基于區塊鏈技術的地鐵車輛電子履歷系統方案研究

李 明，李 熙，張 驕，崔霆銳

(北京市地鐵運營有限公司，北京 100044)

地鐵車輛設備種類繁多，包括牽引系統、制動系統、網絡系統、輔助系統、門系統、乘客信息系統等，這些系統設備穩定、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。如何對這些系統設備的運行狀態、維護維修記錄和服役水平進行科學、有效、及時的記錄與管理，已經成為目前軌道交通設備管理領域的重要課題。

地鐵車輛履歷包含了大量、重要的基礎信息，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據及技術狀態，是地鐵車輛檢修、運用管理和技術分析的重要基礎和依據。相較于一般的信息管理系統，地鐵車輛履歷管理系統具有信息來源廣、數據量大、冗余度高等特點，這就要求系統能夠更規范合理地記錄、保存、運用車輛信息，避免出現信息不完善、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不成熟、操作規范不清晰、職工思想不重視等問題，車輛履歷信息得不到妥善的管理，產生了信息異構、信息無法形成閉環、信息利用率不高等問題。隨著地鐵檢測、管理、維修、評估等技術的迅猛發展和地鐵運營規模的不斷擴大，這些問題愈發凸顯，成為制約地鐵行業發展的重要因素。

目前，國內地鐵公司的履歷數據主要包括主機廠交付和維修過程中產生的紙質文檔，作為檔案進行保存，主要存在以下問題：

(1) 數據精細化方面，沒有針對地鐵公司的運營特點對車輛履歷進行結構化分解、精細管理；

(2) 數據規范化方面，各地鐵公司或部門日常車輛巡檢/維修/維護時對應的車輛部件沒有統一的數據命名規范；

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

而在信息化建設方面，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，主要存在以下問題：

(1) 數據標準化方面，各信息管理系統對地鐵車輛履歷的管理維度、管理結構等存在不同的標準；

(2) 數據可共享方面，地鐵公司和運分公司的信息管理系統相對獨立。

針對上述問題，國內一些專家開展了一些研究與實踐工作。張唯 等按照“需求導向、問題導向、目標導向”的原則，構建了地鐵車輛智能運維建設框架和運營管理的指標體系，收集了地鐵車輛運營的相關數據，并通過科學分析處理形成預警閾值和健康指標，為地鐵車輛管理提供了可視化和可量化的評價依據[1]。張巖 等針對現有地鐵車輛履歷管理中的信息異構、信息缺失等問題，開發出一款地鐵車輛履歷管理系統[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，通過分析高速動車組全生命周期履歷信息管理需求，提出了履歷系統的體系架構并在企業實現了應用[3]。張虹 等進行了電子履歷技術在機車上的應用分析[4]。而在其他復雜裝備方面，翟新康 等開展了基于全壽命周期管理的機載設備履歷本規范制定及編寫工作[5]；
金芳 等針對紙質裝備履歷信息手工登統計效率低等問題，設計開發了基于C/S結構的裝備履歷信息管理系統[6]。此外，區塊鏈技術可為軌道交通系統邊緣計算網絡構建系統性的安全防護機制，保障網絡安全和數據安全。文獻[7]提出了融合區塊鏈的軌道交通邊緣計算網絡安全防護機制和應用實例。文獻[8]分析了區塊鏈在城軌二維碼互通中的解決方案；
通過建立統一的區塊鏈合作協議，并將賬戶和業務環節授權上鏈，可以實現互聯互通業務的去中心化和乘客服務的簡便化。

綜上，本文針對現有地鐵車輛履歷管理存在精細化、規范化、標準化等系統性不足的問題，以及可追溯、可共享等管理需求，綜合利用區塊鏈、數據庫等技術，研究并提出基于區塊鏈技術的地鐵車輛電子履歷系統(以下稱地鐵車輛電子履歷系統)方案，以實現智慧地鐵建設和企業數字化轉型的總體目標。

地鐵車輛電子履歷系統主要面向地鐵公司及相關業務部門的車輛基礎信息管理、維修管理、工單管理、備品備件管理等業務，進而實現信息化管理。圖1為地鐵車輛電子履歷系統架構方案，系統總體架構包括數據資源、應用支撐、應用服務等層級的內容。

圖1 地鐵車輛電子履歷系統架構方案

系統架構遵循地鐵公司信息化建設標準和要求：以標準為前提，以數據為核心，以安全和運維為保障，以應用為目的，同時設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、不同列車之間的數據融合等功能，以消除信息孤島、數據異構等問題，可實現多條線路的履歷信息的集成管理，為地鐵車輛檢修、運用管理和技術分析提供幫助。

(1) 數據資源層。數據資源層是本系統的核心，應具備結構化數據、非結構化數據的管理存儲能力。數據資源包括地鐵車輛及零部件的運行數據、維修維護數據等，以及面向不同管理職能的主題數據等地鐵車輛履歷相關數據，并可通過系統應用功能對數據資源進行管理與維護。

(2) 應用支撐層。將基于多層架構和組件技術進行構建，為系統提供可通用的、可復用的、標準化的模塊，避免重復開發，以保證系統建設的時間和質量。

(3)應用服務層。應用服務層主要實現系統各項業務需求的功能，主要包括履歷信息查看、履歷信息維護、統計分析、履歷信息管理和系統管理等模塊。隨著系統應用的不斷深入，可基于應用支撐層在應用服務層進一步建設其他的子系統。

安全保障體系主要為系統網絡層、應用支撐層、應用服務層和數據資源層提供統一的信息安全服務，在技術層面上主要提供邊界防護、防入侵、漏洞掃描、病毒防治、用戶身份認證、防篡改、數字簽名、信息加密等安全措施。按照信息管理系統安全等級三級保護進行設計和建設。

3.1 技術架構

系統的技術架構如圖2所示。系統采用B/S架構、J2EE技術路線，將關系型數據庫、中間件、業務流、表單及互聯網等技術和產品進行集成，界面友好，系統安全性和數據處理能力較強，且具備可擴展性。

圖2 地鐵車輛電子履歷系統技術架構

該系統主要由應用開發與擴展支撐平臺及一系列成熟的應用軟件框架構成。應用開發與擴展支撐平臺可應用各種主流的中間件和操作系統，可適應多種數據庫管理系統，同時可以采用多種認證方式進行用戶認證及保證系統安全。因此，系統可以滿足用戶的要求以及各種網絡環境、主機環境、底層軟件運行環境等情況。

3.2 功能模塊

基于地鐵車輛電子履歷系統的一般要求，系統主要包括業務視圖、履歷信息維護、查詢統計、履歷信息管理、移動端應用和系統管理等模塊，如圖3所示。

圖3 系統功能模塊

系統數據信息來源廣，應用部門多，涉及運營單位、管理單位、車輛生產單位、零部件生產單位等，還涉及不同數據之間的傳遞和應用。而隨著互聯網技術的發展，網絡安全越來越受到人們的重視。區塊鏈是一種去中心化、無需信任、防篡改性強的分布式記賬本技術，其綜合利用了密碼學、概率論、共識機制和分布式網絡等多種計算機技術，適用于電子檔案保護的場景。盡管區塊鏈技術具有諸多優點，但它仍具有存取效率低和經濟成本較高等問題，故區塊鏈不能替代現有的數據庫技術，需作為一種補充的技術手段，與其他技術結合使用。

4.1 底鏈

作為系統應用的關鍵技術，區塊鏈底層采用自主可控的技術架構，同時適配安全體系與行業標準規范，實現不同業務場景對安全性、可擴展性等各類性能的需求；
靈活組裝不同的區塊鏈系統，可滿足各類場景的業務需求。本文的地鐵車輛電子履歷系統采用基于長安鏈的底層技術平臺，主要涵蓋以下功能模塊：

(1) 核心引擎。底層技術平臺的主程序，根據模塊之間的依賴關系和配置參數調用其他模塊，完成長安鏈系統的整體功能。長安鏈系統的合約、交易調度、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) 網絡通信模塊。實現節點間發送交易接口，包括點對點發送、廣播等。支持共識節點(參與共識、候選節點)、同步節點、spv節點等多種節點類型，同時可以實現參與方(或組織)、節點的動態增刪，節點請求可以進行限流。支持網絡黑名單、白名單等安全管理體系。

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

(4) 共識算法模塊。保證數據在區塊鏈各參與方之間嚴格一致。

(5) 智能合約。負責實現用戶具體的業務邏輯，接受用戶的調用，結合用戶的輸入和當前鏈上狀態，經過一系列運算后產生對上鏈數據的更新操作集合。

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

(7) 密碼服務模塊。支持加密算法封裝和實現，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方式進行全鏈路安全防護。

(8) 數據存儲模塊。提供統一的數據模型，并定義統一的數據訪問接口，支持多種數據存儲組件。

4.2 支撐平臺

長安鏈支撐服務平臺是區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，提供長安鏈網絡管理通用、重要的功能模塊，主要包括：

(1) 組織管理中心。包括賬戶管理、聯盟管理、業務鏈管理、策略管理、節點管理、智能合約管理、區塊鏈瀏覽器、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、業務鏈管理。

(3) 運維管理中心。包括監控服務、告警服務、運維日志管理。

4.3 數據合約

圖4所示為基于區塊鏈技術的數據合約及交互示意圖。

圖4 數據合約及交互示意圖

本文的地鐵車輛電子履歷系統合約設計分兩大類：按基礎功能考慮，開展企業(或系統)數字身份識別、數據隱私保護、訪問控制(權限管理)、業務數據統計、操作流程管理5項業務相關合約開發；
按業務對象考慮，開展整車信息管理、狀態信息管理、備品備件管理、檢測檢修管理、技術文件管理5項業務相關合約開發。具體說明如表1所示。

表1 合約說明

地鐵車輛履歷數據資源庫對地鐵車輛基礎信息和運營維護相關數據進行統一規劃、統一管理，既考慮了現有數據資源的利用，又能支持全域數據的總體規劃。通過建立全域范圍內穩定的數據模型，可以最大程度地提高數據的共享度，降低數據的冗余，減少數據接口。

5.1 數據資源集成

數據資源集成將基于前期信息系統建設積累的大量數據資源、數據標準規范等成果進行統一管理，覆蓋全生命周期，細化到最小檢修單位，以達成更優的數據利用效果(圖5)。

圖5 數據資源集成

其中，車輛基礎信息和車輛技術文件資料等均可從采購平臺和智能維修系統中獲??；
維修/維護數據信息從各運分公司業務系統中進行采集，經由全量數據倉庫獲取。同時考慮與集團統一用戶、身份認證系統集成，實現用戶信息共享利用和系統認證的統一服務；
與集團辦公系統(OA)進行數據集成，查詢統計中的預警提醒均可通過辦公系統及時通知發送消息(系統消息、企業微信消息、短信等)給相關管理工作人員。

5.2 資源庫分類

資源庫包括數據庫數據、文件數據和數據標準等內容。

數據庫數據指以數據庫形式存儲和管理的數據，為平臺的日常操作、信息服務提供支持，實現應用的查詢、數據管理、數據服務、統計分析等功能。

文件數據指以文件形式存儲和管理的數據，即以各種文件形式存放的非結構化數據資源。系統采用基于XML技術的文件型數據，支持變長記錄格式，數據交換處理更為方便。

數據標準指數據管理的標準化內容。信息系統集成的基礎是數據集成，而數據標準化是數據集成的保證。數據標準內容包括數據元素標準、信息分類編碼標準、數據庫標準和交換數據標準等。數據資源編碼規范是本文工作開展的基礎。通過系統通用指標體系、主數據編碼、數據采集接口、數據采集要求和典型數據應用場景等項點內容的制定，支撐和引導本系統數據資源庫的設計與搭建工作。

本文研究并提出的基于區塊鏈技術的地鐵車輛電子履歷系統方案可實現基于地鐵車輛及主要零部件履歷異構信息歸一化的電子履歷信息化、無紙化辦公，通過持續匯集車輛的重要數據信息，形成可挖掘、可增值的全生命周期數據資產，可有效輔助地鐵車輛及關鍵零部件的維修決策。