區(qū)塊鏈賦能智慧港口建設(shè)

侯健錕 莊勇博 史中琨 萬長旭

[摘 ? ?要] 建設(shè)智慧港口已列入我國智能航運(yùn)發(fā)展規(guī)劃。港口運(yùn)營對信息系統(tǒng)的依賴越來越強(qiáng)。物聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能、仿真預(yù)演、智能診斷等先進(jìn)技術(shù)將廣泛應(yīng)用于智慧碼頭建設(shè)。這些先進(jìn)技術(shù)面臨著一個同樣的問題，那就是底層數(shù)據(jù)的真實性和安全性問題。指出當(dāng)前智慧港口建設(shè)面臨的問題。區(qū)塊鏈?zhǔn)且环N互聯(lián)網(wǎng)底層技術(shù)更是是一種具有顛覆性的全新的信任機(jī)制或技術(shù)理念。碼頭作為物流供應(yīng)鏈重要的一環(huán)是在三重底線的前提下，追逐更高的操作效率和更大的增值收益。區(qū)塊鏈技術(shù)可以更好地整合供應(yīng)鏈流（物理流、金融流和信息流），減少物流鏈的認(rèn)證時長和認(rèn)證成本。對區(qū)塊鏈在智慧港口潛在的應(yīng)用場景進(jìn)行了分析。

[關(guān)鍵詞] 區(qū)塊鏈;智慧港口;供應(yīng)鏈;物流;物聯(lián)網(wǎng)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2020. 21. 033

[中圖分類號] F270.7 ? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] ?A ? ? ?[文章編號] ?1673 - 0194（2020）21- 0072- 04

0 ? ? ?引 ? ?言

青島港全自動化集裝箱碼頭（一期）平均裝卸效率達(dá)到36.2自然箱/小時，比國外同類碼頭高50%。數(shù)據(jù)背后是人們在三重底線的前提下，對效率與效益的追求。由此港口運(yùn)營對信息系統(tǒng)的依賴越來越強(qiáng)。然而互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和信息系統(tǒng)是一把雙刃劍，它在帶給企業(yè)便利的同時，也因信息欺詐犯罪問題給企業(yè)的生產(chǎn)管理帶來巨大威脅。2008年的次貸危機(jī)深刻揭露了美國大規(guī)模的金融賬本操縱內(nèi)幕。華爾街的信任騙局帶來全方位的信任危機(jī)[1]。港口物流供應(yīng)鏈尤其需要一個安全可靠的數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)環(huán)境。

1 ? ? ?智慧港口

1.1 ? 智慧港口的定義

智慧港口是以信息物理系統(tǒng)為結(jié)構(gòu)框架，通過高新技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用，使物流供給方和需求方共同融入集疏運(yùn)一體化系統(tǒng);極大提升港口及其相關(guān)物流園區(qū)對信息的綜合處理能力和對相關(guān)資源的優(yōu)化配置能力;智能監(jiān)管、智能服務(wù)、自主裝卸成為其主要呈現(xiàn)形式，并能為現(xiàn)代物流業(yè)提供高安全、高效率和高品質(zhì)服務(wù)的一類新型港口（如圖1所示）。

1.2 ? 智慧港口建設(shè)的目標(biāo)

實現(xiàn)基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的港口物聯(lián)網(wǎng)信息平臺（如圖2所示），是智慧港口建設(shè)的核心。交通部提出智慧港口建設(shè)目標(biāo)是“提升服務(wù)，做大物流，提高效率，增強(qiáng)智能”。從具體操作的層面講：其一，實現(xiàn)港口與船公司，貨主貨代，堆場場站，倉儲等無縫連接;其二，實現(xiàn)與口岸聯(lián)檢監(jiān)管單位的信息互聯(lián)共享;其三，實現(xiàn)業(yè)務(wù)操作的信息化，網(wǎng)絡(luò)化，無紙化，智能化，港區(qū)自動化和管理決策智慧化。智慧港口的實質(zhì)是促進(jìn)改變服務(wù)方式，改變觀念，構(gòu)建新的生態(tài)鏈，打造共贏新格局?？傮w而言智慧港口實現(xiàn)國際貿(mào)易全程服務(wù)網(wǎng)絡(luò)化;實現(xiàn) 國際貿(mào)易全程單證電子化;實現(xiàn)國際貿(mào)易通關(guān)監(jiān)管智能化;實現(xiàn)國際貿(mào)易貨幣結(jié)算電子化;實現(xiàn)國際貿(mào)易合同單據(jù)無紙化。

1.3 ? 智慧港口建設(shè)面臨的若干問題

1.3.1 ? 港口全面感知尚未實現(xiàn)，物流信息基礎(chǔ)架構(gòu)不完善

無法實現(xiàn)云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)與港口運(yùn)輸核心業(yè)務(wù)的深度融合，也無法實現(xiàn)港口運(yùn)輸組織和運(yùn)輸管理的創(chuàng)新。缺少專門保障供應(yīng)鏈信息安全與信息真實性的技術(shù)。港口業(yè)務(wù)主體之間信息技術(shù)能力不一致。

1.3.2 ? 港口金融體系亟待發(fā)展

實現(xiàn)有效的港口供應(yīng)鏈金融服務(wù)體系是智慧港口建設(shè)的亮點。隨著大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)+的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)與金融的結(jié)合已成為大勢所趨。基于貨物流、商流、信息流和資金流四流合一的發(fā)展形勢下，智慧港口發(fā)展模式可以倡導(dǎo)把物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新興科技應(yīng)用于港口供應(yīng)鏈金融業(yè)務(wù)，建立供應(yīng)鏈金融信息平臺，從而發(fā)掘新的經(jīng)濟(jì)增長點。港口供應(yīng)鏈金融是集成港口物流與金融業(yè)務(wù)、為供應(yīng)鏈上的物流企業(yè)、金融機(jī)構(gòu)提供給全過程的商品流通服務(wù)。

1.3.3 ? 信息不共享、不對稱問題嚴(yán)重

缺乏針對供應(yīng)鏈運(yùn)行的有效的動態(tài)性監(jiān)督體系及業(yè)務(wù)主體選擇措施，供應(yīng)鏈信任問題很突出。紙質(zhì)文件不是跟著貨走的，而是通過其他寄送的方式，所以常常貨到了，紙質(zhì)文件還沒到，貨物就只能擱置在港口，不能進(jìn)入下一個運(yùn)輸環(huán)節(jié)，根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示，有1/4的文件都是晚到的。在國際貿(mào)易中減少信息共享和邊界管理方面的摩擦“可能會使國內(nèi)生產(chǎn)總值增長近5%，交易量增加15%”。

1.3.4 ? 手續(xù)繁瑣，效率低、成本高

航運(yùn)供應(yīng)鏈陷入大量中間商紛繁的文件和行政溝通的泥潭之中，比如報關(guān)、保險以及海運(yùn)、公路、鐵路之間的轉(zhuǎn)運(yùn)等等，成本高達(dá)運(yùn)輸總費(fèi)用的20%。根據(jù)聯(lián)合國的一項測算，如果把所有亞太地區(qū)貿(mào)易相關(guān)的文書工作全部電子化，可以節(jié)省44%的時間和31%的成本，同時可以增加一年2 570億美金的出口額。

2 ? ? ?區(qū)塊鏈概述

智慧港口建設(shè)獲取和共享數(shù)據(jù)是實現(xiàn)操作效率提的最重要途徑之一。如何在萬物互聯(lián)的世界去打造一個可信機(jī)制，已是亟待破解的課題。區(qū)塊鏈開啟了萬物互聯(lián)的信任之門。

中本聰在創(chuàng)世區(qū)塊中的備注更像是對舊的金融秩序與信用體系的嘲諷。區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)明是一次嘗試，依賴數(shù)學(xué)和技術(shù)重建信任的實驗，引發(fā)了經(jīng)濟(jì)領(lǐng)域的重大變革，意味著世界金融信用體系的重建，也正在引發(fā)一種社會思潮。學(xué)界有必要從各個角度重新審視和思考區(qū)塊鏈技術(shù)帶來的影響，從而更好地理解這項新技術(shù)，使之更好地為經(jīng)濟(jì)和社會服務(wù)。

2.1 ? 什么是區(qū)塊鏈

區(qū)塊鏈?zhǔn)且粋€數(shù)據(jù)庫，用于存儲網(wǎng)絡(luò)中各方共享的交易。它用作（加密的）信息分類賬。peer-2-peer網(wǎng)絡(luò)使用一致性機(jī)制，確保交易在記錄到分類賬之前是有效的。一方必須通過提供與網(wǎng)絡(luò)中其他方相同的哈希來驗證交易。此哈希是一個特定且唯一的代碼，用于描述包含信息的消息。驗證的信息記錄在塊上。一個塊可以被比作一個容器;每個人都可以從外部看到它，但是只有那些有權(quán)限的人，一個私鑰，才能訪問內(nèi)容。接下來，每個額外的塊按時間順序鏈接到前一個塊。區(qū)塊鏈可以設(shè)計為公共或私有。這決定了誰可以訪問網(wǎng)絡(luò)并接收數(shù)據(jù)。在專用網(wǎng)絡(luò)中，有一個權(quán)限設(shè)置規(guī)則并授予權(quán)限。相比之下，公共網(wǎng)絡(luò)是開放的，規(guī)則是基于共識的。在區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，沒有一個數(shù)據(jù)所有者：每個有權(quán)訪問數(shù)據(jù)的人都是所有者[2]。

2.2 ? 國家對區(qū)塊鏈的重視

中國政府一直在關(guān)注和推動區(qū)塊鏈技術(shù)的發(fā)展和研究，并有望成為全球第一個推出法定數(shù)字貨幣的國家。但依然面臨來自美國的挑戰(zhàn)，比如臉書宣稱將推出Libra數(shù)字貨幣，開啟一場新的全球競爭。2019年全球區(qū)塊鏈企業(yè)發(fā)明專利排行榜TOP 100中阿里巴巴公司以1 005項專利排名全球第一。阿里巴巴公司已經(jīng)利用區(qū)塊鏈技術(shù)落地芝麻信用、雄安房屋租賃溯源、愛心捐贈溯源、信美互助保險溯源等40多個場景，技術(shù)上已經(jīng)能夠支持10億賬戶規(guī)模，實現(xiàn)每秒10萬筆跨鏈信息處理能力。由此可見，企業(yè)創(chuàng)新已經(jīng)是區(qū)塊鏈技術(shù)創(chuàng)新的主要陣地。

2.3 ? 區(qū)塊鏈的核心算法

2.3.1 ? 拜占庭協(xié)定

在一個存在拜占庭節(jié)點的系統(tǒng)達(dá)成一致性、可終止性、有效性的共識被稱為拜占庭協(xié)定[2]。

如果一個算法可以在存在f個拜占庭節(jié)點的情況下正確工作，則稱該算法為f-可適用（f-resilient）。

國王算法（King Algorithm）（f

1：x=本節(jié)點的輸入值;

2：for從第1到第f+1個階段do

3：廣播value（x）

4：if收到value（y）至少n-f次then

5：廣播propose（y）

6：end if

7：if收到propose（z）至少f次then

8：x=z

9： end if

10：設(shè)節(jié)點vi是預(yù)先確定好的第i階段的國王

11：國王vi廣播它當(dāng)前的值ω

12：if接收到propose（x）的次數(shù)嚴(yán)格少于n-f ?then

13：x=ω

14：end if

15：end for

2.3.2 ? 智能合約

一個智能合約是在兩個或多個參與者之間達(dá)成協(xié)定，其實現(xiàn)方式使得區(qū)塊鏈能確保該協(xié)定正確執(zhí)行。

以簡單的微額支付通道（MICropayment channel）（從S到R，容量為c）為例：

1：cs=c，cR=0

2：S和R創(chuàng)建一個2-of-2的多簽名輸出O，其中包含來自S的金額C

3：創(chuàng)建一個結(jié)算交易（Settlement Transaction）tf{[o]，[cs→S，cR→R]}

4：while通道是開放的 and CR

5：交易商品，價值為δ

6：cR=cR+δ

7：cR=cS-δ

8：更新tf，修改其輸出[cS→S，cR→R]tfS

9：對簽名并發(fā)送給R

10：end while

11：R對最后一個tf簽名并將其廣播到網(wǎng)絡(luò)

2.3.3 ? 一致性哈希

一致性哈希算法在是一種特殊的哈希算法，目的是解決分布式緩存的問題[3]。在移除或者添加一個服務(wù)器時，能夠盡可能小地改變已存在的服務(wù)請求與處理請求服務(wù)器之間的映射關(guān)系。

1：采用一組不同的哈希函數(shù)hi，根據(jù)存儲文件的文件x名稱分別計算出一組哈希值hi（m）→[0，1），i=1，…，k

M2：采用同樣一組哈希函數(shù)，根據(jù)每個節(jié)點的唯一名稱（比如IP地址和端口號），分別計算一組哈希值hi（u）→[0，1），i=1，…，k

3：對每一個文件x，若hi（x）≈hi（u），則將其一個副本存放在u上。

具體而言，將文件存放于節(jié)點上，若下面的條件成立：

|hi（x）-hi（u）|={|hi（x）-hi（u）|}，對任意的i

3 ? ? ?區(qū)塊鏈在港口應(yīng)用場景

區(qū)塊鏈“信任”和“安全”的內(nèi)核可以通過多種方式賦能港口數(shù)字化和港口物流。區(qū)塊鏈可以在以下方面讓港口變得更加智慧：增強(qiáng)進(jìn)出口參與者之間的數(shù)據(jù)信任;提高港口的集裝箱操作效率;提升物流數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù);促進(jìn)港口金融交易自動化;實現(xiàn)集裝箱運(yùn)輸軌跡跟蹤等。

3.1 ? 信任機(jī)制

因區(qū)塊鏈?zhǔn)腔诓煌瑓⑴c者的共識，所以區(qū)塊鏈上的信息是可靠的。隨著時間的推移，合作伙伴在區(qū)塊鏈上建立了良好的信譽(yù)。此外，由于信任可以通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)建立，因此不再需要交易第三方的參與。在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中參與者的動機(jī)和目標(biāo)必須明確，參與組織的當(dāng)前信譽(yù)是可見的，并隨著時間的推移而實現(xiàn)信譽(yù)值增長。未來在港口物流中，為了實現(xiàn)信息共享和提高共享效率，區(qū)塊鏈中的參與者必須相互信任。

3.2 ? 過程安全性

從信息安全的角度分析，區(qū)塊鏈的優(yōu)勢主要有：利用高冗余的數(shù)據(jù)庫保障信息的完整性;利用密碼學(xué)的相關(guān)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)驗證，保證不可篡改;運(yùn)用多私鑰進(jìn)行訪問權(quán)限控制[5]。區(qū)塊鏈以其可信任性、安全性和不可篡改性，讓更多數(shù)據(jù)被解放出來，推進(jìn)數(shù)據(jù)的海量增長。

3.3 ? 過程可見性

引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)將提高整個港口供應(yīng)鏈的可見性。對于港口物流而言，這意味著集裝箱或其他貨物全程可跟蹤。此外，提高可見性還可以促進(jìn)不同組織之間的信息交流。通過數(shù)據(jù)共享可顯著改善港口物流現(xiàn)狀。例如，傳統(tǒng)做法是集裝箱只能在已繳費(fèi)并且發(fā)送付款確認(rèn)后才能被放行，而使用區(qū)塊鏈方案可在卸載集裝箱時通過數(shù)據(jù)各方共享，立即執(zhí)行付款、確認(rèn)、放行等操作，整個過程由幾天縮短為幾分鐘，效率大幅提升。

3.4 ? 互信網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展

區(qū)塊鏈可以助推物流互信網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)張和互連。荷蘭鹿特丹港目前通過Portbase相互連接，但有了區(qū)塊鏈后，新的增長極出現(xiàn)了。在區(qū)塊鏈方案下，互信網(wǎng)絡(luò)將變得更加發(fā)散，各方將能夠單獨(dú)連接，而不再需要借助一個“中心”。此外，不同的區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)可以在世界各地相互作用，讓不同的港口以獨(dú)有的方式合作。

4 ? ? ?結(jié) ? ?論

目前，區(qū)塊鏈技術(shù)主要應(yīng)用于利基市場。區(qū)塊鏈的未來將取決于進(jìn)一步的研究和對技術(shù)以及社會和行業(yè)采用能力的更好理解。青島港已提速“智慧港口”建設(shè)，加入航運(yùn)業(yè)首個區(qū)塊鏈聯(lián)盟——全球航運(yùn)商務(wù)網(wǎng)絡(luò)（GSBN）。技術(shù)生命周期模型告訴我們區(qū)塊鏈正處于炒作周期的頂峰。中國區(qū)塊鏈行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新正在經(jīng)歷著一個明顯加速的過程，并且在一些相關(guān)技術(shù)上處于領(lǐng)先地位。通過區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)，可以將各物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備產(chǎn)生的數(shù)據(jù)源上傳到區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行存儲和信息共享，進(jìn)而在更多場景落地?？傊瑓^(qū)塊鏈與人工智能、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的融合將不斷拓展技術(shù)應(yīng)用新空間，進(jìn)一步賦能智慧港口建設(shè)。

主要參考文獻(xiàn)

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[3]巴子言，吳軍，馬嚴(yán). 基于虛節(jié)點的一致性哈希算法的優(yōu)化[J].軟件，2014，35（12）：26-29.

[4]鄧銘巍，歐嵬，楊杰.幾種典型區(qū)塊鏈共識機(jī)制的安全性分析 [J].計算機(jī)與現(xiàn)代化，2020（6）：34-39.