崔霆銳

(北京市地鐵運營有限公司，北京 100044)

1 研究現(xiàn)狀

地鐵車輛設(shè)備種類繁多，包括牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、門系統(tǒng)、乘客信息系統(tǒng)等，這些系統(tǒng)設(shè)備穩(wěn)定、高效、安全的運行是確保地鐵列車正常運營的重要支撐和保障。如何對這些系統(tǒng)設(shè)備的運行狀態(tài)、維護(hù)維修記錄和服役水平進(jìn)行科學(xué)、有效、及時的記錄與管理，已經(jīng)成為目前軌道交通設(shè)備管理領(lǐng)域的重要課題。

地鐵車輛履歷包含了大量、重要的基礎(chǔ)信息，記錄了地鐵車輛及重要零部件從采購、組裝、運用、檢修到更新改造全過程的重要數(shù)據(jù)及技術(shù)狀態(tài)，是地鐵車輛檢修、運用管理和技術(shù)分析的重要基礎(chǔ)和依據(jù)。相較于一般的信息管理系統(tǒng)，地鐵車輛履歷管理系統(tǒng)具有信息來源廣、數(shù)據(jù)量大、冗余度高等特點，這就要求系統(tǒng)能夠更規(guī)范合理地記錄、保存、運用車輛信息，避免出現(xiàn)信息不完善、不正確的問題。但是，由于以往的履歷管理工作中存在著計算機技術(shù)不成熟、操作規(guī)范不清晰、職工思想不重視等問題，車輛履歷信息得不到妥善的管理，產(chǎn)生了信息異構(gòu)、信息無法形成閉環(huán)、信息利用率不高等問題。隨著地鐵檢測、管理、維修、評估等技術(shù)的迅猛發(fā)展和地鐵運營規(guī)模的不斷擴大，這些問題愈發(fā)凸顯，成為制約地鐵行業(yè)發(fā)展的重要因素。

目前，國內(nèi)地鐵公司的履歷數(shù)據(jù)主要包括主機廠交付和維修過程中產(chǎn)生的紙質(zhì)文檔，作為檔案進(jìn)行保存，主要存在以下問題：

(1) 數(shù)據(jù)精細(xì)化方面，沒有針對地鐵公司的運營特點對車輛履歷進(jìn)行結(jié)構(gòu)化分解、精細(xì)管理；

(2) 數(shù)據(jù)規(guī)范化方面，各地鐵公司或部門日常車輛巡檢/維修/維護(hù)時對應(yīng)的車輛部件沒有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)命名規(guī)范；

(3) 數(shù)據(jù)可追溯方面，車輛各階段數(shù)據(jù)相對分散，部件維修及故障追蹤溯源困難。

而在信息化建設(shè)方面，各地鐵公司的信息化水平參差不齊，工作主要依靠自建的信息管理系統(tǒng)，主要存在以下問題：

(1) 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方面，各信息管理系統(tǒng)對地鐵車輛履歷的管理維度、管理結(jié)構(gòu)等存在不同的標(biāo)準(zhǔn)；

(2) 數(shù)據(jù)可共享方面，地鐵公司和運分公司的信息管理系統(tǒng)相對獨立。

針對上述問題，國內(nèi)一些專家開展了一些研究與實踐工作。張唯 等按照“需求導(dǎo)向、問題導(dǎo)向、目標(biāo)導(dǎo)向”的原則，構(gòu)建了地鐵車輛智能運維建設(shè)框架和運營管理的指標(biāo)體系，收集了地鐵車輛運營的相關(guān)數(shù)據(jù)，并通過科學(xué)分析處理形成預(yù)警閾值和健康指標(biāo)，為地鐵車輛管理提供了可視化和可量化的評價依據(jù)[1]。張巖 等針對現(xiàn)有地鐵車輛履歷管理中的信息異構(gòu)、信息缺失等問題，開發(fā)出一款地鐵車輛履歷管理系統(tǒng)[2]。文志永 等研究了一種高速動車組全生命周期履歷管理系統(tǒng)，通過分析高速動車組全生命周期履歷信息管理需求，提出了履歷系統(tǒng)的體系架構(gòu)并在企業(yè)實現(xiàn)了應(yīng)用[3]。張虹 等進(jìn)行了電子履歷技術(shù)在機車上的應(yīng)用分析[4]。而在其他復(fù)雜裝備方面，翟新康 等開展了基于全壽命周期管理的機載設(shè)備履歷本規(guī)范制定及編寫工作[5]；金芳 等針對紙質(zhì)裝備履歷信息手工登統(tǒng)計效率低等問題，設(shè)計開發(fā)了基于C/S結(jié)構(gòu)的裝備履歷信息管理系統(tǒng)[6]。此外，區(qū)塊鏈技術(shù)可為軌道交通系統(tǒng)邊緣計算網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建系統(tǒng)性的安全防護(hù)機制，保障網(wǎng)絡(luò)安全和數(shù)據(jù)安全。文獻(xiàn)[7]提出了融合區(qū)塊鏈的軌道交通邊緣計算網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)機制和應(yīng)用實例。文獻(xiàn)[8]分析了區(qū)塊鏈在城軌二維碼互通中的解決方案；通過建立統(tǒng)一的區(qū)塊鏈合作協(xié)議，并將賬戶和業(yè)務(wù)環(huán)節(jié)授權(quán)上鏈，可以實現(xiàn)互聯(lián)互通業(yè)務(wù)的去中心化和乘客服務(wù)的簡便化。

綜上，本文針對現(xiàn)有地鐵車輛履歷管理存在精細(xì)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化等系統(tǒng)性不足的問題，以及可追溯、可共享等管理需求，綜合利用區(qū)塊鏈、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，研究并提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)(以下稱地鐵車輛電子履歷系統(tǒng))方案，以實現(xiàn)智慧地鐵建設(shè)和企業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型的總體目標(biāo)。

2 系統(tǒng)架構(gòu)

地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)主要面向地鐵公司及相關(guān)業(yè)務(wù)部門的車輛基礎(chǔ)信息管理、維修管理、工單管理、備品備件管理等業(yè)務(wù)，進(jìn)而實現(xiàn)信息化管理。圖1為地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)架構(gòu)方案，系統(tǒng)總體架構(gòu)包括數(shù)據(jù)資源、應(yīng)用支撐、應(yīng)用服務(wù)等層級的內(nèi)容。

圖1 地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)架構(gòu)方案

系統(tǒng)架構(gòu)遵循地鐵公司信息化建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求：以標(biāo)準(zhǔn)為前提，以數(shù)據(jù)為核心，以安全和運維為保障，以應(yīng)用為目的，同時設(shè)計了地鐵車輛履歷管理日常的存儲、查詢、使用以及不同線路、不同列車之間的數(shù)據(jù)融合等功能，以消除信息孤島、數(shù)據(jù)異構(gòu)等問題，可實現(xiàn)多條線路的履歷信息的集成管理，為地鐵車輛檢修、運用管理和技術(shù)分析提供幫助。

(1) 數(shù)據(jù)資源層。數(shù)據(jù)資源層是本系統(tǒng)的核心，應(yīng)具備結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)、非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的管理存儲能力。數(shù)據(jù)資源包括地鐵車輛及零部件的運行數(shù)據(jù)、維修維護(hù)數(shù)據(jù)等，以及面向不同管理職能的主題數(shù)據(jù)等地鐵車輛履歷相關(guān)數(shù)據(jù)，并可通過系統(tǒng)應(yīng)用功能對數(shù)據(jù)資源進(jìn)行管理與維護(hù)。

(2) 應(yīng)用支撐層。將基于多層架構(gòu)和組件技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建，為系統(tǒng)提供可通用的、可復(fù)用的、標(biāo)準(zhǔn)化的模塊，避免重復(fù)開發(fā)，以保證系統(tǒng)建設(shè)的時間和質(zhì)量。

(3)應(yīng)用服務(wù)層。應(yīng)用服務(wù)層主要實現(xiàn)系統(tǒng)各項業(yè)務(wù)需求的功能，主要包括履歷信息查看、履歷信息維護(hù)、統(tǒng)計分析、履歷信息管理和系統(tǒng)管理等模塊。隨著系統(tǒng)應(yīng)用的不斷深入，可基于應(yīng)用支撐層在應(yīng)用服務(wù)層進(jìn)一步建設(shè)其他的子系統(tǒng)。

安全保障體系主要為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用支撐層、應(yīng)用服務(wù)層和數(shù)據(jù)資源層提供統(tǒng)一的信息安全服務(wù)，在技術(shù)層面上主要提供邊界防護(hù)、防入侵、漏洞掃描、病毒防治、用戶身份認(rèn)證、防篡改、數(shù)字簽名、信息加密等安全措施。按照信息管理系統(tǒng)安全等級三級保護(hù)進(jìn)行設(shè)計和建設(shè)。

3 系統(tǒng)功能

3.1 技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)的技術(shù)架構(gòu)如圖2所示。系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)、J2EE技術(shù)路線，將關(guān)系型數(shù)據(jù)庫、中間件、業(yè)務(wù)流、表單及互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)和產(chǎn)品進(jìn)行集成，界面友好，系統(tǒng)安全性和數(shù)據(jù)處理能力較強，且具備可擴展性。

圖2 地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

該系統(tǒng)主要由應(yīng)用開發(fā)與擴展支撐平臺及一系列成熟的應(yīng)用軟件框架構(gòu)成。應(yīng)用開發(fā)與擴展支撐平臺可應(yīng)用各種主流的中間件和操作系統(tǒng)，可適應(yīng)多種數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，同時可以采用多種認(rèn)證方式進(jìn)行用戶認(rèn)證及保證系統(tǒng)安全。因此，系統(tǒng)可以滿足用戶的要求以及各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、主機環(huán)境、底層軟件運行環(huán)境等情況。

3.2 功能模塊

基于地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)的一般要求，系統(tǒng)主要包括業(yè)務(wù)視圖、履歷信息維護(hù)、查詢統(tǒng)計、履歷信息管理、移動端應(yīng)用和系統(tǒng)管理等模塊，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)功能模塊

4 區(qū)塊鏈應(yīng)用

系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息來源廣，應(yīng)用部門多，涉及運營單位、管理單位、車輛生產(chǎn)單位、零部件生產(chǎn)單位等，還涉及不同數(shù)據(jù)之間的傳遞和應(yīng)用。而隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全越來越受到人們的重視。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N去中心化、無需信任、防篡改性強的分布式記賬本技術(shù)，其綜合利用了密碼學(xué)、概率論、共識機制和分布式網(wǎng)絡(luò)等多種計算機技術(shù)，適用于電子檔案保護(hù)的場景。盡管區(qū)塊鏈技術(shù)具有諸多優(yōu)點，但它仍具有存取效率低和經(jīng)濟成本較高等問題，故區(qū)塊鏈不能替代現(xiàn)有的數(shù)據(jù)庫技術(shù)，需作為一種補充的技術(shù)手段，與其他技術(shù)結(jié)合使用。

4.1 底鏈

作為系統(tǒng)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)，區(qū)塊鏈底層采用自主可控的技術(shù)架構(gòu)，同時適配安全體系與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)場景對安全性、可擴展性等各類性能的需求；靈活組裝不同的區(qū)塊鏈系統(tǒng)，可滿足各類場景的業(yè)務(wù)需求。本文的地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)采用基于長安鏈的底層技術(shù)平臺，主要涵蓋以下功能模塊：

(1) 核心引擎。底層技術(shù)平臺的主程序，根據(jù)模塊之間的依賴關(guān)系和配置參數(shù)調(diào)用其他模塊，完成長安鏈系統(tǒng)的整體功能。長安鏈系統(tǒng)的合約、交易調(diào)度、共識、存儲等模塊的組件均通過核心引擎直接控制，核心引擎可在后臺指揮所有的元素并行、有序地工作。

(2) 網(wǎng)絡(luò)通信模塊。實現(xiàn)節(jié)點間發(fā)送交易接口，包括點對點發(fā)送、廣播等。支持共識節(jié)點(參與共識、候選節(jié)點)、同步節(jié)點、spv節(jié)點等多種節(jié)點類型，同時可以實現(xiàn)參與方(或組織)、節(jié)點的動態(tài)增刪，節(jié)點請求可以進(jìn)行限流。支持網(wǎng)絡(luò)黑名單、白名單等安全管理體系。

(3) 身份管理模塊。提供權(quán)限配置與權(quán)限校驗接口，對成員接入、智能合約調(diào)用等操作權(quán)限進(jìn)行控制。在聯(lián)盟鏈中，鏈上部署執(zhí)行智能合約、參與共識等操作均需設(shè)置一定的權(quán)限管控策略，對鏈上參與方身份進(jìn)行管理。

(4) 共識算法模塊。保證數(shù)據(jù)在區(qū)塊鏈各參與方之間嚴(yán)格一致。

(5) 智能合約。負(fù)責(zé)實現(xiàn)用戶具體的業(yè)務(wù)邏輯，接受用戶的調(diào)用，結(jié)合用戶的輸入和當(dāng)前鏈上狀態(tài)，經(jīng)過一系列運算后產(chǎn)生對上鏈數(shù)據(jù)的更新操作集合。

(6) 交易調(diào)度模塊。將一批交易打包排序并提交給共識模塊，從而使其他節(jié)點在區(qū)塊驗證時盡可能并行處理，以壓縮區(qū)塊驗證時間。

(7) 密碼服務(wù)模塊。支持加密算法封裝和實現(xiàn)，采用散列算法、對稱加密算法、非對稱算法、傳輸層安全機制、密鑰管理機制等密碼學(xué)方式進(jìn)行全鏈路安全防護(hù)。

(8) 數(shù)據(jù)存儲模塊。提供統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，并定義統(tǒng)一的數(shù)據(jù)訪問接口，支持多種數(shù)據(jù)存儲組件。

4.2 支撐平臺

長安鏈支撐服務(wù)平臺是區(qū)塊鏈底鏈可視化管理平臺，功能從可視化、易用性、可定制性等方面出發(fā)，提供長安鏈網(wǎng)絡(luò)管理通用、重要的功能模塊，主要包括：

(1) 組織管理中心。包括賬戶管理、聯(lián)盟管理、業(yè)務(wù)鏈管理、策略管理、節(jié)點管理、智能合約管理、區(qū)塊鏈瀏覽器、證書管理、運維工單、日志管理、工單管理、消息管理。

(2) 平臺管理中心。包括組織管理、業(yè)務(wù)鏈管理。

(3) 運維管理中心。包括監(jiān)控服務(wù)、告警服務(wù)、運維日志管理。

4.3 數(shù)據(jù)合約

圖4所示為基于區(qū)塊鏈技術(shù)的數(shù)據(jù)合約及交互示意圖。

圖4 數(shù)據(jù)合約及交互示意圖

本文的地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)合約設(shè)計分兩大類：按基礎(chǔ)功能考慮，開展企業(yè)(或系統(tǒng))數(shù)字身份識別、數(shù)據(jù)隱私保護(hù)、訪問控制(權(quán)限管理)、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計、操作流程管理5項業(yè)務(wù)相關(guān)合約開發(fā)；按業(yè)務(wù)對象考慮，開展整車信息管理、狀態(tài)信息管理、備品備件管理、檢測檢修管理、技術(shù)文件管理5項業(yè)務(wù)相關(guān)合約開發(fā)。具體說明如表1所示。

表1 合約說明

5 資源庫設(shè)計

地鐵車輛履歷數(shù)據(jù)資源庫對地鐵車輛基礎(chǔ)信息和運營維護(hù)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理，既考慮了現(xiàn)有數(shù)據(jù)資源的利用，又能支持全域數(shù)據(jù)的總體規(guī)劃。通過建立全域范圍內(nèi)穩(wěn)定的數(shù)據(jù)模型，可以最大程度地提高數(shù)據(jù)的共享度，降低數(shù)據(jù)的冗余，減少數(shù)據(jù)接口。

5.1 數(shù)據(jù)資源集成

數(shù)據(jù)資源集成將基于前期信息系統(tǒng)建設(shè)積累的大量數(shù)據(jù)資源、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等成果進(jìn)行統(tǒng)一管理，覆蓋全生命周期，細(xì)化到最小檢修單位，以達(dá)成更優(yōu)的數(shù)據(jù)利用效果(圖5)。

圖5 數(shù)據(jù)資源集成

其中，車輛基礎(chǔ)信息和車輛技術(shù)文件資料等均可從采購平臺和智能維修系統(tǒng)中獲取；維修/維護(hù)數(shù)據(jù)信息從各運分公司業(yè)務(wù)系統(tǒng)中進(jìn)行采集，經(jīng)由全量數(shù)據(jù)倉庫獲取。同時考慮與集團統(tǒng)一用戶、身份認(rèn)證系統(tǒng)集成，實現(xiàn)用戶信息共享利用和系統(tǒng)認(rèn)證的統(tǒng)一服務(wù)；與集團辦公系統(tǒng)(OA)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，查詢統(tǒng)計中的預(yù)警提醒均可通過辦公系統(tǒng)及時通知發(fā)送消息(系統(tǒng)消息、企業(yè)微信消息、短信等)給相關(guān)管理工作人員。

5.2 資源庫分類

資源庫包括數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)、文件數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。

數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)指以數(shù)據(jù)庫形式存儲和管理的數(shù)據(jù)，為平臺的日常操作、信息服務(wù)提供支持，實現(xiàn)應(yīng)用的查詢、數(shù)據(jù)管理、數(shù)據(jù)服務(wù)、統(tǒng)計分析等功能。

文件數(shù)據(jù)指以文件形式存儲和管理的數(shù)據(jù)，即以各種文件形式存放的非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)資源。系統(tǒng)采用基于XML技術(shù)的文件型數(shù)據(jù)，支持變長記錄格式，數(shù)據(jù)交換處理更為方便。

數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)指數(shù)據(jù)管理的標(biāo)準(zhǔn)化內(nèi)容。信息系統(tǒng)集成的基礎(chǔ)是數(shù)據(jù)集成，而數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化是數(shù)據(jù)集成的保證。數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)元素標(biāo)準(zhǔn)、信息分類編碼標(biāo)準(zhǔn)、數(shù)據(jù)庫標(biāo)準(zhǔn)和交換數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)等。數(shù)據(jù)資源編碼規(guī)范是本文工作開展的基礎(chǔ)。通過系統(tǒng)通用指標(biāo)體系、主數(shù)據(jù)編碼、數(shù)據(jù)采集接口、數(shù)據(jù)采集要求和典型數(shù)據(jù)應(yīng)用場景等項點內(nèi)容的制定，支撐和引導(dǎo)本系統(tǒng)數(shù)據(jù)資源庫的設(shè)計與搭建工作。

6 總結(jié)

本文研究并提出的基于區(qū)塊鏈技術(shù)的地鐵車輛電子履歷系統(tǒng)方案可實現(xiàn)基于地鐵車輛及主要零部件履歷異構(gòu)信息歸一化的電子履歷信息化、無紙化辦公，通過持續(xù)匯集車輛的重要數(shù)據(jù)信息，形成可挖掘、可增值的全生命周期數(shù)據(jù)資產(chǎn)，可有效輔助地鐵車輛及關(guān)鍵零部件的維修決策。