實體互聯網:可持續供應鏈的顛覆性創新

米洛斯•MILENKOVIC
麻省理工學院薩拉戈薩國際物流項目博士後研究員

想象一個像互聯網一樣運作的全球貨物運輸係統:

貨物是用標準化的“包”或容器運輸的。網絡既不知道也不關心每個容器的內容。網絡自主決定最佳路線——運營商、車輛、節點和模式——並能根據變化的環境修改路由。在運營商、車輛和模式之間切換隻會在成本和時間上產生微不足道的損失。發送方和接收方都不需要知道或理解容器如何傳輸的細節。整個網絡根據國際公認的協議運作，並向任何用戶開放。運輸效率的轉變將是對全球物流可持續發展挑戰的重大貢獻。

這個概念被稱為物理互聯網(PI，不可避免地，π)。十年前，蒙特利爾CIRRELT(企業網絡、物流和運輸大學間研究中心)的Benoit Montreuil和其他人首次發布了π，這聽起來像是一個純粹的理論模型。但是，所有所需的技術要素都已經存在，而且許多已經試行。任何障礙都是經濟、社會和政治上的，而不是技術上的。

創建實體互聯網所需的所有技術要素都已經存在，其中許多已被試用

為什麼要創建物理互聯網?

盡管經過了幾個世紀的漸進式改進，現有的運輸和物流係統的許多效率低下繼續對經濟、環境和社會造成嚴重的負麵影響。從經濟上講，運輸成本繼續增加，超過了供應鏈其他部分所節省的成本。社會影響包括事故、汙染和噪音等外部性，以及司機和其他人所經曆的浪費時間、非社交時間和工作條件。

從環境角度看，交通運輸是溫室氣體排放的最大貢獻者之一——在整個歐盟占28%——盡管歐盟的總體排放量在下降，但交通運輸排放在2018年增加了0.9%，在2019年進一步增加了0.8%。

創建實體互聯網將有助於應對以下挑戰:

• 可用的運輸能力未充分利用的。貨車、卡車和集裝箱往往是半空的，很大程度上是因為低效、超大的包裝。
• 返回流都是空的，因為運輸經營者沒有利用好反向運輸的機會。四分之一的公路行程都是空車行駛。
• 儲存和分發設施由於產品和市場的季節性，在一年的大部分時間裏經常未得到充分利用或使用效率低下。
• 公路運輸雖然對環境有影響，但占主導地位。2019年，公路貨運占內陸貨運總量的76.3%，預計2021-25年將以3%的複合年增長率增長。司機供不應求。
• 運營效率低下反對更可取的選擇。不同模式的同步性很差，模式之間的轉換既不節省時間，也不節省成本。然而，火車的燃料效率是卡車的四倍，而且通過鐵路而不是公路運輸可以減少75%的溫室氣體排放。
• 最後一英裏物流配送等效率低下，尤其是在城市地區。一件產品大約40%的運輸成本是在最後一英裏產生的，城市物流要為70%的城市交通擁堵負責。電子商務的持續增長意味著更頻繁地向更多目的地提供更小的快遞。

目前的貨運需求預計到2050年將增加兩倍，這在社會和經濟上顯然是不可持續的，更不用說環境了。至關重要的是，我們要在物流和貨運方麵找到創新的方法和概念，使經濟增長與貨運增長脫鉤。物理互聯網(π)就是這樣一種方法。

實體互聯網有望將經濟增長與貨運量增長脫鉤，預計到2050年，貨運量將增加兩倍

物聯網

物理互聯網的正式定義是“一個開放的、全球的、多式聯運的物流係統，它建立在通用的物理、數字和操作互連上，並通過標準封裝、協議和接口實現。”

我們可以通過探索物理互聯網和我們熟悉的數字互聯網之間的相似性來解開這個問題。數字互聯網將世界上數十億的設備連接起來，使每一個設備都能與所有其他設備進行通信。用戶可以是私人的、商業的或政府的:任何能夠訪問計算機或智能手機的人。實體互聯網同樣可以被任何寄售人和收貨人連接和使用。(在這兩種網絡中，可能有必要設計出阻止不良行為者的方法)。

在數字互聯網中，信息被分解成數據包並通過通信鏈路網絡傳輸。數據包內的數據被封裝，不會被互聯網查看或處理;同樣，在物理互聯網中，一個流通的貨物被密封在一係列標準的容器中，而π與內容無關。(海關等其他機構可能是，但這不是網絡本身的問題)。

數字封包頭包含了識別封包及其正確路由到目的地所需的所有信息。數據包通過路由器傳輸，通過光纜等媒體傳輸，並通過調製解調器在不同的媒體之間進行交換。在物理互聯網中，每個π-container都使用RFID和GPS進行標記，這樣π-container在通過網絡時就可以被識別、路由和跟蹤。

貨物被包裝成標準化的集裝箱，然後由物流服務提供商通過物理走廊網絡運輸

數字互聯網服務由各種互聯網服務提供商運營。協議規範和組織操作。用戶享受無縫連接服務:他們可以使用互聯網，而不需要了解他們的數據將如何從起點路由到目的地。同樣地，在物理互聯網中，物流包括將貨物打包成標準化的包裹，稱為π-container(相當於數據包)，然後通過物流服務供應商通過物理走廊網絡。就像數字網絡可以在銅電纜、光纖和微波等模式之間使用和移動一樣，π也可以使用公路、鐵路、內陸水道、空氣等。

在物理互聯網中:

• 配送中心導航π-容器流入和流出網絡(如發起或接收消息在您的設備)。
• π運輸模式以不同的方式攜帶π容器流。
• 聯運碼頭， π-節點，允許貨物在不同的車輛或運輸方式之間切換。通用協議和標準確保來自世界各地不同產地的貨物可以通過並到達世界任何其他地方。

與數字網絡一樣，π的用戶信任物理互聯網及其服務將他們的貨物運送到任何目的地，而不知道貨物的路線。圖1展示了物理互聯網的一個示例。

圖1 -物理互聯網示意圖(Dong和Franklin, 2018)

標準和連通性

全球物流的標準已經存在——集裝箱、托盤和電子數據交換例如，消息傳遞——但遠未普及。物理互聯網概括並顯著地擴展了標準化的概念，但重要的是，還擴展了連通性。

通用連接是物理互聯網最重要的特征之一，需要三種方式:

• 物理互連確保貨物可以在網絡中無縫流動。這就需要集裝箱、運輸者和處理係統的標準。
• 數字互連允許對象和參與者通過物理互聯網無縫交換有意義的信息。這方麵物聯網(IIoT)已經很發達了。
• 業務互聯互通確保現場操作和業務流程無縫連接，以便用戶更容易和有效地利用物理互聯網，並讓網絡組件協作為這些用戶服務。這可能是最難實現的。

實物互聯，實現貨物無縫流動

容器

物理互聯網將不處理散裝貨物，或托盤，或非集裝箱貨物。它隻處理π集裝箱包裝的貨物。π集裝箱將采用標準尺寸或模塊，環保可持續(由環保材料建造)，智能(通過RFID和GPS可跟蹤/路由，並能夠與網絡交互)，安全，聯鎖以創建更大的單元，在大多數情況下，可以折疊以更高效的空存儲和返回(見圖2)。

圖2 - π-容器的特性

π容器的大小和形狀是相容的，可以組裝和拆卸，就像俄羅斯方塊遊戲中的積木一樣。運輸集裝箱相當於現有的ISO箱，處理集裝箱是基本的處理單元，相當於滾籠或托盤，而包裝集裝箱是基本的集裝箱在項目或SKU的水平。

物理互聯網將不處理散裝貨物，托盤，或非集裝箱貨物。它隻處理π集裝箱包裝的貨物

運動

在物理互聯網中，π-container會被π-mover移動。π- moving的主要類型有:

• π轉運蛋白:卡車、拖車、貨車，配合π輸送機進行裝卸、轉運。
• π輸送機，例如，內部轉運設施，類似於目前的分揀係統。許多方法的試驗都取得了成功，但並不總是采用傳統的皮帶或滾輪(見圖3)。
• π處理程序:訓練人類使用π容器工作。

圖3 - π-輸送機(Montreuil, 2010)

節點

在傳統的物流網絡中，有一些節點可以讓貨物在運輸商或運輸方式之間進行轉移。在傳統係統中，這些節點經常執行其他任務(拆件、重新包裝、貼標簽等)，從而損害運輸效率。在物理互聯網中，π節點將純粹是材料處理、存儲和傳輸係統，因此:

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

• 實現快速可靠輸入而且輸出性能;
• 提供一個無縫接口車輛和係統移動產品進出，以及與客戶端軟件係統的跟蹤和接口與π容器;而且
• 監視、固定和保護完整的π容器．

從π-載體在π-載體之間的簡單傳遞(直接換裝)到π-容器的複雜多模態複用。根據關鍵性能指標，如速度、服務、處理的π容器的尺寸限製和容量，對π節點進行公開評級。該信息將被客戶端(人工或虛擬)用於路由目的和其他決策。

互聯運輸的業務連接

路由優化

目前，貨物運輸有兩種截然不同的方式。當需要運送整輛卡車或火車時，直接或點對點的服務是首選。但如果運量過低，托運人就會試圖通過一係列的整裝措施來整合不足整車的貨物中間節點(中心)．這就是所謂的中心輻射。

這兩種係統都是低效的。直接服務可能意味著配送延遲，直到滿載的需求出現(或者車輛運行時仍然是部分滿載)，通常會導致空回報。在輪輻式結構中，貨物更容易組裝，載客率高，並能保證回程，但這樣做會損失大量時間，並產生額外的費用，因為中間處理和轉運。

實體互聯網將大大縮短平均運輸時間，降低成本

π有希望改變這種低效率。物理互聯網是一個分布式的多段多式聯運運輸網絡(見圖4)。每個π-transporter將攜帶一個負載到下一個中轉樞紐，然後在其輪班時間內拾取一個回程和返回家。在π-hub，另一個運輸者(相同或另一個承運人或運輸方式)將在短時間間隔內撿起貨物，並將其移到下一個運輸樞紐，這取決於什麼路線是最好的集裝箱和目的地在那一刻。這樣一來，平均運輸時間就會大大縮短，成本也會降低。

圖4 -建立開放的全球移動網絡(Montreuil, 2012)

決策自主權

在物理互聯網中，圍繞路由和其他因素的決策可以通過多種方式達成。然而，主要目標是按照商定的程序和協議實現自主路由和操作。

• 在最底層， π容器沒有任何決策能力和智能能力。托運人或物流服務提供商在出發前確保完整的航線/承運人安全，或者可能指定特定的航路點，例如，某一類貨物必須通過指定的邊境過境點進入某個國家，這將讓物理互聯網自行解決細節問題。
• 中等水平: π-container具有最小的決策自主權。人或虛擬物流代理從π容器(或流中的多個容器)接收信息(位置、條件)，做出決策，並將指令傳遞給π容器和相關的物理Internet組件。在迫切需要作出決策的情況下，這些機構的自主權有限。
• 高水平:在π-container發展最充分的時候，π-container具有最大的決策自主權。托運人隻指定期望的分派時間和地點、最終目的地和優化規則(最少的時間、最低的成本、最低的碳足跡和這些的加權分數)。π-containers與其他網絡元素相互動態地決定路由，在越界的情況下，π-containers隻與人或虛擬代理(virtual agent)相關。

開放的實體互聯網

在現有的物流係統中，大多數倉庫和配送中心僅由一個或幾個參與者在一個私人網絡中使用。實體互聯網實現了從私有供應鏈到全球開放供應網絡的轉變:

• 的節點將完全可訪問對大多數參與者(製造商、分銷商、物流服務提供商、零售商或其他用戶)。因此，用戶對其商品的儲存點有更大的自由，可以更靈活和反應更快補充計劃．
• 節點的能力加工、存儲或移動也可以按需購買或按合同購買。

這可能是意料之中的倉庫管理係統在物理互聯網中同樣是開放和連接的。但是，對於商業和隱私問題，對WMS元素的訪問可能僅限於一家公司或一組相關客戶端。(數字類比可能是vpn，即虛擬專用網絡)。然而，由於物理互聯網隻關心容器，而不是它們的內容，這不是一個真正的問題。

圖5說明了從私人供應網絡到開放的全球供應網絡的轉變。

a)一個封閉分銷網絡中的五個單一公司分銷網絡

b)麵向五家合作公司的協作分發網站

圖5。從私人供應網絡過渡到一個開放的全球供應網絡，有五家公司服務於北美市場(索拉比等人，2012)

一個開放的全球供應網絡將在縮短交貨時間、提高利用率、更有效地使用固定和流動資產以及減少對經濟、社會和環境的危害方麵產生顯著的積極影響。

總結已開發的物理互聯網命題

• 物理互聯網是模擬的互聯網協議在這裏，信息包(數字互聯網中的數據和π中的貨物)從發送者到接收者的移動是由係統自動組織和執行的。這使得在沒有任何人工幹預的情況下，可以最優地利用網絡上的可用容量。
• 的組織hub-oriented，這意味著貨物被送到最近的樞紐，然後以全局和最佳的方式運輸到下一個樞紐，以最有效地服務於目的地。
• 的實體產品本身沒有處理:單元是專門的智能、綠色和模塊化的容器。
• 轉運是自動完成的而無需人工幹預。由於係統的前瞻性和數據驅動能力，等待和轉運時間將會很短。
• Inter-hub距離將通過優化轉運成本和車輛能力利用率之間的平衡來選擇。
• 為長途運輸，可以使用一個以上的中間輪轂;但是，運輸資產的裝載係數會很高，避免了由於擁堵造成的延誤。
• 貨主和物流服務供應商將有實時信息貨物預計到達的時間。

根據ALICE提出的路線圖，物理互聯網的全麵實現將在2040年實現

有什麼不喜歡的呢?

如果以上是一個令人信服的命題，並且各種所需的技術已經可用，那麼是什麼阻礙了物理互聯網的實現呢?

下歐洲綠色協議歐盟的目標是到2050年成為第一個氣候中和的大陸。實體互聯網可能是交通運輸中最具效率和可持續性的概念，它支持向零排放的過渡。根據提出的路線圖歐洲合作物流創新聯盟在美國，物理互聯網的全麵實現將於2040年實現。

實體互聯網支持向零排放的過渡

然而，盡管物理互聯網在供應鏈的敏捷性、健壯性、彈性和環境足跡方麵提供了顯著的改進，但其實施進展甚微。一些最重要的障礙是:

• 的企業不願合作。現有的協作組織僅限於少數參與者，目前還很難對其進行評估和推廣。
• 的缺乏普遍采用的工具和過程．現有的工具和流程標準在物流部門沒有被很好地采用。
• 一個普遍互聯網絡不僅在技術上可行，在經濟上有利可圖，而且必須為社會和工業所接受。必須證明物理互聯網可以工作，首先是在有限的或試點的水平，以便建立對其設計和操作的信任和共識。但與所有網絡一樣，存在顯著的規模效應，小規模的演示可能無法令人信服地揭示更大的好處。

促進發展和采用物理互聯網絡的一種方法是逐步增加複雜性和覆蓋範圍的方法。這可以通過基於產業界和學術界緊密合作的有計劃、有針對性和持續的研究和創新行動來實現。

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米洛斯島Milenkovic博士曾任ZLC研究員。目前，他是塞爾維亞貝爾格萊德大學運輸與交通工程學院的助理教授。Milenkovic博士擁有交通運輸領域的技術科學博士學位，專注於鐵路貨車調度和車隊規模問題，技術科學碩士學位，專注於火車調度問題，以及貝爾格萊德大學交通運輸與交通工程學院的鐵路相關智能運輸係統碩士學位。