Abstract：The blockchain originates from digital currency and is naturally suitable for financial clearing and payment. The AFC system supporting diversified payment is such a scenario. The application of blockchain technology may bring about changes in ticket type of AFC system, upgrade of system architecture, improvement of clearing efficiency, and even acceleration of cross regional rail transit interconnection. Many difficulties that are difficult to break through at present will be solved. Of course, blockchain will bring changes to AFC industry, but it is not pushdown. What we need to do is to extract the essence, make full use of its technical advantages and take practical and feasible application scenarios to promote the application and development of block chain technology.

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区块链是一个数量不断增长的全球分布式账本，它的诞生为社会带来了可信任的协议技术。一般来说，区块链的发展被划分为三个阶段，这项技术的全面应用被认为是对现有社会体系的一次重大变革，我们将进入一个全新的信用时代。

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。区块链系统由数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层组成。

人们对区块链的最初印象一般是“去中心化”，然而准确来说应该是叫“分布式”或“多中心化”。区块链网络中具备中心职能的节点仍然存在，在实际应用中这样的中心节点将承担更多的类似系统管理的工作，但从网络结构上来看，整个系统是扁平化的，所有节点在基础功能上都是共同参与的。本质上，区块链是一种可以让多方保持共享且不可篡改的数据库，它能够降低交易成本、提高结算速度。

1.  AFC系统现状

近年来，多元化支付在AFC系统的发展十分快速，系统功能重心也迅速向中央与终端这两端集中，资源和性能面临瓶颈；业务多样化对系统整体规划设计要求高，快速迭代可能导致程序模块碎片化的问题；持续和高峰值的使用需求对系统故障容忍度低，维护成本和维修效率难以平衡。

目前AFC系统数据量大，存在数据缺失，延迟上传，交易重复，校验错误等问题。在中心收集数据后需要进行大量清洗、入库、匹配、整理、清算的工作，整个过程消耗大量系统资源和时间，若发生系统故障，将导致AFC系统运作异常。而且由于是集中式管理，数据系统可能存在被入侵和篡改的风险。

2.  区块链技术优势

区块链一般分为六个架构层级，分别是数据层、网络层、共识层、激励层、合约层以及应用层。具体每个层级的基本概念及特点在其它文章已充分说明，本文不再赘述。因此，结合自动售检票系统特点，以其中数据层、网络层、共识层、合约层四个方面进行技术应用的优势及适用性分析。

数据层

区块链技术本身已经经历了十年的发展，它所应用的基础技术单元也都是非常成熟的。例如时间戳、哈希算法、非对称加密、数字签名、Merkle根等等，然后将这些技术单元组合成数据区块并以头尾关联的方式形成链区结构。一个区块可以记录大量同一时间段内的交易，加盖时间戳以形成有序区块序列。

这样解释可能比较抽象，举个例子，就好比以前我们存放数据就是给数据排队，最多按某种序列顺序排队。那区块链数据则不仅排好了队，还前后互相牵着手。

图1 区块链数据结构示意图

AFC系统数据要上链，那么必然要遵循区块链的数据结构进行调整或改进，在不同阶段选取合适的数据进行实践，目的是更有效地收集、处理和管理系统中的数据。

网络层

区块链采用 P2P组网方式，所有网络节点扁平化互联，同时节点又分为“全节点”和“轻量级节点”，其区别在于数据存储量和功能的不同。因为是分布式网络，所有信息都将在全网传播，所有节点都参与信息收发、验证和存储的工作，以此来保证区块链的有效和一致。

P2P网络；点对点的分布式网络，扁平化结构利于数据交换，并通过对不同节点的属性进行定义，实现节点功能分级设计。

传播机制：节点间通过既定通信协议收发信息，对链上数据进行转发及验证，确保数据一致性。

验证机制：节点将对接收到的数据进行工作量证明及重复交易验证，以保证网络中数据的有效性。

分布式系统与集中式系统相比，其组网方式更为灵活，这对于AFC系统来说将是巨大的变化。处于新建或规划中的AFC系统可能考虑尝试性地采用分布式网络通信协议和去耦合的业务流程设计去进行搭建；对于现存的大规模在运营线网的AFC系统改造会是一场阵痛，但之后所形成的生态可能将AFC系统推向另一个高度。

共识层

共识机制是区块链设计中的重要一环，工作量证明给出了在分布式网络中拜占庭将军问题的有效解法，从而使高度分散的节点在去中心化系统中高效针对数据的有效性达成共识，并保证数据一致性。

工作量证明的方法最能体现分布式协作的精神，通过参与者的过程资源消耗和成果激励来维系区块链网络的运转，以经济惩罚和博弈思想来规避恶意攻击的行为，但工作量证明被人诟病的实际问题就是对于电力和计算力资源的大量占用和消耗。当然共识机制还有很多种，不过大多数还是以工作量证明为基础对其方法进行演化。

区块链经过发展已由完全的公有链（数字货币）衍伸出联盟链和私有链的形式，以适应在商业和企业的需求。这种多中心分布式的架构中设有高可信的中心节点，那么以单纯工作量为依据的共识方法可以被更高系统吞吐量、较低资源消耗的机制取代，甚至在某些应用场景下可以考虑取消共识机制。

合约层

智能合约的效用前提是将资产数字化，然后将参与各方围绕数字资产约定的权益及条件进行编程，并由系统自动执行。从某种意义上，人们称之为“code is low”。当然，智能合约目前并不能等同于法律,但是它可以代表法律协议的一部分。智能合约的执行结果可以用作审计、追踪，用来证明法定的协议条款是否可以被执行。

其实，这一过程就是基于数据互信，具备去中心化可信任数据基础的区块链技术正是智能合约最理想的应用平台。

智能合约对事务的处理是自动和客观的，标准化和可量化的业务流程均可通过智能合约编制和执行。这程中可有效排除人为因素造成的错误，并且降低对资源和时间的消耗。

AFC系统的终端设备与用户之间的交互实质上构成了交易。例如闸机扇门的开关状态其实就是某种数字指令，设备先验证用户有效，确认后设备开启闸门放行，这个逻辑似乎就很适合智能合约执行。

当然，在我们设计智能合约同时，也应该考虑区块链系统下对交互实时性、交易吞量等指标，毕竟轨道交通自动售检票系统是一个快速、大流量、高并发的场景。

此外，AFC系统还有大量业务在后台执行，交易匹配、清分结算、订单支付等等一系列类似金融属性的业务也是区块链智能合约的用武之地。

3. “区块链+AFC系统”应用建议

数据层、网络层以及共识层是区块链的技术核心，它们构建了区块链底层架构，合约层则是扩展应用。同样，AFC系统中数据结构、系统网络和通信协议组成了基础架构，终端和后台系统搭载了交互逻辑与业务应用。按此思路，两者的结合也可以进行对照分析和研究。

一.1 系统架构变化

经典的AFC系统架构设计为五个层级，分别是清分中心、线路中央计算机系统、车站计算机系统、车站终端设备以及车票，自上而下逐级管理，形成金字塔形系统结构。这个阶段，AFC系统是一个封闭式自动化网络系统，优点是保证了数据各级备份和数据安全，不同层级功能分功明确，易于监管，系统性风险可控，具有一定的扩展性。

近年，由于多元化支付兴起，国内轨道交通行业AFC专业迅速发展，为了支撑移动非现金支付在地铁场景使用，其系统架构也进行了调整，基本思路为进一步加强中心平台建设，采用云平台提升系统性能和扩展性，同时丰富强化平台功能，弱化或削减中间层级能力，形成二层系统架构。这样的设计提高了AFC系统数据流转实时性，打开了业务多样化发展的空间，但也对中心平台和终端设备带来了更大的压力，对网络条件的要求也更高，系统可能出现范围性失效风险。

区块链技术是以分布式网络为基础架构的，扁平化的节点设计可在满足分组功能管理要求同时打破传统层级间的信息沟通方式，实现多中心、高容错、易扩展的系统构成。我们不用再担心中央级系统故障导致数据丢失的风险，在单个车站节点失效的情况下车站终端仍然能够正常运转，系统的扩容和升级也变得更加容易。

图2 AFC系统架构对比

一.2 数据上链的选择

从上链数据的产生节点和内容划分：

Ø 中央数据上链

现在的AFC系统是在终端生产数据，由中央处理和存储数据。现阶段，在保持当前系统架构条件下，只需选择在中央数据上链，在数据层面实现区块链技术的初步应用。比如：交易审计、电子发票、清分结算等功能。

Ø 全数据上链

更进一步则需要进行全数据上链，以达成业务和数据层面区块链技术的全面应用。随着分布式网络构建完成，再进行原始数据上链，并配套开发业务流程区块链应用，从而提高AFC系统整体运转效率、减少人工介入环节、节省系统运维成本。整个系统也将具备扁平化、可追溯、防篡改、高容错、易扩容以及自动备份等特性。

从上链的类型划分：

Ø 私有链

私有链的管理者保有对系统的用户管理、权限管理、数据监控等权力。独立AFC系统的内部运转数据可通过私有链进行管理。

Ø 联盟链

联盟链主要适用于多个参与方共同管理区块链的情况，它能够确保各方在区块链上权利平等、数据互信、业务互通、利益共享的述求。轨道交通跨区域互联互通问题上，AFC系统的兼容、清分结算平台的归属等困难或许在联盟链多中心平等互利、数据共管共享的优势下将迎刃而解。

Ø 公有链

公有链是完全公开透明的，从信息完全角度分析，AFC系统所产生的大量用户数据和行业信息若过度暴露可能存在不确定风险，这种情况应慎重考虑。

一.3 智能合约应用

区块链技术可以提升金融系统结算效率。说明一下，在区块链中如果交易双方是以数字货币作为结算货币形式的话，数字货币本身就能够实时进行资产的转移，而如果双方以数字化实物资产及现实货币进行结算，则需要通过智能合约完成这一过程。区块链的智能合约功能使得机构之间清算再不需要复杂的人工审核流程，交易在网络中确认后即可马上完成划账。

地铁公司与城市一卡通公司有大量数据来往和清分结算，比如广州地铁与羊城通公司。现在，AFC系统数据在高准确率的条件下，双方的清分结算过程仍可能需要专业人员进行集中数据核验，资金也是延期结算。那么，如果运用智能合约，双方将能够实时进行交易确认和资金结算。

智能合约清算分为三个步骤：

1) 签订合约：根据业务流程和规则制定一份智能合约；

a) 地铁公司与一卡通公司分别注册为区块链的用户，生成各自的公钥和私钥。公钥作为用户在区块链上的账户地址，私钥作为操作该账户的唯一钥匙。

b) 双方根据商定的清算规则，对每笔一卡通产生交易的结算规则进行编程写入智能合约，并分别用各自私钥进行签名，以确保合约的有效性。

c) 签名后的智能合约被传入区块链网络中。

2) 存储合约：合约通过P2P网络扩散并存入区块链；

d) 区块链网络中每个节点都会收到一份合约，其中的验证节点将其保存到内存中，等待共识和处理。

e) 收到合约的验证节点会各自计算一个对应的哈希值，同时把结果向其它节点广播；验证节点会对这个哈希结果进行交叉验证；通过多轮的发送和比较，所有的验证节点最终一定时间内对合约达成共识。

f) 同一轮达成共识的合约集合会以区块的形式扩散到全网，合约集接受节点的验证签名信息等，验证通过的合约最终存入区块链。

3、自动执行：区块链构建的智能合约自动执行。

g) 智能合约会定期检查自动机状态，遍历合约内包含的状态机、事务以及触发条件，一旦一卡通交易在区块链网络中被确认即会触发合约，请求结算的事务进入到待验证的队列中。

h) 最新待验证的结算事务会扩散到所有验证节点，接受签名验证，随后等待共识。在确保有效并达成共识后，双方的结算事务即被自动执行完成。

i) 由于一卡通结算属于持续型的事务，将一直在保存在合约区块当中，并反复执行。

以上带个过程都由区块链底层内置的智能合约系统自动完成，全程透明、不可簒改。

4、结论

区块链技术是密码学、计算机工程、数学、行为经济学之中已发展完善的知识的集合，与现存技术并不冲突，反而一脉相承且青出于蓝。我们应取其优点，循序渐进，结合行业发展现状和痛点进行应用。

本文总结了区块链在AFC系统中对应的技术优势，并从系统架构、数据上链形式、智能合约应用三个方面结合AFC系统业务范围和痛点提出了初步的应用构想，以期为行业创新注入新的思路。

参考文献

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[5]唐塔普斯科特.区块链革命[M]. 中信出版集团股份有限公司，2016

作者：张峥嵘

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