基于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的航運物流數據管理的研究與應用

劉應 范洪博 馬首群

摘 要：隨著國際貿易和全球化的發(fā)展，在以全球伙伴關系為特征的世界中，全球航運物流變得越來越重要。目前區(qū)塊鏈已成為許多現(xiàn)代甚至未來應用程序中最具吸引力的技術之一，區(qū)塊鏈扮演著特殊的角色，因為它有可能緩解航運中物流管理問題，提供了在全球范圍內實現(xiàn)安全無摩擦交易的新方法。本文對區(qū)塊鏈作用于航運物流進行研究，通過Fabric聯(lián)盟區(qū)塊鏈對航運物流業(yè)務場景設計了航運物流區(qū)塊鏈系統(tǒng)結構，其區(qū)塊鏈可提供準入機制進行航運物流部門參與者認證，并對其航運大量的數據影響區(qū)塊鏈的性能進行了基于Merkle Tree查詢物流數據的性能優(yōu)化，對進一步區(qū)塊鏈與航運業(yè)相結合提供借鑒和參考。

關鍵詞：Fabric區(qū)塊鏈;航運物流;Merkle Tree;準入機制

中圖分類號：U64? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）03-0053-03

1 引言

目前來說，對于航運物流管理是各個流通航運部門數據管理的核心，它將計劃、采購、銷售及物質的調度和庫存管理結合起來。國際航運業(yè)承擔著國際貨物貿易90%以上的運輸量，也就是相當于目前全球貿易價值的70%左右，在目前的國家經濟發(fā)展中起著至關重要的作用，也是對于航運處于戰(zhàn)略性的一個地位目前也更加的鞏固[1]，伴隨著目前航運物流技術的快速發(fā)展， 航運在全球化的貿易運輸中的地位就顯得尤為突出， 其航運物流信息的管理更顯重要[2]。

區(qū)塊鏈技術已逐漸應用于海上運輸供應鏈的全球航運物流中，隨著水上交通日益繁忙，以通過海上運輸記錄的數字化來提高效率，包括實時跟蹤貨物狀況，提高全球供應鏈的知名度以及減少海關清關時間以及成本和風險。區(qū)塊鏈技術的屬性非常適合大型的不同合作伙伴網絡，區(qū)塊鏈為網絡內發(fā)生的所有交易建立共享的，不變的記錄，并允許被許可方實時訪問安全數據。2020年中央一號文件指出，加快區(qū)塊鏈與現(xiàn)代信息技術融合的應用，區(qū)塊鏈作為一種去中心化，共享，加密的存儲庫[3]，不易受到數據庫的更改和破壞影響，保留了整個區(qū)塊鏈的副本，為協(xié)作商務提供了基礎[4]，其特點恰好契合了上述航運物流業(yè)所面臨的問題[5]，通過啟用參與者之間的同時共識審核，簡化了每個階段的決策流程，并可以進行實時數據優(yōu)化，從而提高了整個供應鏈航運物流的信任度。

本文通過對目前的航運物流信息管理的研究并結合目前的區(qū)塊鏈技術，通過Fabric聯(lián)盟區(qū)塊鏈技術進行應用設計，促進了航運物流數據的有效管理以及不可篡改，消除航運物流中的中介危機，供第三方或者其他部門進行數據監(jiān)督以及查詢追溯。

2 傳統(tǒng)航運物流數據管理模式

全球航運供應鏈中各個參與者的信息系統(tǒng)和操作程序通常是不同和不兼容的，他們中的許多人的業(yè)務流程都是基于紙面效益的，這增加了總成本以及進口商，出口商和運輸公司的延誤。而港口來說是一種特殊的基礎設施，通常在一定時間內會給私人運營商讓步，對于不同的物流參與者或者參與部門可能有許多相互的利益競爭關系[6]，其成本高而且利潤率低，許多較小的集裝箱運輸公司要么放棄了業(yè)務進行合并，或在過去十年中被較大的公司收購，其中就有很大一部分是通過貨運代理公司，負責海關通關，海陸之間的中轉以及程序和后勤事宜。除了官方的延誤之外，較為繁瑣的程序以及數字和紙質的各種表格的組合也增加了全球供應鏈效率低下的問題。

3 區(qū)塊鏈在航運物流中的優(yōu)勢

當前，航運物流不僅是市場經濟的擴展和延伸，其運作和發(fā)展還取決于市場廣闊的經濟環(huán)境和各行業(yè)提供的運輸條件[7-8]，用區(qū)塊鏈技術來以安全、可信任以及透明的方式來記錄航運運輸數據，任何人不能刪除或者隨意修改賬本數據，其所有的操作記錄將會被記錄在區(qū)塊鏈上。從而有效地消除中介機構，以節(jié)省時間和成本。區(qū)塊鏈的核心功能在于對非中介的支持并在線提供一致的實時信息可以幫助節(jié)省大量時間和金錢。由于許多貨運代理通常按總成本的一定百分比收取費用，因此他們有增加而不是去減少總的成本。

區(qū)塊鏈可以幫助消除不必要的步驟處理并展現(xiàn)可能導致不必要的成本和延誤的實體和步驟，區(qū)塊鏈網絡對于航運公司管理物流運輸方面有很大的作用，其航運物流所有信息都經過加密，因此增加了安全性[9]。任何用戶未經授權許可不能干擾系統(tǒng)并更改任何信息，因此可以防止欺詐性活動和操縱。對于運輸，合同，提貨單，跟蹤單號，所有這些都可以作為共享且安全的加密公共分類帳而存在，不受任何一個組織或者實體的控制。由于無法修改，因此數據很容易驗證。它將為合同文件進行背書提供清晰的監(jiān)管條件，且借助區(qū)塊鏈，可在每個步驟中跟蹤貨物或包裹的擁有情況，從而有助于消除有關監(jiān)管鏈的任何問題。

另一方面，航運物流數據所有信息都存儲在一個可以由各方使用必要的訪問密鑰查看的位置，從而提供了一種有效的方式來實時銜接客戶，承運人，訂單和付款。這使從供應商到最終消費者的每個人都更容易跟蹤他們的貨物在哪里以及何時到達。

4 基于Fabric航運物流管理應用

4.1 Fabric作用于物流管理分析

Hyperledger Fabric是面向公司的領先的開源和通用聯(lián)盟鏈結構，其在計算速度方面極為強大[5]，在一定范圍內可以有效滿足航運物流數據處理的性能要求，如下圖1所示，每個塊的頭部包含兩個散列數據串且包含多個事物，每個交易都包含了操作過程的完整信息，包含加密、請求、簽名等，保障了航運物流數據的不可篡改性。

4.2 Merkle樹查詢優(yōu)化設計

航運數據涉及很多部門，數據量大，鑒于聯(lián)盟區(qū)塊鏈的特性以及目前的吞吐率，在航運物流大數據生產環(huán)境中數據交互依靠自有的CouchDB較慢，以及進口數據和出口物流數據中包含合同文件，各種作業(yè)表、倉單等文件類數據不能直接存入區(qū)塊鏈中，基于此瓶頸，如下圖2所示。

圖2中設計了文件數據和字符類數據通過Merkle Tree進行處理，將上鏈后的數據進行Merkle Tree計算，將計算完后的數據存入數據庫，其Merkle Root存儲區(qū)塊鏈網絡，當用戶或者參與者發(fā)起查詢時，系統(tǒng)會自動計算數據庫內的Merkle Tree，然后計算出的Merkle Root和區(qū)塊鏈中的Merkle Root進行比對，如果比對成功，則航運物流數據未被篡改，否則數據被篡改。

4.3 區(qū)塊鏈在航運物流結構設計

在航運物流系統(tǒng)中，如下圖3所示，參與部門通過準入機制，系統(tǒng)工作由航運物流各方共同參與。其參與者通過客戶端應用程序或SDK注冊，并通過成員資格服務提供商（MSP）向證書頒發(fā)機構請求注冊證書。然后，證書頒發(fā)機構使用新的ID頒發(fā)證書和私鑰以注冊參與者。所有交易均在Hyperledger Fabric區(qū)塊鏈網絡上進行分配。參與者在系統(tǒng)中具有不同的角色，并且只能訪問已被授予訪問權限的記錄，相關節(jié)點方可以使用客戶端的應用程序添加更新查看航運物流記錄。

客戶端的應用程序調用將產生的交易提交到Fabric網絡后，更新的賬本信息將通過網絡進行排序背書分配，這樣可以確保將網絡上的每個事務分配給系統(tǒng)中的每個參與方，且確保了每個更新的賬本交易信息都不能被未經授權的參與方創(chuàng)建、修改、查詢、刪除等操作，物流數據信息使用時間戳添加到先前的哈希中。

由于航運這種大量數據的存儲以及查詢，可以采用三方數據庫作為存儲和交互，并用Merkle Tree算法來保持區(qū)塊鏈數據的不可篡改性，經過數據庫生成的Merkle Root和區(qū)塊鏈上的Merkle Root比對校驗后，用戶或者參與者可進行實時的查詢航運物流信息和物流狀態(tài)。

5 總結

本文通過對目前的航運物流進行數據信息管理和分析，結合目前國家新基建區(qū)塊鏈技術進行航運物流的結合進行研究，并對其進行了基本的結構設計以及查詢性能優(yōu)化，促進了區(qū)塊鏈與航運物流的有效結合，由于全球貿易和航運物流領域的范圍很廣，需要多個組織、政府和監(jiān)管機構進行多邊協(xié)調和組織管理，區(qū)塊鏈技術在航運物流領域中的擴散為解決行業(yè)痛點提供了新的思路，將區(qū)塊鏈應用到航運物流中，進一步加快了航運物流智能化的進程，改變了傳統(tǒng)的航運物流運作模式，為后續(xù)的智能航運物流系統(tǒng)提供了新的解決思路，具有很強的現(xiàn)實意義。

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