北京城市副中心公路货运服务网点布局规划研究

王成林，屈晓芒，皇甫宜龙，孙秀荣

(北京物资学院 物流学院，北京 101149)

一、引 言

北京城市副中心的建设是为调整北京空间格局、治理大城市病、拓展发展新空间，也是推动京津冀协同发展、探索人口经济密集地区优化开发模式的需要。2017年2月，习近平总书记考察北京城市副中心时指出，“站在当前这个时间节点建设北京城市副中心，要有21世纪的眼光。规划、建设、管理都要坚持高起点、高标准、高水平，落实世界眼光、国际标准、中国特色、高点定位的要求。不但要搞好总体规划，还要加强主要功能区块、主要景观、主要建筑物的设计，体现城市精神、展现城市特色、提升城市魅力。”城市副中心的建设涉及到城市服务的各个方面，是一个复杂的系统工程。

目前，国内外学者围绕城市副中心的研究重点集中在城市空间布局[1]、战略发展定位[2]、产业发展配套、人口控制策略[3]等方面，相对城市副中心的快速发展需要而言研究成果还有待拓展。国外对城市副中心的研究开始于 20 世纪 70 年代，主要集中于城市副中心 (Sub-CBD) 的形成机制及其与核心 CBD 的功能分工等方面[4]。Brasington[5]提出了城市区域的空间增长理论模型，提出了城市副中心的形成动力机制，认为副中心的形成是市场经济内生的结果。Sorensen[6]分析了全球化背景下，东京在建设世界城市过程中政府政策的引导作用，以及在产业协同方面副中心的功能。Wendland[7]以柏林为例，分析了城市副中心的历史演变过程，详细论述了交通等基础设施对城市的网络布局特别是副中心发展的作用机理。Fielbaum等[8]提出了一种面向城市运输系统规范化设计的参数描述方法，针对交通系统底层网络拓扑形式、区域与交通需求关系等关键问题进行了研究，并提出了城市单中心、多中心等多种空间布局形式的交通需求描述和设计方法。同时，针对洛杉矶等城市进行了实证研究，提出解决交通运输问题的优化策略。国内对城市副中心的研究主要集中在从管理机制、城市功能、产业空间优化、交通网络建设和基础服务设施完善角度进行分析，但以提供建议为主，缺少理论指导下的实际效应分析[9]。张鹏飞等[9]运用地理集中度、不一致指数、空间相关性指数和分形理论等方法探究北京城市副中心的建设效应。刘吉光等[10]以北京市城市副中心发展建设为依托，系统梳理城市交通管理再发展过程中存在的问题及解决对策，重点说明闭环交通管理模式、绿色交通发展理念、交通一体化发展等核心手段。王琳[11]提出，可以通过合理的城市轨道交通线网布设来引导城市由单中心向多中心的转变，以实现城市可持续发展。在城市货运研究方面，国内外学者的研究重点不同，我国的货物运输主要立足于城市发展建设，更多的考虑供给方或者需求方的利益，探索城市货运交通的最优模式，改善货运发展现状,而从系统的角度综合研究城市货运相对较少。方利君[12]主要从适用范围、通道形式、通行能力、经济可行性、承载工具能耗等五个方面对城市货运交通组织存在的3种模式(地下物流、城市快速货运通道、配送物流)进行分析，为城市货运交通组织模式的选取提供参考。邵玉华，贾玉卫[13]针对目前物流网点整体偏少并且布局不合理的问题，以货物运输时效性和经济成本最小化为目标，构建基于改进后P-中值选址模型，在标准粒子群算法的基础上采用CUDA并行编程模型求解以提高计算速度，最后进行某区域物流网点的选址实例研究，验证算法的可行性。

综上所述，国内外有关城市副中心建设方面的研究还有待提升，特别是在北京城市副中心建设新的战略定位大背景下，符合特大型城市副中心的货运网络建设发展研究特别少；同时，可供借鉴的城市货运体系领域的系统性研究还相对匮乏。目前，研究重点多是以某一专业领域或某一企业作为研究对象进行配送模式方面的优化，并重点进行利益博弈分配研究，缺乏对体系的系统性分析。另外，目前货运服务网络设施布局研究在网点位置选取研究方面重点在于分析各个设施间的相互影响作用，优化目标局限在覆盖范围、建设成本等单一目标，多优化目标有机结合的“组合式”决策模型研究较少，设施选址模型研究与客观实际情况偏离较远，理论研究与实际应用契合度低，缺乏一定的实际应用价值。本文以城市副中心战略发展目标为基础，从系统的角度确定本区域公路货运服务网点布局体系，科学预测货运需求，提出公路货运网点新的构建模式，并进行科学选址，为城市副中心公路货运发展提供一种新思路。

二、城市副中心公路货运发展现状及问题分析

北京城市副中心规划范围即原通州新城规划建设区，面积155平方公里，外围控制区即通州区全区906平方公里，通州区与北京城市副中心一体化建设发展，与河北省廊坊北三县地区协同发展，进而辐射带动京津冀地区协同发展。

(一)公路货运发展现状分析

1．区域道路系统建设分析

城市副中心内部道路系统主要呈方格网状布局，主要由主干路、次干路和支路组成。规划道路总长度约为734.5公里，其中，主干路228.8公里，次干路232.7公里，支路274.3公里，主干路、次干路、支路之间的长度比例为1∶1.02∶1.2。道路网密度为5.55公里/平方公里，其中，干路网密度为3.48公里/平方公里，支路网密度为2.07公里/平方公里。

图1 城市副中心道路系统

截至2017年年底，城市副中心及外围控制区累计实施70余条重点道路建设和30余处道路微循环改造，公路里程达2 403公里，如图1所示。城市副中心与中心城区、顺义、亦庄新城、首都机场以及廊坊北三县形成较为完备的交通网络，京哈高速公路、东六环路、东部发展带联络线等形成了运输通道骨干网络。目前，城市副中心外围控制区主要的货运流向以东南方向进京为主，是北京市重要的物流保障基地。

2．货运相关产业情况分析

城市副中心及外围控制区内交通运输、仓储和邮政业地区年生产总值逐年增加， 2017年达到110 319万元，较2012年增加了69.72%，年均增长幅度达11.99%。其中，交通运输、仓储和邮政业地区年生产总值占通州区第三产业地区生产总值的2.89%，占全区地区生产总值的1.46%。区内取得道路运输经营许可的物流企业分布情况如图2所示。

图2 区内道路运输经营许可物流企业分布图

作为城市副中心及外围控制区公路货运企业的主要服务对象，通州区内工业、现代服务业等近年来都有较快的发展。2017年，通州区工业总产值达6 411 844万元，规模以上工业企业374家，工业企业隶属行业主要有汽车制造业、专用设备制造业、医药制造业、农副食品加工业等，生产产品对物流服务需要较多。区内社会消费品零售总额419.13亿元，批发业和零售业地区生产总值达392亿元。其中，限额以上批发企业150家，零售企业63家，连锁经营门店共348个，商品交易市场43个，消费增速始终居于北京市前列。

3．货物运载工具分析

通州区建设城市副中心以来，为实现绿色化、高端化和集约化的物流发展目标，区内货运车辆整体减少，2017年年底，通州区货运汽车拥有量为27 059辆，其中，普通车辆26 264辆，危险化学品车辆795辆。区内货运车辆较2012年减少了9.8%，但单车年货运量增长了61.49%，显著提高了车辆运载率。6年内货运周转量呈起伏变化状态，但总体趋势保持上升。

(二)公路货运问题分析

1.区域货运功能定位发生转变

根据《北京城市总体规划(2016年—2035年)》发展要求，城市副中心未来将重点围绕行政办公、商务服务和文化旅游三大功能定位展开，强化城市职能，加快产业优化升级。在此背景下，区内货运行业功能定位也随之发生改变，将逐步由物流集散城市转变成消费型、文化型和旅游型城市，区域货运的主要功能将是保障内需，改善民生，提升生活性服务业品质。

2.区域货运管理水平有待提升

货运企业经营分散，缺乏分工协作，组织化、集约化程度低；货运车辆满载率低，影响货物运输效率，并间接增加交通管理难度；货运车辆临时停靠占用公共空间，快件货车在道路两侧临时开展装卸、集货等作业，在区内造成了一定程度的交通拥堵，成为影响居民生活，造成城市管理隐患的突出问题。同时，货运车辆尾气排放污染问题非常严峻，是城市副中心绿色化建设急需解决的问题。

3.区内货运体系建设不完善

目前，通州区货运体系建设不完善，还难以满足城市副中心的功能定位。一是综合性货运枢纽建设还未实现，公路货运节点少且功能不完善；二是规模化、网络化经营的公路货运体系尚未形成，与之相配套的相关业务的服务质量还有待提高。三是综合货运组织指挥系统和信息化、网络化信息共享平台尚未形成。

三、基于主成分分析-BP神经网络集成的公路货运需求量预测研究

城市副中心未来将以行政办公、商务服务和文化旅游为主导功能产业，因此，区域内货运需求主体可以分为民生保障类、商务服务类和高端商贸类等。通过广泛查阅相关文献和专家咨询[14]，从产业、经济、消费、人口、道路等方面分析了通州区公路货运需求影响因素，列举出13个影响因素指标，进而预测通州区和城市副中心未来几年的公路货运需求量，并按照统计比例计算城市副中心内公路货运需求量，见表1。

表1 通州区公路货运需求影响因素分析表

通过比较不同的需求预测模型[15]，综合得出BP神经网络由于拥有较强的非线性映射能力、高度自学习和自适应的能力以及一定的容错能力等优点，可以较好地满足研究需要。如果直接利用原始统计指标进行BP神经网络的运算，数据的繁杂性以及各个指标之间的强相关性会使神经网络的拓扑结构异常复杂，增加网络训练的负担，降低训练效率[16]。因此，采用主成分分析-BP神经网络组合预测模型进行城市副中心公路货运需求量预测。

(一)数据主成分分析

通过查阅通州区统计年鉴、北京市邮政行业发展统计公报等资料，分析各个影响因素指标，得出通州区公路货运需求预测指标原始数据见表2。

表2 公路货运需求预测指标原始数据表

续表2

数据来源：通州区统计年鉴、北京市邮政管理局等。

注：Y是通州区公路货运量(万吨)，指一定时期内由各种公路运输工具实际运送到目的地并卸完的货物数量。

针对原始数据进行相关性分析，影响因素力13与其他量化指标间相关系数普遍较低，最小的相关性仅为0.436，相关性较弱；公路里程的长短主要关系到公路货运的时效性和便捷性，对货运需求量的变化影响不是很大，所以，综合考虑剔除“通州区公里里程”这一影响因素。然后，判断样本数据是否适合进行主成分分析。通过KMO 和 Bartlett球形度检验，KMO值为0.703，Bartlett球形度检验Sig=0.000，小于0.01，表明原变量之间存在相关关系，适合做因子分析。最后，计算主成分得分系数矩阵，列出线性函数组合方程组，并计算主成分得分矩阵见表3。

表3 主成分得分矩阵

(二)BP神经网络模型预测

图3主成分分析-BP神经网络预测模型图

表4 网络结构参数表

经过神经网络的多次训练，预测出2005—2017年公路货运量值，并与其实际货运量进行误差分析对比。对比发现，运用主成分分析-BP神经网络组合模型预测货运量时，平均绝对误差是1.812，平均相对误差是0.096%，训练精度优于标准BP神经网络预测值(平均绝对误差是23.490，平均相对误差是1.664%)。选用预测精度更高的主成分分析-BP神经网络组合模型对通州区2018—2025年的公路货运量进行预测，预测结果如图4所示。

图4 公路货运量实际值和预测值对比分析图

预测结果显示，未来 8年内，通州区公路货运需求总量基本保持稳定。 2018—2020年公路货运需求量略有下降，其主要是因为通州区近几年正在大力疏解不符合首都功能发展定位的产业，造成短期内货运企业减少和需求下降。但是，未来通州区将形成以行政办公、高端商务、文化旅游和高新技术为主导产业的发展格局，2020—2025年期间，通州区将逐渐承接中心城区40万人口疏解任务，区内公路货运需求量将逐渐回升。随着区域功能定位的转变和产业结构的调整，公路货运将从以往提供区域性物流服务逐渐过渡到保障首都民生或高端产业发展的物流服务；运输企业将调整业务结构，重点发展配送服务，适当减少干线业务拓展；需求客户将逐渐减少生产性运输需求，增加生活性和服务性产品运输需求。

分析目前城市副中心及外围控制区的产业、人口等关键要素，目前，通州区全区公路货运需求量的55%左右用于重点保障城市副中心内部的供应。因此，我们用通州区全区公路货运需求量的55%来代表城市副中心的公路货运需求量，结果见表5。

表5 城市副中心公路货运需求量预测结果 单位：万吨

四、城市副中心公路货运服务网点设计

根据北京市物流发展规划要求，未来将建设物流节点网络体系，形成“大型综合物流园区(物流基地)+公共配送中心+末端网点”的扁平化物流网络体系，其中，末端网点也将发展为末端配送场地和末端营业网点等多种形式。

(一)三级公路货运服务网络设计

基于该设计思想，提出城市副中心构建三级公路货运服务网络布局体系，即在城市副中心外围建立一级城市分拨中心，实现货物的统一集散、存储，可以在通州区马驹桥物流基地以及周边廊坊、北三县地区、天津武清等布局设置；北京城市副中心未来将围绕行政办公、商务服务和文化旅游三大功能定位进行发展，因此，在功能聚集区需要配置集中式的物流运作保障资源，因此，在城市副中心周边地区建立若干个二级城市转运中心，进行货物分装和配送，重点集中在主功能区附近；在城市副中心内部社区聚集地建立若干个三级末端货运服务网点，重点满足社区等物流服务需要，具体布局如图5所示。

图5 城市副中心公路货运服务网点分布示意图

图5中，1A代表顺义区空港物流基地+天竺综合保税区、1B代表通州区马驹桥物流基地、1C代表平谷马坊物流基地、1D代表大兴京南物流基地、1E代表大兴国际机场空港物流中心、1F代表廊坊市香河县—中国京津冀汽车零部件物流交易中心、1G代表天津市武清—环渤海农产品交易物流中心，都是典型的一级城市分拨中心所在地。根据规划，二级配送中心分别位于运河商务核心区(2A)、行政办公区(2B)、环球主题公园(2C)等三个重点功能区附近。同时，为满足整个区域的物流要求将在城市副中心区域东北和东南方位设置两个二级公共配送中心(2D、2E)，共计划设计5个二级城市转运中心。未来货物一般将先在一级城市分拨中心进行集散，然后，根据客户的需要组织城市配送工作。三级末端货运服务网点主要承担“最后1公里”的角色，负责末端需求客户综合业务服务。

(二)三级末端货运服务网点布局设计

三级末端货运服务网点，主要是针对社区居民日常生活消费所需货运需求，其主要作业活动包括集货、理货、配送、拣选和自提等。根据末端配送网点的运营特性及服务功能，对网点功能区域进行相应的设计划分，主要分为货运港湾区、货运停车场、快递作业区、货物自提区和小型前置仓区5个区域，功能区示意图如图6所示。

图6 三级末端货运服务网点内部布局规划示意图

三级末端货运服务网点应具有良好的交通运输条件，尽量靠近商业区、超市、居民社区、学校等需求集中的区域，满足1公里生活服务圈的要求；网点周边货运设施应建设齐全，规划货车停车专用车位，配置通用的装卸货设备和电动车充电设备等，并预留未来货运新技术发展空间；网点建设应根据周边需求特点，设置略有差异化的功能区域，满足不同人群的差异化需求。

五、三级末端货运服务网点的选址及实证分析

目前，城市副中心的一级城市分拨中心和二级城市转运中心根据北京市和城市副中心的战略发展规划及区位发展特点已经初步确定具体位置，明确了服务功能，但三级末端货运服务网点的选址问题尚未解决，本文选取双层规划选址模型进行布局规划研究。

(一)双层规划选址模型的构建

通过分析网点间的车辆配送路径、运输配送效率、需求客户服务满意度和个性化选择等因素，考虑到车辆配送路径规划属于车辆配送方案最优化问题，直接影响到的货物运输的成本，故将车辆配送方案最优化(综合成本最小化)作为双层规划模型的上层规划目标。而下层规划目标则考虑公路货运网点的运输配送效率最高，以及给需求客户带来的物流体验、配送服务等服务满意度最大化等因素，即将货运网点的运输配送距离最短化作为双层规划模型的下层规划目标。

1.假设条件

为了方便模型构建，结合城市副中心公路货运发展现状，现设定以下约束条件：各级公路货运网点建设成本、运营成本等成本已知；网点可以满足客户对货物品种、数量和质量等的需求；各配送路径单次货物运输量不超过车辆的载重量和容积；各网点车辆服务范围限定在网点所在的货运需求区域内。

2.符号说明

xi：0，1变量，表示是否选择i为网点，是为1，否则为0；

vk：0，1变量，表示车辆k的工作/空闲状态，工作为1，空闲为0；

yij：0，1变量，表示网点i是否为客户j服务，是为1，否为0；

uik：0，1变量，表示网点i由车辆k进行配送，是为1，否为0；

Cix：网点i的建设总成本(广义)函数；

Cijq：客户j的货运需求由网点i满足时的费用(广义)函数；

Ciku：车辆k拉货到网点i的费用(广义)函数；

O：配送车辆的运营成本；

P：货运网点预期总投入成本；

Q：车辆k的装载能力；

qj：客户j的日均货运需求量；

qij：客户j的货运需求由网点i满足的需求量；

ε1：网点上门取货(或送货上门)时考虑的运输配送效率权重；

ε2：客户自行送货(或上门自提)时考虑距离长短的服务满意度权重；

dij：网点i到客户j的距离；

αi：网点i到客户j的货运量中，客户自行送货(或上门自提)的比例；

1-αi：网点i到客户j的货运量中，网点上门拉货(或送货上门)的比例；

3.模型构建

假设有I个货运网点(i={1,2，…,m})，J个客户需求点(j={1,2，…,n})，K个配送车辆(k={1,2，…,p})，则城市副中心公路货运网点选址模型具体如下：

上层模型U：

(1)

约束条件：

s.t. minU≤P

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

∀i∈I,∀j∈J,∀k∈K

(7)

xi∈0,1，vk∈0,1，yij∈0,1，uik∈0,1

(8)

下层模型L：

(9)

约束条件：

s.t.yij≤xi

(10)

dij≤Lmax

(11)

(12)

∀i∈I,∀j∈J

(13)

xi∈0,1，yij∈0,1

(14)

(二)基于双层规划的网点选址实证

1.货运需求点识别

通过对北京城市副中心区域内的北苑街道进行实地调研，识别出居民社区、商业中心、教育院校等各类货运需求点23个。其中，北苑街道社区数量17个，在计算各个社区的货运需求量时，将根据第三章的城市副中心公路货运需求总量，按人口比例计算出该街道人均货运需求量，进而计算出各社区的日均货运需求量；北苑街道还存在2大商业中心和4大教育院校，通过走访调研，统计出各货运需求点日均货运需求量，见表6。

另外，需求客户选择送货上门与自行取货的比例见表7。若用α表示送货上门比例，则1-α表示客户自行取货的比例。

2.货运备选点初选及距离测定

首先，将23个货运需求点在地图中进行标注；然后，利用聚类法将该街道的 17 个社区、2个商业中心和4所教育院校划分为 6个区域，并确定各区域的重心位置，对6个重心位置进行实地考察并作为初始备选点；最后，在百度地图中测算出各备选点到各需求点的路径距离，如图7所示。

图7 货运需求点及备选点分布示意图

3.遗传算法求解

表6 各货运需求点货运需求情况统计表

表7 各物流需求点客户选择送货上门或自行取货的比例

图8 遗传算法操作流程图

为了方便模型计算求解，假设城市副中心北苑街道末端公路货运服务网点投资预算为150万。设ω1等于0.5，ω2等于0.5，用遗传算法求解结果如图9所示。当进化迭代100次左右之后，寻找到最优解，迭代曲线不再发生变化，说明全局收敛，迭代曲线结果如图9所示。

图9 遗传算法迭代收敛结果

根据遗传算法求解结果，最终选取5个备选点，其中，备选点1服务于需求点8、9、17；备选点2服务于需求点2、4、15；备选点3服务于需求点1、7、12、14、18、19；备选点5服务于需求点5、6、10、11、16、20、22、23；备选点6服务于需求点3、13、21，见表8。

表8 公路货运网点选址结果

六、结论及启示

(一)主要研究结论

本文深入分析了北京城市副中心公路货运发展现状和问题，采用主成分分析—BP神经网络集成的方法预测城市副中心公路货运需求量，构建了适合城市副中心发展的三级公路货运服务网络布局体系，基于车辆配送方案和客户个性化选择的双层规划模型对三级末端货运服务网点选取进行选址决策分析，结果表明：

1．新型特大城市的城市副中心建设对于货运服务提出新的需求，基于主成分分析-BP神经网络集成的公路货运需求量预测表明，北京城市副中心未来公路货运需求总量基本保持稳定，主要是由产业的转型升级调整等原因导致，公路货运需求会发展结构性变化。

2．未来城市副中心将构建分层次的扁平化物流网络体系，即包括一级城市分拨中心、二级城市转运中心和三级末端货运服务网点，三级末端货运服务网点将重点面向社区等内生需求，形成具有多种物流作业功能的综合型基础节点。

3．综合考虑区域功能需要，可以将车辆配送方案最优化作为双层规划模型的上层规划目标，将货运网点的运输配送距离最短作为双层规划模型的下层规划目标，基于双层规划选址模型可以很好地平衡各种因素的影响，具有良好的可实施性。

(二)启示

1．应加强顶层规划设计。为了促进城市副中心公路货运服务网点布局规划实施，应重视依托新的城市副中心发展和管理理念，进一步加强顶层优化规划设计，要以新版北京物流专项规划为指导，进一步优化区域物流资源配置，需要在更大空间尺度上规划物流基础设施资源，体现集约型、高效型和网络化的规划理念，形成新的货运产业格局。

2．应强化重点功能区专项规划设计。未来城市副中心功能区域集中，物流需求局部集聚特征突出，应创新性地解决行政办公区、运河商务核心区和文化旅游区等关键区域货运保障问题。

3．应加快物流新技术的应用示范。目前，以智慧物流技术应用为特征的现代物流体系不断形成，应注重新技术与新模式的良性发展互动，提升区域货运服务能力。例如，发挥运河商务核心区地下空间优势，优化物流基础设施利用方式，提出新的立体式物流技术整体解决方案。同时，根据绿色货运的政策要求，推进新能源配送车辆选型工程的发展，发展绿色物流技术，降低碳排放。