拥堵对于商业车辆行程特征及成本的影响研究

21208134林韬物流学翻译1TheimpactsofcongestiononcommercialvehicletourcharacteristicsandcostsMiguelAndresFigliozzi拥堵对于商业车辆行程特征及成本的影响研究摘要通过建模剖析，定量试验，和借鉴真实的行驶数据来阐明拥堵对于城市行驶特征、运输成本和行车距离/时间的影响。本文基于车辆行驶的效率和不同成本结构将车辆行驶分为3类。反应了顾客与仓库之间行驶的时间/距离是加剧拥堵情况的重要负面影响。只有当顾客和仓库间的行驶时间被认为与最大行驶时间有关时，行驶时间的差异才是一个重要因素。对于每一个顾客来说，合理的定义一个没有量纲的系数来说明拥堵对于固定行车路线的相关作用很重要。由于拥堵使得相关的薪水相对比重增加、超时工作现象加剧、以及距离的相对比重相关的成本下降，拥堵还影响货运者的成本结构。关键字：拥堵模型；货运成本；城市货运；城市物流1、介绍拥堵造成的行驶次数的增加和不确定性影响着物流运作的效率。与拥堵相关的直接和间接的成本已经被广泛的研究与报道。大多数的研究把重点放在了乘客旅行时间的价值、货物的时间价值、市场准入成本、制造成本以及劳动生产成本(Weisbrodetal.,2001)。然而，专门研究城市拥堵对于商业车辆行驶影响的建模和研究很少。研究的缺乏很大程度上因为缺少分类和综合商业车辆数据，这些数据通常因为隐私或者竞争，收集需要花费很大的代价或者数据水平达不到细节层面。本研究探讨了城市地区拥堵对于商业车辆行驶的影响。这有助于理解拥堵对商业车辆行驶的影响。本研究具体从三个方面做出研究：（一）通过近似分析和经验数据来研究拥堵对车辆行驶特征的影响（二）从运输者的角度讨论拥堵造成的成本（三）根据车辆行驶的效率和对于拥堵的敏感性，对城市货运分拨路线的采用创新的分类方法。经验或者真实的行驶数据分类也被分析来验证该模型的具体内涵。最近的研究表明，一大部分城市商业车辆行驶公里(VKT)起源于配送中心（DC），仓库(CambridgeSystematics,2003;Outwateretal.,2005)，构成行驶链或者多站行驶途径。多站商业车辆行驶是在城市地区普遍存在的，例如，在Denver大约50%的单程和混合卡车行程每一行程包括了5——23个停靠站(Holguin-VerasandPatil,2005)。术语“路线”“行程”和“出行链”在本研究中可以互换使用来指定商业车辆活动，从其在一个仓库开始，到达一个或者多个顾客，然后返回仓库。为简洁起见，在此次就只用行程一词。21208134林韬物流学翻译2本研究的结构如下：第二部分提供了拥堵对于货运操作和成本影响的文献综述。第三部分介绍了一个用来分析拥堵对于商业车辆行程影响的模型。第四部分阐述了对于时间限制性行程的分析观点。第五部分包括了数值分析，并讨论了商业行程效率。第六部分讨论了拥堵对于货运者成本的影响。第七部分检验了实地调查的车辆行程数据，还提出了关于其因为拥堵造成的效率和脆弱性的分类。第八部分是最后的结论。2．文献综述人们普遍认识到，拥堵严重影响了物流的正常运作。McKinnon(1999)展示了深度采访DC的经理们后得出的结论并且讨论了拥堵对于物流业务产生的不利影响。拥堵下的乘客旅行时间的直接和间接的成本，货运行程时间和市场准入，生产，劳动生产率都被广泛的研究和报道了。关于拥堵的文献Weisbrod（2001）等人做出了系统的分析。在计量经济学技术的开发方面，研究关于拥堵下的承运人和托运人在联合货运上的共同行为，已经取得了相当大的进展(HensherandPuckett,2005)。调查结果表明，货运经营类型对于拥堵影响运输者的运作和成本的有着显著的影响。来自加州的调查数据显示，拥堵尤其是在零担（不足一车货物），冷链运输和联运货物被认为是严重的问题，（GolobandRegan，2001）认为。此外，GolobandRegan（2003）发现地方之间的拥挤程度和行程软件采购量呈正相关关系。运输者不遵循固定路线，例如供出租的货运者，往往把更看重实时信息的使用来削减拥堵（GolobandRegan，2005年）的影响。文献的另一分支是对于工业/商业采购与拥堵关系的建模。对于及时生产（JIT）系统的影响，例如关于货车行驶产生的更多的小体积货物运输行程，已经被分析和建模(Raoetal.,1991;Moinzadehetal.,1997)。使用从新西兰奥克兰数据（2005年），Sankaran等人研究了拥堵和补货订单的大小对于额定时间货运的影响。SankaranandWood(2007)继续这项研究并且提出了一个用Daganzo’s(1984,1991)近似路径问题的模型。对于那些有10个或者更多货运的问题，SankaranandWood(2007)指出拥堵造成的成本，随着每天平均往返数的增加而增加，随着工作日的持续时间、货运数量的平方根以及固定拥堵下造成的固定或不固定的停车次数而减少。行驶线路的约束限制了运输者可以用来满足客户需要的可行行驶条件的数量和特点。Figliozzi(2006)利用Daganzo’s(1991)近似路线问题对行驶约束建模并且用一个基于供应链和路线约束的行驶分类分析了约束和客户服务时间是如何影响了行驶生成。在此基础上，Figliozzi（2007）提出了一种分析结构框架，研究了对于城市货运VKT政策或网络变化的影响;该模型显示，行驶速度下降，严重影响和制约了约束的行驶时间窗，而限制容量的行程受影响较小。Figliozzi（2007）还指出，VKT和车辆时间行驶量（VHT）因行程和路径约束类型不同而发生变化。这项工作将主要车辆行驶的商业活动的时间敏感性以及有关的运输成本活动本身的价值制约条件联系在一起，来定义四种行程类型：（1）体积限制的行程，（2）服务频率限制的行程（3）时间限制的行程，以及（4）时间窗限制的行程。在挤堵情况下，行程时间和时间窗约束行程被确定是受影响最严重的。保密问题通常是一个不可逾越的障碍，致使详细而完整的货运数据难以收集。据笔者所知，目前所有拥堵条件下的货运研究都是汇总的行驶数据，除了Figliozzi等人（2007）和GreavesandFigliozzi（2008）的研究。在这两项21208134林韬物流学翻译3研究中详细描述了货车活动被分析并且分类的行程数据，来揭示行驶特征，速度变化，以及数据收集的困难程度。最近，一个分析模型用来决定货车行程路径的时间窗被开发出来(Figliozzi,2009b)。据笔者所知，目前还没有研究着重于拥堵对于车辆行程路线成本和结构的影响。交通部门也逐渐开始用行驶时间可靠性来评价拥堵状况(Chenetal.,2003)。可靠性也通常和缓冲时间指数联系在一起(Lomaxetal.,2003;Bremmeretal.,2004)。缓冲时间指数表示了驾驶者在被要求按时到达率在95%时所需要的额外时间。货运商也可以用缓冲时间来减少行驶时间和需求变化的影响。作为一个约束或者客观条件，可靠性也被用在路线和服务区的设计采用连续近似(Erera,2000;Novaesetal.,2000)或随机规划(LaporteandLouveaux,1993;KenyonandMorton,2003)的操作研究模型上。尤其是，Erera(2000)建议用连续近似的方法来评价不同随机条件下预期的绕行和距离容量限制车辆行程问题。据笔者所知，没有任何研究模型发展到研究拥堵对于行驶特点，成本以及VKT/VHT的影响。3．行驶模型本研究考虑一个分拨中心或者仓库和多个用户的系统。一次行驶过程被定义为闭合路径，一个司机将一辆货车按照从它的仓库出发去一个或者多个有序的用户，然后返回到它的仓库的过程。一个完整的行程由几段短途路程组成；一段路程由它的始发地和目的地以及它的距离和期间的行驶时间的特点定义的。Bearwood(1959)等人开创性地通过一系列点来估计一个封闭的最短路径或者路程的长度。Daganzo(1984)为容量有限的车辆路径问题（CVRP）的长度计算提出了一个简单而直观的公式，在仓库不一定位于包含客户地区的条件下：在这个表达式中，l(n)是CVPR问题服务n个客户时的总长度，r是客户与仓库之间的平均距离，a是该地区包含的客户数，Q是每辆车所能服务的最大客户数量。Danganzo的近似理论可以解释为：（a）与客户仓库之间距离相关（b）与客户之间的距离相关。对于不同价值m服务n个客户的车辆行驶路线问题的平均长度可以近似为：在这里，l(n)是服务于n个客户的路径总长度；n是客户数或者停靠次数；m是路线的数量；kl是检验线性回归的系数；a是n个客户组成的服务范围面积；r是仓库到n个客户的平均距离。表达式（1）是一个预测随机生成条件以及经验或现实城市交通网络多样化条件下的平均行程长度的可靠近似(Figliozzi,2008b)。这个表达式在有多种不同空间分布客户、时间窗、客户需求和仓库位置格局下的紧凑区域进行了验证。这个表达式合理的模拟经验数据，r2达到0.96-0.99,并且绝对误差（MAPE）小于5%。系数kl由线性回归决定并且拟合影响的因素，例如客户分布的空间，仓库的位置，时间窗等。表达式（1）当m=1的时候最为简化，即一条路径服务所有的客户，当m=n的时候最为复杂，即一条路径服务一个客户。设客户i，i∈I=﹛1,…,n﹜，仓库的位置xi距离ri；dij表示客户i，j∈I之间的距离。R=﹛1,…,m﹜表示设置的服务所有客户I的区域，nr是在路径中的客户数r∈R。任意给定的路径r∈R都服从一系列Lr表示的nr+1个连接，|Lr|=nr+1的形式。设：21208134林韬物流学翻译4tu装卸单位产品所用时间to在一位客户处的固定停靠时间tl在链l内的平均行驶时间tfl在链l内的自由流通行驶时间Sl=dl/tl在链l内的平均行驶速度Sfl在链l内的自由流通速度α拥堵增加系数s在任意给定路线r的平均行驶速度σl在链l内的行驶时间标准差vl=σl/tl在链l内的变化系数ρkl链k和l之间配送行驶时间的相关性w行驶时间约束b货车容量qi客户货物递送量i，i∈I=﹛1,…,n﹜q̅r在路径r，nrq̅r≤b,平均每位客户的递运货物量每一个数学变量的单位都明确的由他们的物理意义决定，如距离、时间、面积、速度等。系数是没有量纲单位的或者由其他在数学表达式（1）中的变量所决定，如kl。城市商业车队的运作有许多的限制条件：车辆的类型及容量，司机的工作时间或者最大车辆行驶时间，服务时间以及平衡行驶路线的设计(Bodinetal.,2003)。对于一个给定的客户需求，车队的经营管理者需要设计定义行程安排来满足客户的需求及限制条件。在城市行驶中，服务、包裹递送、LTL1行驶的行驶点时间（早/晚送抵客户）和行驶时间间隔通常受到限制。通常假设，连续近似被用在车辆行驶路线分配平衡的时候，比如说每一条路线都有近似相同数量的客户(Daganzo,1984,1991)。假设路线均衡，每个平均客户数量n=m和平均速度为s的路线约束条件可以表示为：尽管在实际生活中不会出现商业车辆在行驶路线的所有点上都有同样的拥堵水平，设定平均速度s是为了可以追踪分析。整个行程时间被一个或者几个约束条件制约，如：（a）服务水平，比如小于8小时的行驶时间来保证递送是在正常的工作时间内到达的，（b）驾驶员工作时间，比如由于国家或者州法律的规定，货车司机的连续工作时间是受限制的，（c）成本水平，比如在超过一个确定时间段后，货运者必须支付超时所产生的成本，这个成本是一项很重要的拥堵地区所产生的成本，将在第六部分进一步讨论。整个行程的有效速度，将花费在客户处的时间也考虑在内，被定义为：4．浅析在时间限制条件下拥堵对行程的影响为方便交通拥堵产生影响的分析，行程被分为三种情况：（a）平均行程时间的增加，（b）行程时间变化的增加，（c）在平均出行时间和变化的同步增长下的21208134林韬物流学翻译5互相作用。实际上，最后的也是最