航運物流企業數字化轉型設計與效果分析

王曉光，楊培蓓

1.上海立信會計金融學院 工商管理學院，上海201209

2.上海海事大學 物流科學與工程研究院，上海201306

當前，全球貿易自由化面臨著嚴峻挑戰，航運業傳統的周期性規律失靈，通過水平整合來擴大業務規模以賺取利潤的空間逐漸縮小。與此同時，產業鏈的數字化轉型浪潮與一系列政策利好為傳統航運物流企業帶來了轉型新方向。如2019年5月，交通運輸部聯合六部門發布《智能航運發展指導意見》，要求加快高科技與航運要素的深度融合以培育和發展新型的智能航運；2020年8月，國務院國資委印發《關于加快推進國有企業數字化轉型工作的通知》，提出要通過推動新一代信息技術與傳統產業的融合，加速我國各產業鏈的數字化轉型。

實踐方面也已有航運巨頭進行了探索，如2018年迪拜環球港務集團主導成立了全球航運商業網絡（GSBN），通過建立航運服務過程中各類文檔的數字化標準進行成員間共享；2019年馬士基主導成立了航運數字化集裝箱航運聯盟（DCSA），致力于改善航運業的數字化標準痛點；2020年香港300cubits公司完成了用數字貨幣作為艙位保證金為船貨雙方從馬來西亞運輸到巴西的服務風險提供擔保的實驗。航運數字化已來到現實。

因此，如何在保障原有客戶習慣與體驗的前提下，設計有效的航運物流企業數字化轉型機制，應用數字化技術來推動業務模式的轉變以實現降本增效，是當前航運物流企業發展需要研究的重要問題之一。在此背景下，本文針對航運物流企業的數字化轉型問題，站在日常運營的視角，聚焦于服務信息的自動化可信匹配、運輸貨物的可靠跟蹤監管與服務費用的快速結算，將以太坊區塊鏈、智能合約與物聯網引入航運服務交易中，設計通用方案并測試驗證其有效性，以供航運物流企業參考。

1 相關研究

1.1 航運數字化的概念及其發展趨勢

航運數字化這一概念最早是聚焦于航運物流企業對于其物流業務的數字化轉型的關注，例如何偉等有航運物流企業將互聯網作為新競爭手段的闡述[1]。在航運物流企業實施數字化交易必要性的研究方面，趙藝為等認為航運數字化服務能力的進步可以減少航運成本，給航運物流企業帶來新模式、新紅利[2]。Poulis將航運數字化作為一種產業淘汰機制進行了分析，強調航運業的數字化轉型將提高航運業生態系統的價值[3]。

隨著以區塊鏈為代表的數字化技術的日益成熟，關于航運數字化的學術研究熱點于近年再度涌現，例如Lam指出，航運服務的自動化和數字化是提高班輪運輸客戶價值的有效解決方案[4]；Tien-Chun認為傳統航運正向高效的數字化系統演進的關鍵因素，航運業將因此迎接重大變革[5]；范曉鋒等探討了數字化在智能航運系統中的應用價值，認為數字化給航運帶來了“聯”與“鏈”的特征[6]。

可以看出，數字化作為傳統航運業發展的大方向，具有長期理論與技術積累，更是航運物流企業轉型的突破口。

1.2 區塊鏈在航運物流數字化中的應用

國內外學者早期對區塊鏈應用到航運物流數字化的可能性方面的探索較多，該方面的理論研究主要聚焦區塊鏈與航運物流數字化相結合的作用與意義。例如Yang研究了區塊鏈技術在航運數字化中應用的方向和需要改進之處[7]。Vujii等指出，區塊鏈的分布式賬本技術將消除商船填寫各種紙質表格和日志的需要，防止文件偽造[8]。Eric認為，區塊鏈在航運供應鏈中可以改進績效[9]。劉偉軍指出，區塊鏈“提單+信用證”交易模式對傳統航運物流復雜流程的簡化是突破性的[10]。劉偉榮認為，區塊鏈能從運輸效率、信息流轉、管理方式等方面優化航運集裝箱系統[11]。

但是，以上研究較少量化區塊鏈所發揮的作用，后來有學者從實踐與經驗的視角作了細化研究，仍然集中在宏觀層面。實踐方面，例如Angeliki調查了八家希臘航運公司，并對區塊鏈技術應用的好處和阻礙因素做了定性分析[12]。Nga研究了十幾個不同群體使用區塊鏈技術時的預期收益水平，發現航運公司收益率是最高的[13]。理論方面，Robert研究了區塊鏈和智能合約如何保障中小企業融入可持續航運供應鏈[14]。Filip提出應用區塊鏈的前提是航運供應鏈上的多種當事方應用智能合約管理合作過程[15]。

1.3 區塊鏈與航運物流企業數字化結合的模式

疫情期間，區塊鏈技術已經處于港航物流信息技術成熟度曲線的期望峰值，有學者進行了具體模式的研究。例如Jovi?等利用區塊鏈構建了新型信息交換模式，提高了航運可持續性[16]。Nikitakos設計了一個組合分析框架以研究國際航運業背景下的數字化運營模式，得出了數字航運業務模型的類型和接受模型[17]。Lambrou研究了數字化技術對海上業務的影響的綜合框架，通過調查五個先進的航運物流企業數字化活動的案例，獲得了航運數字化的技術類型、主流管理理論和決定因素的理論模型[18]。

但是，學者們的研究較為關注區塊鏈應用下信息如何交換與企業能否接受等方面的分析，對于各環節的具體轉變研究較少。

1.4 文獻評述

通過對以往文獻的回顧發現，國內外學者在區塊鏈與航運物流企業數字化交易的結合等方面獲得了很多有意義的研究成果，普遍認同區塊鏈可以解決航運數字化的一些關鍵問題，在技術上有其可行性。

然而，現有研究對于航運數字化的研究多集中于必要性、作用與影響，對于運用區塊鏈構建航運數字化轉型模式的研究也以宏觀層面為主，對于各環節的具體轉變研究較少。所以，如何結合區塊鏈等技術實現航運物流企業核心及關鍵流程具體的數字化轉型是本文研究的主要內容，以作為對現有研究的補充。

2 理論基礎

2.1 轉型誤區

一些航運物流企業對數字轉型存在一定的誤解，認為數字化是信息系統的配置。過去，以航運物流企業為中心的小生態系統的數字化水平并不高，因為這些系統對可信的要求并非是首位的。然而，如果未來要將業務數據作為司法和監管部門的依據和金融機構作企業資產及信用評估的依據，航運物流業務數據的可信化就成為一個不可避免的問題。

因此，在當前視角下，航運物流企業的數字化強調的是給業務模式帶來創新與突破，使得關鍵環節可信、自動化，提升航運供應鏈的效率與透明度。

2.2 技術選擇

區塊鏈是分布式數據存儲、點對點傳輸、共識機制、加密算法等計算機技術的一種新的應用模式，具有去中心化的數據處理模式、透明化的數據處理流程和不可篡改的數據保存模式。區塊鏈發展的第二階段的主要應用是智能合約，作為運行在分布式賬本上預置規則的計算機程序，智能合約可以從根源上預防各參與方的違約行為，只要業務的各項條件被提前設置完善，合約執行條件觸發后，各參與方都沒有后悔、暗箱操作的可能性，參與各方的利益得到保障。通過將客戶提供的真實報價和業務信息生成智能合約，輔以私鑰進行簽名確認后存入區塊鏈，可以在實現自動化接單的同時確保航運業務合同的真實有效與完整。

物聯網是利用傳感器、二維條碼及其他各種感知設備的實現將數據獲取的開發和通信能力與實際物體和虛擬物體聯系到一起的網絡，擁有具體物體識別及通信連接功能，可以自動進行數據的實時獲取，并通過無線網等網絡進行傳輸至數據處理設備，再通過云計算等技術處理海量數據以實現數據到信息的傳換，最終實現智能化控制與管理。航運業務中客戶面臨著多種信息不對稱，客戶一是對諸如航運業務信息及條款了解不足因而對業務流程缺乏實施跟進的能力，二是對航運物流企業信譽難以判斷，無法提防服務合同中各種各樣的陷阱，于是偏向選用商利機會較少的FOB出口和CIF進口模式。航運物流企業想要爭奪更多的客戶就必然需要優化客戶在業務全過程中的信息透明化體驗，減少客戶顧慮。海運過程中使用物聯網可以實現貨物的智能化定位和跟蹤，方便客戶實時跟進，是當下航運業務優化的重要方向。與此同時，客戶需要的是被真正靠感知設備搜集的未被篡改的流程數據，因此與智能合約結合將給海運運輸貨物跟蹤功能帶來重大提升，客戶可隨時查詢與追溯貨物運輸過程及重要節點的狀態。

考慮到資金安全的保護需求，海運運費的結算通常需要經過客戶及航運物流企業各自的銀行做中轉，服務費用對于航運物流企業是一筆負擔，因而結算環節的便利化和自動化成為航運物流企業的優化方向之一。數字貨幣是根據密碼學原理生成的加密貨幣，常被用作區塊鏈項目中的業務交易結算工具。最早的典型數字貨幣是Bitcoin（比特幣），但是后續開發的以區塊鏈技術為基礎的數字貨Ether（以太幣）因為彌補了其在交易速度、交易確認時間、能源消耗、應用可擴展性和存儲安全等方面的存在顯著缺陷而更具有實用性，具有易于使用、應用場景多樣化性和安全存儲的特點。使用數字貨幣進行運費結算只需要航運物流企業和客戶雙方通過智能合約設置結算機制，當發生了諸如收貨人收到航運物流企業按照約定運達的貨物等觸發機制的事件時，系統將自動付款，在降低運費結算成本的同時提高服務效率。

因此，本文將區塊鏈技術應用到航運業務自動化中，設計基于“蟻群-智能合約”算法的自動化服務交易匹配方案；將區塊鏈、物聯網技術應用到海運位置更新中，設計基于“鏈網融合”的運輸貨物可靠跟蹤方案；將數字貨幣應用到航運業務費用結算中，克服傳統的海運運費結算由于需要中間行的報文轉發和賬務處理而具有流程過長、中間費用較高的問題。

3 基于區塊鏈的航運物流企業數字化轉型方案

3.1 基于“蟻群-智能合約”算法的自動化服務交易匹配

實現服務匹配自動化是指根據航運物流企業公布航線服務清單與價格范圍、客戶發布的運輸需求及價格范圍，對提交需求的客戶和航運物流企業進行匹配，在雙方同意匹配后生成智能合約并上傳至區塊鏈網絡。此后，智能合約將根據其觸發條件自動執行運費結算等操作。而實現自動接單的第一步是航運物流企業及客戶的匹配，因此提出先應用算法做匹配再觸發智能合約執行。

匹配需滿足以下兩個條件，涉及符號如表1所示。

表1 基于需求滿足率匹配的公式符號Table 1 Formula symbols based on demand satisfaction rate matching

公式（1）表示區塊鏈網絡中的礦工根據客戶需求滿足率進行客戶需求和航運服務之間的匹配。若客戶需要的運輸服務項數小于等于航運物流企業可提供的服務項數，需求滿足率為1，否則按照各航運物流企業的服務容量的比率匹配。公式（2）用于約束客戶虛報需求的行為。

接著應用蟻群算法進行匹配。蟻群算法是Marco Dorigo基于螞蟻在尋找食物過程中尋找路徑的行為的啟發而在1992年提出的一種用于找到最佳路徑的概率算法。該算法用螞蟻的行走路徑表示待優化問題的可行解，而整個蟻群全部的路徑集合組成解空間，令路徑較短的螞蟻釋放更多的信息素，迭代多次后，最短路徑上累積的信息素濃度必然是最濃的且螞蟻數量也是最多的，最終獲得最佳路徑。數學模型如公式（3）：上式中，假設了每只螞蟻τ在其經過的支路(i,j)上都留下信息素，ρ為信息揮發因子，每只螞蟻完成一個循環結束后對殘留因子1-ρ進行更新。t+n時刻在路徑(i,j)上的信息量按規則進行調整。

基于智能合約的自動化服務交易匹配算法步驟如下：

（1）初始化服務請求。

（2）計算服務數據哈希值。

（3）算法自動進行服務匹配，匹配結果由雙方同意后轉（4），若雙方不同意匹配則返回（1）。

（4）同意匹配的服務雙方共同確認服務的有效性之后用私鑰進行簽名，如果有一方不確認則服務無效，返回（1）重新匹配；若雙方確認服務有效則轉（5）。

（5）根據業務條款、雙方信息等生成智能合約。

（6）智能合約存入區塊并進行全網廣播，更新區塊鏈中所有區塊的信息。

（7）根據合約觸發條件自動執行貨物運輸信息更新及結算等功能。

3.2 基于“鏈網融合”的運輸貨物可靠跟蹤

傳統運輸貨物跟蹤流程是人工更新的，轉型后位置信息則由物聯網設備實時收集再由智能合約自動上鏈。具體地，整個框架應當包括航運企業、IOT平臺和客戶三個主體。其中IOT平臺的主要功能是收集提交的所有信息，包括最初的業務信息和后續的位置更新數據等，再通過智能合約來確保參與主體可以進行責任追究和監管的重要功能，基于區塊鏈和物聯網的運輸貨物可靠跟蹤的運作邏輯如圖1所示。

在服務達成后，智能合約以唯一而不可篡改的哈希值的形式上鏈。在運輸開始前，智能合約通過調用業務端中的公共查詢功能來調用合約查詢由雙方達成了共識的數據，并將調用記錄存儲在區塊鏈中。在運輸過程中，智能合約實時存儲與更新航運物流企業物聯網設備傳遞的貨物位置數據，供客戶隨時查詢。

3.3 基于數字貨幣的海運運費高效結算模式

轉型思路是根據海運單據的流動來設置主要節點，雙方將待運輸貨物的規格等詳細信息及該筆服務的結算機制寫入智能合約中，當單據開始流動時，就自動觸發結算。一方面可以實現結算款項和單據流的相向流動，降低運費結算成本的同時提高服務效率；另一方面也可以減少某方信用問題導致的結算風險。當然，轉型后仍基本保持現有的服務方式，以便客戶能最大程度地按照原有的服務習慣進行業務辦理。

為此，首先搭建一個區塊鏈網絡，航運物流企業與客戶作為網絡節點，共同參與信息廣播與接收。然后，客戶向合約轉入賬款，觸發合約執行結算任務，將客戶提供的法幣在以太坊中轉換為代幣存入航運物流企業賬戶。接著，區塊鏈所有節點都收到該筆信息并對各自分賬本進行更新，確認結算完成。最后，航運物流企業根據需要在以太坊中將代幣轉為法幣。

數字貨幣在海運運費結算場景中的應用的具體方案設計如圖2所示。主體屬性包括客戶地址，航運物流企業地址，合約代碼（合約的區塊哈希值），數字簽名等。此外，由于在服務過程中需要節點參與，服務也需要付出手續費Gas。

圖2 數字貨幣在海運運費結算場景中的流轉Fig.2 Flow of digital currency during freight settlement

4 方案應用

4.1 實例背景

某航線有10家航運物流企業均以20英尺通用集裝箱提供SHANGHAI至BUSAN的承運服務，同時有10個客戶提交托運申請。為便于計算，用函數random（100，700，10）隨機生成報價。自動化服務匹配環節以企業和客戶之間的首次報價差最小為標準進行匹配，采用蟻群算法進行匹配，設螞蟻個數為50，信息素揮發因子為0.5，最大迭代次數為100。

本文在Ropsten網絡環境下基于以太坊平臺開發并測試智能合約，以驗證該模式中從最初的企業-客戶匹配到結算任務執行完畢的過程。

編程語言是以太坊智能合約編寫的通用語言Solidity，部署工具是Remix，用于查看詳情的瀏覽器是Etherchain。合約中的關鍵變量設置如下：

address publicBeneficiary//收款方：航運物流企業

uintpublicSettlementGoal//結算金額

uintpublicAmount//到賬金額

uintpublicDeadline//結算截止期

uintpublicPrice//使用的數字貨幣與以太坊的匯率

token publicTokenTransfer//要轉移的數字貨幣

bool publicSettlementGoalReached//結算金額達標否

bool publicContractClosed//合約執行結束否

以上環節涉及的智能合約執行邏輯如圖3所示。

圖3 航運物流企業數字化交易的智能合約執行邏輯Fig.3 Execution logic of smart contract for shipping service digital transaction

4.2 有效性分析

4.2.1 自動化服務交易匹配環節

在此次模擬中，迭代到第19次時企業和客戶之間的報價差達到最小，匹配結果如表2所示。

表2 服務交易匹配結果Table 2 Service transaction matching results

然后觸發智能合約導入航運物流企業和客戶及服務信息，合約通過Remix被上傳到IPFS網絡以進行加密永久性存儲并獲得唯一的哈希值用于篡改行為識別；最后可通過區塊鏈瀏覽器查看這項業務的地址。

阿布扎比港口子公司Maqta Gateway業務報告顯示，傳統航運物流企業在與客戶作交易對接的過程中，需要人工提供需求及報價的實時動態反饋并伴隨著多項紙質化工作，耗時耗力，以截重柜為例，單項交易通常需要提前5~7天磋商。而本節應用智能合約模擬以上匹配過程，船期公布即基于雙方更新的報價進行磋商，避免了人工對接導致的爆倉加價。可見，基于“蟻群-智能合約”算法作航運服務自動化匹配是有效的。

4.2.2 運輸進程可靠追蹤環節

航運物流輾轉經過很多人，涉及數百次溝通，全球最大的集裝箱運輸公司穆勒-馬士基集團認為“跟蹤集裝箱的成本占移動集裝箱成本的20%”。而本文將貨物位置關鍵節點信息由物聯網設備實時更新到智能合約，再由RemixIDE編譯部署在以太坊區塊鏈上，簡化客戶獲取物流信息的流程并節約了人力成本。模擬的運輸跟蹤信息更新結果部分摘錄如圖4所示。經此過程，運輸跟蹤信息存取智能合約的完備性及正確性得到驗證。

圖4 （a）詳情查看地址Fig.4（a）Details view address

圖4 （b）訂單S0021-A0231的記錄ID Fig.4（b）ID of order S0021-A0231

4.2.3 海運運費結算環節

傳統模式下的海運費結算存在貨代在雙方之間調節和轉移部分費用的問題，還涉及各種未明確標準標碼的雜費。而本小節在航運物流企業按照客戶需求以無法篡改的方式完成航運服務交易的分配、海運進程可靠追蹤之后，智能合約自動執行海運運費的結算。模擬的結算結果如圖5所示。客戶可以自行通過區塊鏈瀏覽器在外部隨時監督更新區塊鏈，保證了款項的安全。

圖5 （a）付款客戶的IDFig.5（a）ID of payment customer

圖5 （b）客戶向FANYA轉賬的費用Fig.5（b）Fees of customer transfer to FANYA

4.3 轉型效果分析

本文借鑒美國邁克爾波特的鉆石模型的理念來評價航運服務基于區塊鏈技術進行數字化轉型的效果，該模型指出競爭優勢的建立必須要運用生產要素、市場需求、相關產業等要素。根據徐凱對于我國航運數字化轉型的分析，本文將航運物流企業數字化交易效果的評價要素選擇如表3所示。

表3 轉型效果評價要素Table 3 Evaluation elements of transformation effect

為確保數據的合理性與有效性，參考主要經營我國沿海和國際遠洋運輸的A股航運上市公司的寧波海運股份有限公司（600798）2020年第三季度報告第二章第一節中的成本分析表所列要素確定效益占比。將人力成本等要素歸類為內部運營要素；船舶租賃費等要素歸類為客戶需求要素；經營權攤銷等要素歸類為合作伙伴要素。4.2節匹配的五家航運物流企業轉型前后從一單服務中所得收益結果計算公式如式（4）、（5），對比如表4和圖6所示。

圖6 轉型前后收益對比Fig.6 Income comparison of before and after transformation

表4 轉型前后收益對比（USD）Table 4 Income comparison of before and after transformation（USD）

其中，f為航運物流企業初始報價，f?為客戶報價，h為該航線1個TEU的單位航運成本；RT為某一航線航運物流企業總利潤，RA、RB、RC分別為成交一單后三要素產生的單位收益。

在基于區塊鏈進行數字化轉型前，航運物流企業與客戶之間的服務往往通過郵件的方式及進行合作，人力成本高且信息透明度低，企業效益難以保證。轉型后，航運物流企業總效益的增長達到了29.68%。外部客戶可以查詢到經由物聯網設備實時采集和區塊鏈存儲的真實可靠的關鍵服務信息，明確賬款信息和貨物運輸狀態，提升整個航運業務流程的透明度。航運物流企業通過智能合約的自動化執行和上鏈減少了不必要的人力，通過鏈網結合更準確地預測可能會影響運達時間的風險。上下游合作伙伴同在一條區塊鏈上，于過去弱信任關系的復雜運輸貨物跟蹤網絡中實現安全可信的業務往來，提高航運物流的供應鏈運作效率。

5 結束語

本文站在航運物流企業的視角，研究了基于區塊鏈的數字化轉型的方案并測試了基于“蟻群-智能合約”算法的自動化服務交易匹配、基于物聯網技術的運輸貨物可靠跟蹤、基于數字貨幣的海運運費高效結算。此外，通過從客戶需求維度、內部運營維度和合作伙伴維度進行了轉型前后的對比。實例表明，航運物流企業實施數字化轉型可靠有效，有助于降本增效以提高競爭力。

值得注意的是，區塊鏈上的數據與信息具有真實性、完整性和不可篡改的特性，但是當前受區塊鏈應用的范圍所限，航運物流企業業務數據在上鏈之前的各項信息仍有作假的可能性，當鏈下實際資產與鏈上信息不一致時，鏈上的信息從源頭就失去了價值。為此，航運物流供應鏈上的各主體應當共同貫徹去中心化的理念來營造良好的服務交易環境。