基于区块链与RFID技术的冷链物流成本分析

刘子璇，李军祥，宋立伟

(上海理工大学 管理学院，上海 200093)

随着经济水平的不断提高和快节奏时代的到来，人们更加注重食品的新鲜程度和质量，也倾向于选择更加便捷的速冻或冷藏食品，这促进了冷链物流行业的快速发展。冷链物流采用特殊的冷藏运输方式和冷藏技术，保证了生鲜产品或特殊药品的质量。但我国冷链物流行业起步晚，冷藏技术不够先进，因此配送过程中的损耗率高。整体发展速度缓慢，存在成本高、利润少、效率低等弊端。

目前，国内外学者不断探索新技术并对其进行优化和改进，常用的技术为区块链与RFID(radio frequency identification)技术。区块链与RFID技术在各个领域中均有不同程度的应用，刘如意等[1]论述了区块链在农产品流通体系中的应用，可以看出区块链与冷链背景下的农产品流通市场有着很强的耦合性。赵晓飞等[2]指出打造大数据背景下流通一体化的农产品链条能使农产品流通渠道更加适应大数据技术的需要。张森等[3]提出一种面向冷链物流行业的区块链技术解决方案，测试表明该方案可以满足业务需求，对冷链物流行业有重要影响。黄海涛等[4]在政府采购合同融资模式中应用了区块链，使得融资过程更为可靠。柴洪等[5]提出区块链去中心化企业智能管理控制模式可有效降低企业管理过程中的成本。冷链是一种特殊的供应链，许多学者关于区块链在供应链中的应用研究对冷链物流也有参考和借鉴价值。李军祥等[6]构建了以区块链技术为基础的物流服务水平监控系统，结果表明区块链技术的应用有助于供应链健康有序发展。潘冯超等[7]从分布式能源供应链角度出发，利用改进PSO算法证明分布式能源供应链可以为能源互联网+智慧能源的发展奠定基础。唐丹等[8]从信息结构角度研究区块链平台对供应链金融的影响，说明区块链技术的应用对供应链金融整体效益有促进作用。张志等[9]指出区块链技术的应用可以有效解决供应链上下游信息不对称情况。VIVALDI等[10]指出RFID技术等智能化技术在冷链物流中的应用可以实现经济效益和客户满意度之间的平衡。此外，小部分学者将注意力转向两种技术的共同应用对冷链物流的影响。李逢天等[11]构建了基于区块链与RFID技术的药品溯源及监控系统，证明了两项技术结合构建的新式系统比传统系统更加安全可靠，效率也有明显提升，且RFID技术可以对冷链运输各个环节的温度进行监管。ZELBST等[12]发现区块链与RFID技术的结合使用对供应链的透明度有着显著影响。

综上所述，现有研究大多只考虑了一种技术的应用，综合两项技术的研究大部分着眼于安全高效的溯源系统的构建，缺少对物流效率和成本的考虑。因此笔者在现有研究基础上，使用两项技术对冷链物流相关成本进行改进。首先利用成本函数量化两项技术的应用程度，构建带有技术应用程度的总成本函数模型。然后对冷链物流成本函数模型进行仿真并计算，观察各项成本随两项技术应用程度的改变而发生的变化，确定两项技术应用程度对成本的影响情况。两项技术的应用可以为冷链物流行业带来降本增效的效果，为冷链物流行业和两项技术的结合提供新思路。

1 区块链、RFID技术与冷链物流的结合

1.1 区块链与RFID技术的概念和性质

区块链本质上是一种存储和访问数据的综合性计算机技术，是分布式数据存储、点对点传输、共识机制、加密算法等计算机技术的新型应用模式[13]。RFID技术作为构建“物联网”的关键技术近年来受到人们的关注。它是一种无线通信技术，可以通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需系统与特定目标之间建立机械或者光学接触[14]，且RFID特有的电子温度标签可以很好地监控温度。

1.2 区块链与RFID在冷链物流中的应用

与传统物流相比，冷链物流要求从生产到销售的各个环节始终处于货品所需的低温环境，对运输过程中的温度和时间要求严格。为了解决温度问题则需要专业的冷藏设备和冷藏技术，其成本普遍偏高。然而运输过程信息不公开，客户无法了解运输过程中的温度是否受到严格控制，信息壁垒的产生使得双方决策成本增加。因此冷链物流行业目前面临的主要问题是成本居高不下、效率有待提高、过程有待透明化。针对此问题，笔者结合区块链和RFID技术对传统冷链物流配送与监管方式进行改进，具体结合方式如图1所示。

图1 区块链、RFID技术与冷链物流的结合方式

由图1可知，两项技术的应用使得配送与监管过程更加公开透明，各环节效率有所提高。首先，基于联盟链共识机制[15]生成主链以保证区块链的安全性，区块链技术具有去中心化、信息不可篡改的特性，可以保证信息的真实和公开透明，打破供需双方信息壁垒。随着区块链应用程度的加深，链上信息透明度不断提高，各企业可以更加直接地获得与自身决策相关的信息，降低了企业的决策成本。其次，利用区块链特有的智能合约特性，在基于侧链协议Loom Plasma Chain搭建的侧链[16]上部署相应的智能合约，可缩短交易和支付环节需要的时间，且区块链应用程度越高，智能合约条款和触发机制也越完善，可有效降低服务环节产生的货损成本。最后，应用RFID技术的电子温度标签可以实时反映温度情况并传送到管理平台，管理人员可以随时了解货品温度情况，若温度不符合要求也可以及时进行温度调节。除此之外，在为客户进行服务的过程中存在到达时间的偏差，此时更需要RFID技术控制冷藏车内的温度，其应用程度越高，对温度掌控能力越强，产生的货损成本越少。综合两项技术的特性与冷链物流的核心，使冷链物流的时间和温度都可得到较好的控制，两项技术的共同应用可以为冷链物流发展提供更多的方向和可能性。

2 成本函数模型分析与构建

两项技术的应用程度不同对成本的影响效果各不相同。两项技术应用程度越高，冷链上各环节的智能化、透明化程度越高，降低成本的效果越明显。为更好地将两项技术应用到冷链物流成本的影响中，在现有研究基础上引入区块链应用程度β1(β1∈[0,1])和RFID应用程度β2(β2∈[0,1])，将两项技术的应用程度纳入到冷链物流各项成本函数中，进行数值实验探究技术应用前后成本变化情况以及应用程度对成本的影响。

2.1 管理成本

管理成本是企业内部经营管理的各种成本的总称，需要综合考虑维修成本、技术改造成本、决策成本、人工成本。

(1)维修成本Cm1主要由冷藏车的维修养护成本构成；技术改造成本Cm2包括区块链技术和RFID技术改造后产生的成本，随着两项技术应用程度增加，改造成本不断增加。

Cm1=mC

(1)

Cm2=β1C1+β2C2

(2)

式中：m为车辆数量；C为每辆冷藏车的固定成本；C1为区块链技术改造成本；C2为RFID技术改造成本。

(2)决策成本Cm3指企业进行决策时需要考虑和运用的一些专项成本。传统冷链物流中与决策相关的信息不公开，导致冷链上下游企业耗费高额决策成本。随着区块链应用程度的增加，信息和数据的透明度增加，当所有企业全部上链后，相关企业可自由获取与自身决策相关的信息，由信息不对称而产生的高额决策成本得到大幅度降低。

Cm3=(1-β1)CD

(3)

式中：CD为冷链物流企业获取相关决策信息需要的成本。

(3)人工成本Cm4主要指在仓储过程中人工耗费的成本。RFID技术的应用将仓库管理流程简化，提高了工作效率并节省了人工成本。随着RFID技术应用程度的增加，人工成本大幅度降低，将人工成本随RFID应用程度变动情况抽象为二次函数形式，应用RFID技术后的人工成本为：

(4)

式中：CA为未应用RFID技术时的人工成本。

由式(1)～式(4)得到管理成本Cm为：

Cm=Cm1+Cm2+Cm3+Cm4=

(5)

2.2 运输成本

运输成本Ct指冷藏车从配送中心出发至返回过程中产生的运输费用，主要包括燃油消耗费。该成本与冷藏车行驶距离和单位运输距离的运费有关。

(6)

2.3 货损成本

鲜活产品受温度和时间的影响易腐易变质，温度的波动和时间的增加都会导致货品变质从而产生质量损失。SHIUE等[17]提出具有易腐性产品的质量随生命周期变化的函数较为复杂，但变质速度通常可以用指数速度表示。经过t时间后的剩余质量可表示为Q(t)=Q0·e-δt，其中Q0为开始配送时完好的质量，α1e-β2为鲜活产品对时间的敏感系数。货损成本可以分为运输过程中的货损和交接过程中的货损两个部分。

(7)

式中：p为鲜活产品在质量上的单位价值损失。

(8)

Cl=Cl1+Cl2=

(9)

2.4 惩罚成本

(10)

(11)

(12)

Cp4=PTi

(13)

由式(10)～式(13)得到总惩罚成本Cp为：

Cp=Cp1+Cp2+Cp3+Cp4=

(14)

2.5 制冷成本

由于货品易腐特性，需要冷藏车从配送中心出发就开始制冷，直至为全部客户配送结束后停止制冷。在配送过程中，车辆产生的制冷成本分为行驶过程和交接过程两部分：

(1)车辆行驶过程中产生的制冷成本Cr1可以通过冷藏车的热负荷来确定。

(15)

式中：Gk1为第k辆车在行驶过程中单位时间内产生的热负荷；C3为单位制冷费用；tk为车辆k为最后一个客户服务结束的时间。

(2)货品交接时备用制冷设备产生的制冷成本Cr2。货品交接时，由于空气对流导致车内温度发生变化，此时备用制冷设备启动以调控温度。

(16)

根据式(15)、式(16)得到总制冷成本Cr为：

Cr=Cr1+Cr2=

(17)

2.6 目标函数

根据式(1)～式(17)可以得到总成本函数，使用总成本最小化来表达目标函数：

minZ=Cm+Ct+Cl+Cp+Cr

(18)

(19)

(20)

(21)

式中：式(19)为每个客户有且只有一辆冷藏车对其进行配送服务；式(20)为配送服务的客户数量不超过客户总数，即每辆冷藏车对同一客户只能进行一次配送服务；式(21)为到达客户j处的时间恰好为到达客户i处时间、客户i，j之间行驶时间、在客户i处服务时间3者之和。

3 数值仿真分析

3.1 参数设置

冷藏车从冷链物流配送中心出发，当全部客户配送结束后所有冷藏车均返回配送中心。客户相关信息如表1所示，客户0为冷链物流配送中心，冷藏车辆从配送中心出发的时间为0，客户能够接受服务时间与完全满意服务时间均以冷藏车出发时间为参考标准。参考文献[18]～文献[20]对其他参数进行预设，具体数据如表2所示。

表1 客户相关信息

表2 各成本内参数设置

为确定更符合实际情况的配送路线，在传统蚁群算法基础上增加了车辆最大载重约束Cmax。MATLAB求解步骤：①提取客户横纵坐标数据，计算距离矩阵并调用求解函数；②初始化禁忌表，设置禁忌表起点位置为1，路径起点位置为1，已服务客户为禁忌表中大于0的元素，确定已服务客户数量，设置待服务客户加载矩阵，若某一客户不是已服务客户代号就将该客户加入待服务客户矩阵中；③每只蚂蚁按照概率遍历所有客户，客户选取受到车辆装载量限制(提取客户需求量数据，若车辆装载量大于待服务客户需求量，则求累计概率和，以确定概率选取下一个客户，若车辆装载量小于待服务客户需求量，则车辆选择起点1，由于设置了路径起点位置，已服务客户矩阵和待服务客户矩阵，可保证在求解过程中不出现子回路和回流情况)；④循环直至满足停止条件(最大迭代次数为100)；⑤将所有可能存在的最短路径和最短路径长度置于空矩阵中，从中提取最短路径和最短路径长度，迭代收敛曲线如图2所示。

图2 最短路径迭代收敛曲线

由图2可知，迭代次数在35代左右达到收敛并在之后的迭代中保持稳定。经过上述流程得到配送距离最短的配送路线为：路线1(0，34，39，0)，路线2(0，40，25，20，0)，路线3(0，38，13，28，35，29，21，0)，路线4(0，36，3，33，26，0)，路线5(0，15，17，7，0)，路线6(0，8，9，5，11，1，31，0)，路线7(0，2，16，24，37，0)，路线8(0，32，19，10，23，4，30，0)，路线9(0，14，12，18，27，0)，路线10(0，6，22，0)。共需10辆冷藏车，总配送距离为1 145.6 km。

3.2 结果分析

根据配送路径可以得到到达每个客户处的时间以及相应的服务时间，进而得到两项技术的应用程度与各项成本的数据,如表3所示。由表3可知，除运输成本外，随着两项技术应用程度的增加，各项成本均产生变动，总成本呈下降趋势。

表3 不同技术应用程度下各项成本数据

(1)管理成本分析。管理成本中车辆维修养护成本保持不变。技术改造成本随两项技术应用程度提高而增加。随着区块链应用程度提高，信息共享程度和透明度越高，降低了由于信息不对称产生的高额决策成本，可以看出决策成本随区块链应用程度提高而减少。人工成本随RFID应用程度提高而减少。可以看出在两项技术应用程度较低时，管理成本有所减少，但随着应用程度的增加，技术改造成本提高，整体管理成本略有上升。

(2)运输成本分析。运输成本仅与冷藏车数量和配送距离有关，当配送路线确定后则配送总距离固定不变，因此运输成本不产生变化。

(3)货损成本分析。根据两项技术应用程度与货损成本的函数关系绘制不同应用程度下的货损成本情况如图3所示。由图3(a)可知，随着区块链技术应用程度的增加，货损成本降低。利用区块链技术特有的智能合约特性可以缩短订单交付、人工结算环节的服务时间，使交接货品时产生的货损成本降低。由图3(b)可知，应用RFID技术特有的电子温度标签可以实时监控冷藏车内货品的温度。区块链技术的配合使用，使得管理人员可以随时监控货品温度并对其进行调控，有效降低了因温度发生变化而产生的货损成本。

图3 技术应用程度与货损成本关系

(4)服务时间分析。为了更直观地看出两项技术的应用在缩短服务时间上的体现，将同一线路上的不同区块链应用程度的服务时间进行对比。由于10条路线上的服务时间都会随着区块链应用程度的增加而缩短，因此选取路线1、2、4作为代表，3条路线上不同区块链应用程度下的服务时间对比如图4所示。由图4可知，在服务环节中，由于利用了区块链智能合约的特性，该环节的效率有所提升，缩短了交易结算时间。且随着区块链应用程度的增加，智能合约条款与触发机制逐步完善，对效率和服务时间的影响更大。两项技术的应用降低了时间和温度对成本的影响，说明区块链与RFID技术的应用可以使冷链物流成本得到有效降低，效率得到明显提升。

图4 服务时间对比

(5)惩罚成本分析。惩罚成本是指货品没有在客户完全满意的时间内送达产生的成本。冷藏车到达时间过早或过晚易导致货品产生变质腐烂造成质量损失，导致客户满意度下降。较有代表性的路线3、5的RFID应用程度与惩罚成本关系如图5所示。其中柱状图形表示在每个客户处产生的惩罚成本，折线表示累加后该路线的总惩罚成本。由图5可知，应用RFID技术后，惩罚成本显著降低，且在个别客户处惩罚成本为零。说明在未应用两项技术前，冷藏车辆到达时间不在客户完全满意的服务时间内，RFID技术的应用可以降低等待服务时间内产生的货损从而降低惩罚成本。但并不是应用程度越高，降低的成本越多，因为冷藏车到达客户处的时间受到区块链应用程度的影响，随着区块链应用程度变化可能会出现提前或延后到达的情况。在得出10条路径不同区块链应用程度后，RFID应用程度与总惩罚成本关系如图6所示，可以看出RFID的应用在一定范围内通过控制货损从而降低惩罚成本。但惩罚成本还与冷藏车到达时间是否在客户能接受的服务时间内有关。因此应在保证客户满意度的情况下确定合适的技术应用程度。

图5 RFID应用程度与惩罚成本关系

图6 不同RFID应用程度下的惩罚成本

(6)制冷成本分析。运输时间和服务时间确定后，区块链应用程度与制冷成本关系如图7所示。由图7和服务时间可知，随着区块链技术应用程度的增加，服务环节效率得到提高，服务时间和总运输时间缩短。部分制冷成本是由开关车门产生空气对流使得车厢内部温度升高造成的，需要消耗额外制冷剂制冷保持车厢内部的低温环境。服务时间减少使得这一部分制冷剂的消耗有所降低，同时总服务时间的缩短使得总制冷成本降低。

图7 不同区块链应用程度下的制冷成本

(7)总成本分析。将全部成本进行汇总，技术应用程度与总成本关系如图8所示，可以看出两项技术的应用为冷链物流企业带来了总成本的降低。当两项技术的应用程度都为1时，全部客户都已上链，冷链物流企业与客户就智能合约相关执行情况达成一致，全部货品都备有RFID电子温度标签，整个冷链物流配送体系效率最高。但随着技术应用程度的增加，技术改造成本上升，可节约成本增长速度变缓。实际情况中也许两项技术应用程度不能同步，但是冷链物流企业可以根据自身情况确定两项技术各自的应用程度，也可以在很大程度上达到降本增效的效果。

图8 不同技术应用程度下的总成本

4 结论

(1)构建了以两项技术应用程度为参数的冷链物流企业总成本函数模型，通过数值仿真对比两项技术应用前后各项成本的变化情况。数值仿真结果显示两项技术的应用降低了冷链物流企业各方面的成本，也提升了各环节的工作效率，因此将两项技术应用到冷链物流中具有一定的现实意义。

(2)冷链物流的核心是温度和时间，区块链与RFID技术的特性与冷链物流核心有很好的结合。区块链技术的应用使得数据公开透明且不可篡改，冷链物流企业可以高效掌握与决策相关的信息，降低决策成本。智能合约特性的应用，省去了繁琐的人工确认、交易结算环节，提高了整个链上的工作效率。RFID技术电子标签的使用，可以对货品所处环境的温度进行实时监控，确保货品始终处于特定的低温环境，有效降低货损成本，有效提升工作效率。

(3)研究仍存在考虑欠妥之处，惩罚成本与客户设定的时间窗有关，在应用程度的确定上还需要更多的衡量与考虑。后续研究可以考虑客户满意度、信息安全程度、消费者对新技术的偏好程度等，将客户时间窗等影响因素考虑到配送路径的确定中，关于两项技术与冷链物流的结合值得深入研究与验证。