研究集装箱多式联运的区块链网络化模式

摘 要：集装箱多式联运的发展对当下倡导的低碳物流有着重要影响，传统集装箱多式联运模式存在诸多影响集装箱运输效率的问题，不符合当下低碳物流提效降本的发展策略。对现有联运模式存在的问题进行了分析，结合区块链网络技术特点，提出了针对这些问题的区块链技术解决思路，构建了基于Fabric联盟链框架的新型联运模式架构，并讨论了该架构的运行模式及其优势，可为集装箱多式联运的区块链网络化模式的最终实现提供参考。

关键词：集装箱、多式联运、Fabric、区块链、网络架构

一、引言

为响应国家大力推行的节能减排相关政策，各行业开始积极探索低碳发展模式。物流行业作为碳排放的重要组成部分[1]，应当大力践行低碳物流的发展理念。低碳物流发展模式的探索将对实现碳减排目标提供重要帮助。集装箱多式联运（Container Multimodal Transport）是指通过多种运输方式联合运输的形式完成集装箱货物的整个物流运输过程，以下简称为CMT。CMT对物流运输的降本增效以及节能减排有着显著作用，但传统的CMT模式存在各联运经营部门信息共享程度不足、各运输公司运输标准和规则不统一以及铁路运输的高度集权化等影响集装箱货物运输效率的问题[2]。

针对传统CMT模式存在的相关问题，柳培学等人在国家”公转铁、公转水”运输结构调整的背景下，利用Dijkstra标号算法对实现碳排放和运输费用最小化的运输路径进行了研究[3]。齐颖秀等人针对集装箱海铁联运存在的缺乏服务统筹协调和运输标准和规范不一致等问题，从设计集装箱海铁联运全程物流服务方案和构建集装箱海铁联运沟通协调机制等方面提出了我国集装箱海铁联运的发展对策[4]。赵莹等人结合国外多式联运标准，提出了我国多式联运标准体系的构建思路，并构建了多式联运标准体系的框架图[5]。诸葛恒英等人针对我国集装箱单证体系不一致问题，对我国CMT运单统一架构及其推广应用策略进行了研究，并对相关联运规则的制定和标准的出台进行了分析[6]。刘清等人从运输成本、运输时间、运输风险和碳排放等方面因素，对长江干线的CMT路径优化模型进行了研究，得出了符合绿色低碳运输要求的联运最优方案计算模型[7]。李鑫针对传统CMT模式存在的信息共享困难等问题，基于CMT的关联方和业务流程构建了CMT的EDI系统，利用该系统解决了集装箱业务流程中的信息共享问题和相关决策问题[8]。

如上所列，当前关于CMT的研究多为针对CMT流程中诸多问题中的某一问题或者是为达某优化目标的联运路径优化问题，缺少从整个CMT模式架构的角度出发解决传统CMT模式存在的问题的研究方案。文中主要讨论CMT的区块链网络化模式，通过引入区块链网络并对CMT所涉及的相关数据进行上链，并构建基于区块链的CMT框架用以对传统CMT模式所存在的诸多问题提供解决的参考。文中首先对传统CMT模式存在的问题以及问题的成因进行分析；然后介绍了Fabric网络模型的相关技术及其特性；接着提出了传统CMT模式所存在问题的Fabric联盟链解决方案；最后对基于Fabric联盟链的CMT架构进行了设计，并阐述了该架构的运行模式及评价。

二、传统CMT架构业务流程及缺陷分析

1. 业务流程分析

如图1所示的联运流程中单向箭头代表该部门向指向的部门提供了对应的服务，双向箭头代表部门之间的业务往来。其中发货人需要向货代发起货运需求申报货物类型、货物量、货物收发地址、收货人等信息，并完成与收货人之间的货物验收和金融业务；而货代则需向发货人提供集装箱货物运输的代理服务并与发货人完成运输合同的签订，还需向发货人反馈货物运输的相关状态信息；辅助服务由金融机构、检验部门和保险公司等部门组成，需要向联运流程涉及的其他部门提供对应的金融、检验和保险等服务；堆存服务由各大港口、堆场、内陆无水港、集装箱中心站、物流园区以及仓库组成，需要向货代、收货人和运输公司等部门提供货物或集装箱的堆存服务；运输服务主要由各船运公司、路运公司和铁路公司提供，其主要向货代提供需要的运输服务；各种类型的联运中心则主要向货代和运输公司提供集装箱货物的转运服务，包括货物的装卸和过检等。可见传统CMT的联运流程中的业务信息传递以隔离式的单点传输形式为主。

2. 传统CMT模式中存在的不足

通过以上流程分析结合相关资料查阅，传统CMT架构主要存在三方面的问题。首先，各部门信息共享程度不足，由于CMT过程中涉及的众多企业均为不同的利益主体，为保护自身的利益和网络安全，对运输过程中涉及的相关信息的共享程度不够导致部分工作必须重复进行；其次，运输标准和规则不统一，在联运过程中各个部门运输标准和规则的不统一严重影响了CMT的效率。比如各部门开据单证标准的不统一导致在CMT的过程中需要开据联运单据约44张，过境单证22张之多[2]；最后，铁路运输高度集权化的管理模式，我国铁路运输还保留着政企一体的管理模式[8]，长期的独立经营方式使其很难融入其他运输体系，加上其高度集权的管理模式导致铁路运输的定价机制存在滞后性和缺乏灵活性。

三、Fabric联盟链网络模型及技术特性分析

区块链网络的数据存储方式具有去中心化[9]、不可篡改、去信任化、可溯源、多方维护以及公开透明等特点，区块链网络根据准入机制的不同分为公有链、联盟链和私有链[10-14]。文中所研究的CMT架构由运输过程中涉及的运输服务需求方、运输服务提供方以及运输辅助服务提供方等相关企业，通过运输流程中的业务逻辑的联系所构成，它实质上是集装箱运输流程中涉及的众多企业所构成的联合网络。所以根据其企业间所具备的复杂的物流业务关系，文中采用Fabric联盟链框架作为新的CMT架构的底层支持，以下将介绍该联盟链框架的相关技术特性以及运行模式。

1. Fabric联盟链的架构模型及节点构成

Fabric的区块链网络由众多子网构成，每个子网都有一条独立的区块链用于处理对应的企业间业务。业务子网的搭建使得隐私信息的共享只发生在子网内部，相比于传统的公有链模式和其他基于公网模式的联盟链，Fabric框架具有更好的隐私保护属性。这使其在应用到CMT的区块链网络搭建时能够解决运输过程中信息共享和信息安全之间的矛盾。

如图2所示Fabric联盟链网络由负责发起交易的客户端、证书发放中心（CA）、负责验证节点证书信息的节点身份验证系统（MSP）、对等节点（Peer）（由背书节点和提交节点组成，背书节点负责交易的签名背书和链码执行，提交节点负责交易的验证和区块的更新）、负责执行共识排序的排序服务节点（Orderer）组成，图中用该类型节点的首字母代表该节点，每个外层节点闭环代表一个Channel子网区块链，内层Orderer共同构成联盟链的排序服务。可见Fabric联盟链中的每个子网都包含完整的节点类型，每个企业可以有多个节点参与联盟链，每个节点可以参与不同的子网，由这些关系相互交错的子网组成整个Fabric的区块链联盟。

2. Fabric的共识机制、智能合约、多通道机制

（1）Raft排序服务

Fabric采用基于Raft的排序服务，Raft模型是由参与联盟链中的企业或组织贡献的排序服务节点（Orderer）来组成相应联盟链子网的排序服务，他比基于Kafka的排序服务更适合用于构建大型联盟链网络，并且其不依赖外部系统，Orderer之间的通信通过创建协程来完成，较大保留了区块链的去中心化属性。

（2）智能合约（chaincode）

在Fabric中，一个chaincode包含多个传统概念的智能合约，chaincode被安装在背书节点上并运行于JVM或Node JS中。当客户端向背书节点发送交易信息时，背书节点会执行交易中提及的智能合约，并将执行结果连同签名背书生成背书响应并返回给客户端[15]。

（3）多通道机制（channel）

Fabric运用channel机制建立不同集装箱运行流程的信息隔离[16]，每条区块链子网对应一个channel，每个channel拥有独立的区块链，通过这种信息的隔离机制，可以保证子网在链内信息共享的同时增强对链外的信息安全保护，可以用于解决CMT中信息共享的矛盾。

3. Fabric的交易处理流程

如图3所示当构建于Fabric框架上的联盟链开始运行时，首先由客户端向背书节点发起交易请求，背书节点对交易进行签名背书，并执行交易中涉及的智能合约，然后将执行结果生成背书响应返回给客户端，再由客户端将执行结果发送到排序服务节点，由排序服务节点对交易进行共识排序打包进区块并发送到提交节点，最后由提交节点完成交易的验证和区块的更新。

四、基于区块链的CMT架构设计

1. 架构组成

CMT的区块链网络化模型架构的组成如表1所示，表中列出了关于整个架构的数据层、网络层、共识层、合约层以及应用层的具体组成及其简要说明，下面将对各层业务涉及的信息及其流程进行详细介绍：

（1）数据层

联运经营主体信息包括发货人、货代、银行、运输公司、联运中心、堆存中心、收货人等部门的节点注册信息以及部门内部的基本情况等信息；集装箱信息由具有堆场业务的部门的对应节点进行上链，主要包括堆场内的集装箱空箱存量以及在途集装箱的流转信息；运输货物信息是发货人向货代提出货代申请时提供的货物量、货物类型、货物收发地址、收货人、发货人等信息；运输工具信息由联运业务中的运输公司提供，主要包括港口、车站内的车辆船舶到站、在途信息、在途车辆、船舶的剩余货运位置信息、站内可用的车辆船舶信息等；单证及合同信息包括集装箱货物运输的检验过关单证、货物的运输进保单证以及发货人、货代、承运人之间签订的运输合同等。

数据层还包括了以上数据的传输、加密和存储，除了业务流程中各种类型的节点之间的信息传输之外，在联运联盟链的子网节点间可以通过gossip 协议通讯来传播私有数据或事务，在数据传输过程中可使用对称加密、非对称加密、同态加密等加密技术对数据传输过程中具有私密性的数据进行加密防止数据的非法获取。另外，联运联盟链区块数据信息的存储采用Couch DB数据库完成，通过其丰富的查询功能节点可以更高效地获取子网的链内信息。

（2）网络层

网络层通过超级账本的Fabric联盟链框架对CMT网络底层进行构建，通过其通道隔离技术完成内部不同类型子网的建立，例如解决铁路管理集权化问题的铁路内部管理链，用于CMT业务的集装箱运输链以及用于合约制定的合约制定链等。在网络层中采用Fabric的channel中的MSP来完成节点身份的准入验证，节点需在CA中心获取相应的节点证书并通过MSP的验证才能加入对应的子网并参与子网的相应业务。

（3）共识层及合约层

联盟链的共识层由各部门贡献的Order节点根据Raft排序规则对联运子网中产生的业务数据进行排序，并配合其他类型节点完成CMT业务流程中的信息传输及存储工作。在合约层中通过以上提到的合约制定流程分别对自动合约和半自动合约进行上链，由背书节点及半自动合约的业务相关方共同完成合约的执行并向对应节点发送合约执行结果。

（4）应用层

在CMT的区块链网络中，联运业务流程涉及的相关部门既是数据的提供方同时也是区块链数据的使用者，他们获得对应的节点权限并加入相应的子网中后，除了要完成对应节点在子网中的信息处理业务，更重要的是从子网的区块数据中获取所需信息完成本部门的联运服务，也可以通过这些信息进行相关决策以提高部门的业务效率降低成本，并对整个CMT的降本增效做出相应的贡献。

2. 架构设计及其运行模式

如图4所示是文中设计的CMT区块链网络模式架构，下面将根据其中的信息流对基于Fabric联盟链模式下的新型CMT架构的运行模式进行说明。

信息流（1→2→3）完成了联运部门的节点入网流程。联运业务部门根据业务需要通过CA中心分别获取对应节点的节点身份权限证书，CA中心根据节点提供的入网申请信息向节点发送不同类型的证书，例如向具有集装箱运输业务需求的发货人发送短期交易证书，向公路、水路、铁路联运公司发送长期的登记证书等，联运部门获取证书并通过子网channel的MSP的验证后就可以加入相应的CMT子网。

信息流（4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16）完成了集装箱的运输业务流程。各部门客户端的对应节点先通过加密传输向背书节点发送交易的有关信息，然后信息在子网中由背书节点完成智能合约的执行并将签名背书及合约结果返回到对应部门，对应部门客户端再将背书处理完成的交易信息发送到排序及提交节点最终完成交易流程信息的上链。在这个过程中各部门根据其节点在运输链中的角色，根据集装箱运输的业务要求分别在不同时间节点向运输链子网进行数据的上传和取用。另外，自动合约的执行由上链的智能合约独立完成，而半自动合约的执行需要相关部门的线下实际操作，例如货物检验过关单证的签署需要智能合约根据货物信息生成货物检验的相关单证，然后检验部门将对应货物的检验结果录入生成的单证才能完成半自动合约的执行。

信息流17和18分别代表节点向Couch DB数据库存入和读取交易信息数据，在CMT的区块链网络架构的设计中为网络中的每个背书节点和提交节点都配置了Couch DB数据库，Couch DB数据库支持完整的数据查询功能，它可以满足CMT业务多用例的链代码、审计和报告需求。信息流19代表各部门对自己节点所处子网的链内信息进行取用的过程。例如，发货人可以通过其在链内的节点核查货物的过检和装箱情况并查询集装箱的运输进程；货代可以通过查询运输公司和堆存管理部门上链的集装箱和运输工具等资源制定更合理的CMT路线；铁路运输部门可以根据上链的运价信息制定更灵活的运价机制；联运业务涉及的各个部门可以根据上链的运输标准和单证体系完善自身的业务流程等。

整个CMT的区块链网络架构的运行模式包含了各部门节点的数据上链和取用，这些数据信息取用流程构成了整个联运过程的信息共享链，扩大了CMT部门的数据共享范围，这些跨部门数据信息的合理使用能够增加整个CMT的业务流程效率。

五、总结

文中针对现有CMT的架构模型存在的信息难以共享、运输标准和单证体系不统一和铁路运输的高度集权化等问题提出了针对这些问题的区块链解决方案，利用Fabric的信息子网内部共享和智能合约等功能设计了问题的联盟链解决模型，最后设计了以超级账本联盟链Fabric框架为架构底层的CMT的区块链网络化模式架构，并通过该架构的信息流对其运作模式进行了分析。该架构将为集装箱多式联运的区块链网络化模式的最终实现提供借鉴，其实现具有提高整个联运系统的运行效率、提高铁路等低能耗运输方式在货运中的占比以及加快集装箱运输标准化进程等积极意义，对构建低碳物流运输体系具有实际意义。