基于區(qū)塊鏈技術的鐵路眾包快運物流體系設計與實現(xiàn)

李 宏，劉 津，劉李蓬

(1.中國鐵路上海局集團有限公司 金華車務段，浙江 金華 321000；2.中國平安保險集團股份有限公司 區(qū)塊鏈技術研究中心，上海 200082)

0 引言

隨著我國經濟社會的發(fā)展，近年來快遞業(yè)發(fā)展迅猛。根據(jù)國家郵政局公布數(shù)據(jù)顯示，2019 年我國快遞業(yè)務量累計完成632.5 億件，市場規(guī)模連續(xù)6 年穩(wěn)居世界第一。鐵路具有城市間點對點運輸?shù)慕^對優(yōu)勢，但由于受長期以來所形成的末端網點不健全、市場經營能力不足等限制，在快遞市場所占份額一直較低，2019 年僅為0.93%。

目前，日本、法國和德國等國家已經構建起“依托鐵路進行干線運輸、依托新能源汽車進行末端配送”的物流鏈條，已經取得良好的經濟社會效應[1-2]。楊海濤[3]通過對天津市物流運輸現(xiàn)狀進行分析，提出天津市“3+11”綠色物流體系節(jié)點布局方案；張夢琪[4]通過分析上海市配送需求，構建“外集內配近港”城市配送整體架構。以圓通快遞有限公司(以下簡稱“圓通”)、中通快遞股份有限公司(以下簡稱“中通”)、申通快遞有限公司(以下簡稱“申通”)和韻達速遞有限公司(以下簡稱“韻達”)為代表的物流企業(yè)已經形成強大的末端網絡和市場經營能力，中鐵快運股份有限公司(以下簡稱“中鐵快運”)探索與順豐速運有限公司(以下簡稱“順豐”)合作，解決末端配送問題。然而，鐵路快運無論是通過開設網點完善末端網絡，還是自主組建配送車隊來解決“最后一公里”問題，都還不完全具備時間和空間條件。

眾包指的是把工作任務以自愿自由的形式外包給非特定大眾的做法，包含著與用戶共創(chuàng)價值的理念，能夠在最短時間內以低成本構建起規(guī)?；?、集約化和高效化運作的配送網絡，有效解決鐵路快運末端收派問題[5-6]。因此，提出在末端城市推行“全民快遞員”眾包模式的構想，采用區(qū)塊鏈技術實現(xiàn)組織間分工和利益分配的自動觸發(fā)及物品安全的有效保障，形成去中心化和信任化的鐵路眾包快運新型物流體系。

1 基于區(qū)塊鏈技術的鐵路眾包快運物流體系設計分析

鐵路眾包快運物流組織流程體系中城市與城市之間采用既有高速鐵路和普速鐵路客車進行點對點運輸，城市內部化整為零，以千萬級快遞員代替?zhèn)鹘y(tǒng)網點，給予快遞員充分自主權。在鐵路眾包快運物流組織流程體系設計中以列車運行圖時間節(jié)點為聯(lián)系紐帶，通過信息化平臺智能調度，形成圍繞火車站物流基地高效協(xié)同運轉的物流網絡，其核心競爭力在于實時收派件體驗及高速度、高自由度、高安全性、高性價比的服務。

1.1 區(qū)塊鏈技術應用設計

整個體系依托于區(qū)塊鏈技術，以城市為節(jié)點，每個大節(jié)點劃分為驗證節(jié)點與信任節(jié)點兩級架構，中心城市為1 級節(jié)點，作為驗證節(jié)點；周邊地區(qū)和個人分別為2 級節(jié)點、3 級節(jié)點，作為信任節(jié)點。通過多級選舉制度，共識由信任節(jié)點發(fā)起，匯聚到驗證節(jié)點，若干個驗證節(jié)點完成共識后，將最終結果記錄在區(qū)塊中。共識機制示意圖如圖1 所示。

圖1 共識機制示意圖Fig.1 Schematic diagram of consensus mechanism

基于區(qū)塊鏈的存儲是獨立同等的，依靠共識機制保證存儲一致性，沒有中心節(jié)點概念，從而避免單一記賬體質中假賬數(shù)據(jù)的可能性，當區(qū)塊鏈中的一個節(jié)點或者某幾個節(jié)點被破會或者篡改，其他完整節(jié)點會保持正常且遺棄掉“壞”賬本，從而保證賬目數(shù)據(jù)的安全性[7]。

將列車表選中的動態(tài)規(guī)劃算法形成智能合約，實現(xiàn)算法上鏈。智能合約作為一段部署在區(qū)塊鏈上的代碼，一旦某個事件觸發(fā)合約中的條款，代碼就會自動執(zhí)行，代碼一旦上鏈，此段智能合約就成為該筆運輸訂單的自動生成器，其執(zhí)行過程與結果是不可篡改且全透明可監(jiān)督的。

1.2 物流組織流程體系

整個流程由寄件端動態(tài)物流網絡、寄件端火車站物流基地、城市間鐵路點對點運輸、收件端火車站物流基地、收件端動態(tài)物流網絡5 部分組成，提供自主取送、普速模式、極速模式3 種服務產品，用戶可以根據(jù)實際需求分段自由組合。城市收派件過程通過快遞員手機進行定位追蹤，鐵路運輸區(qū)段根據(jù)列車運行時刻表進行定位，提供查看物品實時位置功能，確保物品安全。物流時長從寄件人發(fā)送需求時起至到達收件端火車站物流基地時止計算，兩城市間最大物流時長按照市區(qū)與周邊地區(qū)分別設定，性價比優(yōu)于現(xiàn)有快遞企業(yè)同類產品。

（1）自主取送物流組織流程體系。自主取送模式由寄件人選定運載車次后送至火車站物流基地，收件人具有高度自由權，接收到平臺推送的物件到達收件端火車站物流基地信息后，可以根據(jù)行程安排自主選擇取件方式及時間，平臺根據(jù)存儲時間，收取超出部分暫存費。自主取送物流組織流程體系圖如圖2 所示。平臺接收到需求后，將24 h 內所有可行的運載車次組合，按物流時長及對應運費綜合排序后推送給寄件人，由寄件人選擇確定運載方案。

（2）普速模式物流組織流程體系。普速模式物流組織先由調度平臺根據(jù)最少換乘次數(shù)(同站換乘優(yōu)先)和不超過最大物流時長指標，從列車運行圖中搜索選定所有可行運載車次組合，生成預選方案表，確定最晚送達寄件端火車站物流基地時間點。送至寄件端火車站物流基地后系統(tǒng)自動從預選方案表中就近選擇確定運載方案。快遞員收取快遞后可以自行暫存，調度平臺根據(jù)其所有暫存件的最晚送達物流基地時間點動態(tài)確定該快遞員最晚送達物流基地時間，并推送給快遞員，依此循環(huán)往復。普速模式物流組織流程體系圖如圖3 所示。

圖2 自主取送物流組織流程體系圖Fig.2 Flow chart of autonomous delivery logistics organization

（3）極速模式物流組織流程體系。極速模式以最短物流時間為目標選定運載車次組合，快遞員接單后需要立即送往火車站物流基地，物流費用在普速模式物流組織基礎上加收提速產生的相關費用。極速模式物流組織流程體系圖如圖4 所示。

2 基于區(qū)塊鏈技術的鐵路眾包快運物流體系設計關鍵環(huán)節(jié)分析

2.1 鐵路車站自動化物流基地改造

鐵路車站自動化物流基地改造為基于區(qū)塊鏈技術的鐵路眾包快運物流體系優(yōu)化設計提供條件。將火車站行包房進行自動化改造，形成高度集約化、智能化物流基地。將物品按尺寸劃分為5 類，即文件、I 類、II 類、III 類及特殊種類物品，分別設計標準包裝箱。在鐵路運輸區(qū)段，根據(jù)高速鐵路和普速客車車廂及座位尺寸設計制造集裝設備，該設備裝有可伸縮輪對、緊固裝置和去向卡等，方便快速裝卸車。將火車站現(xiàn)有行包房進行自動化改造，建設成為高度集約化、智能化、集多種功能于一體的全流程無人化運行設備。設備前端設置人機交互系統(tǒng)及寄件口和取件口，內部由智能化安檢設備、分揀系統(tǒng)及一體化存儲墻組成，整體在調度平臺統(tǒng)一指揮下協(xié)同工作。

圖3 普速模式物流組織流程體系圖Fig.3 Flow chart of conventional speed mode logistics organization

圖4 極速模式物流組織流程體系圖Fig.4 Flow chart of logistics organization in super-speed mode

物流基地寄件工作流程為：①快遞員(寄件人)掃碼；②物品放入寄件口；③自動化安檢；④確定(核對)車次、車廂、座位號；⑤分揀系統(tǒng)分揀；⑥按車次、目的地裝入對應集裝設備；⑦送上運載車次；⑧實時反饋位置信息。

物流基地中轉換乘工作流程為：①調度平臺提示到站集裝設備車次、車廂、座位號；②卸下對應集裝設備；③分揀系統(tǒng)分揀；④同站換乘物件按車次、目的地裝入對應集裝設備(異站換乘物件由調度平臺派單，快遞員轉送)；⑤送上運載車次；⑥實時反饋位置信息。

物流基地收件工作流程為：①集裝設備到站；②分揀系統(tǒng)分揀；③存入儲存墻；④快遞員(收件人)掃碼；⑤分揀系統(tǒng)傳輸；⑥取件口取件；⑦實時反饋位置信息。

2.2 最優(yōu)路徑選擇

以列車運行圖為基礎，構建適用于路徑搜索的復合拓撲網絡，建立以不同物流需求(時間短、換乘少、費用低)為目標函數(shù)的路徑選擇模型，并采用Dijktra 算法進行求解。

約束條件為①時間約束。開車前t分鐘停止辦理；同站換乘時間間隔不少于30 min；異站換乘時間間隔不少于60 min。②流量平衡約束。指定起點O 的選擇路徑只有1條；中間節(jié)點只有經過與不經過2種；指定終點D 的選擇路徑只有1 條。③換乘約束。節(jié)點換乘變量由換乘時間和公里數(shù)的加權值決定。

2.3 運費計算

運費由基礎運費與額外運費2 部分組成，采用“運前預估，運后結算”的方式，分現(xiàn)付、到付、分攤運費3 類，其中額外運費包含選擇極速模式產生的收派件打賞費與暫存費(超過24 h)?？傔\費具體計算公式為

式中：Z表示總運費，元；W表示物品重量，kg；αi表示鐵路運輸區(qū)段不同車型i的運輸費率，元/(kg· km)，i=1，2，…，n；Li表示鐵路運輸區(qū)段不同車型i的運輸距離，km；β表示同站換乘費率，元/(kg· 次)；K表示鐵路運輸區(qū)段同站換乘總次數(shù)，次；R表示快遞員收派件起步價，元；φ表示快遞員收派件運費率，元/km；Sj表示快遞員收派件或鐵路運輸區(qū)段異站換乘運輸距離，km，其中j表示寄件端、收件端、異站換乘1、異站換乘2、…、異站換乘m；P表示極速模式收派件打賞費，元，市區(qū)為0～ 10 元，周邊地區(qū)為0～ 20 元，具體數(shù)額由寄(收)件人與快遞員博弈確定；Q表示暫存費，元/d，到達后24 h 內免費暫存。

按照性價比優(yōu)于現(xiàn)有快遞企業(yè)同類產品的原則設置費率，鐵路眾包快運費率表如表1 所示。

表1 鐵路眾包快運費率表Tab.1 Railway crowdsourcing fast freight rate

2.4 共識機制過程

由于區(qū)塊鏈有著天然的結算能力，引入多鏈、跨鏈賦能，將訂單賬本與結算賬本分開，在結算賬本和訂單賬本互相寫入訂單ID (Identity Document)。在訂單生成時，同步寫入結算賬本，進行預訂單處理，在訂單完成時，同步更改結算賬本數(shù)據(jù)，同時調用智能合約，每個終端為一個賬本，進行實時結算。

（1）驗證節(jié)點接收并存儲沒有驗證的交易。一是驗證節(jié)點接收待驗證交易，將該筆交易存儲在本地；二是本輪共識過程中新到的交易需要等待，在下次共識時再確認。

（2）活躍信任節(jié)點發(fā)送提議。信任節(jié)點列表是驗證池中的一部分，列表中的信任節(jié)點都來源于驗證池。RCP (Rayleigh Wave Consensus Mechanism Protocol)共識機制需要參與共識的信任節(jié)點處于活躍的狀態(tài)，如果信任節(jié)點長期不活躍將會被刪除[8]。信任節(jié)點根據(jù)接收到的待驗證交易，包括交易雙方額度、交易歷史等對交易做出判斷，并發(fā)送提議至驗證節(jié)點。

（3）驗證節(jié)點檢驗提議來源。驗證節(jié)點檢查接收到的提議是否來自信任節(jié)點列表中的合法信任節(jié)點，如果是，則存儲；如果不是，則丟棄。

（4）驗證節(jié)點根據(jù)提議確定認可交易列表。一是令信任節(jié)點列表中活躍的信任節(jié)點個數(shù)為M(如5 個)，交易認可比例為N(如50%)，則每一個超過M×N個信任節(jié)點認可的交易將被本驗證節(jié)點認可；二是本驗證節(jié)點生成認可交易列表，系統(tǒng)為驗證節(jié)點設置一個計數(shù)器，如果計數(shù)器時間已到，本信任節(jié)點需要發(fā)送自己的認可交易列表。

（5）賬本共識達成。一是本驗證節(jié)點仍然在接收來自信任節(jié)點列表中信任節(jié)點的提議，并持續(xù)更新認可交易列表；二是驗證節(jié)點認可列表的生成并不代表最終賬本的形成以及共識的達成，賬本共識只有在每筆交易都獲得至少超過一定比例N的信任節(jié)點列表認可才能達成。如果賬本中每筆交易都獲得至少超過比例(如80%)的信任節(jié)點列表認可，則共識達成，交易驗證結束，否則繼續(xù)上述過程。

（6）共識過程結束，形成最新賬本。共識過程結束后，已經形成最新的賬本，將上輪剩余的待確認交易以及新交易納入待確認交易列表，開始新一輪共識過程。

3 案例分析

3.1 眾包快運物流方案

2020 年某日15 :00 時，居住在金華市婺城區(qū)金華東站職工宿舍的甲某，計劃通過鐵路快運郵寄1份1 kg 重的文件至北京市海淀區(qū)五道口。經過調查，金華市金華站和金華南站辦理鐵路快運業(yè)務；北京市北京站和北京南站辦理鐵路快運業(yè)務。各地點間距離及駕車所需時間如圖5 所示。金華站和金華南站鐵路快運業(yè)務開車前30 min 停辦。

當甲某在系統(tǒng)中提交寄送申請后，系統(tǒng)將其作為葉子節(jié)點提交給金華市婺城區(qū)信任節(jié)點，通過智能合約，計算出最佳解決方案，標注出路徑、金額和時間，并將同一時間段所有的請求提交給南京驗證節(jié)點(驗證池)，直到共識結束，新賬本生成。節(jié)點驗證示意圖如圖6 所示。

此時，智能合約有以下多種配置方案。一是普通模式方案。智能合約以選擇換乘次數(shù)最少為原則，通過動態(tài)規(guī)劃算法，解決多階段決策問題。求解過程可以用一個最優(yōu)決策表來描述，最優(yōu)決策表是一個二維表，其中行表示決策的階段，列表示問題狀態(tài)，表格需要填寫的數(shù)據(jù)一般對應此問題在某個階段某個狀態(tài)下的最優(yōu)值，解出換乘最少路徑。二是極速模式方案。智能合約以選擇物流時長最短為原則，算法同上。

基于12306 網站，金華—北京按照換乘次數(shù)小于等于1 次進行路徑搜索，換乘站分別為杭州、上海、南京、南昌。金華、北京至各換乘站的OD 里程如表2 所示。設金華市區(qū)至北京市區(qū)最大物流時長24 h；到達北京后立即派送，不在火車站物流基地暫存。目前，快遞員乙手中已有3 個件，分別需在16 :00，16 :30，17 :40 前送達金華南站物流基地。

圖5 各地點間距離及駕車所需時間Fig.5 Distance and driving time between locations

圖6 節(jié)點驗證示意圖Fig.6 Node verification diagram

表2 金華、北京至各換乘站的OD 里程 kmTab.2 OD mileage from Jinhua and Beijing to each transfer station

3.2 路徑搜索分析

金華東站職工宿舍至金華站需12 min，至金華南站需20 min，且應在開車前30 min 送達金華(南)站火車站物流基地，因此調度平臺搜索列車運行圖中金華(南)站15 :42 后發(fā)車且次日15 :00 前達到北京(南)站的車次組合，可行車次組合表如表3 所示。

3.3 運載方案確定及運費計算

如果甲某選擇普速模式，則調度平臺按照換乘次數(shù)最少，且不超過最大物流時長的限制條件，確定車次組合1 (K102 次列車途經南京)為運載方案，發(fā)布訂單，快遞員需要在16 :14 前將文件送至金華南站物流基地?？爝f員乙接單，在16 :00 前將文件送至金華南站物流基地，全程產生運費為

表3 可行車次組合表Tab.3 Available train combination table

如果甲某選擇極速模式，則調度平臺按照物流時長最短的限制條件，確定車次組合2 為運載方案，發(fā)布訂單?？爝f員乙接單，并立即將文件送至金華南站物流基地。全程產生運費(甲不打賞)為

通過快遞網，對順豐、圓通、申通、中通和韻達等快遞收費情況進行調查，快遞收費情況統(tǒng)計表如表4 所示。現(xiàn)有快遞公司從金華到北京最短物流時長為24 h，最低運費12 元。通過比較，鐵路快運性價比明顯高于其他物流。

4 結束語

鐵路快運新型物流體系通過眾包模式，在最短時間內以低成本構建起城市收派網絡，能夠有效解決鐵路快運“最后一公里”短板問題，通過采用區(qū)塊鏈和物聯(lián)網技術，能夠實現(xiàn)物流組織的自動觸發(fā)和環(huán)境信息的實時共享，保證快運新型物流體系高效協(xié)同。但是，還應進一步研究鐵路眾包快運物流體系一體化調度平臺的設計開發(fā)，以及鐵路眾包快運物流組織過程中“全民快遞員”的管理與激勵辦法，促進鐵路眾包快運物流高質量發(fā)展。