摘?要：集裝箱多式聯運的發展對當下倡導的低碳物流有著重要影響，傳統集裝箱多式聯運模式存在諸多影響集裝箱運輸效率的問題，不符合當下低碳物流提效降本的發展策略。對現有聯運模式存在的問題進行了分析，結合區塊鏈網絡技術特點，提出了針對這些問題的區塊鏈技術解決思路，構建了基于Fabric聯盟鏈框架的新型聯運模式架構，并討論了該架構的運行模式及其優勢，可為集裝箱多式聯運的區塊鏈網絡化模式的最終實現提供參考。

關鍵詞：集裝箱、多式聯運、Fabric、區塊鏈、網絡架構

一、引言

為響應國家大力推行的節能減排相關政策，各行業開始積極探索低碳發展模式。物流行業作為碳排放的重要組成部分[1]，應當大力踐行低碳物流的發展理念。低碳物流發展模式的探索將對實現碳減排目標提供重要幫助。集裝箱多式聯運（Container Multimodal Transport）是指通過多種運輸方式聯合運輸的形式完成集裝箱貨物的整個物流運輸過程，以下簡稱為CMT。CMT對物流運輸的降本增效以及節能減排有著顯著作用，但傳統的CMT模式存在各聯運經營部門信息共享程度不足、各運輸公司運輸標準和規則不統一以及鐵路運輸的高度集權化等影響集裝箱貨物運輸效率的問題[2]。

針對傳統CMT模式存在的相關問題，柳培學等人在國家”公轉鐵、公轉水”運輸結構調整的背景下，利用Dijkstra標號算法對實現碳排放和運輸費用最小化的運輸路徑進行了研究[3]。齊穎秀等人針對集裝箱海鐵聯運存在的缺乏服務統籌協調和運輸標準和規范不一致等問題，從設計集裝箱海鐵聯運全程物流服務方案和構建集裝箱海鐵聯運溝通協調機制等方面提出了我國集裝箱海鐵聯運的發展對策[4]。趙瑩等人結合國外多式聯運標準，提出了我國多式聯運標準體系的構建思路，并構建了多式聯運標準體系的框架圖[5]。諸葛恒英等人針對我國集裝箱單證體系不一致問題，對我國CMT運單統一架構及其推廣應用策略進行了研究，并對相關聯運規則的制定和標準的出臺進行了分析[6]。劉清等人從運輸成本、運輸時間、運輸風險和碳排放等方面因素，對長江干線的CMT路徑優化模型進行了研究，得出了符合綠色低碳運輸要求的聯運最優方案計算模型[7]。李鑫針對傳統CMT模式存在的信息共享困難等問題，基于CMT的關聯方和業務流程構建了CMT的EDI系統，利用該系統解決了集裝箱業務流程中的信息共享問題和相關決策問題[8]。

如上所列，當前關于CMT的研究多為針對CMT流程中諸多問題中的某一問題或者是為達某優化目標的聯運路徑優化問題，缺少從整個CMT模式架構的角度出發解決傳統CMT模式存在的問題的研究方案。文中主要討論CMT的區塊鏈網絡化模式，通過引入區塊鏈網絡并對CMT所涉及的相關數據進行上鏈，并構建基于區塊鏈的CMT框架用以對傳統CMT模式所存在的諸多問題提供解決的參考。文中首先對傳統CMT模式存在的問題以及問題的成因進行分析；然后介紹了Fabric網絡模型的相關技術及其特性；接著提出了傳統CMT模式所存在問題的Fabric聯盟鏈解決方案；最后對基于Fabric聯盟鏈的CMT架構進行了設計，并闡述了該架構的運行模式及評價。

二、傳統CMT架構業務流程及缺陷分析

1. 業務流程分析

如圖1所示的聯運流程中單向箭頭代表該部門向指向的部門提供了對應的服務，雙向箭頭代表部門之間的業務往來。其中發貨人需要向貨代發起貨運需求申報貨物類型、貨物量、貨物收發地址、收貨人等信息，并完成與收貨人之間的貨物驗收和金融業務；而貨代則需向發貨人提供集裝箱貨物運輸的代理服務并與發貨人完成運輸合同的簽訂，還需向發貨人反饋貨物運輸的相關狀態信息；輔助服務由金融機構、檢驗部門和保險公司等部門組成，需要向聯運流程涉及的其他部門提供對應的金融、檢驗和保險等服務；堆存服務由各大港口、堆場、內陸無水港、集裝箱中心站、物流園區以及倉庫組成，需要向貨代、收貨人和運輸公司等部門提供貨物或集裝箱的堆存服務；運輸服務主要由各船運公司、路運公司和鐵路公司提供，其主要向貨代提供需要的運輸服務；各種類型的聯運中心則主要向貨代和運輸公司提供集裝箱貨物的轉運服務，包括貨物的裝卸和過檢等。可見傳統CMT的聯運流程中的業務信息傳遞以隔離式的單點傳輸形式為主。

2. 傳統CMT模式中存在的不足

通過以上流程分析結合相關資料查閱，傳統CMT架構主要存在三方面的問題。首先，各部門信息共享程度不足，由于CMT過程中涉及的眾多企業均為不同的利益主體，為保護自身的利益和網絡安全，對運輸過程中涉及的相關信息的共享程度不夠導致部分工作必須重復進行；其次，運輸標準和規則不統一，在聯運過程中各個部門運輸標準和規則的不統一嚴重影響了CMT的效率。比如各部門開據單證標準的不統一導致在CMT的過程中需要開據聯運單據約44張，過境單證22張之多[2]；最后，鐵路運輸高度集權化的管理模式，我國鐵路運輸還保留著政企一體的管理模式[8]，長期的獨立經營方式使其很難融入其他運輸體系，加上其高度集權的管理模式導致鐵路運輸的定價機制存在滯后性和缺乏靈活性。

三、Fabric聯盟鏈網絡模型及技術特性分析

區塊鏈網絡的數據存儲方式具有去中心化[9]、不可篡改、去信任化、可溯源、多方維護以及公開透明等特點，區塊鏈網絡根據準入機制的不同分為公有鏈、聯盟鏈和私有鏈[10-14]。文中所研究的CMT架構由運輸過程中涉及的運輸服務需求方、運輸服務提供方以及運輸輔助服務提供方等相關企業，通過運輸流程中的業務邏輯的聯系所構成，它實質上是集裝箱運輸流程中涉及的眾多企業所構成的聯合網絡。所以根據其企業間所具備的復雜的物流業務關系，文中采用Fabric聯盟鏈框架作為新的CMT架構的底層支持，以下將介紹該聯盟鏈框架的相關技術特性以及運行模式。

1. Fabric聯盟鏈的架構模型及節點構成

Fabric的區塊鏈網絡由眾多子網構成，每個子網都有一條獨立的區塊鏈用于處理對應的企業間業務。業務子網的搭建使得隱私信息的共享只發生在子網內部，相比于傳統的公有鏈模式和其他基于公網模式的聯盟鏈，Fabric框架具有更好的隱私保護屬性。這使其在應用到CMT的區塊鏈網絡搭建時能夠解決運輸過程中信息共享和信息安全之間的矛盾。

如圖2所示Fabric聯盟鏈網絡由負責發起交易的客戶端、證書發放中心（CA）、負責驗證節點證書信息的節點身份驗證系統（MSP）、對等節點（Peer）（由背書節點和提交節點組成，背書節點負責交易的簽名背書和鏈碼執行，提交節點負責交易的驗證和區塊的更新）、負責執行共識排序的排序服務節點（Orderer）組成，圖中用該類型節點的首字母代表該節點，每個外層節點閉環代表一個Channel子網區塊鏈，內層Orderer共同構成聯盟鏈的排序服務?？梢奆abric聯盟鏈中的每個子網都包含完整的節點類型，每個企業可以有多個節點參與聯盟鏈，每個節點可以參與不同的子網，由這些關系相互交錯的子網組成整個Fabric的區塊鏈聯盟。

2. Fabric的共識機制、智能合約、多通道機制

（1）Raft排序服務

Fabric采用基于Raft的排序服務，Raft模型是由參與聯盟鏈中的企業或組織貢獻的排序服務節點（Orderer）來組成相應聯盟鏈子網的排序服務，他比基于Kafka的排序服務更適合用于構建大型聯盟鏈網絡，并且其不依賴外部系統，Orderer之間的通信通過創建協程來完成，較大保留了區塊鏈的去中心化屬性。

（2）智能合約（chaincode）

在Fabric中，一個chaincode包含多個傳統概念的智能合約，chaincode被安裝在背書節點上并運行于JVM或Node JS中。當客戶端向背書節點發送交易信息時，背書節點會執行交易中提及的智能合約，并將執行結果連同簽名背書生成背書響應并返回給客戶端[15]。

（3）多通道機制（channel）

Fabric運用channel機制建立不同集裝箱運行流程的信息隔離[16]，每條區塊鏈子網對應一個channel，每個channel擁有獨立的區塊鏈，通過這種信息的隔離機制，可以保證子網在鏈內信息共享的同時增強對鏈外的信息安全保護，可以用于解決CMT中信息共享的矛盾。

3. Fabric的交易處理流程

如圖3所示當構建于Fabric框架上的聯盟鏈開始運行時，首先由客戶端向背書節點發起交易請求，背書節點對交易進行簽名背書，并執行交易中涉及的智能合約，然后將執行結果生成背書響應返回給客戶端，再由客戶端將執行結果發送到排序服務節點，由排序服務節點對交易進行共識排序打包進區塊并發送到提交節點，最后由提交節點完成交易的驗證和區塊的更新。

四、基于區塊鏈的CMT架構設計

1. 架構組成

CMT的區塊鏈網絡化模型架構的組成如表1所示，表中列出了關于整個架構的數據層、網絡層、共識層、合約層以及應用層的具體組成及其簡要說明，下面將對各層業務涉及的信息及其流程進行詳細介紹：

（1）數據層

聯運經營主體信息包括發貨人、貨代、銀行、運輸公司、聯運中心、堆存中心、收貨人等部門的節點注冊信息以及部門內部的基本情況等信息；集裝箱信息由具有堆場業務的部門的對應節點進行上鏈，主要包括堆場內的集裝箱空箱存量以及在途集裝箱的流轉信息；運輸貨物信息是發貨人向貨代提出貨代申請時提供的貨物量、貨物類型、貨物收發地址、收貨人、發貨人等信息；運輸工具信息由聯運業務中的運輸公司提供，主要包括港口、車站內的車輛船舶到站、在途信息、在途車輛、船舶的剩余貨運位置信息、站內可用的車輛船舶信息等；單證及合同信息包括集裝箱貨物運輸的檢驗過關單證、貨物的運輸進保單證以及發貨人、貨代、承運人之間簽訂的運輸合同等。

數據層還包括了以上數據的傳輸、加密和存儲，除了業務流程中各種類型的節點之間的信息傳輸之外，在聯運聯盟鏈的子網節點間可以通過gossip 協議通訊來傳播私有數據或事務，在數據傳輸過程中可使用對稱加密、非對稱加密、同態加密等加密技術對數據傳輸過程中具有私密性的數據進行加密防止數據的非法獲取。另外，聯運聯盟鏈區塊數據信息的存儲采用Couch DB數據庫完成，通過其豐富的查詢功能節點可以更高效地獲取子網的鏈內信息。

（2）網絡層

網絡層通過超級賬本的Fabric聯盟鏈框架對CMT網絡底層進行構建，通過其通道隔離技術完成內部不同類型子網的建立，例如解決鐵路管理集權化問題的鐵路內部管理鏈，用于CMT業務的集裝箱運輸鏈以及用于合約制定的合約制定鏈等。在網絡層中采用Fabric的channel中的MSP來完成節點身份的準入驗證，節點需在CA中心獲取相應的節點證書并通過MSP的驗證才能加入對應的子網并參與子網的相應業務。

（3）共識層及合約層

聯盟鏈的共識層由各部門貢獻的Order節點根據Raft排序規則對聯運子網中產生的業務數據進行排序，并配合其他類型節點完成CMT業務流程中的信息傳輸及存儲工作。在合約層中通過以上提到的合約制定流程分別對自動合約和半自動合約進行上鏈，由背書節點及半自動合約的業務相關方共同完成合約的執行并向對應節點發送合約執行結果。

（4）應用層

在CMT的區塊鏈網絡中，聯運業務流程涉及的相關部門既是數據的提供方同時也是區塊鏈數據的使用者，他們獲得對應的節點權限并加入相應的子網中后，除了要完成對應節點在子網中的信息處理業務，更重要的是從子網的區塊數據中獲取所需信息完成本部門的聯運服務，也可以通過這些信息進行相關決策以提高部門的業務效率降低成本，并對整個CMT的降本增效做出相應的貢獻。

2. 架構設計及其運行模式

如圖4所示是文中設計的CMT區塊鏈網絡模式架構，下面將根據其中的信息流對基于Fabric聯盟鏈模式下的新型CMT架構的運行模式進行說明。

信息流（1→2→3）完成了聯運部門的節點入網流程。聯運業務部門根據業務需要通過CA中心分別獲取對應節點的節點身份權限證書，CA中心根據節點提供的入網申請信息向節點發送不同類型的證書，例如向具有集裝箱運輸業務需求的發貨人發送短期交易證書，向公路、水路、鐵路聯運公司發送長期的登記證書等，聯運部門獲取證書并通過子網channel的MSP的驗證后就可以加入相應的CMT子網。

信息流（4→5→6→7→8→9→10→11→12→13→14→15→16）完成了集裝箱的運輸業務流程。各部門客戶端的對應節點先通過加密傳輸向背書節點發送交易的有關信息，然后信息在子網中由背書節點完成智能合約的執行并將簽名背書及合約結果返回到對應部門，對應部門客戶端再將背書處理完成的交易信息發送到排序及提交節點最終完成交易流程信息的上鏈。在這個過程中各部門根據其節點在運輸鏈中的角色，根據集裝箱運輸的業務要求分別在不同時間節點向運輸鏈子網進行數據的上傳和取用。另外，自動合約的執行由上鏈的智能合約獨立完成，而半自動合約的執行需要相關部門的線下實際操作，例如貨物檢驗過關單證的簽署需要智能合約根據貨物信息生成貨物檢驗的相關單證，然后檢驗部門將對應貨物的檢驗結果錄入生成的單證才能完成半自動合約的執行。

信息流17和18分別代表節點向Couch DB數據庫存入和讀取交易信息數據，在CMT的區塊鏈網絡架構的設計中為網絡中的每個背書節點和提交節點都配置了Couch DB數據庫，Couch DB數據庫支持完整的數據查詢功能，它可以滿足CMT業務多用例的鏈代碼、審計和報告需求。信息流19代表各部門對自己節點所處子網的鏈內信息進行取用的過程。例如，發貨人可以通過其在鏈內的節點核查貨物的過檢和裝箱情況并查詢集裝箱的運輸進程；貨代可以通過查詢運輸公司和堆存管理部門上鏈的集裝箱和運輸工具等資源制定更合理的CMT路線；鐵路運輸部門可以根據上鏈的運價信息制定更靈活的運價機制；聯運業務涉及的各個部門可以根據上鏈的運輸標準和單證體系完善自身的業務流程等。

整個CMT的區塊鏈網絡架構的運行模式包含了各部門節點的數據上鏈和取用，這些數據信息取用流程構成了整個聯運過程的信息共享鏈，擴大了CMT部門的數據共享范圍，這些跨部門數據信息的合理使用能夠增加整個CMT的業務流程效率。

五、總結

文中針對現有CMT的架構模型存在的信息難以共享、運輸標準和單證體系不統一和鐵路運輸的高度集權化等問題提出了針對這些問題的區塊鏈解決方案，利用Fabric的信息子網內部共享和智能合約等功能設計了問題的聯盟鏈解決模型，最后設計了以超級賬本聯盟鏈Fabric框架為架構底層的CMT的區塊鏈網絡化模式架構，并通過該架構的信息流對其運作模式進行了分析。該架構將為集裝箱多式聯運的區塊鏈網絡化模式的最終實現提供借鑒，其實現具有提高整個聯運系統的運行效率、提高鐵路等低能耗運輸方式在貨運中的占比以及加快集裝箱運輸標準化進程等積極意義，對構建低碳物流運輸體系具有實際意義。