基于串行線路的快遞干線網絡優化

劉韻晗，彭 浪，李蕓橫，張 勃

（郵政科學研究規劃院，北京100096）

0 引言

隨著互聯網經濟和電子商務的飛速發展,整個快遞物流行業進入蓬勃發展時期，2018年快遞業務量達507.1億件,連續5年市場規模全球第一[1]。快遞網絡是快遞企業運營的基礎，布局合理、管理科學、運轉高效的快遞網絡對推動快遞業的發展具有重要的戰略意義[2]。干線網絡是快遞網絡中支撐快遞包裹干線運輸的重要網絡，其主要指各干線節點之間的陸運網絡，支撐了省際之間的物流流通。目前，干線運輸網絡多為傳統的“點對點”模式，即車輛從出發點出發直接行駛至目的地，若有返程，車輛直接從目的地返回出發點，中間不途經其他點，僅運輸出發地與目的地之間的貨物。點對點直達模式的缺點是：如果運輸網點多，或者各網點之間的運量較小，或運量不平衡時，會導致網絡不經濟[2]。為了彌補這種模式返程裝載率低與單程價格高的缺點，提升裝載率、增加大車使用占比、增加雙程線路占比，本文提出中途可以停靠多點，并進行多次裝卸作業的串行線路，以優化快遞企業干線運輸網絡。

1 文獻綜述

國內外對運輸網絡有多方面的研究。高玉建，等[3]和于文濤，等[2]均對郵政運輸網絡中的郵路規劃和郵車調度進行了優化。胡覺亮，等[4]提出了快運企業干線運輸網絡中途點停靠模式，論證了該模式在大多數情況下可避免一定的車輛空駛情況，對干線網絡運輸有一定的優化作用。Larsen，等[5]設計了一個模型預測控制器，確定運輸集裝箱時所使用的運輸工具組合和空載與滿載時應行駛的路線。段麗梅，等[6]構建了三級軸輻式快遞網絡模型，論證了其有效性。張韜[7]研究了軸輻式網絡中的碳排放問題，提出了考慮環保多車型策略的低碳軸輻式網絡設計方法。蔣洋，等[8]研究了公鐵聯運模式的干支線運輸方案優化問題。張天軼，等[9]研究了城際軌道交通線網規劃問題，針對目標控制階段中對線網規模的測算方法，設計了基于ε-約束法的模型求解算法。孟多[10]提出一種新的運輸網絡,建立了以物流成本最小為目標，以車輛容量、裝載率等為約束的模型，優化了運輸網絡的總成本。方曉平，等[11]建立了以總運輸成本和中轉成本之和最小化為目標的混合整數線性規劃模型，優化了混合軸輻式運營網絡。米奎[12]針對傳統的軸輻式運輸網絡,提出了多式聯運的軸輻式干線運輸網絡,對網絡運輸支線與干線的運輸路線與運輸方式的決策問題進行建模優化。

許多學者對車輛路徑問題也展開了研究。Okamoto，等[13]研究了存在不確定性的車輛路徑規劃問題，提出了基于最優協方差控制的方法，并驗證了其有效性。Lv，等[14]基于深度學習解決了智能交通系統安全問題，研究表明通過機器學習對智能交通系統的改進，可以提高預測精度，有效改變路徑等。Jiang，等[15]提出了一種自適應蟻群和粒子群算法相結合的智能優化算法，能夠更有效地解決車輛路徑問題。Martins，等[16]研究了取送貨一體的兩級車輛路徑問題。

綜上所述，運輸網絡的合理規劃和車輛路徑的合理設計，對快遞企業有著至關重要的作用，降低成本、提高效率是物流優化的目標。本文提出的中途可停靠多點的串行線路規劃方法，能夠達成降低干線運輸成本的目標，進而提高快遞運輸網絡整體運作效率。

2 干線網絡運輸模式現狀

目前，快遞企業干線網絡多為“點對點”運輸，車輛僅運輸出發地與目的地之間的貨物，現狀下存在兩種“點對點”運輸方式：（1）單程點對點運輸。貨車從出發點行駛至目的地。（2）雙程點對點運輸。貨車從出發點行駛至目的地，再返回至出發點。

對于單程運輸而言，在相同距離下其運輸成本比雙程運輸成本高，若貨車允許有途經點，則可以將多條單程線路串行，合并為一條雙程線路以節省成本。對于雙程運輸而言，貨車往返裝載率的差別較大也會帶來貨車裝載率低的情況，如果允許有途經點，將雙程運輸線路與其他點進行串行，增加運輸其他線路上的部分貨物，可以提高貨車裝載率，節省成本。

3 串行線路優化思路

3.1 基本假設

本文的研究基于以下假設，在優化前后均保持一致。

（1）干線網絡運輸可供使用的有大、中、小三種車型，具有不同的載重量。

（2）在串行線路中，貨車在途經點可以運輸該點至其他途經點或目的地的貨物。

（3）若貨車返回出發點，則該線路為雙程線路，否則為單程線路，單程線路成本更高，用單程成本系數衡量。

（4）短途運輸一輛車僅需一名司機，長途運輸一輛車需兩名司機。

（5）線路上車型的選擇以使用最少車輛數、最大車型為原則，保證所選車型及車輛能夠滿足運輸需求且成本最低。

3.2 典型串行模式說明

在串行線路中，車輛可在行駛途中途經其他點，運輸途經點的貨物。考慮到運營管理難度，本文提出以下三種串行模式。

模式一：A-B-C型，如圖1所示。

圖1 串行模式一示意圖

①貨車從點A出發至中間點B，路途中運載AB、A-C的貨物。

②貨車從中間點B出發至點C，路途中運載AC、B-C的貨物。

模式二：A-B-C-A型，如圖2所示。

圖2 串行模式二示意圖

①貨車從點A出發至中間點B，路途中運載AB、A-C的貨物。

②貨車從中間點B出發至中間點C點，路途中運載A-C、B-C、B-A的貨物。

③貨車從中間點C出發返回至點A，路途中運載B-A、C-A的貨物。

模式三：A-B-C-B-A型，如圖3所示。

圖3 串行模式三示意圖

①貨車從點A出發至中間點B，路途中運載AB、A-C的貨物。

②貨車從中間點B出發至中間點C點，路途中運載A-C、B-C的貨物。

③貨車從中間點C出發至中間點B，路途中運載C-B、C-A的貨物。

④貨車從中間點B出發至點A，路途中運載CA、B-A的貨物。

3.3 組開串行線路測算邏輯

如圖4所示，首先初始化候選線路集合和候選點A集合，在其中選擇以其為起點的線路數最多的點為串行點A，得到AB線路集合，然后在AB線路集合中選擇運輸量最小的線路為線路AB，得到串行點B。根據AB，得到點C集合，以及對應的AC、BC線路。選擇各C點作為串行點C，依次選擇AC和BC線路，代入優化模型進行計算，若能降低成本，則更新當前最佳方案。在該串行點A的所有情況均計算完畢后，若當前最佳方案的優化效果滿足要求，則更新優化后的線路表以及候選線路集合。最后在候選點A集合中刪除該點A，更新候選點A集合進行下一次選擇與計算。如果候選線路集合為空或者候選點A集合為空則計算完畢，輸出優化后的最終線路表。

4 數值實驗與分析

4.1 數據準備

（1）城市之間的快遞包裹流量流向數據。根據從各省市郵政管理局官網收集的全國各城市（除港澳臺）2019全年的快遞量數據以及國家郵政局公布的2015年各省市快遞攬派比，按發件量的比例將某個城市的收件量分配到各發件城市，近似估算了2019年各城市間的日均快件流量流向矩陣。再根據各出口省市的單件均重計算快件重量。

（2）干線節點數據。選擇各省會城市（除港澳臺）和快遞企業使用較多的節點城市作為本文實驗的快遞網絡的干線節點，共計74個。根據就近原則確定干線節點的覆蓋范圍，將各城市之間的快件量歸集于干線節點。

圖4 測算邏輯框圖

（3）線路構建及路由確定。首先，各省省會城市與其他同省城市之間構建雙向直達線路，其次計算干線節點之間的年日均流量，若達到一定標準則開通直達線路。根據所開直達線路，以經轉次數少為首要目標，運輸距離短為次要目標，確定各個干線節點之間的實際路由。

（4）車型選擇及現狀線路整理。根據實際路由計算經轉量，確定每條線路上的實際運輸量，從而選擇車型及車輛數，得到包含車型選擇、裝載量、成本等相關參數的現狀線路明細。

（5）相關參數。運輸成本包括路橋費用、油耗費用和司機費用，各成本參數及其他參數見表1。

表1 相關參數表

4.2 優化效果分析

分析一：不同市場占有率下的優化情況。使用構建的快遞包裹流量流向數據、節點數據，以干線節點之間的年日均流量達到小型車裝載量的50%為開通直達線路的標準，計算在不同市場占有率下，開設串行線路對網絡的影響。結果見表2和圖5。

表2 不同市場占有率下的優化情況

圖5 不同市場占有率下的優化情況

從圖5和表2可以看出：在市場占有率增加的情況下，總運輸成本的降低比例、車輛總里程的減少比例、車輛數減少比例、平均裝載率提升和大型車輛使用占比總體呈現先增大后減小的趨勢，雙程線路占比提升總體呈現減小趨勢。在該組網模式下，成本降低比例的波峰（即優化效果最佳）在市場占有率為5%～10%之間。

平均而言，現狀下貨車行駛的線路中平均有31.6%的貨車線路在合理串行后能夠節省成本。通過組開串行線路，貨車行駛總距離平均減少10.6%，車輛使用數量平均減少21.6%，車輛平均裝載率平均提高4.4%，雙程線路數占比平均增加6.3%，大型車輛使用占比平均提高19%，運輸總成本平均減少7.7%。從以上結果可知，現狀點對點運輸線路中有較大比例可以優化為串行線路，優化后可以達成的優化效果有：（1）降低運輸成本；（2）減少貨車行駛總里程；（3）減少貨車使用數量；（4）提高車輛平均裝載率；（5）提高雙程線路占比；（6）提高大型車輛的使用率。

分析二：不同直達線路開設標準下的優化情況。使用構建的快遞包裹流量流向數據、節點數據，取市場占有率為10%，計算在不同直達線路開設標準下，串行線路的優化情況。具體而言，分別取小型車和中型車裝載量的30%、50%和70%作為直達線路開設標準，標準越高，直達線路數越少，以直達線路數量衡量開設標準高低，計算優化后的成本降低比例、車輛總里程減少比例、平均裝載率提升等指標，分析不同標準下的優化效果，具體見表3，如圖6所示。

表3 不同直達線路開設標準下的優化情況

從圖6中可以看出，隨著直達線路的增多，成本降低比例、車輛總里程減少比例、車輛數減少比例、平均裝載率提升和大型車輛使用占比總體呈現增大的趨勢，而雙程線路占比提升總體呈現先增大后減小的趨勢。可以得出結論，在開設直達線路的標準降低時，快遞網絡中會開設更多的直達線路，更有利于開設串行線路，對干線網絡進行優化，其優化效果也更好。

圖6 不同直達線路開設標準下的優化情況

5 結語

本文提出了一種創新型的串行線路，具體闡述了三種串行模式，并給出串行線路的優化測算邏輯。本文搜集了行業數據模擬快遞干線網絡，計算在不同市場占有率情況下和不同直達線路開設標準下，合理組開串行線路對干線運輸各指標的影響。通過測算與分析可知，通過將部分點對點的運輸線路合理優化為串行線路，可達到減少車輛總里程、減少車輛使用數量、提高平均裝載率、降低成本的優化效果。本文的研究未涉及串行線路對時效的影響，可將其作為下一步的研究方向。