基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物流運輸系統(tǒng)設(shè)計研究

摘要：在我國物流運輸行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展過程中，技術(shù)創(chuàng)新是促進行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的關(guān)鍵支撐力，促進物流運輸系統(tǒng)和區(qū)塊鏈技術(shù)相融合，可進一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，促進物流運輸效能提升，并增強物流產(chǎn)業(yè)的核心競爭力。本文介紹了區(qū)塊鏈技術(shù)，以及區(qū)塊鏈技術(shù)對物流運輸領(lǐng)域的影響，在此基礎(chǔ)上，提出基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物流運輸系統(tǒng)設(shè)計。

關(guān)鍵詞：區(qū)塊鏈技術(shù)；物流；物流運輸系統(tǒng)

引言

我國物流行業(yè)需求量從2020年起快速增加，甚至有的地區(qū)物流產(chǎn)業(yè)營收增速超過GDP增速[1]。2024年6月16日，由商務(wù)部流通業(yè)發(fā)展司、中國物流信息中心共同編寫的《中國商貿(mào)物流發(fā)展報告（2023）》發(fā)布，報告顯示，2023年中國商貿(mào)物流總額達126.1萬億元，同比增長5%[2]。另外，據(jù)中國物流與采購聯(lián)合會公布的數(shù)據(jù)，2023年全年社會物流總額超過352萬億元[3]。在物流行業(yè)高速發(fā)展背景下，急需利用現(xiàn)代信息技術(shù)搭建更高效、智能的物流運輸系統(tǒng)，助力構(gòu)建智慧物流格局。區(qū)塊鏈技術(shù)具有開放共識、信息可追溯、透明度高、去中心化等特點，將其用于設(shè)計開發(fā)物流運輸系統(tǒng)，可為物流運輸行業(yè)的穩(wěn)定、高質(zhì)量發(fā)展奠定堅實的技術(shù)基礎(chǔ)。因此，有必要基于區(qū)塊鏈技術(shù)合理改進并科學(xué)設(shè)計物流運輸系統(tǒng)，高效推送最優(yōu)運輸路線，提高運輸服務(wù)質(zhì)量，控制物流成本。

1. 區(qū)塊鏈技術(shù)概述

區(qū)塊鏈技術(shù)是隨著數(shù)字貨幣的發(fā)展逐漸衍生出來并快速普及的。區(qū)塊主要指的是信息塊，其中含有時間戳，不同時間戳內(nèi)的信息密切關(guān)聯(lián)，若干信息塊在相互連接后會形成完整的鏈條，這一鏈條就是區(qū)塊鏈。區(qū)塊鏈可分布于不同服務(wù)器內(nèi)，服務(wù)器數(shù)量不受限制，一般只要存有區(qū)塊鏈且正常運行的服務(wù)器數(shù)量不是零，就可保障區(qū)塊鏈整體的安全性[4]。區(qū)塊鏈技術(shù)體現(xiàn)出開放共識、透明度高、信息可追溯且無法篡改、無管理模塊及中心管理設(shè)備等特點。

2. 區(qū)塊鏈技術(shù)對物流運輸領(lǐng)域的影響

第一，區(qū)塊鏈技術(shù)可打造更科學(xué)、更先進的物流運輸系統(tǒng)，促進運輸效率提升。區(qū)塊鏈技術(shù)能夠自動化地存儲與更新信息，因此，物流運輸系統(tǒng)內(nèi)的各項信息也能快速更新，并可在對運輸過程實現(xiàn)智能計算的基礎(chǔ)上，確定最優(yōu)運輸路線，促進物流方和消費者之間無障礙溝通。

第二，引入?yún)^(qū)塊鏈技術(shù)，可進一步加大物流運輸過程的監(jiān)管力度，優(yōu)化物流環(huán)境。在時間戳技術(shù)的支持下，商品物流過程可實現(xiàn)全面溯源，能夠加強全過程監(jiān)管，打造優(yōu)良的物流信用環(huán)境[5]。

第三，區(qū)塊鏈技術(shù)有助于優(yōu)化物流市場環(huán)境，該技術(shù)有去中心化特點，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)信息不可被篡改，因此，系統(tǒng)數(shù)據(jù)不會被惡意篡改，能夠保障物流過程更加可靠與安全。同時，技術(shù)可支持實時追蹤物流信息，避免發(fā)生市場“亂”象，整合物流行業(yè)，優(yōu)化市場環(huán)境。區(qū)塊鏈技術(shù)支持下整合物流行業(yè)原理如圖1所示。

3. 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的物流運輸系統(tǒng)設(shè)計

為充分發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)推進物流領(lǐng)域發(fā)展的優(yōu)勢，本文著重以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)，優(yōu)化設(shè)計物流運輸系統(tǒng)，底層選用以太坊區(qū)塊鏈，訪問接口主要選擇智能合約，經(jīng)流程轉(zhuǎn)化后形成交易模式，由此確保系統(tǒng)內(nèi)各項操作信息能夠?qū)崟r存儲及更新，所有節(jié)點均可驗證相關(guān)信息的真實性，使運輸信息更具透明性，操作過程具有公開性[6]。

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計中，為保證滿足可擴展性要求，更便捷地進行系統(tǒng)開發(fā)及升級等，經(jīng)對比分析B/S及C/S兩種架構(gòu)的優(yōu)缺點，最終選擇以B/S結(jié)構(gòu)設(shè)計物流運輸系統(tǒng)。系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)層、控制層、應(yīng)用層，同時，用戶應(yīng)用和數(shù)據(jù)彼此隔離，用戶僅可瀏覽系統(tǒng)界面，無法參與系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理，既可為系統(tǒng)檢測及開發(fā)提供便利，也能保證系統(tǒng)的安全性及穩(wěn)定性。

（1）數(shù)據(jù)層需要根據(jù)控制層所傳輸過來的活動數(shù)據(jù)情況實現(xiàn)分類處理，相關(guān)數(shù)據(jù)要先和智能合約相交互，隨后在區(qū)塊鏈網(wǎng)絡(luò)內(nèi)直接儲存，并為后續(xù)數(shù)據(jù)管理奠定基礎(chǔ)。區(qū)塊鏈上既有智能合約代碼，也有管理員、車輛、司機等信息，用戶可通過賬戶登錄對權(quán)限內(nèi)數(shù)據(jù)予以查詢。另外，設(shè)有遺傳算法模塊，基于此模塊挖掘區(qū)塊鏈內(nèi)客戶及司機信息，智能化制定最優(yōu)運輸線路[7]。

（2）控制層（業(yè)務(wù)層）主要是實現(xiàn)系統(tǒng)業(yè)務(wù)，為保證系統(tǒng)具有良好的可擴展性，著重打造Java Script運行環(huán)境，同時通過Solidity語言進行智能合約的編寫，還設(shè)置有外部接口用于讀取和儲存區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)。應(yīng)用層所產(chǎn)生的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)經(jīng)轉(zhuǎn)化處理后形成交易數(shù)據(jù)，相關(guān)數(shù)據(jù)存儲部位就是區(qū)塊鏈，同時，相關(guān)節(jié)點會按照系統(tǒng)運行要求工作，增加數(shù)據(jù)透明度，避免數(shù)據(jù)被隨意篡改。例如，用戶想要查詢某項業(yè)務(wù)的信息和數(shù)據(jù)，就會在系統(tǒng)中提交查詢請求，之后由分布于控制層的用戶接口對相應(yīng)請求予以處理，結(jié)果會可視化地展示在應(yīng)用層。

（3）應(yīng)用層能夠根據(jù)用戶需求及查詢申請項目等，將業(yè)務(wù)相關(guān)信息展示出來，使系統(tǒng)、用戶雙向交互，所呈現(xiàn)的信息不僅包含業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，還會展示業(yè)務(wù)流程等，方便用戶動態(tài)掌握業(yè)務(wù)狀態(tài)，并按需操作。用戶操作數(shù)據(jù)在轉(zhuǎn)成業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)之后，會上傳至控制層，隨后，控制層進行數(shù)據(jù)處理，形成業(yè)務(wù)操作結(jié)果，展示在應(yīng)用層，方便用戶讀取相關(guān)信息。應(yīng)用層涉及多個基礎(chǔ)功能模塊，如倉儲管理、運輸管理、用戶信息等。

3.2 功能模塊設(shè)計

本文以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)所設(shè)計的物流運輸系統(tǒng)主要包括以下四個功能模塊。

（1）運輸管理需求模塊。貨物運輸中會產(chǎn)生一系列業(yè)務(wù)，而相關(guān)業(yè)務(wù)就是此模塊管理重點，具體功能主要有車輛配載、更新運單狀態(tài)等，同時還會對相關(guān)業(yè)務(wù)展開信息管理。模塊信息上傳期間，駕駛員可利用設(shè)備終端實時將貨物運輸狀態(tài)信息及位置信息等輸入系統(tǒng)。同時，系統(tǒng)自行上傳信息，這些信息主要與車輛、駕駛員、用戶等相關(guān)，通過信息存儲及更新，能夠為后期追蹤溯源提供可靠依據(jù)。

（2）倉儲管理需求模塊。該模塊重點是以貨物存儲情況為管理對象和目標，所涉及的信息有出入庫、移庫和庫存等。這里的移庫是指倉庫至倉庫的貨物轉(zhuǎn)移活動。

（3）用戶信息管理模塊。這屬于核心模塊，重點管理用戶權(quán)限設(shè)置、人員登錄、審核、信息注冊等。使用此系統(tǒng)，要求用戶先實名注冊并認證，自動生成區(qū)塊鏈地址，由此可確定用戶的唯一身份。

（4）訂單信息管理模塊。通過此模塊可處理訂單相關(guān)信息，還可統(tǒng)計業(yè)務(wù)訂單。訂單統(tǒng)計期間，可結(jié)合需求確定時間段，獲取所需報表，并對內(nèi)部信息進行自動化分析與歸類整理，為后續(xù)企業(yè)科學(xué)制定決策提供參考依據(jù)[8]。

3.3 智能合約設(shè)計

本文在以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)設(shè)計物流運輸系統(tǒng)過程中，主要將區(qū)塊鏈視作所有數(shù)據(jù)的存儲點位，因為該部位數(shù)據(jù)包含在智能合約數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)內(nèi)，須著重設(shè)計智能合約數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，細化確定合約數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、接口形式、數(shù)據(jù)引用和處理方法等。

一方面，在智能合約設(shè)計中要進行數(shù)據(jù)設(shè)計。明確具體的數(shù)據(jù)讀寫接口后，可更便捷地進行訪問權(quán)限設(shè)置，接口和功能合約操作相互對應(yīng)，訪問中不可選用其他方式。此次設(shè)計中，主要選擇以mapping映射形式使信息結(jié)構(gòu)體在區(qū)塊鏈中存儲，包括業(yè)務(wù)、環(huán)節(jié)、用戶等信息。在智能合約內(nèi)部，無論是映射還是結(jié)構(gòu)體，其存儲形式均是狀態(tài)變量。在智能合約函數(shù)利用下，可滿足多種操作要求，包括增/刪、修改等。

另一方面，在智能合約設(shè)計中需進行功能設(shè)計。此次設(shè)計主要針對上述四大功能模塊對應(yīng)結(jié)構(gòu)進行智能合約的設(shè)計，并以業(yè)務(wù)邏輯為基礎(chǔ)對不同功能模塊設(shè)計相關(guān)外部接口。以運輸管理需求模塊為例，查詢車輛信息對應(yīng)接口為getvehicle，修改車輛信息對應(yīng)接口是modifyvehicle，查詢運輸單號的接口是searchOrder，信息上傳對應(yīng)接口為upoadMsg，運輸狀態(tài)更新接口是updateOrderStatus，更改運單信息的接口是updateOrderMsg。

3.4 算法模型設(shè)計

由于不同用戶存在不同的服務(wù)需求，為提升運輸服務(wù)質(zhì)量，著重圍繞車輛配載業(yè)務(wù)進行算法模塊的設(shè)計，據(jù)此優(yōu)化設(shè)置更科學(xué)的車輛運輸路徑。

在實際設(shè)計中，需先獲取車輛配送時間、行駛路徑等歷史數(shù)據(jù)，據(jù)此對各線路和各時間段狀態(tài)情況展開預(yù)測，從而在只有一個配送中心但有多個客戶節(jié)點的場景下優(yōu)化設(shè)置配送線路。其間要對所有約束條件進行全面考量，對不同配送路線所產(chǎn)生的成本進行精細化計算，找出總成本最小的路線，構(gòu)建優(yōu)化模型，從而控制整體運輸成本，并提升服務(wù)質(zhì)量和效率。

為使運輸成本最小化，主要應(yīng)使固定、運輸、懲罰三項成本之和最小，據(jù)此確定模型公式為

（1）

在公式（1）中，MinZ指運輸成本最小值，C1指固定成本，C2指運輸成本，C3指懲罰成本。

具體約束條件是

（2）

（3）

（4）

在公式（2）、（3）、（4）中，xik代表車輛（k）為客戶（i）配送；Qi代表為客戶（i）所配送的貨物載重；xijk為0的情況下，代表車輛（k）沒有在客戶i和j間配送，在xijk為1的情況下，代表車輛（k）在客戶i和j間配送；Dk代表車輛（k）行駛距離最大值；ri代表客戶（i）貨物配送需求量，即客戶貨物配送需求量總值應(yīng)不高于車輛載重量極大值。

3.5 系統(tǒng)實現(xiàn)

近年來，河南宇鑫物流集團開始不斷升級物流系統(tǒng)，雖然通過GIS和GPS優(yōu)化了貨物追蹤服務(wù)，但運營中仍有多項不足，如溯源機制存在缺陷、信息傳輸相對滯后、資源分配不夠合理等。為改善現(xiàn)狀，將本文所設(shè)計的以區(qū)塊鏈為基礎(chǔ)的物流運輸系統(tǒng)嵌入河南宇鑫物流集團系統(tǒng)體系內(nèi)，既可發(fā)揮區(qū)塊鏈技術(shù)在物流運輸領(lǐng)域的優(yōu)勢，也能實現(xiàn)并驗證此系統(tǒng)設(shè)計的合理性。

在系統(tǒng)開發(fā)中，首先優(yōu)化開發(fā)環(huán)境，底層架構(gòu)選用以太坊區(qū)塊鏈技術(shù)。在智能合約編輯中，主要選擇Solidity語言函數(shù)，同時，將以太坊區(qū)塊鏈視作關(guān)鍵的執(zhí)行環(huán)境，應(yīng)用層通過Windows系統(tǒng)開發(fā)，以Java語言編輯源代碼。系統(tǒng)開發(fā)設(shè)計中，基于倉儲需求、運輸需求、用戶信息管理以及訂單管理、系統(tǒng)登錄各模塊，分別設(shè)置差異化的訪問入口，再根據(jù)不同模塊功能設(shè)置等確定界面顯示信息，用戶根據(jù)權(quán)限、使用需求及界面信息提示逐步操作。

為驗證算法設(shè)計是否合理，設(shè)計實驗中著重收集河南宇鑫物流集團物流運輸實踐中存在的問題，結(jié)合運輸記錄數(shù)據(jù)，分析各項運輸成本，基于相關(guān)數(shù)據(jù)進行模擬測試。模擬數(shù)據(jù)主要是選擇某個城市的30個投遞點，之后確定不同配送中心對應(yīng)坐標，再計算坐標數(shù)據(jù)，收集不同投遞點的需求、位置、服務(wù)時間等信息。結(jié)合該城市物資配送情況，并合理調(diào)試模擬數(shù)據(jù)，確定車輛路徑優(yōu)化模型及相關(guān)參數(shù)，包括初始種群、交叉概率、迭代頻次、代溝、變異概率等。

結(jié)果顯示，算法可在短時間內(nèi)獲得接近于最優(yōu)的解，整體搜索能力良好，在迭代頻次增加過程中，最優(yōu)值持續(xù)增加穩(wěn)定性，代表這種情況下局部搜索能力占據(jù)主導(dǎo)地位。經(jīng)算法求解，證明所設(shè)計算法模型在優(yōu)化車輛路徑方面具有良好的穩(wěn)定性和快速收斂性。系統(tǒng)經(jīng)功能、性能測試，表明系統(tǒng)能夠可靠且安全地運行，系統(tǒng)性能測試結(jié)果如表1所示。

結(jié)語

以區(qū)塊鏈技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計開發(fā)物流運輸系統(tǒng)，可基于該技術(shù)的開放共識、可追溯、業(yè)務(wù)透明、去中心化等特點，進一步豐富系統(tǒng)功能，利用區(qū)塊鏈技術(shù)優(yōu)勢，科學(xué)制定最優(yōu)的物流運輸線路，合理控制運輸成本，切實提升服務(wù)質(zhì)量和客戶滿意度，推進物流運輸領(lǐng)域高質(zhì)量發(fā)展。

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作者簡介：董文強，碩士研究生，助理實驗師，807294241@qq.com，研究方向：物流工程。