区块链赋能智慧港口建设

侯健锟 庄勇博 史中琨 万长旭

[摘    要] 建设智慧港口已列入我国智能航运发展规划。港口运营对信息系统的依赖越来越强。物联网、云计算、大数据、人工智能、仿真预演、智能诊断等先进技术将广泛应用于智慧码头建设。这些先进技术面临着一个同样的问题，那就是底层数据的真实性和安全性问题。指出当前智慧港口建设面临的问题。区块链是一种互联网底层技术更是是一种具有颠覆性的全新的信任机制或技术理念。码头作为物流供应链重要的一环是在三重底线的前提下，追逐更高的操作效率和更大的增值收益。区块链技术可以更好地整合供应链流（物理流、金融流和信息流），减少物流链的认证时长和认证成本。对区块链在智慧港口潜在的应用场景进行了分析。

[关键词] 区块链;智慧港口;供应链;物流;物联网

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

[中图分类号] F270.7    [文献标识码]  A      [文章编号]  1673 - 0194（2020）21- 0072- 04

0      引    言

青岛港全自动化集装箱码头（一期）平均装卸效率达到36.2自然箱/小时，比国外同类码头高50%。数据背后是人们在三重底线的前提下，对效率与效益的追求。由此港口运营对信息系统的依赖越来越强。然而互联网络和信息系统是一把双刃剑，它在带给企业便利的同时，也因信息欺诈犯罪问题给企业的生产管理带来巨大威胁。2008年的次贷危机深刻揭露了美国大规模的金融账本操纵内幕。华尔街的信任骗局带来全方位的信任危机[1]。港口物流供应链尤其需要一个安全可靠的数据流转环境。

1      智慧港口

1.1   智慧港口的定义

智慧港口是以信息物理系统为结构框架，通过高新技术的创新应用，使物流供给方和需求方共同融入集疏运一体化系统;极大提升港口及其相关物流园区对信息的综合处理能力和对相关资源的优化配置能力;智能监管、智能服务、自主装卸成为其主要呈现形式，并能为现代物流业提供高安全、高效率和高品质服务的一类新型港口（如图1所示）。

1.2   智慧港口建设的目标

实现基于数据驱动的港口物联网信息平台（如图2所示），是智慧港口建设的核心。交通部提出智慧港口建设目标是“提升服务，做大物流，提高效率，增强智能”。从具体操作的层面讲：其一，实现港口与船公司，货主货代，堆场场站，仓储等无缝连接;其二，实现与口岸联检监管单位的信息互联共享;其三，实现业务操作的信息化，网络化，无纸化，智能化，港区自动化和管理决策智慧化。智慧港口的实质是促进改变服务方式，改变观念，构建新的生态链，打造共赢新格局。总体而言智慧港口实现国际贸易全程服务网络化;实现 国际贸易全程单证电子化;实现国际贸易通关监管智能化;实现国际贸易货币结算电子化;实现国际贸易合同单据无纸化。

1.3   智慧港口建设面临的若干问题

1.3.1   港口全面感知尚未实现，物流信息基础架构不完善

无法实现云计算、大数据、物联网、移动互联网等新一代信息技术与港口运输核心业务的深度融合，也无法实现港口运输组织和运输管理的创新。缺少专门保障供应链信息安全与信息真实性的技术。港口业务主体之间信息技术能力不一致。

1.3.2   港口金融体系亟待发展

实现有效的港口供应链金融服务体系是智慧港口建设的亮点。随着大数据、互联网+的发展，产业互联网与金融的结合已成为大势所趋。基于货物流、商流、信息流和资金流四流合一的发展形势下，智慧港口发展模式可以倡导把物联网、云计算等新兴科技应用于港口供应链金融业务，建立供应链金融信息平台，从而发掘新的经济增长点。港口供应链金融是集成港口物流与金融业务、为供应链上的物流企业、金融机构提供给全过程的商品流通服务。

1.3.3   信息不共享、不对称问题严重

缺乏针对供应链运行的有效的动态性监督体系及业务主体选择措施，供应链信任问题很突出。纸质文件不是跟着货走的，而是通过其他寄送的方式，所以常常货到了，纸质文件还没到，货物就只能搁置在港口，不能进入下一个运输环节，根据调查数据显示，有1/4的文件都是晚到的。在国际贸易中减少信息共享和边界管理方面的摩擦“可能会使国内生产总值增长近5%，交易量增加15%”。

1.3.4   手续繁琐，效率低、成本高

航运供应链陷入大量中间商纷繁的文件和行政沟通的泥潭之中，比如报关、保险以及海运、公路、铁路之间的转运等等，成本高达运输总费用的20%。根据联合国的一项测算，如果把所有亚太地区贸易相关的文书工作全部电子化，可以节省44%的时间和31%的成本，同时可以增加一年2 570亿美金的出口额。

2      区块链概述

智慧港口建设获取和共享数据是实现操作效率提的最重要途径之一。如何在萬物互联的世界去打造一个可信机制，已是亟待破解的课题。区块链开启了万物互联的信任之门。

中本聪在创世区块中的备注更像是对旧的金融秩序与信用体系的嘲讽。区块链技术的发明是一次尝试，依赖数学和技术重建信任的实验，引发了经济领域的重大变革，意味着世界金融信用体系的重建，也正在引发一种社会思潮。学界有必要从各个角度重新审视和思考区块链技术带来的影响，从而更好地理解这项新技术，使之更好地为经济和社会服务。

2.1   什么是区块链

区块链是一个数据库，用于存储网络中各方共享的交易。它用作（加密的）信息分类账。peer-2-peer网络使用一致性机制，确保交易在记录到分类账之前是有效的。一方必须通过提供与网络中其他方相同的哈希来验证交易。此哈希是一个特定且唯一的代码，用于描述包含信息的消息。验证的信息记录在块上。一个块可以被比作一个容器;每个人都可以从外部看到它，但是只有那些有權限的人，一个私钥，才能访问内容。接下来，每个额外的块按时间顺序链接到前一个块。区块链可以设计为公共或私有。这决定了谁可以访问网络并接收数据。在专用网络中，有一个权限设置规则并授予权限。相比之下，公共网络是开放的，规则是基于共识的。在区块链系统中，没有一个数据所有者：每个有权访问数据的人都是所有者[2]。

2.2   国家对区块链的重视

中国政府一直在关注和推动区块链技术的发展和研究，并有望成为全球第一个推出法定数字货币的国家。但依然面临来自美国的挑战，比如脸书宣称将推出Libra数字货币，开启一场新的全球竞争。2019年全球区块链企业发明专利排行榜TOP 100中阿里巴巴公司以1 005项专利排名全球第一。阿里巴巴公司已经利用区块链技术落地芝麻信用、雄安房屋租赁溯源、爱心捐赠溯源、信美互助保险溯源等40多个场景，技术上已经能够支持10亿账户规模，实现每秒10万笔跨链信息处理能力。由此可见，企业创新已经是区块链技术创新的主要阵地。

2.3   区块链的核心算法

2.3.1   拜占庭协定

在一个存在拜占庭节点的系统达成一致性、可终止性、有效性的共识被称为拜占庭协定[2]。

如果一个算法可以在存在f个拜占庭节点的情况下正确工作，则称该算法为f-可适用（f-resilient）。

国王算法（King Algorithm）（f

1：x=本节点的输入值;

2：for从第1到第f+1个阶段do

3：广播value（x）

4：if收到value（y）至少n-f次then

5：广播propose（y）

6：end if

7：if收到propose（z）至少f次then

8：x=z

9： end if

10：设节点vi是预先确定好的第i阶段的国王

11：国王vi广播它当前的值ω

12：if接收到propose（x）的次数严格少于n-f  then

13：x=ω

14：end if

15：end for

2.3.2   智能合约

一个智能合约是在两个或多个参与者之间达成协定，其实现方式使得区块链能确保该协定正确执行。

以简单的微额支付通道（MICropayment channel）（从S到R，容量为c）为例：

1：cs=c，cR=0

2：S和R创建一个2-of-2的多签名输出O，其中包含来自S的金额C

3：创建一个结算交易（Settlement Transaction）tf{[o]，[cs→S，cR→R]}

4：while通道是开放的 and CR

5：交易商品，价值为δ

6：cR=cR+δ

7：cR=cS-δ

8：更新tf，修改其输出[cS→S，cR→R]tfS

9：对签名并发送给R

10：end while

11：R对最后一个tf签名并将其广播到网络

2.3.3   一致性哈希

一致性哈希算法在是一种特殊的哈希算法，目的是解决分布式缓存的问题[3]。在移除或者添加一个服务器时，能够尽可能小地改变已存在的服务请求与处理请求服务器之间的映射关系。

1：采用一组不同的哈希函数hi，根据存储文件的文件x名称分别计算出一组哈希值hi（m）→[0，1），i=1，…，k

M2：采用同样一组哈希函数，根据每个节点的唯一名称（比如IP地址和端口号），分别计算一组哈希值hi（u）→[0，1），i=1，…，k

3：对每一个文件x，若hi（x）≈hi（u），则将其一个副本存放在u上。

具体而言，将文件存放于节点上，若下面的条件成立：

|hi（x）-hi（u）|={|hi（x）-hi（u）|}，对任意的i

3      区块链在港口应用场景

区块链“信任”和“安全”的内核可以通过多种方式赋能港口数字化和港口物流。区块链可以在以下方面让港口变得更加智慧：增强进出口参与者之间的数据信任;提高港口的集装箱操作效率;提升物流数据网络安全系数;促进港口金融交易自动化;实现集装箱运输轨迹跟踪等。

3.1   信任机制

因区块链是基于不同参与者的共识，所以区块链上的信息是可靠的。随着时间的推移，合作伙伴在区块链上建立了良好的信誉。此外，由于信任可以通过区块链网络建立，因此不再需要交易第三方的参与。在区块链网络中参与者的动机和目标必须明确，参与组织的当前信誉是可见的，并随着时间的推移而实现信誉值增长。未来在港口物流中，为了实现信息共享和提高共享效率，区块链中的参与者必须相互信任。

3.2   过程安全性

从信息安全的角度分析，区块链的优势主要有：利用高冗余的数据库保障信息的完整性;利用密码学的相关原理进行数据验证，保证不可篡改;运用多私钥进行访问权限控制[5]。区块链以其可信任性、安全性和不可篡改性，让更多数据被解放出来，推进数据的海量增长。

3.3   过程可见性

引入区块链技术将提高整个港口供应链的可见性。对于港口物流而言，这意味着集装箱或其他货物全程可跟踪。此外，提高可见性还可以促进不同组织之间的信息交流。通过数据共享可显著改善港口物流现状。例如，传统做法是集装箱只能在已缴费并且发送付款确认后才能被放行，而使用区块链方案可在卸载集装箱时通过数据各方共享，立即执行付款、确认、放行等操作，整个过程由几天缩短为几分钟，效率大幅提升。

3.4   互信网络扩展

区块链可以助推物流互信网络的扩张和互连。荷兰鹿特丹港目前通过Portbase相互连接，但有了区块链后，新的增长极出现了。在区块链方案下，互信网络将变得更加发散，各方将能够单独连接，而不再需要借助一个“中心”。此外，不同的区块链网络可以在世界各地相互作用，让不同的港口以独有的方式合作。

4      结    论

目前，区块链技术主要应用于利基市场。区块链的未来将取决于进一步的研究和对技术以及社会和行业采用能力的更好理解。青岛港已提速“智慧港口”建设，加入航运业首个区块链联盟——全球航运商务网络（GSBN）。技术生命周期模型告诉我们区块链正处于炒作周期的顶峰。中国区块链行业的技术创新正在经历着一个明显加速的过程，并且在一些相关技术上处于领先地位。通过区块链网络，可以将各物联网设备产生的数据源上传到区块链网络中进行存储和信息共享，进而在更多场景落地。总之，区块链与人工智能、物联网等新技术的融合将不断拓展技术应用新空间，进一步赋能智慧港口建设。

主要参考文献

[1]Paul Vigna，Michael J Casey.The Truth Machine：the Blockchain and the Future of Everything[M].NewYork，NY：St Martins Press，2018.

[2][瑞士]Roger Wattenhofer.區块链核心算法解析[M].陈晋川，译.北京：电子工业出版社，2017.

[3]巴子言，吴军，马严. 基于虚节点的一致性哈希算法的优化[J].软件，2014，35（12）：26-29.

[4]邓铭巍，欧嵬，杨杰.几种典型区块链共识机制的安全性分析 [J].计算机与现代化，2020（6）：34-39.