基于联盟区块链的航运物流数据管理的研究与应用

刘应 范洪博 马首群

摘 要：随着国际贸易和全球化的发展，在以全球伙伴关系为特征的世界中，全球航运物流变得越来越重要。目前区块链已成为许多现代甚至未来应用程序中最具吸引力的技术之一，区块链扮演着特殊的角色，因为它有可能缓解航运中物流管理问题，提供了在全球范围内实现安全无摩擦交易的新方法。本文对区块链作用于航运物流进行研究，通过Fabric联盟区块链对航运物流业务场景设计了航运物流区块链系统结构，其区块链可提供准入机制进行航运物流部门参与者认证，并对其航运大量的数据影响区块链的性能进行了基于Merkle Tree查询物流数据的性能优化，对进一步区块链与航运业相结合提供借鉴和参考。

关键词：Fabric区块链;航运物流;Merkle Tree;准入机制

中图分类号：U64             文献标识码：A            文章编号：1006—7973（2021）03-0053-03

1 引言

目前來说，对于航运物流管理是各个流通航运部门数据管理的核心，它将计划、采购、销售及物质的调度和库存管理结合起来。国际航运业承担着国际货物贸易90%以上的运输量，也就是相当于目前全球贸易价值的70%左右，在目前的国家经济发展中起着至关重要的作用，也是对于航运处于战略性的一个地位目前也更加的巩固[1]，伴随着目前航运物流技术的快速发展， 航运在全球化的贸易运输中的地位就显得尤为突出， 其航运物流信息的管理更显重要[2]。

区块链技术已逐渐应用于海上运输供应链的全球航运物流中，随着水上交通日益繁忙，以通过海上运输记录的数字化来提高效率，包括实时跟踪货物状况，提高全球供应链的知名度以及减少海关清关时间以及成本和风险。区块链技术的属性非常适合大型的不同合作伙伴网络，区块链为网络内发生的所有交易建立共享的，不变的记录，并允许被许可方实时访问安全数据。2020年中央一号文件指出，加快区块链与现代信息技术融合的应用，区块链作为一种去中心化，共享，加密的存储库[3]，不易受到数据库的更改和破坏影响，保留了整个区块链的副本，为协作商务提供了基础[4]，其特点恰好契合了上述航运物流业所面临的问题[5]，通过启用参与者之间的同时共识审核，简化了每个阶段的决策流程，并可以进行实时数据优化，从而提高了整个供应链航运物流的信任度。

本文通过对目前的航运物流信息管理的研究并结合目前的区块链技术，通过Fabric联盟区块链技术进行应用设计，促进了航运物流数据的有效管理以及不可篡改，消除航运物流中的中介危机，供第三方或者其他部门进行数据监督以及查询追溯。

2 传统航运物流数据管理模式

全球航运供应链中各个参与者的信息系统和操作程序通常是不同和不兼容的，他们中的许多人的业务流程都是基于纸面效益的，这增加了总成本以及进口商，出口商和运输公司的延误。而港口来说是一种特殊的基础设施，通常在一定时间内会给私人运营商让步，对于不同的物流参与者或者参与部门可能有许多相互的利益竞争关系[6]，其成本高而且利润率低，许多较小的集装箱运输公司要么放弃了业务进行合并，或在过去十年中被较大的公司收购，其中就有很大一部分是通过货运代理公司，负责海关通关，海陆之间的中转以及程序和后勤事宜。除了官方的延误之外，较为繁琐的程序以及数字和纸质的各种表格的组合也增加了全球供应链效率低下的问题。

3 区块链在航运物流中的优势

当前，航运物流不仅是市场经济的扩展和延伸，其运作和发展还取决于市场广阔的经济环境和各行业提供的运输条件[7-8]，用区块链技术来以安全、可信任以及透明的方式来记录航运运输数据，任何人不能删除或者随意修改账本数据，其所有的操作记录将会被记录在区块链上。从而有效地消除中介机构，以节省时间和成本。区块链的核心功能在于对非中介的支持并在线提供一致的实时信息可以帮助节省大量时间和金钱。由于许多货运代理通常按总成本的一定百分比收取费用，因此他们有增加而不是去减少总的成本。

区块链可以帮助消除不必要的步骤处理并展现可能导致不必要的成本和延误的实体和步骤，区块链网络对于航运公司管理物流运输方面有很大的作用，其航运物流所有信息都经过加密，因此增加了安全性[9]。任何用户未经授权许可不能干扰系统并更改任何信息，因此可以防止欺诈性活动和操纵。对于运输，合同，提货单，跟踪单号，所有这些都可以作为共享且安全的加密公共分类帐而存在，不受任何一个组织或者实体的控制。由于无法修改，因此数据很容易验证。它将为合同文件进行背书提供清晰的监管条件，且借助区块链，可在每个步骤中跟踪货物或包裹的拥有情况，从而有助于消除有关监管链的任何问题。

另一方面，航运物流数据所有信息都存储在一个可以由各方使用必要的访问密钥查看的位置，从而提供了一种有效的方式来实时衔接客户，承运人，订单和付款。这使从供应商到最终消费者的每个人都更容易跟踪他们的货物在哪里以及何时到达。

4 基于Fabric航运物流管理应用

4.1 Fabric作用于物流管理分析

Hyperledger Fabric是面向公司的领先的开源和通用联盟链结构，其在计算速度方面极为强大[5]，在一定范围内可以有效满足航运物流数据处理的性能要求，如下图1所示，每个块的头部包含两个散列数据串且包含多个事物，每个交易都包含了操作过程的完整信息，包含加密、请求、签名等，保障了航运物流数据的不可篡改性。

4.2 Merkle树查询优化设计

航运数据涉及很多部门，数据量大，鉴于联盟区块链的特性以及目前的吞吐率，在航运物流大数据生产环境中数据交互依靠自有的CouchDB较慢，以及进口数据和出口物流数据中包含合同文件，各种作业表、仓单等文件类数据不能直接存入区块链中，基于此瓶颈，如下图2所示。

图2中设计了文件数据和字符类数据通过Merkle Tree进行处理，将上链后的数据进行Merkle Tree计算，将计算完后的数据存入数据库，其Merkle Root存储区块链网络，当用户或者参与者发起查询时，系统会自动计算数据库内的Merkle Tree，然后计算出的Merkle Root和区块链中的Merkle Root进行比对，如果比对成功，则航运物流数据未被篡改，否则数据被篡改。

4.3 区块链在航运物流结构设计

在航运物流系统中，如下图3所示，参与部门通过准入机制，系统工作由航运物流各方共同参与。其参与者通过客户端应用程序或SDK注册，并通过成员资格服务提供商（MSP）向证书颁发机构请求注册证书。然后，证书颁发机构使用新的ID颁发证书和私钥以注册参与者。所有交易均在Hyperledger Fabric区块链网络上进行分配。参与者在系统中具有不同的角色，并且只能访问已被授予访问权限的记录，相关节点方可以使用客户端的应用程序添加更新查看航运物流记录。

客户端的应用程序调用将产生的交易提交到Fabric网络后，更新的账本信息将通过网络进行排序背书分配，这样可以确保将网络上的每个事务分配给系统中的每个参与方，且确保了每个更新的账本交易信息都不能被未经授权的参与方创建、修改、查询、删除等操作，物流数据信息使用时间戳添加到先前的哈希中。

由于航运这种大量数据的存储以及查询，可以采用三方数据库作为存储和交互，并用Merkle Tree算法来保持区块链数据的不可篡改性，经过数据库生成的Merkle Root和区块链上的Merkle Root比对校验后，用户或者参与者可进行实时的查询航运物流信息和物流状态。

5 总结

本文通过对目前的航运物流进行数据信息管理和分析，结合目前国家新基建区块链技术进行航运物流的结合进行研究，并对其进行了基本的结构设计以及查询性能优化，促进了区块链与航运物流的有效结合，由于全球贸易和航运物流领域的范围很广，需要多个组织、政府和监管机构进行多边协调和组织管理，区块链技术在航运物流领域中的扩散为解决行业痛点提供了新的思路，将区块链应用到航运物流中，进一步加快了航运物流智能化的进程，改变了传统的航运物流运作模式，为后续的智能航运物流系统提供了新的解决思路，具有很强的现实意义。

参考文献：

[1] 毛艳. 中国城市群经济高质量发展评价[J].统计与决策，2020（3）：87-91.

[2] 王沛仕.加入WTO后我國航运业的对策性研究[J].珠江水运，2003（4）：7-11.

[3] Shireesh， Aptea， Nikolai， et al. Will blockchain technology revolutionize excipient supply chain management？[J]. Journal of Excipients and Food Chemicals，2016，7（3）：76-78.

[4] Kim K H ， Shim J H . Application and Policy Direction of Blockchain in Logistics and Distribution Industry[J]. Journal of Industrial Distribution & Business，2018，9（6）：77-85.

[5] 习近平：《在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上的讲话》，《人民日报》2018年5月29日.

[6] Vora J， Narray A，Tanwar S， Tyagi S， Kumar N， et al. Bheem： a blockchain-based framework for securing electronic health records[C]//2018 IEEE globecom workshops， Washington， DC， USA， 2018：1-6.

[7] 徐凯.区块链技术在港口与航运领域的应用趋势研究[J].港口经济，2016（12）：5-8.

[8] 徐国毅.高质量发展长三角一体化、高水平推动港航智能化[J].航海，2019（5）：3-6.

[9] 宁卓， 李牧阳， 梅新志.区块链技术在物流快递行业中的应用浅析[J].中国市场，2018，（3）：106-107.