區塊鏈賦能智慧港口建設

侯健錕 莊勇博 史中琨 萬長旭

[摘 ? ?要] 建設智慧港口已列入我國智能航運發展規劃。港口運營對信息系統的依賴越來越強。物聯網、云計算、大數據、人工智能、仿真預演、智能診斷等先進技術將廣泛應用于智慧碼頭建設。這些先進技術面臨著一個同樣的問題，那就是底層數據的真實性和安全性問題。指出當前智慧港口建設面臨的問題。區塊鏈是一種互聯網底層技術更是是一種具有顛覆性的全新的信任機制或技術理念。碼頭作為物流供應鏈重要的一環是在三重底線的前提下，追逐更高的操作效率和更大的增值收益。區塊鏈技術可以更好地整合供應鏈流（物理流、金融流和信息流），減少物流鏈的認證時長和認證成本。對區塊鏈在智慧港口潛在的應用場景進行了分析。

[關鍵詞] 區塊鏈;智慧港口;供應鏈;物流;物聯網

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 21. 033

[中圖分類號] F270.7 ? ?[文獻標識碼] ?A ? ? ?[文章編號] ?1673 - 0194（2020）21- 0072- 04

0 ? ? ?引 ? ?言

青島港全自動化集裝箱碼頭（一期）平均裝卸效率達到36.2自然箱/小時，比國外同類碼頭高50%。數據背后是人們在三重底線的前提下，對效率與效益的追求。由此港口運營對信息系統的依賴越來越強。然而互聯網絡和信息系統是一把雙刃劍，它在帶給企業便利的同時，也因信息欺詐犯罪問題給企業的生產管理帶來巨大威脅。2008年的次貸危機深刻揭露了美國大規模的金融賬本操縱內幕。華爾街的信任騙局帶來全方位的信任危機[1]。港口物流供應鏈尤其需要一個安全可靠的數據流轉環境。

1 ? ? ?智慧港口

1.1 ? 智慧港口的定義

智慧港口是以信息物理系統為結構框架，通過高新技術的創新應用，使物流供給方和需求方共同融入集疏運一體化系統;極大提升港口及其相關物流園區對信息的綜合處理能力和對相關資源的優化配置能力;智能監管、智能服務、自主裝卸成為其主要呈現形式，并能為現代物流業提供高安全、高效率和高品質服務的一類新型港口（如圖1所示）。

1.2 ? 智慧港口建設的目標

實現基于數據驅動的港口物聯網信息平臺（如圖2所示），是智慧港口建設的核心。交通部提出智慧港口建設目標是“提升服務，做大物流，提高效率，增強智能”。從具體操作的層面講：其一，實現港口與船公司，貨主貨代，堆場場站，倉儲等無縫連接;其二，實現與口岸聯檢監管單位的信息互聯共享;其三，實現業務操作的信息化，網絡化，無紙化，智能化，港區自動化和管理決策智慧化。智慧港口的實質是促進改變服務方式，改變觀念，構建新的生態鏈，打造共贏新格局。總體而言智慧港口實現國際貿易全程服務網絡化;實現 國際貿易全程單證電子化;實現國際貿易通關監管智能化;實現國際貿易貨幣結算電子化;實現國際貿易合同單據無紙化。

1.3 ? 智慧港口建設面臨的若干問題

1.3.1 ? 港口全面感知尚未實現，物流信息基礎架構不完善

無法實現云計算、大數據、物聯網、移動互聯網等新一代信息技術與港口運輸核心業務的深度融合，也無法實現港口運輸組織和運輸管理的創新。缺少專門保障供應鏈信息安全與信息真實性的技術。港口業務主體之間信息技術能力不一致。

1.3.2 ? 港口金融體系亟待發展

實現有效的港口供應鏈金融服務體系是智慧港口建設的亮點。隨著大數據、互聯網+的發展，產業互聯網與金融的結合已成為大勢所趨。基于貨物流、商流、信息流和資金流四流合一的發展形勢下，智慧港口發展模式可以倡導把物聯網、云計算等新興科技應用于港口供應鏈金融業務，建立供應鏈金融信息平臺，從而發掘新的經濟增長點。港口供應鏈金融是集成港口物流與金融業務、為供應鏈上的物流企業、金融機構提供給全過程的商品流通服務。

1.3.3 ? 信息不共享、不對稱問題嚴重

缺乏針對供應鏈運行的有效的動態性監督體系及業務主體選擇措施，供應鏈信任問題很突出。紙質文件不是跟著貨走的，而是通過其他寄送的方式，所以常常貨到了，紙質文件還沒到，貨物就只能擱置在港口，不能進入下一個運輸環節，根據調查數據顯示，有1/4的文件都是晚到的。在國際貿易中減少信息共享和邊界管理方面的摩擦“可能會使國內生產總值增長近5%，交易量增加15%”。

1.3.4 ? 手續繁瑣，效率低、成本高

航運供應鏈陷入大量中間商紛繁的文件和行政溝通的泥潭之中，比如報關、保險以及海運、公路、鐵路之間的轉運等等，成本高達運輸總費用的20%。根據聯合國的一項測算，如果把所有亞太地區貿易相關的文書工作全部電子化，可以節省44%的時間和31%的成本，同時可以增加一年2 570億美金的出口額。

2 ? ? ?區塊鏈概述

智慧港口建設獲取和共享數據是實現操作效率提的最重要途徑之一。如何在萬物互聯的世界去打造一個可信機制，已是亟待破解的課題。區塊鏈開啟了萬物互聯的信任之門。

中本聰在創世區塊中的備注更像是對舊的金融秩序與信用體系的嘲諷。區塊鏈技術的發明是一次嘗試，依賴數學和技術重建信任的實驗，引發了經濟領域的重大變革，意味著世界金融信用體系的重建，也正在引發一種社會思潮。學界有必要從各個角度重新審視和思考區塊鏈技術帶來的影響，從而更好地理解這項新技術，使之更好地為經濟和社會服務。

2.1 ? 什么是區塊鏈

區塊鏈是一個數據庫，用于存儲網絡中各方共享的交易。它用作（加密的）信息分類賬。peer-2-peer網絡使用一致性機制，確保交易在記錄到分類賬之前是有效的。一方必須通過提供與網絡中其他方相同的哈希來驗證交易。此哈希是一個特定且唯一的代碼，用于描述包含信息的消息。驗證的信息記錄在塊上。一個塊可以被比作一個容器;每個人都可以從外部看到它，但是只有那些有權限的人，一個私鑰，才能訪問內容。接下來，每個額外的塊按時間順序鏈接到前一個塊。區塊鏈可以設計為公共或私有。這決定了誰可以訪問網絡并接收數據。在專用網絡中，有一個權限設置規則并授予權限。相比之下，公共網絡是開放的，規則是基于共識的。在區塊鏈系統中，沒有一個數據所有者：每個有權訪問數據的人都是所有者[2]。

2.2 ? 國家對區塊鏈的重視

中國政府一直在關注和推動區塊鏈技術的發展和研究，并有望成為全球第一個推出法定數字貨幣的國家。但依然面臨來自美國的挑戰，比如臉書宣稱將推出Libra數字貨幣，開啟一場新的全球競爭。2019年全球區塊鏈企業發明專利排行榜TOP 100中阿里巴巴公司以1 005項專利排名全球第一。阿里巴巴公司已經利用區塊鏈技術落地芝麻信用、雄安房屋租賃溯源、愛心捐贈溯源、信美互助保險溯源等40多個場景，技術上已經能夠支持10億賬戶規模，實現每秒10萬筆跨鏈信息處理能力。由此可見，企業創新已經是區塊鏈技術創新的主要陣地。

2.3 ? 區塊鏈的核心算法

2.3.1 ? 拜占庭協定

在一個存在拜占庭節點的系統達成一致性、可終止性、有效性的共識被稱為拜占庭協定[2]。

如果一個算法可以在存在f個拜占庭節點的情況下正確工作，則稱該算法為f-可適用（f-resilient）。

國王算法（King Algorithm）（f

1：x=本節點的輸入值;

2：for從第1到第f+1個階段do

3：廣播value（x）

4：if收到value（y）至少n-f次then

5：廣播propose（y）

6：end if

7：if收到propose（z）至少f次then

8：x=z

9： end if

10：設節點vi是預先確定好的第i階段的國王

11：國王vi廣播它當前的值ω

12：if接收到propose（x）的次數嚴格少于n-f ?then

13：x=ω

14：end if

15：end for

2.3.2 ? 智能合約

一個智能合約是在兩個或多個參與者之間達成協定，其實現方式使得區塊鏈能確保該協定正確執行。

以簡單的微額支付通道（MICropayment channel）（從S到R，容量為c）為例：

1：cs=c，cR=0

2：S和R創建一個2-of-2的多簽名輸出O，其中包含來自S的金額C

3：創建一個結算交易（Settlement Transaction）tf{[o]，[cs→S，cR→R]}

4：while通道是開放的 and CR

5：交易商品，價值為δ

6：cR=cR+δ

7：cR=cS-δ

8：更新tf，修改其輸出[cS→S，cR→R]tfS

9：對簽名并發送給R

10：end while

11：R對最后一個tf簽名并將其廣播到網絡

2.3.3 ? 一致性哈希

一致性哈希算法在是一種特殊的哈希算法，目的是解決分布式緩存的問題[3]。在移除或者添加一個服務器時，能夠盡可能小地改變已存在的服務請求與處理請求服務器之間的映射關系。

1：采用一組不同的哈希函數hi，根據存儲文件的文件x名稱分別計算出一組哈希值hi（m）→[0，1），i=1，…，k

M2：采用同樣一組哈希函數，根據每個節點的唯一名稱（比如IP地址和端口號），分別計算一組哈希值hi（u）→[0，1），i=1，…，k

3：對每一個文件x，若hi（x）≈hi（u），則將其一個副本存放在u上。

具體而言，將文件存放于節點上，若下面的條件成立：

|hi（x）-hi（u）|={|hi（x）-hi（u）|}，對任意的i

3 ? ? ?區塊鏈在港口應用場景

區塊鏈“信任”和“安全”的內核可以通過多種方式賦能港口數字化和港口物流。區塊鏈可以在以下方面讓港口變得更加智慧：增強進出口參與者之間的數據信任;提高港口的集裝箱操作效率;提升物流數據網絡安全系數;促進港口金融交易自動化;實現集裝箱運輸軌跡跟蹤等。

3.1 ? 信任機制

因區塊鏈是基于不同參與者的共識，所以區塊鏈上的信息是可靠的。隨著時間的推移，合作伙伴在區塊鏈上建立了良好的信譽。此外，由于信任可以通過區塊鏈網絡建立，因此不再需要交易第三方的參與。在區塊鏈網絡中參與者的動機和目標必須明確，參與組織的當前信譽是可見的，并隨著時間的推移而實現信譽值增長。未來在港口物流中，為了實現信息共享和提高共享效率，區塊鏈中的參與者必須相互信任。

3.2 ? 過程安全性

從信息安全的角度分析，區塊鏈的優勢主要有：利用高冗余的數據庫保障信息的完整性;利用密碼學的相關原理進行數據驗證，保證不可篡改;運用多私鑰進行訪問權限控制[5]。區塊鏈以其可信任性、安全性和不可篡改性，讓更多數據被解放出來，推進數據的海量增長。

3.3 ? 過程可見性

引入區塊鏈技術將提高整個港口供應鏈的可見性。對于港口物流而言，這意味著集裝箱或其他貨物全程可跟蹤。此外，提高可見性還可以促進不同組織之間的信息交流。通過數據共享可顯著改善港口物流現狀。例如，傳統做法是集裝箱只能在已繳費并且發送付款確認后才能被放行，而使用區塊鏈方案可在卸載集裝箱時通過數據各方共享，立即執行付款、確認、放行等操作，整個過程由幾天縮短為幾分鐘，效率大幅提升。

3.4 ? 互信網絡擴展

區塊鏈可以助推物流互信網絡的擴張和互連。荷蘭鹿特丹港目前通過Portbase相互連接，但有了區塊鏈后，新的增長極出現了。在區塊鏈方案下，互信網絡將變得更加發散，各方將能夠單獨連接，而不再需要借助一個“中心”。此外，不同的區塊鏈網絡可以在世界各地相互作用，讓不同的港口以獨有的方式合作。

4 ? ? ?結 ? ?論

目前，區塊鏈技術主要應用于利基市場。區塊鏈的未來將取決于進一步的研究和對技術以及社會和行業采用能力的更好理解。青島港已提速“智慧港口”建設，加入航運業首個區塊鏈聯盟——全球航運商務網絡（GSBN）。技術生命周期模型告訴我們區塊鏈正處于炒作周期的頂峰。中國區塊鏈行業的技術創新正在經歷著一個明顯加速的過程，并且在一些相關技術上處于領先地位。通過區塊鏈網絡，可以將各物聯網設備產生的數據源上傳到區塊鏈網絡中進行存儲和信息共享，進而在更多場景落地。總之，區塊鏈與人工智能、物聯網等新技術的融合將不斷拓展技術應用新空間，進一步賦能智慧港口建設。

主要參考文獻

[1]Paul Vigna，Michael J Casey.The Truth Machine：the Blockchain and the Future of Everything[M].NewYork，NY：St Martins Press，2018.

[2][瑞士]Roger Wattenhofer.區塊鏈核心算法解析[M].陳晉川，譯.北京：電子工業出版社，2017.

[3]巴子言，吳軍，馬嚴. 基于虛節點的一致性哈希算法的優化[J].軟件，2014，35（12）：26-29.

[4]鄧銘巍，歐嵬，楊杰.幾種典型區塊鏈共識機制的安全性分析 [J].計算機與現代化，2020（6）：34-39.