丁小東

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081）

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)和電子商務(wù)的蓬勃發(fā)展，我國(guó)快遞行業(yè)呈爆發(fā)式增長(zhǎng)，2008—2018年快遞業(yè)務(wù)量年均增長(zhǎng)38%，2018年快遞業(yè)務(wù)量達(dá)507.1億件，超過美國(guó)、日本和歐盟快遞總量，連續(xù)5年市場(chǎng)規(guī)模全球第一。目前，在行業(yè)層面，國(guó)家郵政局和地方郵政管理局定期公布全國(guó)和各地市快件發(fā)送量數(shù)據(jù)，但是無法形成全國(guó)快遞OD數(shù)據(jù)；在企業(yè)層面，順豐控股(集團(tuán))股份有限公司和京東物流集團(tuán)等社會(huì)企業(yè)均掌握其快件的OD流量，能科學(xué)制定快遞網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)點(diǎn)布局和運(yùn)輸組織方案，而高鐵快運(yùn)由中鐵快運(yùn)統(tǒng)一運(yùn)營(yíng)，擬打造成為全國(guó)高端快件干線運(yùn)力平臺(tái)。由于中鐵快運(yùn)不負(fù)責(zé)快件的兩端取派業(yè)務(wù)，因而不掌握快件的實(shí)際OD流量數(shù)據(jù)，導(dǎo)致高鐵快運(yùn)在節(jié)點(diǎn)布局、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和運(yùn)力資源分配上存在問題。由于快遞企業(yè)嚴(yán)禁開放客戶具體OD流量數(shù)據(jù)，因而只能使用國(guó)家郵政局公布的發(fā)送量數(shù)據(jù)，通過構(gòu)建快遞網(wǎng)絡(luò)流量分析模型，獲得快遞行業(yè)OD流量數(shù)據(jù)。為此，在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上[1-5]，借鑒公路交通網(wǎng)絡(luò)“四階段法”(交通發(fā)生、交通分布、交通方式劃分和交通分配)流量分析方法，提出我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)“三階段法”(業(yè)務(wù)區(qū)確定→流量分配→流量分劈)流量分析模型；應(yīng)用JavaScript API開源技術(shù)，提出快遞網(wǎng)絡(luò)流量智能生成算法；應(yīng)用全網(wǎng)收發(fā)平衡原理，構(gòu)建高速鐵路網(wǎng)絡(luò)流量分配模型。結(jié)合2018年7月1日實(shí)施鐵路運(yùn)行圖，測(cè)算京廣(北京—廣州)、京滬(北京—上海)、滬廣(上?！獜V州)等34條通道高鐵快運(yùn)OD流量，設(shè)計(jì)以武漢為軸心的高鐵快運(yùn)轉(zhuǎn)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，以北京、上海、廣州、成都為區(qū)域集散節(jié)點(diǎn)的高鐵快運(yùn)直達(dá)網(wǎng)絡(luò)。

1 快遞網(wǎng)絡(luò)“三階段法”流量分析模型

1.1 快遞網(wǎng)絡(luò)流量分析思路

快遞網(wǎng)絡(luò)“三階段法”流量分析方法主要包括快遞業(yè)務(wù)區(qū)確定、網(wǎng)絡(luò)流量分配和通道流量分劈3部分內(nèi)容，其中快遞業(yè)務(wù)區(qū)確定階段采用重力模型，主要計(jì)算快遞網(wǎng)絡(luò)幾何中心和流量重心；網(wǎng)絡(luò)流量分配階段采用收發(fā)平衡模型，主要計(jì)算單個(gè)快遞業(yè)務(wù)區(qū)內(nèi)部收件量和發(fā)件量的比例，以及不同業(yè)務(wù)區(qū)之間收件量的比例；通道流量分配階段采用運(yùn)量－運(yùn)距模型，主要計(jì)算分交通方式的優(yōu)勢(shì)運(yùn)距和分擔(dān)率?？爝f網(wǎng)絡(luò)流量分析思路如圖1所示。

圖1 快遞網(wǎng)絡(luò)流量分析思路Fig.1 Method of delivery network flow analysis

1.2 基于重力模型的快遞網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)確定方法

快遞服務(wù)網(wǎng)絡(luò)(以下簡(jiǎn)稱“快遞網(wǎng)絡(luò)”)，由多個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)構(gòu)成，每個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)之間存在雙向流量傳遞關(guān)系，在網(wǎng)絡(luò)流量計(jì)算中一般將業(yè)務(wù)區(qū)抽象為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)E，節(jié)點(diǎn)之間由有向弧V連接，有向弧的粗細(xì)和方向分別表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)間業(yè)務(wù)流量和流向?？爝f網(wǎng)絡(luò)G可用公式表示為

在計(jì)算快遞網(wǎng)絡(luò)幾何中心時(shí)，不考慮快遞業(yè)務(wù)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)空間布局的影響，在該種情況下測(cè)算出來的流量重心稱作幾何中心。幾何中心表示快遞網(wǎng)絡(luò)物理空間的結(jié)構(gòu)中心，計(jì)算公式為

式中：，分別為某區(qū)域快遞網(wǎng)絡(luò)幾何中心的經(jīng)度值和緯度值；xi，yi分別為第i個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)(業(yè)務(wù)區(qū)中心)的經(jīng)度值和緯度值。

重力模型在經(jīng)濟(jì)學(xué)中應(yīng)用較為廣泛，應(yīng)用到快遞網(wǎng)絡(luò)流量布局中，是指在快遞服務(wù)網(wǎng)絡(luò)空間上存在一點(diǎn)，使得在該點(diǎn)前后左右各個(gè)方向的流量對(duì)比保持相對(duì)平衡。假設(shè)快遞網(wǎng)絡(luò)由n個(gè)業(yè)區(qū)域構(gòu)成，各業(yè)務(wù)區(qū)的快遞業(yè)務(wù)量為mi，則該快遞網(wǎng)絡(luò)流量重心的計(jì)算公式為[6-7]

式中：X，Y分別為該快遞網(wǎng)絡(luò)流量重心的經(jīng)度值和緯度值。

1.3 基于收發(fā)平衡的快遞網(wǎng)絡(luò)流量分配方法

國(guó)家郵政局和地方郵政管理局定期公布快遞行業(yè)發(fā)送量數(shù)據(jù)，對(duì)快遞行業(yè)供給側(cè)進(jìn)行了常態(tài)化監(jiān)測(cè)，但是未提供各地區(qū)快遞到達(dá)量的數(shù)據(jù)，缺乏對(duì)快遞行業(yè)需求側(cè)的檢測(cè)。綜合考慮各業(yè)務(wù)區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口、消費(fèi)水平等主要因素，基于全網(wǎng)收發(fā)平衡原理，構(gòu)建快遞網(wǎng)絡(luò)流量分配模型和算法，得到各業(yè)務(wù)區(qū)之間快遞OD流量。

假設(shè)快遞網(wǎng)絡(luò)有n個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)，si為業(yè)務(wù)區(qū)i的發(fā)送量，ai為業(yè)務(wù)區(qū)i的到達(dá)量，Qi為業(yè)務(wù)區(qū)i的到發(fā)量，ki為業(yè)務(wù)區(qū)i到達(dá)量占快遞網(wǎng)絡(luò)中各業(yè)務(wù)區(qū)總到達(dá)量的比例，mi為業(yè)務(wù)區(qū)i發(fā)送量占其到發(fā)量的比例，則有

區(qū)別于普通貨物運(yùn)輸，快遞行業(yè)追求快捷和準(zhǔn)時(shí)，在業(yè)務(wù)區(qū)主要完成發(fā)送、中轉(zhuǎn)、分撥和配送等作業(yè)，長(zhǎng)時(shí)間倉儲(chǔ)的概率較小，即在某一時(shí)段內(nèi)，每個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)的發(fā)送量等于到達(dá)量，因而可以采用全網(wǎng)收發(fā)平衡原理，構(gòu)建快遞網(wǎng)絡(luò)流量分配模型如下。

式中：Qi為國(guó)家郵政局發(fā)布的快件發(fā)送量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)；ki可綜合考慮每個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)經(jīng)濟(jì)、人口、消費(fèi)水平等因素計(jì)算獲得；mi為快遞發(fā)送比，未知變量，可以通過求解n元一次方程組可求得。

業(yè)務(wù)區(qū)i發(fā)往業(yè)務(wù)區(qū)j的快遞量為qi,j=si×kj，則發(fā)送業(yè)務(wù)區(qū)i與到達(dá)業(yè)務(wù)區(qū)j之間的OD流量矩陣Qi,j可以表示為

1.4 基于“運(yùn)量-運(yùn)距”的快遞網(wǎng)絡(luò)流量分劈方法

通過快遞網(wǎng)絡(luò)流量分配方法可以計(jì)算各業(yè)務(wù)區(qū)之間的OD流量矩陣，但是每個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)之間存在公路、航空、鐵路等多種運(yùn)輸方式，因而需要考慮各運(yùn)輸方式流量分劈問題。結(jié)合高速鐵路的平均運(yùn)距、旅行速度、路網(wǎng)布局及開行方案等因素，基于已有研究成果，采用運(yùn)量－運(yùn)距模型，得出運(yùn)輸通道h中高鐵快運(yùn)的分擔(dān)量為gh(x)。

令 為該通道的快遞總流量，則高速鐵路在快遞網(wǎng)絡(luò)通道h上的分擔(dān)率 可以表示為[8]

在獲取各業(yè)務(wù)區(qū)之間OD流量和主要通道中高鐵快運(yùn)的分擔(dān)量后，可按流量分劈算法，計(jì)算每條通道高鐵快運(yùn)的業(yè)務(wù)量，從而為高鐵快運(yùn)開行方案設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

（1）根據(jù)人口數(shù)量、GDP、購買能力、最終消費(fèi)水平、交通條件獲取業(yè)務(wù)區(qū)i快遞到達(dá)量比例ki。

（2）結(jié)合業(yè)務(wù)區(qū)i的發(fā)送量si和到達(dá)量比例ki，采用全網(wǎng)收發(fā)平衡原理，構(gòu)建快遞網(wǎng)絡(luò)流量分配模型。

（3）根據(jù)公式⑼，采用MATLAB仿真軟件求解n元一次方程組，計(jì)算發(fā)送量占到發(fā)總量比例mi。

（4）根據(jù)公式⑽，計(jì)算快遞OD流量矩陣Qi,j。

（5）根據(jù)公式⑾，計(jì)算高鐵快運(yùn)分擔(dān)率f h(x)。

（6）結(jié)合快遞流量矩陣Qi,j和高鐵快運(yùn)分擔(dān)率f h(x)，計(jì)算高鐵快運(yùn)流量矩陣。

2 我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)流量分析實(shí)證研究

2.1 我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)區(qū)確定

2.1.1 我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)區(qū)確定方案

采用國(guó)家統(tǒng)計(jì)局2016年7月31日公布的《統(tǒng)計(jì)用區(qū)域代碼和成型劃分代碼》的劃分標(biāo)準(zhǔn)，將全國(guó)337個(gè)地級(jí)市(不含香港、澳門、臺(tái)灣等地區(qū)，以及海南省三沙市)作為快遞業(yè)務(wù)區(qū)。以各地方郵政管理局公布的2008—2017年的快遞業(yè)務(wù)量為分析樣本，采用JavaScript API技術(shù)繪制不同年份快遞行業(yè)業(yè)務(wù)量空間布局熱力圖，具體繪制方法如下。

（1）采用JavaScript API技術(shù)中批量逆地址解析功能，獲取每個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)的經(jīng)緯度{xi，yi}參數(shù)。

（2）對(duì)業(yè)務(wù)區(qū)快遞發(fā)送量進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算出無量綱標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。

（3）以每個(gè)業(yè)務(wù)區(qū)無量綱標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為熱力度，應(yīng)用JavaScript API技術(shù)中熱力圖功能。

（4）以百度地圖為底圖繪制熱力圖，可得快遞網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)需求空間布局。

2.1.2 我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)流量重心測(cè)算

為了定量描述快遞網(wǎng)絡(luò)流量中心，運(yùn)用公式⑷和公式⑸計(jì)算我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)流量重心。以2017年我國(guó)各業(yè)務(wù)區(qū)快遞發(fā)貨量為流量權(quán)重，以武漢市為坐標(biāo)原點(diǎn)構(gòu)建坐標(biāo)系，繪制半徑為1 300 km的主要區(qū)域快遞流量分布圖。結(jié)果顯示主要區(qū)域快遞流量分布圖覆蓋了北京、上海、廣州、昆明、蘭州、大連等主要城市，第1象限(武漢東北方向)分布密集，流量較大，其次是第4象限(武漢東南方向)、第3象限(武漢西南方向)和第2象限(武漢西北方向)。

通過分析我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)幾何中心和流量重心分布及演進(jìn)過程，可以得出我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)規(guī)律：①網(wǎng)絡(luò)中心遷移方面，我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)的幾何中心已由南京區(qū)域向武漢區(qū)域遷移；②流量重心分布方面，我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量主要分布在京津冀、膠東半島、長(zhǎng)三角、珠三角和東南沿海區(qū)域；③快遞企業(yè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)調(diào)整方面，武漢將成為快遞網(wǎng)絡(luò)的核心樞紐及快遞企業(yè)的全國(guó)性轉(zhuǎn)運(yùn)中心。

2.2 我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)流量分配

結(jié)合我國(guó)快遞市場(chǎng)需求特性和高速鐵路路網(wǎng)布局特征，以及參考國(guó)內(nèi)航空運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)空間結(jié)構(gòu)，定性提出我國(guó)高鐵快運(yùn)應(yīng)采用以“軸輻式”轉(zhuǎn)運(yùn)為主、以“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直達(dá)為輔的混合模式。為了支撐高鐵快運(yùn)開行的制定，采用快遞網(wǎng)絡(luò)通道流量分配方法，計(jì)算主要通道高鐵快運(yùn)OD流量。

在鐵路快遞流量預(yù)測(cè)基礎(chǔ)上，采用高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)流量分劈方法，提出高鐵快運(yùn)流量分配步驟如下。①計(jì)算各業(yè)務(wù)區(qū)發(fā)送量。以全國(guó)337個(gè)地級(jí)市為研究樣本，以國(guó)家郵政局和各地方郵政管理局官網(wǎng)為數(shù)據(jù)獲取主要通道，收集2017年全國(guó)地級(jí)市快遞發(fā)送量si。②計(jì)算各業(yè)務(wù)區(qū)達(dá)到量。結(jié)合國(guó)家統(tǒng)計(jì)發(fā)布的2017年各地級(jí)市區(qū)GDP、人口、人均消費(fèi)水平等重要參數(shù)，并重點(diǎn)參考國(guó)內(nèi)某電商企業(yè)訂單需求分布，計(jì)算各地級(jí)市快遞到達(dá)占比ki，則各業(yè)務(wù)區(qū)達(dá)到量③計(jì)算各業(yè)務(wù)區(qū)之間OD流量。根據(jù)全網(wǎng)收發(fā)平衡原理，以全國(guó)31個(gè)省市區(qū)(不含港澳臺(tái))為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，可計(jì)算獲得各城市之間的OD流量矩陣。

2.3 高鐵快運(yùn)通道流量分劈

（1）高速鐵路路網(wǎng)主要路段劃分。以高速鐵路中長(zhǎng)期規(guī)劃圖為底圖，以27個(gè)省會(huì)城市、4個(gè)直轄市、其他3個(gè)重要城市(徐州、廈門、臺(tái)州)為節(jié)點(diǎn)，將已開通運(yùn)營(yíng)的高速鐵路線劃分為北京—石家莊、石家莊—鄭州和鄭州—武漢等68條主要路段(區(qū)分上下行)。

（2）主要路段快遞流量分劈。按照以下分配原則將獲得的各城市之間OD流量矩陣，加載到68條主要路段。①在通道選擇時(shí)，采用最短路徑法，不考慮機(jī)車交路和現(xiàn)有運(yùn)行圖的影響；②在路徑規(guī)劃時(shí)，北京—上海、北京—武漢、上?！錆h、上?！獜V州、廣州—武漢、成都—武漢6條通道之間采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直達(dá)模式，其他節(jié)點(diǎn)之間采用“軸輻式”轉(zhuǎn)運(yùn)模式，即貨物先要到武漢集結(jié)，再向全國(guó)分撥；③在計(jì)算路段流量時(shí)，采用流量累計(jì)方法不區(qū)分上下先行。

（3）高鐵快運(yùn)流量分劈。結(jié)合高速鐵路技術(shù)經(jīng)濟(jì)特性及快遞產(chǎn)品的需求特征，可得出高鐵快運(yùn)主要面向當(dāng)日達(dá)、次晨達(dá)和次日達(dá)等高端快遞，該部分快遞市場(chǎng)份額約為30%。在“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直達(dá)模式中，高速鐵路要發(fā)揮其中長(zhǎng)距離運(yùn)輸優(yōu)勢(shì)，其優(yōu)勢(shì)運(yùn)距在650 ～ 1 300 km；在“軸輻式”轉(zhuǎn)運(yùn)模式中，高速鐵路主要承擔(dān)區(qū)域集疏作用，其優(yōu)勢(shì)運(yùn)距在200 ～ 650 km，根據(jù)公式⑽計(jì)算高鐵快運(yùn)各路段流量。我國(guó)高鐵快運(yùn)流量分劈方案如圖2所示。

由圖2可知，在6條“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直達(dá)通道中，上?！獜V州、北京—上海流量較大，在“軸輻式”轉(zhuǎn)運(yùn)通道中，武漢—鄭州、武漢—長(zhǎng)沙、鄭州—石家莊、武漢—合肥、武漢—南昌等通道的流量較大，將成為高鐵快運(yùn)產(chǎn)品開行的主要通道。

3 結(jié)論

研究我國(guó)快遞市場(chǎng)2008—2017年的空間布局演進(jìn)過程，結(jié)合高速鐵路路網(wǎng)現(xiàn)狀和相關(guān)規(guī)劃，提出基于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直達(dá)和“軸輻式”轉(zhuǎn)運(yùn)的高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)布局和流量分配方案，形成以下結(jié)論。

圖2 我國(guó)高鐵快運(yùn)流量分劈方案Fig.2 China’s high-speed rail express traffic splitting scheme

（1）我國(guó)快遞網(wǎng)絡(luò)流量重心整體呈現(xiàn)出由東向西遷移規(guī)律，預(yù)計(jì)2020年左右快遞網(wǎng)絡(luò)流量中心位于武漢區(qū)域。

（2）快遞網(wǎng)絡(luò)流量與客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)流量具有相似的空間分布特征，主要分布在北京—上海、上?！獜V州和北京—廣州等通道，這些通道將成為高鐵快快運(yùn)產(chǎn)品的主要開行通道。

（3）高鐵快運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)采用“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)+軸輻式”的組合運(yùn)作模式。依托貨運(yùn)動(dòng)車組和高速確認(rèn)車等運(yùn)力在北京、上海、廣州、成都等全國(guó)性節(jié)點(diǎn)城市之間，開行“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”直達(dá)班列；依托載客動(dòng)車組非乘客空間和高速鐵路快遞柜等運(yùn)力資源，在武漢與南京、濟(jì)南、重慶等區(qū)域性節(jié)點(diǎn)城市之間，開行“軸輻式”轉(zhuǎn)運(yùn)班列。