基于區塊鏈技術的物流運輸系統設計研究

摘要：在我國物流運輸行業轉型發展過程中，技術創新是促進行業高質量發展的關鍵支撐力，促進物流運輸系統和區塊鏈技術相融合，可進一步優化系統設計，促進物流運輸效能提升，并增強物流產業的核心競爭力。本文介紹了區塊鏈技術，以及區塊鏈技術對物流運輸領域的影響，在此基礎上，提出基于區塊鏈技術的物流運輸系統設計。

關鍵詞：區塊鏈技術；物流；物流運輸系統

引言

我國物流行業需求量從2020年起快速增加，甚至有的地區物流產業營收增速超過GDP增速[1]。2024年6月16日，由商務部流通業發展司、中國物流信息中心共同編寫的《中國商貿物流發展報告（2023）》發布，報告顯示，2023年中國商貿物流總額達126.1萬億元，同比增長5%[2]。另外，據中國物流與采購聯合會公布的數據，2023年全年社會物流總額超過352萬億元[3]。在物流行業高速發展背景下，急需利用現代信息技術搭建更高效、智能的物流運輸系統，助力構建智慧物流格局。區塊鏈技術具有開放共識、信息可追溯、透明度高、去中心化等特點，將其用于設計開發物流運輸系統，可為物流運輸行業的穩定、高質量發展奠定堅實的技術基礎。因此，有必要基于區塊鏈技術合理改進并科學設計物流運輸系統，高效推送最優運輸路線，提高運輸服務質量，控制物流成本。

1. 區塊鏈技術概述

區塊鏈技術是隨著數字貨幣的發展逐漸衍生出來并快速普及的。區塊主要指的是信息塊，其中含有時間戳，不同時間戳內的信息密切關聯，若干信息塊在相互連接后會形成完整的鏈條，這一鏈條就是區塊鏈。區塊鏈可分布于不同服務器內，服務器數量不受限制，一般只要存有區塊鏈且正常運行的服務器數量不是零，就可保障區塊鏈整體的安全性[4]。區塊鏈技術體現出開放共識、透明度高、信息可追溯且無法篡改、無管理模塊及中心管理設備等特點。

2. 區塊鏈技術對物流運輸領域的影響

第一，區塊鏈技術可打造更科學、更先進的物流運輸系統，促進運輸效率提升。區塊鏈技術能夠自動化地存儲與更新信息，因此，物流運輸系統內的各項信息也能快速更新，并可在對運輸過程實現智能計算的基礎上，確定最優運輸路線，促進物流方和消費者之間無障礙溝通。

第二，引入區塊鏈技術，可進一步加大物流運輸過程的監管力度，優化物流環境。在時間戳技術的支持下，商品物流過程可實現全面溯源，能夠加強全過程監管，打造優良的物流信用環境[5]。

第三，區塊鏈技術有助于優化物流市場環境，該技術有去中心化特點，網絡內信息不可被篡改，因此，系統數據不會被惡意篡改，能夠保障物流過程更加可靠與安全。同時，技術可支持實時追蹤物流信息，避免發生市場“亂”象，整合物流行業，優化市場環境。區塊鏈技術支持下整合物流行業原理如圖1所示。

3. 基于區塊鏈技術的物流運輸系統設計

為充分發揮區塊鏈技術推進物流領域發展的優勢，本文著重以區塊鏈技術為基礎，優化設計物流運輸系統，底層選用以太坊區塊鏈，訪問接口主要選擇智能合約，經流程轉化后形成交易模式，由此確保系統內各項操作信息能夠實時存儲及更新，所有節點均可驗證相關信息的真實性，使運輸信息更具透明性，操作過程具有公開性[6]。

3.1 系統架構設計

系統架構設計中，為保證滿足可擴展性要求，更便捷地進行系統開發及升級等，經對比分析B/S及C/S兩種架構的優缺點，最終選擇以B/S結構設計物流運輸系統。系統包括數據層、控制層、應用層，同時，用戶應用和數據彼此隔離，用戶僅可瀏覽系統界面，無法參與系統數據處理，既可為系統檢測及開發提供便利，也能保證系統的安全性及穩定性。

（1）數據層需要根據控制層所傳輸過來的活動數據情況實現分類處理，相關數據要先和智能合約相交互，隨后在區塊鏈網絡內直接儲存，并為后續數據管理奠定基礎。區塊鏈上既有智能合約代碼，也有管理員、車輛、司機等信息，用戶可通過賬戶登錄對權限內數據予以查詢。另外，設有遺傳算法模塊，基于此模塊挖掘區塊鏈內客戶及司機信息，智能化制定最優運輸線路[7]。

（2）控制層（業務層）主要是實現系統業務，為保證系統具有良好的可擴展性，著重打造Java Script運行環境，同時通過Solidity語言進行智能合約的編寫，還設置有外部接口用于讀取和儲存區塊鏈數據。應用層所產生的業務數據經轉化處理后形成交易數據，相關數據存儲部位就是區塊鏈，同時，相關節點會按照系統運行要求工作，增加數據透明度，避免數據被隨意篡改。例如，用戶想要查詢某項業務的信息和數據，就會在系統中提交查詢請求，之后由分布于控制層的用戶接口對相應請求予以處理，結果會可視化地展示在應用層。

（3）應用層能夠根據用戶需求及查詢申請項目等，將業務相關信息展示出來，使系統、用戶雙向交互，所呈現的信息不僅包含業務數據，還會展示業務流程等，方便用戶動態掌握業務狀態，并按需操作。用戶操作數據在轉成業務數據之后，會上傳至控制層，隨后，控制層進行數據處理，形成業務操作結果，展示在應用層，方便用戶讀取相關信息。應用層涉及多個基礎功能模塊，如倉儲管理、運輸管理、用戶信息等。

3.2 功能模塊設計

本文以區塊鏈為基礎所設計的物流運輸系統主要包括以下四個功能模塊。

（1）運輸管理需求模塊。貨物運輸中會產生一系列業務，而相關業務就是此模塊管理重點，具體功能主要有車輛配載、更新運單狀態等，同時還會對相關業務展開信息管理。模塊信息上傳期間，駕駛員可利用設備終端實時將貨物運輸狀態信息及位置信息等輸入系統。同時，系統自行上傳信息，這些信息主要與車輛、駕駛員、用戶等相關，通過信息存儲及更新，能夠為后期追蹤溯源提供可靠依據。

（2）倉儲管理需求模塊。該模塊重點是以貨物存儲情況為管理對象和目標，所涉及的信息有出入庫、移庫和庫存等。這里的移庫是指倉庫至倉庫的貨物轉移活動。

（3）用戶信息管理模塊。這屬于核心模塊，重點管理用戶權限設置、人員登錄、審核、信息注冊等。使用此系統，要求用戶先實名注冊并認證，自動生成區塊鏈地址，由此可確定用戶的唯一身份。

（4）訂單信息管理模塊。通過此模塊可處理訂單相關信息，還可統計業務訂單。訂單統計期間，可結合需求確定時間段，獲取所需報表，并對內部信息進行自動化分析與歸類整理，為后續企業科學制定決策提供參考依據[8]。

3.3 智能合約設計

本文在以區塊鏈為基礎設計物流運輸系統過程中，主要將區塊鏈視作所有數據的存儲點位，因為該部位數據包含在智能合約數據結構內，須著重設計智能合約數據結構，細化確定合約數據結構、接口形式、數據引用和處理方法等。

一方面，在智能合約設計中要進行數據設計。明確具體的數據讀寫接口后，可更便捷地進行訪問權限設置，接口和功能合約操作相互對應，訪問中不可選用其他方式。此次設計中，主要選擇以mapping映射形式使信息結構體在區塊鏈中存儲，包括業務、環節、用戶等信息。在智能合約內部，無論是映射還是結構體，其存儲形式均是狀態變量。在智能合約函數利用下，可滿足多種操作要求，包括增/刪、修改等。

另一方面，在智能合約設計中需進行功能設計。此次設計主要針對上述四大功能模塊對應結構進行智能合約的設計，并以業務邏輯為基礎對不同功能模塊設計相關外部接口。以運輸管理需求模塊為例，查詢車輛信息對應接口為getvehicle，修改車輛信息對應接口是modifyvehicle，查詢運輸單號的接口是searchOrder，信息上傳對應接口為upoadMsg，運輸狀態更新接口是updateOrderStatus，更改運單信息的接口是updateOrderMsg。

3.4 算法模型設計

由于不同用戶存在不同的服務需求，為提升運輸服務質量，著重圍繞車輛配載業務進行算法模塊的設計，據此優化設置更科學的車輛運輸路徑。

在實際設計中，需先獲取車輛配送時間、行駛路徑等歷史數據，據此對各線路和各時間段狀態情況展開預測，從而在只有一個配送中心但有多個客戶節點的場景下優化設置配送線路。其間要對所有約束條件進行全面考量，對不同配送路線所產生的成本進行精細化計算，找出總成本最小的路線，構建優化模型，從而控制整體運輸成本，并提升服務質量和效率。

為使運輸成本最小化，主要應使固定、運輸、懲罰三項成本之和最小，據此確定模型公式為

（1）

在公式（1）中，MinZ指運輸成本最小值，C1指固定成本，C2指運輸成本，C3指懲罰成本。

具體約束條件是

（2）

（3）

（4）

在公式（2）、（3）、（4）中，xik代表車輛（k）為客戶（i）配送；Qi代表為客戶（i）所配送的貨物載重；xijk為0的情況下，代表車輛（k）沒有在客戶i和j間配送，在xijk為1的情況下，代表車輛（k）在客戶i和j間配送；Dk代表車輛（k）行駛距離最大值；ri代表客戶（i）貨物配送需求量，即客戶貨物配送需求量總值應不高于車輛載重量極大值。

3.5 系統實現

近年來，河南宇鑫物流集團開始不斷升級物流系統，雖然通過GIS和GPS優化了貨物追蹤服務，但運營中仍有多項不足，如溯源機制存在缺陷、信息傳輸相對滯后、資源分配不夠合理等。為改善現狀，將本文所設計的以區塊鏈為基礎的物流運輸系統嵌入河南宇鑫物流集團系統體系內，既可發揮區塊鏈技術在物流運輸領域的優勢，也能實現并驗證此系統設計的合理性。

在系統開發中，首先優化開發環境，底層架構選用以太坊區塊鏈技術。在智能合約編輯中，主要選擇Solidity語言函數，同時，將以太坊區塊鏈視作關鍵的執行環境，應用層通過Windows系統開發，以Java語言編輯源代碼。系統開發設計中，基于倉儲需求、運輸需求、用戶信息管理以及訂單管理、系統登錄各模塊，分別設置差異化的訪問入口，再根據不同模塊功能設置等確定界面顯示信息，用戶根據權限、使用需求及界面信息提示逐步操作。

為驗證算法設計是否合理，設計實驗中著重收集河南宇鑫物流集團物流運輸實踐中存在的問題，結合運輸記錄數據，分析各項運輸成本，基于相關數據進行模擬測試。模擬數據主要是選擇某個城市的30個投遞點，之后確定不同配送中心對應坐標，再計算坐標數據，收集不同投遞點的需求、位置、服務時間等信息。結合該城市物資配送情況，并合理調試模擬數據，確定車輛路徑優化模型及相關參數，包括初始種群、交叉概率、迭代頻次、代溝、變異概率等。

結果顯示，算法可在短時間內獲得接近于最優的解，整體搜索能力良好，在迭代頻次增加過程中，最優值持續增加穩定性，代表這種情況下局部搜索能力占據主導地位。經算法求解，證明所設計算法模型在優化車輛路徑方面具有良好的穩定性和快速收斂性。系統經功能、性能測試，表明系統能夠可靠且安全地運行，系統性能測試結果如表1所示。

結語

以區塊鏈技術為基礎設計開發物流運輸系統，可基于該技術的開放共識、可追溯、業務透明、去中心化等特點，進一步豐富系統功能，利用區塊鏈技術優勢，科學制定最優的物流運輸線路，合理控制運輸成本，切實提升服務質量和客戶滿意度，推進物流運輸領域高質量發展。

參考文獻：

[1]濟南市統計局國家統計局濟南調查隊.2021年濟南市國民經濟和社會發展統計公報[N].濟南日報，2022-3-4（A06）.

[2]李婕.中國商貿物流發展報告顯示：去年中國商貿物流總額超126萬億元[EB/OL].（2024-06-19）[2024-07-20].https：//www.gov.cn/yaowen/liebiao/202406/content_6958134.htm.

[3]王善濤.2023年我國社會物流總額超352萬億元[EB/OL].（2024-02-07）[2024-07-20].https：//baijiahao.baidu.com/s？id=1790205007307926032amp;wfr=spideramp;for=pc.

[4]張顯，馮景麗，常新，等.基于區塊鏈技術的綠色電力交易系統設計及應用[J].電力系統自動化，2022，46（9）：1-10.

[5]陳燕婷，李登峰.航運物流區塊鏈平臺的投資決策與協調[J].計算機工程與應用，2023，59（14）：293-305.

[6]張國強，王清華，胡霖瑋，等.運用區塊鏈提升軍用食品供應鏈可信溯源水平的思考[J].包裝工程，2023，44（11）：124-131.

[7]邱子桐.區塊鏈技術在智能物流場站中的應用[J].工程抗震與加固改造，2023，45（4）：181.

[8]笪如軍.區塊鏈技術賦能煤炭企業智慧物流平臺建設的機理研究[J].中國煤炭，2022，48（9）：80-86.

作者簡介：董文強，碩士研究生，助理實驗師，807294241@qq.com，研究方向：物流工程。