李 奇,孫 遜,賀政綱

(1.中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司物流規(guī)劃研究所,武漢 430063； 2.西南交通大學(xué)交通運(yùn)輸與物流學(xué)院,成都 610031)

1 概述

隨著高鐵的快速發(fā)展，人民在享受高鐵帶來出行便利的同時，對高鐵在服務(wù)生產(chǎn)、促進(jìn)流通等方面有了更高的期待。同時在電子商務(wù)發(fā)展以及人們消費(fèi)觀念的轉(zhuǎn)變之下，我國快遞業(yè)務(wù)量已從2011年的36.7億件增長到2018年的507.1億件，快遞業(yè)收入則由574.6億元增至6 038.4億元，已連續(xù)5年成為全球第一的快遞大國?？爝f是時效性產(chǎn)品，對運(yùn)輸時間及安全要求較高，高鐵的大運(yùn)量、快速、可靠性強(qiáng)、安全等運(yùn)輸特征很好地滿足了快遞的運(yùn)輸要求，是快遞業(yè)理想的運(yùn)輸工具，同時，數(shù)量龐大的快遞包裹為高鐵快運(yùn)的發(fā)展提供了充足的貨源支撐。與此同時，國務(wù)院、發(fā)改委及交通運(yùn)輸部也多次發(fā)文，鼓勵發(fā)展高鐵快運(yùn)和快遞電商班列，打造鐵路高端貨運(yùn)產(chǎn)品，提升鐵路貨運(yùn)服務(wù)水平。在市場快運(yùn)需求劇增、國家宏觀政策指引的背景之下，我國高鐵快運(yùn)迎來發(fā)展的關(guān)鍵時期。

目前，學(xué)術(shù)界關(guān)于高鐵快運(yùn)的研究主要集中在高鐵快運(yùn)可行性分析、高鐵快運(yùn)需求分析與預(yù)測、高鐵快運(yùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和高鐵快運(yùn)運(yùn)輸組織模式及開行方案研究4個方面，代表性的文章主要有：Bingguan J等[1]研究了高鐵貨運(yùn)的可行性后提出了共享高鐵網(wǎng)絡(luò)的概念，認(rèn)為高鐵在中遠(yuǎn)距離的貨物運(yùn)輸上有著明顯優(yōu)勢，發(fā)展高鐵貨運(yùn)可以充分利用鐵路的閑置運(yùn)力，有助于鐵路部門獲取更多的資金流和信息流；Jennifer A.Pazour[2]對高鐵貨運(yùn)的經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了研究，分析了高鐵貨運(yùn)與航空貨運(yùn)的競爭合作關(guān)系，驗(yàn)證了高鐵貨運(yùn)具有綜合經(jīng)濟(jì)效益，在未來具有廣闊的市場前景；李先進(jìn)、林仲洪、張鈺梅、高立杰等[3-6]學(xué)者從高鐵運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢運(yùn)距、貨物裝載、網(wǎng)絡(luò)布局及定價(jià)策略等方面論證了高鐵參與電商物流的可行性，認(rèn)為高鐵貨運(yùn)是我國貨運(yùn)市場的一個關(guān)鍵補(bǔ)充；Euro Carex(2011)報(bào)告中詳細(xì)介紹了歐洲高鐵快遞聯(lián)盟的成立背景、發(fā)展歷程、基礎(chǔ)設(shè)施及設(shè)備、產(chǎn)品服務(wù)等，通過與公路及航空貨運(yùn)的橫向及縱向比較分析，認(rèn)為高鐵快運(yùn)能有效分擔(dān)航空貨運(yùn)的壓力，同時可利用高鐵構(gòu)建快遞多式聯(lián)運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，提升快遞服務(wù)水平[7]；欒廷玉、田睿琪、姜超慧[8-10]建立了高鐵貨運(yùn)組合預(yù)測模型，并且基于航空、高鐵和公路三者之間的競爭關(guān)系構(gòu)建了高鐵貨運(yùn)分擔(dān)率模型，從而對我國高鐵貨運(yùn)班列的貨運(yùn)量進(jìn)行預(yù)測；劉啟鋼等[11]通過分析我國快遞市場主要競爭對手間的產(chǎn)品參數(shù)，結(jié)合我國高鐵快運(yùn)發(fā)展現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了高鐵快運(yùn)產(chǎn)品譜系，并建議在短途運(yùn)輸中發(fā)展當(dāng)日達(dá)和次晨達(dá)兩種產(chǎn)品，在中長距離運(yùn)輸中發(fā)展次日達(dá)產(chǎn)品；周凌云等[12]通過借鑒知名快遞企業(yè)的增值業(yè)務(wù)發(fā)展模式和經(jīng)驗(yàn)，總結(jié)分析對我國高鐵快運(yùn)增值業(yè)務(wù)拓展的啟示，并提出了高鐵快運(yùn)增值服務(wù)拓展模式和路徑；張濤、范毅、梁皓妍等[13-16]在對我國高鐵貨運(yùn)市場深入分析的基礎(chǔ)上，綜合考慮了運(yùn)輸企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益以及客戶需求的滿載率、送達(dá)率等目標(biāo)，設(shè)計(jì)了高鐵貨運(yùn)專列開行方案模型；席江月等[17]學(xué)者從大節(jié)點(diǎn)的視角對高鐵快遞的運(yùn)輸組織模式及集疏散模式進(jìn)行了分析，并對高鐵快遞干線運(yùn)輸通道布局進(jìn)行了研究。除此之外，張媛等[18]將我國高鐵快遞網(wǎng)點(diǎn)劃分為3個層級，并從定性分析的角度，將京滬高鐵沿線高鐵車站進(jìn)行網(wǎng)點(diǎn)結(jié)構(gòu)劃分；孫遜[19]從需求層次及功能層次兩個方面對我國高鐵物流進(jìn)行分析，并運(yùn)用多因子分析法研究了影響高鐵物流網(wǎng)絡(luò)布局的因素，最后對我國高鐵物流基地的載體城市進(jìn)行規(guī)劃?？偨Y(jié)既有研究成果可知，高鐵快運(yùn)已經(jīng)成為鐵路運(yùn)輸和物流行業(yè)的研究熱點(diǎn)，并且在可行性研究、需求分析和運(yùn)量預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計(jì)以及運(yùn)輸組織模式等方面的研究較為深入，而關(guān)于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃的研究還比較薄弱，因此對高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃具有重要的理論及現(xiàn)實(shí)意義。

2 我國高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃

2.1 高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃基本思路

參考既有物流網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及主要快遞企業(yè)網(wǎng)點(diǎn)層級結(jié)構(gòu)，結(jié)合樞紐輻射式網(wǎng)絡(luò)相關(guān)理論，認(rèn)為構(gòu)建“全國性-區(qū)域性-城市性”三級結(jié)構(gòu)的高鐵快運(yùn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)符合并能滿足我國高鐵快運(yùn)的市場發(fā)展需求。同時，在三級結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，主要工作是確定一、二級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，三級網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)則視實(shí)際情況而定。我國高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃的基本思路如圖1所示。

2.2 高鐵快運(yùn)一、二級候選節(jié)點(diǎn)選取

一、二級高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)是高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中的全國性和區(qū)域性網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，這類節(jié)點(diǎn)城市應(yīng)滿足以下3個條件：

(1)是“八縱八橫”高鐵網(wǎng)覆蓋城市，且設(shè)有高鐵車站或動車所；

(2)是快遞業(yè)重要的供需集散地；

(3)是全國重要的交通節(jié)點(diǎn)城市，在我國貨物流通中扮演重要的角色。

為此，選取2017年我國快遞業(yè)務(wù)量百強(qiáng)城市、主要快遞企業(yè)分撥中心載體城市統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)(含順豐、申通、圓通、中通、韻達(dá)和中國郵政分撥中心的分布數(shù)據(jù)以及國家《快遞業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中快遞專業(yè)類物流園區(qū)布局城市數(shù)據(jù)，并且數(shù)量≥2的城市)以及《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016-2030年)中高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃作為依據(jù)，篩選出滿足上述條件的城市63個，再加上青海省省會西寧市，總計(jì)64個城市作為我國一、二級高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)候選節(jié)點(diǎn)，這64個城市2017年的快遞總量為336.1億件，占全國快遞總量的比例為83.9%。64個節(jié)點(diǎn)城市分布信息如表1所示。

表1 一、二級高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)候選節(jié)點(diǎn)分布信息

2.3 高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃指標(biāo)體系構(gòu)建

影響高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)層級結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因素是快遞業(yè)務(wù)量，而快遞業(yè)務(wù)量與城市經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、居民消費(fèi)能力、區(qū)域交通條件等因素有關(guān)[10]。結(jié)合既有研究，構(gòu)建包含地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平、社會消費(fèi)能力、郵電行業(yè)業(yè)務(wù)量、人口狀況以及交通運(yùn)輸條件5大類共7個影響因素的高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃指標(biāo)體系，指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃指標(biāo)體系

2.4 基于系統(tǒng)聚類分析的高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)一、二級節(jié)點(diǎn)層級劃分

通過查閱資料，統(tǒng)計(jì)64個候選節(jié)點(diǎn)城市7個影響因素2017年的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，然后利用SPSS軟件，樣本間距離采用歐式距離、類間距離采用類平均距離法對64個城市的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行系統(tǒng)聚類分析，64個節(jié)點(diǎn)的聚類樹狀結(jié)果如圖3所示。

圖3 一、二級高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)聚類分析樹狀圖

由圖3可知，若將上述64個節(jié)點(diǎn)劃分為2類，也即將上述聚類結(jié)果分為兩類分別作為一級高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)和二級高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)，則一級高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)僅有上海、北京、廣州、深圳和杭州5個，這顯然不滿足高鐵快運(yùn)全國性樞紐節(jié)點(diǎn)的分布要求。若將上述系統(tǒng)聚類分析結(jié)果分為3類，則前兩類中包括上海、北京、廣州、深圳、杭州、成都、武漢、青島、蘇州、東莞、金華、鄭州、重慶13個城市。因此，將系統(tǒng)聚類分析結(jié)果劃分為3類，并將第1和第2類結(jié)果合并作為高鐵快運(yùn)一級節(jié)點(diǎn)，將第3類結(jié)果作為高鐵快運(yùn)二級節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)聚類分析層級劃分結(jié)果如表2所示。

表2 系統(tǒng)聚類分析層級劃分結(jié)果

2.5 基于K-means聚類算法的高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)一、二級節(jié)點(diǎn)區(qū)域劃分

運(yùn)用系統(tǒng)聚類分析方法，如果僅根據(jù)圖2的指標(biāo)體系數(shù)值來計(jì)算分析，得出的分類結(jié)果可能會出現(xiàn)某一層級節(jié)點(diǎn)分布太集中或稀疏的情況，這樣的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分布無法協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)運(yùn)轉(zhuǎn)，資源利用效率不能保證。因此，將網(wǎng)絡(luò)中各個節(jié)點(diǎn)的地理位置加入分類決策系統(tǒng)，運(yùn)用K-means(即k均值)聚類算法，將各節(jié)點(diǎn)的實(shí)際地理空間距離作為優(yōu)化目標(biāo)，對系統(tǒng)聚類分析得到的層級劃分結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，使得高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)更加科學(xué)并滿足實(shí)際運(yùn)作需求。K-means聚類算法的原理如下。

將我國高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的分布抽象成圖論中的圖。依據(jù)圖論相關(guān)理論，用有序三元組G=(V，B，ψ)表示高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)，其中：

(1)V={v1，v2，v3，…，vn}是圖G中的頂點(diǎn)集，vi(i=1，2，3，…，n)表示G中的高鐵網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；

(2)B是圖G中的邊集，表示G中的道路；

(3)ψ是邊集B到頂點(diǎn)集V中無序元素偶對的集合的映射，稱為關(guān)聯(lián)函數(shù)；

(4)若將圖G上每一條邊b對應(yīng)一個實(shí)數(shù)w(b)，則稱w(b)是邊b的權(quán)，對于本文，w(b)等于道路g的長度。

若ψ(bi)=(vi，vj)，(i，j=1，2，3，…，n)，根據(jù)高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)在地理上的位置，可以測量取得每個節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)(xi，yi)，則圖G中任意兩點(diǎn)vi=(xi，yi)，vj=(xj，yj)其道路距離為

(1)

K-means聚類算法方法采用距離作為樣本相似性的評價(jià)指標(biāo)，如果兩個樣本的距離越近，則其相似度越大。K-means聚類算法以數(shù)據(jù)點(diǎn)間的距離作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，利用函數(shù)求極值的方法得到迭代運(yùn)算的調(diào)整規(guī)則。它以歐式距離作為相似度測度，以評價(jià)指標(biāo)J最小，求對應(yīng)初始聚類中心向量V的最優(yōu)分類。

采用K-means聚類算法進(jìn)行分析的數(shù)學(xué)模型為

(2)

Ci≠?(i=1，2，3，…，m)

(3)

Ci∩Cj=?(i，j=1，2，3，…，m;i≠j)

(4)

(5)

式中，D={Vi，i=1，2，3，…，n}，Vi表示高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，n為節(jié)點(diǎn)的總數(shù)量；式(2)表示將網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)劃分的類集合C={C1，C2，C3，…，Cm}；式(3)和式(4)表示每個劃分的類中至少包含網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)，并且同一個節(jié)點(diǎn)不會劃分到在兩個不同的類中，也即任意兩個類互不相交；式(5)中，JC表示劃分后每個類中每個節(jié)點(diǎn)到聚類中心點(diǎn)的距離之和，Zk是第K個類的中心，d(Vi，Zk)表示類中每個節(jié)點(diǎn)到聚類中心點(diǎn)的距離。d(Vi，Zk)的計(jì)算公式為

(6)

式中,(xi，yi)、(xk，yk)分別表示任意節(jié)點(diǎn)Vi和聚類中心點(diǎn)Zk的坐標(biāo)。

K-means聚類算法在本文中的應(yīng)用步驟及算法求解原理如圖4和圖5所示。

圖4 K-means聚類算法應(yīng)用步驟

圖5 K-means聚類算法求解流程

運(yùn)用谷歌地圖獲取64個節(jié)點(diǎn)城市的經(jīng)緯度信息，并基于高斯投影坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法將經(jīng)緯度信息轉(zhuǎn)換成平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)有研究表明最優(yōu)K值確定的方法主要有均方根法、均值比準(zhǔn)則、手肘法以及人為設(shè)定法[20]，本文采用均方根法和均值比法則求得，當(dāng)節(jié)點(diǎn)個數(shù)為64時，最優(yōu)K值取值為6。將最優(yōu)K值以及各節(jié)點(diǎn)平面坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab，運(yùn)用K-means聚類算法求解的結(jié)果如圖6所示。

圖6 K-means聚類算法結(jié)果

由圖6可知，64個節(jié)點(diǎn)被劃分為6個區(qū)域，每個區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分配情況如表3所示。

表3 各節(jié)點(diǎn)K-means聚類算法區(qū)域劃分結(jié)果

2.6 我國高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃方案

以表2高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)聚類層級劃分結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合表3高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)k-means算法區(qū)域劃分的結(jié)果，按照以下原則進(jìn)行調(diào)整：

(1)每一個區(qū)域內(nèi)至少要有1個一級節(jié)點(diǎn)；

(2)每一個區(qū)域內(nèi)一級節(jié)點(diǎn)個數(shù)由區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)量確定，每5個節(jié)點(diǎn)配有1個一級節(jié)點(diǎn)，采取四舍五入的方式。比如，當(dāng)一個區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)為6時，則僅有1個一級節(jié)點(diǎn)；當(dāng)一個區(qū)域內(nèi)節(jié)點(diǎn)數(shù)為8時，則有2個一級節(jié)點(diǎn)；

(3)當(dāng)同一區(qū)域內(nèi)一級節(jié)點(diǎn)個數(shù)偏多或偏少時，調(diào)整的原則依次按照是否為省會城市和2017年快遞業(yè)務(wù)量大小來調(diào)整。

根據(jù)上述原則，對64個一、二級高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)的層級劃分結(jié)果進(jìn)行調(diào)整，最終結(jié)果如表4所示。

除了規(guī)劃以上64個一、二級高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)，同時將全國其他開通高鐵快運(yùn)業(yè)務(wù)的城市規(guī)劃為三級高鐵快運(yùn)節(jié)點(diǎn)，最終形成“13+51+N”三級結(jié)構(gòu)的高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。

表4 高鐵快運(yùn)一、二級節(jié)點(diǎn)最終劃分結(jié)果

3 結(jié)語

構(gòu)建完善的高鐵快運(yùn)服務(wù)體系，對于充分發(fā)揮高鐵運(yùn)輸?shù)膬?yōu)勢及溢出效應(yīng)、降低電商物流成本、完善電商快遞物流服務(wù)體系、提升高鐵路網(wǎng)運(yùn)用效率、打造鐵路高端貨運(yùn)服務(wù)品牌、實(shí)現(xiàn)高鐵與快遞行業(yè)共贏發(fā)展等具有重要現(xiàn)實(shí)意義?；诖罅炕A(chǔ)數(shù)據(jù)，運(yùn)用系統(tǒng)聚類分析和K-means聚類算法，以定性和定量相結(jié)合的方法對我國高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)規(guī)劃進(jìn)行研究，最終提出構(gòu)建“13+51+N”三級結(jié)構(gòu)的我國高鐵快運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。