基于区块链的海运业智能合约框架构建与分析

洪文倩，王庆年 （华南理工大学，广东 广州510006）

HONG Wenqian, WANG Qingnian (South China University of Technology, Guangzhou 510006, China)

0 引 言

随着“一带一路”倡议的提出与确立，传统国际贸易呈现了新机遇，发展迎来了新一轮高峰。海洋运输作为国际物流中最主要的运输方式，它的地位随着“一带一路”的提出越发明确与明显。但海洋运输目前也正面临着最大的危机，它不仅有着传统行业本身的短板，如信息不对称、发展模式相对封闭、产业结构过于单一等，而且还面临随着“限硫令”、“碳减排”等新政策的即将推行而导致的运输成本上涨问题。区块链技术作为国务院《“十三五”国家信息化规划》中的战略性前沿技术，其在各领域都存在着广阔的应用前景。利用区块链中的智能合约技术解决海运过程中大量书面文件流转、业务处理程序繁杂、信息伪造等问题，有利于提升“一带一路”贸易效率和有序性，降低贸易信息交换成本，使我国的海洋经济再一次拥有新的增长着力点。

学者们也正探究区块链在国际贸易及海运业的应用。张宇怀和于凤提出利用区块链技术解决国际贸易中跨境支付，贸易信用，数据互通、存储和安全等多种问题[1]。李启明和张倩针对当前国际贸易业务的现存问题，提出了基于区块链的国际贸易业务模式，以提高国际贸易业务效率、规避业务风险、实现商品溯源[2]。姜丽丽提出利用区块链破解海运贸易过程中的信用缺失和风险高等难题[3]。赵毅总结了目前区块链技术在海运业的发展现状，并分析了海运业巨头马士基在区块链背景下的数字化战略[4]。本文所要解决的问题与上述学者们是相似的，比如贸易信用、数据互通、业务效率等，但在此基础上本文提出了一个智能合约的基本架构，把这些问题带到了解决层面，而不是仅仅停留在理论知识上。

1 海运业成本构成与区块链技术改造的必要性分析

1.1 目前海运业的总体情况

海洋运输又称“国际海洋货物运输”，是国际物流中最主要的运输方式。它是指使用船舶通过海上航道在不同国家和地区的港口之间运送货物的一种方式，并以其独有的运输总量大、运输费用低、运输航道四通八达的特点，吸引了全球各个国家选择海洋运输作为其国际贸易的主要运输方式。海洋运输承载了国际贸易总运输量的三分之二以上，占据着国际贸易竞争的核心地位，是支撑国际贸易的主要载体。

联合国《2018 年海运报告》显示，从2010 年以来，每年的全球海运贸易总量都呈稳步增长的趋势，如图1 所示。

如图1 所示，2010 年至2017 年期间，全球海运贸易以年均3.5%的速度增长。2017 年全球海运总产量达107 亿吨，较2016 年增加了4 亿吨。并且联合国贸易和发展会议预计2018 年海运总量将增加4%，增长同2017 年基本持平。鉴于全球经济持续走好的趋势，预测2018 年至2023 年全球海运的复合年增长率为3.8%。其次，以价值来衡量海运业，与世界经济规模相比，它的量级也是不可忽视的。

图2 中红色柱形是选取了一些能够从经济角度反应海运业情况的参考数据，蓝色柱形则表示了部分国家的国内生产总值（根据国际货币基金组织的2015 年统计数据）。表1 显示了图2 中所出现的各个经济体国内生产总值的全球排名。

图1 2010～2017 年全球海运贸易总量情况

图2 衡量海运业经济体量的参考数据

表1 2015 年各个经济体国内生产总值的全球排名

海运业与世界经济规模进行比较的方式如下：一是衡量海运贸易货物的价值。如图2 所示，2015 年全球的铁矿石贸易量为13 亿吨，如果按铁矿石年均价格50 美金/吨计算，约合680 亿美金，大致相当于肯尼亚的国内生产总值。二是估算船舶类资产价值，例如，新造船的年均投资额及全球船队的年均价值，这些资产价值均可与经济体的规模进行比较。然而，相对于和国内生产总值进行比较，更合适的做法可能还是衡量船队的年均收益。在市场情形严峻的2016 年，克拉克森海运价格指数年平均为9 733 美金/天，以主流运输领域约有22 000 艘活跃船舶进行计算，年收益约为770 亿美金。按同样的方法计算，2007年的年收益则高达1 890 亿美金，相当于航运传统强国希腊的经济规模。

虽然有时航运业对全球经济的影响还是难以直接衡量的，但以经济体量看，航运业的一些领域可以与世界上一些规模较大的经济体抗衡，尤其是在市场好的年份。因此无论是货物量还是经济体量，海运业都在国际贸易中拥有不可撼动的地位。

1.2 海运业成本构成分析

自2008 年国际金融危机以来，全球海运市场进入一轮漫长的调整期，目前正面临着运力供求失衡、衰退期延长、运价低水平波动、企业盈利空间承压的情况。海运业的成本正面临着来自不同方面的使其上涨的压力。

1.2.1 运价成本。海运业作为一个传统行业，行业利润主要受运价及营运成本的影响。运价一方面经历了金融危机的冲击，市场需求目前仍处于逐步恢复的过程中，另一方面，经历了金融危机前运力的高速增长，市场运量与运力的矛盾态势仍然存在，总体运价水平尚未完全恢复，长期低位徘徊。

1.2.2 绿色成本。随着国际社会对环境保护标准的要求日益严苛，2020 年“限硫令”和2050 年碳减排等规范已经成为海运业界最热话题。目前来看，国际海事组织（IMO） 关于全球海域2020 年1 月1 日实行0.5%硫排放限制的规定已经板上钉钉了。

“限硫令”要求从2020 年起，全球船舶最大硫排放量从目前的3.5%降至0.5%，这一新规必将增加船舶运营成本及绿色成本。有咨询机构测算，全球海运燃料成本将上涨25%，年均增加约240 亿美元的支出。增加的绿色成本将会通过各种方式转嫁至运输链的各个环节。这意味着，全球海运业将面临新一轮的平衡再调整。

1.2.3 时间成本。港口基础设施质量的好坏直接影响货物的装卸速度，也就是说可能会无形中提高海洋运输的时间成本。比如，货物的装卸速度慢，导致了港口的货物吞吐量低；船舶停靠时间延长，占用了港口的有限码头。停靠船舶在缴纳巨额靠泊费用的同时却得不到有效的装卸率，而锚地或减速于航线上的船舶也因为待靠时间的拖后而延长抛锚时间或航行。这样的情况就增加了海运业的时间成本，受影响的最终将是国际贸易的成效。

1.2.4 文件流转成本。国际贸易业务涉及的规章制度、法律条款等众多，往往会产生大量的文件单证。海运的过程涉及多方参与，除了买家与卖家以外，还包含货代、仓储、报关、车队、船公司，乃至保险、银行等服务商。此外，这些参与者之间又牵涉大量的文件传递，在一来一往的检验过程中，数据也同时经过多次转手，耗费了不少时间与成本。

为了进一步量化传统跨境贸易的文件流转成本，丹麦的航运巨头快桅（Maersk） 在2017 年，以追踪方式记录了一笔跨国贸易的程序。根据其纪录显示，一批从肯尼亚蒙巴萨港出口到荷兰鹿特丹的鲜花，须经历数十份文件和近200 条通讯信息传递才能顺利完成，其过程涉及农民、货运代理商、陆上运输商、报关行、政府单位和港口承运人。其中需要的纸质文件厚达10英寸，这些文件和记录的审核处理成本可能要高于运输集装箱的成本。由此看出，隐形的文件流转成本也是海运业成本构成中不可忽视的一部分。

1.2.5 风险成本。海运业中存在着文件流转与货物流转的不一致问题，信息伪造问题严重，存在着风险成本。以海运提单为例，在实际的海运过程中，只有收货人出具提单文件时，承运人才能按照之前的合同条款交付货物，但是由于银行、国际快递等服务的缓慢，文件的流转速度远慢于海运速度，因此往往会造成海运提单文件流转慢于货运的情况出现，为了让货物交付不出现问题，因此往往会出现收货人没有出示提单，承运人就交付货物的情况。所以很多诈骗行为如伪造签名、错误描述、虚假银行担保等就会发生，增加了海运过程中的风险成本。

1.2.6 其他成本。海运业中还存在一些其他成本，比如在海运过程中由于台风、暴雨、海啸等自然灾害使货物遭受重大损失而形成的保险成本。贸易结构性失衡以及班轮公司和运输网络效率低下导致的空箱成本。

综上所述，不论是海洋运输本身，还是海洋运输中的每一个小细节，都直接或间接地影响着海运业的成本。在运价短期难以提升、即将到来的绿色成本、隐形的单证成本及风险成本的基础上，成本管控成为海运业的共同选择。

1.3 基于区块链技术改善国际贸易流程降低贸易成本的路径分析

区块链技术是利用块链式数据结构来验证和存储数据、利用分布式节点共识算法来生成和更新数据、利用密码学的方式来保证数据传输和访问的安全、利用由自动化脚本代码组成的智能合约来编程和操作数据的一种全新的分布式基础架构与计算范式。它由两个主要要素构成：区块链数据结构、区块链系统或网络。

区块链数据结构是称为块的连接数据单元的有序列表。每个块由块头和事务数据组成。如图3所示，块头包含块元数据，其中包含有关块本身的信息，例如索引和创建时间戳。“标题”中最重要的字段是前一个块的哈希表示。该值是从前一个块的内容生成的，用于将块连接到彼此。这意味着每个块头都包含前一个块的散列，这样就没有人可以改变前一个块中的任何事务。块的另一部分是“正文内容”，即交易数据包含交易清单及其各自的数据，并且块中的事务数据是不可变的，所有交易都完全不可逆转。因此，给定最新的块，访问区块链中的所有先前块是可行的。

区块链系统是一个由连接节点组成的分布式点对点网络，它存储和协商区块链的信息内容。每个节点验证传入事务，如果它们有效，则将它们传播到继续此过程的其他节点，直到系统的所有节点都知道新事务。为了提供身份验证和授权，区块链系统使用非对称加密。此方法使用公钥和私钥，可用于加密和解密消息，用一个密钥加密的消息只能用另一个密钥解密。

在当今海运业成本不断上涨，利润空间不断缩小的情况下，区块链和智能合约的技术优势就凸显出来。基于区块链去中心化、高度透明、多方自治、匿名性、防篡改、可溯源等技术优势解决国际贸易中身份识别困难，信用证欺诈，单据伪造等典型风险；通过智能合约帮助参与到全球供应链中的托运人、港口、海关、银行和其他利益相关者，追踪货运，并用防篡改的数字记录，取代相关的书面记录，解决文件流转问题。并且，使用区块链平台及智能合约进行运输文件的传输，降低成本的表现就会非常突出，同时进一步提高海运的效率。世界经济论坛曾估算，如果能将全球物流中的沟通和单证往来效率提升到现在最好水平的一半，那么整个全球贸易的效率就能提升9.4 到14.5 个百分点。

利用区块链技术可以将海运流程中的各参与者组成一个联盟链，选取适合的共识机制，将彼此之间原本的书面文件转化成信息化文件并录入区块链网络。各参与者可以随时随地查看货物的实时进程，在各单据和合同符合条件的情况下以电子形式自动报关，同时运输完成后，金融机构在符合付款条件的情况下自动付款。将区块链和海运业结合起来以上述方式来改善海运流程，不仅能够消除大量的书面文件成本，提高效率，而且也可以实现货物溯源，减少风险成本。

图3 区块链数据结构

2 海运业智能合约基本框架的构建

智能合约是执行合同条款的计算机化交易协议。智能合约设计的总体目标是满足常见的合同条件（例如付款条件、留置权、保密性、执行），最大限度地减少恶意和偶然的异常，并最大限度地减少对可信中介的需求。相关的经济目标包括降低欺诈损失，仲裁和执法成本以及其他交易成本。

智能合约是运行在具有唯一地址的块链上的计算机程序的实例。任何用户都可以通过将事务发布到区块链来创建合约。一旦创建了智能合约的程序代码，它就不能被更改，并且在收到来自用户或其他合约的消息时将被执行。合约的行为由发布者在接收消息时决定，智能合约可以读写存储的文件，发送消息给其他用户或合约。它还可以将货币存入账户余额，或将其发送给其他用户或合同。合同条款不能更改，因此，合同也是不能更改的。智能合约原理如图4 所示。

图4 智能合约原理图

在传统的海运运输过程中，涉及的节点较多并且各方之间有大量的繁琐的数据交换工作，存在着高额的交易成本和较大的欺诈风险。传统海运过程所涉及节点示意图如图5 所示：

图5 传统海运所涉及节点示意图

由图5 可知，一单贸易的流程大致为：（1） 出口方和进口方签订完买卖合同后，进口方向进口银行要求开立以出口方为受益人的信用证。（2） 进口银行通知出口银行信用证已开出。（3） 出口银行通知出口方信用证已开立，可准备货物装船。（4） 出口方寻找货运代理准备合同、发票、报关单、出口商品检验证书等一系列单据去海关办理通关手续。（5） 货运代理订船租仓、与承运方签订运输合同后，出口方通知进口方货物已装船并寄出提单，进口方等待接收货物。（6） 出口方按照信用证的规定，正确缮制（箱单、发票、提单、出口产地证明、出口结汇） 等单据。在信用证规定的交单有效期内，递交出口银行办理议付结汇手续。（7） 出口银行在审查单据无误后进行结汇，同时向进口银行寄单索汇。（8） 进口银行审单无误后付款给出口银行，同时提示进口方赎单付款。（9） 货物抵达卸货港后，进口商填制进口货物报关单及相关单证（包括提货单、装货单或运单、发票和装箱单、商检证书等） 向海关申报。（10） 海关查验货物，进口方缴纳相关进口关税。海关收到关税，在货运单据上签字或盖章放行后进口方持正本提单、箱单、发票等到船公司所在港口提货。

而利用区块链将这些流程自动化后，不仅能够使业务低成本运行，并且还提高了交易的效率，保证了信息的真实可靠。同时可随时查看货物的运输进度，实现记录追本溯源。根据世界著名评级机构穆迪的报告显示，将流程自动化可大致分为三个步骤：一是将纸张信用证转换成为可以自动执行支付的智能合约。二是将提单（BOL） 等纸质文件完全数据化，并以区块链的形式储存起来。三是利用区块链技术在每一步创建所有权记录。

在设计好智能合约后，贸易的海运流程简化如图6 所示：

在基于智能合约的贸易中，大致流程为：（1） 进口方和出口方在区块链网络中建立基于智能合约的商业买卖合同。（2） 进口方向金融机构提供保证金，金融机构实时向区块链网络记录担保金缴纳情况。（3） 在保证金缴纳后，出口方对货物进行装船，运输方对装船的货物情况上载到区块链网络之中。以电子方式进行报关及审核程序，区块链确认该笔交易，并履行智能合约，提出放行通知。（4） 当达到智能合约中运输单据和商业买卖合同相符的付款条件时，向金融机构发出付款指令，金融机构即可对出口方进行付款结算。在这整个过程中，所有参与者皆可通过供应链的点对点连结，了解当前的运输进度。

如图7 所示，构建的智能合约基础框架采用了六层架构，即基础设施层、合约层、操作层、智能层、表现层、应用层由下而上。

具体细节如下：

（1） 基础设施层：基础设施层封装所有支持智能合约及其应用程序的基础设施，包括可信开发环境、可信执行环境和可信数据提要（Oracle）。在一定程度上，这些基础设施的选择将影响智能合同的设计模式和合同属性。

①可信开发环境：在智能合约开发、部署和调用的过程中，涉及多种开发工具，如编程语言、集成开发环境（IDEs）、开发框架、客户端等。②可信执行环境：区块链为智能合同提供可信执行环境。智能合约的执行依赖于区块链的关键部分，如共识算法、激励机制、P2P 网络等，最终的执行结果将记录在所有节点维护的分布式账本中。不同的共识算法和激励机制将影响智能合约的设计模式、执行效率和安全性。③可信数据提要（Oracle）：为了保证区块链网络的安全性，智能合约一般在SEE 中执行（例如Ethereum 中的EVM 和Hyperledger Fabric 中的Docker 容器），不允许导入外部信息。因此，智能合约需要可信的数据提要（Oracle）以事务的形式和以安全、可信的方式提供关于真实世界的外部状态（因为任何不是由事务生成的信息都必须作为附加到事务的数据引入），从而保证合同执行结果的确定性。

图6 基于智能合约的海运流程

图7 智能合约的基础研究框架

（2） 合约层：合约层封装静态合约数据，包括合约条款、场景响应规则和交互标准。因此，这一层可以看作是智能合约的静态数据库，它包含关于合约调用、执行和通信的所有规则。在设计智能合同时，首先所有各方（立约人） 应协商并确定可能涉及法律条款、业务逻辑和意向协议的合同条款。然后，程序员使用软件工程技术，如算法设计和设计模式，将自然语言中描述的合同术语转换成程序代码，如一系列If-Then 类型的场景-响应规则。此外，根据开发平台的特点和立约人的意图，在这一层还应制定合同与用户（或合同与合同） 之间的交互标准（如访问权限、通信方式等）。

（3） 操作层：操作层将所有动态操作封装在静态合约中，包括机制设计、形式化验证、安全分析、更新和自毁。维护层是智能合约正确、安全、高效运行的关键，恶意或脆弱的智能合约会给用户带来巨大的经济损失。智能合同从谈判到自我毁灭的生命周期来看，在将智能合约部署到区块链之前，机制设计操作使用信息和激励理论来帮助合约有效地实现其功能。采用形式化转换和安全分析操作来验证合同代码的正确性和安全性。并确保代码将根据程序员的实际语义执行。将智能合约部署到区块链后，当合约功能难以满足用户需求或合约存在可修复漏洞时，尽管所有的历史更新都记录在区块链上，且不能被篡改，但在技术上可以实现更新。在智能合约生命周期结束时，或者在出现高风险漏洞时，为了保证网络安全，会进行自毁行为。

（4） 智能层：智能层封装了各种智能算法，包括感知、推理、学习、决策和社交，将智能添加到前三层构建的智能契约中。我们需要知道，目前的智能合约并没有多么智能。然而，我们相信未来的智能合同不仅会按照预先定义的If-Then 语句进行自我执行，还会在未知的情况下进行“What-If”式的推理、计算和智能决策。

（5） 表现层：表现层封装了潜在应用程序的各种智能契约的表现形式，包括DApps、分散自治组织（DAOs）、分散自治公司（DACs） 和分散自治社团（DASs）。封装了网络节点复杂行为的智能契约相当于区块链的应用程序接口，使得区块链能够嵌入不同的应用程序场景。

（6） 应用层：应用层封装所有构建在表现层之上的应用程序域。从理论上讲，智能合同可以应用于所有行业，如金融、loT、医疗、供应链等。

但是，目前所提出的这个框架只是一个理想的框架。其中一些具体的细节还要随着区块链、智能合约等技术研究的深入而完善。

3 进一步思考的问题

区块链技术及智能合约被认为具有颠覆海运业的潜质，但是成功构建智能合约改善海运流程时还有一些问题有待解决：（1） 国家间政策差异巨大。国际贸易在跨国运输、跨境支付等环节涉及了许多贸易方所在国的相关法律条文、国际公约条款以及各国法律中对外贸易业务的规定。而将海运领域数据完全承载于区块链需要各国的沟通协调，并制定统一的标准使各方能够统一意见并参与其中。（2） 法规与责任归属不明。区块链仍有许多法律模糊地带等待理清和探索。比如，分布式账本的信息储存节点可能涉及不同国家的司法管辖区，因此应受哪些国家监管、适用法规是什么，而且智能合约目前也缺乏足够的法律效力，如何让它的法律地位得到参与者的共识也是需要思考的问题。（3） 社会公信力不足。区块链和智能合约主要通过集体约束、集体监督来达到信任，因此如何让产业链各方建立信任，使其积极参与到智能合约的构建中是很重要的。（4） 技术能力存在缺陷。目前，区块链在效率、安全性和去中心化之间还存在着“不可能的三角”，在构建基于区块链技术的海运业智能合约时，还需要在这三角中寻找平衡。