基于区块链技术的铁路众包快运物流体系设计与实现

李 宏，刘 津，刘李蓬

(1.中国铁路上海局集团有限公司 金华车务段，浙江 金华 321000；2.中国平安保险集团股份有限公司 区块链技术研究中心，上海 200082)

0 引言

随着我国经济社会的发展，近年来快递业发展迅猛。根据国家邮政局公布数据显示，2019 年我国快递业务量累计完成632.5 亿件，市场规模连续6 年稳居世界第一。铁路具有城市间点对点运输的绝对优势，但由于受长期以来所形成的末端网点不健全、市场经营能力不足等限制，在快递市场所占份额一直较低，2019 年仅为0.93%。

目前，日本、法国和德国等国家已经构建起“依托铁路进行干线运输、依托新能源汽车进行末端配送”的物流链条，已经取得良好的经济社会效应[1-2]。杨海涛[3]通过对天津市物流运输现状进行分析，提出天津市“3+11”绿色物流体系节点布局方案；张梦琪[4]通过分析上海市配送需求，构建“外集内配近港”城市配送整体架构。以圆通快递有限公司(以下简称“圆通”)、中通快递股份有限公司(以下简称“中通”)、申通快递有限公司(以下简称“申通”)和韵达速递有限公司(以下简称“韵达”)为代表的物流企业已经形成强大的末端网络和市场经营能力，中铁快运股份有限公司(以下简称“中铁快运”)探索与顺丰速运有限公司(以下简称“顺丰”)合作，解决末端配送问题。然而，铁路快运无论是通过开设网点完善末端网络，还是自主组建配送车队来解决“最后一公里”问题，都还不完全具备时间和空间条件。

众包指的是把工作任务以自愿自由的形式外包给非特定大众的做法，包含着与用户共创价值的理念，能够在最短时间内以低成本构建起规模化、集约化和高效化运作的配送网络，有效解决铁路快运末端收派问题[5-6]。因此，提出在末端城市推行“全民快递员”众包模式的构想，采用区块链技术实现组织间分工和利益分配的自动触发及物品安全的有效保障，形成去中心化和信任化的铁路众包快运新型物流体系。

1 基于区块链技术的铁路众包快运物流体系设计分析

铁路众包快运物流组织流程体系中城市与城市之间采用既有高速铁路和普速铁路客车进行点对点运输，城市内部化整为零，以千万级快递员代替传统网点，给予快递员充分自主权。在铁路众包快运物流组织流程体系设计中以列车运行图时间节点为联系纽带，通过信息化平台智能调度，形成围绕火车站物流基地高效协同运转的物流网络，其核心竞争力在于实时收派件体验及高速度、高自由度、高安全性、高性价比的服务。

1.1 区块链技术应用设计

整个体系依托于区块链技术，以城市为节点，每个大节点划分为验证节点与信任节点两级架构，中心城市为1 级节点，作为验证节点；周边地区和个人分别为2 级节点、3 级节点，作为信任节点。通过多级选举制度，共识由信任节点发起，汇聚到验证节点，若干个验证节点完成共识后，将最终结果记录在区块中。共识机制示意图如图1 所示。

图1 共识机制示意图Fig.1 Schematic diagram of consensus mechanism

基于区块链的存储是独立同等的，依靠共识机制保证存储一致性，没有中心节点概念，从而避免单一记账体质中假账数据的可能性，当区块链中的一个节点或者某几个节点被破会或者篡改，其他完整节点会保持正常且遗弃掉“坏”账本，从而保证账目数据的安全性[7]。

将列车表选中的动态规划算法形成智能合约，实现算法上链。智能合约作为一段部署在区块链上的代码，一旦某个事件触发合约中的条款，代码就会自动执行，代码一旦上链，此段智能合约就成为该笔运输订单的自动生成器，其执行过程与结果是不可篡改且全透明可监督的。

1.2 物流组织流程体系

整个流程由寄件端动态物流网络、寄件端火车站物流基地、城市间铁路点对点运输、收件端火车站物流基地、收件端动态物流网络5 部分组成，提供自主取送、普速模式、极速模式3 种服务产品，用户可以根据实际需求分段自由组合。城市收派件过程通过快递员手机进行定位追踪，铁路运输区段根据列车运行时刻表进行定位，提供查看物品实时位置功能，确保物品安全。物流时长从寄件人发送需求时起至到达收件端火车站物流基地时止计算，两城市间最大物流时长按照市区与周边地区分别设定，性价比优于现有快递企业同类产品。

（1）自主取送物流组织流程体系。自主取送模式由寄件人选定运载车次后送至火车站物流基地，收件人具有高度自由权，接收到平台推送的物件到达收件端火车站物流基地信息后，可以根据行程安排自主选择取件方式及时间，平台根据存储时间，收取超出部分暂存费。自主取送物流组织流程体系图如图2 所示。平台接收到需求后，将24 h 内所有可行的运载车次组合，按物流时长及对应运费综合排序后推送给寄件人，由寄件人选择确定运载方案。

（2）普速模式物流组织流程体系。普速模式物流组织先由调度平台根据最少换乘次数(同站换乘优先)和不超过最大物流时长指标，从列车运行图中搜索选定所有可行运载车次组合，生成预选方案表，确定最晚送达寄件端火车站物流基地时间点。送至寄件端火车站物流基地后系统自动从预选方案表中就近选择确定运载方案。快递员收取快递后可以自行暂存，调度平台根据其所有暂存件的最晚送达物流基地时间点动态确定该快递员最晚送达物流基地时间，并推送给快递员，依此循环往复。普速模式物流组织流程体系图如图3 所示。

图2 自主取送物流组织流程体系图Fig.2 Flow chart of autonomous delivery logistics organization

（3）极速模式物流组织流程体系。极速模式以最短物流时间为目标选定运载车次组合，快递员接单后需要立即送往火车站物流基地，物流费用在普速模式物流组织基础上加收提速产生的相关费用。极速模式物流组织流程体系图如图4 所示。

2 基于区块链技术的铁路众包快运物流体系设计关键环节分析

2.1 铁路车站自动化物流基地改造

铁路车站自动化物流基地改造为基于区块链技术的铁路众包快运物流体系优化设计提供条件。将火车站行包房进行自动化改造，形成高度集约化、智能化物流基地。将物品按尺寸划分为5 类，即文件、I 类、II 类、III 类及特殊种类物品，分别设计标准包装箱。在铁路运输区段，根据高速铁路和普速客车车厢及座位尺寸设计制造集装设备，该设备装有可伸缩轮对、紧固装置和去向卡等，方便快速装卸车。将火车站现有行包房进行自动化改造，建设成为高度集约化、智能化、集多种功能于一体的全流程无人化运行设备。设备前端设置人机交互系统及寄件口和取件口，内部由智能化安检设备、分拣系统及一体化存储墙组成，整体在调度平台统一指挥下协同工作。

图3 普速模式物流组织流程体系图Fig.3 Flow chart of conventional speed mode logistics organization

图4 极速模式物流组织流程体系图Fig.4 Flow chart of logistics organization in super-speed mode

物流基地寄件工作流程为：①快递员(寄件人)扫码；②物品放入寄件口；③自动化安检；④确定(核对)车次、车厢、座位号；⑤分拣系统分拣；⑥按车次、目的地装入对应集装设备；⑦送上运载车次；⑧实时反馈位置信息。

物流基地中转换乘工作流程为：①调度平台提示到站集装设备车次、车厢、座位号；②卸下对应集装设备；③分拣系统分拣；④同站换乘物件按车次、目的地装入对应集装设备(异站换乘物件由调度平台派单，快递员转送)；⑤送上运载车次；⑥实时反馈位置信息。

物流基地收件工作流程为：①集装设备到站；②分拣系统分拣；③存入储存墙；④快递员(收件人)扫码；⑤分拣系统传输；⑥取件口取件；⑦实时反馈位置信息。

2.2 最优路径选择

以列车运行图为基础，构建适用于路径搜索的复合拓扑网络，建立以不同物流需求(时间短、换乘少、费用低)为目标函数的路径选择模型，并采用Dijktra 算法进行求解。

约束条件为①时间约束。开车前t分钟停止办理；同站换乘时间间隔不少于30 min；异站换乘时间间隔不少于60 min。②流量平衡约束。指定起点O 的选择路径只有1条；中间节点只有经过与不经过2种；指定终点D 的选择路径只有1 条。③换乘约束。节点换乘变量由换乘时间和公里数的加权值决定。

2.3 运费计算

运费由基础运费与额外运费2 部分组成，采用“运前预估，运后结算”的方式，分现付、到付、分摊运费3 类，其中额外运费包含选择极速模式产生的收派件打赏费与暂存费(超过24 h)。总运费具体计算公式为

式中：Z表示总运费，元；W表示物品重量，kg；αi表示铁路运输区段不同车型i的运输费率，元/(kg· km)，i=1，2，…，n；Li表示铁路运输区段不同车型i的运输距离，km；β表示同站换乘费率，元/(kg· 次)；K表示铁路运输区段同站换乘总次数，次；R表示快递员收派件起步价，元；φ表示快递员收派件运费率，元/km；Sj表示快递员收派件或铁路运输区段异站换乘运输距离，km，其中j表示寄件端、收件端、异站换乘1、异站换乘2、…、异站换乘m；P表示极速模式收派件打赏费，元，市区为0～ 10 元，周边地区为0～ 20 元，具体数额由寄(收)件人与快递员博弈确定；Q表示暂存费，元/d，到达后24 h 内免费暂存。

按照性价比优于现有快递企业同类产品的原则设置费率，铁路众包快运费率表如表1 所示。

表1 铁路众包快运费率表Tab.1 Railway crowdsourcing fast freight rate

2.4 共识机制过程

由于区块链有着天然的结算能力，引入多链、跨链赋能，将订单账本与结算账本分开，在结算账本和订单账本互相写入订单ID (Identity Document)。在订单生成时，同步写入结算账本，进行预订单处理，在订单完成时，同步更改结算账本数据，同时调用智能合约，每个终端为一个账本，进行实时结算。

（1）验证节点接收并存储没有验证的交易。一是验证节点接收待验证交易，将该笔交易存储在本地；二是本轮共识过程中新到的交易需要等待，在下次共识时再确认。

（2）活跃信任节点发送提议。信任节点列表是验证池中的一部分，列表中的信任节点都来源于验证池。RCP (Rayleigh Wave Consensus Mechanism Protocol)共识机制需要参与共识的信任节点处于活跃的状态，如果信任节点长期不活跃将会被删除[8]。信任节点根据接收到的待验证交易，包括交易双方额度、交易历史等对交易做出判断，并发送提议至验证节点。

（3）验证节点检验提议来源。验证节点检查接收到的提议是否来自信任节点列表中的合法信任节点，如果是，则存储；如果不是，则丢弃。

（4）验证节点根据提议确定认可交易列表。一是令信任节点列表中活跃的信任节点个数为M(如5 个)，交易认可比例为N(如50%)，则每一个超过M×N个信任节点认可的交易将被本验证节点认可；二是本验证节点生成认可交易列表，系统为验证节点设置一个计数器，如果计数器时间已到，本信任节点需要发送自己的认可交易列表。

（5）账本共识达成。一是本验证节点仍然在接收来自信任节点列表中信任节点的提议，并持续更新认可交易列表；二是验证节点认可列表的生成并不代表最终账本的形成以及共识的达成，账本共识只有在每笔交易都获得至少超过一定比例N的信任节点列表认可才能达成。如果账本中每笔交易都获得至少超过比例(如80%)的信任节点列表认可，则共识达成，交易验证结束，否则继续上述过程。

（6）共识过程结束，形成最新账本。共识过程结束后，已经形成最新的账本，将上轮剩余的待确认交易以及新交易纳入待确认交易列表，开始新一轮共识过程。

3 案例分析

3.1 众包快运物流方案

2020 年某日15 :00 时，居住在金华市婺城区金华东站职工宿舍的甲某，计划通过铁路快运邮寄1份1 kg 重的文件至北京市海淀区五道口。经过调查，金华市金华站和金华南站办理铁路快运业务；北京市北京站和北京南站办理铁路快运业务。各地点间距离及驾车所需时间如图5 所示。金华站和金华南站铁路快运业务开车前30 min 停办。

当甲某在系统中提交寄送申请后，系统将其作为叶子节点提交给金华市婺城区信任节点，通过智能合约，计算出最佳解决方案，标注出路径、金额和时间，并将同一时间段所有的请求提交给南京验证节点(验证池)，直到共识结束，新账本生成。节点验证示意图如图6 所示。

此时，智能合约有以下多种配置方案。一是普通模式方案。智能合约以选择换乘次数最少为原则，通过动态规划算法，解决多阶段决策问题。求解过程可以用一个最优决策表来描述，最优决策表是一个二维表，其中行表示决策的阶段，列表示问题状态，表格需要填写的数据一般对应此问题在某个阶段某个状态下的最优值，解出换乘最少路径。二是极速模式方案。智能合约以选择物流时长最短为原则，算法同上。

基于12306 网站，金华—北京按照换乘次数小于等于1 次进行路径搜索，换乘站分别为杭州、上海、南京、南昌。金华、北京至各换乘站的OD 里程如表2 所示。设金华市区至北京市区最大物流时长24 h；到达北京后立即派送，不在火车站物流基地暂存。目前，快递员乙手中已有3 个件，分别需在16 :00，16 :30，17 :40 前送达金华南站物流基地。

图5 各地点间距离及驾车所需时间Fig.5 Distance and driving time between locations

图6 节点验证示意图Fig.6 Node verification diagram

表2 金华、北京至各换乘站的OD 里程 kmTab.2 OD mileage from Jinhua and Beijing to each transfer station

3.2 路径搜索分析

金华东站职工宿舍至金华站需12 min，至金华南站需20 min，且应在开车前30 min 送达金华(南)站火车站物流基地，因此调度平台搜索列车运行图中金华(南)站15 :42 后发车且次日15 :00 前达到北京(南)站的车次组合，可行车次组合表如表3 所示。

3.3 运载方案确定及运费计算

如果甲某选择普速模式，则调度平台按照换乘次数最少，且不超过最大物流时长的限制条件，确定车次组合1 (K102 次列车途经南京)为运载方案，发布订单，快递员需要在16 :14 前将文件送至金华南站物流基地。快递员乙接单，在16 :00 前将文件送至金华南站物流基地，全程产生运费为

表3 可行车次组合表Tab.3 Available train combination table

如果甲某选择极速模式，则调度平台按照物流时长最短的限制条件，确定车次组合2 为运载方案，发布订单。快递员乙接单，并立即将文件送至金华南站物流基地。全程产生运费(甲不打赏)为

通过快递网，对顺丰、圆通、申通、中通和韵达等快递收费情况进行调查，快递收费情况统计表如表4 所示。现有快递公司从金华到北京最短物流时长为24 h，最低运费12 元。通过比较，铁路快运性价比明显高于其他物流。

4 结束语

铁路快运新型物流体系通过众包模式，在最短时间内以低成本构建起城市收派网络，能够有效解决铁路快运“最后一公里”短板问题，通过采用区块链和物联网技术，能够实现物流组织的自动触发和环境信息的实时共享，保证快运新型物流体系高效协同。但是，还应进一步研究铁路众包快运物流体系一体化调度平台的设计开发，以及铁路众包快运物流组织过程中“全民快递员”的管理与激励办法，促进铁路众包快运物流高质量发展。