基于区块链的高速公路货运网络信息共享

Information Sharing System for Highway Freight Network Based on Blockchain

摘要: 交通运输业作为国民经济发展中最重要的组成部分之一，在我国经济社会运行中起到不可或缺的作用。公路货运是我国目前最主要的物流运输方式，当前我国高速公路货运网络存在交通拥堵、运输效率低下、高速公路运营企业通行费收入低、货车司机收入低等问题。区块链技术具有去中心化、不可篡改、可追溯等特点，可以提供信息共享环境以提高高速公路货运网络中多方信息协同能力，增强各主体之间的信任，提高物流运输效率，降低第三方物流平台在公路货运体系的影响，提高货车司机收入。本文通过对基于区块链的高速公路货运网络进行分析，提出将区块链引入到高速公路货运网络的方案，并建立了采用方案后的高速公路货运网络信息共享体系货车司机收入最大化模型，以验证引入区块链技术提升了收入分配机制合理性，论证设计方案的有效性。

Abstract: As one of the most important components of national economic development, the transportation industry plays an indispensable role in the operation of China’s economy and society. Highway freight is currently the most important logistics transportation mode in China. The current highway freight network in China has problems such as traffic congestion, low transportation efficiency, low toll income for highway operating enterprises, and low income for truck drivers. Blockchain technology has the characteristics of decentralization, immutability, and traceability, which can provide an information sharing environment to improve the multi-party information collaboration ability in the highway freight network, enhance trust between various parties, improve logistics transportation efficiency, reduce the impact of third-party logistics platforms on the highway freight system, and increase the income of truck drivers. This article analyzes the blockchain based highway freight network, proposes a solution to introduce blockchain into the highway freight network, and establishes a model for maximizing the income of truck drivers in the information sharing system of the highway freight network after adopting the solution, to verify the rationality of the income distribution mechanism improved by introducing blockchain technology and demonstrate the effectiveness of the design scheme.

1. 引言

近年来，随着我国经济社会不断发展，城市化进程不断推进，随之而来的商贸物流需求激增，我国基于高速公路网络的物流运输体系承担了严重负荷[1]。商务部发布的《中国商贸物流发展报告(2023)》显示[2]，2023年中国商贸物流总额达126.1万亿元，同比增长5%，其中，公路货运占总额的73%。公路货运存在运输效率低、污染排放高、运输费用高等缺点，物流过程存在信息不透明，沟通不及时，货物安检难等问题。不同物流企业的信息系统互不连通，数据无法共享。信息不畅导致效率低下和成本增加，通过技术手段和制度建设可以有效改善这一问题。因此，高速公路货运网络的优化与建设是提高货物运输效率、减少交通拥堵、降低运输成本等问题的关键。

区块链技术由于其独特的去中心化、不可篡改性、真实性等特点，在信息共享领域得到广泛应用，此前已有部分学者将区块链结合在不同领域，李明佳等[3]将区块链与食品溯源系统结合并对采用方案后的食品溯源体系的运行机制进行分析，论证方案的有效性。牛淑芬[4]等提出将区块链植入电子病历系统，实现了患者和第三方数据用户在不侵犯患者隐私的前提下共享患者电子病历。张平[5]将传统路桥隧工程信息管理技术与区块链结合，解决了路桥隧工程施工流程中频繁出现了偷工减料、施工信息不透明等问题。

本文将区块链技术与高速公路货运网络结合，设计了基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系，将一段区域内各高速公路收费站作为货车的取货点和送货点，以货主、货车司机、收货人、高速公路管理者、警方为参与方，将各个货车的物流信息通过区块链整合，将上链后的物流信息代入高速公路货运网络成本最小化模型中。首先，可以实现各参与方之间信息共享，以增强信息透明度、可信度，保证了物流过程的可追溯性，增强了各主体之间的信任，有利于商贸物流活动的发展；其次，方便监管方对高速公路货运进行监管，无需再检查每辆车的每箱货物，只需对重点货车进行检查，提高了监管效率，是推进高速公路货运网络的智能化管理和控制的可行方案；最后，将各类货物信息与车辆信息上链管理，可以提高车辆调度效率和服务质量，更好实现货主与货车司机之间的匹配，可以降低中间平台的参与度，提高货车司机的收入，完善物流运输业的收入分配制度。

2. 区块链技术

2.1. 区块链概念

区块链技术是一种分布式账本技术，最早应用于比特币，作为保障比特币运行的底层技术，区块链技术消除了之前交易系统中必须要引入的可信任第三方，使得多人的去中心化交易可以达成统一[6]。区块链利用共识机制、非对称加密技术、智能合约等技术生成多个数据块，即“区块”。这些区块按照时间顺序连接成链条结构，所以被称为区块链[7]。由于区块链解决的最重要问题是交易各方之间的信任问题，区块链由此又产生了信任机器、数据互通等特性，所以当前区块链被广泛应用在各种领域。区块链主要分为公有链、联盟链和私有链。

2.2. 区块链基础构架

区块链系统一般可被分为数据层、网络层、共识层、激励层、合约层和应用层，基础架构如图1所示。

Figure 1. Blockchain infrastructure

图1. 区块链基础架构

数据层主要由一系列区块以链式结构构成，负责管理和存储区块链中的数据。区块分为区块头和区块体，区块头包含版本号、前一个区块的哈希值、时间戳、默克尔根哈希等，区块体包含实际的交易数据，将区块内的所有信息通过哈希算法计算生成该区块的哈希值，再存储在下一个区块中。哈希算法是区块链技术中关键的组成部分，用于确保数据的完整性和一致性，哈希算法能将任意长度的输入数据转换成固定长度的输出(哈希值)。在哈希算法中，相同的输入总是产生相同的哈希值，很难找到两个不同的输入产生相同的哈希值，并且无法从哈希值反推原始输入。默克尔树是一种树状数据结构，广泛用于区块链以确保数据的完整性和有效性。默克尔根哈希是默克尔树的顶端哈希值，表示树中所有叶子节点的哈希值的整体摘要。在比特币中，每个区块包含一个默克尔根哈希，而不是每个交易的完整数据，叶子节点的哈希值则代表每个交易的哈希值。非对称加密在区块链技术中至关重要，该加密技术包含公钥和私钥，可用于数字签名、数据加密等。用户使用私钥对交易数据进行加密生成签名，之后将签名和交易数据发送到区块链网络中，其他节点使用发起者的公钥来验证交易签名的有效性，通过公钥解密签名，检查解密后的数据是否匹配原始交易数据，从而验证交易的真实性。

网络层负责节点之间的通信、数据传输和网络拓扑管理。它确保了区块链网络的分布式特性和去中心化属性，促进了数据的同步和共享。当一个节点创建或接收到新的交易时，它会通过网络层将交易广播到其他节点。这确保了网络中的所有节点能够接收到最新的交易信息。共识层通过共识协议来维护区块链的完整性、安全性和一致性，确保了在去中心化网络中，所有参与节点对数据状态达成一致，通过共识机制防止恶意行为和攻击，确保区块链系统的安全性和可靠性。共识机制定义了如何验证区块的有效性，它确保只有满足一定条件的区块才会被添加到区块链中。主要的共识机制包括工作量证明(PoW)、权益证明(PoS)和权益授权证明(DPoS)等。

激励层通过经济激励机制来驱动节点参与网络维护和数据处理，它通过奖励和惩罚机制确保网络的安全性、稳定性和有效性，经济激励即是比特币等加密货币。通常在联盟链中，由于加入的节点是具有限定条件的，所以各节点通常是互相信任的，无需通过加入激励机制来保证节点的诚实行为。合约层负责智能合约的创建、执行和管理。智能合约是以代码形式存在的合约，其逻辑和条款被编写成程序，合约的条件一旦满足，将自动执行预设的操作，如转账、数据更新等。应用层负责将区块链技术应用到实际业务和用户场景中。它是区块链系统与用户交互的接口，涵盖了各种应用程序和服务，利用底层区块链的功能来实现具体的业务需求。

3. 基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系设计

3.1. 问题分析

Figure 2. Business flow of highway freight transport

图2. 高速公路货运业务流程

高速公路货运网络参与主体众多，如图2所示，包括货车司机、高速公路运营企业、货主、收货人、监管机构，各参与方面临信息共享困难，信任成本高，协同机制不完善等问题。例如，当今物流管理强调货物的可追溯性，运输过程中的时间、地点、温度、湿度等各项货物信息都要实时可查询，基于区块链的可追溯性，将物流信息入链可以有效实现货物运输全程透明化、可持续化；高速公路货运商品复杂，货运过程的安全问题需要重点考虑，时常出现警方、海关等监管方需要登车检查的情况，检查时往往需要将每辆车的每个货物都打开检查，流程复杂，费时费力，效率低下，将物流信息提前入链，可以一定程度上简化检查流程，对于一些物流信息完善、有保障的货车，可以适当降低检查强度，对于物流信息不完善的货车，可以加大检查力度、重点排查，以提高检查效率；当前我国的高速公路货运体系中，由于货车司机与货主信息不互通，所以多通过第三方平台实现需求匹配，这就导致第三方平台利用信息优势赚取高额中间费，极大压低了货车司机的利润，导致收入分配出现不公平情况，将货运需求入链后，可以高效实现货主与货车司机的信息匹配，避免了第三方平台高额抽成，也可以实现货车运力的高效分配、充分利用，避免资源浪费，提高高速公路货运的调度效率。基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系通过“去中心化”和“共识机制”的特点，提供了信息共享，增强信任的环境，实现了各参与方的降本增效。

3.2. 基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系构架

区块链技术为高速公路货运网络信息共享体系中存在的信息不透明、沟通不及时等问题提供了解决方案。由于区块链技术具有去中心化、不可篡改等特点，各参与方通过共享订单和运输资源，降低了各参与方的信任成本，提高了信息共享的效率。本文设计的基于区块链的高速公路货运信息共享方案构架如图3所示。

Figure 3. Information sharing system architecture of highway freight network based on blockchain

图3. 基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系构架

基于区块链的信息共享体系架构包括信息模块、区块链模块、共享模块和应用模块。信息模块主要应用物流网技术，通过各种物理设备和传感器提供实时物流数据和自动化管理。例如，运用GPS、无线射频识别(RFID)实时跟踪货物具体位置，运用温度传感器监测冷链物流中货物温度。此外，信息模块还包括根据货运需求提供的车辆调度信息。信息模块通过引入物联网技术提升了物流效率、透明度和安全性。通过实时追踪、智能运输、仓储管理和供应链优化等技术为高速公路货运各参与方提供了更精确、自动化的解决方案。

区块链模块是共享体系的核心部分，包含数据层、网络层、共识层和合约层，高速公路货运网络信息共享体系仅限于特定组织，采用联盟链结构，可访问区块链的合法用户仅是被授权的指定节点，所以不需要激励层对各节点进行内部激励。信息模块将收集的各项物流数据与车辆数据上传到数据层，数据层将新区块通过网络层广播至全部节点，各节点通过共识层对更新后的物流信息与车辆信息达成一致，合约层中包含事先写好的合约信息，当合约中内置的条件被满足时，自动执行智能合约的设定，智能合约无法被任何一个参与方更改，确保数据的真实性。例如，当货物达到某一指定地点时，自动触发智能合约更新货物位置及相关信息，货物信息经广播、形成共识后入链。各参与方可以在链上监测货物运输的实时情况，在保障货物运输过程透明与可追溯的同时，也使各参与方可以更好地调度自己的物流资源，提高物流运转效率。

共享模块包括货物与车辆的信息共享系统以及货运量预测，通过对区块链模块上传的货单信息与车辆信息进行整合，对车辆调度进行改善，实现车辆与货单的协同物流运输策略。

应用模块作为用户接口，为信息共享体系的用户提供了高速公路货运网络的多种服务，包括车辆与货物协调运输机制、物流信息实时查询、货运检查便捷化信息化以及便于监管机构对物流运输过程进行监督调查。在此基础上还可根据具体情景拓展相应的业务功能。

3.3. 基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系运行机制

在高速公路货运网络信息共享体系中，每一件货物的参数信息都通过物联网技术提前上链，包括货物种类、货物质量、运输温度、运输时间、当前位置等。各参与方在链上进行注册，之后生成各自的公私密钥，当货物状态发生变化时，系统通过提前设置的智能合约对货物数据变更是否合法进行验证，通过验证的货物将在链内更新状态信息。当货物通过某一高速公路收费站时，货车司机与高速公路管理方两节点需要达成统一协议并数字签名，当货物通过收费站被区块链模块的共识层认可并通过网络层广播到整个区块链网络中后，包含详细货物通过收费站信息的区块按照时间戳顺序成为最新区块。当货物通过收费站后，智能合约自动触发，执行协议内容，将更新后的货物与车辆信息上传至区块链，得到新的区块，形成基于区块链的高速公路货运网络协同运输机制。

面对高速公路货运检查任务繁琐的问题，货主将货物信息入链之后，高速公路运营管理方与监管方通过区块链读取货物信息，对货物信息进行提前分类，确定每辆货车受检查的优先程度，优先重点检查信息不完善、信息上链存在疑点等货车，对信息完善、无疑点的货车可以适当降低检查强度，有效缩短了检查的时间与流程，有利于货物安全、及时送达，商贸物流活动稳定、有序的开展。

4. 基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系对收入分配的影响模型

4.1. 问题分析

在当前高速公路货运网络中，货车司机作为最辛苦、出力最多的主体，收入却是最少的，收入分配极不合理。这是因为货车司机与货主没有畅通的沟通渠道，货车司机只能通过第三方物流信息平台获取货运需求，这就导致了物流信息平台通过信息差优势从中赚取大量运输费用。以往高速公路运营管理企业采取降低通行费收入的政策来优惠货车司机，但实际上物流运输费用也会随之下降，从而并不能有效优惠货车司机，实际是优惠了第三方物流平台和买方，进而导致货车司机不愿选择高速公路，而是选择省道等其他道路，从而降低了高速公路运营管理企业的通行费收入。引入区块链技术后，货物需求可以直接上链寻求与之匹配的货车，不仅可以跳过第三方物流平台，提高货车司机的收入，也可以促进货车司机选择方便快速的高速公路，提高高速公路运营管理企业的通行费收入，实现收入分配合理化。

4.2. 模型构建

本文的模型选取一个高速公路区域作为研究对象，其中包含多条互通的高速公路，本文不考虑货车下高速以后的情况，故将高速公路收费站作为货车的取货点和送货点。特别的，上文已经提到，高速公路引入区块链技术存在多种好处，设立本模型旨在验证其中一项好处，即高速公路货运网络引入区块链技术后可以有效提高货物与货车的匹配效率，增加货车司机的收入。模型的集合、参数和决策变量见表1。

Table 1. Sets, parameters and decision variables

表1. 集合、参数与决策变量

	符号	注释
集合	$\left[0,\Gamma \right]$	研究时段集合，可分为$\left\{0,1\epsilon ,2\epsilon ,\cdots ,\tau \epsilon ,\cdots ,T\epsilon \right\},\tau =1,2,\cdots ,T$
	ε	单位时间间隔
	S	收费站集合，$s,u,\upsilon \in \left[1,s_{\max }\right]$
	J	货车集合，$j\in \left[1,j_{\max }\right]$
	K	货运需求集合，$k\in \left[1,k_{\max }\right]$
参数	qk	货单k运输的货物数
	o,d	货单k的起始站和目的站
	lu,s	从收费站u到收费站s的运输距离
	ctra	一单位货物的平均运输价格
	Tk	货单k所需的运输时间
	cempty	货车空载行驶的单位花费
	ctx	货车通行费率
	ctime	货车司机运输货物的单位时间成本
	cap	每辆货车的平均最大载货量
	α	通行费折减系数
	β	通行时间折减系数
	γ	空驶成本折减系数
决策变量	zj,k	货单k由货车j运输 = 1；否则 = 0

$Q=\max c_{tra}\cdot {\displaystyle \sum _{k=1}^K\left(q_k\cdot l_{o,d}\cdot {\displaystyle \sum _{j=1}^J{z}_{j,k}}\right)}-c_{tx}\cdot {\displaystyle \sum _{k=1}^K{\displaystyle \sum _{j=1}^J\left(z_{j,k}\cdot l_{o,d}\right)}}\cdot \alpha -c_{time}\cdot {\displaystyle \sum _{k=1}^K{z}_{j,k}\cdot T_k\cdot \beta }-c_{empty}\cdot {\displaystyle \sum _{k=1}^K\left(l_{now,o}\cdot {\displaystyle \sum _{j=1}^J{z}_{j,k}}\right)}\cdot \gamma$

${\displaystyle \sum _{j=1}^J{z}_{j,k}}\le 1,k\in \left[1,k_{\max }\right]$ (1)

${\displaystyle \sum z_{j,k}}\cdot q_k\le caps\in S,j\in J$ (2)

Q表示一段区域内高速公路货运网络在应用区块链技术后，链上所有货车司机的收入。等式右侧第一部分表示货运需求与司机匹配后货车司机的运费收入，第二部分表示货车司机在高速公路行驶需要缴纳的通行费成本，第三部分表示货车司机在高速公路运输过程中所需的时间成本，第四部分表示货车司机在完成一单运输后从上一单的送货收费站点到下一单取货收费站点的空载行驶成本。α、β、γ分别为运用区块链技术后通行费成本、通行时间成本、空驶成本的折减系数，介于0和1之间。约束(1)确保，一个货运需求只能被一辆货车运输。约束(2)确保货车选择接单的货运需求不超过自己货车的最大容量。

通过上述模型可以有效验证高速公路货运网络引入区块链技术对提升有效提高货物与货车的匹配效率，增加货车司机的收入有积极影响。

5. 总结

本文设计了一种基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系，实现了货车司机、高速公路运营管理方、监管机构、货主、收货人等各参与方的信息及时共享，降低了各参与方的信任成本，提高了高速公路货运网络的物流效率。此外，利用区块链技术解决了货主与货车司机的信息沟通问题，降低了第三方物流平台在匹配货物需求与车辆方面的重要性，提高了货车司机的收入，实现了合理的收入制度再分配。

虽然区块链技术的特点与高速公路货运网络的信息共享需求较为匹配，但在具体操作中，上链后的信息虽然具有不可篡改的特性，但如何解决上链前信息的真实性是值得考虑的，这是基于区块链的高速公路货运网络信息共享体系能否得到广泛应用亟待解决的重要问题之一。