基于區塊鏈的海運業智能合約框架構建與分析

洪文倩，王慶年 （華南理工大學，廣東 廣州510006）

HONG Wenqian, WANG Qingnian (South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

0 引 言

隨著“一帶一路”倡議的提出與確立，傳統國際貿易呈現了新機遇，發展迎來了新一輪高峰。海洋運輸作為國際物流中最主要的運輸方式，它的地位隨著“一帶一路”的提出越發明確與明顯。但海洋運輸目前也正面臨著最大的危機，它不僅有著傳統行業本身的短板，如信息不對稱、發展模式相對封閉、產業結構過于單一等，而且還面臨隨著“限硫令”、“碳減排”等新政策的即將推行而導致的運輸成本上漲問題。區塊鏈技術作為國務院《“十三五”國家信息化規劃》中的戰略性前沿技術，其在各領域都存在著廣闊的應用前景。利用區塊鏈中的智能合約技術解決海運過程中大量書面文件流轉、業務處理程序繁雜、信息偽造等問題，有利于提升“一帶一路”貿易效率和有序性，降低貿易信息交換成本，使我國的海洋經濟再一次擁有新的增長著力點。

學者們也正探究區塊鏈在國際貿易及海運業的應用。張宇懷和于鳳提出利用區塊鏈技術解決國際貿易中跨境支付，貿易信用，數據互通、存儲和安全等多種問題[1]。李啟明和張倩針對當前國際貿易業務的現存問題，提出了基于區塊鏈的國際貿易業務模式，以提高國際貿易業務效率、規避業務風險、實現商品溯源[2]。姜麗麗提出利用區塊鏈破解海運貿易過程中的信用缺失和風險高等難題[3]。趙毅總結了目前區塊鏈技術在海運業的發展現狀，并分析了海運業巨頭馬士基在區塊鏈背景下的數字化戰略[4]。本文所要解決的問題與上述學者們是相似的，比如貿易信用、數據互通、業務效率等，但在此基礎上本文提出了一個智能合約的基本架構，把這些問題帶到了解決層面，而不是僅僅停留在理論知識上。

1 海運業成本構成與區塊鏈技術改造的必要性分析

1.1 目前海運業的總體情況

海洋運輸又稱“國際海洋貨物運輸”，是國際物流中最主要的運輸方式。它是指使用船舶通過海上航道在不同國家和地區的港口之間運送貨物的一種方式，并以其獨有的運輸總量大、運輸費用低、運輸航道四通八達的特點，吸引了全球各個國家選擇海洋運輸作為其國際貿易的主要運輸方式。海洋運輸承載了國際貿易總運輸量的三分之二以上，占據著國際貿易競爭的核心地位，是支撐國際貿易的主要載體。

聯合國《2018 年海運報告》顯示，從2010 年以來，每年的全球海運貿易總量都呈穩步增長的趨勢，如圖1 所示。

如圖1 所示，2010 年至2017 年期間，全球海運貿易以年均3.5%的速度增長。2017 年全球海運總產量達107 億噸，較2016 年增加了4 億噸。并且聯合國貿易和發展會議預計2018 年海運總量將增加4%，增長同2017 年基本持平。鑒于全球經濟持續走好的趨勢，預測2018 年至2023 年全球海運的復合年增長率為3.8%。其次，以價值來衡量海運業，與世界經濟規模相比，它的量級也是不可忽視的。

圖2 中紅色柱形是選取了一些能夠從經濟角度反應海運業情況的參考數據，藍色柱形則表示了部分國家的國內生產總值（根據國際貨幣基金組織的2015 年統計數據）。表1 顯示了圖2 中所出現的各個經濟體國內生產總值的全球排名。

圖1 2010～2017 年全球海運貿易總量情況

圖2 衡量海運業經濟體量的參考數據

表1 2015 年各個經濟體國內生產總值的全球排名

海運業與世界經濟規模進行比較的方式如下：一是衡量海運貿易貨物的價值。如圖2 所示，2015 年全球的鐵礦石貿易量為13 億噸，如果按鐵礦石年均價格50 美金/噸計算，約合680 億美金，大致相當于肯尼亞的國內生產總值。二是估算船舶類資產價值，例如，新造船的年均投資額及全球船隊的年均價值，這些資產價值均可與經濟體的規模進行比較。然而，相對于和國內生產總值進行比較，更合適的做法可能還是衡量船隊的年均收益。在市場情形嚴峻的2016 年，克拉克森海運價格指數年平均為9 733 美金/天，以主流運輸領域約有22 000 艘活躍船舶進行計算，年收益約為770 億美金。按同樣的方法計算，2007年的年收益則高達1 890 億美金，相當于航運傳統強國希臘的經濟規模。

雖然有時航運業對全球經濟的影響還是難以直接衡量的，但以經濟體量看，航運業的一些領域可以與世界上一些規模較大的經濟體抗衡，尤其是在市場好的年份。因此無論是貨物量還是經濟體量，海運業都在國際貿易中擁有不可撼動的地位。

1.2 海運業成本構成分析

自2008 年國際金融危機以來，全球海運市場進入一輪漫長的調整期，目前正面臨著運力供求失衡、衰退期延長、運價低水平波動、企業盈利空間承壓的情況。海運業的成本正面臨著來自不同方面的使其上漲的壓力。

1.2.1 運價成本。海運業作為一個傳統行業，行業利潤主要受運價及營運成本的影響。運價一方面經歷了金融危機的沖擊，市場需求目前仍處于逐步恢復的過程中，另一方面，經歷了金融危機前運力的高速增長，市場運量與運力的矛盾態勢仍然存在，總體運價水平尚未完全恢復，長期低位徘徊。

1.2.2 綠色成本。隨著國際社會對環境保護標準的要求日益嚴苛，2020 年“限硫令”和2050 年碳減排等規范已經成為海運業界最熱話題。目前來看，國際海事組織（IMO） 關于全球海域2020 年1 月1 日實行0.5%硫排放限制的規定已經板上釘釘了。

“限硫令”要求從2020 年起，全球船舶最大硫排放量從目前的3.5%降至0.5%，這一新規必將增加船舶運營成本及綠色成本。有咨詢機構測算，全球海運燃料成本將上漲25%，年均增加約240 億美元的支出。增加的綠色成本將會通過各種方式轉嫁至運輸鏈的各個環節。這意味著，全球海運業將面臨新一輪的平衡再調整。

1.2.3 時間成本。港口基礎設施質量的好壞直接影響貨物的裝卸速度，也就是說可能會無形中提高海洋運輸的時間成本。比如，貨物的裝卸速度慢，導致了港口的貨物吞吐量低；船舶停靠時間延長，占用了港口的有限碼頭。停靠船舶在繳納巨額靠泊費用的同時卻得不到有效的裝卸率，而錨地或減速于航線上的船舶也因為待靠時間的拖后而延長拋錨時間或航行。這樣的情況就增加了海運業的時間成本，受影響的最終將是國際貿易的成效。

1.2.4 文件流轉成本。國際貿易業務涉及的規章制度、法律條款等眾多，往往會產生大量的文件單證。海運的過程涉及多方參與，除了買家與賣家以外，還包含貨代、倉儲、報關、車隊、船公司，乃至保險、銀行等服務商。此外，這些參與者之間又牽涉大量的文件傳遞，在一來一往的檢驗過程中，數據也同時經過多次轉手，耗費了不少時間與成本。

為了進一步量化傳統跨境貿易的文件流轉成本，丹麥的航運巨頭快桅（Maersk） 在2017 年，以追蹤方式記錄了一筆跨國貿易的程序。根據其紀錄顯示，一批從肯尼亞蒙巴薩港出口到荷蘭鹿特丹的鮮花，須經歷數十份文件和近200 條通訊信息傳遞才能順利完成，其過程涉及農民、貨運代理商、陸上運輸商、報關行、政府單位和港口承運人。其中需要的紙質文件厚達10英寸，這些文件和記錄的審核處理成本可能要高于運輸集裝箱的成本。由此看出，隱形的文件流轉成本也是海運業成本構成中不可忽視的一部分。

1.2.5 風險成本。海運業中存在著文件流轉與貨物流轉的不一致問題，信息偽造問題嚴重，存在著風險成本。以海運提單為例，在實際的海運過程中，只有收貨人出具提單文件時，承運人才能按照之前的合同條款交付貨物，但是由于銀行、國際快遞等服務的緩慢，文件的流轉速度遠慢于海運速度，因此往往會造成海運提單文件流轉慢于貨運的情況出現，為了讓貨物交付不出現問題，因此往往會出現收貨人沒有出示提單，承運人就交付貨物的情況。所以很多詐騙行為如偽造簽名、錯誤描述、虛假銀行擔保等就會發生，增加了海運過程中的風險成本。

1.2.6 其他成本。海運業中還存在一些其他成本，比如在海運過程中由于臺風、暴雨、海嘯等自然災害使貨物遭受重大損失而形成的保險成本。貿易結構性失衡以及班輪公司和運輸網絡效率低下導致的空箱成本。

綜上所述，不論是海洋運輸本身，還是海洋運輸中的每一個小細節，都直接或間接地影響著海運業的成本。在運價短期難以提升、即將到來的綠色成本、隱形的單證成本及風險成本的基礎上，成本管控成為海運業的共同選擇。

1.3 基于區塊鏈技術改善國際貿易流程降低貿易成本的路徑分析

區塊鏈技術是利用塊鏈式數據結構來驗證和存儲數據、利用分布式節點共識算法來生成和更新數據、利用密碼學的方式來保證數據傳輸和訪問的安全、利用由自動化腳本代碼組成的智能合約來編程和操作數據的一種全新的分布式基礎架構與計算范式。它由兩個主要要素構成：區塊鏈數據結構、區塊鏈系統或網絡。

區塊鏈數據結構是稱為塊的連接數據單元的有序列表。每個塊由塊頭和事務數據組成。如圖3所示，塊頭包含塊元數據，其中包含有關塊本身的信息，例如索引和創建時間戳。“標題”中最重要的字段是前一個塊的哈希表示。該值是從前一個塊的內容生成的，用于將塊連接到彼此。這意味著每個塊頭都包含前一個塊的散列，這樣就沒有人可以改變前一個塊中的任何事務。塊的另一部分是“正文內容”，即交易數據包含交易清單及其各自的數據，并且塊中的事務數據是不可變的，所有交易都完全不可逆轉。因此，給定最新的塊，訪問區塊鏈中的所有先前塊是可行的。

區塊鏈系統是一個由連接節點組成的分布式點對點網絡，它存儲和協商區塊鏈的信息內容。每個節點驗證傳入事務，如果它們有效，則將它們傳播到繼續此過程的其他節點，直到系統的所有節點都知道新事務。為了提供身份驗證和授權，區塊鏈系統使用非對稱加密。此方法使用公鑰和私鑰，可用于加密和解密消息，用一個密鑰加密的消息只能用另一個密鑰解密。

在當今海運業成本不斷上漲，利潤空間不斷縮小的情況下，區塊鏈和智能合約的技術優勢就凸顯出來。基于區塊鏈去中心化、高度透明、多方自治、匿名性、防篡改、可溯源等技術優勢解決國際貿易中身份識別困難，信用證欺詐，單據偽造等典型風險；通過智能合約幫助參與到全球供應鏈中的托運人、港口、海關、銀行和其他利益相關者，追蹤貨運，并用防篡改的數字記錄，取代相關的書面記錄，解決文件流轉問題。并且，使用區塊鏈平臺及智能合約進行運輸文件的傳輸，降低成本的表現就會非常突出，同時進一步提高海運的效率。世界經濟論壇曾估算，如果能將全球物流中的溝通和單證往來效率提升到現在最好水平的一半，那么整個全球貿易的效率就能提升9.4 到14.5 個百分點。

利用區塊鏈技術可以將海運流程中的各參與者組成一個聯盟鏈，選取適合的共識機制，將彼此之間原本的書面文件轉化成信息化文件并錄入區塊鏈網絡。各參與者可以隨時隨地查看貨物的實時進程，在各單據和合同符合條件的情況下以電子形式自動報關，同時運輸完成后，金融機構在符合付款條件的情況下自動付款。將區塊鏈和海運業結合起來以上述方式來改善海運流程，不僅能夠消除大量的書面文件成本，提高效率，而且也可以實現貨物溯源，減少風險成本。

圖3 區塊鏈數據結構

2 海運業智能合約基本框架的構建

智能合約是執行合同條款的計算機化交易協議。智能合約設計的總體目標是滿足常見的合同條件（例如付款條件、留置權、保密性、執行），最大限度地減少惡意和偶然的異常，并最大限度地減少對可信中介的需求。相關的經濟目標包括降低欺詐損失，仲裁和執法成本以及其他交易成本。

智能合約是運行在具有唯一地址的塊鏈上的計算機程序的實例。任何用戶都可以通過將事務發布到區塊鏈來創建合約。一旦創建了智能合約的程序代碼，它就不能被更改，并且在收到來自用戶或其他合約的消息時將被執行。合約的行為由發布者在接收消息時決定，智能合約可以讀寫存儲的文件，發送消息給其他用戶或合約。它還可以將貨幣存入賬戶余額，或將其發送給其他用戶或合同。合同條款不能更改，因此，合同也是不能更改的。智能合約原理如圖4 所示。

圖4 智能合約原理圖

在傳統的海運運輸過程中，涉及的節點較多并且各方之間有大量的繁瑣的數據交換工作，存在著高額的交易成本和較大的欺詐風險。傳統海運過程所涉及節點示意圖如圖5 所示：

圖5 傳統海運所涉及節點示意圖

由圖5 可知，一單貿易的流程大致為：（1） 出口方和進口方簽訂完買賣合同后，進口方向進口銀行要求開立以出口方為受益人的信用證。（2） 進口銀行通知出口銀行信用證已開出。（3） 出口銀行通知出口方信用證已開立，可準備貨物裝船。（4） 出口方尋找貨運代理準備合同、發票、報關單、出口商品檢驗證書等一系列單據去海關辦理通關手續。（5） 貨運代理訂船租倉、與承運方簽訂運輸合同后，出口方通知進口方貨物已裝船并寄出提單，進口方等待接收貨物。（6） 出口方按照信用證的規定，正確繕制（箱單、發票、提單、出口產地證明、出口結匯） 等單據。在信用證規定的交單有效期內，遞交出口銀行辦理議付結匯手續。（7） 出口銀行在審查單據無誤后進行結匯，同時向進口銀行寄單索匯。（8） 進口銀行審單無誤后付款給出口銀行，同時提示進口方贖單付款。（9） 貨物抵達卸貨港后，進口商填制進口貨物報關單及相關單證（包括提貨單、裝貨單或運單、發票和裝箱單、商檢證書等） 向海關申報。（10） 海關查驗貨物，進口方繳納相關進口關稅。海關收到關稅，在貨運單據上簽字或蓋章放行后進口方持正本提單、箱單、發票等到船公司所在港口提貨。

而利用區塊鏈將這些流程自動化后，不僅能夠使業務低成本運行，并且還提高了交易的效率，保證了信息的真實可靠。同時可隨時查看貨物的運輸進度，實現記錄追本溯源。根據世界著名評級機構穆迪的報告顯示，將流程自動化可大致分為三個步驟：一是將紙張信用證轉換成為可以自動執行支付的智能合約。二是將提單（BOL） 等紙質文件完全數據化，并以區塊鏈的形式儲存起來。三是利用區塊鏈技術在每一步創建所有權記錄。

在設計好智能合約后，貿易的海運流程簡化如圖6 所示：

在基于智能合約的貿易中，大致流程為：（1） 進口方和出口方在區塊鏈網絡中建立基于智能合約的商業買賣合同。（2） 進口方向金融機構提供保證金，金融機構實時向區塊鏈網絡記錄擔保金繳納情況。（3） 在保證金繳納后，出口方對貨物進行裝船，運輸方對裝船的貨物情況上載到區塊鏈網絡之中。以電子方式進行報關及審核程序，區塊鏈確認該筆交易，并履行智能合約，提出放行通知。（4） 當達到智能合約中運輸單據和商業買賣合同相符的付款條件時，向金融機構發出付款指令，金融機構即可對出口方進行付款結算。在這整個過程中，所有參與者皆可通過供應鏈的點對點連結，了解當前的運輸進度。

如圖7 所示，構建的智能合約基礎框架采用了六層架構，即基礎設施層、合約層、操作層、智能層、表現層、應用層由下而上。

具體細節如下：

（1） 基礎設施層：基礎設施層封裝所有支持智能合約及其應用程序的基礎設施，包括可信開發環境、可信執行環境和可信數據提要（Oracle）。在一定程度上，這些基礎設施的選擇將影響智能合同的設計模式和合同屬性。

①可信開發環境：在智能合約開發、部署和調用的過程中，涉及多種開發工具，如編程語言、集成開發環境（IDEs）、開發框架、客戶端等。②可信執行環境：區塊鏈為智能合同提供可信執行環境。智能合約的執行依賴于區塊鏈的關鍵部分，如共識算法、激勵機制、P2P 網絡等，最終的執行結果將記錄在所有節點維護的分布式賬本中。不同的共識算法和激勵機制將影響智能合約的設計模式、執行效率和安全性。③可信數據提要（Oracle）：為了保證區塊鏈網絡的安全性，智能合約一般在SEE 中執行（例如Ethereum 中的EVM 和Hyperledger Fabric 中的Docker 容器），不允許導入外部信息。因此，智能合約需要可信的數據提要（Oracle）以事務的形式和以安全、可信的方式提供關于真實世界的外部狀態（因為任何不是由事務生成的信息都必須作為附加到事務的數據引入），從而保證合同執行結果的確定性。

圖6 基于智能合約的海運流程

圖7 智能合約的基礎研究框架

（2） 合約層：合約層封裝靜態合約數據，包括合約條款、場景響應規則和交互標準。因此，這一層可以看作是智能合約的靜態數據庫，它包含關于合約調用、執行和通信的所有規則。在設計智能合同時，首先所有各方（立約人） 應協商并確定可能涉及法律條款、業務邏輯和意向協議的合同條款。然后，程序員使用軟件工程技術，如算法設計和設計模式，將自然語言中描述的合同術語轉換成程序代碼，如一系列If-Then 類型的場景-響應規則。此外，根據開發平臺的特點和立約人的意圖，在這一層還應制定合同與用戶（或合同與合同） 之間的交互標準（如訪問權限、通信方式等）。

（3） 操作層：操作層將所有動態操作封裝在靜態合約中，包括機制設計、形式化驗證、安全分析、更新和自毀。維護層是智能合約正確、安全、高效運行的關鍵，惡意或脆弱的智能合約會給用戶帶來巨大的經濟損失。智能合同從談判到自我毀滅的生命周期來看，在將智能合約部署到區塊鏈之前，機制設計操作使用信息和激勵理論來幫助合約有效地實現其功能。采用形式化轉換和安全分析操作來驗證合同代碼的正確性和安全性。并確保代碼將根據程序員的實際語義執行。將智能合約部署到區塊鏈后，當合約功能難以滿足用戶需求或合約存在可修復漏洞時，盡管所有的歷史更新都記錄在區塊鏈上，且不能被篡改，但在技術上可以實現更新。在智能合約生命周期結束時，或者在出現高風險漏洞時，為了保證網絡安全，會進行自毀行為。

（4） 智能層：智能層封裝了各種智能算法，包括感知、推理、學習、決策和社交，將智能添加到前三層構建的智能契約中。我們需要知道，目前的智能合約并沒有多么智能。然而，我們相信未來的智能合同不僅會按照預先定義的If-Then 語句進行自我執行，還會在未知的情況下進行“What-If”式的推理、計算和智能決策。

（5） 表現層：表現層封裝了潛在應用程序的各種智能契約的表現形式，包括DApps、分散自治組織（DAOs）、分散自治公司（DACs） 和分散自治社團（DASs）。封裝了網絡節點復雜行為的智能契約相當于區塊鏈的應用程序接口，使得區塊鏈能夠嵌入不同的應用程序場景。

（6） 應用層：應用層封裝所有構建在表現層之上的應用程序域。從理論上講，智能合同可以應用于所有行業，如金融、loT、醫療、供應鏈等。

但是，目前所提出的這個框架只是一個理想的框架。其中一些具體的細節還要隨著區塊鏈、智能合約等技術研究的深入而完善。

3 進一步思考的問題

區塊鏈技術及智能合約被認為具有顛覆海運業的潛質，但是成功構建智能合約改善海運流程時還有一些問題有待解決：（1） 國家間政策差異巨大。國際貿易在跨國運輸、跨境支付等環節涉及了許多貿易方所在國的相關法律條文、國際公約條款以及各國法律中對外貿易業務的規定。而將海運領域數據完全承載于區塊鏈需要各國的溝通協調，并制定統一的標準使各方能夠統一意見并參與其中。（2） 法規與責任歸屬不明。區塊鏈仍有許多法律模糊地帶等待理清和探索。比如，分布式賬本的信息儲存節點可能涉及不同國家的司法管轄區，因此應受哪些國家監管、適用法規是什么，而且智能合約目前也缺乏足夠的法律效力，如何讓它的法律地位得到參與者的共識也是需要思考的問題。（3） 社會公信力不足。區塊鏈和智能合約主要通過集體約束、集體監督來達到信任，因此如何讓產業鏈各方建立信任，使其積極參與到智能合約的構建中是很重要的。（4） 技術能力存在缺陷。目前，區塊鏈在效率、安全性和去中心化之間還存在著“不可能的三角”，在構建基于區塊鏈技術的海運業智能合約時，還需要在這三角中尋找平衡。