基于多因素的城市即時(shí)配送創(chuàng)新模式研究

任新惠 教授 王 柳 鄒心彤

（1、中國(guó)民航大學(xué)經(jīng)濟(jì)與管理學(xué)院 天津 300300；2、四川科倫實(shí)業(yè)有限公司 四川成都 610000）

引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和發(fā)展，衍生出“懶人經(jīng)濟(jì)”和快節(jié)奏的生活模式，我國(guó)即時(shí)配送的市場(chǎng)規(guī)模也隨之不斷擴(kuò)大。根據(jù)報(bào)告顯示，2017年全國(guó)完成100億單的即時(shí)配送訂單，占傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的25%，未來業(yè)務(wù)量將達(dá)到一半以上。但在即時(shí)配送高速發(fā)展的背后，騎手在高速行車中的安全問題、隱私泄露問題等頻繁發(fā)生。未來即時(shí)配送要持續(xù)健康發(fā)展，要完善行業(yè)法律、法規(guī)建設(shè)，更重要的是與目前的配送新技術(shù)、新模式進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，優(yōu)化末端配送網(wǎng)絡(luò)。無人機(jī)在快遞配送行業(yè)的應(yīng)用在未來發(fā)展空間是不可估計(jì)的，無論是從無人機(jī)在未來的需求量上來看，還是從無人機(jī)相比于人力配送的配送成本來看，無人機(jī)都是未來快遞業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。

目前京東、順豐、億航、訊蟻、亞馬遜、UPS、沃爾瑪、敦豪等都在積極探索無人機(jī)配送新模式。在無人機(jī)與其他交通工具配送模式的研究中，主要包括無人機(jī)與快遞員聯(lián)合配送模式、無人機(jī)與基站聯(lián)合配送模式。移動(dòng)基站模式主要分為：無人機(jī)與車聯(lián)合配送模式、空中訂單履行中心模式。

隨著配送新模式、新技術(shù)的不斷發(fā)展，城市即時(shí)配送對(duì)時(shí)間的要求越來越高，目前缺乏對(duì)于配送需求較為集中的城市環(huán)境與物流無人機(jī)配送模式相結(jié)合的相關(guān)研究。本文總結(jié)了多種無人機(jī)組合城市配送模式及其適用場(chǎng)景，然后針對(duì)無人機(jī)與無人倉(cāng)模式、無人機(jī)與快遞柜模式、無人機(jī)與卡車配送模式三種聯(lián)合配送模式進(jìn)行重點(diǎn)研究，并在城市道路的實(shí)際約束下規(guī)劃車輛及無人機(jī)聯(lián)合配送路徑，為未來城市的即時(shí)配送提供理論支持。

無人機(jī)城市物流配送模式分析

近年來，物流無人機(jī)配送試點(diǎn)普遍在鄉(xiāng)村，迅蟻、億航已經(jīng)在城市即時(shí)配送中開始用無人機(jī)進(jìn)行嘗試。本文總結(jié)出幾種無人機(jī)配送模式：無人機(jī)與快遞員相結(jié)合模式、無人機(jī)與全自動(dòng)快遞柜模式、無人機(jī)與車輛配送模式，具體模式如表1所示。

由于環(huán)境的差異性以及無人機(jī)配送模式對(duì)環(huán)境的適用性，本文在城市即時(shí)配送的環(huán)境下以無人機(jī)聯(lián)合配送模式為研究對(duì)象，針對(duì)無人機(jī)與卡車、無人機(jī)與無人柜及無人機(jī)與無人倉(cāng)聯(lián)合配送模式進(jìn)行重點(diǎn)研究。

無人機(jī)配送組合模式對(duì)比分析方法

對(duì)于各個(gè)模式的比較分析，一般通過包裹的配送效率、配送成本、碳排放量等指標(biāo)來進(jìn)行各模式之間的比較，本文選取這三個(gè)指標(biāo)對(duì)無人機(jī)與卡車相結(jié)合模式、無人機(jī)與無人柜組合模式及無人機(jī)與無人倉(cāng)組合模式進(jìn)行分析比較。要使得不同配送模式下的綜合效率最高，就要使得不同配送模式的成本、碳排放量、配送效率最優(yōu)，用公式表示為：

其中，Ii為某一聯(lián)合配送模式的綜合效益；α、β、γ分別是配送成本、碳排放量、配送時(shí)間在綜合效益中所占比重；Ci、Si、ξi、Vi為不同配送方式的單位運(yùn)營(yíng)成本、運(yùn)輸距離、單位距離行駛的燃料消耗量、行駛速度；e0為CO2排放系數(shù)；i為不同配送方式，i=1，2，3；j為不同聯(lián)合配送模式，j=1，2，3。

（一）無人機(jī)與卡車相結(jié)合模式

在無人機(jī)與卡車相結(jié)合的配送模式中，理想條件下，卡車可以用重心法得到卡車最優(yōu)配送路徑規(guī)劃為一個(gè)圓軌跡。考慮到城市實(shí)際道路的影響，因此對(duì)應(yīng)所選區(qū)域真實(shí)地域交通建筑狀況，擬合出最接近卡車最優(yōu)配送路徑的現(xiàn)實(shí)路徑，并基于此規(guī)劃無人機(jī)的配送路徑。具體過程如下：

重心法確定圓心。假設(shè)各配送點(diǎn)的重心坐標(biāo)設(shè)為O（X，Y），區(qū)域內(nèi)配送點(diǎn)的集合U={p1，p2，…}。將配送點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為pi(xi，yi)，其中i=1，2，…。目標(biāo)函數(shù)運(yùn)輸總成本C最小，即：

其中，K代表?yè)Q算系數(shù)，運(yùn)輸費(fèi)率統(tǒng)一為w（單位為元/km），運(yùn)輸距離為di。

確定卡車運(yùn)行半徑。以各配送點(diǎn)到圓面的距離和L最短為目標(biāo)，求得路徑圓的半徑R，即：

其中，Loi為圓心到配送點(diǎn)的距離。

確定無人機(jī)配送路徑。在碳排放量約束條件下，無人機(jī)配送路徑最短，即各配送點(diǎn)到圓面的距離最短，假設(shè)物流配送活動(dòng)中的燃料消耗量?jī)H與運(yùn)輸距離相關(guān)。目標(biāo)函數(shù)為完成所有配送任務(wù)中的卡車和無人機(jī)的碳排放量之和E最小，即：

其中，ζ1為卡車單位距離行駛的燃料消耗量，ζ2為無人機(jī)單位距離配送的燃料消耗量。

在配送效率約束條件下對(duì)無人機(jī)配送路徑規(guī)劃，要求無人機(jī)和卡車的行駛時(shí)間之和T最短，即：

其中，Mi為無人機(jī)從卡車上起飛點(diǎn)，pi為配送點(diǎn)，Ni為配送返回點(diǎn)，V0為卡車的行駛速度，V1為無人機(jī)的行駛速度。

規(guī)劃卡車實(shí)際行駛路徑及無人機(jī)配送路徑。由于實(shí)際運(yùn)行環(huán)境限制，需要根據(jù)所選區(qū)域的交通道路重新規(guī)劃卡車行駛路徑。目標(biāo)函數(shù)為完成所有配送任務(wù)的總碳排放量E 最小，即：

其中，S0為卡車載無人機(jī)行駛的距離長(zhǎng)度。

在配送效率約束條件下的無人機(jī)配送路徑。同理，建立目標(biāo)函數(shù)為無人機(jī)飛行時(shí)間和卡車載無人機(jī)的行駛時(shí)間之和T最小，即：

其中，T0為卡車載無人機(jī)行駛的時(shí)間。

（二）無人機(jī)與無人倉(cāng)相結(jié)合配送模式

假設(shè)無人機(jī)飛行區(qū)域建筑物低于無人機(jī)飛行高度，即待配送的需求點(diǎn)與無人倉(cāng)的兩點(diǎn)一線的飛行：

其中，li表示無人機(jī)從各配送點(diǎn)到倉(cāng)庫(kù)的配送距離。

表1 無人機(jī)組合城市配送

表2 相關(guān)參數(shù)及數(shù)值

表3 四個(gè)配送模式的不同指標(biāo)數(shù)值計(jì)算結(jié)果

（三）無人機(jī)與全自動(dòng)快遞柜相結(jié)合配送模式

將無人機(jī)配送區(qū)域進(jìn)行區(qū)域劃分，假設(shè)每個(gè)區(qū)域內(nèi)設(shè)置一個(gè)無人柜、一架無人機(jī)進(jìn)行配送。按照路徑最短的原則計(jì)算無人機(jī)飛行距離和配送員補(bǔ)給距離，即：

其中，S為配送總距離；di為配送員到各個(gè)全自動(dòng)柜的補(bǔ)給距離；li為各個(gè)快遞柜到各個(gè)配送點(diǎn)的配送距離。

圖1 衛(wèi)星地圖選址

圖2 在碳排放量約束條件下的無人機(jī)配送路徑

圖3 卡車與無人機(jī)聯(lián)合配送路徑

案例分析

（一）案例背景

本文選擇中國(guó)民航大學(xué)南院為場(chǎng)景進(jìn)行無人機(jī)組合配送模擬。假設(shè)本文所選擇的區(qū)域高度滿足無人機(jī)飛行條件即建筑群高度低于120米，且在沒有人為干預(yù)的情況下排除一切不安全因素，因此無人機(jī)不受道路交通及建筑物的影響而正常行駛。另外，假設(shè)該模型中所應(yīng)用的末端小型無人機(jī)為多旋翼無人機(jī)，載重不超過2.5kg，每次只能運(yùn)送一件包裹。在所選區(qū)域中選擇較為分散的11個(gè)待配送的需求點(diǎn)，并對(duì)應(yīng)到衛(wèi)星地圖中，如圖1所示。假設(shè)倉(cāng)庫(kù)所在地位置固定。通過CAD繪圖，確定11個(gè)待配送的需求點(diǎn)和倉(cāng)庫(kù)所在地的坐標(biāo)，并在sketchpad中建立直角坐標(biāo)系。

（二）卡車與無人機(jī)相結(jié)合配送距離運(yùn)算

確定配送點(diǎn)的重心。假設(shè)重心坐標(biāo)點(diǎn)為（1.00，1.00），為方便計(jì)算運(yùn)輸費(fèi)率均設(shè)為1。根據(jù)公式（2）計(jì)算得出運(yùn)輸成本為6449.4元。以總運(yùn)輸成本最低為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，求得配送點(diǎn)的重心的坐標(biāo)點(diǎn)為（28.86，30.48）。此時(shí)總成本為5181.48元，與之前的總成本相比顯著降低，證明優(yōu)化有效。

確定卡車行駛路徑。假設(shè)半徑R=1.00K。根據(jù)公式（3）計(jì)算得出總距離L為2851.92m。以總距離最小為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化求解，此時(shí)總距離為925.8m，與之前的總距離相比顯著縮短，證明優(yōu)化有效，由此可確定卡車行駛路徑。

確定無人機(jī)路徑。確定無人機(jī)配送路徑（虛線），并在直角坐標(biāo)系中做出軌跡圖，如圖2所示。

規(guī)劃卡車實(shí)際行駛路徑及無人機(jī)配送路徑。根據(jù)實(shí)際路面道路情況的不同，卡車（實(shí)線）與無人機(jī)（虛線）的路徑如圖3所示。根據(jù)公式（6）可得到在碳排放量約束條件下的無人機(jī)飛行路徑最短為2605.02m。

（三）無人機(jī)與無人倉(cāng)相結(jié)合配送距離運(yùn)算

在衛(wèi)星地圖上模擬無人機(jī)配送路線。將衛(wèi)星地圖對(duì)應(yīng)到直角坐標(biāo)系中，做出無人機(jī)飛行路徑，即待配送的需求點(diǎn)與無人倉(cāng)的兩點(diǎn)一線的飛行。分別計(jì)算配送點(diǎn)到無人倉(cāng)的距離，配送總距離為往返距離，根據(jù)公式（8）計(jì)算得出配送總距離為5237.16m。

圖4 無人機(jī)配送與貨車補(bǔ)給路徑圖

（四）無人機(jī)與全自動(dòng)快遞柜相結(jié)合配送距離運(yùn)算

假設(shè)所選區(qū)域根據(jù)需求量集中程度劃分為三個(gè)小區(qū)域，在每一塊小區(qū)域內(nèi)的空地處設(shè)置一個(gè)無人柜。按照路徑最短的原則，繪制坐標(biāo)系中的飛行路徑（虛線）、配送員行駛路線（實(shí)線），如圖4所示。補(bǔ)給線路分為三條，不能同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)給，在完成一條線路的補(bǔ)給后進(jìn)行下一條線路的補(bǔ)給。計(jì)算得無人機(jī)往返總距離為3737.28m。

（五）綜合對(duì)比分析

無人機(jī)的運(yùn)輸成本目前還沒有詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，以江西省贛州市南康區(qū)開展的無人機(jī)物流配送試點(diǎn)為例，估計(jì)單次飛行運(yùn)輸成本約15元，同期地面運(yùn)輸單件成本約23元，較現(xiàn)有無人機(jī)運(yùn)輸成本高53%。據(jù)此假設(shè)具體相關(guān)參數(shù)值如表2所示，這里僅考慮運(yùn)營(yíng)成本。

根據(jù)公式（1），為了綜合三種指標(biāo)的效應(yīng)，賦予每一種指標(biāo)一定的權(quán)重，計(jì)算得到三種配送模式的四個(gè)指標(biāo)，如表3所示。

通過表3可知，在此區(qū)域內(nèi)，無人機(jī)與無人倉(cāng)、無人柜組合模式的綜合效益均優(yōu)于無人機(jī)與卡車組合，未來無人配送模式將以其低成本、高效率、環(huán)保而獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。但現(xiàn)階段，考慮到前期投入成本、土地占用等因素，無人機(jī)與卡車相結(jié)合的配送模式則可以應(yīng)用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施，也是目前可選的主要模式。

結(jié)論

無人機(jī)聯(lián)合配送模式是目前應(yīng)用最廣泛的一種模式，本文對(duì)其中三種聯(lián)合配送模式在某一具體區(qū)域內(nèi)進(jìn)行研究，以配送成本、碳排放量和配送效率三個(gè)指標(biāo)為對(duì)比依據(jù)進(jìn)行算例分析。綜合來看，無人機(jī)與無人倉(cāng)相結(jié)合模式因其配送距離短而費(fèi)用低、速度快、成本低，是未來的發(fā)展趨勢(shì)，但目前無人機(jī)與卡車相結(jié)合模式也是一種可行的選擇。本研究為無人機(jī)城市物流配送模式的實(shí)踐提供方法和技術(shù)，在后面研究中會(huì)根據(jù)實(shí)際需求選擇具體配送點(diǎn)進(jìn)行研究。

無人機(jī)應(yīng)用于城市的即時(shí)配送仍屬于一個(gè)比較新的研究方向，無人機(jī)城市物流配送的發(fā)展還存在多方面影響因素和限制條件，如無人機(jī)配送選點(diǎn)、無人機(jī)城市運(yùn)行環(huán)境等，都有待進(jìn)一步深入研究與測(cè)試，才能確保無人機(jī)在保證安全的前提條件下進(jìn)行大規(guī)模推廣。