孫佩茹，陳子君 （武漢科技大學 汽車與交通工程學院，湖北 武漢 430065）

0 引 言

相比于普通型倉庫，冷庫倉儲的投資成本更高且管理更復雜。冷鏈物流具有高投資、高成本、復雜性等特點，使冷鏈物流運輸存在以下難題。

首先，由于冷鏈物流運輸供應鏈環(huán)節(jié)眾多，導致各節(jié)點之間信息流通不順暢，連接節(jié)點之間存在信息孤島的問題。其次，冷鏈運輸鏈較為復雜，系統(tǒng)組織程度低、運行效率不高，對用戶私人信息的保護力度較弱，尋在信息泄漏的問題。此外，物流運輸鏈各節(jié)點之間利益不對稱，也降低了終端消費者對物流的信任度。

平臺網(wǎng)絡化的建立需要解決大量數(shù)據(jù)存儲和管理的問題，運輸鏈的信息壁壘情況在節(jié)點處發(fā)生較多，需要引入新技術來實現(xiàn)物流運輸鏈模型的優(yōu)化。考慮到冷鏈物流的前期投入成本較高導致其對運輸過程中的車輛和倉儲有特殊要求，難以形成較大規(guī)模的冷鏈物流網(wǎng)絡，故而需要高水平的信息技術提供支撐，以提高物流數(shù)據(jù)管理的效率，解決節(jié)點端資源信息不對稱的問題。本文將PBFT算法引入傳統(tǒng)冷鏈運輸網(wǎng)絡，通過設計運輸鏈優(yōu)化模型來提高數(shù)據(jù)間共識效率，并帶動整個運輸網(wǎng)絡的效率提高，對冷鏈運輸效率的提高具有重要意義。

1 基于PBFT 算法的冷鏈物流運輸模式

1.1 冷鏈運輸追溯問題

冷鏈物流作為日常食品的主要供應鏈之一，其質(zhì)量安全溯源受到了公眾的廣泛關注。冷鏈物流信息溯源是對冷鏈產(chǎn)品從生產(chǎn)到銷售的完整產(chǎn)業(yè)運輸鏈的所有數(shù)據(jù)進行監(jiān)管，但現(xiàn)有的溯源管理手段大多為集中管理，把數(shù)據(jù)信息存儲進中央數(shù)據(jù)庫，由于數(shù)據(jù)信息龐大，難以從中發(fā)現(xiàn)異常數(shù)據(jù)或被篡改的數(shù)據(jù)。集中式管理數(shù)據(jù)的溯源系統(tǒng)無法保證數(shù)據(jù)的真實性，也無法滿足用戶對冷鏈物流信息溯源的需求。

研究[1]發(fā)現(xiàn)區(qū)塊鏈技術具有去中心化、不可篡改、可追溯等特性。為提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，譚海波等[2]利用區(qū)塊鏈相關技術，提出了一種去中心化的數(shù)據(jù)保護和共享方式，有利于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)存儲模式的轉(zhuǎn)型。在運輸網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)共享和達成共識是一痛點問題，需要耗費大量成本，薛騰飛等[3]提出了一個基于區(qū)塊鏈的醫(yī)療數(shù)據(jù)共享模型，該模型適用于解決各醫(yī)療機構(gòu)之間數(shù)據(jù)共享的問題，并采取改進后的共識機制完成了數(shù)據(jù)共享。

區(qū)塊鏈中采用去中心化的共識算法可以保證信任問題，在運輸過程中產(chǎn)生的所有溯源數(shù)據(jù)均可通過物聯(lián)網(wǎng)設備或人工錄入的方式完成信息上鏈，信息上鏈一旦完成便無法修改，有效切斷了數(shù)據(jù)被篡改的可能性，終端消費者只需通過溯源碼查詢即可獲取冷鏈物流溯源數(shù)據(jù)，很大程度上解決了消費者對數(shù)據(jù)不信任的問題。

1.2 PBFT 算法

實用拜占庭容錯機制（PBFT）[4]是一種廣泛應用于區(qū)塊鏈的共識機制，是一種狀態(tài)機副本復制算法[5]，即基于投票的算法。其核心理論是n≥3f+1，其中，n是系統(tǒng)的總節(jié)點數(shù)，f是允許出現(xiàn)故障的節(jié)點數(shù)，從PBFT算法的核心理論可以看出，PBFT系統(tǒng)至少需要4個參與節(jié)點，其中一個被選為主要節(jié)點，其余為次要節(jié)點。系統(tǒng)對信息的處理首先從次要節(jié)點對信息進行分析處理得出結(jié)論，再轉(zhuǎn)由主要節(jié)點進行分析判斷，反饋最終信息，并默認在整個系統(tǒng)中認可這條信息。PBFT算法的具體共識流程如圖1所示[6]。

圖1 PBFT 共識算法流程

PBFT的提出使拜占庭的容錯共識性能大幅提高，其具體工作流程如下。

1.2.1 請求階段

終端消費者向主節(jié)點發(fā)送n條請求消息。

1.2.2 預準備階段

主節(jié)點發(fā)送（n-1）條消息，副節(jié)點接收并發(fā)送（n-1）×（n-1）條消息，并進行廣播預準備消息。

1.2.3 準備階段

主節(jié)點發(fā)布的預準備消息被集群節(jié)點接收后進行自主核驗，若查驗后表示同意則立刻轉(zhuǎn)入準備階段等待其余節(jié)點的核驗。當在集群內(nèi)收到2f+1個從節(jié)點發(fā)布的完成預準備消息的核驗并同意進入準備階段時，即表示準備階段已經(jīng)完成。

1.2.4 確認階段

節(jié)點i需要檢查接收包括自身在內(nèi)的2f+1個消息，當確認消息與預準備消息一致時表示此階段已完成。

1.2.5 回復階段

當節(jié)點結(jié)束上一階段時，需要向終端發(fā)送反饋回復消息，確認終端收到f+1個反饋信息時，即表示發(fā)出的請求已經(jīng)成功達成了共識。

PBFT算法在初始化時所有節(jié)點需要同步視圖，即保證全部節(jié)點處于同一狀態(tài)，初始視圖編號從0開始。當所有節(jié)點視圖全部完成后，從中選取主節(jié)點P，按照以下公式選取。

式中：v為視圖編號，n為節(jié)點數(shù)。

2 共識機制優(yōu)化

PBFT共識算法中的視圖轉(zhuǎn)換協(xié)議指的是當發(fā)現(xiàn)主節(jié)點錯誤時，通過積分機制根據(jù)當前階段的節(jié)點積分選擇新的主節(jié)點，以提高共識效率。但由圖1可知，PBFT算法需要通過三階段協(xié)議才能達成共識，每個階段都將產(chǎn)生大量消息，系統(tǒng)存儲空間負荷度較高，若不及時對信息進行回收清理，系統(tǒng)存儲空間將難以承擔高強度工作?，F(xiàn)有的PBFT算法中已設計了垃圾回收機制來處理無用信息，其執(zhí)行方式為周期性循環(huán)，目的是保證系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)和網(wǎng)絡安全。但在實際應用中，周期性循環(huán)回收會耗費大量網(wǎng)絡資源，在此基礎上改進PBFT算法，在現(xiàn)有的垃圾回收機制的基礎上增加動態(tài)刪減和積分重分配功能，當節(jié)點積分大于所設定的閾值時，運行垃圾回收機制，并刪除所有參與共識的節(jié)點信息，同時清除該部分節(jié)點積分重新賦值，達到共識節(jié)點動態(tài)刪減的目的。

2.1 基于PBFT 算法的冷鏈運輸網(wǎng)絡的優(yōu)化

通過分析上述研究背景可以看出，冷鏈物流運輸?shù)膹碗s性和風險性較高，為了降低或避免風險，簡化運輸網(wǎng)絡，降低運輸過程中的損耗和成本損失，本文將PBFT算法引入冷鏈物流，對冷鏈物流運輸網(wǎng)絡進行合理的優(yōu)化與完善。

冷鏈運輸以冷凍工藝為基礎、制冷技術為手段，保證物品運輸整個過程始終在規(guī)定的溫度環(huán)境下保存，以保證物品的質(zhì)量。物流運輸網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)是包含不同起點終點、不同路線和不同交通形式的復雜鏈式結(jié)構(gòu)。本文將物流運輸網(wǎng)絡定義為公式（2），包括區(qū)間距離、費用和運行時間。

式中：V為網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)，E為網(wǎng)絡中的邊，W為網(wǎng)絡中邊上的權重。

運輸網(wǎng)絡是由相互連接的節(jié)點和弧段組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，其中弧包括方向和權值，權值可以表示時間、運費、流量、距離等。利用網(wǎng)絡權值之間的關系可以采用最小費用、最大流等運算方法優(yōu)化設計出距離最短、用時最少、費用最低、流量最大的路線。

2.2 基于PBFT 的冷鏈運輸網(wǎng)絡優(yōu)化的模型

利用PBFT對冷鏈運輸網(wǎng)絡進行優(yōu)化的主要目的是提高網(wǎng)絡運輸效率，確保在多節(jié)點網(wǎng)絡中提高共識完成率。將各個配送節(jié)點之間的網(wǎng)絡鏈接轉(zhuǎn)化為圖論。現(xiàn)提出以下三種模型。

獨立模型：該模型中每個節(jié)點之間的節(jié)點和線路相互獨立、互不影響，只要節(jié)點和網(wǎng)絡當中有一個可以正常運行，該網(wǎng)絡就可以順利進行運輸。其優(yōu)化模型存在一條從起點到終點的完整線路。

半獨立模型：該模型中每個節(jié)點和線路不完全獨立，節(jié)點和線路之間存在聯(lián)系，任意節(jié)點和線路在任意時刻都處于模型中的某種狀態(tài)，但是不同狀態(tài)下其工作能力不同。其優(yōu)化模型兩節(jié)點間存在一條滿足約束的連通線路。

非獨立模型：在此模型中，網(wǎng)絡中的節(jié)點和線路相互聯(lián)系，具有較高的相關性，不能獨立存在，該優(yōu)化模型存在一條相互連通的路線。

3 基于PBFT 的冷鏈物流運輸優(yōu)化的驗證

3.1 模型分析和設計

本研究基于上述三種分析模型，引入PBFT算法計算每個網(wǎng)絡中的最優(yōu)解，即選擇完成共識次數(shù)最多、路線最短、用時最少、費用最低、流量最大的路線，并將該路線與傳統(tǒng)路線作比較。

本優(yōu)化模型的主要結(jié)構(gòu)如下。

簡化網(wǎng)絡：首先將復雜的運輸網(wǎng)絡轉(zhuǎn)化為圖論，將約束條件轉(zhuǎn)化為弧段上的權值；

算法計算：運用PBFT算法計算并完成共識，改變網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)分析完成共識的次數(shù)變化；

分析比較：對傳統(tǒng)型網(wǎng)絡完成共識與引入PBFT算法的網(wǎng)絡完成共識的數(shù)據(jù)進行對比分析，比較兩者在不同節(jié)點數(shù)的情況下達成共識的效率。

3.2 模型主要技術仿真測試

冷鏈物流運輸鏈追溯系統(tǒng)面向企業(yè)用戶和廣大消費者，為了確保系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行，需要對系統(tǒng)的主要技術進行全面測試，以檢查軟件系統(tǒng)的性能和需求功能是否滿足了指定要求，并將該模型與傳統(tǒng)運輸鏈在有效性、適用性、節(jié)能性等方面進行對比。

共識有效完成率是指簡化網(wǎng)絡后，對網(wǎng)絡發(fā)出共識機制的請求，當整個網(wǎng)絡達成共識時則表示該舉動完成，研究中用完成次數(shù)代表完成率。本實驗將PBFT算法和傳統(tǒng)算法在共識有效完成次數(shù)上進行仿真對比分析，使用MATLAB R2017a軟件進行實驗仿真，分別模擬節(jié)點數(shù)為4、6、8、10等多組的情況，實驗條件為系統(tǒng)中無故障節(jié)點，每種情況下傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小一致。

仿真結(jié)果如圖2所示，可看出隨著節(jié)點數(shù)的不斷增加，PBFT和Tradition的有效完成次數(shù)呈明顯下降趨勢，但PBFT的有效完成次數(shù)總高于Tradition的有效完成次數(shù)，故將PBFT共識算法引入冷鏈物流中與傳統(tǒng)的運輸鏈共識機制相比可以大大提高其效率。

圖2 共識有效完成次數(shù)

4 結(jié) 論

研究通過對基于區(qū)塊鏈的冷鏈物流系統(tǒng)方案進行研究設計，在一定程度上解決了我國冷鏈物流規(guī)模較小且難以擴張的痛點問題。區(qū)塊鏈網(wǎng)絡中的各個節(jié)點具有去中心化、加密、防篡改等特點，與智能物流運輸系統(tǒng)多節(jié)點、網(wǎng)絡化的特點相適應，故考慮將區(qū)塊鏈技術應用到復雜性較高的冷鏈物流系統(tǒng)中。本文主要通過查閱相關文獻分析傳統(tǒng)冷鏈物流運輸中存在的問題，將區(qū)塊鏈技術引入追溯系統(tǒng)。設計并實現(xiàn)了基于區(qū)塊鏈技術的冷鏈物流運輸追溯模型，并對模型的主要技術進行仿真模擬。研究的主要工作意義有以下幾點。

有利于提高冷鏈共識的完成效率，減少運輸過程中的成本損耗，并利用區(qū)塊鏈相關技術平衡各節(jié)點間數(shù)據(jù)的不對稱性；

有利于后續(xù)終端消費者追溯冷鏈貨品的進度，利用PBFT算法使整個運輸網(wǎng)絡擁有平等信息；

有利于加快區(qū)塊鏈相關技術在不同領域的應用和推廣，區(qū)塊鏈技術仍處于研究和發(fā)展階段，將PBFT算法引入冷鏈行業(yè)是對推廣區(qū)塊鏈應用的一項重大幫助。

研究只選取了區(qū)域性的部分節(jié)點作為參考進行研究，后續(xù)將擴大研究的區(qū)域面，將更多節(jié)點加入網(wǎng)絡中，盡可能地保障物流運輸鏈追溯的完整性；另外，可以研究設計更高效簡易的算法來提高多節(jié)點動態(tài)性物流運輸鏈的追溯效率。