貨運(yùn)模型中物流要素整合方法研究
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鄭庭月，張戎
(同濟(jì)大學(xué)交通運(yùn)輸工程學(xué)院，上海201800)
【摘要】貨運(yùn)模型是為了輔助決策者對貨物運(yùn)輸政策、運(yùn)輸系統(tǒng)的相互影響進(jìn)行評估。物流概念的產(chǎn)生促進(jìn)了貨物運(yùn)輸變革，貨運(yùn)模型也越來越多的考慮物流要素。本文從庫存物流、運(yùn)輸物流兩方面，分析了貨運(yùn)模型中物流要素整合的基本過程、技術(shù)路線。單獨(dú)探討了包含物流樞紐要素的貨運(yùn)模型，并對不同模型性能進(jìn)行評價(jià)。結(jié)合貨運(yùn)模型的數(shù)據(jù)需求和能力局限，總結(jié)了未來發(fā)展方向。
【關(guān)鍵詞】貨物運(yùn)輸；物流要素；模型
1 引言
物流的飛速發(fā)展重塑貨運(yùn)需求，經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)的變化帶來了貨物流地理和結(jié)構(gòu)調(diào)整，同時給貨運(yùn)模型提出新的要求。傳統(tǒng)的四階段法確定了貨運(yùn)模型的框架，但貨物運(yùn)輸還需要更多物流要素，包括運(yùn)載量的確定和對運(yùn)輸方式選擇的影響，或者集配中心的使用等。
早期在非集計(jì)模型處理方式選擇和物流選擇時，模型中有一些物流要素。Bergman對貨運(yùn)模型的空間物流過程做了詳細(xì)闡述，是建模過程中整合運(yùn)輸物流的起點(diǎn)。早期研究強(qiáng)調(diào)貨運(yùn)模型中供應(yīng)鏈的重要性，但尚未指明模型應(yīng)有的物流過程的特殊屬性。
Tavasszy探討了物流服務(wù)和成本變化趨勢，并對運(yùn)輸成本和庫存成本的構(gòu)成做了定型分析。StefanHuber對已有的貨運(yùn)模型如何整合物流樞紐進(jìn)行了詳盡探討，并對全球超過1 00個模型一般的物流要素和特殊的運(yùn)輸物流樞紐進(jìn)行檢驗(yàn)，總結(jié)了貨運(yùn)模型按屬性的分類方法，如表1所示。
2 貨運(yùn)模型物流要素整合
運(yùn)輸流分配包含兩層含義：時間分配，將年商品OD流轉(zhuǎn)化為日高峰期車流；空間分配，確定現(xiàn)實(shí)運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)中行車路徑。貨運(yùn)與客運(yùn)的不同之處在于貨運(yùn)庫存成本和運(yùn)輸成本的權(quán)衡，導(dǎo)致一年中貨運(yùn)的不均衡。
2.1 庫存物流
大型庫存降低了生產(chǎn)過程中無法滿足需求或使用所需投入的風(fēng)險(xiǎn)；小而頻繁的交付可降低庫存成本，但帶來更高的運(yùn)輸和缺貨成本。運(yùn)輸和庫存之間的這種權(quán)衡是物流模型的一部分。
2.1.1 運(yùn)載量決策
不同經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，運(yùn)輸企業(yè)對通道內(nèi)運(yùn)載量分配是不同的。Inaba使用切換回歸方法，認(rèn)為運(yùn)載量選擇和方式選擇屬于同一優(yōu)化問題，同時在廠商決策過程中引入了空間競爭，提供了多種運(yùn)輸方式選擇用于貨運(yùn)需求預(yù)測。
Megersa Abate使用一個離散一連續(xù)經(jīng)濟(jì)模型，分析了在變化的路線／運(yùn)輸過程中，承運(yùn)人和車輛特性對運(yùn)載量選擇的影響。結(jié)果表明，在需求較大的長距離運(yùn)輸中，更有可能選擇大運(yùn)載量。
2.1.2 庫存選擇
貨物運(yùn)輸過程中倉儲會影響整體運(yùn)輸作業(yè)，利用庫存選擇模型能有效刻畫貿(mào)易區(qū)間的商品流過程，包括進(jìn)貨點(diǎn)和中間交叉作業(yè)等。庫存位置與運(yùn)輸鏈不同分支上的運(yùn)載量和運(yùn)輸方式也密切相關(guān)。
1970年經(jīng)濟(jì)訂貨批量(EOQ)的概念引入庫存理論模型的運(yùn)輸和庫存函數(shù)中。經(jīng)典的經(jīng)濟(jì)訂貨批量模型中，需求量、貨物的持有成本、訂購成本都是固定的，且所訂購貨物在規(guī)定時間送達(dá)，具有很大局限性。NCHRP606(2008)研究了影響日運(yùn)輸量的因素，但這種固定因素的方法不能說明商品流的時間變化，也不依賴于物流因素。例如，降低燃料成本可能會增加一定量的貨動，同時改變企業(yè)的日常成本函數(shù)和物流決策，如供應(yīng)商、運(yùn)載量、庫存量等。
Miyuan Zhao提出了一個兩階段ADA模型。該模型首先用供應(yīng)鏈網(wǎng)絡(luò)模型將總的年貨運(yùn)量分解到廠商組的年貨運(yùn)量，然后對整個供應(yīng)鏈的采購訂單交易過程建模，按時間分配各廠商組的年貨運(yùn)量。批量大小由EOQ模型估計(jì)。
2.1.3運(yùn)輸和庫存成本整合
Baumol首先提出了一個綜合運(yùn)輸成本和庫存成本的庫存理論模型，其中運(yùn)輸成本包括單位固定運(yùn)輸成本、速度（平均前置時間）和可靠度（前置時間方差）。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)模型相繼引入了獨(dú)立訂貨量和安全庫存決策、運(yùn)費(fèi)折扣、訂貨量靈敏度分析等。
Mendoza研究了單制造商與多個供應(yīng)商的問題，假設(shè)供應(yīng)商用卡車運(yùn)輸貨物，運(yùn)用分段線性二元變量函數(shù)對實(shí)際運(yùn)輸成本進(jìn)行建模，并根據(jù)非線性混合整數(shù)規(guī)劃得到最有訂貨量分配和供應(yīng)商集合。
運(yùn)費(fèi)率構(gòu)成較復(fù)雜，Swenseth比較了5種連續(xù)運(yùn)費(fèi)率函數(shù)：常數(shù)函數(shù)、比例函數(shù)、指數(shù)函數(shù)、逆函數(shù)和調(diào)整后的逆函數(shù)，推薦使用逆函數(shù)和調(diào)整后的逆函數(shù)用于最優(yōu)訂貨量決策。
2.2 運(yùn)輸物流
貨物運(yùn)輸過程往往不是單一運(yùn)輸方式能完成的，多涉及水路、鐵路、公路、航空和多式聯(lián)運(yùn)設(shè)施。
廠商通常選擇能夠?qū)崿F(xiàn)自身利潤或者效益最大化的運(yùn)輸決策方案。由經(jīng)濟(jì)模型建立不同的效用函數(shù)，通常采用Logit模型求解。Jiang使用非集計(jì)巢式logit模型研究了法國貨運(yùn)需求，研究表明公路運(yùn)輸在700km以內(nèi)的近距離運(yùn)輸占優(yōu)勢地位，超過1400km則往往選擇多式聯(lián)運(yùn)方式。該研究缺少運(yùn)輸屬性方面數(shù)據(jù)，例如成本、時間等，模型缺乏解釋。Arencibia使用SP調(diào)查方法，包括運(yùn)輸成本、時間、頻率、準(zhǔn)時性、貨物損壞、靈活性、貨物追蹤和環(huán)境影響等，用混合logit模型研究托運(yùn)人對道路、鐵路、水運(yùn)3種不同運(yùn)輸方式提供的服務(wù)屬性偏好。
對貨運(yùn)方式選擇問題的研究，一般是通過實(shí)驗(yàn)調(diào)查，對運(yùn)輸方式屬性進(jìn)行定量研究。Moschovou結(jié)合多方貨運(yùn)主體調(diào)查，利用線性回歸分析方法研究希臘貨運(yùn)方式選擇行為。研究表明，運(yùn)輸可靠性、貨損、裝卸設(shè)施是影響貨運(yùn)方式選擇的主要屬性。
Paolo Ferrari以阿爾卑斯山通道運(yùn)輸方式選擇實(shí)例，探討了貨運(yùn)過程動態(tài)成本函數(shù)和運(yùn)輸方式劃分。方式劃分隨時間的變化動態(tài)性體現(xiàn)在3個方面：整體貨運(yùn)量的增長率；用戶對運(yùn)輸成本變化的反應(yīng)的延遲；系統(tǒng)各種運(yùn)輸方式的動態(tài)成本函數(shù)。系統(tǒng)的動態(tài)特性變化（如新建鐵路隧道、增加道路車道），會產(chǎn)生新的動態(tài)成本函數(shù)和貨運(yùn)增長率。
3 考慮物流樞紐的貨運(yùn)模型
模型中除了整合必要的物流元素，還需要考慮物流樞紐建設(shè)。物流樞紐是指物流網(wǎng)絡(luò)中的連接點(diǎn)、基礎(chǔ)設(shè)施和節(jié)點(diǎn)，主要承擔(dān)商品流轉(zhuǎn)運(yùn)，可分為配送物流中心和運(yùn)輸物流中心。配送物流中心具有存儲功能，如地方倉庫；運(yùn)輸物流中心不具備倉儲功能，如機(jī)場。物流樞紐的功能區(qū)別是貨運(yùn)模型基礎(chǔ)，不同功能中心吸引的貨源和運(yùn)輸操作有很大區(qū)別。
3.1 SMILE模型和SLAM模型
荷蘭的SMILE (Strategic Model Integral Logistics and Evaluation)模型是第一個在商品流路徑選擇過程中考慮配送中心的模型。1997年第一個版本誕生，模型明確了供應(yīng)鏈中的倉庫位置和功能。荷蘭交通運(yùn)輸部在2003～2004年提出了SMILE模型的改進(jìn)版，引入隨機(jī)分配過程，用于輔助政策制定。
該模型在進(jìn)行運(yùn)輸流模擬的時候把經(jīng)濟(jì)、物流和運(yùn)輸三者連接起來，同時實(shí)現(xiàn)了土地利用（通過生產(chǎn)）、貿(mào)易（通過銷售、采購）、物流（通過庫存）、運(yùn)輸與傳統(tǒng)的四階段法的結(jié)合。通過枚舉供選擇的分配通道，用logic選擇模型計(jì)算出不同選擇的可能性。542種不同類型產(chǎn)品按屬性（商品價(jià)值、包裝密度、易腐性、交付時間、運(yùn)載量等）被分為50種物流類別，不同類別的商品特性會影響商品的處理能力。因此配送中心會影響運(yùn)輸流，并通過裝卸率和存儲率等帶來商品流的空間再分布。和其他模型一樣，SMILE模型通過庫存和倉儲服務(wù)將貿(mào)易和運(yùn)輸聯(lián)系起來。
借鑒SMILE模型經(jīng)驗(yàn)，歐洲SCENTS模型應(yīng)用SLAM (Spatial Logistics Appended Module)評估歐洲運(yùn)輸系統(tǒng)物流變化影響，主要是配送中心選址。該模型考慮了配送結(jié)構(gòu)的變化（如用于配送的中間倉庫的數(shù)量和位置分布），并將它們合并到流量分配中。
SLAM接收SCENES的生產(chǎn)流和消費(fèi)流，生成供選擇的配送鏈的OD矩陣。根據(jù)產(chǎn)品特性、市場和運(yùn)輸服務(wù)，可得到一系列配送鏈；位置評分模塊從經(jīng)濟(jì)活動、中心性、基礎(chǔ)設(shè)施的可達(dá)性等對這些可能的配送中心評分；鏈選擇模塊挑選出最具吸引力的配送中心，并由這些配送中心建立物流鏈。單獨(dú)對每一條鏈計(jì)算其物流成本，包括運(yùn)輸成本、庫存成本等。最終運(yùn)輸鏈的確定是基于總成本最小方法。該模型不足之處在于沒有深入考慮網(wǎng)絡(luò)影響，往往會選擇效益最好的抽象的分銷網(wǎng)。
3.2 SAMGODS模型
瑞典的SAMGODS模型是國家層面的宏觀模型。模型由多個考慮經(jīng)濟(jì)發(fā)展、貿(mào)易等子模型構(gòu)成，提供35個商品組和86個預(yù)定義的運(yùn)輸鏈（包括34種可能的運(yùn)輸工具），用于多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)輸過程。
物流模塊由3步驟組成，遵循ADA (aggregated-disaggregated-aggregated)結(jié)構(gòu)，可進(jìn)行運(yùn)載量、運(yùn)輸路線和運(yùn)輸方式等決策。首先得到生產(chǎn)地和銷售地之間總的商品流，再將總的商品流分解后分配到單個的廠商，廠商就可以進(jìn)行相應(yīng)的物流決策，如運(yùn)載量的確定，整合中心和配送中心的使用等。最后再將數(shù)據(jù)匯總，以O(shè)D流形式分配到路線中。
模型可生成多條運(yùn)輸鏈，以總物流成本最小為目標(biāo)進(jìn)行運(yùn)輸鏈選擇。運(yùn)輸過程的差異導(dǎo)致成本不同，主要體現(xiàn)在發(fā)件端或收件端的裝卸成本、倉庫的庫存成本、轉(zhuǎn)運(yùn)中心的使用成本等�？紤]節(jié)點(diǎn)特性（與不同交通方式的連接度、空間狀況、處理不同商品類型的可行性等）規(guī)模經(jīng)濟(jì)和不同節(jié)點(diǎn)的科技操作水平差異，不同節(jié)點(diǎn)的成本不同，基于假設(shè)業(yè)務(wù)量越多的節(jié)點(diǎn)科技越先進(jìn)，可用一個0～1的技術(shù)因子進(jìn)行表征。
3.3 LAMTA模型
洛杉磯的LAMTA (Los Angeles Metropolitan Area)貨運(yùn)預(yù)測模型是多式聯(lián)運(yùn)需求模型，主要用于道路貨運(yùn)，也包括多式聯(lián)運(yùn)框架，用于支持貨運(yùn)決策和物流樞紐確定。
除了運(yùn)輸發(fā)生、分布、方式選擇等基本子組件，LAMTA模型整合了一個單獨(dú)的模塊用于物流樞紐的建模。TLN (Transport Logistics Node Model)模型合并倉庫、配送中心、多式聯(lián)運(yùn)場站，對長距離貨物運(yùn)輸造成影響（更準(zhǔn)確地說是影響LAMA區(qū)域內(nèi)和區(qū)域外的商品流）。TLN并未對完全在區(qū)域內(nèi)的商品流建模，因此在構(gòu)建長距離運(yùn)輸鏈時，研究區(qū)域內(nèi)部的運(yùn)輸物流中心可定義為一個總的樞紐（多式聯(lián)運(yùn)貨場）。TLN模塊基于以下兩個要素：模塊對物流樞紐的屬性進(jìn)行定義；輸入OD矩陣，對每種運(yùn)輸方式和商品組合，生成單獨(dú)的矩陣。
商品流分解成人境流和出境流兩部分，對每個產(chǎn)品組合和每個方向，分別計(jì)算出經(jīng)過各個中心的貨運(yùn)百分比。此外，進(jìn)一步將由卡車單獨(dú)承擔(dān)的短距離運(yùn)輸進(jìn)行分配。TLN模塊的最終輸出是每種運(yùn)輸方式的四個矩陣和商品組合（直接短距離運(yùn)輸、直接長距離運(yùn)輸、途徑轉(zhuǎn)運(yùn)中心的短距離運(yùn)輸和途徑轉(zhuǎn)運(yùn)中心的長距離運(yùn)輸）。針對跨境商品流，LANTA模型才需要考慮運(yùn)輸物流樞紐。
3.4 FAME模型
芝加哥伊利諾伊大學(xué)提出的FAME (FreightActivity Micro simulation Estimator)模型提出了行
為貨運(yùn)建模的全新框架理念，更詳細(xì)考慮了物流要素，對不同類型的中間裝卸設(shè)備、運(yùn)輸方式選擇和運(yùn)載量的收益進(jìn)行不斷比較。
初始狀態(tài)下，具有一定特性和地理分布特點(diǎn)的單個決策者生成不同的廠商類型。不同廠商類型之間的貿(mào)易關(guān)系可在接下來的供應(yīng)商選擇模塊中定義。根據(jù)實(shí)測的運(yùn)載量分布情況得到運(yùn)載量和發(fā)貨頻次。在商品流最終分配到網(wǎng)絡(luò)之前，利用probit模型進(jìn)行行為方式選擇。對每個物流運(yùn)輸鏈，都需要考慮轉(zhuǎn)運(yùn)站點(diǎn)的數(shù)量和運(yùn)輸方式選擇，此外確定最有的途徑樞紐的運(yùn)載量。商品特性和成本對模型中物流樞紐的選擇至關(guān)重要。
考慮物流參與者行為的基于主體的模型較少，Liedtke提出的InterLog模型是較早整合主體行為的微觀仿真模型之一。模型首先根據(jù)生產(chǎn)或消費(fèi)的商品類型對寄件人和收件人進(jìn)行分類，不同分類有特定的行為參數(shù)。物流決策通過總物流成本和運(yùn)輸相關(guān)的決策聯(lián)系起來，這些成本包括訂貨成本、通信成本、庫存成本、裝卸成本和一般的運(yùn)輸成本�？偟奈锪鞒杀具�受商品屬性和商業(yè)關(guān)系影響，商業(yè)關(guān)系是主體之間的配送和運(yùn)輸?shù)年P(guān)鍵要素。
市場互動模型對主體選擇（廠商、貨代）進(jìn)行建模，檢驗(yàn)主體在運(yùn)輸市場中的互動和對總物流成本最小的貢獻(xiàn)。通過調(diào)整發(fā)貨頻次和合作的運(yùn)輸公司，也可以降低成本。盡管InterLog模型闡述了運(yùn)輸公司的運(yùn)輸行為和相關(guān)的物流方面，但重點(diǎn)在于確定運(yùn)載量，以及已有的寄件人／收件人和運(yùn)輸經(jīng)營者之間的合同，并沒有考慮運(yùn)輸物流樞紐的使用。
3.5 GoodTrip模型和EUNET模型
荷蘭格羅寧根的GoodTrip模型是一個城市貨運(yùn)模型。該模型基于消費(fèi)者需求，通過將消費(fèi)者、超市、大型超市、配送中心和制造商結(jié)合起來建立物流鏈。模型由4個組件構(gòu)成：空間活動組織、貨流、運(yùn)輸、基礎(chǔ)設(shè)施，通過計(jì)算每個空間定義區(qū)域每組商品的數(shù)量，得到消費(fèi)者和生產(chǎn)者之間吸引到的貨物；對商品組進(jìn)行分類，得到OD矩陣；最后生成車流并分配到網(wǎng)絡(luò)中。上述決策中，商品流受到活動的空間分布和消費(fèi)者的市場份額影響。該模型雖然考慮了物流配送中心，但沒有包含運(yùn)輸物流樞紐，如裝卸設(shè)備使用等。
英國的EUNET模型是區(qū)域模型，包括奔寧山脈地區(qū)內(nèi)部商品流和進(jìn)出該區(qū)域的商品流。和SCENES模型類似，該模型服務(wù)于區(qū)域發(fā)展定位，有效地將區(qū)域經(jīng)濟(jì)和物流聯(lián)系起來，目的在于根據(jù)經(jīng)濟(jì)交易和貨運(yùn)物流預(yù)測貨運(yùn)需求。
和其它模型類似，EUNET模型有一個物流模塊，可來聯(lián)系PC矩陣和OD矩陣。物流樞紐主要指配送物流中心，在OD矩陣形成過程中起關(guān)鍵作用。該模型中物流中心間商品流的分配是基于各個中心的屬性
（如倉庫占地面積）。因此，物流步驟與產(chǎn)品的裝卸因素和物流中心的特性密切相關(guān)。多個可能的中心構(gòu)成了多元分銷通道，比較中心特征和商品屬性可得到配送物流樞紐。該模型不足之處在于沒有考慮運(yùn)輸物流中心的可能性。
3.6 小結(jié)
貨運(yùn)模型中整合物流樞紐的方法一般是在預(yù)先定義好的運(yùn)輸鏈中，整合物流模塊。該方法過程較復(fù)雜，樞紐的屬性和貨物的性質(zhì)決定了樞紐的有效運(yùn)用和運(yùn)輸需求。此外，還可以通過樞紐屬性的延伸實(shí)現(xiàn)整合，如定義特定貨物的裝卸能力。
現(xiàn)有的貨運(yùn)模型中已有較少的一些模型考慮了物流要素，但并沒有都考慮到物流樞紐的使用。極為少數(shù)的整合了物流中心的模型也只是通過定義樞紐的功能，得到配送物流中心，而對運(yùn)輸物流中心的整合更少。物流樞紐的缺少導(dǎo)致模型精度、解釋力度和靈敏度都會下降，直接影響模型預(yù)測精度以及評估不同政策措施的準(zhǔn)確性。
物流樞紐數(shù)據(jù)的不足制約了模型對樞紐的整合。國家統(tǒng)計(jì)年鑒沒有提供單個貨物的OD信息、價(jià)值、重量、運(yùn)輸方式和運(yùn)輸物流中心的空間信息，如果有可用信息，也是針對特定領(lǐng)域或者經(jīng)濟(jì)部門的性。目前面臨最大的挑戰(zhàn)是全面的高質(zhì)量的數(shù)據(jù)獲取，包括樞紐屬性（面積、裝卸能力、客戶分支、裝載單元等）、運(yùn)輸過程（運(yùn)輸工具、運(yùn)輸物品、運(yùn)輸量）。
4 結(jié)語
本文研究了貨物運(yùn)輸模型中物流要素的整合情況，總體來說，貨運(yùn)模型中物流要素的框架已基本搭建完成，接下來需要完成的工作就是進(jìn)一步細(xì)化模型功能需求，強(qiáng)化對實(shí)際問題的解釋力度。總結(jié)貨運(yùn)模型面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)以下幾點(diǎn)。
(1)對可靠性的度量，在模型中整合考慮可靠性的成本函數(shù)、運(yùn)輸彈性和運(yùn)輸過程中貨物損壞率等，綜合考慮決策制定的影響因素，進(jìn)一步完善成本函數(shù)。
(2)基于主體的貨運(yùn)模型是未來發(fā)展的一個方向，考慮主體的個體差異性對貨物運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的影響，建模時考慮運(yùn)輸主體行為（如決策、運(yùn)輸方式個人偏好以及主體行為變化等）和主體間相互作用（如談判、溝通以及處理操作）。
(3)大數(shù)據(jù)與貨運(yùn)模型發(fā)展的關(guān)系：物流操作系統(tǒng)越來越發(fā)達(dá)，管理過程的自動化，車載記錄儀可提供車輛GPS數(shù)據(jù)，這些都有助于貨運(yùn)信息的收集，如何更為有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)挖掘、數(shù)據(jù)清洗和數(shù)據(jù)融合，是未來研究需要考慮的問題。
(4)貨運(yùn)需求增加使其負(fù)的外部性愈發(fā)收到關(guān)注，未來貨運(yùn)模型應(yīng)加進(jìn)此類描述，評價(jià)貨運(yùn)造成的能源消耗、溫室氣體和污染情況。
