Blockchain-basierte Abrechnung der IoT-registrierten Stationshalte: ein Proof-of-Concept auf Basis von Ethereum

Einführung

Nach der Liberalisierung des Marktes für Eisenbahnverkehre in Deutschland steht ein überwiegender Teil der Vollbahn-Infrastruktur den Marktteilnehmern diskriminierungsfrei zur Verfügung, d.h. die Gleise, Oberleitungen und die Verkehrsstationen (für den Personenverkehr) werden von den entsprechenden zuständigen Konzerntöchtern der Deutschen Bahn AG gegen Nutzungsentgelte an Dritte überlassen: Wir sprechen von den Rollen Eisenbahninfrastrukturunternehmen (EIU) und Eisenbahnverkehrsunternehmen (EVU). Die Benutzung der Infrastruktur setzt eine Anmeldung durch das EVU beim EIU voraus — und zwar so, dass dem EIU jede einzelne Nutzung im Vorfeld (mit zeitlichem Vorlauf) verbindlich schriftlich vorliegt (vgl. Abbildung 1).

Abbildung 1: Stakeholder (Use-Case-Diagramm / Anwendungsfalldiagramm)

Anmeldung und Abrechnung der Stationshalte: Situation im Februar 2018

Lange Zeit wurde die Anmeldung „traditionell“ mithilfe von Excel-Formblättern und Fax (später zusätzlich E-Mail) bewerkstelligt. Dies war ausreichend, solange die Beinahe-Monopole der vertikal integrierten Staatsbahnen beim Personen- und Güterverkehr existierten. Damit einhergehend gab es auch nur eine kleine Menge von kurz- und mittelfristigen Sonderverkehren. Für den größeren Teil der Verkehre war also die Trennung in Infrastruktur und Betrieb nicht relevant, da es sich um „Eigenleistung“ innerhalb der Deutschen Bahn handelte.

Abbildung 2: Ausschnitt zur Stationshalt-Anmeldung im Stationsportal[vii]

Blockchain-basierte Umsetzung als Proof-of-Concept

Warum Blockchain?

Die IT-technische Umsetzung eines Proof-of-Concept für Stationshalte muss natürlich nicht zwingend auf einer Blockchain implementiert werden. Dennoch bietet sich eine Umsetzung mittels Blockchain-Technologie in unserem Falle aus den folgenden Gründen an:

Abbildung 3: Architektur und Scope des Showcases

Designoptionen bei Abrechnung der Stationshalte

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Stationshalt abzurechnen. Dabei sollte man bedenken, dass ein Stationshalt aus einer Einfahrt und einer Ausfahrt besteht. Die Abrechnungsmöglichkeiten lassen sich anhand folgender Kriterien klassifizieren:

  • Toll-Before-Access: Einfahrt erst nach Abrechnung/Zahlung/Kreditierung
  • Toll-After-Access: Die Einfahrt wird nicht durch die Abrechnung begrenzt, allerdings kann hierbei die Ausfahrt durch die Bezahlung eingeschränkt sein.
  • Toll-After-Departure: Die Abrechnung findet erst nach Ausfahrt statt, was z.B. bei Berücksichtigung der Haltedauer sinnvoll sein kann; die Freigabe der Ausfahrt wird nicht durch den Bezahlvorgang beschränkt und der zeitliche Abstand kann sich unterscheiden.
  • Online vs. Offline: d.h. ob bei der Einfahrt und/oder bei der Ausfahrt eine Verbindung zum Infrastrukturbetreiber bestehen muss oder nicht (es sind natürlich auch Kombinationen möglich).
  • Guthabenbasiert (Prepaid) vs. kreditbasiert (Postpaid) — auch hier kann eine Mischform gefunden werden.
  • entweder vom Zug (bzw. vom EVU),
  • vom EIU selbst (hier vom Stationsbetreiber),
  • oder von einer dritten Partei kommen (etwa von den Balisen des Signalsystems, die in der Verantwortung einer anderen Gesellschaft der DB AG stehen).
  • Das Fahrzeug (EVU-Seite) schreibt seinen Halt in die Blockchain, mit Angabe des Haltes, ggf. angereichert mit weiteren Informationen zur Haltedauer, Zugeigenschaften, Anmerkungen des Lokführers, etc.
  • Die Station (EIU-Seite) schreibt das von ihr detektierte Haltereignis in die Blockchain zusammen mit einem Fahrzeug-Identifikator.
Abbildung 4: Sequenzdiagramm zum Smart Contract

IoT-Anteile des Showcases

Die Signalisierung des Haltereignisses findet im PoC über eine IoT-orientierte Lösung statt. Dabei löst die Zugeinfahrt in die Station zwei MQTT-Ereignisse aus. Über etablierte MoM-Patterns (etwa Message-Duplizierung oder Broadcast) lassen sich also weitere Systeme zur Haltauswertung ergänzen, ohne das eigentliche Abrechnungsszenario zu beeinträchtigen. Die zwei MQTT-Nachrichten sind:

  • Das stationsseitige Haltereignis wird durch den Infrastrukturbetreiber verarbeitet und mündet in einem neuen Blockchain-Eintrag (neue Transaktion in einem Block).
  • Das zugseitige Haltereignis wird von der EVU-Seite erzeugt und führt ebenso zu einem Blockchain-Eintrag.
Abbildung 5: Foto des Showcase-Aufbaus

UI und Hardware für den Showcase

Das primäre Ziel des Showcases ist die Veranschaulichung des Use-Cases für Stakeholder und Interessierte. Außerdem haben wir damit wertvolle Erfahrungen mit der quelloffenen Java-Implementierung von Ethereum (EthereumJ) sammeln können — es gibt nämlich signifikante Unterschiede bei der Usability der einzelnen Implementierungen von Ethereum.

Ausfallsicherheit und Schutzmechanismen

Der Charme der Blockchain-Technologie ist an dieser Stelle, dass das Schreiben in die Blockchain auf verschiedenen Nodes stattfinden kann. Vorausgesetzt, es liegt ein korrekt aufgesetzter und funktionierender Konsensus vor, wird dabei von den Blockchain-Teilnehmern ein notwendiges Quorum erzielt, um die „vorgeschlagene“ Transaktion auch tatsächlich durchzuschreiben.

Kryptoassets als Perspektive

Wie beschrieben ist die aktuelle PoC-Implementierung ein Postpaid-Verfahren — die EVUs häufen sozusagen Schulden an. Die Blockchain bietet aber über das Konzept der Kryptoassets, etwa in Gestalt von Kryptowährungen, eine Lösung an, die weder zu einer (Online-)Anbindung an echte Abrechnungssysteme zwingt noch dem EIU das Risiko aufbürdet, auf den Rechnungen sitzen zu bleiben. Konkret könnte man ein Guthaben auf der Blockchain abbilden, ohne dass das EVU sein Geld tatsächlich aus der Hand gibt. Vorstellbar wäre hier eine 1:1-Abbildung von einer Geldeinheit auf ein Kryptoasset (wir nennen das Kryptoasset symbolisch „StationshaltCoin“) und ein EVU würde vor jeder Abrechnungsperiode ein Guthaben aufbauen — Eintausch von Euro gegen StationshaltCoin. Mit anderen Worten, die Blockchain wäre das Notaranderkonto und der Smart Contract ein Notar, der eine Auszahlung erst freigibt, wenn sich beide Seiten einig sind. Im September 2017 stellten IBM, ZF und UBS eine auf Hyperledger basierte Lösung[xi] vor, die ein Wallet (elektronische Geldbörse) für Autos bereitstellt, mit welchem Dienste bezahlt werden sollen.

Zusammenfassung und Ausblick

Der beschriebene Anwendungsfall zeigt, wie die Vorteile von Blockchains bei der Abrechnung der Stationshalte im Bahnverkehr helfen können, die Prozesse zu verbessern und die manuellen Aufwände zu miniminieren. Die vorgestellte Proof-of-Concept-Implementierung zu diesem Anwendungsfall zeigt, wie Ethereum und IoT-Aspekte kombiniert werden können, um die physische Welt und die virtuelle Welt der IT zu verbinden.

Anmerkungen

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Autoren

Dr. Michael Kuperberg arbeitet als Blockchain Lead Architect bei der DB Systel GmbH in Frankfurt am Main und berät Kunden innerhalb des DB-Konzerns zum Thema Blockchain. Man erreicht ihn unter michael.kuperberg@deutschebahn.com.

Fußnoten

[i] Zur Abrechnung in der Schweiz: http://fahrweg.dbnetze.com/fahrweg-de/kunden/nutzungsbedingungen/strecken_in_der_schweiz.html

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Professor | Lecturer | Author | Investor | Frankfurt School Blockchain Center

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Philipp Sandner

Professor | Lecturer | Author | Investor | Frankfurt School Blockchain Center