基于区块链原理的集装箱共享模式下集装箱运输流程建模与仿真

刘伟荣 真虹

摘 要：针对集装箱存量共享与增量共享均不能有效实施的问题，提出基于区块链原理的集装箱共享模式。首先，阐述基于区块链原理的集装箱共享模式的运作机制;其次，分析在该模式的作用下，集装箱运输流程发生的变化;然后以Petri网理论为基础，使用CPN Tools分别建立传统模式与基于区块链集装箱共享模式下的集装箱运输流程的赋时着色Petri网（CPTN）模型;最后，对模型进行仿真实验，选取不同模式下接收订单到提取空箱装货的时间、路运段空车行驶时间比例、订单损失率、作漏装的集装箱比例这四项指标对比分析。实验结果显示，与传统模式下相比，基于区块链的集装箱共享模式下，发货人提箱时间缩短，集卡空车行驶比例减小5.28%，不再出现因船期与订单时间窗不匹配而损失的订单，作漏装的集装箱比例减小6.99%。通过仿真实验结果可知，基于区块链原理的集装箱共享模式不仅能够弥补集装箱存量共享与增量共享中存在的不足，而且对集装箱运输流程起到优化作用，是集装箱运输行业实现降本增效的一种有效途径。

关键词：区块链;集装箱共享;运输流程;着色赋时Petri网;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]等学者认为，在集装箱运输领域，集装箱共享是集装箱运输行业实现降本增效的有效手段，但集装箱共享在实际运作中鲜有成功案例。杨磊[4]认为信息技术的限制和商业模式的局限，是集装箱共享难以有效开展的主要原因。在实际运作中，曾出现过以“集装箱共享（Box sharing）”为代表的集装箱存量共享，以及以“灰箱（Grey Box）”为代表的集装箱增量共享两种模式，但在实际运作中受到信息技术和商业模式的限制，而未能普及。目前，尚未出现一种集装箱共享模式，能突破现有集装箱共享的局限性。

区块链技术为集装箱共享的发展带来契机，一方面为共享集装箱提供了技术保障，另一方面基于区块链原理的商业模式为集装箱共享模式的拓展提供了新思路。区块链技术研究初期，研究主要集中在区块链的技术细节以及金融应用，随着研究的不断深入，区块链的研究重点逐步转向了基于区块链的商业模式研究，Fridgen等[5]认为，区块链的优势在于它打破了既定的商业模式，可以触发新的商业流程，影响组织结构，导致参与者之间任务分配的变化。基于区块链的商业模式以区块链技术代替传统商业模式中的信任，形成去信任化、去中心化的运作模式，与传统的商业模式运作机制有所不同， Jenitha[6]基于区块链原理，对银行的客户识别流程进行重新设计，認为区块链在流程创新上有很大潜力。Zhang等[7]基于区块链原理，提出一种面向物联网电子商务的物联网电子商务模型，并对传统电子商务模型中的多个要素进行重新设计，形成一种全新的商业模式。Mendling等[8]基于区块链原理，结合商业流程管理（Business Process Management， BPM）相关理论，重构了一种无中心机构的跨组织间的商业流程。Li等[9]认为，在区块链与商业模式结合的研究中，区块链的潜力并未得到充分挖掘，继续挖掘基于区块链的商业模式将是区块链技术的重要研究方向，此外对基于区块链商业模式的实证研究也相对缺乏，这将会是未来的研究方向之一。

在前期研究中，刘伟荣等[10]构建了基于区块链的共享集装箱商业模式，认为该模式下集装箱属性和特点发生变化，从而导致集装箱的流转方式与运输流程也发生变化。在此模式下，集装箱将实现在不同运输主体之间的共享，突破集装箱增量共享与存量共享的局限性。用箱人通过区块链系统查找并使用最符合需求的集装箱，而非通过承运人指定用箱，集装箱用箱方式的变化将导致整个集装箱运输流程发生变化。本文研究的重点是，在该模式下集装箱运输流程发生的改变，以及流程改变对集装箱运输效率产生的影响。区块链与集装箱运输相结合的研究尚处于起始阶段，仍然存在诸多不足：一是区块链与商业模式相结合的研究并不充分，区块链原理与集装箱运输行业的结合点还未能被充分挖掘;二是对基于区块链原理的集装箱共享模式研究中，仅分析了该模式下集装箱运作方式，并未对集装箱运输流程的影响进行分析;三是现有的研究以设计基于区块链的商业模式为主，而缺少定量分析和研究。

对集装箱运输流程的分析研究主要有流程建模、流程再造、流程优化等几个方面，且研究对象多为集装箱海铁多式联运。van der Aalst[11]提出，集装箱运输系统被认为具有同步、并发、冲突、互斥、资源共享等离散事件系统特征，是典型的离散事件动态系统（Discrete Event Dynamic System， DEDS）。为直观地体现传统模式下与基于区块链的共享集装箱模式下集装箱运输流程的区别，本文采用Petri网进行建模和分析。在物流、交通等流程建模与分析方面，Petri网被广泛使用，是一种成熟、高效的建模方法。如：Dotoli等[12]在考虑新型的通信交流技术的情况下，对多式联运系统进行Petri网建模，分析出通信交流技术对多式联运在实施管理方面产生的影响。Labadi等[13]使用离散Petri网对公共自行车的共享系统进行研究。大量基于Petri网的流程建模和分析的文献表明，利用Petri网理论分析基于区块链的集装箱共享模式下的集装箱运输流程是可靠的，而且能更加直观、全面地将流程表现出来。从以上研究中可得知，Petri网理论适用于对集装箱运输流程建模的研究和分析。用Petri网理论，对基于区块链原理的集装箱共享模式下集装箱运输流程建模研究尚处于空白，本文研究不仅是对该模式下定量分析不足的补充，而且进一步丰富了Petri网在集装箱运输流程建模中的应用。

本文从区块链的技术特点出发，分析基于区块链的集装箱共享模式下集装箱运输流程发生的变化，并根据分析构建基于传统模式下的集装箱运输流程赋时着色Petri网模型（Coloured Timed Petri Net， CTPN）与基于区块链的共享集装箱模式下集装箱运输流程CTPN模型。在分析模型可靠性的基础上，选取关键指标分别对两个CTPN模型进行模拟仿真，通过对比得出研究结论。

1 问题描述

1.1 传统模式下集装箱运输流程描述

在传统的集装箱运输中，除少量货主自有箱（Shippers Own Container， SOC）外，大部分集装箱属于承运人箱（Carriers Own Container， COC），用箱人需要用箱时，必须先通过航运企业的允许，使用航运企业指定的集装箱，装货后的集装箱需根据航运企业的安排，装上其运营航线的船舶。进、出口空箱和重箱的流转如图1所示。

传统模式下的集装箱运输流程中，航运企业在集装箱运输业务中占主导地位，用箱人使用的集装箱、提箱的堆场等都由航运企业指定，即便在邻近的厂商、道路、货运站中存在一个可用的空集装箱，托运人也无法得知该消息，也无法使用该集装箱，仍需接受航运企业安排用箱，运输成本很难受到托运人的控制。

1.2 基于区块链共享集装箱模式的集装箱运输流程描述

区块链所构建系统的特点是去中心化、弱控制、自治机制、不可篡改和耦合连接，与共享的理念高度吻合。集装箱共享理念中引入区块链后形成基于区块链的集装箱共享模式[3]，弱化了航运企业对集装箱拥有绝对控制权的中心地位，用箱人用箱方式更为灵活，其运作方式如图2所示。在该模式下，集装箱所有人以点对点（Peer-to-Peer， P2P）的形式将共享集装箱的使用权交予用箱人，用区块链智能合约控制集装箱使用权的转移以及费用支付，因此，该模式下的集装箱属性发生变化：一是实现集装箱的相对独立性，用箱人可从共享集装箱池中查询并使用最佳可用箱，而非由航运企业指定用箱;二是区块链记录集装箱的流转过程及状态，承运人可承接任意共享集装箱的运输任务，并以“抢单”的方式获得运输权。

该模式中，共享集装箱池中的所有集装箱可供任意用箱人使用，集装箱在多个实体构成的组织或联盟之间流转。为保证用箱安全，可采用联盟链的形式来实现集装箱共享，并结合集装箱运输的商业数据是否公开、是否许可，划分不同的客户端类型。客户端通过电脑端或移动端进行操作，进行数据上传、确认、管理等。同时，由于基于区块链的集装箱共享模式下，集装箱使用权的转移过程匿名进行，所有人与用箱人之间不能相互知道身份，为了避免滥用箱等扰乱市场行为，可设置一定的准入条件，并使用信用积分的形式进行互认。

集装箱流转方式变为：1）集装箱所有者将闲置的集装箱纳入共享集装箱池，根据集装箱所有人的要求，限定所共享的集装箱的使用范围以及约束用箱人的用箱行为，依此生成智能合约的条款;2）用箱人通过区块链系统查询最优可用集装箱;3）用箱人的用箱要求（所装货类、目的地等）和预期费用满足集装箱所有人设置的用箱条件匹配，可通过区块链系统锁定目标集装箱，账户中的用箱费用将被冻结目标箱的使用权转移给用箱人;4）集卡（或车队）从平台中查询待运输的集装箱;5）集卡（或车队）以抢单的方式获取运输权，智能合约控制运输权的获取以及运输费用支付;6）抢单成功的集卡完成提箱、运输等任务;7）基于区块链的集装箱共享系统记录集装箱流转，集装箱所有权的转移;8）以区块链智能合约控制集装箱所有权的转移以及费用结算，使集装箱所有人与用箱人形成点对点结算。用箱完毕后，去除用箱人的集装箱使用权，集装箱状态变为可用，等待下一次使用;9）返回步骤2）。

由于在该模式下，集装箱流转方式的变化，导致集装箱运输流程发生以下变化：

1）托运人（出口商）使用集装箱来源增加。区块链系统记录每个集装箱的流转，在关键节点的状态将被记录到区块链系统中，用箱人拥有查询权限，可以查到最符合用箱需求的集装箱。其中最符合用箱需求的集装箱包括三类（如图3所示）：一类是在堆场的集装箱;第二类是进口重箱掏箱后，准备还回堆场的集装箱，该类集装箱一般离出口商较近，且拖车与集装箱均在进口商处，不需要重新安排拖车，能为发货商的出货节省时间和成本，是出口商的首选，但该类集装箱停留的时间窗较短，进口商作业结束，时间窗也随之消失;第三类是进口空箱，进口空箱直接被出口商锁定并使用，能节省提箱的时间和成本，亦可作为用箱选项之一。

2）托运人订舱时间可延至装箱后。在基于区块链的集装箱共享模式中，承运人对集装箱的控制权被弱化，托运人可以选择系统内可查到的任意可用箱，由于不需要在提箱前与航运企业订舱，所以托运人在装货后选择最合适的船舶航次订舱（如图4所示）。集装箱装箱后，预估集卡重箱运输时间Ti，再查询所有挂靠本港并能驶至相同目的港的船舶停靠时间窗口TWi，确定目标船舶后，向航运企业订舱。

3）可灵活选择出货港口。由于实现集装箱与承运人分離，集装箱出货港口不再由承运人来制定，而由托运人根据实际情况选择，托运人可以根据实际情况选择不同的发货港，而挂靠这些发货港的航运企业和航线可能会有所不同。如图5即表示发货人可选择集装箱出货港口：当装箱完毕准备出货时，发现某一航次船舶即将挂靠，运输时间不足以赶上截港时间，同时相邻港口某一航线也能到达相同目的港，且船期较为合适时可选择从另一个港口出货（如分别挂靠宁波港和上海港的航线）。

通过上述关键节点的分析，在基于区块链的集装箱共享模式下集装箱的流转如图6所示，其中：IF（Import Full）表示进口重箱，IE（Import Empty）表示进口空箱。以航运企业为中心的用箱格局被区块链所代替，出口商可任意选择可用箱，出口商可选择的集装箱、托运人、出货港范围扩大，并能使集装箱运输的资金成本和时间成本均有所缩减。

经过学者们的不断深入研究，Petri网衍生出时间赋时Petri网此处是否应为赋时Petri网，请明确（Timed Petri Net， TPN）、着色Petri网（Colored  Petri Net， CPN）、随机Petri网（Stochastic  Petri Net， SPN）等高级形式。本文根据集装箱运输流程的特点，主要采用赋时、着色Petri网分析研究对象。赋时扩展主要用于分析集装箱的流转效率，着色扩展主要用于描述集装箱状态的变化，如空箱装货后变为重箱。

文中所采用CPN Tools作为建模工具和仿真工具。杨磊等[14]、Jensen等[15]认为，CPN Tools不仅提供了具有较强交互性的用户界面，同时还具有大量的自动化分析工具，适合大规模的复杂系统Petri网建模与仿真。本文所研究的集装箱运输流程具有大量同步、并发、冲突、互斥、资源共享等特征，适合用CPN Tools对其建模和仿真分析。

2.2 传统模式下集装箱运输流程CTPN建模

根据集装箱出口流程，使用CPN Tools建立出口集装箱一般流程的CTPN分层模型如图7所示，其中包含四个子网模型，分别为：订单接收子网模型（T_A），由变迁T1、T2、T8以及库所P2构成;订舱及空箱提取子网模型（T_B），由变迁T3、T4、T5、T6、T7以及库所P4、P5、P6、P7、P9构成，如图8所示;空箱运输、装货到重箱运至港区子网模型（T_C）由变迁T9、T10、T11、T12、T13以及库所P12、P13、P14、P15构成;班轮运行及码头装卸子网模型（T_D），由变迁T14、T15、T6、T17、T18、T19、T20以及库所P19、P20、P21、P22、P23、P24、P25构成。模型中顶层模型与子网模型的变迁与库所含义如表1所示。

2）当出现船期不能满足订单的情况，订单失效，订单由其他出口商完成或其他航线完成。从接收订单到将货物运进港区需要一周以上的时间，所以是否接收订单需要与船期作比较，模型中相关设置为：弧P28—T2的约束条件为t4-t≥7 andalso t4-t≤14。

3）根据实际运作数据，截港时间为船开前4天，模型中相关设置为：将T12的GUARD设置为[t2-3≤t1 andalso t1≤t2]，并将变迁T12设置为优先级高，即在T12变迁设置：P_HIGH，其中，t1为货物到港区的时间，t2为船舶靠港时间，船舶停靠操作时间为1d。

4）未赶上船期作漏装需要重新作申报，时间为2d。

5）班轮航线上的船舶6～9d靠泊一次港口，等待装卸的集装箱均可装卸上船，船舶靠港前可告知准确的船期表，船舶半期相关设置为： fun runTime（）=discrete（6，9）。

2.3 基于区块链的集装箱共享模式下集装箱运输流程建模

基于区块链的集装箱共享模式下，出口集装箱流程的改变主要体现为三个方面：一是从区块链系统中可查到的可用箱范围扩大，除了堆场空箱外，还可以选择进口商使用完的进口箱以及未进堆场的进口空箱;二是订舱可以延至装箱后，使集装箱可以选择到相同目的港的其他航线，或选择从原定航线的邻近港口出货;三是订舱延后，使出口商不需要提前订舱，在装箱后再选择合适的船期。

基于区块链的集装箱共享模式下集装箱出口流程的CTPN模型建立中，以传统模式CTPN模型为基础，根据分析出的三点变化增加或修改模型，使其充分体现基于区块链原理的集装箱共享模式。类似的，将整个集装箱运输系统分为四个子网模型：订单接收子网模型，订舱及空箱提取子网模型，空箱运输、重箱运输子网模型，班轮运行及码头装卸子网模型。在基于区块链的集装箱共享模式的作用下，订舱及空箱提取子系统以及班轮运行及码头装卸子系统发生变化。为方便观察模型前后的变化，在能达到相同分析效果的情况下对部分改变作了简化：首先，在选择可用箱方面，选择进口商使用完的进口箱与选择未进堆场的进口空箱的子系统是相同的，不同点在空箱运至装货点的时间，对整个集装箱运输系统的影响类似，均体现为可用箱选择范围扩大对集装箱运输系统的影响，故将两者合为一个子系统进行考察;其次，在该模式下，可选到目的港的所有航线的船舶以及可选择从邻近港口出货，可理解为同一出口集装箱在选择海运段的可选范围增加，在模型中通过减小船舶运行周期便能达到相同的效果。

CTPN模型中的改变体现为：订舱及提箱子网模型中，在订舱及空箱提取子系统中增加了可从进口商处提箱的模块（库所P28，P29，P30，P31，P32，P33;变迁T23，T24，T25），在实际操作用，进口商在掏箱后便将空箱归还至堆场，并非一直停留在进口商处，所以这类集装箱的选用有一定的时间窗口，即从掏箱至还箱的时间段内，可选用此类集装箱，如图9所示。在模型设置上，变迁T25的GUARD设置为[t-t5≤1 andalso t-t5≥0]。进口商的集装箱一般离出口商距离近，且不需要另外联系拖车，使拖车空车行驶减少，所以在进口商的可用箱是用箱的首选，故将此类集装箱设置為出口商有先会选用的集装箱，在模型中，将变迁T25的优先级设为“高”（P_HIGH），当堆场空箱与进口商处的空箱同时可用时，优先选用进口商处的空箱。出口商不需要提前订舱，故船期对接收订单的影响消失，在模型中删除库所P28，同时删除T20—P28—T2的两段弧。在本模型中，船舶到港周期根据经验值设置为：在区间[2，4]上服从均匀分布，数据可根据不同港口的实际情况作调整。

与传统模式下集装箱运输CTPN模型相比，基于区块链的集装箱共享模式下的集装箱运输流程CTPN模型新增以及发生变化的库所和变迁如表2所示。为保证两个模型的可对比性，除体现船舶到港周期的@+runTime（）函数变为：fun runTime（）=discrete（2，4）外，其余的颜色集、变量、函数均保持不变。大量仿真实验以及对模型状态空间分析，均表明该系统CTPN模型可靠。

3 仿真结果与对比分析

为体现基于区块链的共享集装箱模式在集装箱出口中的作用和效果，有针对性地选取了四项指标进行对比分析：1）提空箱备货效率分析，即接收订单到装箱准备出货的平均时间;2）订单损失率分析，即由于订单与船期不匹配而未接收的订单比例;3）拖车利用率分析，即空车行驶占总运输时间的比例;4）集装箱运行效率分析，即未赶上船期而作漏装的集装箱比例。

利用CPN Tools的监视器（Monitor）功能，对所考察关键节点进行监视，将仿真步数设置为3000步，从两个模型的仿真报告中各随机抽取一组实验数据，经过计算得到如下结论。

实验结果表明，在相同数据输入的情况下，两种不同模式中，所研究的四项指标在基于区块链的集装箱共享模式中均优于传统模式，如表3所示。

由表3结论分析如下：

1）出口商接收订单到提箱装货的时间在基于区块链的集装箱共享模式中平均减小1.18d，即出口商提箱时间减少，从Petri网模型的对比中可看出，在订舱及空箱提取子系统中添加进口商与进口空箱提箱子系统后，变迁T8将被时间较早的Token激活，从而使时间减少。从集装箱流转的角度看，主要原因是：一方面，在传统模式中，航运企业为货主提供的可用箱都存放在固定的堆场里，提箱指令发出后，必然存在空车前往堆场提箱的过程;而在基于区块链的集装箱共享模式中增加了从区块链系统中锁定在进口商处的可用箱的方式，减少了空车到堆场提箱的次数。另一方面，一般堆场位于港区附近，离出口商或进口商的距离较远，而同一港口腹地的进口商与出口商空间距离相对较近，空箱运输时间也相对缩短。

2）基于区块链的集装箱共享模式下，陆运段空车行驶时间在集装箱运输总时间中所的比例减小5.28%。集卡空驶是造成集装箱运输资源浪费的一个重要原因，在传统模式下，集卡运输完成指定的运输任务后，返回堆场，存在较多的空驶，而在基于区块链的集装箱共享模式下，集卡以“接单”的方式接收并完成运输任务，集卡运输完一个任务后，会选择就近接单的方式。例如：集卡完成进口箱任务后，为避免无效行驶，会接受附近的出口任务，而出口商也更愿意选择从相邻进口商处获取空箱，可以在更短的时间内完成提箱。

3）基于区块链的集装箱共享模式中，不存在因船期与订单时间窗不匹配而导致的订单损失的情况。从Petri网模型中可看出，在该模式下，变迁T19发生变化，发货人从班轮运输子系统中可选的航次增多。传统模式中，出口商选择承运人存在选择偏好，需要根据航运企业提供的船期来决定是否接收定单，即考虑船期是否能赶上订货方需求;而在基于区块链的集装箱共享模式中，发货人可将订舱时间延后至装箱后，可选择任意到目的港的船舶进行出货，或选择相邻港口出货，故不存在船期与订单时间窗不符的情况。

4）在基于区块链的集装箱共享模式中，未赶上船期而作漏装的集装箱比例减小6.99%。主要原因是：在传统模式中，出口商需要根据航运企业发布的船期，预估提箱、备货、出货这一流程的时间而选择是否追赶某一班船期，其中集装箱的陆运段和装箱时间存在诸多不确定因素，导致集装箱赶不上船期而作漏装的现象，而在基于区块链的集装箱共享模式中，出口商可以根据船期情况，甚至相邻港口的船期情况，选择最有利的出货策略，故漏装比例减少。

4 结语

区块链被认为是最有潜力的颠覆性技术，集装箱运输也将受此技术影响发生变化。本文研究认为：在基于区块链的作用下，集装箱可以实现在不同承运人之间的共享，用箱人可以通过记录集装箱的区块链系统选取最符合用箱需求的集装箱，而非通过承运人（通常为航运企业）指定用箱以及指定运输船舶。本文分析了基于区块链的集装箱共享模式下集装箱运输流程发生的变化，得到以下结论：一是托运人（用箱人）从区块链系统中可以查询并锁定相邻进口商即将使用完的集装箱、还未进堆场的进口空箱、堆场中存放的集装箱;二是托运人可将订舱时间推迟至装箱后，规避在提箱和装箱时间的不确定因素;三是托运人可根据挂靠本港的船舶船期选择最适合的到达目的港的船舶，或选择从相邻港口出货。

在此基础上，本文分别建立了傳统模式下出口集装箱运输流程的CTPN模型，以及基于区块链的集装箱共享模式下的出口集装箱运输流程的CTPN模型，通过CPN Tools对流程进行仿真分析。本文选取并分析了两种模式下的四项关键指标，结果表明，在基于区块链的集装箱共享模式下，接收订单到提取空箱装货的时间、路运段空车行驶时间比例、订单损失率、作漏装的集装箱比例均有所下降，表明该模式下集装箱运输的效率得到提升。基于区块链的集装箱共享模式为集装箱运输的降本增效提供了新的思路。本文仅分析了在基于区块链的集装箱共享模式下集装箱运输流程，未来的研究中，可将研究范围扩展，一方面对该模式下的集装箱运输网络进行研究探讨，另一方面对结合集装箱运输实际运作，对区块链智能合约、用箱规则等方面作进一步探讨。

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