李玉民，劉志勇，代冬霞，王博

(鄭州大學(xué)管理工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

隨著城市化進程不斷加速，我國超大城市越來越多，據(jù)統(tǒng)計，我國已經(jīng)形成了上海、北京等10 多個城區(qū)常住人口達1 000 萬以上的超大城市。超大城市人口多，市場需求旺盛，快遞業(yè)務(wù)量不斷飆升，其中高附加值、高時效快遞比例的不斷增加，對傳統(tǒng)貨物運輸方式提出了新挑戰(zhàn)。高鐵參與快遞貨物運輸，能極大滿足高附加值、高時效快遞物流運輸需求，從而減緩快遞物流業(yè)壓力。2020 年11 月1 日，全國首條高鐵貨運專列開行，在高鐵快運基礎(chǔ)上發(fā)展起來的高鐵貨運專列能有效滿足超大城市對高附加值、高時效快遞的服務(wù)需求，且常態(tài)化運營將成為可能。近年來，高鐵貨運及相關(guān)領(lǐng)域已涌現(xiàn)不少成果。相關(guān)成果主要有：1)在高鐵開展貨運的研究方面，STRALE[1]對歐洲高速鐵路貨運服務(wù)的發(fā)展進行了評價，從政府政策等方面提出高速鐵路貨運發(fā)展建議。PAZOUR 等[2]從運營收入和基礎(chǔ)建設(shè)成本2 方面驗證了高鐵貨運動車進行貨物運輸?shù)慕?jīng)濟可行性。WATSON 等[3]通過分析與貨運相關(guān)的操作和技術(shù)限制，探討未來將貨運從航空公司轉(zhuǎn)移到高鐵的可能性。LIANG等[4]通過比較中國、德國和法國利用高鐵貨運列車開展包裹運輸?shù)陌咐?，表明開展高鐵貨運專列運輸在規(guī)模經(jīng)濟等方面存在諸多優(yōu)勢。張得志等[5]基于高鐵貨運各環(huán)節(jié)的安全風險因素提出保障高鐵貨運平穩(wěn)運行的建議。SCHUMANN等[6]對歐洲貨運走廊的高速貨運列車進行研究，比較了不同的鐵路物流模式。ERTEM 等[7]通過實驗研究運輸小件貨物對高速客運列車運行的影響，提出高速列車開展貨物配送的運行方案。賀政綱等[8]在分析國內(nèi)高鐵貨運專列開行模式的內(nèi)容及開行條件基礎(chǔ)上，提出5種基于運輸時段劃分的高鐵貨運專列開行模式。HUANG 等[9]通過對高鐵貨運列車服務(wù)站點選擇，構(gòu)建高鐵貨運服務(wù)網(wǎng)絡(luò)。李玉民等[10]通過探討高鐵快運與快遞企業(yè)的合作機制研究高鐵貨運運營商與快遞企業(yè)協(xié)同發(fā)展。2) 在運輸工具協(xié)同配送路徑優(yōu)化研究方面，F(xiàn)ELIU 等[11]系統(tǒng)介紹了不同類型車輛協(xié)同完成城市貨運的問題，建立實際中應(yīng)用比較廣泛的雙層車輛路徑模型，并給出求解算法。CRAINIC 等[12]構(gòu)建了不同車型進行城市配送的雙層物流運輸網(wǎng)絡(luò)。MURRAY 等[13]提出卡車協(xié)同無人機開展配送，以服務(wù)時間最小化為目標進行路徑優(yōu)化研究。賀韻竹等[14]提出公交車與自營貨車協(xié)同配送的城市內(nèi)快件運輸網(wǎng)絡(luò)，分析比較了不同的協(xié)同運輸方式，并設(shè)計蟻群算法求解。但上述成果仍存在以下不足：1) 以往涉及高鐵貨運的研究主要集中于高鐵貨運的開展條件、開行模式、經(jīng)濟可行性等方面，針對如何銜接高鐵貨運專列在抵達目標城市后進行高時效配送研究較少。2) 高鐵貨運專列與城市配送聯(lián)運方面缺乏對高鐵貨運專列協(xié)同城市車輛進行城市越庫配送的研究。3) 與高鐵貨運協(xié)同的城市快遞配送路徑優(yōu)化還處在初步探索階段，討論該問題的文獻較少，不能與目前實際應(yīng)用相適應(yīng)。基于此，本文將高鐵貨運專列和城市配送車輛相結(jié)合，創(chuàng)新提出適合大城市尤其是超大城市的、“去配送中心”的“高鐵貨運專列多站?？?城市車輛多點服務(wù)”越庫配送模式，構(gòu)建高鐵貨運專列多站點銜接城市車輛配送路徑優(yōu)化模型，以總成本最低為目標函數(shù)進行路徑優(yōu)化研究。

1 多站點協(xié)同模式分析

當前高鐵貨運在超大城市聯(lián)合城市車輛進行快遞配送時仍存在以下問題：1) 超大城市經(jīng)濟活力旺盛，快遞業(yè)務(wù)量大，對高時效貨物的需求量越來越大，高鐵客貨混編的快運模式已不能滿足高時效配送的需求。2)超大城市面積大、地域廣，且客戶分布較為分散，配送車輛從單個高鐵中轉(zhuǎn)點出發(fā)，完成整個城區(qū)的配送，配送成本較高，配送時效性較差。3) 目前常規(guī)的配送模式下，高鐵快遞需轉(zhuǎn)運至配送中心后才開展分撥配送，快遞入城后環(huán)節(jié)過多，直接影響了快遞的配送效率。因此，對當前高鐵貨運運行模式進行適當?shù)母倪M顯得十分必要。

基于上述分析，本文提出超大城市內(nèi)“去配送中心”的“高鐵貨運專列多站?？?城市車輛多點協(xié)同”越庫配送模式：采用高鐵貨運專列完成城市間干線運輸，專列駛?cè)氤鞘泻螅来瓮？砍鞘袃?nèi)多個高鐵站點，高鐵站點不設(shè)置存儲設(shè)施，直接將快遞貨物換載到在高鐵站等待的城市配送車輛，在每個?？康母哞F站點聯(lián)合城市配送車輛進行無存儲環(huán)節(jié)的越庫配送，如圖1所示。

圖1 高鐵貨運專列與城市車輛多站點協(xié)同配送示意圖Fig.1 Schematic diagram of multi-site collaborative distribution of high-speed rail freight trains and urban vehicles

1.1 運作流程

1.1.1 高鐵貨運專列干線物流運作流程

1) 高鐵貨運專列承載來自其他城市的高附加值、高時效性快遞。

2) 裝載的快遞分成若干批，有序放置在高鐵貨運專列車廂內(nèi)。高鐵貨運專列在城市內(nèi)的高鐵站依次?？浚诤线m的高鐵站點及相應(yīng)的?？繒r間范圍內(nèi)完成分撥以滿足下游客戶的需求。

3) 在考慮高鐵城市內(nèi)行駛速度限制的基礎(chǔ)上設(shè)置合理的運輸速度，根據(jù)城市內(nèi)各?？空军c鐵路線距離和高鐵站點?？繒r間，形成高鐵貨運專列運行時間表。

1.1.2 高鐵站點物流運作流程

1) 接收高鐵貨運專列運輸分撥的快遞，將每批快遞分揀成若干組，派發(fā)給相應(yīng)的配送車輛。

2) 為實現(xiàn)越庫配送，達到減少占用高鐵場地資源、降低系統(tǒng)成本的目的，高鐵站不安排存儲設(shè)施，快遞在到達相應(yīng)的高鐵站點后直接換載到等待狀態(tài)的城市車輛。

1.1.3 城市配送車輛物流運作流程

1) 接收來自高鐵站點的快遞，以高鐵站點為起點，進行末端城市配送。

2) 在每個客戶的交付時間窗內(nèi)將快遞送至客戶點。

1.2 運行條件

1) 服務(wù)形式。針對超大城市快遞量大且集中的特征，在充分利用高鐵運力進行“端到端”直達服務(wù)時可滿足該模式的運行條件。

2) 超大城市特征。當目的城市具有面積大、快遞量多、快遞需求分布分散等特點，并且城市內(nèi)具備多個高鐵站點時，實行該模式可有效解決快遞末端配送時效慢的問題。

3) 快遞屬性。由于高鐵貨運的特殊性，高鐵貨運專列需要開展具有高附加值、高時效要求的“適高”快遞的運輸業(yè)務(wù)。

藝術(shù)創(chuàng)作是有衡量標準的?，F(xiàn)實主義與寫實主義乃至自然主義之間是有差異和分界的。沒有衡量標準和評論界限的觀點是錯誤的，會誤人子弟，會嚴重影響藝術(shù)的繁榮與發(fā)展?，F(xiàn)實主義藝術(shù)的標準早在1942年毛澤東主席《在延安文藝座談會上的講話》中已經(jīng)明確指出了，他說：自然社會生活和藝術(shù)的表現(xiàn)社會生活的藝術(shù)作品，人們更喜歡藝術(shù)作品，為什么？就是因為藝術(shù)表現(xiàn)社會生活的作品比自然社會生活“更高、更集中、更強烈、更典型、更理想，因此就更帶普遍性”。毛主席指出的“六個更”就是鮮明地界定現(xiàn)實主義與寫實主義、自然主義的區(qū)別，就是我們堅持現(xiàn)實主義創(chuàng)作的原則和思想武器。

采用該模式的優(yōu)勢有以下幾點：1) 相比于客貨混編運輸，高鐵貨運專列可提供一站直達式服務(wù)，專列中間站不?？?、兩端站點占用場站資源少。2) 減少貨物入城后中轉(zhuǎn)、倉儲等中間環(huán)節(jié)，提高快遞的配送時效。3) 快速完成貨物的周轉(zhuǎn)作業(yè)，作業(yè)占用空間小，空間使用率高，減少了對高鐵站用地空間的擠占。因此，高鐵貨運專列基于城市內(nèi)多站點?？坎f(xié)同城市車輛開展越庫配送具有很好的發(fā)展前景。

為驗證該模式的經(jīng)濟性、時效性，本文通過構(gòu)建高鐵貨運專列多點協(xié)同城市車輛配送的路徑優(yōu)化模型，以總成本最低為目標函數(shù)進行配送路徑優(yōu)化研究。

2 模型與算法

2.1 問題描述

高鐵貨運專列經(jīng)過干線運輸?shù)竭_某超大城市后，順延該超大城市內(nèi)鐵路線將快遞依次運輸至若干個高鐵站點。以高鐵站為起點，不經(jīng)過中間倉儲環(huán)節(jié)，通過快速轉(zhuǎn)運將快遞直接換載到城市配送車輛，進而開展快遞配送，將快遞在客戶收貨時間窗內(nèi)送達。

2.2 模型假設(shè)

1) 客戶需求已知，每個客戶需求只有一個配送時間窗；2) 每個客戶的貨物在高鐵站點需全部轉(zhuǎn)運，不允許出現(xiàn)部分轉(zhuǎn)運的情況；3) 每個客戶僅分配給一個高鐵站點；4) 配送車輛的負載能力一定；5) 每個客戶的需求可以在末端車輛配送中一次性滿足，不需要被分散在多個配送車輛上。

2.3 符號定義

2.4 模型建立

針對客戶需求點的時間窗信息，本文設(shè)置相應(yīng)的懲罰函數(shù)如下：

式中：ci(wi)為時間懲罰成本函數(shù)，配送車輛在ei之前到達產(chǎn)生的機會成本為pE(ei-wri)，配送車輛在li之后到達產(chǎn)生的懲罰成本為pL(wri-li)，配送車輛在[ei,li]時間窗內(nèi)到達無懲罰成本。

模型構(gòu)建：

2.5 模擬退火算法

模擬退火算法具有結(jié)構(gòu)簡單、求解模塊相對獨立的特點，可以及時跳出無效迭代，提高搜索效率達到全局最優(yōu)[15]，在求解車輛路徑問題上有很好的性能，對帶客戶時間窗約束的成本最低目標進行優(yōu)化時具有較高的精確性。本文在模擬退火解鄰域內(nèi)進行局部搜索，選擇2-opt 法、2-opt*法、swap法、插入法的概率各為1/4。

3 實例分析

3.1 實例描述

上海市是我國最大的城市，具有城市面積大、快遞需求旺盛等特點，高附加值、高時效快遞業(yè)務(wù)量巨大且比例逐年增加。以2019 年全國各省市快遞業(yè)務(wù)量為例，上海全年快遞業(yè)務(wù)量為31.3 億件，在全國31個省市中排名第4，遠超山東、福建等省份。高鐵貨運專列為上海市提供“端到端”直達式服務(wù)具有很好的前景，符合本文提出的模式的運行條件，故以上海市為例進行研究。

選取上海市內(nèi)30 個客戶點，客戶點從符合一定規(guī)模的商業(yè)門店抽取，地理位置服從均勻分布，客戶需求量服從[0.2,0.4]的均勻分布，客戶信息表如表1所示。為避開客運流量大的樞紐，合理利用上海市已有高鐵站設(shè)施，在考慮城市內(nèi)配送中心的經(jīng)濟里程的基礎(chǔ)上，選取松江南站、上海南站、上海西站作為高鐵貨運專列依次?？康恼军c。松江南站與上海南站、上海南站與上海西站的鐵路線長度分別為27 km 和41 km，松江南站與上海南站、上海南站與上海西站的運行時間分別為0.3 h和0.4 h，高鐵貨運專列進入上海市后到達松江南站的時刻為8:00。

根據(jù)百度地圖得到高鐵?？空军c、客戶點的位置坐標，高鐵貨運專列的容量為60 t，末端配送車輛的容量為2 t，高鐵貨運專列進行運輸時的單位貨物運輸成本為0.1 元/(t·km)，城市配送車輛的固定運營成本為50 元/輛，末端配送的單位距離運輸成本為3 元/km，單位貨物在高鐵站點的轉(zhuǎn)運成本為0.3 元/t。轉(zhuǎn)運時間和客戶服務(wù)時間分別為0.25 h和0.1 h，提前、延誤的單位時間懲罰成本分別為20元/h和40元/h。

3.2 結(jié)果分析

基于上述實例數(shù)據(jù)結(jié)合模擬退火算法，設(shè)置算法相關(guān)參數(shù)，初始溫度為100，溫度下降常數(shù)為0.98，外部最大迭代次數(shù)為500，內(nèi)循環(huán)次數(shù)為80。運行得到采用“高鐵貨運專列多站停靠+城市車輛多點協(xié)同”進行配送的最優(yōu)方案，配送路線圖如圖2所示。

圖2 高鐵貨運專列與城市車輛協(xié)同配送路線圖Fig.2 Route map of high-speed rail freight trains and urban vehicles coordinated delivery

為探討本文提出的越庫配送模式與依托單個高鐵站開展越庫配送的模式在成本、時效性等方面的差異，比較了2種模式的最優(yōu)方案，對比結(jié)果如表2 所示，配送路徑信息如表3 所示。表中，O表示高鐵貨運專列進入城市內(nèi)的起點，A，B 和C分別表示松江南站、上海南站、上海西站。當高鐵貨運專列僅經(jīng)由上海西站開展城市配送時，快遞未在時間窗內(nèi)送達的客戶點有7個；當高鐵貨運專列經(jīng)由松江南站、上海南站、上海西站開展城市配送時，快遞在所有客戶點的時間窗內(nèi)送達，客戶送達率得到較大改善，總成本、配送距離等指標也得到有效提高，說明采用該模式進行越庫配送時，配送成本低，配送車輛運輸距離短，能更精準地滿足客戶服務(wù)需求。因此本文提出的模式效果更好，未來在高鐵貨運與城市車輛協(xié)同配送中可依據(jù)市場環(huán)境將該模式作為參考。

表2 單站點配送與多站點協(xié)同配送最優(yōu)方案比較Table 2 Comparison of the optimal solutions of single-site distribution and multi-site collaborative distribution

表3 單站點配送與多站點協(xié)同配送路徑比較Table 3 Comparison of routing for single-site distribution and multi-site collaborative distribution

3.3 敏感性分析

通過調(diào)整客戶時間窗懲罰成本、配送車輛載重容量探究其對配送效果的影響，具體見表4和表5。

由表4 可知，當單位時間懲罰成本pE，pL分別為5 元/h，10 元/h 時，逾期時間窗個數(shù)最多，總延誤時間長，配送準時性差。隨著單位時間懲罰成本的增加，總延誤時間逐漸降低，配送準時性增強，當單位時間懲罰成本pE，pL分別為20元/h，40元/h時，客戶點都在時間窗內(nèi)送達。當單位時間懲罰成本pE，pL分別高于20元/h，40元/h之后，不再產(chǎn)生配送延誤。因此當決策者更注重因配送準時性引起的客戶滿意度時，將單位時間懲罰成本pE，pL分別設(shè)置為20元/h，40元/h，客戶服務(wù)質(zhì)量有明顯改善，擁有較好的配送效果。

表4 不同單位時間懲罰成本的配送結(jié)果Table 4 Distribution results of different unit time penalty costs

由表5可知，當配送車輛載重容量為1.5 t和2 t時，客戶點都在時間窗內(nèi)送達，配送準時性高，但與配送車輛容量為2 t 相比，當車載容量為1.5 t時因車輛數(shù)目增加、配送距離增加帶來的車輛固定運營成本和運輸費用增加使得成本明顯上升。當配送車輛容量超過2 t 時，隨著配送車輛容量的增加，配送車輛數(shù)量逐漸減少，最大行駛距離逐漸增加，逾期時間窗個數(shù)不斷增多，此時部分配送車輛最小車載率較低，客戶點服務(wù)準時性得不到有效保障。當決策者更注重運輸成本時，可以優(yōu)先考慮更大容量的配送車輛；當決策者更注重客戶服務(wù)質(zhì)量時，則可以優(yōu)先考慮較小容量的配送車輛。未來可以考慮采用多車型配送車輛進行配送，在控制成本的同時保障配送服務(wù)質(zhì)量。

表5 不同容量車輛的配送結(jié)果Table 5 Distribution results of vehicles with different capacities

4 結(jié)論

1) 高鐵貨運運行常態(tài)化背景下，超大城市采用“高鐵貨運專列多站?？?城市車輛多點服務(wù)”的越庫配送模式，有利于為客戶提供配送成本更低、準時性更高的服務(wù)，對指導(dǎo)實際應(yīng)用具有一定的理論意義。

2) 在本研究模式的場景中，客戶時間窗懲罰成本、配送車輛載重容量都會對配送效果產(chǎn)生一定影響，適度的懲罰成本、合理的配送車輛容量配置能有效改善配送效果。