实体互联网:可持续供应链的颠覆性创新

米洛斯·米伦科维奇著
麻省理工学院萨拉戈萨国际物流项目博士后研究员

想象一个像互联网一样运作的全球货物运输系统:

货物用标准化的“包”或集装箱运送。网络既不知道也不关心每个容器的内容。网络自主决定最佳路线——运营商、车辆、节点和模式——并可以根据变化的环境修改路线。在运营商、车辆和模式之间切换只会带来微不足道的成本和时间损失。发送方和接收方都不需要知道或理解容器如何传递的细节。整个网络在国际公认的协议下运行，并对任何用户开放。运输效率的转变将对全球物流可持续发展的挑战做出重大贡献。

这个概念被称为物理互联网(π，或者，不可避免地，π)。十年前，由蒙特利尔CIRRELT(企业网络、物流和运输校际研究中心)的Benoit Montreuil等人首次提出，π听起来像是一个纯粹的理论模型。然而，所有所需的技术要素都已经存在，而且许多已经进行了试验。任何障碍都是经济、社会和政治上的，而不是技术上的。

创建实体互联网所需的所有技术要素都已经存在，其中许多已经进行了试点

为什么要创建一个物理互联网?

尽管经过几个世纪的逐步改进，现有运输和物流系统的许多低效率仍在继续造成严重的经济、环境和社会负面影响。从经济上看，运输成本持续上升，超过了供应链其他环节的成本节约。社会影响包括事故、污染和噪音等外部性，以及司机和其他人所经历的时间浪费、非社交时间和工作条件。

在环境方面，交通运输是温室气体排放的最大贡献者之一，在整个欧盟占28%，尽管欧盟的总体排放量正在下降，但2018年交通运输的排放量增加了0.9%，2019年又增加了0.8%。

创建一个物理互联网将有助于解决以下挑战:

• 可用运力未充分利用的。货车、卡车和集装箱经常是半空的，这在很大程度上是因为低效的、超大的包装。
• 返回流空空如也，因为运输运营商没能利用回运的机会。四分之一的公路旅行都是徒手跑的。
• 仓储及配送设施由于产品和市场的季节性，通常在一年的大部分时间内未得到充分利用或使用效率低下。
• 公路运输尽管对环境有影响，但仍占主导地位。2019年，公路货运占内地货运总量的76.3%，预计2021-25年将以3%的年复合增长率增长。司机供不应求。
• 运营效率低下反对更理想的选择。不同模式的同步性很差，模式之间的转运既不省时也不划算。然而，火车的燃油效率是卡车的四倍，铁路运输比公路运输减少了75%的温室气体排放。
• 最后一英里物流配送等效率低下，尤其是在城市地区。产品所产生的运输成本中，约40%是在最后一英里产生的，城市物流造成了70%的城市交通拥堵。电子商务的持续增长意味着，向更多目的地递送小型货物的频率会更高。

到2050年，目前的货运需求预计将增加两倍，这在社会和经济上显然是不可持续的，更不用说环境了。至关重要的是，我们要在物流和货运方面找到创新的方法和概念，将经济增长与货运增长脱钩。物理互联网π就是这样一种方法。

实体互联网有望使经济增长与货运量的增长脱钩。预计到2050年，货运量将增长两倍

东西的互联网

实体互联网的正式定义是“一个开放的、全球的、多式的物流系统，建立在通用的物理、数字和操作互连之上，并通过标准封装、协议和接口实现。”

我们可以通过探索物理互联网和我们熟悉的数字互联网之间的类比来解开这个谜团。数字互联网连接了世界各地数十亿的设备，允许每个设备与所有其他设备通信。用户可以是私人的、商业的或政府的:任何可以使用计算机或智能手机的人。实体互联网同样可以连接并供任何发货人和收货人使用。(在这两个网络中，可能都有必要设计出阻止不良行为者的方法)。

在数字互联网中，信息被分解成数据包，并通过通信链路网络进行传输。数据包中的数据被封装，互联网无法查看或处理;类似地，在物理互联网中，货物流被密封在一系列标准容器中，π与内容无关。(其他机构，如海关可能是，但这不是网络本身的问题)。

数字包报头包含标识包及其正确路由到目的地所需的所有信息。数据包通过路由器定向，通过光缆等媒体传输，并通过调制解调器在不同的媒体之间进行切换。在物理互联网中，每个π容器都使用RFID和GPS进行标记，以便在其通过网络时进行识别、路由和跟踪。

货物被包装成标准化的包装，即π集装箱，然后由物流服务提供商通过物理走廊网络运输

数字互联网服务由不同的互联网服务提供商运营。协议规范和组织操作。用户享受无缝连接服务:他们可以使用互联网，而不需要了解他们的数据将如何从原点路由到目的地。同样，在物理互联网中，流量由被称为π容器(相当于数据包)的标准化包装中的货物组成，然后由物流服务商通过物理走廊网络。就像数字网络可以使用铜电缆、光纤和微波等模式，π也可以使用公路、铁路、内河水道、航空等模式。

在实体互联网中:

• 配送中心导航π容器流进出网络(就像在设备上发起或接收消息一样)。
• π运输模式携带不同模式的π-container流。
• 联运码头π节点，允许货物在不同车辆或运输方式之间切换。通用的协议和标准确保来自世界各地不同产地的货物可以通过世界其他任何地方运输。

与数字网络一样，π用户相信实体互联网及其服务可以将他们的货物运送到任何目的地，而不知道货物所经过的路线。图1显示了物理Internet的一个示例。

图1 -物理互联网示意图(Dong and Franklin, 2018)

标准和连通性

在全球物流标准已经存在-集装箱，托盘，和电子数据交换例如，短信——但采用还远未普及。物理互联网概括并极大地扩展了标准化的概念，但重要的是，还扩展了连通性。

通用连接是物理互联网最重要的特征之一，在三个方面需要:

• 物理互连确保货物在网络中无缝流动。这就要求集装箱、运输车和装卸系统的标准。
• 数字互连允许对象和参与者在物理互联网上无缝地交换有意义的信息。这一方面物联网(IIoT)已经很发达了。
• 业务互联互通确保实地操作和业务流程无缝连接，使用户能够轻松有效地利用实体互联网，并使网络组成部分协作为这些用户提供服务。这可能是最难实现的。

实现货物无缝流动的物理互联

容器

实体互联网将不处理散装货物、托盘或非集装箱货物。它只处理π集装箱包装的货物。π容器将采用标准尺寸或模块，环境可持续(由环保材料建造)，智能(可通过RFID和GPS跟踪/路由，并能够与网络交互)，安全，联锁以创建更大的单元，并且在大多数情况下，能够折叠以更有效地空存储和返回(见图2)。

图2 π-容器的特征

π容器有一个大小和形状兼容的系统，可以建立和分解——就像俄罗斯方块游戏中的积木一样。运输集装箱相当于现有的ISO箱，装卸集装箱是基本的装卸单位，相当于滚笼或托盘，而包装集装箱则是放在物品或处的基本集装箱SKU的水平。

实体互联网将不处理散装货物、托盘或非集装箱货物。它只处理π集装箱包装的货物

运动

在物理互联网中，π-容器将被π-移动器移动。π动器的主要类型有:

• π转运蛋白:卡车、挂车、货车，设计使用π式输送机进行装卸/转移。
• π输送机，例如，在转运设施内，类似于目前的分拣系统。试验了许多方法，并不总是使用传统的皮带或滚筒，都取得了成功(见图3)。
• π处理程序:训练过使用π容器的人。

图3 π型输送机(Montreuil, 2010)

节点

在传统的物流网络中，货物可以在运输商或运输模式之间转移。在传统系统中，这些节点经常执行其他任务(散装、重新包装、贴标等)，从而损害运输效率。在物理互联网中，π节点将纯粹是材料处理、存储和传输系统，因此:

En la internet física, los π-nodos estarán puramente dedicados a la manipulación, almacenamiento y transferencia，比例:

• 实现快速可靠输入而且输出性能;
• 提供一个无缝接口车辆和系统移动产品进出，以及客户端软件系统跟踪和接口π容器;而且
• 监视、固定和保护π-容器的完整性．

π-节点可以具有不同的能力，从π-载体之间π-载流子的简单传输(直接换装)到π-容器的复多模复用。π-节点将根据速度、服务、π-容器处理尺寸限制和容量等关键性能指标进行公开评级。这些信息将被客户端(人工或虚拟)用于路由目的和其他决策。

互联运输的操作连接

路由优化

目前，货物运输有两种不同的方式。如果业务量足够大，可以派一整辆卡车或火车，则首选直接或点到点服务。但如果货运量过低，托运人会试图通过一系列的运输方式来整合低于满载的货物中间节点(枢纽)．这就是轮辐式结构。

这两个系统都是低效的。直接服务可能意味着延迟调度，直到有满负荷的需求(或者车辆无论如何都是部分装载的)，并且通常会导致空退货。在轮辐式运输中，更容易组装载重系数高的货物，并确保回程，但在中间处理和转运方面损失了大量时间和额外成本。

实体互联网将大大缩短平均运输时间，降低成本

π有望改变这种低效率。物理互联网是一个分布式的多段多式联运网络(见图4)。每个π-transporter将在其工作时间内将负载运送到下一个交通枢纽，然后再接收回程并返回。在π-hub，另一个运输者(相同或另一种承运人或运输方式)将在短时间间隔内拾取货物，并将其转移到下一个运输枢纽，这取决于当时对该集装箱和目的地的最佳路线。这样可以大大缩短平均运输时间，降低成本。

图4 -启用开放的全球移动网络(Montreuil, 2012)

决策自主权

在物理互联网中，围绕路由和其他因素的决策可以通过多种方式达成。然而，主要目标是按照商定的程序和协议实现自主布线和操作。

• 在最低水平， π容器不具有任何决策或智能能力。托运人或物流服务提供商在出发前确保完整的路线/承运人，或者可能指定某些航路点，因为例如，特定类别的货物必须通过指定的过境点进入一个国家，这将使物理互联网自主计算出细节。
• 中等水平: π容器的决策自主权最小。人工或虚拟物流代理从π容器(或流中的多个容器)接收信息(位置、条件)，做出决策，并将指令传递给容器和相关的物理Internet组件。在紧急需要决策的情况下，这些机构的自主权有限。
• 高水平: π容器在最充分的时候，具有最大的决策自主权。托运人只指定所需的调度时间和地点、最终目的地和优化规则(最短时间、最低成本、最低碳足迹和这些的加权分数)。π容器与其他网元相互动态地决定路由，只有在越界情况下才会参考人代理或虚拟代理。

开放的实体互联网

在现有的物流系统中，大多数仓库和配送中心仅由一个或几个专用网络中的参与者使用。实体互联网实现了从私人供应链到全球开放供应网络的转变:

• 的节点是完全可访问的对于大多数参与者(制造商、分销商、物流服务提供商、零售商或其他用户)。因此，用户对其商品的储存点有更大的自由，可以更加灵活和响应补充计划．
• 节点的能力用于加工、储存或移动，也可以按需购买或按合同购买。

这是可以预料到的仓库管理系统物理互联网同样是开放和连接的。然而，出于商业和隐私问题，对WMS元素的访问可能仅限于一家公司或一组相关客户。(数字类比可能与vpn，虚拟专用网络)。然而，由于物理互联网只关注容器，而不是容器的内容，所以这并不是真正的问题。

图5说明了从私人供应网络到开放的全球供应网络的转变。

a)封闭分销网络中的五个单一公司分销网络

b) 5家合作公司的合作分销网络

图5。从私人供应网络过渡到开放的全球供应网络，由五家公司为北美市场提供服务(Sohrabi等，2012)

一个开放的全球供应网络将在缩短交货时间、提高利用率、更有效地使用固定和移动资产以及减少经济、社会和环境危害方面产生重大积极影响。

物理互联网发展命题总结

• 物理互联网是仿照的互联网协议信息包(数字互联网中的数据和π中的货物)从发送者到接收者的移动是由系统自动组织和执行的。这样可以在没有任何人为干预的情况下优化使用网络上的可用容量。
• 的组织是面向中心的，这意味着货物被带到最近的枢纽，然后以全球最优的方式运输到下一个可以最有效地服务目的地的枢纽。
• 的实体产品它们本身不被处理:这些单元完全是智能、绿色和模块化的容器。
• 转运是自动完成的没有人为干预。由于该系统具有前瞻性和数据驱动的能力，等待和转运时间将缩短。
• Inter-hub距离将通过优化转运成本和车辆运力利用率之间的平衡来选择。
• 为长途运输，可使用多个中间轮毂;但运输资产的装载系数较高，避免了因拥堵造成的延误。
• 托运人和物流服务提供商将会有实时信息关于货物预计到达时间。

根据ALICE提出的路线图，到2040年完全实现物理互联网是可以实现的

有什么不喜欢的呢?

如果以上是一个令人信服的命题，并且各种所需的技术已经可用，那么是什么阻碍了物理互联网的实现呢?

下欧洲绿色协议根据该计划，欧盟的雄心是到2050年成为第一个气候中和的大陆。实体互联网可能是交通运输效率和可持续性方面最雄心勃勃的概念，它支持向零排放过渡。根据路线图欧洲物流创新合作联盟到2040年，完全实现实体互联网是可以实现的。

实体互联网支持向零排放过渡

然而，尽管实体互联网在供应链的敏捷性、健壮性、弹性和环境足迹方面提供了显著改善，但在实施方面进展甚微。一些最重要的障碍是:

• 的企业的不情愿合作。现有的协作组织仅限于少数参与者，到目前为止很难评估或概括。
• 的缺乏普遍采用的工具和流程．现有的工具和过程标准在物流部门没有被很好地采用。
• 一个全球互联网络不仅技术上可行，经济上有利可图，而且要为社会和行业所接受。必须首先在有限或试点层面证明实体互联网是可行的，这样才能建立对其设计和运营的信任和共识。但与所有网络一样，网络具有显著的规模效应，小规模的演示可能无法令人信服地揭示更大的效益。

促进物理互联网的开发和采用的一种方法是在复杂性和覆盖范围方面逐步增长的分阶段方法。这可以通过在产业界和学术界密切合作的基础上，有计划、有目标、持续的研究和创新行动来实现。

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米洛斯·米伦科维奇博士在ZLC担任研究员。目前，他是塞尔维亚贝尔格莱德大学运输与交通工程学院的助理教授。Milenkovic博士拥有交通与运输领域的技术科学博士学位，专注于铁路货车调度和车队规模问题，技术科学硕士学位，专注于列车调度问题，以及基于铁路相关智能交通系统的运输与交通工程学院(贝尔格莱德大学)的硕士学位。