基于区块链技术的低碳物流供应链生态模型构建

姚兴华，高爱霞

(山东财经大学东方学院 工商管理学院，山东 泰安 271000)

自2009年哥本哈根气候大会以来，低碳经济成为人们热议的话题，“低碳革命”正在兴起。习近平总书记在党的十九大报告中提出，要坚定不移贯彻创新、协调、绿色、开放、共享的发展理念，要在创新引领、绿色低碳、共享经济、现代供应链等领域培育新的增长点，要在交通设施、信息、物流等方面加强网络建设。低碳经济的发展是一个系统化的发展，要想达到低碳效果，不仅是某个生产环节、物流环节要做到，物流供应链上所有上下游环节都要努力，因此，只有从物流供应链整体视角出发，对低碳发展进行研究才更具现实意义。然而，随着全球化分工的不断深入，物流供应链的链条逐渐延长，业务冗杂、零散、琐碎、地理分散等现象加重，导致整个物流供应链上信息的透明度下降，供应链链上的主体因信息不对称进行着激烈的博弈，信任成本高昂，对现代物流供应链管理来说极具挑战。

区块链是继中本聪于2008年提出比特币概念后衍生而来的，它是比特币系统的底层技术，典型特征是去中心化、去信任、防伪溯源和智能合约等。2016年以来，关于“区块链+”的尝试性应用范围越来越广，物流供应链因其多方协作、信任主体多、商业逻辑完备等特点符合“区块链+”的应用模式而备受瞩目。2016年10月，由工信部发布的《中国区块链技术和应用发展白皮书》中提到，一些领域如智能制造、物联网、供应链管理等都是区块链技术的重要应用领域。区块链技术可借助云服务软件、平台及基础设施搭建信息桥梁，将传统服务由提供型向引领型转变，可为物流供应链的发展提供可靠的技术生态环境。

藉于区块链技术在物流供应链中的应用及迫在眉睫的低碳经济发展形势，提出基于区块链技术构建低碳物流供应链生态模型，探索区块链技术在低碳物流供应链中的应用。

一、相关研究现状

(一)低碳物流供应链部分

随着低碳呼声的提高，国内外学者对低碳物流进行了大量的研究，通过中国知网检索，以“低碳物流”为检索主题，共检索到393篇文献，这些研究多是集中于低碳物流的定义、物流各环节低碳研究、物流过程碳排放研究、低碳物流评价研究及物流系统低碳化设计五个方面。但从供应链的角度研究低碳物流的文献比较有限，以“低碳物流”为检索主题，以 “供应链”为检索关键词，共检索到15篇相关文献。如秦烨、李玉保[1](2014)指出在供应链环境下低碳物流的运作存在多个博弈主体，通过博弈关系分析，得出低碳物流顺利运作的有效思路。王国文[2](2010)结合绿色供应链和低碳物流的概念，在供应链流程标准的基础上，构建了绿色供应链的框架体系，并参照国外实践，提出了一系列政策建议。陆小成、杜静[3](2014)，林敏晖[4](2016)构建了基于知识供应链的模型，包括低碳化制造、采购、交付、回收及政策执行等，实现物流管理低碳化。

(二)区块链技术方面

“区块链”的英文翻译是“Block Chain”，字面意思就是由一个个区块(Block)连接形成的链条(Chain)，区块包含了一定时间内的系统全部信息交流数据，链是由多个信息块按一定运行规则形成的。区块链技术起源于比特币，2008年美国次贷危机爆发，雷曼兄弟倒闭后两周，一位自称中本聪(Satoshi Nakamoto)的人发表了《比特币：一种点对点的电子现金系统》一文，标志着比特币的诞生，文中阐述了“区块”及“链”的概念。尽管区块链起源于数字现金管理，但其分布式数据存储、密码学技术及节点到节点的传输特点引起了学术界的重视，意识到区块链技术不仅可用于数字货币管理，还可用于信任管理、价值管理等，因此2015年以来，区块链技术逐步延伸到社会诚信体系建设、保险及物流供应链等领域。可以预见，随着人工智能时代的到来，区块链技术的应用将对整个世界带来颠覆式改革，截至2016年年初，全球已有917家创业公司在区块链领域投资逾15亿美元。2016年是我国区块链元年，1月20日，央行召开数字货币研讨会，4月19日，由上海证券交易所牵头的11家机构共同成立区块链联盟，7月，工信部发布[2016]840号文件，并委托工信部电子标准院联合阿里巴巴、腾讯、平安保险等国内重点企业开展区块链技术的研究工作。

国外学者对区块链技术的认识研究，涉及到区块链技术的概念、区块链技术的隐私保护、资源损耗及安全性等方面。如英国学者梅兰妮·斯万(Melanie Swan)[5](2015)提出区块思维模式，认为该模式不仅有一个内存实在，还有无限任意多的副本，对区块链是什么及其发挥作用进行了描述，梅兰妮·斯万分析，不久的将来，区块链技术必会引领技术创新潮流，从而改变人们的思维方式与认识模式，在未来数字社会中将会发挥生产力与凝聚力的作用。梅兰妮·斯万的观点具有一定的学术创新性。Androulaki等[6](2017)提出了一种解决区块链技术隐私问题的系统，该系统可通过能由第三方验证不可见签名有效性的公众日志来修改区块链底层协议。Barkatullah等[7](2015)设计了一种高效的比特币开采处理器，并介绍了与之配套的开采设备，提出通过使用这种高效率的开采硬件来获取高经济效益、低资源损耗的经济模式。Mougayar等[8](2017)分析了区块链安全漏洞问题及应对策略，认为易出现的安全漏洞主要包括DDoS攻击、木马私人账号病毒及广告病毒等，并介绍了相对安全的做法，如利用硬件认证设备等。

国内学者对区块链技术的研究自2015年以来飞速发展，在中国知网中以“区块链技术”为检索主题，检索时间自2015年开始，共检索到1683条相关文献，这些大都在技术本身及其应用的层面。技术本身层面，梅海涛，刘洁[9](2016)提到区块链是一种去中心化、去信任的集体维护数据库技术，本质是一种去掉删除和更新操作的分布式数据库。何广锋，黄未晞[10](2016)认为区块链的本质特征是“区块”+“链”的结构、去中心化、现代密码学技术、可信赖、时间戳及可编程的智能合约。许金叶，夏凡[11](2017)认为区块链本质是现代加密技术、数据库技术及网络管理激励机制的集成，是一门集信息学、金融学、数学等学科为一体的解决信任问题的科学。 应用层面，区块链技术应用始于金融领域，但学者们对其应用的研究已延伸至公共管理、物流供应链管理、会计、能源等领域。胥月，马小峰[12](2016)基于区块链技术构建了一套评价学生行为的的综合评价体系，相较于传统评价体系，该体系有效避免了因信息不对称而对学生行为评价失真的情况。张毅等[13](2016)研究将区块链技术应用于政府治理方面，预打造服务过程透明化、组织结构扁平化、可信任的智能化政府，以提高政府工作及创新绩效。洪涛[14](2016)提出了区块链在我国农产品电商领域的应用路径，认为在区块链技术平台下，可采取“守信联合激励，失信联合惩戒”的措施，保障交易透明化公平化。吕芙蓉，陈莎[15](2016)在分析我国农产品质量安全追溯体系当前现状的基础上，结合区块链技术，提出了从信任共识、去中心化、集体维护、分布式记账等方面重构我国农产品质量安全追溯体系的新思路。武赓等[16](2017)针对传统电力需求侧响应的发展趋势及区块链技术去中心化的优势，提出了基于区块链技术的综合需求侧响应资源交易的整体框架思路。鲁维维[17](2017)针对传统供应链管理中存在的问题，提出利用区块链技术进行解决。

综合国内外学者对区块链技术的研究，区块链技术在未来的发展前景相当广阔，多领域都在尝试介入。但现有文献尚未将区块链技术运用于实现物流供应链低碳化的方案或思路，本文尝试从我国物流供应链低碳方面的需求出发，结合区块链技术思想提出低碳物流供应链生态体系建设的构想。

二、区块链技术与低碳物流供应链的耦合分析

区块链技术具有去中心化、安全透明、智能合约等特征，这些特征决定了其应用性适用于特定范围，因此将区块链技术应用于低碳物流供应链需要进行耦合分析。[18]下面就主体、交易机制、智能合约方面进行耦合分析。

(一)主体耦合分析

根据物流供应链流程，低碳物流供应链流程涉及到低碳计划、低碳采购、低碳制造、低碳交付、低碳回收等环节，相应的在这个过程中参与的主体有供应商、制造商、物流企业、用户等，从整个低碳系统来说，低碳标准建立、低碳绩效衡量等工作还涉及政府相关部门，所以低碳物流供应链是典型的多层次、多元化、多功能的链网式组织，该组织的最主要的目的是希望链条上的信息流、物流及资金流完美协调、步调一致。

区块链技术的“去中心化”特征决定了区块链数据库的执行是由多方分布式主体共同参与协作完成的，各主体之间是平等的，在信息的传播交换及接收存储上都享有平等的权利义务。从这一角度考虑，二者在主体上是耦合的。如图1所示。

图1 区块链与低碳物流供应链主体耦合关系

(二)交易机制耦合分析

低碳物流供应链上的交付包括：供应商向物流及生产过程的物料处理交付、低碳采购交付、低碳运输交付、低碳仓储交付、低碳客户服务交付等等，存在多重性复杂化特点，在实际交付中主体间往往因缺乏信任导致机会成本加大。

区块链技术具有“防篡改、安全透明、可溯源”等性能，适合跨域也就是多主体间复杂交付，若低碳物流供应链中引入区块链技术，可实现真实记录和交付验证，这样各主体会形成共识机制，信任成本也会大大降低。这样看来，区块链与低碳物流供应链在交付机制上是耦合的，如图2所示。

图2 区块链与低碳物流供应链交易机制耦合关系

(三)智能合约耦合分析

低碳物流供应链通过一系列的智能合约保障交易的自动执行。但目前在人们看来，智能合约和区块链的结合才是更完美的[19]。没有区块链的智能合约，容易被篡改，且被恶意因素干扰，潜在风险系数高。区块链的不可篡改、去中心化、分布式特性就决定了它是一个高可靠性的系统，在区块链内，智能合约是由链内多用户共同参与制定的，通过P2P网络扩散到每一个节点并存入区块链中，智能合约会定期进行自动机状态检查，当有事务或信息传入时，状态机会进行验证，达成共识后会自动执行并通知用户，整个过程都是由一串串指令实现的，用户不用担心合约被篡改或恶意干扰等问题。可见，区块链和低碳物流供应链在智能合约上也是耦合的，如图3所示。

图3 区块链与低碳物流供应链智能合约耦合关系

四、基于区块链的低碳物流供应链生态模型构建分析

区块链应用于物流供应链信息管理可从对象维度、属性维度、功能维度3个方面进行分析。在构建基于区块链的低碳物流供应链生态模型时亦可从这3个方面着手分析。如图4所示。

图4 基于区块链的低碳物流供应链生态模型分析框架图

(一)对象维度

传统的低碳物流供应链只是简单的将各节点企业串联起来，而应用区块链技术，其“去中心化”及“智能共享”的特点使得供应链上的各节点可以形成一个巨大的网络整体。

“点”：指各节点企业。可以将区块链技术嵌入节点企业中以互联网为基础的物联网内，因物联网具备分布式异构特征，刚好与区块链分布式特点耦合，因此满足区块链技术的运营要求。物联网是通过识别技术、普适技术、智能感知等技术进行实现的，可支持区块链系统共识机制的建立和完善。

“链”：传统物流供应链节点企业是“串联”的，彼此间由于信息不对称导致多次交易等问题，有些节点为节省成本而违背“入链”规则，最终导致供应链陷于瘫痪，低碳问题不能得到有效解决。引入区块链技术，各节点企业的关系由简单“串联”变为智能“并联”，而且信息完全共享，可很大程度上降低信任成本，提高主体间的交易效率，各主体间相互监督，共同遵守低碳规则。

“网”：引入区块链技术后，公共“区块”按时间序列形成不断延续的“链”，其“去中心化”技术与分布式技术可实现每笔交易的可持续性验证，从而保证交易的透明化及可溯源性。“网”中还可加入政府相关部门，发布相关低碳标准并进行监督检查，保障低碳物流供应链生态发展。

(二)属性维度

大数据时代，物流供应链上各节点企业通过互联网络实现物流、资金流和信息流的有效运转，其中，物流和资金流是基础，信息流是联系纽带。

物流方面。引入区块链技术，其多方访问的能力和不可篡改性及透明化共享账本的特性，可实时跟踪链中物品所有权的变动，货物装载、运输、取件、流程清晰可见，所有信息都会经哈希运算生成相应的Merkle 树计入区块中，若参与方在交易过程中出现行为属性纠纷，区块链的时间戳特性可轻松举证并追责，任何一方都无法掩盖一个数据库的错误更改，或扭曲事实将错误归咎于另一方，这将大大提升各节点的交互效率及协作性和准确性。

资金流方面。传统模式下，供应链各方由于信用保障低而往往借助传统金融机构实现资金流动，中介成本高昂。引入区块链技术后，因其算法安全可靠，各参与方便可建立联盟链，形成“共识机制”，链内任何一方的运营都遵循同一套经过协商确定的标准。交易时各方可基于各环节的单据凭证实现核心企业信用背书，通过系统平台即可实现信用担保，而无需第三方信用中介，由平台记录资产所有权的变动，输出统一凭证，所有参与方共同签发凭证，实现无中介式信用流转，从而降低金融成本。另一方面，中小微企业的信用数据在交易过程逐渐积累并公开，可进一步解决由于信用障碍造成融资难的问题。

信息流方面。存储和整合是端到端的供应链管理的核心命题。传统供应链由于信息透明度不够，导致某些环节中出现人为错误甚至非法活动都不易查验与取证。区块链技术的信息共享机制及不可篡改性可实现供应链中各节点信息畅通透明，降低信息不对称率及信息失真率，有效避免信任主体的违规行为，各方很容易建立信任， 沟通成本会大幅降低，使供应链运行效率得到极大提高。

(三)功能维度

低碳监督。随着国际对“低碳”的呼吁，物流供应链管理也越来越重视低碳排放，控制各环节的低碳运行，但由于“低碳等于高成本”的观念深入人心，所以各主体在实现低碳时只是遵守最低要求，比如，仅仅是运输车辆刚刚能通过国家相关部门的强制性检测，或者检测不通过时才进行某零部件的维修或更换。从整个物流供应链来说，没有一套经过商榷而形成的低碳排放标准及贯穿其中的碳排放监督测量机制，只是依靠个体自觉性，再就是信息不对称、信息共享不够等导致监督不够，链上的主体存在逃避心理，所以无法从根源上解决碳排放问题。引入区块链技术，链中的各参与方包括政府部门可以协商确定统一的碳排放标准及奖励惩罚措施等，各节点建立“碳仪表板”，控制所有环节的碳排放。区块链的信息共享特性可以让各参与方相互监督，不仅能增强人们的低碳意识，还可大大降低监督成本，改变行业生态。

低碳运输。运输是CO2等温室气体排放的主要来源之一，在运输环节，燃油的选择、燃油的泄露、车辆内置碳排放控制系统、车辆保养、车辆怠速运行时间及车辆平均行驶速度等都会影响碳排放，目前这些因素可以借助感应检测技术及GPS(全球定位系统)技术进行跟踪及检测，但检测结果只是各节点的内部信息，节点间信息不透明不对称。区块链则具备解决上述问题的潜力，一方面，它是一个透明的“公共账本”，能追踪货物运输的整个旅程及每个节点的的信息，在低碳监督的前提制约下，运输方必定会采取相应的低碳运输手段，比如优化线路设计、合并运输、甩挂运输、减少空载、使用环保车辆、司机低碳驾驶培训等。另一方面，由于信息共享，运输效率也会大幅度提高，比如系统会自动将工作分给合适的司机，减少对人工调度员的需求，“最后一英里”交付基础设施充分利用、共享低碳车辆等，低碳排放自然会降低。

低碳仓储配送。现代仓储配送物流活动中，已有一些智能技术如RFID、条码技术、GPS等对仓货进行识别、定位等，这些技术大多由NAS (网络附属存储)、DAS (服务器直连存储) 、SAN (存储局域网) 等网络技术支持，便利的同时也有信息被篡改的风险。区块链的“分布式记账”特性便可解决仓储数据私自被篡改的问题。区块链记录了货物流程的所有信息，确保可追溯性，避免了丢包或冒名领包等现象。依靠区块链技术，可真实的记录买卖方、合约条款等信息，各方拥有独有的签名并进行全网验证，只有全网加密记录一致的信息才有效，才会被上传并实现共享。应用区块链高效便捷的同时，在低碳监督的制约下，相关方会采取相应的低碳仓储配送手段，比如建造绿色仓库，在仓库屋顶安装设备采用太阳能发电、使用清洁能源叉车、提高仓储空间利用率、节约土地等；比如订单集并、使用可循环利用的包装设备及材料、采用节能节水技术等，既可以提高仓储配送效益又可以低碳减排。

低碳回收。废弃物的大量丢弃也是对环境造成很大危害的因素之一，引入区块链技术，信息得以及时共享反馈，一些可再利用或再制造的物料及零部件可以及时回收，二次利用，降低碳排放。

五、基于区块链的低碳物流供应链生态模型

区块链系统创造的是一种分布式信任机制，设备与设备之间可彼此验证，各方以可信赖的方式相互联系，可颠覆传统的以中央权力机构为中心的信任模式。将区块链技术引入有中心的物联网中，可实现安全的去中心化的数据通信和交互。借助区块链技术，来构建统一的去中心化网络，覆盖所有移动终端、物联网网关及区块链节点。在这个区块物联网络系统中，区块链作为一个分布式账本，其上的每一个“区块”都记录本次的交易数据和前一次交易的索引信息，按时间顺序首尾相连，形成“链”，全网记录并保存所有信息，因此信息不可篡改。在此网络系统中，所有节点可构建共享的通用协议，一方面保障所有参与方在相互联系时共同实施统一标准，另一方面可保障非法节点无法进入，避免恶意攻击。

根据区块链去中心化的特性，将区块链放在低碳物流供应链生态模型的底层，也就是数据层面，在该层面上，各节点由点到链再及网，形成链网状结构，此“并联”系统排列的优点是可以打造多极数据通道，即使部分数据通道被阻断，不会妨碍信息经由其它通道进行传输。在网络层，合法节点将会得到授权，被授权节点可以获得来自传感器和其他节点的公钥，恶意侵入者没有公钥所以不能解密，确保了传输信息的安全性。在共识层，各传感器拥有自己的私钥，在向全网发布信息时，数据包末尾都会添加私钥加密的代码，这样恶意侵入者就很难伪造传感器数据。在应用层，区块链系统可确保所有用户的安全使用，在整个低碳物流供应链中，按照最小消耗、最低排放、最优绩效的原则设计，实现系统环境最优的目标。低碳物流供应链上各环节的任务见图5。

图5 低碳物流供应链各环节任务

综上，基于区块链的低碳物流供应链生态系统具备数据信息保密、系统内信息共享、抗恶意攻击、自我修复、生态运行等特点，为区块低碳物流供应链生态系统的发生、形成、稳定乃至生态和谐提供了基础和条件。基于区块链的低碳物流供应链生态模型如图6所示。

图6 基于区块链技术的低碳物流供应链生态模型

六、基于区块链的低碳物流供应链生态系统面临的问题与解决对策

毋庸置疑任何技术都存在局限性，虽然区块链技术有自身的独特优势，但还处在发展初期，无论是技术本身还是技术开发等方面皆存在一些问题。

(一)面临的问题

1.易产生“中心化”设计组织

自2010年中本聪将项目控制权移交给Gavin Andresen至今，比特币的核心代码主要由6个国外程序员持续贡献。虽然整个代码队伍超过200人，但几乎没有中国人员，这种情况下，如果未来区块链技术达到一定规模，那么对于其维护更新、未来发展决策等必然会落在一个“中心化”设计组织中。

2.区块链处理速度较慢，耗费大量资源

追求信息数据透明化是区块链的特性之一，但追求透明化的前提是详细、真实、完整的记录所有发生的数据，结果就是处理速度慢，每次交易处理大约需要10min，难以满足低碳物流供应链生态运行的各种需求。而且还耗费大量的计算能力和网络宽带。截至2016年初，比特币区块链的全网计算能力已经达到了8×1018 次运算/s，相当于世界上最快的单台计算机的计算能力的28571倍。由于采用共识机制，需要全网算力，交易速率被限制在6～7笔/s，大量未处理交易只能排队等待，易出现广播“风暴”，宽带资源大量消耗的同时还会导致网络性能下降，甚至网络瘫痪。

(二)解决对策

1.政府超前布局，加强顶层设计

政府应重视区块链技术产业的发展，进行统筹协调，组织专家研讨，可设立专项基金，出台一些相应的政策。另外，要重视区块链技术人才的培养，鼓励有条件的学校开设区块链的相关教学课程，加大培养力度，学企合作，构建技术集成的人才队伍；尝试建立国家重点实验室，夯实区块链技术研究。

2.打造更完善的区块链技术体系

加强核心设备研发和网络关键技术的支持和引导，稳步推进网络过度，积极创新互联网核心关键技术，学习国外先进的数字方法和信息技术。[20]如Open Access (开放获取制度)、Virtual Research Environment(虚拟科研环境)、National Licensing (国家许可政策)、Research Data (科研数据)、National Hosting Strategy (国家仓储战略)、Legal Frameworks (法律框架)等，建立更完善的区块链技术体系。