基于区块链技术的地铁车辆电子履历系统方案研究

李 明，李 熙，张 骄，崔霆锐

(北京市地铁运营有限公司，北京 100044)

地铁车辆设备种类繁多，包括牵引系统、制动系统、网络系统、辅助系统、门系统、乘客信息系统等，这些系统设备稳定、高效、安全的运行是确保地铁列车正常运营的重要支撑和保障。如何对这些系统设备的运行状态、维护维修记录和服役水平进行科学、有效、及时的记录与管理，已经成为目前轨道交通设备管理领域的重要课题。

地铁车辆履历包含了大量、重要的基础信息，记录了地铁车辆及重要零部件从采购、组装、运用、检修到更新改造全过程的重要数据及技术状态，是地铁车辆检修、运用管理和技术分析的重要基础和依据。相较于一般的信息管理系统，地铁车辆履历管理系统具有信息来源广、数据量大、冗余度高等特点，这就要求系统能够更规范合理地记录、保存、运用车辆信息，避免出现信息不完善、不正确的问题。但是，由于以往的履历管理工作中存在着计算机技术不成熟、操作规范不清晰、职工思想不重视等问题，车辆履历信息得不到妥善的管理，产生了信息异构、信息无法形成闭环、信息利用率不高等问题。随着地铁检测、管理、维修、评估等技术的迅猛发展和地铁运营规模的不断扩大，这些问题愈发凸显，成为制约地铁行业发展的重要因素。

目前，国内地铁公司的履历数据主要包括主机厂交付和维修过程中产生的纸质文档，作为档案进行保存，主要存在以下问题：

(1) 数据精细化方面，没有针对地铁公司的运营特点对车辆履历进行结构化分解、精细管理；

(2) 数据规范化方面，各地铁公司或部门日常车辆巡检/维修/维护时对应的车辆部件没有统一的数据命名规范；

(3) 数据可追溯方面，车辆各阶段数据相对分散，部件维修及故障追踪溯源困难。

而在信息化建设方面，各地铁公司的信息化水平参差不齐，工作主要依靠自建的信息管理系统，主要存在以下问题：

(1) 数据标准化方面，各信息管理系统对地铁车辆履历的管理维度、管理结构等存在不同的标准；

(2) 数据可共享方面，地铁公司和运分公司的信息管理系统相对独立。

针对上述问题，国内一些专家开展了一些研究与实践工作。张唯 等按照“需求导向、问题导向、目标导向”的原则，构建了地铁车辆智能运维建设框架和运营管理的指标体系，收集了地铁车辆运营的相关数据，并通过科学分析处理形成预警阈值和健康指标，为地铁车辆管理提供了可视化和可量化的评价依据[1]。张岩 等针对现有地铁车辆履历管理中的信息异构、信息缺失等问题，开发出一款地铁车辆履历管理系统[2]。文志永 等研究了一种高速动车组全生命周期履历管理系统，通过分析高速动车组全生命周期履历信息管理需求，提出了履历系统的体系架构并在企业实现了应用[3]。张虹 等进行了电子履历技术在机车上的应用分析[4]。而在其他复杂装备方面，翟新康 等开展了基于全寿命周期管理的机载设备履历本规范制定及编写工作[5]；
金芳 等针对纸质装备履历信息手工登统计效率低等问题，设计开发了基于C/S结构的装备履历信息管理系统[6]。此外，区块链技术可为轨道交通系统边缘计算网络构建系统性的安全防护机制，保障网络安全和数据安全。文献[7]提出了融合区块链的轨道交通边缘计算网络安全防护机制和应用实例。文献[8]分析了区块链在城轨二维码互通中的解决方案；
通过建立统一的区块链合作协议，并将账户和业务环节授权上链，可以实现互联互通业务的去中心化和乘客服务的简便化。

综上，本文针对现有地铁车辆履历管理存在精细化、规范化、标准化等系统性不足的问题，以及可追溯、可共享等管理需求，综合利用区块链、数据库等技术，研究并提出基于区块链技术的地铁车辆电子履历系统(以下称地铁车辆电子履历系统)方案，以实现智慧地铁建设和企业数字化转型的总体目标。

地铁车辆电子履历系统主要面向地铁公司及相关业务部门的车辆基础信息管理、维修管理、工单管理、备品备件管理等业务，进而实现信息化管理。图1为地铁车辆电子履历系统架构方案，系统总体架构包括数据资源、应用支撑、应用服务等层级的内容。

图1 地铁车辆电子履历系统架构方案

系统架构遵循地铁公司信息化建设标准和要求：以标准为前提，以数据为核心，以安全和运维为保障，以应用为目的，同时设计了地铁车辆履历管理日常的存储、查询、使用以及不同线路、不同列车之间的数据融合等功能，以消除信息孤岛、数据异构等问题，可实现多条线路的履历信息的集成管理，为地铁车辆检修、运用管理和技术分析提供帮助。

(1) 数据资源层。数据资源层是本系统的核心，应具备结构化数据、非结构化数据的管理存储能力。数据资源包括地铁车辆及零部件的运行数据、维修维护数据等，以及面向不同管理职能的主题数据等地铁车辆履历相关数据，并可通过系统应用功能对数据资源进行管理与维护。

(2) 应用支撑层。将基于多层架构和组件技术进行构建，为系统提供可通用的、可复用的、标准化的模块，避免重复开发，以保证系统建设的时间和质量。

(3)应用服务层。应用服务层主要实现系统各项业务需求的功能，主要包括履历信息查看、履历信息维护、统计分析、履历信息管理和系统管理等模块。随着系统应用的不断深入，可基于应用支撑层在应用服务层进一步建设其他的子系统。

安全保障体系主要为系统网络层、应用支撑层、应用服务层和数据资源层提供统一的信息安全服务，在技术层面上主要提供边界防护、防入侵、漏洞扫描、病毒防治、用户身份认证、防篡改、数字签名、信息加密等安全措施。按照信息管理系统安全等级三级保护进行设计和建设。

3.1 技术架构

系统的技术架构如图2所示。系统采用B/S架构、J2EE技术路线，将关系型数据库、中间件、业务流、表单及互联网等技术和产品进行集成，界面友好，系统安全性和数据处理能力较强，且具备可扩展性。

图2 地铁车辆电子履历系统技术架构

该系统主要由应用开发与扩展支撑平台及一系列成熟的应用软件框架构成。应用开发与扩展支撑平台可应用各种主流的中间件和操作系统，可适应多种数据库管理系统，同时可以采用多种认证方式进行用户认证及保证系统安全。因此，系统可以满足用户的要求以及各种网络环境、主机环境、底层软件运行环境等情况。

3.2 功能模块

基于地铁车辆电子履历系统的一般要求，系统主要包括业务视图、履历信息维护、查询统计、履历信息管理、移动端应用和系统管理等模块，如图3所示。

图3 系统功能模块

系统数据信息来源广，应用部门多，涉及运营单位、管理单位、车辆生产单位、零部件生产单位等，还涉及不同数据之间的传递和应用。而随着互联网技术的发展，网络安全越来越受到人们的重视。区块链是一种去中心化、无需信任、防篡改性强的分布式记账本技术，其综合利用了密码学、概率论、共识机制和分布式网络等多种计算机技术，适用于电子档案保护的场景。尽管区块链技术具有诸多优点，但它仍具有存取效率低和经济成本较高等问题，故区块链不能替代现有的数据库技术，需作为一种补充的技术手段，与其他技术结合使用。

4.1 底链

作为系统应用的关键技术，区块链底层采用自主可控的技术架构，同时适配安全体系与行业标准规范，实现不同业务场景对安全性、可扩展性等各类性能的需求；
灵活组装不同的区块链系统，可满足各类场景的业务需求。本文的地铁车辆电子履历系统采用基于长安链的底层技术平台，主要涵盖以下功能模块：

(1) 核心引擎。底层技术平台的主程序，根据模块之间的依赖关系和配置参数调用其他模块，完成长安链系统的整体功能。长安链系统的合约、交易调度、共识、存储等模块的组件均通过核心引擎直接控制，核心引擎可在后台指挥所有的元素并行、有序地工作。

(2) 网络通信模块。实现节点间发送交易接口，包括点对点发送、广播等。支持共识节点(参与共识、候选节点)、同步节点、spv节点等多种节点类型，同时可以实现参与方(或组织)、节点的动态增删，节点请求可以进行限流。支持网络黑名单、白名单等安全管理体系。

(3) 身份管理模块。提供权限配置与权限校验接口，对成员接入、智能合约调用等操作权限进行控制。在联盟链中，链上部署执行智能合约、参与共识等操作均需设置一定的权限管控策略，对链上参与方身份进行管理。

(4) 共识算法模块。保证数据在区块链各参与方之间严格一致。

(5) 智能合约。负责实现用户具体的业务逻辑，接受用户的调用，结合用户的输入和当前链上状态，经过一系列运算后产生对上链数据的更新操作集合。

(6) 交易调度模块。将一批交易打包排序并提交给共识模块，从而使其他节点在区块验证时尽可能并行处理，以压缩区块验证时间。

(7) 密码服务模块。支持加密算法封装和实现，采用散列算法、对称加密算法、非对称算法、传输层安全机制、密钥管理机制等密码学方式进行全链路安全防护。

(8) 数据存储模块。提供统一的数据模型，并定义统一的数据访问接口，支持多种数据存储组件。

4.2 支撑平台

长安链支撑服务平台是区块链底链可视化管理平台，功能从可视化、易用性、可定制性等方面出发，提供长安链网络管理通用、重要的功能模块，主要包括：

(1) 组织管理中心。包括账户管理、联盟管理、业务链管理、策略管理、节点管理、智能合约管理、区块链浏览器、证书管理、运维工单、日志管理、工单管理、消息管理。

(2) 平台管理中心。包括组织管理、业务链管理。

(3) 运维管理中心。包括监控服务、告警服务、运维日志管理。

4.3 数据合约

图4所示为基于区块链技术的数据合约及交互示意图。

图4 数据合约及交互示意图

本文的地铁车辆电子履历系统合约设计分两大类：按基础功能考虑，开展企业(或系统)数字身份识别、数据隐私保护、访问控制(权限管理)、业务数据统计、操作流程管理5项业务相关合约开发；
按业务对象考虑，开展整车信息管理、状态信息管理、备品备件管理、检测检修管理、技术文件管理5项业务相关合约开发。具体说明如表1所示。

表1 合约说明

地铁车辆履历数据资源库对地铁车辆基础信息和运营维护相关数据进行统一规划、统一管理，既考虑了现有数据资源的利用，又能支持全域数据的总体规划。通过建立全域范围内稳定的数据模型，可以最大程度地提高数据的共享度，降低数据的冗余，减少数据接口。

5.1 数据资源集成

数据资源集成将基于前期信息系统建设积累的大量数据资源、数据标准规范等成果进行统一管理，覆盖全生命周期，细化到最小检修单位，以达成更优的数据利用效果(图5)。

图5 数据资源集成

其中，车辆基础信息和车辆技术文件资料等均可从采购平台和智能维修系统中获取；
维修/维护数据信息从各运分公司业务系统中进行采集，经由全量数据仓库获取。同时考虑与集团统一用户、身份认证系统集成，实现用户信息共享利用和系统认证的统一服务；
与集团办公系统(OA)进行数据集成，查询统计中的预警提醒均可通过办公系统及时通知发送消息(系统消息、企业微信消息、短信等)给相关管理工作人员。

5.2 资源库分类

资源库包括数据库数据、文件数据和数据标准等内容。

数据库数据指以数据库形式存储和管理的数据，为平台的日常操作、信息服务提供支持，实现应用的查询、数据管理、数据服务、统计分析等功能。

文件数据指以文件形式存储和管理的数据，即以各种文件形式存放的非结构化数据资源。系统采用基于XML技术的文件型数据，支持变长记录格式，数据交换处理更为方便。

数据标准指数据管理的标准化内容。信息系统集成的基础是数据集成，而数据标准化是数据集成的保证。数据标准内容包括数据元素标准、信息分类编码标准、数据库标准和交换数据标准等。数据资源编码规范是本文工作开展的基础。通过系统通用指标体系、主数据编码、数据采集接口、数据采集要求和典型数据应用场景等项点内容的制定，支撑和引导本系统数据资源库的设计与搭建工作。

本文研究并提出的基于区块链技术的地铁车辆电子履历系统方案可实现基于地铁车辆及主要零部件履历异构信息归一化的电子履历信息化、无纸化办公，通过持续汇集车辆的重要数据信息，形成可挖掘、可增值的全生命周期数据资产，可有效辅助地铁车辆及关键零部件的维修决策。