基于第四方物流的运输型物流枢纽整合优化

王英辉，吴济潇，赵书润，张庆红

（石家庄铁道大学 经济管理学院，河北 石家庄 050043)

0 引言

截至2021年底，国家发展和改革委员会已牵头布局建设了70个国家物流枢纽，通过物流枢纽对区域内交通网络、仓储设施、运力等物流资源整合规划，旨在重点整合优化存量物流设施，统筹补齐枢纽设施短板。随着市场需求的多元化，第三方物流整合模式难以满足多样化的运输需求，亟待互联互通的新模式以促进物流枢纽整合[1]。第四方物流是供应链的集成商，它能为供需双方和第三方物流提供集成化的物流服务，以帮助企业达到降低成本和整合资源的目的，并依靠优秀的第三方物流供应商、技术供应商、管理咨询及其他增值服务商，为各方提供物流规划、咨询、物流信息系统及供应链管理等活动[2]。各地方政府为发展第四方物流纷纷出台了相应的政策，力求发展物流平台经济，优化供应链管理，拓宽物流市场，促进产业转型升级。

学界对物流枢纽的研究多集中于枢纽布局与选址上。李国政[3]基于复杂系统理论和经济周期理论分析枢纽经济的演进过程和成长机理构建枢纽平台。Abdulkader等[4]通过第三方供应商将不同运到时限的货物进行整合运输，以提升资源利用率。Stefan等[5]通过构建枢纽模型提高了运输型物流枢纽的整合效益。在对第四方物流的研究中，Wu等[6]通过第四方物流优化大宗货物运输模式，实现了低碳减排的目标。吴文娟[7]利用第四方物流优化铁路服务，打造铁路第四方物流信息平台。基于此，在整合第四方物流的基础上，对比采用第四方物流前后运输成本的变化，以研究第四方物流对枢纽整合的优化作用。

1 物流枢纽整合发展现状

受信息化水平不高、现代物流管理理念不足等因素的限制，利用第三方物流进行枢纽整合时，各物流枢纽节点之间相对分散，管理集中度较低，手续繁琐，难以形成大规模的枢纽，为解决这些问题，第四方物流应运而生。第四方物流专注于全局物流业务的最优化，通过信息化技术对跨行业、跨地域的不同物流服务供应商进行集成调配，以实现整个供应链的全局最优。

物流枢纽是能集中实现货物集散、存储、分拨、转运等多种功能的物流设施群和物流活动组织中心，通常分为运输型物流枢纽和配送型物流枢纽2种类型[4]。由于运输型物流枢纽具有转运、暂时储存的功能，一般不承担长期储存的任务，故在设计时没有考虑仓储成本，力求更好地突出第四方物流的优化效益。基于第四方物流的运输型物流枢纽整合模式运作流程如图1所示。

如图1所示，在基于第四方物流的运输型物流枢纽整合模式中，托运人通过第四方物流发布订单，平台在统计详细的物流信息后制定运输方案，并通过招标的方式将信息下达给对应的枢纽节点和第三方物流承运商。物流枢纽能将不同起始地的货物进行整合，并按照时间、到达需求地的要求将打包后的货物分配给第三方物流承运商。第三方物流承运商在承接订单的同时需要满足相关的运到时限要求，对运输过程负责。当订单到达指定需求地后，由司机向平台进行反馈，经平台确认后任务结束，相关物流业务均通过第四方物流平台完成。各单位在接到相关的物流任务指令后应按照平台制定的运输方案进行准备，运输过程中各方能通过第四方物流平台实时交流，掌握订单进程。物流运输过程中如果出现损失或意外，均由第四方物流平台按照相关规则统一协调。

图1 基于第四方物流的运输型物流枢纽整合模式运作流程Fig.1 Operation process of integration model for transportation type logistics hubs based on fourth-party logistics

相较于传统的第三方物流运输而言，通过第四方物流进行枢纽整合运输具有以下优势：①提供先进的物流服务，实现第三方物流和第四方物流的合理分工。托运人可以通过第四方物流平台对货运流程进行实时查询，建立沟通渠道与承运商及时交流，解决第三方物流模式中存在的作业效率低下、沟通不当等问题。②搭建物流管理信息平台，实现第三方物流与第四方物流的共赢。通过第四方物流搜集车辆载货能力、发车时间、正点率、运输路线、货物交接情况等信息，并将这类信息进行整理共享，为托运人、承运商提供一体化、低成本的物流服务。③集成第三方物流供应商，为商业和制造企业提供全方位的供应链解决方案[8]。通过第四方物流加强各节点间的合作，及时匹配空闲车辆与待配送货物，缩短司机找货时间，降低车辆空驶率。

2 研究方法

在考虑各节点差异性和第四方物流特点的基础上，将运输网络分为从起始地到物流枢纽的整合前运输，以及从物流枢纽到需求地的整合后运输2部分，由起始地至枢纽节点部分的运输为整合前的第1部分运输，由枢纽节点运输至需求地部分的运输为整合后的第2部分运输。以总运输成本最小为目标设计运输网络，分析运输模式。

2.1 模型构建

在第四方物流整合运输网络中存在i个托运人(i= 1，2，…，I)，s个起始地(s= 1，2，…，S)与n个需求地(n= 1，2，…，N)。托运人运输的货物共有k类(k= 1，2，…，K)，运输网络中有j个枢纽节点（j= 1，2，…，J）。在第三方物流运输模式中，枢纽节点多位于货运吸引能力较强的中心城市，节点数量远小于托运人数量，从起始地至枢纽节点的第1部分运输中，需要将同一起始地的托运人进行整合，再对托运的货物按照运到时限、需求地进行分类，然后将货物运输至枢纽节点。当货物处于从枢纽节点运输至需求地的第2部分运输中，会根据托运人的运到时限要求t(t= 1，2，...，T)选择不同的第三方物流承运商l(l= 1，2，...，L)。基于第四方物流的运输型物流枢纽整合网络结构如图2所示。

图2 基于第四方物流的运输型物流枢纽整合网络结构Fig.2 Structure of integration network for transportation type logistics hubs based on fourth-party logistics

当托运人i向第四方物流平台提交订单时，第四方物流能将同一起始地的托运人整合至同一起始地s，并在起始地对托运货物分类，同类货物k可以合并至同车运输。

此时，由起始地至枢纽节点的整合前的第1部分运输成本为

式中：qijkltn为货运量，即运到时限要求为t的k类货物从托运人i经枢纽j整合转运后选择承运商l最终运往需求地n的货运量；C1为第1部分运输成本。

当多个货物被放在同一个车厢中时，可以认为它们成为一个单独的车辆单元[9]。计算运输成本时采用按车辆单元进行计价的方式，以更好地体现整合对节约成本起到的作用。

枢纽节点需要承担多个起始地中的多类货物的整合、转运业务。从起始地s发出的k类货物运输至枢纽节点j，经由枢纽节点按照运到时限要求将整合后的同类货物再次分配运输。针对货主对货物的运到时限要求，第四方物流在枢纽节点分类、整合时还需要考虑承运商的运输速度，然后安排合适的承运商将货物运至需求地。

此时，由枢纽节点运输至需求地的整合后的第2部分运输成本为

式中：C2为第2部分运输成本。

从托运人提交订单到货物运至指定需求地，整套流程都交由第四方物流全程负责，第四方物流整合运输网络的总成本由整合前的第1部分运输与整合后的第2部分运输两部分组成。

式中：bj,l为运至枢纽节点j并经由承运商l进行运输的载质量限制；ds为起始地s的货运量。

公式 ⑷ 是对托运人运输货物的非负约束；公式 ⑸ 是对第四方物流整合运输网络中运输能力的限制；公式 ⑹ 表示起始地s发出的货运量等于对应需求地收到的货运量。

假设模型中的成本函数是连续可微的，则当各方利益同时达到最优时，整个运输网络是均衡的，将均衡状态下的目标函数通过变分不等式和拉格朗日乘数表达后可得[10]

式中：为变分不等式均衡时的解；εj,l，λijkltn为拉格朗日乘子。

2.2 算法设计

采用欧拉算法求解变分不等式[11]，在迭代时为每个货运量和拉格朗日乘子生成特定的表达式。在第τ +1次迭代中，托运人i从起始地s运往需求地n的运到时限要求为t的，且经由枢纽j整合、转运后由承运商l运输的k类货物货运量具有以下表达式。

式中：ατ为迭代步长；e为精度。

根据枢纽j与第三方物流承运商l的载质量约束 ⑸，可以得到第τ +1次迭代中拉格朗日乘子的闭合表达式为

3 案例分析

在参考国家统计局数据的基础上，结合石家庄城市货运配送平台的相关数据，探究第四方物流进行枢纽整合运输的总运输成本与第三方物流运输的总运输成本，以验证第四方物流整合运输对降低成本的优化效益。

3.1 需求地相同的运输网络

3.1.1 第四方物流整合运输模式

假设运输网络中存在物流枢纽，托运人A，B，C通过承运商l1，l2，l3将货物运至同一需求地n1，其中托运人A，B货物运输的起始地相同。3位托运人向第四方物流组织提交订单，且托运人A，B的起始地与托运人C不同。托运人A运输的货物为面包，托运人B，C运输的货物为纯净水，3位托运人的货物可以同车运输。托运人A，C运输的货物要求在t1时间到达，托运人B则要求在t2内到达(t2＜t1)。t1时间窗下由承运商l1，l2承担运输任务，t2时间窗下由承运商l3承担。

3位托运人的货运量分别为i1= 100 t，i2= 80 t，i3= 100 t；为更贴合第四方物流组织的实际运输情况，本节的所有案例均采用整车计价的模式，每台车辆的载质量d= 250 t，令算法中所有的拉格朗日乘子都为1.00，精度为10-3，每段路径的成本函数为

式中：α和β为企业的运输成本需求参数。代入相关货运企业的数据后可得，第四方物流整合后需求地相同的运输网络总运输成本为16万元。

3.1.2 第三方物流运输模式

假设某一第三方物流运输网络中托运人A，B，C通过承运商l1，l2，l3，l4将货物运至同一需求地n1。各托运人的货物可以同车运输，托运人A运输的货物为面包，托运人B，C运输的货物为纯净水。托运人A选择承运商l1，l2运输，托运人B选择承运商l3运输，托运人C选择承运商l4运输。

为减少误差影响，使两个案例具有可比性，令需求地相同的第三方物流运输网络中托运人的货运量保持不变，即i1= 100 t，i2= 80 t，i3= 100 t，车辆的载质量d= 250 t，相关路径中的成本系数相同。算法中所有的拉格朗日乘子都为1.00，精度为10-3。代入参数计算后，需求地相同的第三方物流运输网络总运输成本为22.4万元。

对比需求地相同的第四方物流整合运输网络与需求地相同的第三方物流运输网络的计算结果可知：对于托运人A，B，C而言，在相同条件下，采用第四方物流整合运输时的总运输成本比采用第三方物流运输时的总运输成本降低了6.4万元，成本节约了28.6%。

3.2 需求地不同的运输网络

3.2.1 第四方物流整合运输模式

假设运输网络中存在物流枢纽，托运人A，B，C通过承运商l1，l2，l3，l4，l5将货物运至2个不同的需求地n1，n2，其中托运人A，B货物运输的起始地相同。托运人A运输的货物为面包，托运人B运输的货物为纯净水，托运人C的运输货物为玻璃，托运人A，B运输的货物可以同车运输，但托运人C运输的货物不能同车运输。托运人A，B来自于与托运人C不同的同一起始地。托运人A，B，C 的运到时限要求分别为t1，t2，t3(t3＜t2＜t1)，t1时间窗下存在承运商l1，l2承担运输任务，t2时间窗中只有承运商l3；t3时间窗中由承运商l4，l5承担运输任务。该需求地不同的第四方物流整合运输网络仅涉及一个枢纽整合转运，托运人A，B的货物运往同一个需求地n1，托运人C的货物运往需求地n2。

3位托运人的货运量分别为i1= 350 t，i2= 100 t，i3= 200 t，车辆的载质量d= 250 t，算法中所有的拉格朗日乘子都为1.00，精度为10-3。代入参数计算可得，第四方物流整合后需求地不同的运输网络总运输成本为25.9万元。

3.2.2 第三方物流运输模式

假设某一第三方物流运输网络中托运人A，B，C通过承运商l1，l2，l3，l4，l5将货物运至2个不同的需求地n1，n2。托运人A运输的货物为面包，托运人B运输的货物为纯净水，托运人C的运输货物为玻璃。托运人A可选择承运商l1，l2进行运输，托运人B可选择承运商l3，托运人C可选择承运商l4，l5。

为减少误差影响，使2个案例具有可比性，令需求地不同的第三方物流运输网络中托运人的货运量保持不变，即i1= 350 t，i2= 100 t，i3= 200 t，车辆的载质量d= 250 t，且相关路径中的成本系数相同。算法中所有的拉格朗日乘子都为1.00，精度为10-3。代入参数计算后，需求地不同的第三方物流运输网络总运输成本为28万元。

对比需求地不同的第四方物流整合运输网络与需求地不同的第三方物流运输网络的计算结果可知：对于托运人A，B，C而言，在相同条件下，采用第四方物流整合运输时的总运输成本比采用第三方物流运输时的总运输成本降低了2.1万元，成本节约了7.5%。

3.3 灵敏度分析

以3.1中需求地相同的运输网络为例，改变3位托运人的货运量进行灵敏度分析。成本函数依据公式 ⑽，不同货运量下的成本比较如表1所示。

表1 不同货运量下的运输成本比较Ta.1 Transportation cost comparison under different freight volumes

在3个托运人的总货运量固定为1 190 t的情况下，改变各个托运人的货运量，分析数据变化后的结果，对比整合前后的总成本，可以发现在大多数方案中整合前后的运输成本差值为正，如在方案1中整合托运人A，B与B，C，使得成本节约了6.4万元；方案3整合托运人A，B，使得成本节约了5.2万元；方案7整合托运人B，C，使得成本节约了6万元；方案10整合托运人B，C，使得成本节约了8.35万元，这些方案表明此时通过第四方物流整合后的运输成本比未整合前的运输成本更低。但并不是每个运输网络都适宜用第四方物流推进枢纽整合，以方案8为例，在3位托运人总货运量不变的情况下，尽管方案8整合了托运人B，C，但此时整合后的成本(40万元)大于未整合时的成本(31.9万元)，通过第四方物流进行枢纽整合反而增加了运输成本。这是由于此时托运人B的货物过多，需要3辆车进行配送，但第3辆车空载率较高从而产生的边际成本较高。

综合分析可知：①在其他运输条件都相同的情况下，通过第四方物流整合后的运输成本比第三方物流运输的运输成本要低。如在需求地相同的运输网络中，若3个托运人需求地相同时，可以将货物通过同车运输至同一需求地。而在需求地不同的运输网络中3个托运人运输的货物并不都能同车运输且需求地与运到时限要求不同，各运输路线之间的联系没那么紧密，此时仅存在较少的整合路径。②使用第四方物流需要一定的适用条件。当运输网络中车辆的空载率过高时，使用第四方物流整合会导致运输成本的增加。

4 结束语

通过第四方物流将产品种类、起始地、需求地、运到时限要求、运输路线、第三方物流承运商选择等因素考虑到枢纽整合中，构建第四方物流与运输型物流枢纽整合模型，把变分不等式与拉格朗日乘子结合到模型中，并通过案例分析比较了第四方物流整合运输网络与第三方物流运输网络的成本优劣，为第四方物流的规模化运营提出建议。相较于其他研究而言，着重考虑了从起始地运往枢纽节点这一部分的运输过程，并设计了一个整合运输框架，将基于第四方物流的枢纽整合运输与第三方物流运输进行对比，论证了第四方物流在整合运输中的优化作用。下一步可以将运输时间作为变量加入到模型中，或是结合实际案例进行分析。