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基于区块链技术的数字城市轨道交通研究及应用前景展望

侠名 2020-04-08 我要投稿 548 °C

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李星志 四川省数字经济产业发展有限责任公司

范 玮 成都轨道城市发展集团有限公司

谢 伟 西南交通大学铁路发展股份有限公司

引言

随着现代信息与通信技术的快速发展,大数据、物联网、云计算等已被广泛应用于现代城市轨道交通。其中,大数据技术通过对数据的收集、存取、处理、分析、挖掘与建模等,为城市轨道交通的智能化和智慧化建设提供了基础保障。目前城市轨道交通智慧化发展涉及的数据来源广泛、数据量庞大,具有多源、异构、自组织的特点。伴随后期数据量的爆炸式增长,传统的数据储存方式、数据存储量、数据种类以及硬件构架制约了数据价值的发挥,已不能满足城市轨道交通向智能化与智慧化发展的需要。更为重要的是,传统数据存储采用中心化架构,一旦数据信息中心遭到破坏,整个信息系统将陷入瘫痪,严重威胁着城市轨道交通的运营安全。因此,如何提升数据共享、存储和安全性,已成为当下城市轨道交通发展的热点话题。

近几年发展迅速的区块链技术,由于具有去中心化、开放性、防篡改性等特点,为上述问题的解决提供了一种行之有效办法。目前国内许多学者对大数据的发展和区块链技术的探索进行了研究,并取得了一定的成果。冉健[1]通过对比传统数据以及大数据获取方式,阐明了大数据在轨道交通领域的现状与应用,分析了城市轨道交通的发展趋势。金晓凤[2]分析了大数据在城市轨道交通的创新与发展中的价值,给出了城市轨道交通建设一些建议。赵铁柱[3]阐述了,大数据技术在城市轨道交通中的重要意义,总结了大数据在轨道交通应用中的研究难点和挑战。梁婵卓[4]通过分析基于大数据技术的共享经济存在的问题以及区块链技术在共享经济应用中所发挥的价值和优势,提出构建基于大数据技术与区块链技术的新共享经济模式的对策和建议。李昊伦[5]分析了区块链在智慧城市大数据基础平台构建中的优势,提出智慧城市大数据基础平台的构建方法。

在党中央的坚强领导下,经过全国人民的艰苦努力,新冠肺炎疫情疫情防控形势发生积极向好变化,取得阶段性重要成果,与疫情防控相适应的经济社会运行秩序正加快建立,复工复产进度加快,城市轨道交通客流量持续攀升。不久前召开的中央政治局常委会会议强调,“加快5G网络、数据中心等新型基础设施建设进度”。 这一要求,为“新基建”按下快进键,作为“新基建”重要组成部分的城市轨道交通与现代信息技术的深度融合将在高质量发展促进经济增长扮演更为重要的角色。

综上所述,研究区块链技术在城市轨道交通中的应用,对城市轨道交通智能化与智慧化的实现具有重要意义,对城市轨道交通助力复工复产实现今年经济社会发展目标任务具有现实的指导意义。本文将结合区块链技术的特点与城市轨道交通数据发展现状,简要探析智慧化城市轨道交通中区块链技术的应用。

城市轨道交通的数据现状及存在的问题

2.1城市轨道交通的数据现状[6]

城市轨道交通数据指在城市轨道交通系统日常运营和运维过程中,以自动、主动或被动形式产生的的数据主要包括专业数据(车务、车辆、工务、电务、机电、通号等)、客流数据、安全数据、财务数据、资源配置信息、客运服务等,这些数据的应用主要包括统计分析、应急辅助决策、乘客出行诱导、运维维修、客流量预测、调控管理等方面。例如利用收集到的数据对运营安全做出应急辅助决策流程;通过对网络客流数据挖掘网络客流时空变化特征和演变规律有效指导行车和客运组织;结合业务需求研制城市轨道交通自动化售票系统;依据运维在线监测数据和检测数据对相关设备设施进行维修[6]

2.2 存在的问题

通过上述数据现状不难发现,由于城市轨道交通涉及的数据种类多样、总量庞大,现阶段存在的问题主要表现在以下四个方面:

(1)数据的规范问题。由于数据来源渠道多而杂,不同的数据性质不一,例如车辆维修涉及车体检测、轮轨关系监测等数据,轨道探伤涉及波膜、裂纹等数据,通信涉及视频监控、广播等数据,客流服务涉及的客流预测等数据,如何做好不同领域的数据规范分类是数据管理首先解决的重要问题之一。

(2)数据的存储问题。面对体量庞大的数据群,如何根据不同需求针对不同数据来源选择合理的存储方式,使数据在应用场景中达到高质量响应的效果,对硬件构架提出了更高的要求,不仅要求其具备汇聚多个领域不同需求的数据能力,同时还要求其能够对不同类型的数据进行分析统计和维护处理的能力。

(3)数据的维护问题。在后期数据应用过程中不仅需要为存储的数据提供机房和设备等硬件保障,还需提供足够的带宽和升级改造等服务,导致运维费用有所增加,从而给数据的管理增加了难度。

(4)数据的安全性问题。数据的安全问题主要有以下两个方面,一是在数据的传输、处理、应用过程中如何保证隐私数据不被非授权应用访问,二是由于数据来源广泛,数据质量良莠不齐,如何为上层应用或用户提供可靠的数据,增强数据的可信度。

综上所述,有必要引入一种新的数据处理技术降低获取数据资源的费用,在服务能力和水平上提升城市轨道交通数据的管理。

区块链技术的概念及特点

3.1 区块链技术的概念

区块链是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式,其是基于密码学产生数据块组成的区块,按照产生的时间顺序连接在一起,分布在网络上,能够共同运转的数据库系统,形成一定区域范围内的数据链。以城市轨道交通行业为例,在既有信息系统的建设模式中,每条新线开通后,配套的信号、通信、综合监控等信息系统也随之建立,这些系统由不同的供应商采用不同的开发语言建立,每个系统都有自己的中心数据库,系统的所有相关数据都记录在数据库中,不同系统、线路之间信息共享必需通过Webservers、中间表等方式进行数据交互,所有信息系统的终端部署在一个P2P的网络环境中(见图1),系统没有独立的中心数据库,数据信息存储在区块链网络中的每一个节点中,这些节点可能是任何一个终端、服务器、磁盘阵列等各种介质,两个节点之间的信息通过一个开源的网络传输协议交互,再利用非对称加密技术保证信息的安全,防止信息泄露或被篡改。 

3.2 区块链技术的特点[7]

根据区块链的定义,其特点主要有以下五个方面[7]

(1)去中心化。整个系统没有任何集中管理的部分或硬件,所采用的存储方式是分散的,各个数据块的节点遍布整个系统中,每一个节点的权责都是相同的。

(2)开放性。 整个系统中除某些隐私数据外,其余数据公开透明度极高,面向所有人开放,每个人都能利用系统接入口对非隐私数据进行查询与利用。

(3)自治性。区块链对整个系统中所有节点的传递采取了统一规范的协议,确保数据传输过程的顺畅,同时将运作过程中对人工的信任转移到机器上,提高了数据可信度。

(4)信息不可篡改。单个节点数据信息的篡改是无法有效修改数据库的,只要数据经过验证并储存到了链中某一节点就会永久封存,有效的篡改方法是在同一个时刻修改全网51%以上的算力,因此在一定程度上数据信息的可信度得到了提高。

(5)匿名性。区块链节点通过确定的运算方式进行转换,整个过程不存在信任与否的问题,规章秩序自动对其进行评判,利于诚信的建立,因此可以采取匿名方式。

区块链在智慧化城市轨道交通中应用的优势分析

相对传统数据技术而言,区块链技术在智慧化城市轨道交通中应用的优势体现在以下四个方面:

(一)区块链内部包含多种类型节点,数据交换过程规范,可用于智慧化城市轨道交通建设中各专业领域的数据规范化管理。

(二)区块链的网络结构是一种端至端技术,去中心化的分布式管理模式可免除系统被漏洞攻击,消除人为篡改情况,很大程度上提升了智慧化城市轨道交通各领域的底层数据在传递过程的可信度。

(三)区块链依托非对称密码加密交易数据,保障了数据的安全性,为智慧化城市轨道交通的应用平台奠定了基础。

(四)区块链技术打破了传统模式的数据信息孤岛,使智慧化城市轨道交通的各专业领域实现信息交互和互通,提高了基础数据的反馈精度,提升了智慧城市轨道交通的建设实施质量。

应用展望

近年来,区块链技术作为一种新的数据处理技术,受到各类业界人士的广泛关注,其中在金融、物流、医疗等行业的应用取得了显著的成效,但在城市轨道交通行业中的应用还处于起步阶段。结合现阶段城市轨道交通发展的现状,区块链技术可在以下几个方面加以扩展应用:

(1)区块链技术在智慧化城市轨道交通物资方面的应用。根据区块链去中心化的思想,在区块链物流系统中,物资的数据库更新、维护不在由公司内部的物资部门单独进行,而是由供应商、需求部门、管理部门、第三方物流共同进行,各单位之间进行信息交换和存储,共同保证信息的真实性和准确性,各节点之间互为备份,保证信息的高质量。用户可以根据需要自主获得物流过程的所有结果和记录自主管理物流信息,无论物流哪个环节出现差错,都可以进行追溯。

(2)区块链技术在智能调度方面的应用。目前城市轨道交通行业中传统的调度指挥信息系统是COCC,一旦指挥中心的数据库受到攻击,整个系统将陷入瘫痪。利用区块链技术可将数据传感器、网络通信、物联网结合,形成分布式传输网络,电客车之间相互实施通信,不需要传统的调度指挥中心,在很大程度上降低了调度指挥系统被攻击的风险,提高了轨道运营安全。

(3)区块链技术在运维监测方面的应用。随着城市轨道交通智慧化的发展,重要设备的状态监测已成为行业内的热点,通过区块链技术将设备安全与物联网结合能够在区块链上记录运行设备的相应的信息,实现设备的全过程监控,并将相关信息传递到区块块链中的其他节点,保证设备数据的真实性和可靠性,确保设备运行安全。

(4)区块链技术在城市轨道交通通信网络中的应用。针对目前城市轨道交通通信网络安全问题,可通过区块链技术实现对网络资源的有效管控,建立网络节点不互信情况下的网络可信体系,从管理认证角度解决网络安全问题,进而全面提升城市轨道交通运营安全。

(5)区块链技术在城市轨道交通自动售检票中的应用。针对目前城市轨道交通自动售检票系统采用中心化结构,中心节点安全影响范围广的问题,可通过区块链技术去中心化,提升系统的安全性与维护效率。

结语

面对突如其来的新冠肺炎疫情,我国经济发展稳中向好、长期向好的基本面没有改变,“新基建”承担疫情后经济复苏的使命,也是我国未来经济增长的新引擎。总而言之,作为“新基建”重要组成部分的城市轨道交通,只有和区块链等先进信息技术深度融合,尽快实现城市轨道交通数字化转型,才能在“新基建”的战略机遇和巨大空间中找准发力点、实现新突破,共享“新基建”托举的广阔未来。

参考文献:

[1] 冉健.大数据背景下城市轨道交通的发展趋势[J]. 低碳世界, 2019, 9(8).

[2] 金晓凤. 大数据时代城市轨道交通的创新与发展[J]. 科技风, 2019, 378(10):238-239.

[3] 赵铁柱, 董辉, 林玉文, et al. 大数据技术在轨道交通领域中的研究和挑战[J]. 东莞理工学院学报, 2019, 26(01):32-36.

[4] 梁婵卓. 基于 " 大数据 + 区块链 " 技术的共享经济发展研究[J].营销界,2019,(20):180-182.

[5] 李昊伦. 基于区块链的智慧城市大数据基础平台构建研究[J]. 科技风, 2018, 368(36):112.

[6]王文斌. 轨道交通大数据:挑战和机遇[J].交通世界.2019,(21):10-11

[7] 王泽宇. 基于区块链的大数据平台对智慧城市建设的研究[J]. 科技创新导报, 2018, 15(24):44-47.

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最后编辑于:2020/04/08作者: anonymous

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