基于物流公司的城市配送共享托盤調運

課 題 組

（1.上海海事大學物流研究中心，上海市201306；2.上海第二工業大學經濟管理學院，上海市201209）

一、引言

我國物流行業發展迅速，現已成為保障和改善民生的重要領域。城市配送是物流配送的重要環節，在整個物流行業占據突出地位。數據顯示，城市配送在成本和時間上的花費占整個物流作業的33%以上[1]，與城際配送之間的比重差距甚大，表明現有的城市配送方式已無法滿足市場需求，高效的城市配送成為行業發展趨勢。為提高配送效率和降低物流成本，在物流行業投入大量托盤后，裝卸效率得到顯著提高，還促進了包裝的標準化和模塊化，加速了產品的流通，使公司產品在市場上更具競爭力，促使“帶托運輸”成為城市配送的高效運作方式之一。截至2017年底，全球托盤保有量超過51億片，我國托盤保有量達12億～13億片，其中，物流公司自有托盤占我國托盤總量的98%，有50%以上還沒有真正循環起來，而共享托盤僅占2%[2]。數據表明，我國托盤行業與發達國家相比起步較晚，目前還處于初級發展階段，物流公司自有托盤仍占據主要地位，托盤有效利用率和共享率較低，且極大地增加了社會物流費用。商務部數據顯示，若建成全國性共享托盤系統，物流費用可降低5 000億元[2]，我國托盤市場前景廣闊。如何通過共享調運物流公司自有托盤資源，對城市配送乃至物流業至關重要。以“互聯網”為媒介的共享經濟不斷發展，物流公司大量托盤實現共享成為可能。目前，共享托盤運營有三種情況：一是托盤自用，物流公司按照需求高峰購買大量托盤備用，低峰時造成大批量閑置，浪費資源；二是運營中心引導的托盤共享，物流公司隨用隨租，但是托盤需求點多，需求行業復雜，并且忽略了物流公司自身現有的托盤資源，所形成的托盤共享不成規模；三是物流公司引導的托盤共享，物流公司之間隨用隨調，將自有資源與社會共享托盤整合，能夠更好地與我國托盤發展狀況相結合，使托盤資源實現循環利用最大化。目前，我國托盤規格不一，嚴重阻礙了托盤共享進程。數據顯示，我國標準托盤占比僅27%[2]，這使企業在交易中存在很多麻煩，在裝卸、運輸、車輛選擇上存在很大困難，同時增加了貨物的損壞程度。2017年底商務部聯合九部委下發的968號文件，大力推廣標準化托盤。在國家和整個物流行業鼓勵下，通過共享調運98%物流公司自有托盤，從根本上推廣托盤標準化建設。針對物流公司大量托盤資源，考慮以物流公司引導托盤共享調運，實現托盤資源的開放利用和社會物流資源的循環開發，達到城市配送高效率低成本的發展目標，對推動共享物流變革有重要研究意義。

二、文獻綜述

“帶托運輸”發展迅速，城市配送中對托盤需求數量龐大。目前，國內外關于城市配送的研究主要集中在車輛路徑優化、配送流程優化、配送中心選址、城市配送網絡設計等方面，但隨著托盤在城市配送中降低物流成本、提高物流效率方面作用逐漸增強，近年來針對托盤的專項研究越來越多。托盤的出現可以追溯到20世紀30年代，它首先作為一種附屬裝卸搬運工具出現，后來使用范圍從裝卸作業發展到儲存作業，大幅度提高了貨物出入庫效率。為了消除轉載時碼盤拆盤的冗雜勞動，托盤在20世紀40年代開始流通于各個行業。靳偉認為，單元化物流是將物流效率提升、物流成本降低到極致的基礎[3]；安裕強等[4]認為，托盤在供應鏈生產、運輸、倉儲、配送等環節發揮著串聯貫通物流各環節作業的關鍵作用；李太平[5]認為，托盤在國際貿易中可以降低雙方貿易成本，加強雙方貿易關系，肯定了托盤的經濟貿易價值。市場對托盤的價值認知逐漸覺醒，“帶托運輸”必定成為物流業新趨勢。

共享托盤成為未來中國物流發展趨勢。劉小偉等[6]分析美國、歐洲等國外托盤發展狀況，構建了適應我國國情的鐵路托盤共用模式；吳清一[7-8]認為，托盤共用系統具有重大社會價值和長期穩定的經濟效益，我國必須加快建立托盤共用系統；王世鵬、顧學明[9]認為建立托盤循環系統是物流行業降本增效的有效途徑；李（LI）[10]預測了2016年至2020年貨物運輸的托盤需求總量和托盤共用系統下托盤的需求量，認為托盤共用系統可以提高物流運行效率，節省物流作業成本。張義龍[11]系統闡述了托盤共用系統對國家以及各個物流參與者的顯著益處。賴郁塵[12]認為在托盤共用系統的建立中，第三方物流企業起著至關重要的作用。構建托盤共享系統是物流行業的重要發展方向，對顛覆傳統物流運作方式具有重要意義。

托盤共享化建設首先要從托盤的標準化做起，雷寧[13]認為托盤規格不統一會使物流作業中產生多次拆盤碼盤，導致物流效率低下，貨損率上升。張廣敬[14]論述了當前托盤循環共用體系標準化建設的限制，指出托盤標準化運營模式直接影響了物流運輸的成本與物流的工作效率。鐘旺[15]認為托盤共享要依靠規模效益，多型號的托盤阻礙了托盤共享的發展。李太平[16-20]基于托盤標準現狀、商品進出口、選用國際標準數量以及貨運汽車載盤、貨運列車載盤、托盤載貨效率等不同角度考慮，認為我國應將1 200 mm×1 000 mm托盤國際標準作為我國托盤的國家標準。國家與物流行業大力推廣標準化托盤，為托盤共享發展奠定了重要基礎。

國內外對于托盤的研究主要集中在制造和調運方面。布林德利（Brindley）[21]通過調研發現，調運是所有托盤企業都未解決的難題。由于托盤調運是調運理論的新應用領域，因此托盤調運方面的研究相對較少，但是調運理論已經在生產、集裝箱、機器排程等領域廣泛應用。楊洋[22]基于班輪公司研究集裝箱共享調運問題，綜合考慮調運成本主要影響因素，將調運模型進行了優化。王錚等[23]針對碼頭每日裝運計劃和動態新任務，建立共享式集卡動態調運模型，這一系列成果為托盤調運研究提供了思路。借鑒其他領域的調運理論，國內外學者從不同視角對托盤調運進行研究：任和章（Ren&Zhang）[24-26]從托盤分派、回收的視角研究了托盤共用系統的托盤調運問題，基于托盤運營公司的角度，構建了整數規劃模型和隨機規劃模型，將托盤分派細分為分派與再分派兩個過程，構建了兩階段隨機機會約束規劃模型；任建偉等[27]將托盤運營公司的托盤調運過程劃分為四部分，即購買（租賃）、分派、再分派、回收，并在不確定環境下構建了混合型托盤的多情景規劃調運模型；李艷[28]在托盤運營公司再分派視角下建立了調運優化模型，通過對比說明了再分派能有效降低托盤調運成本；倪（Ni）[29]在托盤運營公司視角下，基于托盤生命周期建立了托盤調運優化模型；歐（Ou）等[30]在托盤運營公司回收托盤的角度下，建立了托盤調運優化模型；向紫燕等[31]從戰略層面對托盤運營公司的托盤回收進行網絡規劃，構建了托盤逆向物流網絡隨機規劃模型；周康等[32-34]以托盤運營公司為主導，在鐵路托盤共用系統的基礎上建立了空盤調運模型，并突破了鐵路托盤限制，將托盤調運模型擴展到了普通托盤共用系統中，建立了普適意義上的托盤共享模型；吳曉紅等[35]考慮托盤運營公司物流成本最小和客戶滿意度最高原則，建立了多目標調運優化模型；游玲君[36]考慮重要客戶優先、客戶滿意度最高和成本最小原則，建立了多目標調運優化模型；周（Zhou）等[37]基于車輛路徑問題（VRP）和中國郵遞員問題（CPP），以托盤運營公司為主導構造了隨機約束規劃模型，進一步優化托盤運營公司的服務路線；王征宇等[38]以托盤運營公司為主導，基于城市共同配送體系建立了共享托盤調運優化模型；吳（Wu）等[39]認為共享托盤是高效城市配送的基礎，在托盤運營中心信息共享的條件下建立了確定性調運模型，科學優化了調運方案。羅伊（Roy）等[40]基于成本關系模型與行業收集的數據，認為以托盤運營公司為主導的托盤共享調運模式在成本方面優勢明顯。上述文獻大多從托盤運營公司角度進行托盤調運研究，忽視了物流公司充沛的自有托盤資源，托盤共享調運還未達到最優狀態。

綜上所述，在共享經濟基礎上，如何將物流公司自有資源實現共享成為目前托盤調運需要解決的難題。目前的研究僅僅是將托盤運營公司共享托盤進行整合，沒有實現托盤共享最大化，本文以城市配送“帶托運輸”為前提，考慮以物流公司為主導整合現有托盤資源，對標準化的托盤進行了共享研究，通過共享調運實現物流公司托盤資源的有效循環。將單個物流公司多點配送的物流公司不合作模式作為研究基礎，展開對物流公司合作模式下多個物流公司多點配送的研究，充分利用物流公司閑置托盤資源，提升城市配送服務效率，降低物流成本，讓共享托盤模式真正擁抱互聯網，達到托盤共享目的。

三、問題描述

圖1 城市配送條件下物流配送點的托盤流通過程

為在城市配送條件下通過托盤共享調運實現物流效率最大化，達到提高托盤使用效率的目的，在城區范圍內進行標準化托盤配送服務，以托盤為基礎完成運輸、裝卸、搬運等專業物流活動，具體過程如圖1所示?！皫羞\輸”將托盤作為貨物裝卸和儲存的綜合運輸單位，將貨物集成到托盤，優化了裝卸搬運操作，可降低近50%的貨物損毀率，提升裝卸效率近40%，在城市配送中應用廣泛[41]。除托盤運營公司向外租賃的托盤之外，物流公司將自有托盤與其他物流公司共享，使其流通于城市配送中的各個城市物流配送點之間，當多個物流公司同時為一個物流配送點提供托盤服務時，物流公司更加傾向于使用共享托盤。

（一）物流公司非合作模式

在特定物流配送點某一物流公司面臨托盤短缺時，不與其他物流公司合作，針對本公司托盤資源進行調運。面臨公司內部托盤不均衡現象，物流公司考慮調運本公司其他物流配送點托盤或者向外租盤，同時滿足本公司的多點需求。如圖2所示，物流公司m在物流配送點i、j、u進行物流服務，當物流配送點i物流公司m缺盤時，只能選擇物流配送點j或u的物流公司m調盤，或者是租盤；同理，當物流配送點i物流公司k缺盤時，只能選擇物流配送點u的物流公司k調盤，或者是租盤。在此模式下，可能出現同一物流配送點的其他物流公司堆存大量閑置托盤、托盤循環效率低等問題，造成資源浪費的同時，增加本公司與其他物流公司的成本。

（二）物流公司合作模式

在特定物流配送點某一物流公司面臨托盤短缺時，與其他物流公司合作，針對所有合作物流公司的托盤資源進行調運。面臨托盤不均衡現象，物流公司考慮從同一物流配送點內其他物流公司調盤，從其他物流配送點調運本公司托盤，從其他物流配送點的其他物流公司調盤，或從租盤市場進行租盤，同時滿足多家物流公司的多點需求。如圖3所示，物流公司m在物流配送點i、j、u進行物流服務，當物流配送點i的物流公司m缺盤時，首先選擇向同物流配送點的物流公司k調盤（簡稱“同點異司”）；若仍缺盤，根據物流配送點之間的調運成本或富盤數量，選擇向物流配送點j的物流公司m調盤（簡稱“異點同司”），也可選擇向物流配送點u的物流公司k調盤（簡稱“異點異司”），或者選擇租盤。在此模式下，多個物流公司共同推動托盤資源最大共享化，從整個服務鏈角度降低物流公司的物流成本。

實際城市配送過程中涉及區域廣、貨物雜，具有跨企業調運的特點，物流效率低下，各種風險因素很難預測或控制，單個物流公司調運面臨著更多的不確定性因素。為了提高城市配送服務效率和托盤循環效率，針對城市配送中物流公司之間的大量托盤作業環節，本文以物流公司為導向進行托盤共享調運研究，在以上物流公司合作與不合作兩種模式基礎上，建立以物流成本最小化為目標的共享托盤調運模型。

四、模型假設

（一）假設條件

圖2 物流公司非合作模式下的托盤調運

圖3 物流公司合作模式下的托盤調運

本文基于物流公司合作與非合作兩種模式，分別在城市配送中所有物流配送點及所有提供托盤服務的物流公司進行共享托盤調運，為了說明上述問題，提出以下假設條件：一是每個物流配送點至少存在兩家物流公司，且物流公司所有托盤存放在物流配送點；二是每家物流公司至少在兩個物流配送點提供共享托盤服務；三是租賃市場托盤數量足夠，租盤數量不受限制；四是所有托盤均為標準化托盤，所有貨物均為適盤貨物；五是租盤時間視為一個決策周期，本決策周期租賃的托盤在下一決策期之前歸還；六是決策周期內的重盤卸下后只有在下一決策周期才能成為本點可用托盤；七是不考慮托盤損壞及維護成本。

（二）符號說明

為更好地描述上述兩種模式下的共享托盤調運問題，除了進行假設條件以外，對相關符號說明如下：

I={v，u，i，j，…，|I|}為物流配送點集合；M={f，g，k，m，…，|M|}為 物 流 公 司 集 合 ；Mi為物流配送點i內的物流公司集合；cikjm為從物流配送點i的物流公司k到物流配送點j的物流公司m的托盤調運成本；cuvf為從物流配送點u的物流公司f到物流配送點v的物流公司f的托盤調運成本；cijk為從物流配送點i的物流公司k到物流配送點j的物流公司k的托盤調運成本；cikm為從物流配送點i物流公司k到物流公司m的托盤調運成本（k、m∈Mi）；c1i為物流配送點i的托盤單位庫存成本；c2i為物流配送點i的托盤單位租盤成本；di為物流配送點i的托盤需求。

dik為物流配送點i的物流公司k的托盤需求，連續隨機變量，服從正態分布（i∈I，k∈M）；si為物流配送點i的托盤供給量（i∈I）；sik為物流配送點i的物流公司k的托盤供給量（i∈I，k∈M）；oi為物流配送點i的周期初始托盤保有量（i∈I）；oik為物流配送點i的物流公司k的周期初始托盤保有量（i∈I，k∈M）。

xuvf為從物流配送點u的物流公司f到物流配送點v的物流公司f的托盤調運量，(u、v∈I，f∈M)；xijk為從物流配送點i的物流公司k到物流配送點j的物流公司k的托盤調運量（i、j∈I，k∈M）；xikm為從物流配送點i的物流公司k到物流公司m的托盤調運量，（i∈I，k、m∈Mi）；xikjm為從物流配送點i的物流公司k到物流配送點j的物流公司m的托盤調運量，（i、j∈I，k、m∈M）；pik為物流配送點i的物流公司k的租盤數量（i∈I）；Tr為各個物流配送點r個周期的總成本。

五、共享托盤調運模型

針對本文所研究的問題，根據上述模型假設與符號說明，考慮調運成本、庫存成本、租賃成本等因素，建立物流公司共享托盤調運模型。

（一）物流公司非合作模式

在城市配送條件下全部物流公司在各個物流配送點進行獨立托盤調運，某一個物流公司在特定物流配送點發生缺盤時，選擇租盤或對本公司在其他物流配送點的托盤進行調運（異點同司），建立了在r個托盤運營周期調運總成本最小的托盤調運模型，如下所示：

若y=x+，當x＜0則y=0，當x＞0則y=x；

若y=x-，當x＜0則y=-x，當x＞0則y=0。

式（1）至式（4）表示物流公司在非合作模式下，城市配送體系下各個物流公司在r個周期的托盤調運模型，其中，式（1）為城市配送體系下各個物流公司在r個周期的托盤調運物流總成本最小目標函數；式（2）和式（3）表示特定物流配送點的缺盤物流公司向本公司其他物流配送點調盤時，調盤數量不能超過自身需求量和供應公司多余庫存量；式（4）表示向系統外租盤市場租賃的托盤數量滿足托盤需求；式（5）表示下一階段托盤初始保有量。

（二）物流公司合作模式下的共享托盤調運模型

在物流公司合作條件下，城市配送體系下全部物流公司在各個物流配送點進行聯合托盤調運，某一個物流公司在特定物流配送點發生缺盤時，則必然先考慮從同一個物流配送點內的另一個物流公司調運，其次是從其他物流配送點的本公司調運，或從其他物流配送點的其他公司調運，或選擇租盤，從而建立了r個托盤運營周期調運總成本最小的共享托盤調運模型，如下所示：

式（6）中：

若y=x+，當x＜0則y=0，當x＞0則y=x；

若y=x-，當x＜0則y=-x，當x＞0則y=0。

式（6）為城市配送體系下各個物流公司合作在r個周期的托盤聯合調運物流總成本最小目標函數。式（7）至式（11）表示物流公司在合作模式下，按優先程度選擇調盤點依次為同點異司、異點同司、異點異司、租盤市場。此外，式（7）表示同物流配送點不同物流公司之間調盤數量不能超過自身需求量和供應物流公司多余庫存量；式（8）表示不同物流配送點同一物流公司之間調盤數量不能超過自身剩余需求量和供應物流公司多余庫存量；式（9）表示不同物流配送點不同物流公司之間調盤數量不能超過自身剩余需求量和供應物流公司多余庫存量；式（10）表示向系統外租盤市場租賃的托盤數量滿足剩余托盤需求；式（11）表示下一周期托盤初始保有量。

本文所建模型符合實際城市配送狀態，模型建立后，由于MATLAB編程軟件的變量為矩陣對象，操作便利，科學計算工具完善，本文模型借助MATLAB軟件進行運算，設置模型中單位調運成本、單位租賃成本、單位庫存成本等各個參數后，將各個物流公司的本周期托盤初始保有量公式作為更新依據，不斷循環更新每個周期的托盤初始保有量直至最后一個周期結束，選取各個模式總成本最小的調運方案后，對不同模式結果進行比較。

六、算例模擬

通過算例驗證上述模型的有效性，通過比較多周期中兩種模式下的托盤調運決策差異，計算出全部物流成本，表明物流公司合作模式下的共享托盤調運物流成本較低，共享托盤調運模型具有普適意義。在本算例中，城市配送體系下包括3個物流配送點，分別是物流配送點1，此點有物流公司1和2提供物流服務；物流配送點2，此點有物流公司1和3提供物流服務；物流配送點3，此點有物流公司2和3提供物流服務。本算例城市配送系統共涉及三家物流公司。每個配送點在每個周期都會發生托盤供給和托盤需求的情況，托盤需求都服從正態分布且相互獨立，調運成本、租賃成本等具體參數如表1至表3所示。

整個調運過程包括4個周期，共產生4次托盤需求和供給。在物流公司非合作模式下與物流公司合作模式下進行多周期托盤調運，通過MATLAB軟件進行計算，得到如下結果：

表1 各個物流配送點的物流公司之間單位托盤調運成本 元

表2 各物流配送點物流公司托盤需求量與供給量 個

在物流公司非合作模式下，物流配送點1的物流公司1和物流公司2，物流配送點2的物流公司1和物流公司3、物流配送點3的物流公司2和物流公司3在第一周期根據本周期自身托盤需求選擇租盤，物流成本為9 225元，后續三個周期各公司獨立完成調盤。其中，第二周期的物流配送點1的物流公司1選擇租盤，同時向物流公司2調盤，物流成本為55元；物流配送點3的物流公司3向物流公司2調盤，物流成本為60元，此周期物流總成本為175元；以此類推，后續兩個周期物流總成本依次為259元和295元，四個周期的全部托盤調運總物流成本為9 954元。

表3 物流配送點的初始托盤保有量、庫存成本、租賃成本

在物流公司合作模式下，每個物流公司第一周期根據本周期自身托盤需求，同樣選擇租盤，后續三個周期各公司聯合完成調盤。其中，第二周期，物流配送點1的物流公司2從同點物流公司1和物流配送點3的物流公司3調盤，成本分別為10元和30元；物流配送點3的物流公司2同時從同點物流公司3調盤，成本分別為60元，此周期物流總成本為130元；以此類推，后續兩個周期物流總成本依次是160元和220元，四個周期的全部托盤調運總物流成本為9 735元。

由表4可見，物流公司合作在四個周期結束時，物流公司合作產生的總物流費用為9 735元，物流公司非合作產生的總物流費用為9 954元，比物流公司合作總物流成本高出219元。物流公司合作模式下的總成本明顯小于非合作模式下的總成本，這個結果在證明本文托盤調運模型有效性的同時，說明物流公司進行合作對物流公司托盤運營管理具有實際意義，物流公司進行合作是降低成本的有效方式。

如表5和表6所示，第一周期初始托盤保有量與需求量差距較大，導致大量租盤和零庫存外，后續三個周期在不同模式下的租盤和庫存情況出現了變化，可以明顯看出物流公司合作模式下的托盤利用率高于非合作模式下的托盤利用率，保證托盤真正實現共享，達到共享經濟的目的——托盤資源共享化和物流成本最小化。

綜上所述，將城市配送體系下物流公司的托盤資源進行整合，以信息共享為資源共享的基礎，物流公司之間通過合作調運共享托盤，可以實現共享互聯的現代化物流。如表7所示，對物流公司合作共享托盤模式、物流公司非合作共享托盤模式以及一般共享托盤模式（以托盤運營公司為導向的托盤共享）進行對比，以城市配送過程中出現的典型問題為例進行說明。物流公司合作共享托盤是共享經濟的創新模式，在托盤閑置、循環效率、物流成本、促標準化速度方面優勢明顯。

七、結論

表4 不同模式下各物流公司在多個周期的物流成本 元

表5 不同模式下各周期租盤成本 元

表6 不同模式下各周期庫存成本 元

表7 基于物流公司共享托盤模式對比

城市配送系統中托盤使用規模不斷擴大，共享托盤成為提高物流效率、降低物流成本的有效途徑。本文在對國內外關于托盤的研究進行系統分析后，針對共享托盤標準化程度相比發達國家較低、忽視物流公司擁有大量自有托盤的實際問題，提出以物流公司為導向共享托盤。為了提高城市配送服務效率、托盤循環效率和標準化速度，借鑒集裝箱、機器排程等領域的調運理論，本文從物流公司合作模式和非合作模式出發，闡述了城市配送條件下托盤作業過程，同時詳細說明了兩種模式下物流公司面臨缺盤時的調運決策。考慮了影響托盤作業成本的諸多因素，如庫存成本、租賃成本、調運成本等，在兩種模式下建立了以最小物流成本為目標的城市配送共享托盤調運模型，用MATLAB軟件編寫了求解模型的程序，并通過算例驗證了模型的有效性。通過結果對比分析，發現物流公司合作共享托盤調運模式具有優越性：其一，物流企業無須按照峰值購買托盤，而按照實際使用量進行調運，可以減少初期投資；其二，托盤可以循環利用，不同物流公司在同一區域內就實現了資源共享，實現了托盤在更大范圍內的循環共用；其三，托盤實現了規模效應，減少了成本及空盤調運次數。最后，本文在宏觀上對物流公司合作共享托盤調運模式、物流公司非合作共享托盤調運模式以及一般共享托盤調運模式進行對比，證明物流公司合作所帶來的資源利用最大化，是當下最有力的策略。在政策支持下，物流公司發揮市場作用，做出合理的共享托盤調運決策，為政府出臺相關的共享托盤政策提供參考依據，為共享、綠色、循環發展提供支撐。