基于區塊鏈技術的集裝箱航運模式優化研究

石浛錕， 王雪琳

(交通運輸部水運科學研究院， 北京 100088)

近年來，集裝箱航運市場仍處于調整恢復期，主要面臨燃油成本持續提高、貿易局勢緊張及運輸效益過低等問題。受上述問題影響，2018年全球集裝箱航運貿易出現小幅下滑，全年集裝箱航運量為2.01億TEU，年增速降至4.5%。克拉克森研究指出2019年全球集裝箱航運量增速約為2.2%，較年初預測減少1.9個百分點。同時，相關產業布局的調整，跨界競爭與合作的加強，都給集裝箱航運市場帶來了不少挑戰，因此，進一步減少貨損貨差、降低運輸成本、提高運輸質量、增強協作效率是集裝箱航運市場亟需改善的具體需求[1]。

在此背景下，為幫助航運及相關企業走出困境，適應集裝箱航運市場發展趨勢，可采取以下措施：第一，使用合理的運作流程和管理方法以降低集裝箱管理運營成本；第二，改善集裝箱的運輸和共享模式以增強集裝箱整體運輸效率；第三，引入新的網絡技術和信息平臺以提升集裝箱運輸系統的自動化和信息化水平。

通過應用大數據、物聯網、人工智能等技術雖然能在一定程度上提高集裝箱航運的工作效率，并降低人力成本，但無法全面解決上述問題及由此衍生出的諸多困境[2-3]。集裝箱航運規模大、耗時長、范圍廣，并具有多方協作、多信任主體、依賴信用背書，中頻交易等特點，這些均符合區塊鏈技術的適用條件。區塊鏈在互聯網的基礎上構建了一種新的高信用度的大規模協作方式，被譽為下一代互聯網的重要特征[4]，將區塊鏈技術應用于集裝箱航運領域，不但能夠改善目前的行業現狀，還能夠在加快航運信息化、優化航運運營環境、促進航運資源共享等方面起到推動作用。

1 區塊鏈技術應用于集裝箱航運的理論基礎

1.1 區塊鏈技術的特性

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、利用密碼學的方式保證數據傳輸和訪問的安全性、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[5-6]。區塊鏈技術具有公開透明可信、隱私安全保障、可追溯防篡改、系統穩定可靠四大特性。

1) 公開透明可信。區塊鏈是一個去中心化的系統，各獨立節點都可以觀察到系統其他節點的全部行為，解決了中心化系統中的信息不對稱問題，交易信息的最終確認結果也由共識算法保證了存儲在各節點間的準確性和一致性。

2) 隱私安全保障。區塊鏈系統中的各節點可以在完全不依賴其他節點的情況下完成區塊鏈中的事件確認，保證了任意節點均不需要根據其他節點的身份進行事件有效性的判斷，為用戶的隱私和安全提供了保障。

3) 可追溯防篡改。區塊鏈系統中發生的每一個事件均有完整記錄，可針對某一變量或狀態在鏈系統中追查與其相關的全部歷史信息，如圖1所示。這些歷史信息一旦在全網范圍內經過驗證并上傳，很難被修改或刪除[7]。

圖1 集裝箱航運區塊鏈全流程上鏈示意圖

4) 系統穩定可靠。區塊鏈系統的穩定可靠體現在：分布式及去中心化的特點使得某一節點出現故障不會影響整個系統的正常運轉；多種共識算法保證了區塊鏈系統中即使存在一定比例的惡意節點也不會造成系統的宕機[8]。

1.2 區塊鏈的分類

依據區塊鏈的準入機制和參與節點特性，區塊鏈可分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈三類，這三類的區塊鏈特點對比如表1所示。聯盟鏈通常在多個互相已知身份的組織之間構建，采用多中心化認證和管理，同時需要嚴格的身份認證和權限管理。參與節點的數量在一定時間內也是確定的，共識的復雜度大大縮減，更適合處理組織間需要達成共識的業務[9-10]。聯盟鏈從身份構建、節點特征和系統的承載能力來看，均適合應用于集裝箱航運領域。

表1 區塊鏈的分類

1.3 應用于集裝箱航運的可行性分析

現有集裝箱航運模式和流程，雖然在很長一段時間內都在平穩運作，但隨著航運形勢的日益嚴峻和對智能化高效率的迫切需求，集裝箱航運各業務領域表現出的信息不透明、紙質單證繁雜、系統產業鏈冗長、貿易數據利用率低、航運保險理賠困難等問題逐漸凸顯。針對這些影響集裝箱航運信息化水平和工作效率的實際問題，運用區塊鏈技術并結合聯盟鏈方式是可以解決的[11]，見表2。

表2 集裝箱航運與區塊鏈匹配表

2 區塊鏈技術應用于集裝箱航運的行業現狀

截止到2019年12月，涉足區塊鏈技術的集裝箱航運企業主要有7家，以區塊鏈技術為核心組成的集裝箱航運聯盟主要有3個[12-13]，如表3所示。目前，馬士基航運、商船三井和現代商船等航運企業率先將區塊鏈技術應用到自己的主營業務中，并且出現了Tradelens、GSBN和DCSA等以區塊鏈技術為基礎的行業平臺，它們主要將區塊鏈技術集中應用于貨物追溯、電子提單、供應鏈升級、貿易數據共享等業務領域[14-15]。區塊鏈技術的應用對于實現無紙化提單、增強貨物溯源能力、規范智能合約、提高航運數據利用率和完善供應鏈網絡等方面都有積極的推動作用。

表3 區塊鏈技術在航運領域的應用情況

3 基于區塊鏈的集裝箱航運主要場景的模式優化

3.1 貨物追溯

貨物追溯是對航運運輸場景下的集裝箱貨物進行信息查詢、溯源檢查和追蹤更新的方式。傳統的貨物追溯模式是貨代、船代或貨主以線下咨詢或單一網站查詢的方式獲得貨物信息、集裝箱船舶及貨物的實時位置、進出場狀態、通關情況等信息[16]。近些年隨著云計算、大數據、物聯網和全球定位系統的應用，圍繞集裝箱航運的貨物追溯出現了船舶追蹤、云拖車、集裝箱定位、云電子數據交換(Electronic Data Interchange，EDI)平臺等新式應用，但過于依賴中心化、信息透明度不足、數據容易被偽造或篡改等問題依然限制著貨物追溯能力的實現。

通過構建基于區塊鏈貨物追溯系統的集裝箱航運場景，可以在很大程度上解決上述問題，從而推進貨物追溯的全面應用。如圖2所示，集裝箱航運貨物追溯模式如下：

圖2 集裝箱航運貨物追溯模式

1) 通過溯源數據生成結構系統，采用人工數據錄入或物聯網數據采集方式，將貨物記錄生成原始數據(包括集貨物信息、裝箱船舶及貨物的實時位置、進出場狀態、通關情況等)。

2) 將處理完成的原始數據傳入區塊鏈貨物追溯系統，并設置訪問權限。所有進入系統中的數據都會依據相應的許可模型被存儲和管理，形成事件與文檔的實時交換。數據一旦被確認記錄，區塊鏈技術會保證它們無法被私自添加、刪除和篡改。

3) 系統的使用方(如托運人、貨代、承運人和海關等)可以依據與自身身份匹配的權限，通過密鑰實時對數據進行信息查詢、溯源檢查和追蹤更新。追蹤更新的操作會依據訪問和認證權限將更新內容體現在最初的溯源數據中，形成一個良性的循環。

3.2 電子提單

電子提單是指通過電子數據交換系統傳遞的航運場景下的約定、證明或合同的電子化數據文件。該數據文件的生成、傳遞和提交的過程均以電子化模式運行。目前，電子提單主要有基于EDI技術的三種模式(SeaDocs、CMI、Belero)，但系統環境封閉造成的過于中心化、多參與方造成的責任分配不均、安全機制不夠完善造成的隱私泄露等問題依然凸顯[17]。因此，在全面實現提單無紙化的基礎上，提高運轉效率、保證安全隱私和增強信用背書是影響電子提單未來發展的關鍵。

利用共識算法和智能合約，可以構建基于區塊鏈電子提單系統的集裝箱航運場景，為電子提單的發展提供新方向。如圖3所示，集裝箱航運電子提單模式如下：

圖3 集裝箱航運電子提單模式

1) 托運人擬定貨物清單，通過電子提單系統向承運人發送。承運人接受托運申請，系統將依據雙方共識生成電子提單，并同時發送給托運人和承運人。雙方均有權限訪問該電子提單的相關信息，并且任何一方無單獨修改的權限。

2) 托運人向海關等監管部門進行預報檢，通過后系統將信息證明發送給托運人和承運人，同時該信息證明會被系統記錄。托運人和承運人通過系統簽訂智能合約，設定觸發條件，承運人收貨并裝載，同時授權電子簽名給托運人，托運人在確認獲得被授權的電子簽名后，系統認證并記錄托運人為該電子提單的所有人，賦予托運人相關的訪問和使用權。

3) 若托運人向金融機構申請質押，托運人和金融機構需通過系統簽訂智能合約并設定觸發條件，此時，金融機構獲得電子提單所有權，托運人則只保留電子提單的訪問權限；待收貨人向金融機構支付付款贖單后，智能合約觸發，收貨人獲得電子提單的所有權。

4) 貨物到港，托運人和承運人之間的智能合約觸發，系統向收貨人發送到貨信息，收貨人憑電子提單的所有權證明向承運人取貨。在取貨完成并且雙方確認后，系統自動結算已完成的智能合約并終止賦予的相關權限。

3.3 供應鏈升級

集裝箱航運中的供應鏈由于傳統技術架構不夠完善，各參與方信息系統過于獨立，以及信息流存在效用時差等問題，造成的數據信息被篡改、整體效率低下、信息孤島效應嚴重的現象依然存在[18]。

區塊鏈技術利用可追溯防篡改和安全透明的特性解決上述問題，實現集裝箱航運供應鏈中全流程的可視化、數據信息的一致性和協同運作的高效性。如圖4所示，集裝箱航運供應鏈模式如下：

圖4 集裝箱航運供應鏈模式

1) 以集裝箱航運供應鏈系統為中心，組建基于區塊鏈技術的供應鏈聯盟，成員包括生產方、供應方、監管方、集裝箱航運物流方、干線物流方和消費方等，設定各方的操作權限和需要上傳至區塊鏈的信息，此時定義交易發生或變更、智能合約觸發等事件為節點，定義存儲各節點產生的數據和信息為區塊。業務發生時，各方可根據自身權限查詢、上傳和更改數據信息，由多方同時確認并提供不可篡改的記錄。

2) 貨物信息從生產方提供給下游參與方開始，即與各級的承運單號綁定，貫穿整個供應鏈全過程，以此打通各參與方孤立的信息系統，并將他們的供應流轉信息(如報檢信息、貨物動態、交接情況等)及時上傳至區塊鏈。參與方根據自身被授予的權限和義務，負責貨物的接受、檢驗、確認或配送等工作，并承擔相應責任。

3) 加密算法和授權訪問機制保證了全流程產生的數據、文件及合約被存儲在區塊鏈上，獲得查詢權或監管權的參與方可監視物流過程、追溯貨物信息或進行責任界定。同時，可完成參與方的身份識別及管理，并對其進行評級與打分，進一步升級供應鏈的管理服務。

4) 在出現計劃外變更(如貨物內容、物流方式或目的地更改)時，生產方或供應方會通過系統提交變更，供應方、集裝箱航運物流方及其下游物流可及時收到變更通知并更新提單內容，供所有許可方查看，海關等監管方也會同時收到系統提交的更新內容。由于整條供應鏈均能提供細節查詢和跟蹤服務，計劃外變更節點的下游供應鏈參與方將會獲取集裝箱船舶變更通知，及時協調和控制變更帶來的影響。

3.4 貿易數據共享

當前依托于集裝箱航運的國際貿易存在數據零碎、信息閉塞、流程繁瑣、周期冗長等問題，在國際貿易形勢日趨嚴峻的今天，在技術層面限制著經濟全球化的和貿易一體化的發展[19]。而造成以上問題的原因主要有以下幾點：一是各國政策和經濟金融環境不一致導致的各類貿易主體互不信任；二是貿易流程的基礎架構不夠完善導致的數據安全和數據真實性的缺失；三是貿易各環節的參與方之間信息技術能力不一致導致的數據集成和動態優化困難；四是貿易信息不對稱導致的監管失序和貿易效率低下。

利用區塊鏈技術的分布式特點，智能合約的應用及天然背書性能的優勢，可以在很大程度上解決上述問題，進而通過貿易數據共享的實現來達成貿易信息的流通和整合、交易流程的簡化及交易周期的縮短[20]。如圖5所示，集裝箱航運貿易數據共享模式如下：

圖5 集裝箱航運貿易數據共享模式

1) 區別于傳統的單一窗口模式，即采用行政手段或交易手段，將貿易數據集中至行政或交易平臺，并由這個中心化的平臺促成各系統的互聯互通的方式，基于區塊鏈技術的貿易數據共享系統，可以在不干涉貿易數據所有權的基礎上，由各國多部門的參與方(如托運人、貨代、承運人、航運公司、碼頭運營商、港口、海關和政府貿易部門等)在一定授權范圍內，實現貿易數據共享。

2) 建立區塊鏈技術架構，實現區塊鏈與現有系統的融合。將現有系統的數據可以有選擇地錄入區塊鏈技術架構中，利用共識算法實現多方之間的信用背書，設定各參與方的用戶權限并進行動態管理，在達成一致規則的基礎上建立鼓勵機制，對共享行為界定區塊鏈賬本的維護義務和相應的區塊鏈挖礦獎勵。

3) 基于智能合約應用，進行貿易的數字化合作。智能合約涉及的相關參與方可以實施跨組織和信息協作，通過安全可靠的區塊鏈技術設置觸發條件以自動執行交易雙方的協議和條款，智能合約執行過程中的行為記錄和數據信息會存儲于系統中，供獲得相應權限的參與方查閱。

4) 在進行貿易數據共享的前提下，控制數據管理風險、加強數據識別模式、進行共享權限動態變更，保證生產企業、航運公司、碼頭運營商、港口、海關和政府貿易部門等貿易參與方的權益維護和數據安全。

4 結 語

與傳統的集裝箱航運模式相比，引入區塊鏈技術不但可以在一定程度上解決集裝箱航運中信息安全、協作效率和自動化程度等方面普遍存在的問題，更能促進信息交互的升級，智能合約的應用以及信用體系的形成，為集裝箱航領域運創造一種全新的運營模式。

區塊鏈技術除了能夠在貨物追溯、電子提單、供應鏈升級和貿易數據共享方面有較為深入的應用外，在航運金融、航運保險和第三方航運人等業務領域也值得期待，尤其區塊鏈技術中公開透明可信、隱私安全保障和可追溯防篡改的特性，正是集裝箱航運各應用場景更新換代的核心需求，未來會為塑造集裝箱航運新模式和構建集裝箱航運新生態發揮重要作用。