基于區(qū)塊鏈原理的集裝箱共享模式下集裝箱運(yùn)輸流程建模與仿真

劉偉榮 真虹

摘 要：針對(duì)集裝箱存量共享與增量共享均不能有效實(shí)施的問(wèn)題，提出基于區(qū)塊鏈原理的集裝箱共享模式。首先，闡述基于區(qū)塊鏈原理的集裝箱共享模式的運(yùn)作機(jī)制;其次，分析在該模式的作用下，集裝箱運(yùn)輸流程發(fā)生的變化;然后以Petri網(wǎng)理論為基礎(chǔ)，使用CPN Tools分別建立傳統(tǒng)模式與基于區(qū)塊鏈集裝箱共享模式下的集裝箱運(yùn)輸流程的賦時(shí)著色Petri網(wǎng)（CPTN）模型;最后，對(duì)模型進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，選取不同模式下接收訂單到提取空箱裝貨的時(shí)間、路運(yùn)段空車(chē)行駛時(shí)間比例、訂單損失率、作漏裝的集裝箱比例這四項(xiàng)指標(biāo)對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)模式下相比，基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下，發(fā)貨人提箱時(shí)間縮短，集卡空車(chē)行駛比例減小5.28%，不再出現(xiàn)因船期與訂單時(shí)間窗不匹配而損失的訂單，作漏裝的集裝箱比例減小6.99%。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，基于區(qū)塊鏈原理的集裝箱共享模式不僅能夠彌補(bǔ)集裝箱存量共享與增量共享中存在的不足，而且對(duì)集裝箱運(yùn)輸流程起到優(yōu)化作用，是集裝箱運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效的一種有效途徑。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈;集裝箱共享;運(yùn)輸流程;著色賦時(shí)Petri網(wǎng);流程建模

Abstract： To solve the problem that stock and increment sharing of container can not be effectively implemented， a container sharing model based on blockchain principle was proposed. Firstly， the operation mechanism of blockchain based container sharing mode was elaborated. Secondly， the changes of container transportation process with the influence of this mode were analyzed. Thirdly， based on Petri net theory， Colored Timed Petri Net （CTPN） models of traditional mode and blockchain based container sharing mode were established respectively by CPN Tools. Finally， the simulation of the models were carried out with four indicators compared and analyzed under different modes. The four indicators were the time from receipt of orders to picking up of empty containers， the ratio of empty driving time in the road， the order loss rate and the proportion of unloaded containers. The experimental results show that compared with under the traditional mode， under the blockchain based container sharing mode， the shippers picking up time is shortened， the empty driving proportion reduces by 5.28% while there is no longer any order lost due to the mismatch between the shipping time and the order time window， and the proportion of unloaded containers is reduced by 6.99%. The simulation results show that the blockchain based container sharing mode can not only make up for the shortcomings of stock and increment sharing of container in the traditional ways， but also optimize the container transportation process. It is an effective way to reduce costs and increase efficiency in container transportation industry.

Key words： blockchain; container sharing; transportation process; Colored Timed Petri Net （CTPN）; process modeling

0 引言

Sterzik[1]、Vojdani等[2]、劉大成[3]等學(xué)者認(rèn)為，在集裝箱運(yùn)輸領(lǐng)域，集裝箱共享是集裝箱運(yùn)輸行業(yè)實(shí)現(xiàn)降本增效的有效手段，但集裝箱共享在實(shí)際運(yùn)作中鮮有成功案例。楊磊[4]認(rèn)為信息技術(shù)的限制和商業(yè)模式的局限，是集裝箱共享難以有效開(kāi)展的主要原因。在實(shí)際運(yùn)作中，曾出現(xiàn)過(guò)以“集裝箱共享（Box sharing）”為代表的集裝箱存量共享，以及以“灰箱（Grey Box）”為代表的集裝箱增量共享兩種模式，但在實(shí)際運(yùn)作中受到信息技術(shù)和商業(yè)模式的限制，而未能普及。目前，尚未出現(xiàn)一種集裝箱共享模式，能突破現(xiàn)有集裝箱共享的局限性。

區(qū)塊鏈技術(shù)為集裝箱共享的發(fā)展帶來(lái)契機(jī)，一方面為共享集裝箱提供了技術(shù)保障，另一方面基于區(qū)塊鏈原理的商業(yè)模式為集裝箱共享模式的拓展提供了新思路。區(qū)塊鏈技術(shù)研究初期，研究主要集中在區(qū)塊鏈的技術(shù)細(xì)節(jié)以及金融應(yīng)用，隨著研究的不斷深入，區(qū)塊鏈的研究重點(diǎn)逐步轉(zhuǎn)向了基于區(qū)塊鏈的商業(yè)模式研究，F(xiàn)ridgen等[5]認(rèn)為，區(qū)塊鏈的優(yōu)勢(shì)在于它打破了既定的商業(yè)模式，可以觸發(fā)新的商業(yè)流程，影響組織結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致參與者之間任務(wù)分配的變化?；趨^(qū)塊鏈的商業(yè)模式以區(qū)塊鏈技術(shù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)商業(yè)模式中的信任，形成去信任化、去中心化的運(yùn)作模式，與傳統(tǒng)的商業(yè)模式運(yùn)作機(jī)制有所不同， Jenitha[6]基于區(qū)塊鏈原理，對(duì)銀行的客戶(hù)識(shí)別流程進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，認(rèn)為區(qū)塊鏈在流程創(chuàng)新上有很大潛力。Zhang等[7]基于區(qū)塊鏈原理，提出一種面向物聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)的物聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)模型，并對(duì)傳統(tǒng)電子商務(wù)模型中的多個(gè)要素進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，形成一種全新的商業(yè)模式。Mendling等[8]基于區(qū)塊鏈原理，結(jié)合商業(yè)流程管理（Business Process Management， BPM）相關(guān)理論，重構(gòu)了一種無(wú)中心機(jī)構(gòu)的跨組織間的商業(yè)流程。Li等[9]認(rèn)為，在區(qū)塊鏈與商業(yè)模式結(jié)合的研究中，區(qū)塊鏈的潛力并未得到充分挖掘，繼續(xù)挖掘基于區(qū)塊鏈的商業(yè)模式將是區(qū)塊鏈技術(shù)的重要研究方向，此外對(duì)基于區(qū)塊鏈商業(yè)模式的實(shí)證研究也相對(duì)缺乏，這將會(huì)是未來(lái)的研究方向之一。

在前期研究中，劉偉榮等[10]構(gòu)建了基于區(qū)塊鏈的共享集裝箱商業(yè)模式，認(rèn)為該模式下集裝箱屬性和特點(diǎn)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致集裝箱的流轉(zhuǎn)方式與運(yùn)輸流程也發(fā)生變化。在此模式下，集裝箱將實(shí)現(xiàn)在不同運(yùn)輸主體之間的共享，突破集裝箱增量共享與存量共享的局限性。用箱人通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)查找并使用最符合需求的集裝箱，而非通過(guò)承運(yùn)人指定用箱，集裝箱用箱方式的變化將導(dǎo)致整個(gè)集裝箱運(yùn)輸流程發(fā)生變化。本文研究的重點(diǎn)是，在該模式下集裝箱運(yùn)輸流程發(fā)生的改變，以及流程改變對(duì)集裝箱運(yùn)輸效率產(chǎn)生的影響。區(qū)塊鏈與集裝箱運(yùn)輸相結(jié)合的研究尚處于起始階段，仍然存在諸多不足：一是區(qū)塊鏈與商業(yè)模式相結(jié)合的研究并不充分，區(qū)塊鏈原理與集裝箱運(yùn)輸行業(yè)的結(jié)合點(diǎn)還未能被充分挖掘;二是對(duì)基于區(qū)塊鏈原理的集裝箱共享模式研究中，僅分析了該模式下集裝箱運(yùn)作方式，并未對(duì)集裝箱運(yùn)輸流程的影響進(jìn)行分析;三是現(xiàn)有的研究以設(shè)計(jì)基于區(qū)塊鏈的商業(yè)模式為主，而缺少定量分析和研究。

對(duì)集裝箱運(yùn)輸流程的分析研究主要有流程建模、流程再造、流程優(yōu)化等幾個(gè)方面，且研究對(duì)象多為集裝箱海鐵多式聯(lián)運(yùn)。van der Aalst[11]提出，集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)被認(rèn)為具有同步、并發(fā)、沖突、互斥、資源共享等離散事件系統(tǒng)特征，是典型的離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)（Discrete Event Dynamic System， DEDS）。為直觀(guān)地體現(xiàn)傳統(tǒng)模式下與基于區(qū)塊鏈的共享集裝箱模式下集裝箱運(yùn)輸流程的區(qū)別，本文采用Petri網(wǎng)進(jìn)行建模和分析。在物流、交通等流程建模與分析方面，Petri網(wǎng)被廣泛使用，是一種成熟、高效的建模方法。如：Dotoli等[12]在考慮新型的通信交流技術(shù)的情況下，對(duì)多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行Petri網(wǎng)建模，分析出通信交流技術(shù)對(duì)多式聯(lián)運(yùn)在實(shí)施管理方面產(chǎn)生的影響。Labadi等[13]使用離散Petri網(wǎng)對(duì)公共自行車(chē)的共享系統(tǒng)進(jìn)行研究。大量基于Petri網(wǎng)的流程建模和分析的文獻(xiàn)表明，利用Petri網(wǎng)理論分析基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下的集裝箱運(yùn)輸流程是可靠的，而且能更加直觀(guān)、全面地將流程表現(xiàn)出來(lái)。從以上研究中可得知，Petri網(wǎng)理論適用于對(duì)集裝箱運(yùn)輸流程建模的研究和分析。用Petri網(wǎng)理論，對(duì)基于區(qū)塊鏈原理的集裝箱共享模式下集裝箱運(yùn)輸流程建模研究尚處于空白，本文研究不僅是對(duì)該模式下定量分析不足的補(bǔ)充，而且進(jìn)一步豐富了Petri網(wǎng)在集裝箱運(yùn)輸流程建模中的應(yīng)用。

本文從區(qū)塊鏈的技術(shù)特點(diǎn)出發(fā)，分析基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下集裝箱運(yùn)輸流程發(fā)生的變化，并根據(jù)分析構(gòu)建基于傳統(tǒng)模式下的集裝箱運(yùn)輸流程賦時(shí)著色Petri網(wǎng)模型（Coloured Timed Petri Net， CTPN）與基于區(qū)塊鏈的共享集裝箱模式下集裝箱運(yùn)輸流程CTPN模型。在分析模型可靠性的基礎(chǔ)上，選取關(guān)鍵指標(biāo)分別對(duì)兩個(gè)CTPN模型進(jìn)行模擬仿真，通過(guò)對(duì)比得出研究結(jié)論。

1 問(wèn)題描述

1.1 傳統(tǒng)模式下集裝箱運(yùn)輸流程描述

在傳統(tǒng)的集裝箱運(yùn)輸中，除少量貨主自有箱（Shippers Own Container， SOC）外，大部分集裝箱屬于承運(yùn)人箱（Carriers Own Container， COC），用箱人需要用箱時(shí)，必須先通過(guò)航運(yùn)企業(yè)的允許，使用航運(yùn)企業(yè)指定的集裝箱，裝貨后的集裝箱需根據(jù)航運(yùn)企業(yè)的安排，裝上其運(yùn)營(yíng)航線(xiàn)的船舶。進(jìn)、出口空箱和重箱的流轉(zhuǎn)如圖1所示。

傳統(tǒng)模式下的集裝箱運(yùn)輸流程中，航運(yùn)企業(yè)在集裝箱運(yùn)輸業(yè)務(wù)中占主導(dǎo)地位，用箱人使用的集裝箱、提箱的堆場(chǎng)等都由航運(yùn)企業(yè)指定，即便在鄰近的廠(chǎng)商、道路、貨運(yùn)站中存在一個(gè)可用的空集裝箱，托運(yùn)人也無(wú)法得知該消息，也無(wú)法使用該集裝箱，仍需接受航運(yùn)企業(yè)安排用箱，運(yùn)輸成本很難受到托運(yùn)人的控制。

1.2 基于區(qū)塊鏈共享集裝箱模式的集裝箱運(yùn)輸流程描述

區(qū)塊鏈所構(gòu)建系統(tǒng)的特點(diǎn)是去中心化、弱控制、自治機(jī)制、不可篡改和耦合連接，與共享的理念高度吻合。集裝箱共享理念中引入?yún)^(qū)塊鏈后形成基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式[3]，弱化了航運(yùn)企業(yè)對(duì)集裝箱擁有絕對(duì)控制權(quán)的中心地位，用箱人用箱方式更為靈活，其運(yùn)作方式如圖2所示。在該模式下，集裝箱所有人以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Peer-to-Peer， P2P）的形式將共享集裝箱的使用權(quán)交予用箱人，用區(qū)塊鏈智能合約控制集裝箱使用權(quán)的轉(zhuǎn)移以及費(fèi)用支付，因此，該模式下的集裝箱屬性發(fā)生變化：一是實(shí)現(xiàn)集裝箱的相對(duì)獨(dú)立性，用箱人可從共享集裝箱池中查詢(xún)并使用最佳可用箱，而非由航運(yùn)企業(yè)指定用箱;二是區(qū)塊鏈記錄集裝箱的流轉(zhuǎn)過(guò)程及狀態(tài)，承運(yùn)人可承接任意共享集裝箱的運(yùn)輸任務(wù)，并以“搶單”的方式獲得運(yùn)輸權(quán)。

該模式中，共享集裝箱池中的所有集裝箱可供任意用箱人使用，集裝箱在多個(gè)實(shí)體構(gòu)成的組織或聯(lián)盟之間流轉(zhuǎn)。為保證用箱安全，可采用聯(lián)盟鏈的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)集裝箱共享，并結(jié)合集裝箱運(yùn)輸?shù)纳虡I(yè)數(shù)據(jù)是否公開(kāi)、是否許可，劃分不同的客戶(hù)端類(lèi)型?？蛻?hù)端通過(guò)電腦端或移動(dòng)端進(jìn)行操作，進(jìn)行數(shù)據(jù)上傳、確認(rèn)、管理等。同時(shí)，由于基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下，集裝箱使用權(quán)的轉(zhuǎn)移過(guò)程匿名進(jìn)行，所有人與用箱人之間不能相互知道身份，為了避免濫用箱等擾亂市場(chǎng)行為，可設(shè)置一定的準(zhǔn)入條件，并使用信用積分的形式進(jìn)行互認(rèn)。

集裝箱流轉(zhuǎn)方式變?yōu)椋?）集裝箱所有者將閑置的集裝箱納入共享集裝箱池，根據(jù)集裝箱所有人的要求，限定所共享的集裝箱的使用范圍以及約束用箱人的用箱行為，依此生成智能合約的條款;2）用箱人通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)查詢(xún)最優(yōu)可用集裝箱;3）用箱人的用箱要求（所裝貨類(lèi)、目的地等）和預(yù)期費(fèi)用滿(mǎn)足集裝箱所有人設(shè)置的用箱條件匹配，可通過(guò)區(qū)塊鏈系統(tǒng)鎖定目標(biāo)集裝箱，賬戶(hù)中的用箱費(fèi)用將被凍結(jié)目標(biāo)箱的使用權(quán)轉(zhuǎn)移給用箱人;4）集卡（或車(chē)隊(duì)）從平臺(tái)中查詢(xún)待運(yùn)輸?shù)募b箱;5）集卡（或車(chē)隊(duì)）以搶單的方式獲取運(yùn)輸權(quán)，智能合約控制運(yùn)輸權(quán)的獲取以及運(yùn)輸費(fèi)用支付;6）搶單成功的集卡完成提箱、運(yùn)輸?shù)热蝿?wù);7）基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享系統(tǒng)記錄集裝箱流轉(zhuǎn)，集裝箱所有權(quán)的轉(zhuǎn)移;8）以區(qū)塊鏈智能合約控制集裝箱所有權(quán)的轉(zhuǎn)移以及費(fèi)用結(jié)算，使集裝箱所有人與用箱人形成點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)算。用箱完畢后，去除用箱人的集裝箱使用權(quán)，集裝箱狀態(tài)變?yōu)榭捎?，等待下一次使?9）返回步驟2）。

由于在該模式下，集裝箱流轉(zhuǎn)方式的變化，導(dǎo)致集裝箱運(yùn)輸流程發(fā)生以下變化：

1）托運(yùn)人（出口商）使用集裝箱來(lái)源增加。區(qū)塊鏈系統(tǒng)記錄每個(gè)集裝箱的流轉(zhuǎn)，在關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的狀態(tài)將被記錄到區(qū)塊鏈系統(tǒng)中，用箱人擁有查詢(xún)權(quán)限，可以查到最符合用箱需求的集裝箱。其中最符合用箱需求的集裝箱包括三類(lèi)（如圖3所示）：一類(lèi)是在堆場(chǎng)的集裝箱;第二類(lèi)是進(jìn)口重箱掏箱后，準(zhǔn)備還回堆場(chǎng)的集裝箱，該類(lèi)集裝箱一般離出口商較近，且拖車(chē)與集裝箱均在進(jìn)口商處，不需要重新安排拖車(chē)，能為發(fā)貨商的出貨節(jié)省時(shí)間和成本，是出口商的首選，但該類(lèi)集裝箱停留的時(shí)間窗較短，進(jìn)口商作業(yè)結(jié)束，時(shí)間窗也隨之消失;第三類(lèi)是進(jìn)口空箱，進(jìn)口空箱直接被出口商鎖定并使用，能節(jié)省提箱的時(shí)間和成本，亦可作為用箱選項(xiàng)之一。

2）托運(yùn)人訂艙時(shí)間可延至裝箱后。在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中，承運(yùn)人對(duì)集裝箱的控制權(quán)被弱化，托運(yùn)人可以選擇系統(tǒng)內(nèi)可查到的任意可用箱，由于不需要在提箱前與航運(yùn)企業(yè)訂艙，所以托運(yùn)人在裝貨后選擇最合適的船舶航次訂艙（如圖4所示）。集裝箱裝箱后，預(yù)估集卡重箱運(yùn)輸時(shí)間Ti，再查詢(xún)所有掛靠本港并能駛至相同目的港的船舶停靠時(shí)間窗口TWi，確定目標(biāo)船舶后，向航運(yùn)企業(yè)訂艙。

3）可靈活選擇出貨港口。由于實(shí)現(xiàn)集裝箱與承運(yùn)人分離，集裝箱出貨港口不再由承運(yùn)人來(lái)制定，而由托運(yùn)人根據(jù)實(shí)際情況選擇，托運(yùn)人可以根據(jù)實(shí)際情況選擇不同的發(fā)貨港，而掛靠這些發(fā)貨港的航運(yùn)企業(yè)和航線(xiàn)可能會(huì)有所不同。如圖5即表示發(fā)貨人可選擇集裝箱出貨港口：當(dāng)裝箱完畢準(zhǔn)備出貨時(shí)，發(fā)現(xiàn)某一航次船舶即將掛靠，運(yùn)輸時(shí)間不足以趕上截港時(shí)間，同時(shí)相鄰港口某一航線(xiàn)也能到達(dá)相同目的港，且船期較為合適時(shí)可選擇從另一個(gè)港口出貨（如分別掛靠寧波港和上海港的航線(xiàn)）。

通過(guò)上述關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的分析，在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下集裝箱的流轉(zhuǎn)如圖6所示，其中：IF（Import Full）表示進(jìn)口重箱，IE（Import Empty）表示進(jìn)口空箱。以航運(yùn)企業(yè)為中心的用箱格局被區(qū)塊鏈所代替，出口商可任意選擇可用箱，出口商可選擇的集裝箱、托運(yùn)人、出貨港范圍擴(kuò)大，并能使集裝箱運(yùn)輸?shù)馁Y金成本和時(shí)間成本均有所縮減。

經(jīng)過(guò)學(xué)者們的不斷深入研究，Petri網(wǎng)衍生出時(shí)間賦時(shí)Petri網(wǎng)此處是否應(yīng)為賦時(shí)Petri網(wǎng)，請(qǐng)明確（Timed Petri Net， TPN）、著色Petri網(wǎng)（Colored? Petri Net， CPN）、隨機(jī)Petri網(wǎng)（Stochastic? Petri Net， SPN）等高級(jí)形式。本文根據(jù)集裝箱運(yùn)輸流程的特點(diǎn)，主要采用賦時(shí)、著色Petri網(wǎng)分析研究對(duì)象。賦時(shí)擴(kuò)展主要用于分析集裝箱的流轉(zhuǎn)效率，著色擴(kuò)展主要用于描述集裝箱狀態(tài)的變化，如空箱裝貨后變?yōu)橹叵洹?/p>

文中所采用CPN Tools作為建模工具和仿真工具。楊磊等[14]、Jensen等[15]認(rèn)為，CPN Tools不僅提供了具有較強(qiáng)交互性的用戶(hù)界面，同時(shí)還具有大量的自動(dòng)化分析工具，適合大規(guī)模的復(fù)雜系統(tǒng)Petri網(wǎng)建模與仿真。本文所研究的集裝箱運(yùn)輸流程具有大量同步、并發(fā)、沖突、互斥、資源共享等特征，適合用CPN Tools對(duì)其建模和仿真分析。

2.2 傳統(tǒng)模式下集裝箱運(yùn)輸流程CTPN建模

根據(jù)集裝箱出口流程，使用CPN Tools建立出口集裝箱一般流程的CTPN分層模型如圖7所示，其中包含四個(gè)子網(wǎng)模型，分別為：訂單接收子網(wǎng)模型（T_A），由變遷T1、T2、T8以及庫(kù)所P2構(gòu)成;訂艙及空箱提取子網(wǎng)模型（T_B），由變遷T3、T4、T5、T6、T7以及庫(kù)所P4、P5、P6、P7、P9構(gòu)成，如圖8所示;空箱運(yùn)輸、裝貨到重箱運(yùn)至港區(qū)子網(wǎng)模型（T_C）由變遷T9、T10、T11、T12、T13以及庫(kù)所P12、P13、P14、P15構(gòu)成;班輪運(yùn)行及碼頭裝卸子網(wǎng)模型（T_D），由變遷T14、T15、T6、T17、T18、T19、T20以及庫(kù)所P19、P20、P21、P22、P23、P24、P25構(gòu)成。模型中頂層模型與子網(wǎng)模型的變遷與庫(kù)所含義如表1所示。

2）當(dāng)出現(xiàn)船期不能滿(mǎn)足訂單的情況，訂單失效，訂單由其他出口商完成或其他航線(xiàn)完成。從接收訂單到將貨物運(yùn)進(jìn)港區(qū)需要一周以上的時(shí)間，所以是否接收訂單需要與船期作比較，模型中相關(guān)設(shè)置為：弧P28—T2的約束條件為t4-t≥7 andalso t4-t≤14。

3）根據(jù)實(shí)際運(yùn)作數(shù)據(jù)，截港時(shí)間為船開(kāi)前4天，模型中相關(guān)設(shè)置為：將T12的GUARD設(shè)置為[t2-3≤t1 andalso t1≤t2]，并將變遷T12設(shè)置為優(yōu)先級(jí)高，即在T12變遷設(shè)置：P_HIGH，其中，t1為貨物到港區(qū)的時(shí)間，t2為船舶靠港時(shí)間，船舶停靠操作時(shí)間為1d。

4）未趕上船期作漏裝需要重新作申報(bào)，時(shí)間為2d。

5）班輪航線(xiàn)上的船舶6～9d靠泊一次港口，等待裝卸的集裝箱均可裝卸上船，船舶靠港前可告知準(zhǔn)確的船期表，船舶半期相關(guān)設(shè)置為： fun runTime（）=discrete（6，9）。

2.3 基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下集裝箱運(yùn)輸流程建模

基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下，出口集裝箱流程的改變主要體現(xiàn)為三個(gè)方面：一是從區(qū)塊鏈系統(tǒng)中可查到的可用箱范圍擴(kuò)大，除了堆場(chǎng)空箱外，還可以選擇進(jìn)口商使用完的進(jìn)口箱以及未進(jìn)堆場(chǎng)的進(jìn)口空箱;二是訂艙可以延至裝箱后，使集裝箱可以選擇到相同目的港的其他航線(xiàn)，或選擇從原定航線(xiàn)的鄰近港口出貨;三是訂艙延后，使出口商不需要提前訂艙，在裝箱后再選擇合適的船期。

基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下集裝箱出口流程的CTPN模型建立中，以傳統(tǒng)模式CTPN模型為基礎(chǔ)，根據(jù)分析出的三點(diǎn)變化增加或修改模型，使其充分體現(xiàn)基于區(qū)塊鏈原理的集裝箱共享模式。類(lèi)似的，將整個(gè)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)分為四個(gè)子網(wǎng)模型：訂單接收子網(wǎng)模型，訂艙及空箱提取子網(wǎng)模型，空箱運(yùn)輸、重箱運(yùn)輸子網(wǎng)模型，班輪運(yùn)行及碼頭裝卸子網(wǎng)模型。在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式的作用下，訂艙及空箱提取子系統(tǒng)以及班輪運(yùn)行及碼頭裝卸子系統(tǒng)發(fā)生變化。為方便觀(guān)察模型前后的變化，在能達(dá)到相同分析效果的情況下對(duì)部分改變作了簡(jiǎn)化：首先，在選擇可用箱方面，選擇進(jìn)口商使用完的進(jìn)口箱與選擇未進(jìn)堆場(chǎng)的進(jìn)口空箱的子系統(tǒng)是相同的，不同點(diǎn)在空箱運(yùn)至裝貨點(diǎn)的時(shí)間，對(duì)整個(gè)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的影響類(lèi)似，均體現(xiàn)為可用箱選擇范圍擴(kuò)大對(duì)集裝箱運(yùn)輸系統(tǒng)的影響，故將兩者合為一個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行考察;其次，在該模式下，可選到目的港的所有航線(xiàn)的船舶以及可選擇從鄰近港口出貨，可理解為同一出口集裝箱在選擇海運(yùn)段的可選范圍增加，在模型中通過(guò)減小船舶運(yùn)行周期便能達(dá)到相同的效果。

CTPN模型中的改變體現(xiàn)為：訂艙及提箱子網(wǎng)模型中，在訂艙及空箱提取子系統(tǒng)中增加了可從進(jìn)口商處提箱的模塊（庫(kù)所P28，P29，P30，P31，P32，P33;變遷T23，T24，T25），在實(shí)際操作用，進(jìn)口商在掏箱后便將空箱歸還至堆場(chǎng)，并非一直停留在進(jìn)口商處，所以這類(lèi)集裝箱的選用有一定的時(shí)間窗口，即從掏箱至還箱的時(shí)間段內(nèi)，可選用此類(lèi)集裝箱，如圖9所示。在模型設(shè)置上，變遷T25的GUARD設(shè)置為[t-t5≤1 andalso t-t5≥0]。進(jìn)口商的集裝箱一般離出口商距離近，且不需要另外聯(lián)系拖車(chē)，使拖車(chē)空車(chē)行駛減少，所以在進(jìn)口商的可用箱是用箱的首選，故將此類(lèi)集裝箱設(shè)置為出口商有先會(huì)選用的集裝箱，在模型中，將變遷T25的優(yōu)先級(jí)設(shè)為“高”（P_HIGH），當(dāng)堆場(chǎng)空箱與進(jìn)口商處的空箱同時(shí)可用時(shí)，優(yōu)先選用進(jìn)口商處的空箱。出口商不需要提前訂艙，故船期對(duì)接收訂單的影響消失，在模型中刪除庫(kù)所P28，同時(shí)刪除T20—P28—T2的兩段弧。在本模型中，船舶到港周期根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值設(shè)置為：在區(qū)間[2，4]上服從均勻分布，數(shù)據(jù)可根據(jù)不同港口的實(shí)際情況作調(diào)整。

與傳統(tǒng)模式下集裝箱運(yùn)輸CTPN模型相比，基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下的集裝箱運(yùn)輸流程CTPN模型新增以及發(fā)生變化的庫(kù)所和變遷如表2所示。為保證兩個(gè)模型的可對(duì)比性，除體現(xiàn)船舶到港周期的@+runTime（）函數(shù)變?yōu)椋篺un runTime（）=discrete（2，4）外，其余的顏色集、變量、函數(shù)均保持不變。大量仿真實(shí)驗(yàn)以及對(duì)模型狀態(tài)空間分析，均表明該系統(tǒng)CTPN模型可靠。

3 仿真結(jié)果與對(duì)比分析

為體現(xiàn)基于區(qū)塊鏈的共享集裝箱模式在集裝箱出口中的作用和效果，有針對(duì)性地選取了四項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析：1）提空箱備貨效率分析，即接收訂單到裝箱準(zhǔn)備出貨的平均時(shí)間;2）訂單損失率分析，即由于訂單與船期不匹配而未接收的訂單比例;3）拖車(chē)?yán)寐史治?，即空?chē)行駛占總運(yùn)輸時(shí)間的比例;4）集裝箱運(yùn)行效率分析，即未趕上船期而作漏裝的集裝箱比例。

利用CPN Tools的監(jiān)視器（Monitor）功能，對(duì)所考察關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)視，將仿真步數(shù)設(shè)置為3000步，從兩個(gè)模型的仿真報(bào)告中各隨機(jī)抽取一組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)計(jì)算得到如下結(jié)論。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同數(shù)據(jù)輸入的情況下，兩種不同模式中，所研究的四項(xiàng)指標(biāo)在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中均優(yōu)于傳統(tǒng)模式，如表3所示。

由表3結(jié)論分析如下：

1）出口商接收訂單到提箱裝貨的時(shí)間在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中平均減小1.18d，即出口商提箱時(shí)間減少，從Petri網(wǎng)模型的對(duì)比中可看出，在訂艙及空箱提取子系統(tǒng)中添加進(jìn)口商與進(jìn)口空箱提箱子系統(tǒng)后，變遷T8將被時(shí)間較早的Token激活，從而使時(shí)間減少。從集裝箱流轉(zhuǎn)的角度看，主要原因是：一方面，在傳統(tǒng)模式中，航運(yùn)企業(yè)為貨主提供的可用箱都存放在固定的堆場(chǎng)里，提箱指令發(fā)出后，必然存在空車(chē)前往堆場(chǎng)提箱的過(guò)程;而在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中增加了從區(qū)塊鏈系統(tǒng)中鎖定在進(jìn)口商處的可用箱的方式，減少了空車(chē)到堆場(chǎng)提箱的次數(shù)。另一方面，一般堆場(chǎng)位于港區(qū)附近，離出口商或進(jìn)口商的距離較遠(yuǎn)，而同一港口腹地的進(jìn)口商與出口商空間距離相對(duì)較近，空箱運(yùn)輸時(shí)間也相對(duì)縮短。

2）基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下，陸運(yùn)段空車(chē)行駛時(shí)間在集裝箱運(yùn)輸總時(shí)間中所的比例減小5.28%。集卡空駛是造成集裝箱運(yùn)輸資源浪費(fèi)的一個(gè)重要原因，在傳統(tǒng)模式下，集卡運(yùn)輸完成指定的運(yùn)輸任務(wù)后，返回堆場(chǎng)，存在較多的空駛，而在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下，集卡以“接單”的方式接收并完成運(yùn)輸任務(wù)，集卡運(yùn)輸完一個(gè)任務(wù)后，會(huì)選擇就近接單的方式。例如：集卡完成進(jìn)口箱任務(wù)后，為避免無(wú)效行駛，會(huì)接受附近的出口任務(wù)，而出口商也更愿意選擇從相鄰進(jìn)口商處獲取空箱，可以在更短的時(shí)間內(nèi)完成提箱。

3）基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中，不存在因船期與訂單時(shí)間窗不匹配而導(dǎo)致的訂單損失的情況。從Petri網(wǎng)模型中可看出，在該模式下，變遷T19發(fā)生變化，發(fā)貨人從班輪運(yùn)輸子系統(tǒng)中可選的航次增多。傳統(tǒng)模式中，出口商選擇承運(yùn)人存在選擇偏好，需要根據(jù)航運(yùn)企業(yè)提供的船期來(lái)決定是否接收定單，即考慮船期是否能趕上訂貨方需求;而在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中，發(fā)貨人可將訂艙時(shí)間延后至裝箱后，可選擇任意到目的港的船舶進(jìn)行出貨，或選擇相鄰港口出貨，故不存在船期與訂單時(shí)間窗不符的情況。

4）在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中，未趕上船期而作漏裝的集裝箱比例減小6.99%。主要原因是：在傳統(tǒng)模式中，出口商需要根據(jù)航運(yùn)企業(yè)發(fā)布的船期，預(yù)估提箱、備貨、出貨這一流程的時(shí)間而選擇是否追趕某一班船期，其中集裝箱的陸運(yùn)段和裝箱時(shí)間存在諸多不確定因素，導(dǎo)致集裝箱趕不上船期而作漏裝的現(xiàn)象，而在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式中，出口商可以根據(jù)船期情況，甚至相鄰港口的船期情況，選擇最有利的出貨策略，故漏裝比例減少。

4 結(jié)語(yǔ)

區(qū)塊鏈被認(rèn)為是最有潛力的顛覆性技術(shù)，集裝箱運(yùn)輸也將受此技術(shù)影響發(fā)生變化。本文研究認(rèn)為：在基于區(qū)塊鏈的作用下，集裝箱可以實(shí)現(xiàn)在不同承運(yùn)人之間的共享，用箱人可以通過(guò)記錄集裝箱的區(qū)塊鏈系統(tǒng)選取最符合用箱需求的集裝箱，而非通過(guò)承運(yùn)人（通常為航運(yùn)企業(yè)）指定用箱以及指定運(yùn)輸船舶。本文分析了基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下集裝箱運(yùn)輸流程發(fā)生的變化，得到以下結(jié)論：一是托運(yùn)人（用箱人）從區(qū)塊鏈系統(tǒng)中可以查詢(xún)并鎖定相鄰進(jìn)口商即將使用完的集裝箱、還未進(jìn)堆場(chǎng)的進(jìn)口空箱、堆場(chǎng)中存放的集裝箱;二是托運(yùn)人可將訂艙時(shí)間推遲至裝箱后，規(guī)避在提箱和裝箱時(shí)間的不確定因素;三是托運(yùn)人可根據(jù)掛靠本港的船舶船期選擇最適合的到達(dá)目的港的船舶，或選擇從相鄰港口出貨。

在此基礎(chǔ)上，本文分別建立了傳統(tǒng)模式下出口集裝箱運(yùn)輸流程的CTPN模型，以及基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下的出口集裝箱運(yùn)輸流程的CTPN模型，通過(guò)CPN Tools對(duì)流程進(jìn)行仿真分析。本文選取并分析了兩種模式下的四項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，結(jié)果表明，在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下，接收訂單到提取空箱裝貨的時(shí)間、路運(yùn)段空車(chē)行駛時(shí)間比例、訂單損失率、作漏裝的集裝箱比例均有所下降，表明該模式下集裝箱運(yùn)輸?shù)男实玫教嵘；趨^(qū)塊鏈的集裝箱共享模式為集裝箱運(yùn)輸?shù)慕当驹鲂峁┝诵碌乃悸?。本文僅分析了在基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式下集裝箱運(yùn)輸流程，未來(lái)的研究中，可將研究范圍擴(kuò)展，一方面對(duì)該模式下的集裝箱運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究探討，另一方面對(duì)結(jié)合集裝箱運(yùn)輸實(shí)際運(yùn)作，對(duì)區(qū)塊鏈智能合約、用箱規(guī)則等方面作進(jìn)一步探討。

參考文獻(xiàn) （References）

[1] STERZIK S. Concepts， mechanisms， and algorithms to measure the potential of container sharing in seaport hinterland transportation [D]. Bremen： University of Bremen， 2013： 27-33.

[2] VOJDANI N， LOOTZ F， RSNER R. Optimizing empty container logistics based on a collaborative network approach [J]. Maritime Economics and Logistics， 2013， 15（4）： 467-493.

[3] 劉大成.共享集裝箱將改變中國(guó)多式聯(lián)運(yùn)全球話(huà)語(yǔ)權(quán)[N].經(jīng)濟(jì)參考報(bào)，2017-08-01（6）.（LIU D C. The global discourse power of China multimodal transportation will be changed through container sharing [N]. Economic Reference Daily， 2017-08-01（6）.）

[4] 楊磊.“共享集裝箱”應(yīng)該怎么玩？[EB/OL].（2017-08-12）[2018-09-06]. http：//www.sohu.com/a/164186126_173888.（YANG L. How to launch sharing containers？ （2017-08-12）[2018-09-06]. http：//www.sohu.com/a/164186126_173888.）

[5] FRIDGEN G， PRINZ W， ROSE T， et al. Blockchain lab-design， implementation and evaluation of innovative business and process models [J]. ERCIM News， 2017（110）： 36-37.

[6] JENITHA T. Process Innovation with Blockchain in banking — a case study of how Blockchain can change the KYC process in banks [D]. Trondheim： Norwegian University of Science and Technology， 2017： 43-45.

[7] ZHANG Y， WEN J. The IoT electric business model： using blockchain technology for the Internet of things [J]. Peer-to-Peer Networking and Applications， 2017， 10（4）： 983-994.

[8] MENDLING J， WEBER I， van der AALST W， et al. Blockchains for business process management — challenges and opportunities [J]. ACM Transactions on Management Information Systems， 2017， 9（1）：? 4.1-4.16.

[9] LI Y， MARIER-BIENVENUE T， PERRON-BRAULT A， et al. Blockchain technology in business organizations： a scoping review [C]// Proceedings of the 51st Hawaii International Conference on System Sciences. Honolulu， HI： HICSS， 2018： 4474-4483.

[10] 劉偉榮，真虹.基于區(qū)塊鏈的集裝箱共享模式研究[J].中國(guó)流通經(jīng)濟(jì)，2018，32（5）：32-42.（LIU W R， ZHEN H. Research on blockchain based container sharing model [J]. China Business and Market， 2018， 32（5）： 32-42.）

[11] van der AALST W. Timed coloured Petri nets and their application to logistics [D]. Eindhoven： Eindhoven University of Technology， 1992： 192-201.

[12] DOTOLI M， FANTI M P， MANGINI A M， et al. The impact of ICT on intermodal transportation systems： a modelling approach by Petri nets [J]. Control Engineering Practice， 2010， 18（8）： 893-903.

[13] LABADI K， BENARBIA T， BARBOT J P， et al. Stochastic petri net modeling， simulation and analysis of public bicycle sharing systems [J]. IEEE Transactions on Automation Science and Engineering， 2015， 12（4）： 1380-1395.

[14] 楊磊，吳哲輝，吳振寰.基于面向?qū)ο驪etri網(wǎng)的組織間工作流建模[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2014，31（8）：59-62.（YANG L， WU Z H， WU Z H. Modelling inter-organizational workflow based object-oriented Petri net [J]. Computer Applications and Software， 2014， 31（8）： 59-62.）

[15] JENSEN K， KRISTENSEN L M， WELLS L. Coloured Petri nets and CPN tools for modelling and validation of concurrent systems [J]. International Journal on Software Tools for Technology Transfer， 2007， 9（3/4）： 213-254.