李 宏，劉 津，劉李蓬

(1.中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司 金華車務(wù)段，浙江 金華 321000；2.中國平安保險(xiǎn)集團(tuán)股份有限公司 區(qū)塊鏈技術(shù)研究中心，上海 200082)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)社會(huì)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(wù)量累計(jì)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(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)輸?shù)慕^對優(yōu)勢，但由于受長期以來所形成的末端網(wǎng)點(diǎn)不健全、市場經(jīng)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(jīng)構(gòu)建起“依托鐵路進(jìn)行干線運(yùn)輸、依托新能源汽車進(jìn)行末端配送”的物流鏈條，已經(jīng)取得良好的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效應(yīng)[1-2]。楊海濤[3]通過對天津市物流運(yùn)輸現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出天津市“3+11”綠色物流體系節(jié)點(diǎn)布局方案；張夢琪[4]通過分析上海市配送需求，構(gòu)建“外集內(nèi)配近港”城市配送整體架構(gòu)。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(dá)速遞有限公司(以下簡稱“韻達(dá)”)為代表的物流企業(yè)已經(jīng)形成強(qiáng)大的末端網(wǎng)絡(luò)和市場經(jīng)營能力，中鐵快運(yùn)股份有限公司(以下簡稱“中鐵快運(yùn)”)探索與順豐速運(yùn)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(yùn)無論是通過開設(shè)網(wǎng)點(diǎn)完善末端網(wǎng)絡(luò)，還是自主組建配送車隊(duì)來解決“最后一公里”問題，都還不完全具備時(shí)間和空間條件。

眾包指的是把工作任務(wù)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(jià)值的理念，能夠在最短時(shí)間內(nèi)以低成本構(gòu)建起規(guī)?；?、集約化和高效化運(yùn)作的配送網(wǎng)絡(luò)，有效解決鐵路快運(yùn)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(gòu)想，采用區(qū)塊鏈技術(shù)實(shí)現(xiàn)組織間分工和利益分配的自動(dòng)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(yùn)新型物流體系。

1 基于區(qū)塊鏈技術(shù)的鐵路眾包快運(yùn)物流體系設(shè)計(jì)分析

鐵路眾包快運(yùn)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(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)輸，城市內(nèi)部化整為零，以千萬級快遞員代替?zhèn)鹘y(tǒng)網(wǎng)點(diǎn)，給予快遞員充分自主權(quán)。在鐵路眾包快運(yùn)物流組織流程體系設(shè)計(jì)中以列車運(yùn)行圖時(shí)間節(jié)點(diǎn)為聯(lián)系紐帶，通過信息化平臺(tái)智能調(diào)度，形成圍繞火車站物流基地高效協(xié)同運(yùn)轉(zhuǎn)的物流網(wǎng)絡(luò)，其核心競爭力在于實(shí)時(shí)收派件體驗(yàn)及高速度、高自由度、高安全性、高性價(jià)比的服務(wù)。

1.1 區(qū)塊鏈技術(shù)應(yīng)用設(shè)計(jì)

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

圖1 共識機(jī)制示意圖Fig.1 Schematic diagram of consensus mechanism

基于區(qū)塊鏈的存儲(chǔ)是獨(dú)立同等的，依靠共識機(jī)制保證存儲(chǔ)一致性，沒有中心節(jié)點(diǎn)概念，從而避免單一記賬體質(zhì)中假賬數(shù)據(jù)的可能性，當(dāng)區(qū)塊鏈中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)或者某幾個(gè)節(jié)點(diǎn)被破會(huì)或者篡改，其他完整節(jié)點(diǎn)會(huì)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(dòng)態(tài)規(guī)劃算法形成智能合約，實(shí)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(gè)事件觸發(fā)合約中的條款，代碼就會(huì)自動(dòng)執(zhí)行，代碼一旦上鏈，此段智能合約就成為該筆運(yùn)輸訂單的自動(dòng)生成器，其執(zhí)行過程與結(jié)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(gè)流程由寄件端動(dòng)態(tài)物流網(wǎng)絡(luò)、寄件端火車站物流基地、城市間鐵路點(diǎn)對點(diǎn)運(yùn)輸、收件端火車站物流基地、收件端動(dòng)態(tài)物流網(wǎng)絡(luò)5 部分組成，提供自主取送、普速模式、極速模式3 種服務(wù)產(chǎn)品，用戶可以根據(jù)實(shí)際需求分段自由組合。城市收派件過程通過快遞員手機(jī)進(jìn)行定位追蹤，鐵路運(yùn)輸區(qū)段根據(jù)列車運(yùn)行時(shí)刻表進(jìn)行定位，提供查看物品實(shí)時(shí)位置功能，確保物品安全。物流時(shí)長從寄件人發(fā)送需求時(shí)起至到達(dá)收件端火車站物流基地時(shí)止計(jì)算，兩城市間最大物流時(shí)長按照市區(qū)與周邊地區(qū)分別設(shè)定，性價(jià)比優(yōu)于現(xiàn)有快遞企業(yè)同類產(chǎn)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(yùn)載車次后送至火車站物流基地，收件人具有高度自由權(quán)，接收到平臺(tái)推送的物件到達(dá)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(shí)間，平臺(tái)根據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間，收取超出部分暫存費(fèi)。自主取送物流組織流程體系圖如圖2 所示。平臺(tái)接收到需求后，將24 h 內(nèi)所有可行的運(yùn)載車次組合，按物流時(shí)長及對應(yīng)運(yùn)費(fèi)綜合排序后推送給寄件人，由寄件人選擇確定運(yùn)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(diào)度平臺(tái)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(shí)長指標(biāo)，從列車運(yùn)行圖中搜索選定所有可行運(yùn)載車次組合，生成預(yù)選方案表，確定最晚送達(dá)寄件端火車站物流基地時(shí)間點(diǎn)。送至寄件端火車站物流基地后系統(tǒng)自動(dòng)從預(yù)選方案表中就近選擇確定運(yùn)載方案。快遞員收取快遞后可以自行暫存，調(diào)度平臺(tái)根據(jù)其所有暫存件的最晚送達(dá)物流基地時(shí)間點(diǎn)動(dòng)態(tài)確定該快遞員最晚送達(dá)物流基地時(shí)間，并推送給快遞員，依此循環(huán)往復(fù)。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(shí)間為目標(biāo)選定運(yùn)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(fèi)用在普速模式物流組織基礎(chǔ)上加收提速產(chǎn)生的相關(guān)費(fèi)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(shù)的鐵路眾包快運(yùn)物流體系設(shè)計(jì)關(guān)鍵環(huán)節(jié)分析

2.1 鐵路車站自動(dòng)化物流基地改造

鐵路車站自動(dòng)化物流基地改造為基于區(qū)塊鏈技術(shù)的鐵路眾包快運(yùn)物流體系優(yōu)化設(shè)計(jì)提供條件。將火車站行包房進(jìn)行自動(dòng)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)包裝箱。在鐵路運(yùn)輸區(qū)段，根據(jù)高速鐵路和普速客車車廂及座位尺寸設(shè)計(jì)制造集裝設(shè)備，該設(shè)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(jìn)行自動(dòng)化改造，建設(shè)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(yùn)行設(shè)備。設(shè)備前端設(shè)置人機(jī)交互系統(tǒng)及寄件口和取件口，內(nèi)部由智能化安檢設(shè)備、分揀系統(tǒng)及一體化存儲(chǔ)墻組成，整體在調(diào)度平臺(tái)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(dòng)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(yīng)集裝設(shè)備；⑦送上運(yùn)載車次；⑧實(shí)時(shí)反饋位置信息。

物流基地中轉(zhuǎn)換乘工作流程為：①調(diào)度平臺(tái)提示到站集裝設(shè)備車次、車廂、座位號；②卸下對應(yīng)集裝設(shè)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(yīng)集裝設(shè)備(異站換乘物件由調(diào)度平臺(tái)派單，快遞員轉(zhuǎn)送)；⑤送上運(yùn)載車次；⑥實(shí)時(shí)反饋位置信息。

物流基地收件工作流程為：①集裝設(shè)備到站；②分揀系統(tǒng)分揀；③存入儲(chǔ)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(shí)時(shí)反饋位置信息。

2.2 最優(yōu)路徑選擇

以列車運(yùn)行圖為基礎(chǔ)，構(gòu)建適用于路徑搜索的復(fù)合拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，建立以不同物流需求(時(shí)間短、換乘少、費(fèi)用低)為目標(biāo)函數(shù)的路徑選擇模型，并采用Dijktra 算法進(jìn)行求解。

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

2.3 運(yùn)費(fèi)計(jì)算

運(yùn)費(fèi)由基礎(chǔ)運(yùn)費(fèi)與額外運(yùn)費(fèi)2 部分組成，采用“運(yùn)前預(yù)估，運(yùn)后結(jié)算”的方式，分現(xiàn)付、到付、分?jǐn)傔\(yùn)費(fèi)3 類，其中額外運(yùn)費(fèi)包含選擇極速模式產(chǎn)生的收派件打賞費(fèi)與暫存費(fèi)(超過24 h)?？傔\(yùn)費(fèi)具體計(jì)算公式為

式中：Z表示總運(yùn)費(fèi)，元；W表示物品重量，kg；αi表示鐵路運(yùn)輸區(qū)段不同車型i的運(yùn)輸費(fèi)率，元/(kg· km)，i=1，2，…，n；Li表示鐵路運(yùn)輸區(qū)段不同車型i的運(yùn)輸距離，km；β表示同站換乘費(fèi)率，元/(kg· 次)；K表示鐵路運(yùn)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(jià)，元；φ表示快遞員收派件運(yùn)費(fèi)率，元/km；Sj表示快遞員收派件或鐵路運(yùn)輸區(qū)段異站換乘運(yùn)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(fèi)，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(fèi)，元/d，到達(dá)后24 h 內(nèi)免費(fèi)暫存。

按照性價(jià)比優(yōu)于現(xiàn)有快遞企業(yè)同類產(chǎn)品的原則設(shè)置費(fèi)率，鐵路眾包快運(yùn)費(fèi)率表如表1 所示。

表1 鐵路眾包快運(yùn)費(fèi)率表Tab.1 Railway crowdsourcing fast freight rate

2.4 共識機(jī)制過程

由于區(qū)塊鏈有著天然的結(jié)算能力，引入多鏈、跨鏈賦能，將訂單賬本與結(jié)算賬本分開，在結(jié)算賬本和訂單賬本互相寫入訂單ID (Identity Document)。在訂單生成時(shí)，同步寫入結(jié)算賬本，進(jìn)行預(yù)訂單處理，在訂單完成時(shí)，同步更改結(jié)算賬本數(shù)據(jù)，同時(shí)調(diào)用智能合約，每個(gè)終端為一個(gè)賬本，進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)算。

（1）驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)接收并存儲(chǔ)沒有驗(yàn)證的交易。一是驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)接收待驗(yàn)證交易，將該筆交易存儲(chǔ)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(shí)再確認(rèn)。

（2）活躍信任節(jié)點(diǎn)發(fā)送提議。信任節(jié)點(diǎn)列表是驗(yàn)證池中的一部分，列表中的信任節(jié)點(diǎn)都來源于驗(yàn)證池。RCP (Rayleigh Wave Consensus Mechanism Protocol)共識機(jī)制需要參與共識的信任節(jié)點(diǎn)處于活躍的狀態(tài)，如果信任節(jié)點(diǎn)長期不活躍將會(huì)被刪除[8]。信任節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的待驗(yàn)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(yàn)證節(jié)點(diǎn)。

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

（4）驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)根據(jù)提議確定認(rèn)可交易列表。一是令信任節(jié)點(diǎn)列表中活躍的信任節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)為M(如5 個(gè))，交易認(rèn)可比例為N(如50%)，則每一個(gè)超過M×N個(gè)信任節(jié)點(diǎn)認(rèn)可的交易將被本驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)認(rèn)可；二是本驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)生成認(rèn)可交易列表，系統(tǒng)為驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)設(shè)置一個(gè)計(jì)數(shù)器，如果計(jì)數(shù)器時(shí)間已到，本信任節(jié)點(diǎn)需要發(fā)送自己的認(rèn)可交易列表。

（5）賬本共識達(dá)成。一是本驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)仍然在接收來自信任節(jié)點(diǎn)列表中信任節(jié)點(diǎn)的提議，并持續(xù)更新認(rèn)可交易列表；二是驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)認(rèn)可列表的生成并不代表最終賬本的形成以及共識的達(dá)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(diǎn)列表認(rèn)可才能達(dá)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(diǎn)列表認(rèn)可，則共識達(dá)成，交易驗(yàn)證結(jié)束，否則繼續(xù)上述過程。

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

3 案例分析

3.1 眾包快運(yùn)物流方案

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

當(dāng)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(diǎn)提交給金華市婺城區(qū)信任節(jié)點(diǎn)，通過智能合約，計(jì)算出最佳解決方案，標(biāo)注出路徑、金額和時(shí)間，并將同一時(shí)間段所有的請求提交給南京驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)(驗(yàn)證池)，直到共識結(jié)束，新賬本生成。節(jié)點(diǎn)驗(yàn)證示意圖如圖6 所示。

此時(shí)，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(dòng)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(gè)最優(yōu)決策表來描述，最優(yōu)決策表是一個(gè)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(yīng)此問題在某個(gè)階段某個(gè)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(shí)長最短為原則，算法同上。

基于12306 網(wǎng)站，金華—北京按照換乘次數(shù)小于等于1 次進(jìn)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(shè)金華市區(qū)至北京市區(qū)最大物流時(shí)長24 h；到達(dá)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(gè)件，分別需在16 :00，16 :30，17 :40 前送達(dá)金華南站物流基地。

圖5 各地點(diǎn)間距離及駕車所需時(shí)間Fig.5 Distance and driving time between locations

圖6 節(jié)點(diǎn)驗(yàn)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(yīng)在開車前30 min 送達(dá)金華(南)站火車站物流基地，因此調(diào)度平臺(tái)搜索列車運(yùn)行圖中金華(南)站15 :42 后發(fā)車且次日15 :00 前達(dá)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(yùn)載方案確定及運(yùn)費(fèi)計(jì)算

如果甲某選擇普速模式，則調(diào)度平臺(tái)按照換乘次數(shù)最少，且不超過最大物流時(shí)長的限制條件，確定車次組合1 (K102 次列車途經(jīng)南京)為運(yùn)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(chǎn)生運(yùn)費(fèi)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(diào)度平臺(tái)按照物流時(shí)長最短的限制條件，確定車次組合2 為運(yùn)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(chǎn)生運(yùn)費(fèi)(甲不打賞)為

通過快遞網(wǎng)，對順豐、圓通、申通、中通和韻達(dá)等快遞收費(fèi)情況進(jìn)行調(diào)查，快遞收費(fèi)情況統(tǒng)計(jì)表如表4 所示。現(xiàn)有快遞公司從金華到北京最短物流時(shí)長為24 h，最低運(yùn)費(fèi)12 元。通過比較，鐵路快運(yùn)性價(jià)比明顯高于其他物流。

4 結(jié)束語

鐵路快運(yùn)新型物流體系通過眾包模式，在最短時(shí)間內(nèi)以低成本構(gòu)建起城市收派網(wǎng)絡(luò)，能夠有效解決鐵路快運(yùn)“最后一公里”短板問題，通過采用區(qū)塊鏈和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)物流組織的自動(dòng)觸發(fā)和環(huán)境信息的實(shí)時(shí)共享，保證快運(yùn)新型物流體系高效協(xié)同。但是，還應(yīng)進(jìn)一步研究鐵路眾包快運(yùn)物流體系一體化調(diào)度平臺(tái)的設(shè)計(jì)開發(fā)，以及鐵路眾包快運(yùn)物流組織過程中“全民快遞員”的管理與激勵(lì)辦法，促進(jìn)鐵路眾包快運(yùn)物流高質(zhì)量發(fā)展。