基于区块链技术的多式联运数字化单证研究

焦巍巍 刘 彤

(大连海事大学航海学院 辽宁 大连 116000)

0 引 言

多式联运由航空、公路、铁路和水路中的任意两种或多种运输方式组成，是衡量一个国家或地区交通运输现代化程度的重要指标。顺畅高效的多式联运系统对降低物流成本、提高物流效率、促进节能减排具有积极的意义。多式联运单证承担着发货收据、运输合同、物权凭证、提货凭据等多项功能，是开展多式联运业务时的必要环节。目前，多式联运单证主要有纸质单证和电子单证两种形式。纸质单证具有内容重复填写、制作速度慢等缺点，对物流时间和成本造成了很大影响；电子数据交换(Electronic Data Interchange，EDI)单证存在软硬件兼容性差、安装成本高等问题[1]，导致了多式联运信息共享困难。

由智能合约、对等式网络(Peer-to-peer network，P2P网络)、时间戳、非对称加密等组成的区块链(Blockchain)技术具有分布式数据易共享、可编程自动执行、数据可信溯源、安全隐私保护等特性[2]，可以有效降低跨境支付成本。2019年5月，联合国贸易便利化和电子业务中心(UN/CEFACT)发起了“应用区块链技术进行优惠原产地证书跨境总账交换”项目，其发展框架指出未来将支持应用区块链技术进行政府间的任何数据交换[3]，为解决当前多式联运单证中存在的问题提供了新思路。

本文以实现多式联运单证功能为目标，利用区块链技术对传统的多式联运单证进行数字化升级，以提高物流效率，促进信息共享。

1 区块链相关技术

多式联运单证主要有以下三种功能：作为多式联运经营人直接为发货人签发的收据和运输合同；作为发货人通过金融机构向收货人转让的物权凭证；作为收货人向多式联运经营人提货的凭据。《国际多式联运规则》规定，在所适用法律的允许下，多式联运单证可以由电子数据交换信息取代[4]。区块链汇集了智能合约、P2P网络、时间戳、非对称加密等多种技术手段，具有强大的功能，为多式联运单证数字化升级提供了技术支撑，如表1所示。

表1 实现多式联运单证功能所需的区块链技术

智能合约是一段部署在区块链上的计算机程序，通常具有合约值和合约状态两个属性，当数据或事件被传入后，通过预置的规则来自动执行操作，改变后的合约值和合约状态会被记录到区块链上[5]。多式联运单证各项功能的实现都需要用到智能合约。

在区块链的链式数据结构中，每一个数据区块包含区块头和区块体两部分，区块头中内置了时间戳。时间戳用于记录数据区块生成的时间信息，有助于防止记录在区块链上的信息被篡改，可用于多式联运数字化单证的信息溯源场景。

区块链底层平台通常会采用非对称加密算法，非对称加密中的密钥由一对公钥和私钥组成，经过公钥加密的信息只能用相应的私钥解密，由私钥加密的信息只能被同对的公钥打开。非对称加密可用于多式联运数字化单证需要数字签名的场景[6]，如发货人办理托运业务、监管单位授权、收货人签收货物等。

区块链底层平台采用节点地位对等、拓扑结构扁平的P2P网络进行组网。每一笔已签署的交易都会被用户节点广播至它的单跳对等节点，收到这笔交易的目标节点会进行有效性验证，验证通过后再继续转发，直至实现交易的全网传播[7]。P2P网络可以帮助多式联运实现去中心化，发货人和收货人不必再通过银行进行物权转让和现金交易，有利于降低中间成本、提高交易效率。

2 多式联运数字化单证

2.1 单证内容

目前，国内缺乏统一的多式联运单证，在不同单证中存在许多重复填制的内容；国际上采用的多式联运单证中部分信息需要自定义，不利于多式联运信息的标准化建设。相关研究大多围绕“铁-水”联运或“公-铁-水”联运开展，没有考虑快速发展的航空运输。

多式联运数字化单证的主要内容由航空、公路、铁路和水路四种运输方式所涉及的单证整合而成。四种运输方式涉及的主要单证如表2所示。此外，在跨境运输中还会涉及海关部门的单证，如进口货物报关单、出口货物报关单等。

表2 航空、公路、铁路和水路运输涉及的单证

汇总以上单证的内容，删去功能重复的部分，然后按信息来源将剩余部分划分为发货人信息、收货人信息、货物信息、承运信息和监管信息，如表3所示，它们构成了多式联运数字化单证的主要内容。

表3 数字化单证内容

续表3

2.2 用户功能

多式联运数字化单证的用户功能由传统多式联运单证的业务需求转化而成。按所承担任务的性质，多式联运参与主体可以被划分为客户、监管和承运三类用户。在数字化单证背景下的多式联运中，客户类用户在使用数字化单证时，需要通过签名的形式来签收货物；监管类用户为履行自己的部门职责，需要在检查通过后进行授权操作；承运类用户在承接业务时需要完成信息的初始录入工作，并且在完成每一阶段的运输工作后进行签注，以实现多式联运状态的更新。此外，这三类用户都有查询货物信息和运输状态的需求。以上用户需求可转化为签收、授权、录入、签注和查询等多式联运数字化单证的功能需求，如表4所示。

表4 多式联运数字化单证用户和功能

2.3 系统架构

多式联运数字化单证的系统架构由物理层、平台层、合约层和应用层等四层组成，如图1所示。其中，物理层包括参与多式联运的客户、监管和承运三类主体节点；平台层则封装了时间戳、P2P网络、加密算法、共识算法等区块链技术模块；合约层封装了主合约和工具合约；应用层包括信息录入、查询、授权、签注和签收等功能模块。

图1 多式联运数字化单证系统架构

2.4 应用流程

结合区块链技术的分布式网络特点，建立了多式联运数字化单证的应用流程。在多式联运发展的理想状态[8]下，多式联运经营人不必再多次充当托运人和收货人来衔接各运输分段，只需要在起运地和目的地开展对接工作，途中运输方式的切换工作由各分段承运人直接完成。

多式联运数字化单证的应用流程如图2所示。

图2 多式联运数字化单证应用流程

(1) 发货人在起运地多式联运经营人处办理托运业务，提交业务所需信息；

(2) 多式联运经营人对客户订单进行预审，满足条件后向监管单位申报查验；

(3) 监管单位对货运业务开展逐项检查，对符合要求的予以授权放行；

(4) 多式联运经营人对接分段承运人1开始货物运输；

(5) 各分段承运人依次开展运输业务；

(6) 最后一个分段承运人n将货物运抵目的地；

(7) 目的地多式联运经营人对订单进行复查，然后向收货人交付。

3 实验方法与结果

以太坊(Ethereum)是一个开源的公共区块链平台，它内置了支持图灵完备脚本语言的以太坊虚拟机(Ethereum Virtual Machine，EVM)，这使得用户可以通过在该平台上创建去中心化应用(Decentralized Application，DApp)来实现各种业务需求。智能合约是DApp中连接前端界面和底层分布式网络的核心部分[6]，可以用来处理信息、传递价值[9]。前文以“业务需求—用户需求—功能需求”的需求转化路径，将“实现传统多式联运单证的功能”的业务需求转化为“实现数字化单证中的功能”的功能需求；这里采用Solidity语言开发智能合约，通过在以太坊的Remix平台上在线实现多式联运数字化单证的各项用户功能来完成验证。

本实验的智能合约包含了主合约和工具合约。主合约是实现多式联运数字化单证中各项功能的核心部分，可分为单证信息和功能函数两个部分。工具合约内存放了辅助智能合约业务方法执行的功能函数，如用于bytes和string数据类型转换的工具。

3.1 定义单证信息

以参与多式联运的主体为对象，选择合适的数据类型逐条定义多式联运单证中的信息。图3定义了客户类和货物类结构体，其中:客户类结构体用于定义发货人和收货人信息，包括姓名、电话、地址和邮编；货物类结构体用于定义办理托运的货物信息，包括编号、唛头、集装箱箱号等。

图3 定义单证信息

3.2 设置功能函数

为了满足多式联运参与主体的录入、查询、授权、签注和签收等功能，在主合约中建立了信息录入、状态更新、状态显示等函数。其中:信息录入函数用于多式联运经营人节点传入客户、货物、运输、监管等各类信息参数；状态更新函数的作用是帮助各参与主体在完成自己的任务阶段后进行多式联运状态更新，应用流程如表5所示。通过调用状态显示函数，可以实现多式联运单证信息和运输状态的查询功能。

表5 状态更新流程

续表5

3.3 实验结果与分析

在以太坊平台成功部署合约后，运行并得到以下结果:

(1) 按照提示输入多式联运单证信息的相应参数，提交后信息成功返回，实现了信息录入功能。图4为输入多式联运经营人、第一分段承运人、发货人和收货人的数据之后返回的结果。

图4 单证信息录入

(2) 调用状态显示函数，返回初始状态码“-10”，说明查询功能正常。

(3) 调用多式联运经营人的签注方法，返回状态码“-1”，说明签注功能正常。

(4) 调用监管单位授权方法，返回状态码“0”，说明授权功能正常。

(5) 再次调用多式联运经营人签注方法，返回状态码“-2”，表示多式联运经营人开始安排运输；调用分段承运人签注方法，返回状态码“1”，表示正在进行第一分段运输；第二次调用分段承运人签注方法，返回状态码“2”，表示正在进行第二分段运输；第三次调用分段承运人签注方法，返回状态码“3”，表示正在进行第三分段运输；调用多式联运经营人签注方法，返回状态码“-3”，表示货物已运抵目的地，等待交付。

(6) 调用收货人签收方法，返回状态码“-20”，说明签收功能正常。

4 结 语

为解决多式联运单证中存在的内容重复填写、制作速度慢、信息共享难等问题，引入区块链技术，在整合航空、公路、铁路和水路四种运输方式单证的基础上构建了多式联运数字化单证。通过以太坊平台进行智能合约实验，实现了多式联运数字化单证的信息录入、查询、授权、签注和签收功能，避免了使用纸质单证时内容重复填写、制作速度慢等问题，可以实现多式联运信息共享，有利于节约物流成本，提高物流效率，促进交通绿色发展。