区域物流需求影响下的交通网络规划研究

陈 思，甘 蜜，谭政民

（1.西南交通大学峨眉校区 交通运输系，四川 峨眉山 614202；2.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031）

1 引言

将区域物流系统中各个物流节点、交通枢纽、交通路线、配送线路以及物流信息网络等实际连接关系，转化为区域物流网络中抽象的点与线，由这些点与线构成的网络就是区域物流网络。在区域物流网络中，区域交通网络的规划受到区域交通需求的影响，而货物运输需求又受到区域物流需求特性的限制与影响。因此对于区域中物流需求多样性进行分析和研究，将成为区域交通网络规划的重要依据之一[1-2]。

1.1 区域物流需求多样性

物流需求的多样性是物流需求主要特征之一。不同的产业、不同的产品对于生产和销售有着不同的影响，同样，不同的需求方式、不同的物流服务供应商的不同技术力量与物流设施配备，对于物流服务的供应策略以及方式都将影响物流需求多样性的扩展。物流需求是社会经济活动的派生需求，因此其不但具有了许多经济特性，而且还随着经济活动的变化而呈现出多样化的特性[3-4]。在社会经济活动中，社会经济产业结构的不同直接导致物流需求主体与客体的改变，也使得物流需求的方式和对象不断地随之改变。因此物流需求多样性产生的引导因素就是主客体的改变，而主客体的变化正是适应了产业结构，也就是说第一产业、第二产业以及第三产业在经济大环境中的比例直接导致了物流需求多样性的产生与发展。因此随着产业结构的不断变化，物流需求的特性也在不断发生着改变[5]。

1.2 区域物流网络

区域物流网络从本质上看是物流网络中各主要点与线之间的相互关系，而对于物流网络的研究不但包含了点线之间的链接关系，还包括了对各点与线自身属性的研究，如物流节点作业能力、仓储水平、线路的连通情况、运输费率等。区域物流网络中不仅具有抽象出来的点与线，还涵盖了物流系统中各种物资静态或者动态的物流服务活动，其中静态的物流服务活动包含了仓储、装卸搬运以及流通加工等；而动态的物流服务活动包含了运输、配送等。

从物流网络规划地区范围的角度出发，对于相对独立的经济地域中的物流系统进行整合规划，不但需要整合区域内已有的各种物流资源，还需要根据区域经济和区域环境的发展，建设新的物流基础设施以扩大区域物流网络的覆盖范围，增强区域物流网络的服务能力，同时完善区域物流网络的功能[6-8]。由于区域物流网络的核心取决于网络中各个点位置、点与点之间的相互关系以及线的属性，因此区域物流网络规划的重点在于对这些关键问题的处理。

2 物流需求多样性下的区域物流网络规划

2.1 区域物流网络规划层次

在物流需求多样性的前提下，区域内各种重要产业对物流网络中供应物流、销售物流都产生着积极的影响。为了能够体现出区域内不同产业的物流需求特征，从而建立有针对性的区域物流网络，应顺应不同产业需求的特性进行区域物流网络的规划，如图1所示。

图1 物流需求多样性下区域物流网络规划层次

（1）区域物流设施网络规划。首先针对区域物流网络的规划，应根据区域内农业产业、工业产业、商业以及高新技术产业的需求与分布特征，建立服务不同产业的物流设施，并对相对集中的物流设施和物流节点进行合并，形成区域级别的综合物流节点。应按照需要，从区域综合物流节点、区域产业物流节点、城市物流中心、城市内部配送中心到仓储节点等建立不同层次的物流设施。对于物流设施的规划内容应包括建设物流节点的级别、规模、地理位置、数量、服务产业类型、物流服务水平以及功能定位等。

（2）区域物流信息网络规划。在建立了区域物流设施网络的基础上，仅仅只是在区域内形成了相对独立的各种提供物流服务的点，而要想将这些点合理有效地连接起来，首先要建立行之有效的物流网络，就需要物流信息的连接贯通。

（3）区域运输网络规划。区域物流节点是根据区域内不同产业的供需关系和地理位置关系建立的。而如何将各个物流节点与区域内外不同的供需点连接起来，则需要对区域内运输路径、运输方式进行规划与配置。区域内不同的供需点之间不一定具有直接连接的道路，因此根据区域的具体情况疏通区域交通网络，并根据不同产业的供需关系对区域内物流节点与供需点之间的可行路径进行搜索，从而最终形成区域运输网络，实现对于区域内运输路径的规划。

2.2 区域物流网络规划

在物流需求多样性下，区域物流网络规划要遵守各个层次的规划原则，还应该注意在物流需求多样性下，区域内产业发展因素对于区域物流网络规划提出的规划原则。

（1）在物流设施规划阶段，应保证供需平衡并充分考虑各物流节点备选地的具体政治、经济、地理位置以及文化情况，根据合理的优化选址目标建立适应区域需求的设施选址模型。对于已经存在的物流节点应充分考虑，并且由于建立的是区域性的物流节点，因此每个物流节点应具备一定规模的物流作业量，以减少物流设施建设的基础投资。

（2）在物流信息网络规划阶段，应考虑不同节点间的信息流通，应该统一规范物流信息格式的标准化、物流信息传递的格式等技术指标，物流信息网络除了要包含各个物流节点外，还应涵盖供需点的供需情况以及供应运输服务的交通网络的信息情况。

（3）在交通网络规划阶段，应全面考虑不同运输方式的运输路径，对于不同运输路径的运能和通达能力应充分考虑，对于运输通道中不同的管理要求与限制条件应给予充分的重视。对于可行路径的搜索不仅要考虑已有的线路，在建和待建线路也应纳入参考的范围内，以保障物流网络的通达，实现运输费用最少。

物流需求多样性是区域内物流活动的不同主体、客体以及载体和对象的体现，对于区域内物流的供需关系、物流节点的设置、物流网络的配置应进行统一的规划。

3 物流需求多样性下运输供需分析

3.1 不同产业的物流需求分析

区域运输网络作为物流网络的重要组成部分，不但是实现区域物流需求的重要硬件设施，同时也是物流配送网络的基础。通过对区域内不同产业自身的运输需求特性以及不同运输方式特点的分析和研究，实现物流需求多样性下的区域运输网络的规划。不同的产业、不同特性的产品对于运输的要求也各有不同，而对于运输时间、运输成本、运输设备以及运输安全性的差别需求不仅是物流需求多样性的具体表现，同时还是运输方式选择、运输路线搜索的前提。

目前存在五种基本的运输方式：铁路运输、公路运输、航空运输、水路运输以及管道运输，这五种运输方式各具优劣，因此根据运输需求的具体情况选择不同的运输方式，将是构建合理运输网络的关键。

（1）农业产业运输需求。农业产品一般都具有易腐性的特点，因此相较于其他产业产品，农业产业产品对于运输的时间限制较强。同时由于农业产品是社会生产生活的基本保障，因此运输量较大，需求点的分布也较为广泛。一般来说，可以将农业产品划分为生鲜产品以及一般农业产品两大类。其中生鲜产品一般为蔬菜、水果、肉类等人们日常生活所必须的新鲜农产品，该类产品对于运输时间要求很强。而对于一般农业产品如大米、玉米等粮食产品，对运输时间要求则相对较低。因此在建立农业产业的运输网络时，应根据这两种情况进行分析。

（2）工业产业运输需求。从工业的分类来看，一般可以分为两大类，一类是以纺织、食品加工为代表的轻工业，另一类是以化工、冶金、电力等工业高度加工化为代表的重工业。不论对于哪一类工业产品，一般工业产品（如煤炭、矿石、布匹等）都具有大批量、对于运输时间与运输安全要求较低的特点。对于这一类工业产品的运输应遵照成本最低的原则进行规划。另外存在一种特殊的工业产品，即危险工业产品，其运输对于安全性要求较高，否则将会出现严重的社会问题，因此在考虑该类产品的运输网络规划时，对于运输方式以及运输线路的安全性具有较高的要求。

（3）商业运输需求。商业是连接产品供应商与各层次消费者的桥梁，是联通区域内部与外部的通道，因此商业运输除需要保证将产品运输到多个需求点外，还需要最大程度地降低运输期间的运作成本。

（4）高新技术产业运输需求。作为特殊的工业产业形式，高新技术产业产品具有高价值、高科技含量等特点，因此在高新科技产品运输的过程中，要减少产品的破损率，同时减少运输时间，从而实现高新科技产品安全高效的运转。相对于高新科技产品高额的造价成本而言，其运输成本的变化对于该类产品的影响相对较小。

3.2 运输供给分析

在运输方式供给方面，在目前的五种基本运输方式中，由于管道运输仅能够运输气体、液体等物体，所以一般适用于特殊行业的特殊产品（如天然气、石油、自来水等）的运输，对于一般的产品运输实用性不强。因此本文仅对其余四种运输方式的优缺点进行分析。

（1）铁路运输的主要优点在于具有较强的运输能力，运输成本较低，运输过程中受天气的影响程度较低，能够承担各种大宗货物长距离运输。与此相对应的是，铁路运输也具有灵活性差、受铁路线路限制的缺点，虽然铁路站点遍布全国大部分城市，但仍有部分城市无法直接使用铁路进行运输。且受铁路运输条件的限制，货物在运输过程中滞留时间较长，运输时间相对较长。

（2）公路运输的主要优点在于该运输方式形成的网络辐射面广，能够达到每个经济活动点，运输方式灵活多变，运输适应力强。但公路运输单次的运输能力较差，运输成本较高，运输安全受道路、驾驶员、天气情况的影响较大。因此公路运输较适合于中短途的货物运输以及其他运输方式无法触及的地区。

（3）航空运输的优点在于运输速度快、安全性能高，同时受地面地理环境的影响较低、运输破损率相对较低，具有良好的运输服务质量。而航空运输的不足在于运输成本高、一次性运输量较小、货物在体积与重量上受到较多限制，并且部分种类的产品无法通过航空进行运输。同时航空运输与铁路运输一样仅在部分城市设有节点，而且在运输过程中受自然气候的影响严重。因此航空运输一般出现在高价值且运费承担能力较强的产品运输过程中。

（4）水路运输的运输能力是四种运输方式中最大的，且运费低廉。但水路运输受自然环境、气候、季节以及港口地理位置的影响严重，且水路运输网络仅存在于沿海以及沿江、沿河的各个城市之间，运输时间长，安全性相对较低。所以水路运输一般适用于远距离、大批量且对时间无较强限制的运输。

4 物流需求多样性下各产业运输网络模型

4.1 农业产业物流需求下运输网络模型

农业产业的运输网络规划不仅包括运输路径的优化，同时还包括运输方式的选择。因此农业产业运输网络模型的建立也将随着农业产品对运输需求的不同而改变。

模型的建立是基于以下7个假设来实现的：（1）农业产品具有较强的运输时间限制；（2）仅在物流节点处可以进行运输方式的转换；（3）运输网络的成本由线路上的运输成本以及物流节点上的转换成本组成；（4）在一段线路上仅采用一种运输方式进行运输；（5）线路上的运输成本仅与该线路上承担的运输量相关；（6）两点间的运输量不进行分割；（7）产品的供应都由供应点经由物流节点向需求点进行供给[9-10]。

以G=(V,A) 表示一个运输网络，其中V 表示网络中的物流节点、供应点和需求点的集合，A表示连接这些节点的路段的集合。其中表示供应点i点到物流节点g第k种运输方式的成本；表示在物流节点g由运输方式k转为运输方式k'时的转运成本；qig表示供应点i 点到物流节点g 间的运输量；表示供应点i 点到物流节点g 第k 种运输方式所需耗费的时间；表示供应点i 点到物流节点g 间选择k 种运输方式；表示物流节点g 到需求点j 时采用第k'种运输方式的成本；qgj表示物流节点g 到需求点j 间的运输量；表示物流节点g 到需求点j采用第k'种运输方式所需耗费的时间；表示物流节点g到需求点j间选择k'种运输方式；Z表示完成运输成本。模型以运输成本最小作为目标函数，见式（1）。

式（1）表示从供应点i 向物流节点g 的运输成本加上物流节点g 向需求点j 的运输成本，以及在物流节点g 进行运输转换时的转运成本的总和。其中为0-1 变量，其具体定义见式（2）-式（4）：

根据生鲜农产品的运输需求特点以及7个假设，模型的约束条件如下：

式（5）表示所有供应产品都先集中到物流节点然后再进行进一步的分配；式（6）则表示供应量与需求量相同；式（7）表示对于从任意供应点出发经由任意物流节点g 到达任意需求点的总运输时间不应超过T。

依据不同运输方式的情况，从供应点经由物流节点向需求点进行运输的具体路径各有不同，而运输成本也将随着运输线路的不同而改变。式（1）中的可以由式（8）得到，其中为在k 种运输方式下从供应点i 到物流节点g 的最短路径，可以通过Dijkstra法获得；ck为k种运输方式的单位运输成本，同理可以获得的值。

当进行运输的农业产品为生鲜产品时，时间限制T值相对较小。

由于本文假设运输换装仅发生在物流节点处，所以对于运输网络能力限制，仅考虑不同运输方式在节点的能力限制。令分别表示供应点i上运输方式k的最大发送能力、物流节点g 上运输方式k 的最大接收能力、物流节点g上运输方式k'的最大发送能力以及需求点j上运输方式k'的最大接收能力。式（9）与式（10）表示任意一种运输方式的运输量都不超过运输中发送和接收能力。

该模型是一个非线性0-1 整数规划问题，可以通过Matlab、Lingo等软件实现模型的求解。模型中涉及到多种运输方式的运输成本、运输时间、运输损耗率等数据，则需要根据不同区域的具体运输方式的统计数据而定。

4.2 工业产业物流需求下运输网络模型

工业产业一般产品的运输网络模型主要需要考虑运输成本的大小，因此一般工业产品的运输模型目标函数参考式（1），约束条件则参考式（2）-式（6）。

工业产业的产品中除了一般性质的产品外，还包括了危险产品。对于危险产品的运输需要将运输与转运过程中的安全性能作为关键考量因素。基于以下7个假设来实现工业产业中危险产品运输模型的建立：（1）危险产品的运输安全性有较强的限制；（2）仅在物流节点处可以进行运输方式的转换；（3）运输网络的成本由线路上的运输成本以及物流节点上的转换成本组成；（4）在一段线路上仅采用一种运输方式进行运输；（5）线路上的运输成本仅与该线路上承担的运输量相关；（6）两点间的运输量不进行分割；（7）产品的供应都由供应点经由物流节点向需求点进行供给。

为由供应点i 到物流节点g 采用运输方式k 发生事故的概率；pkg'j为由物流节点g到需求点j采用运输方式k'发生事故的概率；pkgk'为在物流节点g 时由运输方式k 转为运输方式k’发生事故的概率。目标函数见式（11）。

r 见式（12），当从供应点i 经由物流节点g 到达需求点j 的事故发生概率超过参考值P时r等于1，否则等于0。而M则表示一个充分大数，式（11）可以理解为当事故发生概率达到值P时，将出现运输危险程度过高从而无法承担该项运输任务的情况。

其中不同运输方式在不同的路段发生事故的概率各不相同。其余约束条件参考式（2）-式（6）、式（10）-式（11）。

4.3 商业物流需求下运输网络模型

在物流需求多样性的前提条件下，商业产品也呈现出多种需求特征，由于本节对于商业产品的运输网络模型建设是以区域环境为背景，因此无法体现出商业产品门到门的特殊运输需求，模型仅实现区域内城市到城市之间的运输方式以及运输路线优化。对于一般的商业产品没有非常严格的时间、安全以及路径限制，这类商业产品的运输网络模型的建立基于4.1节中的式（2）-式（7）6条假设条件，而商业运输模型的目标函数参照式（1），约束条件则参照式（2）-式（6）、式（10）-式（11）。

对于商业产品中比较特别的需求产品，可以按照对于时间有特殊需求的运输模型，除了一般商业运输模型的约束条件外，还需要参考式（7）；对高价值产品的运输，其目标函数则要参考式（13）；对于安全有特殊需求的运输网络模型的建立，目标函数参考式（13），约束条件需要增加式（14）。

4.4 高新技术产业物流需求下运输网络模型

高新科技产品比一般工业产品具有更高的价值，对于运输的安全性要求也较高，但又与危险工业品对于运输安全的高要求有所不同，高新科技产品在运输过程中出现破损并不会如危险工业产品一样带来灾难性的破坏，而是在一定程度上增加其运输成本，同时高新技术产业运输模型的建立基于以上的假设。

高新科技产品运输模型的目标函数见式（13）。

其中，S（见式（14））表示从供应点到物流节点、物流节点到需求点以及物流节点转运时可能产生的最大破损值，B为高新技术产业产品破损常数。

约束条件参考式（2）-式（6）、式（10）-式（11）的同时，高新技术产业产品对于运输时间的限制虽不及农业产业中的生鲜产品，但也有一定的限制要求，因此约束条件需要参考式（7）。

5 算例研究

假设有如图2 所示的运输网络图，其中有供应点1，需求点7和8，节点4为物流节点，运输网络图中包含了两种运输方式。对于运输网络的研究，按照不同的产业进行分析，而后根据建立的不同产业的运输网络模型进行研究。

图2 运输网络图

供应点1 与需求点7、8 之间的供应和需求的产品以及数量见表1。

表1 供需点供需表

两种不同的运输方式的具体情况见表2。

运输方式1 供应点1 的供给能力为600，在物流节点4 的转运能力为500，需求点7 接受能力为300，需求点8 的接收能力为200。运输方式2在供应点1的供给能力为300，物流节点4 的转运能力为200，需求点7 的接收能力为100，需求点8 的接收能力为100。且物流节点4 中进行运输方式转换的成本为每单位1单位运输量·元，物流节点转换运输方式的事故率为0.01。

表2 两种运输方式能力表

运输两种产品时，根据运输条件限制的多少，首先对限制条件较多的产业产品进行优化分析。因此这里首先对于危险工业产品的运输方式和运输路径进行分析，参照危险工业产品建立的模型进行优化，在matlab2010a[11]的环境下进行计算，且运输危险限制P=0.06，则可以获得可行运输成本及事故率，见表3。

表3 危险产品可行路径表

因此危险工业产品的最优运输方式与运输路径如图3 所示，其总成本为9 800，运输到需求点7 的事故率为0.05；运输到需求点8的事故率为0.06。

图3 危险工业产品运输网络图

农业产品对于时间的限制为20，即T=20，则根据对于农业产品运输网络的描述，在matlab2010a的环境下进行计算，获得农业产品可行路径表，见表4。

表4 农业产品可行路径表

因此农业产品的最优运输方式与运输路径如图4所示，其总成本为26 660，运输到需求点7的时间为16；运输到需求点8的时间为20。

图4 农业产品运输网络图

6 小结

针对不同产业的物流需求特征对区域物流网络进行分析，并在该分析的基础上，针对不同物流需求对交通网络规划层次、原则以及目标进行了研究。物流系统规划中重要组成之一的交通网络规划的研究，需要依据不同的区域产业环境、物流需求情况以及区域内的现有交通情况展开，因此影响因素众多，本文仅针对区域物流需求对于交通网络的影响而探讨了区域交通网络规划的路径选择等内容。在未来的研究中，还需要对现有交通道路情况等多种因素进行综合考虑，对于交通网络的规划也不仅仅停留于既有道路的利用和选择上，在需求不断扩张的前提下，应考虑对于既有线路的改造和新线的建设等，才能体现区域交通网络规划的现实意义。

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