軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型在現(xiàn)代物流配送優(yōu)化中的應(yīng)用

[摘要] 伴隨著信息時代的來臨，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展，軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型——作為一種特殊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由于其在節(jié)省成本、優(yōu)化配置等方面的作用，逐漸受到企業(yè)界和學(xué)術(shù)界的重視。本文正是在這樣的背景下，把軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型引入到現(xiàn)代物流配送中，對軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型在配送優(yōu)化中的作用進(jìn)行了分析總結(jié)。

[關(guān)鍵詞] 軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型 現(xiàn)代物流 配送優(yōu)化 應(yīng)用

20世紀(jì)80年代以來，隨著航空市場競爭的不斷加劇，在美國等發(fā)達(dá)國家，航空公司采用軸輻式網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行航空運輸服務(wù)，以降低成本，提高市場競爭力，使航空公司的效益最大化。如今，軸輻式網(wǎng)絡(luò)模型被進(jìn)一步發(fā)展，廣泛應(yīng)用于物流等領(lǐng)域，同時它也成為管理科學(xué)、經(jīng)濟(jì)學(xué)等學(xué)科的重要研究課題。

軸輻式網(wǎng)絡(luò)研究引起大家的重視，是和美國航空管制政策放松直接相關(guān)。航空管制放松后，美國的航空產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)發(fā)生了很大變化。除了航線可以自主定價外，放松管制還放寬了市場進(jìn)入和退出的條件，有利于承運人擴(kuò)張服務(wù)地域、重新配置航線結(jié)構(gòu)，這種靈活性導(dǎo)致軸輻式航空網(wǎng)絡(luò)得到快速擴(kuò)張，現(xiàn)實需求引起有關(guān)軸輻式網(wǎng)絡(luò)的研究得到廣泛開展。

軸輻式網(wǎng)絡(luò)通過網(wǎng)絡(luò)中的特殊節(jié)點—樞紐節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中其他相互作用的節(jié)點之間網(wǎng)絡(luò)流的轉(zhuǎn)換服務(wù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的規(guī)模效應(yīng)和范圍效應(yīng)，降低網(wǎng)絡(luò)服務(wù)總成本。帶有樞紐設(shè)施的軸輻式網(wǎng)絡(luò)，將樞紐作為網(wǎng)絡(luò)流切換、網(wǎng)絡(luò)用戶轉(zhuǎn)運或貨物分揀中心，可以用較少的連接或路徑為更多的需求節(jié)點提供服務(wù)。

軸輻式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的主要優(yōu)勢包括：將網(wǎng)絡(luò)流集中在少量通路上產(chǎn)生流的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，如軸輻式航空網(wǎng)絡(luò)使用大型貨車可以提供更低的單位運輸成本，為乘客提供更高的服務(wù)頻率;通過樞紐設(shè)施轉(zhuǎn)換降低網(wǎng)絡(luò)投資總量，軸輻式包裹配送網(wǎng)絡(luò)通過分揀中心能對所有包裹流向進(jìn)行控制。軸輻式網(wǎng)絡(luò)也存在網(wǎng)絡(luò)樞紐設(shè)施需要較大的固定投資，網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的中轉(zhuǎn)功能需要額外投資，經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)樞紐的轉(zhuǎn)運帶來更遠(yuǎn)的服務(wù)距離或更多的服務(wù)時間等不足。

一、軸輻式網(wǎng)絡(luò)運行及網(wǎng)絡(luò)效應(yīng)

軸輻式網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)和發(fā)展，扎根于軸輻式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)自身的經(jīng)濟(jì)性，使用少量樞紐節(jié)點來作為集中、分配網(wǎng)絡(luò)流的中心，通過網(wǎng)絡(luò)流合并，網(wǎng)絡(luò)運營商可以使用大型、相對更經(jīng)濟(jì)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，可以以更高的服務(wù)頻度來提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而網(wǎng)絡(luò)用戶則可以從更高的服務(wù)密度中受益。在這個發(fā)展過程中，通過樞紐實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流合并產(chǎn)生的規(guī)模經(jīng)濟(jì)，是其中的主要因素。

樞紐網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以分成兩層網(wǎng)絡(luò)。第一層是樞紐節(jié)點組成的樞紐網(wǎng)絡(luò)，在電信、通訊領(lǐng)域稱這部分網(wǎng)絡(luò)為主干網(wǎng)。第二層網(wǎng)絡(luò)是非樞紐節(jié)點與樞紐之間的輻網(wǎng)絡(luò)。軸輻式網(wǎng)絡(luò)的最主要的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢—規(guī)模經(jīng)濟(jì)性主要發(fā)生在第一層網(wǎng)絡(luò)，即樞紐節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)。軸輻式網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化分析主要集中在第一層的樞紐節(jié)點選址和第二層的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)計兩大領(lǐng)域。軸輻式網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計的第一步是將已知數(shù)量的樞紐布置在可選的樞紐候選點上。第二步是將網(wǎng)絡(luò)中的非樞紐節(jié)點分配給第一步中確定的各樞紐節(jié)點。兩者結(jié)合實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)總成本最小化或網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍最大化的目標(biāo)。軸輻式網(wǎng)絡(luò)設(shè)計一般涉及網(wǎng)絡(luò)出發(fā)地、目的地、潛在的樞紐候選節(jié)點、連接這些節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)連接，以及網(wǎng)絡(luò)流量、節(jié)點間距離、單位服務(wù)成本等模型參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)運營商通常為樞紐網(wǎng)絡(luò)中的樞紐節(jié)點之間的服務(wù)提供折扣服務(wù)(降低單位流服務(wù)的服務(wù)成本或服務(wù)時間)。

二、軸輻式網(wǎng)絡(luò)主要模型

傳統(tǒng)的運輸網(wǎng)絡(luò)大都采用起點與終點間直接相連的直通網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示：

另一種基本的貨運網(wǎng)絡(luò)形態(tài)即軸輻式網(wǎng)絡(luò)(Hub—and—spokeNetwork)，以一個簡單的單中轉(zhuǎn)站指派的純軸輻式網(wǎng)絡(luò)為例，如圖2所示:

假設(shè)直通網(wǎng)絡(luò)中有n個貨運站，相互之間都存在物流需求，則要將全部的n個貨運站相連，需要n(n一1)/2條節(jié)線，每條節(jié)線上都需要運輸車輛進(jìn)行運輸，假設(shè)每條線上需要一輛運輸車輛，則總共需要。(n一l)/2輛車。軸輻式網(wǎng)絡(luò)與直通網(wǎng)絡(luò)相比，多了一個中轉(zhuǎn)站，但將網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點相連，在貨運站數(shù)量仍是n個的前提下，只需n條節(jié)線。如果各個貨運站之間的物流量都較大，可以保證運輸車輛有較高的滿載率，則網(wǎng)絡(luò)中的貨運站之間點點直達(dá)，既可以節(jié)省運輸里程，又可以節(jié)省運輸時間，這樣直通網(wǎng)絡(luò)不失為一種理想的選擇。但對公路快速貨運而言，貨源分布較為零散且單批次貨量較小，因此快速貨運公司往往設(shè)置較多的貨運站和網(wǎng)點以收集相當(dāng)數(shù)量的貨物。因此，在貨運站數(shù)量n較大的情況下，直通網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)線數(shù)n(n一1)/2就會遠(yuǎn)大于軸輻式網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)線數(shù)n，如果仍然采用直通網(wǎng)絡(luò)模式，就會造成運輸車輛裝載率低且數(shù)量龐大，極大的增加了成本。而在軸輻式網(wǎng)絡(luò)中，各貨運站貨物通過中轉(zhuǎn)站集中后再進(jìn)行運輸，以較少的轉(zhuǎn)運成本達(dá)到提高車輛裝載率，降低平均運輸成本的目的，這樣能獲得規(guī)模效益，減少運輸成本。實踐證明，軸輻式物流網(wǎng)絡(luò)是整合物流資源、提高物流資源利用效率、降低物流成本的有效網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，已成為現(xiàn)代物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)發(fā)展的主流趨勢。

單中轉(zhuǎn)站指派的軸輻式網(wǎng)絡(luò)，即貨運站與一個中轉(zhuǎn)站相連。這里需要注意的是，貨運站只與一個中轉(zhuǎn)站相連，并不等于網(wǎng)絡(luò)中只有一個中轉(zhuǎn)站，也可能存在多個中轉(zhuǎn)站的情況。但本文中只介紹單個中轉(zhuǎn)站的情況。

對網(wǎng)絡(luò)中有中轉(zhuǎn)站的軸輻式網(wǎng)絡(luò)而言，網(wǎng)絡(luò)中所有的貨運站均與此中轉(zhuǎn)站相連，各貨運站在集貨之后向中轉(zhuǎn)站派出運輸車輛，各個貨運站的貨物在中轉(zhuǎn)站按貨物目的地的不同進(jìn)行重新分理，經(jīng)過中轉(zhuǎn)站的轉(zhuǎn)運到達(dá)目的地。

通過對此軸輻式網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)及貨運流程分析，由于網(wǎng)絡(luò)中每個貨運站都指派于該中轉(zhuǎn)站，因此網(wǎng)絡(luò)內(nèi)貨運形式固定，這里可以建立運營成本公式：

備注：

C為網(wǎng)絡(luò)總運輸成本。

i，j—貨運站，P—網(wǎng)絡(luò)中所有貨運站的集合，H—所有中轉(zhuǎn)站的集合，此例中由于只有一個中轉(zhuǎn)站，以h表示。

—單位貨量在中轉(zhuǎn)站的處理成本，包括貨物的裝卸搬運、分理等處理過程發(fā)生的成本。

——單位貨量在貨運站的處理成本，包括貨物的裝卸搬運、分理等處理過程發(fā)生的成本。

，——貨物從起始貨運站i至中轉(zhuǎn)h，以及從中轉(zhuǎn)站h至終點站j的在途運輸過程中單位貨量的變動成本。

，——網(wǎng)絡(luò)完成一次運輸?shù)倪^程中，貨運站和中轉(zhuǎn)站的貨物處理量。

——貨運站i至貨運站j的貨流量。

三、相關(guān)實例—軸輻式包裹配送網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

包裹配送網(wǎng)絡(luò)是軸輻式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到應(yīng)用成功的又一個典型領(lǐng)域。在全球著名的聯(lián)合包裹服務(wù)公司的軸輻式包裹配送網(wǎng)絡(luò)中(圖3)，每個包裹需要經(jīng)過三個主要環(huán)節(jié)：

1.收集環(huán)節(jié)UPS根據(jù)服務(wù)時間計劃，精心設(shè)計每一條包裹收集路線，及收集停靠點。每個區(qū)域操作中心收集的包裹都要送到網(wǎng)絡(luò)樞紐進(jìn)行分揀作業(yè)，由于UPS在全球只建立了六個超級樞紐，因此有的區(qū)域操作中心到樞紐的距離可能會很遠(yuǎn)。

2.分揀環(huán)節(jié)到達(dá)樞紐的包裹經(jīng)過卸車作業(yè)后，根據(jù)包裹目的地的地理位置進(jìn)行分揀，然后所有同一方向的包裹被裝運到飛往該方向的同一架飛機(jī)上。

3.分發(fā)環(huán)節(jié)到達(dá)目的區(qū)域操作中心的包裹通過卡車或小車分發(fā)到用戶手中。

目前聯(lián)邦快遞(FeDex)、聯(lián)合包裹服務(wù)(UPS)、敦豪(DHL)等世界主要包裹快遞服務(wù)公司均采用軸輻式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過將北美、亞洲和歐洲的包裹集中到孟菲斯、新加坡、法蘭克福等地的樞紐節(jié)點，經(jīng)過分揀后，轉(zhuǎn)運到世界各地，再通過地面運輸網(wǎng)絡(luò)配送到用戶手中。我國的一些民營快遞公司，也開始嘗試建立自己的軸輻式網(wǎng)絡(luò)，來提高運營效率、縮短服務(wù)時間，全面提升企業(yè)綜合競爭優(yōu)勢。

隨著需求的改變，F(xiàn)edex、UPS等傳統(tǒng)包裹快遞服務(wù)商都向物流服務(wù)綜合供應(yīng)商轉(zhuǎn)型。軸輻式網(wǎng)絡(luò)也成為物流產(chǎn)業(yè)的典型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。軸輻式物流網(wǎng)絡(luò)的樞紐是配送中心(物流中心)，配送中心通過將各地不同供應(yīng)商、生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品集中，經(jīng)過分類、再包裝等作業(yè)后，打包、組合配送到各零售商或直接配送到客戶手中。目前美國主要的物流運營商Norfolk southern、Yellow Freight等都采用軸輻式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實踐證明，采用軸輻式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可以降低物流運輸成本，提高倉庫利用率，降低庫存積壓，從而實現(xiàn)最大程度的成本節(jié)省。

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