電子商務(wù)物流最后一公里配送的碳排放研究

薛星群， 王旭坪,， 詹林敏

(1.大連理工大學(xué) 商學(xué)院，遼寧 盤(pán)錦 124221; 2.大連理工大學(xué) 系統(tǒng)工程研究所，遼寧 大連 116023)

0 引言

2018年中國(guó)網(wǎng)絡(luò)零售交易額達(dá)9萬(wàn)億元，其中，網(wǎng)絡(luò)上實(shí)物商品的零售額達(dá) 7萬(wàn)億元，其為社會(huì)消費(fèi)品總零售額的18.4%[1]。作為電子商務(wù)的重要支持產(chǎn)業(yè)，2018 年在我國(guó)的快遞企業(yè)總業(yè)務(wù)量完成達(dá) 507.1 億件[1]，連續(xù)五年位居世界第一，快遞已逐漸變成社會(huì)物流活動(dòng)的重要組成結(jié)構(gòu)。在經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展下，人們也逐步發(fā)現(xiàn)人類(lèi)社會(huì)活動(dòng)對(duì)環(huán)境造成的不良影響。而電子商務(wù)物流的最后一公里由于配送過(guò)程不合理致其存在能源消耗大、碳排放量大的問(wèn)題[2,3]，因而有效降低電子商務(wù)物流末端的碳排放量，保證其低碳環(huán)保的發(fā)展趨勢(shì)十分必要。

最后一公里配送即描述貨物從運(yùn)輸中心運(yùn)輸?shù)娇蛻?hù)指定處的過(guò)程。送貨上門(mén)、自助收發(fā)箱和設(shè)立顧客自提站是三種主要的最后一公里配送模式[4,5]。依照客戶(hù)要求條件，把貨物運(yùn)輸?shù)胶炇盏?，?shí)現(xiàn)一對(duì)一針對(duì)性的服務(wù)即送貨上門(mén)模式。目前對(duì)于送貨上門(mén)模式的相關(guān)問(wèn)題研究關(guān)注于設(shè)定合適的時(shí)間窗或者獎(jiǎng)懲措施來(lái)調(diào)節(jié)成本和顧客滿(mǎn)意度的關(guān)系研究[6～8]居多。自助收發(fā)箱模式是將包裹放在客戶(hù)端的自助收發(fā)箱中，用戶(hù)憑發(fā)送的密碼取貨的配送方式，現(xiàn)存大多數(shù)有關(guān)這一模式的研究也主要針對(duì)其成本。流動(dòng)收發(fā)箱、公共收發(fā)箱和獨(dú)立收發(fā)箱是自助收發(fā)箱的三種主要形式[9,10]。Coley et al.指出，在客戶(hù)離配送距離中心小于6.7KM的時(shí)候，采用區(qū)域傳統(tǒng)的操作模式才會(huì)比蔬菜大規(guī)模自助收發(fā)箱所產(chǎn)生的碳排放量小[11]。顧客自提站模式是指把物品送至物流服務(wù)提供商所規(guī)定的位置，用戶(hù)本人親自來(lái)提取貨物商品的方式。顧客自提站在不一樣地點(diǎn)建立運(yùn)營(yíng)效率、所產(chǎn)生的成本和對(duì)環(huán)境的影響都不一樣[12]，而且多數(shù)用戶(hù)只有在路程沒(méi)有超過(guò)5分鐘的情況下才同意使用這一模式[13]。若是根據(jù)國(guó)外的人口數(shù)和其配送習(xí)慣，只有在二次配送成功率比70%小并且有一半的用戶(hù)愿意自行前往配送中心取物品時(shí)，該模式下產(chǎn)生的碳排放量才會(huì)比傳統(tǒng)模式少[14]。Suh et al.進(jìn)一步將這一模式改進(jìn)，采用社交媒體的傳遞實(shí)時(shí)信息的方式通過(guò)親朋好友達(dá)到快速?gòu)淖蕴嵴救〉冒哪康?，?shí)驗(yàn)顯示該方法所產(chǎn)生的碳排放量無(wú)論在城市中的哪里都比現(xiàn)有的的顧客自提站和送貨上門(mén)模式小[15]。

綜上所述，大多數(shù)最后一公里的配送模式的研究集中在成本和操作效率，少有針對(duì)三種不同最后一公里配送模式對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響的研究，并且中國(guó)的國(guó)情與發(fā)達(dá)國(guó)家有差異，因而探索中國(guó)國(guó)情下不同的最后一公里配送模式對(duì)環(huán)境產(chǎn)生影響十分必要。本文采用改進(jìn)的VRP (Vehicle Routing Problem)、聚類(lèi)分析等模型進(jìn)行仿真分別優(yōu)化計(jì)算不同最后一公里配送模式的能耗，并把每種模式的其他耗能相結(jié)合以綜合計(jì)算其碳排放量，進(jìn)而討論不同的配送模式對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的影響，并分析主要影響每種配送模式碳排放的因素，從環(huán)保角度為電子商務(wù)物流最后一公里配送的發(fā)展提供一些建議。

1 電子商務(wù)物流最后一公里碳排放計(jì)算模型

1.1 碳排放量計(jì)算模型

碳排放指代溫室氣體排放，其中含有CO2、CH4、氧化亞氮、全氟碳化合物、六氟化硫和氫氟碳化合物等，而二氧化碳約占55%[16]，因此文章中根據(jù)在最后一公里的配送中所耗費(fèi)各種能量和物質(zhì)而產(chǎn)生的CO2量以此衡量不同配送模式對(duì)環(huán)境的影響程度。CO2排放量越大，則對(duì)環(huán)境危害越大，反之亦然。根據(jù)ICPP發(fā)布的第四次評(píng)估報(bào)告，燃燒化石燃料和使用土地所引發(fā)的改變是全球CO2增多的主要影響因素[17]，故本文中對(duì)車(chē)輛和自助收發(fā)箱等硬件設(shè)備制造過(guò)程中產(chǎn)生的碳排放忽略不計(jì)。由此，文中方法是通過(guò)對(duì)于在最后一公里的包裹配送的過(guò)程當(dāng)中每個(gè)環(huán)節(jié)耗費(fèi)的能源來(lái)計(jì)算的CO2排放[18]，第j種配送模式生產(chǎn)的CO2總量Ej計(jì)算公式為:

(1)

其中，Cij:第j種配送模式中對(duì)第i種能源的消耗量；βi:第i種能源的CO2排放系數(shù)；sum:化石能源種類(lèi)數(shù)量。

根據(jù)對(duì)市場(chǎng)上順豐、申通等快遞企業(yè)的調(diào)查，出于成本和操作效率的考慮，在送貨上門(mén)模式中，派送員通常使用三輪電動(dòng)車(chē)或面包車(chē)進(jìn)行包裹派送，而在其他兩種配送模式中，則選用輕型載貨汽車(chē)。運(yùn)輸過(guò)程中，車(chē)輛用油量受海拔氣溫、道路路況、路面狀況和車(chē)輛載重量等因素的影響[19]，文章中主要針對(duì)車(chē)輛載重量對(duì)油耗的影響的情況[20]，假設(shè)其他因素在不同配送模式中都相同。研究說(shuō)明，一單位距離燃料耗用量ρ是依附于貨車(chē)裝載貨物量X的線(xiàn)性函數(shù)[21]，則車(chē)輛總重量是車(chē)輛本身重量Q0和載重量X，車(chē)輛原本額定載重為Qv，有:

ρ(X)=a(Q0+X)+b

(2)

車(chē)輛不載貨物的時(shí)候單位距離耗油量ρ0和載滿(mǎn)貨物的時(shí)候每單位距離消耗油量ρ*分別為

ρ0=aQ0+b

(3)

ρ*=a(Q0+Qv)+b

(4)

由上式可得：

a=(ρ*-ρ0)/Qv

(5)

則裝載貨物量和單位距離耗油量之間的線(xiàn)性關(guān)系為:

ρ(X)=ρ0+[(ρ*-ρ0)/Qv]X

(6)

由于缺少針對(duì)電動(dòng)車(chē)載物重量與用電量間精確關(guān)系的文章，文中把電動(dòng)車(chē)耗電量取值偏大，即假設(shè)車(chē)輛全程都處于負(fù)重狀態(tài)。

2.2 送貨上門(mén)模式碳排放優(yōu)化模型

送貨上門(mén)模式中的碳排放源自在派送過(guò)程中車(chē)輛行駛耗能產(chǎn)生的碳排放較多，快遞員在派送過(guò)程中乘坐電梯和簽收等行為在每種模式中都不可或缺，所以本文忽略不計(jì)。本節(jié)使用改進(jìn)的VRP建立送貨上門(mén)的車(chē)輛路徑模型，把目標(biāo)函數(shù)值改為使總能耗最小。用遺傳算法求出用油量最小的車(chē)輛行駛路徑[22,23]，之后依照能耗計(jì)算CO2排放量。

若為面包車(chē)，目標(biāo)函數(shù)為：

(7)

若為三輪電動(dòng)車(chē)，目標(biāo)函數(shù)為：

(8)

約束條件:

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

Xijxijr≤Qv,r=1,2,…,R

(17)

r=1,2,…,R,h=1,2,…,n;xijr∈{0,1},yir∈{0,1}

(18)

其中，

符號(hào)意義符號(hào)意義z運(yùn)輸工具能耗λ服務(wù)一位客戶(hù)的時(shí)間R路線(xiàn)總數(shù)δ運(yùn)輸工具百公里耗電量m派送點(diǎn)總數(shù)σ車(chē)子啟動(dòng)或者停止的時(shí)間dij派送點(diǎn)i和j之間的距離v平均車(chē)速qi派送點(diǎn)i需求量T額定工作時(shí)間q整片區(qū)域的需求量xijr邊(i,j)包含在路線(xiàn)r里,0-1變量Qv車(chē)輛額定載荷yir派送點(diǎn)i包含在路線(xiàn)r里,0-1變量ths派送點(diǎn)h要求的最早送達(dá)時(shí)間the派送點(diǎn)h要求的最晚送達(dá)時(shí)間q0=qn+1=0配送中心需求量為0n有派送時(shí)間要求的派送點(diǎn)總數(shù)μ校正因子,將任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的直線(xiàn)距離調(diào)整為現(xiàn)實(shí)路線(xiàn),本文取值1.5[24]。

式(9)表示某區(qū)域的總需求量；式(10)～(12)確保各個(gè)配送點(diǎn)都能夠到達(dá)一次；式(13)和(14)則確保每條線(xiàn)路必由派送中心出發(fā)之后能夠再次回到派送中心；式(15) 確保車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不大于規(guī)定的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間；式(16)表示車(chē)在派送過(guò)程中其承載物品重量的改變，用電動(dòng)車(chē)在運(yùn)輸不使用此式；式(17) 確保各個(gè)線(xiàn)路上的總共貨物量不超過(guò)車(chē)輛本身規(guī)定的負(fù)重載荷；式(18) 確保配送點(diǎn)h對(duì)時(shí)間的特定規(guī)定。

2.3 自助收發(fā)箱模式碳排放優(yōu)化模型

本文中的自助收發(fā)箱采用有36個(gè)大小不同柜的公共收發(fā)箱。在該模式下，其碳排放量主要來(lái)自于箱子正常工作的能耗和配送過(guò)程中車(chē)輛的油耗。參照上述2.2的面包車(chē)送貨上門(mén)模型，可得出該模型的車(chē)輛耗油量。然而，因?yàn)樽灾瞻l(fā)箱對(duì)于配送時(shí)長(zhǎng)沒(méi)有硬性要求，所以，在計(jì)算時(shí)舍去上述模型中式(18)即可。除此之外，要使箱子正常工作的能耗排放計(jì)算公式為

C22=w×g

(19)

w為耗電量；g為數(shù)量。

2.4 顧客自提站模式碳排放優(yōu)化模型

在顧客自提站模型中，顧客自提包裹的碳排放量和配送途中車(chē)輛的油耗是CO2排放量的主要構(gòu)成因素。該模式的配送過(guò)程與前兩種模式截然不同，原因是一個(gè)顧客自提站可對(duì)應(yīng)多個(gè)派送點(diǎn)?；诖耍脷W幾里得的K-means聚類(lèi)模型對(duì)派送點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi)分析[25,26]，而對(duì)于該模式建立的車(chē)輛規(guī)劃模型則采用遺傳算法進(jìn)行求解。該模式對(duì)于配送時(shí)長(zhǎng)不做要求，因此其VRP模型可類(lèi)比自助收發(fā)箱，所以可將式(16)右側(cè)更改為此類(lèi)的需求總和。所以，其k-means聚類(lèi)模型為:

(20)

約束條件：

(21)

(22)

oi為派送點(diǎn);Pj為類(lèi)Li的平均值；E是誤差平方和。式(21)是更新簇的平均值；式(22)為計(jì)算準(zhǔn)則函數(shù)。受包裹自提數(shù)目的限制和基于對(duì)顧客在中途卸貨可能性幾乎為零的假設(shè)，本文忽略不計(jì)顧客車(chē)輛因提取包裹而增加的載重量。因?yàn)?，?duì)個(gè)人乘公交車(chē)的影響因素較多，而且公交車(chē)的個(gè)人排放量處于在步行與私家車(chē)之間，所以暫不考慮公交車(chē)。除此之外，自行車(chē)取件也沒(méi)有碳排放，所以也不考慮此交通方式。因此，顧客提取包裹的交通方式定為步行、電動(dòng)車(chē)和私家車(chē)三種。

在顧客自提站模式中，顧客自提包裹時(shí)總耗能為

C13=s1×μ×θ/100C23=s2×μ×δ

(23)

si為顧客自提過(guò)程采取第i種交通方式的總路程(s1為耗油車(chē)輛的總路程；s2為耗電車(chē)輛的總路程)；θ為私家車(chē)的百公里耗油量。

3 數(shù)值實(shí)驗(yàn)

基于中國(guó)市區(qū)的居住密度，劃定5km×5km的區(qū)域范圍。在其中隨機(jī)生成30個(gè)派送點(diǎn)，每個(gè)派送點(diǎn)代表一個(gè)小區(qū)。從公平角度為保證顧客滿(mǎn)意度，每個(gè)小區(qū)至少設(shè)置一個(gè)自助收發(fā)箱[27]，為了避免隨機(jī)生成的小區(qū)需求相差懸殊，導(dǎo)致自助收發(fā)箱模式存在明顯劣勢(shì)，限制每個(gè)小區(qū)隨機(jī)生成10～36份訂單需求。由于電子商務(wù)包裹輕重有別，大小各異，文中將隨機(jī)生成的包裹重量區(qū)間劃定在(0,1.5]kg范圍內(nèi)。本文基于MATLAB軟件對(duì)模型進(jìn)行求解，模型中的已知參數(shù)均來(lái)自申通、順豐、圓通等多家快遞公司派送員的訪(fǎng)談。根據(jù)顧客自提站模型，在確保顧客和自提站距離不超過(guò)5分鐘車(chē)程的情況下，將區(qū)域劃分為5類(lèi)[13]。根據(jù)[28,29]，不同能源的CO2排放參數(shù)如表1所示。

表1 不同化石能源CO2排放參數(shù)

為方便計(jì)算，擬將顧客車(chē)型統(tǒng)一為2.0排量車(chē)型，取θ=10L/百公里；δ=16度/百公里。

數(shù)值試驗(yàn)得到三種模式行車(chē)路程、耗能CO2和排放量如表2所示，因?yàn)槿狈ο嚓P(guān)統(tǒng)計(jì)，本文忽略順道取件的情況[30]。同時(shí)，由于缺乏對(duì)客戶(hù)取件時(shí)使用的交通方法的統(tǒng)計(jì)，本文先假設(shè)步行提取包裹的顧客比例為20%，騎電動(dòng)車(chē)提取包裹的顧客比例為30%，開(kāi)車(chē)提取包裹的顧客比例為50%。

表2 最后一公里的配送模式的CO2排放量

表2中自助收發(fā)箱模式的CO2排放量?jī)H是車(chē)輛耗油產(chǎn)生，除此之外，自助收發(fā)箱自身產(chǎn)生的CO2排放量也應(yīng)計(jì)入其中。本文假設(shè)使用紅外一體機(jī)的監(jiān)控系統(tǒng)，因此其24小時(shí)耗電估計(jì)值為2度/箱。所以，其CO2總排放量為7.61+47.1=54.7kg。

表2表明，在第一種模式中，三輪電動(dòng)車(chē)總路程稍大于面包車(chē)。究其原由有二：其一，本文通過(guò)遺傳算法求解，結(jié)果取值滿(mǎn)意解而非最優(yōu)解，且兩次計(jì)算結(jié)果不同；其二，三輪電動(dòng)車(chē)車(chē)速比面包車(chē)慢，在一定程度上，增加了路程耗時(shí)，使得相同時(shí)間內(nèi)服務(wù)客戶(hù)數(shù)低于面包車(chē)。因此，往返配送中心的路程數(shù)也相應(yīng)增多。但是，面包車(chē)的CO2排放量大于三輪電動(dòng)車(chē)，這表明在某種程度上耗電交通工具對(duì)于環(huán)境保護(hù)更為友好。在本文的假設(shè)中，各交通工具均為負(fù)載狀態(tài)，因此可知，在現(xiàn)實(shí)生活中，耗電交通工具的減排效果將更為顯著。除此之外，就送貨失敗率而言，送貨上門(mén)模式的失敗率幾乎為零，因此，數(shù)值計(jì)算結(jié)果也更偏向于送貨上門(mén)模式。

然而，在自助收發(fā)箱模式中，派送員每天行駛路程遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于送貨上門(mén)方式的電動(dòng)三輪車(chē)，然而其CO2的每天排放量卻僅僅相對(duì)減少了0.27kg。原因是，該模式使用的是燃油輕型載貨汽車(chē)，這也再次表明耗電型交通工具能夠緩解溫室效應(yīng)。不僅如此，為了使箱體及監(jiān)控?cái)z像頭等輔助設(shè)備的正常運(yùn)行，自助收發(fā)箱模式額外消耗的電能更大，這也使得該模式的碳排放量最大。因此，為推廣使用大規(guī)模自助收發(fā)箱，節(jié)能減排設(shè)備的研發(fā)工作必不可少。

相較于前面兩種派送模式，在顧客自提站模式中，派送員所行路程最小。因此，其CO2排放量也相對(duì)較小。不僅如此，基于顧客自行取件時(shí)所選交通工具的假設(shè)前提，該模式的碳排放量也是最小的。然而相較于第一種模式的電動(dòng)三輪車(chē)，卻似乎并沒(méi)有明顯優(yōu)勢(shì)。因此，不難得出，顧客選取交通方式的不同將導(dǎo)致其CO2排放量的差異。所以，需要進(jìn)一步對(duì)比研究，顧客選取不同交通方式的比例對(duì)CO2總排放量的影響。其結(jié)果如表3所示。

表3 顧客自提站模式CO2總排放量(單位：kg)

表3表明，顧客自提包裹采用的交通方式對(duì)于顧客自提站模式中的CO2總排放量有一定影響。如果有大于60%的顧客選擇私家車(chē)之一交通方式提取包裹，那么無(wú)論剩下的顧客如何選擇交通方式，該模式的碳排放量均大于采用電動(dòng)車(chē)為交通工具的送貨上門(mén)模式。然而，假設(shè)所有顧客提取包裹的交通工具均為電動(dòng)車(chē)，則該模式的CO2總排放量將會(huì)低于送貨上門(mén)模式。不僅如此，如果有60%的顧客選擇電動(dòng)車(chē)，而且有不超過(guò)30%的顧客選擇私家車(chē)，那么顧客自提也將優(yōu)于送貨上門(mén)。反之，如果顧客都選擇開(kāi)私家車(chē)提取包裹，那么它的碳排放總量將與使用面包車(chē)配送的送貨上門(mén)模式相近。所以，只有大力鼓勵(lì)環(huán)保型交通方式，大力推廣環(huán)保理念，顧客自提站模式才有實(shí)施必要。在這里需要指出的是，顧客順道取貨的情況被排除在外。然而，在現(xiàn)實(shí)生活中，大多數(shù)顧客常常會(huì)在購(gòu)物途中或上下班途中順道取件，而此舉使最后一公里的CO2總排放量大大降低。因此，基于環(huán)保視角，顧客自提站模式有良好的發(fā)展前景。

4 總結(jié)

本文通過(guò)改進(jìn)的VRP模型和k-means聚類(lèi)模型優(yōu)化計(jì)算了不同配送模式下最后一公里的碳排放量，并分析了不同模式對(duì)環(huán)境的影響以及產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。自助收發(fā)箱模式的CO2總排放量最高，主要是因?yàn)槭瞻l(fā)箱使用過(guò)程中的電能消耗量較大。如果開(kāi)發(fā)節(jié)能低耗的箱體或者箱體分布密度可適當(dāng)降低，則這種模式可滿(mǎn)足在快遞人員無(wú)法進(jìn)入小區(qū)或需要冷藏存儲(chǔ)貨物等情況下的應(yīng)用。而在大部分顧客均選用節(jié)能減排的低碳低耗能交通工具的情況下，該模式具有達(dá)到最少碳排放量的潛力。因此，為了更好地應(yīng)用顧客自提模式，大力推廣環(huán)保知識(shí)，鼓勵(lì)顧客用低碳交通工具取件等都是必不可少的并進(jìn)工作。在居住密度較低的地區(qū)，相較于前兩種模式，傳統(tǒng)的送貨上門(mén)模式略勝一籌。因?yàn)槠淇梢圆捎煤碾娦徒煌üぞ哌M(jìn)行配送，大大減少了碳排放量。如今，電子商務(wù)已成為社會(huì)活動(dòng)不可分割的一部分，低碳環(huán)保勢(shì)在必行，基于此，本文開(kāi)展了深入的研究，為末端配送問(wèn)題的決策提供一些建議。

本文僅從配送過(guò)程中CO2排放角度考慮了不同配送模式對(duì)環(huán)境的影響，實(shí)際碳排放包括多種其他氣體，若考慮所有氣體，結(jié)論可能出現(xiàn)差異，這將是下一步的研究?jī)?nèi)容。