低碳視角下車輛的物流配送路徑優化問題研究

錢嘉琪，趙欣瑤，孫 雪

（北京聯合大學 城市軌道交通與物流學院，北京 100101）

1.引言

近年來，我國各大城市均受到不同程度的霧霾侵擾。大量研究表明，減少霧霾發生最有效的方法是減少高能耗汽車使用、降低尾氣排放。據《2018年上半年交通運輸經濟運行的總體情況》可知，2018年上半年，鐵路完成貨運量19.6億噸；公路完成貨運量179.8億噸；水路完成貨運量32.7億噸；公路煤炭增量占總增量的80%左右[1]。我國貨車普遍采用汽油、柴油作為主要動力來源，而汽車尾氣是產生霧霾的主要原因。目前很多企業的配送路徑不能達到最優，相應的能耗與碳排放量也不能得到有效控制，從而造成資源浪費，成本增加。

物流配送是物流發展的重要環節，從物流配送路線優化角度入手，對整個物流網絡進行合理布局規劃，找尋最優路徑、縮短運輸距離。從滿足客戶需求、降低經濟成本角度出發，有效控制能耗和碳排放量，減少環境污染，實現可持續發展。實現多車型車輛配送路徑優化是研究項目的主要目的，細致到各個配送環節，通過模型優化配送路徑，實現節能減排[2]。

當前，電子商務等網絡商業活動迅速發展，經營、配送活動都需要先進的物流網絡的支撐與支持，物流業也早已成為我國經濟發展中重要的一環[3]。網購時代客戶購買商品均需物流配送，在這種背景下，低碳視角下車輛的物流配送路徑優化有重要的意義：通過對低碳視角下車輛的物流配送路徑優化問題進行研究，全方面考慮客戶的配送需求、車輛能耗和碳排放量等因素，使問題的研究方向更貼近實際生活，節約企業成本，提高三方效益，具有重要的實踐意義。

2.國內外現狀

20世紀中期以來，貨物配送合理化在世界受到廣泛關注，諸多學者對此進行研究。KanchanaSethanan和ThitipongJamrus[4]設計數值實驗來比較混合差分演化算法與LINGO計算軟件，使用傳統差分進化算法和在實際環境中選擇遺傳算子和模糊邏輯控制器的差分進化算法。HelenaM. Stellingwerf等人[5]為真實地模擬和量化食品質量，建立了一個時間和溫度相關的車輛路徑問題動力學模型。在產品對溫度非常敏感且外界溫度較高的情況下，質量損失最小化使多條路線中每條路線停靠站更少，而成本或排放量最小化則會導致更長的路線。Ni-colasRincon-Garcia等人[6]采用大鄰域搜索算法，考慮時間窗的車輛路徑問題的基準解用于表示送貨上門條件的場景，以評估時間窗口長度、客戶密度、擁塞和法規對成本和環境造成的影響。在物流成本中，配送成本占了相當高的比例，配送路線安排的合理與否對配送速度、成本、效益有很大影響。采用科學合理的方法進行配送線路優化，是物流配送中至關重要的一環。

20世紀80年代初，《物資經濟研究通訊》中“物流淺談”一文使物流在我國被關注重視。許敏[7]對同一配送中心不同客戶的配送路徑進行規劃,考慮客戶滿意度的同時,加入時間窗和路徑長度約束,保證配送時間，提高安全性，防止疲勞駕駛。陳春芳[8]提出半開放式多中心聯合配送模式并基于模擬退火算法、人工魚群算法和基本蟻群算法的改進混合蟻群算法,結合冷鏈配送實例,求解出最優的配送方案。欒巒[9]提出雙層規劃方法,建立雙層規劃模型進行遺傳算法收斂求解出最佳優化結果。從物流配送路徑優化角度出發，結合當今社會污染問題和傳統最短路徑優化的典型性及普遍性優點，達到提高配送效率、節能減排的效果。

3.車輛能源消耗和碳排放量統計

表1 配送車輛分配表

3.1 車輛能源消耗統計

可持續發展是我國的基本決策，隨著交通行業的發展，交通能耗占能源消耗總量達30%-40%[10]，而消耗主體更是不可再生的石油能源。有限的石油儲量對物流配送的可持續發展提出了嚴峻挑戰。優化多車型車輛物流配送路徑，可從根本上緩解能耗過大問題，從而達到節能減排的目的。

3.2 車輛碳排放量統計

優化車輛物流配送路徑，從根本上限制汽車能耗，在節約資源的同時，還能達到減輕霧霾、保護環境的效果，降低碳排放帶來的溫室效應。貨車排放的主要氣體有：CO、NOx、SOx、HC、顆粒物PM等，這些氣體正是污染環境、危害健康的罪魁禍首。因此，優化多車型車輛物流配送路徑，能從根本上減少碳排放量。

4.數字模型構建及理論設計計算

4.1 數字模型構建

車輛的行駛速度60km/h；各客戶點與配送中心之間距離以及客戶點之間的距離按實際距離測算。燃油單價6.67元/升（2019年4月柴油報價）；碳排放成本74.44元/噸（中國碳排放交易網站2019年4月8日北京市日均成交價）；車輛的固定使用成本估計為每次100元，平均裝車時間20分鐘，搭配量在一個班次（8小時）內滿足配送即可。通過實地調查，獲取該配送中心某天內需要進行配送的詳細訂單信息，卡車在等待時的能耗也是相當可觀的，原則上不應發生卡車等待的情況。

本文選擇深圳市果蔬配送的實際訂單為研究對象。整個配送區域為160km2，按區域劃分線路網。龍華區有四條配送線路分別是平安路、龍觀大道、龍華大道以及大河路。選擇該配送實例為研究對象，配送情況相對明確，便于對考慮節能減排的多車型車輛路徑問題進行求解。配送中心配有額定載重為3000果蔬的載重貨車（即重1.54噸），平均卸車時間為15分鐘。該配送中心一天內須完成對10個配送點的配送服務。

4.2 理論設計計算

根據分析，建立的相關的數學模型如下式(1)-(7)所示。

式中，xij：從i地到j地的運量（車），單位：噸；

cij：從i地到j地的距離，單位：公里；

Tij：從i地到j地運行一個周期平均時間，單位：分；

Aij：從i地到j地最多能同時運行的卡車數，單位：輛；

Bij：從i地到j地路線上一輛車最多可運行的次數，單位：次；

qi：j號地牛奶需求，單位：噸；

ckj：i地牛奶儲量，單位：噸。

4.3 模型求解

表2 配送時間表

表3 配送組距離表

經過線路優化可得出能源消耗減少4.8%；碳排放量減少6.5%。

5.結語

隨著工業發展與人們對環境保護的深入研究，低碳環保下的物流行業得到普遍關注與認可。本文以節能減排為目的，深入分析多車型物流配送優化問題，建立數學模型，通過實際問題論證觀點，使該方案更具可行性。物流配送路徑優化不僅要考慮運輸車型、負載、配送時間、顧客需求，還要控制成本，保證產品質量，運輸過程中交通狀況等多方面因素。進一步把交通狀況、不同車型聯合運輸等加入物流配送路徑優化模型進行研究。綜上經過線路優化可得出能源消耗減少4.8%；碳排放量減少6.5%。