基于多因素的城市即時配送創新模式研究

任新惠 教授 王 柳 鄒心彤

（1、中國民航大學經濟與管理學院 天津 300300；2、四川科倫實業有限公司 四川成都 610000）

引言

隨著社會的進步和發展，衍生出“懶人經濟”和快節奏的生活模式，我國即時配送的市場規模也隨之不斷擴大。根據報告顯示，2017年全國完成100億單的即時配送訂單，占傳統業務的25%，未來業務量將達到一半以上。但在即時配送高速發展的背后，騎手在高速行車中的安全問題、隱私泄露問題等頻繁發生。未來即時配送要持續健康發展，要完善行業法律、法規建設，更重要的是與目前的配送新技術、新模式進行有機結合，優化末端配送網絡。無人機在快遞配送行業的應用在未來發展空間是不可估計的，無論是從無人機在未來的需求量上來看，還是從無人機相比于人力配送的配送成本來看，無人機都是未來快遞業的發展趨勢。

目前京東、順豐、億航、訊蟻、亞馬遜、UPS、沃爾瑪、敦豪等都在積極探索無人機配送新模式。在無人機與其他交通工具配送模式的研究中，主要包括無人機與快遞員聯合配送模式、無人機與基站聯合配送模式。移動基站模式主要分為：無人機與車聯合配送模式、空中訂單履行中心模式。

隨著配送新模式、新技術的不斷發展，城市即時配送對時間的要求越來越高，目前缺乏對于配送需求較為集中的城市環境與物流無人機配送模式相結合的相關研究。本文總結了多種無人機組合城市配送模式及其適用場景，然后針對無人機與無人倉模式、無人機與快遞柜模式、無人機與卡車配送模式三種聯合配送模式進行重點研究，并在城市道路的實際約束下規劃車輛及無人機聯合配送路徑，為未來城市的即時配送提供理論支持。

無人機城市物流配送模式分析

近年來，物流無人機配送試點普遍在鄉村，迅蟻、億航已經在城市即時配送中開始用無人機進行嘗試。本文總結出幾種無人機配送模式：無人機與快遞員相結合模式、無人機與全自動快遞柜模式、無人機與車輛配送模式，具體模式如表1所示。

由于環境的差異性以及無人機配送模式對環境的適用性，本文在城市即時配送的環境下以無人機聯合配送模式為研究對象，針對無人機與卡車、無人機與無人柜及無人機與無人倉聯合配送模式進行重點研究。

無人機配送組合模式對比分析方法

對于各個模式的比較分析，一般通過包裹的配送效率、配送成本、碳排放量等指標來進行各模式之間的比較，本文選取這三個指標對無人機與卡車相結合模式、無人機與無人柜組合模式及無人機與無人倉組合模式進行分析比較。要使得不同配送模式下的綜合效率最高，就要使得不同配送模式的成本、碳排放量、配送效率最優，用公式表示為：

其中，Ii為某一聯合配送模式的綜合效益；α、β、γ分別是配送成本、碳排放量、配送時間在綜合效益中所占比重；Ci、Si、ξi、Vi為不同配送方式的單位運營成本、運輸距離、單位距離行駛的燃料消耗量、行駛速度；e0為CO2排放系數；i為不同配送方式，i=1，2，3；j為不同聯合配送模式，j=1，2，3。

（一）無人機與卡車相結合模式

在無人機與卡車相結合的配送模式中，理想條件下，卡車可以用重心法得到卡車最優配送路徑規劃為一個圓軌跡。考慮到城市實際道路的影響，因此對應所選區域真實地域交通建筑狀況，擬合出最接近卡車最優配送路徑的現實路徑，并基于此規劃無人機的配送路徑。具體過程如下：

重心法確定圓心。假設各配送點的重心坐標設為O（X，Y），區域內配送點的集合U={p1，p2，…}。將配送點的坐標設為pi(xi，yi)，其中i=1，2，…。目標函數運輸總成本C最小，即：

其中，K代表換算系數，運輸費率統一為w（單位為元/km），運輸距離為di。

確定卡車運行半徑。以各配送點到圓面的距離和L最短為目標，求得路徑圓的半徑R，即：

其中，Loi為圓心到配送點的距離。

確定無人機配送路徑。在碳排放量約束條件下，無人機配送路徑最短，即各配送點到圓面的距離最短，假設物流配送活動中的燃料消耗量僅與運輸距離相關。目標函數為完成所有配送任務中的卡車和無人機的碳排放量之和E最小，即：

其中，ζ1為卡車單位距離行駛的燃料消耗量，ζ2為無人機單位距離配送的燃料消耗量。

在配送效率約束條件下對無人機配送路徑規劃，要求無人機和卡車的行駛時間之和T最短，即：

其中，Mi為無人機從卡車上起飛點，pi為配送點，Ni為配送返回點，V0為卡車的行駛速度，V1為無人機的行駛速度。

規劃卡車實際行駛路徑及無人機配送路徑。由于實際運行環境限制，需要根據所選區域的交通道路重新規劃卡車行駛路徑。目標函數為完成所有配送任務的總碳排放量E 最小，即：

其中，S0為卡車載無人機行駛的距離長度。

在配送效率約束條件下的無人機配送路徑。同理，建立目標函數為無人機飛行時間和卡車載無人機的行駛時間之和T最小，即：

其中，T0為卡車載無人機行駛的時間。

（二）無人機與無人倉相結合配送模式

假設無人機飛行區域建筑物低于無人機飛行高度，即待配送的需求點與無人倉的兩點一線的飛行：

其中，li表示無人機從各配送點到倉庫的配送距離。

表1 無人機組合城市配送

表2 相關參數及數值

表3 四個配送模式的不同指標數值計算結果

（三）無人機與全自動快遞柜相結合配送模式

將無人機配送區域進行區域劃分，假設每個區域內設置一個無人柜、一架無人機進行配送。按照路徑最短的原則計算無人機飛行距離和配送員補給距離，即：

其中，S為配送總距離；di為配送員到各個全自動柜的補給距離；li為各個快遞柜到各個配送點的配送距離。

圖1 衛星地圖選址

圖2 在碳排放量約束條件下的無人機配送路徑

圖3 卡車與無人機聯合配送路徑

案例分析

（一）案例背景

本文選擇中國民航大學南院為場景進行無人機組合配送模擬。假設本文所選擇的區域高度滿足無人機飛行條件即建筑群高度低于120米，且在沒有人為干預的情況下排除一切不安全因素，因此無人機不受道路交通及建筑物的影響而正常行駛。另外，假設該模型中所應用的末端小型無人機為多旋翼無人機，載重不超過2.5kg，每次只能運送一件包裹。在所選區域中選擇較為分散的11個待配送的需求點，并對應到衛星地圖中，如圖1所示。假設倉庫所在地位置固定。通過CAD繪圖，確定11個待配送的需求點和倉庫所在地的坐標，并在sketchpad中建立直角坐標系。

（二）卡車與無人機相結合配送距離運算

確定配送點的重心。假設重心坐標點為（1.00，1.00），為方便計算運輸費率均設為1。根據公式（2）計算得出運輸成本為6449.4元。以總運輸成本最低為目標函數進行優化求解，求得配送點的重心的坐標點為（28.86，30.48）。此時總成本為5181.48元，與之前的總成本相比顯著降低，證明優化有效。

確定卡車行駛路徑。假設半徑R=1.00K。根據公式（3）計算得出總距離L為2851.92m。以總距離最小為目標函數進行優化求解，此時總距離為925.8m，與之前的總距離相比顯著縮短，證明優化有效，由此可確定卡車行駛路徑。

確定無人機路徑。確定無人機配送路徑（虛線），并在直角坐標系中做出軌跡圖，如圖2所示。

規劃卡車實際行駛路徑及無人機配送路徑。根據實際路面道路情況的不同，卡車（實線）與無人機（虛線）的路徑如圖3所示。根據公式（6）可得到在碳排放量約束條件下的無人機飛行路徑最短為2605.02m。

（三）無人機與無人倉相結合配送距離運算

在衛星地圖上模擬無人機配送路線。將衛星地圖對應到直角坐標系中，做出無人機飛行路徑，即待配送的需求點與無人倉的兩點一線的飛行。分別計算配送點到無人倉的距離，配送總距離為往返距離，根據公式（8）計算得出配送總距離為5237.16m。

圖4 無人機配送與貨車補給路徑圖

（四）無人機與全自動快遞柜相結合配送距離運算

假設所選區域根據需求量集中程度劃分為三個小區域，在每一塊小區域內的空地處設置一個無人柜。按照路徑最短的原則，繪制坐標系中的飛行路徑（虛線）、配送員行駛路線（實線），如圖4所示。補給線路分為三條，不能同時進行補給，在完成一條線路的補給后進行下一條線路的補給。計算得無人機往返總距離為3737.28m。

（五）綜合對比分析

無人機的運輸成本目前還沒有詳細統計數據，以江西省贛州市南康區開展的無人機物流配送試點為例，估計單次飛行運輸成本約15元，同期地面運輸單件成本約23元，較現有無人機運輸成本高53%。據此假設具體相關參數值如表2所示，這里僅考慮運營成本。

根據公式（1），為了綜合三種指標的效應，賦予每一種指標一定的權重，計算得到三種配送模式的四個指標，如表3所示。

通過表3可知，在此區域內，無人機與無人倉、無人柜組合模式的綜合效益均優于無人機與卡車組合，未來無人配送模式將以其低成本、高效率、環保而獲得競爭優勢。但現階段，考慮到前期投入成本、土地占用等因素，無人機與卡車相結合的配送模式則可以應用現有基礎設施，也是目前可選的主要模式。

結論

無人機聯合配送模式是目前應用最廣泛的一種模式，本文對其中三種聯合配送模式在某一具體區域內進行研究，以配送成本、碳排放量和配送效率三個指標為對比依據進行算例分析。綜合來看，無人機與無人倉相結合模式因其配送距離短而費用低、速度快、成本低，是未來的發展趨勢，但目前無人機與卡車相結合模式也是一種可行的選擇。本研究為無人機城市物流配送模式的實踐提供方法和技術，在后面研究中會根據實際需求選擇具體配送點進行研究。

無人機應用于城市的即時配送仍屬于一個比較新的研究方向，無人機城市物流配送的發展還存在多方面影響因素和限制條件，如無人機配送選點、無人機城市運行環境等，都有待進一步深入研究與測試，才能確保無人機在保證安全的前提條件下進行大規模推廣。