邱小平，羅 茂，談艷俐，劉宇辰

閉環(huán)供應鏈中智能托盤共用的價值研究

邱小平，羅 茂，談艷俐，劉宇辰

（1. 西南交通大學，交通運輸與物流學院，成都 611756；2. 綜合交通運輸智能化國家地方聯(lián)合工程實驗室，成都 611756；3. 綜合運輸四川省重點實驗室，成都 611756）

隨“互聯(lián)網+物流”產生的智能托盤，為帶板運輸提供新的發(fā)展機遇，而目前對智能托盤應用價值的研究較為缺乏。本文以三級供應鏈中托盤共用為背景，構建智能托盤與傳統(tǒng)托盤混合共用的閉環(huán)循環(huán)流通系統(tǒng)，將循環(huán)周期分為八個階段，建立系統(tǒng)總成本和效益測算模型，分別以傳統(tǒng)托盤返還率、損壞率和智能托盤損壞率為隨機變量測算系統(tǒng)總成本與效益。測算結果表明，相較于傳統(tǒng)托盤的在途丟失和周轉效率，使用智能托盤能更有效地降低系統(tǒng)總成本并提升效益，傳統(tǒng)托盤的適量損壞并不會提高系統(tǒng)總成本，而智能托盤的損壞與系統(tǒng)總成本呈正相關關系，因此智能托盤的使用將提升托盤共用系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

物流工程；托盤共用；成本模型；智能托盤；閉環(huán)供應鏈

0 引 言

作為一類典型的可回收運輸載具（Returnable Transport Items, RTIs），托盤在生產、倉儲和運輸?shù)拳h(huán)節(jié)為成件、零散的適盤貨物流通提供有力的支持。在實際流通中，已證實托盤對提升流通效率和降低流通成本的作用。近年來，隨“互聯(lián)網+物流”誕生的智能托盤，具備優(yōu)異的貨物識別、定位追蹤、數(shù)據(jù)傳輸和循環(huán)回收功能，更為托盤共用快速發(fā)展提供契機。但與普通托盤相比，智能托盤的單位制造成本和基礎設施成本投入更高，使智能托盤的實際應用價值尚待商榷。

托盤共用由來已久，吳清一[1]認為托盤共用具有重大社會價值且是衡量物流現(xiàn)代化水平的標志。目前對托盤共用的研究主要集中在組織模式[2-4]、托盤調配[5-8]、應用策略[9-11]等方面，且均集中在研究普通托盤，未能體現(xiàn)智能托盤的應用價值。而對RTIs研究中，已有對載具應用對比[12, 13, 18]和閉環(huán)循環(huán)運作[14-16]的構想，對于智能托盤的價值表現(xiàn)，有較大的啟發(fā)。

本文在參考Kim等[15]對集裝箱循環(huán)流程和成本歸類的研究基礎上，基于共用托盤的特征，搭建了傳統(tǒng)托盤與智能托盤兩者混合的托盤共用系統(tǒng)及其運營成本測算模型，研究兩類托盤在共用系統(tǒng)中對總成本和效益的影響，以此測度智能托盤的使用價值。

1 問題描述與假設條件

本文構建的是以托盤為貨物載具的閉環(huán)運輸系統(tǒng)，含有一個托盤共用資源池。這個資源池可由專業(yè)的托盤服務供應商來提供，共用的托盤會在貨物供應商、運輸服務者和零售商之間循環(huán)流通。一個周期內，承運方要完成供應商交付的托盤數(shù)量為的貨物，由傳統(tǒng)托盤和智能托盤共同運輸。

表1 各符號代表的變量

重新進入共用托盤資源池的托盤比率記為(1-)，其中表示檢修后不再共用的托盤占比，通常(1-)<1，即共用托盤資源池中的可用托盤資源小于等于需要流通托盤的數(shù)量，此時需從閉環(huán)系統(tǒng)外引增托盤加以補充，比如租賃或購置。當然，也存在(1-)≥1的情況，如往期滯留零售商的托盤在本期返還。此時，將安全量扣除，轉化為前一種情形時，再重新進入流通循環(huán)。這兩種情形的共用托盤流動如圖1所示。

同時還有如下假設：

（1）共用托盤具有使用周期，包括裝載、運輸至零售商、延遲使用、返還至承運方、卸載、檢查、維修、空盤儲存等活動，主要考慮3個過程，分別對應3個時間。如圖2所示，從1到4的順序活動放在一起稱為托盤在用過程，該過程所用時間稱為在用時間，記為（0<<1）；從5到8的順序活動放在一起稱為托盤待用過程，其所用時間稱為待用時間，記為（0<<1）；從0或8到1的過程稱為托盤裝載過程，其所用時間稱為裝載時間，記為𝛿（0<𝛿<1）。通常卸載過程較短，其時間未計入成本。

圖1 共用托盤的閉環(huán)流動

0—1：裝載；1—2：運輸至零售商；2—3：延遲使用；3—4：返還至運輸服務者；4—5：卸載；5—6：檢查；6—7：維修；7—8：空盤儲存；8—1：裝載

（3）在閉環(huán)運輸系統(tǒng)中，由于傳統(tǒng)托盤和智能托盤同時混合使用，與智能托盤有信息關聯(lián)的傳統(tǒng)托盤的丟失率也會變低。同時智能托盤的優(yōu)越性可使清空貨物的共享托盤及時返還回收，減少托盤延遲時間，從而獲得更高的托盤流轉率，有利于承運商預測并備貨。

（4）由于使用智能托盤還需要配套相應的基礎設施，所以閉環(huán)運輸系統(tǒng)中還需要在固定成本中計入智能托盤的基礎設施配套費用。

2 模型建立

在閉環(huán)運輸系統(tǒng)中，基于傳統(tǒng)托盤和智能托盤的運營成本函數(shù)可建立出系統(tǒng)的總成本與效益測算模型。

2.1 傳統(tǒng)托盤的運營成本函數(shù)

由前面假設可知，傳統(tǒng)托盤返還數(shù)量會因丟失或清除而發(fā)生變化，存在如下兩種情況。

（1）當(1-)<1時

此時，需通過租賃/購置新托盤的方式來補足傳統(tǒng)托盤的減少量。因此，傳統(tǒng)托盤運營成本（N1）由三部分費用組成，即固定費用（N1）、可變費用（N1）和庫存費用（N1），表示如下：

式中，固定費用由固定檢查費用（IN）和訂單費用（ON）計算得到，按單位時間計算：

庫存費用由托盤在用時的單位庫存費用（u）、維修時單位庫存費用（r）、空盤待用時的單位庫存費用（s）與對應托盤數(shù)量的乘積之和得到，其中待用的空托盤數(shù)等于返還直接入庫的托盤數(shù)、維修后入庫的托盤數(shù)、租賃/購置新托盤數(shù)（包括舊托盤維修后新增的托盤數(shù)）和按需出庫時的變化托盤數(shù)之和。各階段托盤庫存量的變化，如圖3所示，庫存費用可表示為：

（4）

（2）當(1-)≥1時

此時傳統(tǒng)托盤的增加量大于托盤損壞數(shù)量，沒有新托盤租賃/購置。傳統(tǒng)托盤的運營成本（N2）同樣是固定費用（N2）、可變費用（N2）與庫存費用（N2）的總和，即：

式中，固定費用（N2）的計算，不租賃/購置新托盤則不考慮對應成本項，即：

可變費用（N2）中同樣去掉租賃/購置新托盤的成本項，增加需維修托盤的成本項，即：

庫存費用（N2）中，維修階段、空盤待用階段的庫存量發(fā)生了變化，如圖4所示，即：

綜上，傳統(tǒng)托盤的運營總成本（N）為兩種情形的運營成本之和：

2.2 智能托盤的運營成本函數(shù)

由于忽略智能托盤的丟失，智能托盤的運營成本函數(shù)顯得比傳統(tǒng)托盤簡單，如下所述。

智能托盤的運營成本（I）是固定費用（I）、可變費用（I）與庫存費用（I）的總和，即：

智能托盤的固定費用是托盤固定檢查費用（II）、訂單費用（OI）及基礎設施預期費用（II）之和，即：

智能托盤的庫存費用是托盤在用時的單位庫存費用（u）、維修時的單位庫存費用（r）、在庫待用時的單位庫存費用（s）分別與對應托盤數(shù)量的乘積之和，其中在庫待用的托盤數(shù)量等于返還直接入庫的托盤數(shù)、維修后入庫的托盤數(shù)、租賃/購置新托盤數(shù)和按需出庫時變化的托盤數(shù)之和。各階段托盤庫存量的變化如圖5所示，庫存費用表示為：

由此可得，智能托盤的運營成本函數(shù)（I）為：

2.3 系統(tǒng)運營的總成本

2.4 系統(tǒng)效益

在已知閉環(huán)運輸系統(tǒng)運營總成本的基礎上，為了探討智能托盤的價值情況，現(xiàn)假設效益為，下式成立：

3 數(shù)值實驗

基于上述參數(shù)標定，可以得到下式所示的運營總成本函數(shù)表達式：

上式是關于兩類托盤的需求率、返還率、維修率和破損率的二次函數(shù)，將式中第2、第3、第4、第6項的正號變換為負號，就得到效益函數(shù)。

3.1 返還率α對系統(tǒng)總成本的影響

圖6 傳統(tǒng)托盤的返還率對臨界值的影響趨勢

圖7 服從正態(tài)分布（方差0.003）的傳統(tǒng)托盤返還率對總成本C(a)和邊際成本的影響

3.2 損壞率φ對總成本效益的影響

圖8 損壞率φ對臨界值的影響

圖9 損壞率φ對總成本C和邊際成本的影響

3.3 損壞率θ對總成本效益的影響

E(θ)

圖11 損壞率θ對總成本C和邊際成本的影響

4 結 論

智能托盤具有識別、定位和數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，由于其較高的單位制造成本和基礎設施成本，其實際應用尚待研究。本文在Kim等[15]研究集裝箱循環(huán)流程、成本歸類、定價方案和擴散周期的基礎上，針對托盤體積小、易丟失和易周轉的特性，側重分析托盤共用循環(huán)流程，得到基于流程的成本測算方法，由此比較智能托盤和傳統(tǒng)托盤的運營成本和價值表現(xiàn)，得到的具體結論包括：

（1）假定智能托盤的單位使用成本是傳統(tǒng)托盤的2倍，且其基礎設施成本較高，此時，智能托盤的不易丟失、周轉較高的優(yōu)勢可帶來總成本15%～20%的降低。

（2）從成本效益角度看，智能托盤較高的使用價值和周轉效率，能更穩(wěn)定的保障托盤共用的開展。表現(xiàn)為低于特定值的傳統(tǒng)托盤丟失和損壞對總成本影響較小，超過特定值則成本波動較大，總成本隨傳統(tǒng)托盤返還率和損壞率呈連續(xù)、劇烈變化；而總成本隨智能托盤損壞呈連續(xù)、平緩變化，智能托盤表現(xiàn)出更穩(wěn)定的效益。

本文假設在閉環(huán)供應鏈托盤共用環(huán)境下，構建智能托盤和傳統(tǒng)托盤混合共用的成本和效益模型，選取擾動系統(tǒng)總成本的主要變量展開深入分析，發(fā)現(xiàn)智能托盤更有利于降低共用成本和推行托盤共用。

[1] 吳清一. 論中國托盤共用系統(tǒng)的建立[J]. 鐵道貨運, 2005(9): 1-5.

[2] 周康, 何世偉, 游玲君. 基于鐵路運輸?shù)耐斜P共用模式研究[J]. 鐵道運輸與經濟, 2013, 35(10): 83-87.

[3] ELIA V, GNONI MG. Designing an effective closed loop system for pallet management[J]. International Journal of Production Economics, 2015, 170: 730-740.

[4] 胡悅秀, 丁靜之, 丁樸. 鐵路開展托盤共用業(yè)務運營模式探討[J]. 物流工程與管理, 2018, 40(4): 45-47.

[5] WU J, REN J, LIU B, et al. Deterministic and multi-scenario models for pallet allocation over a pallet pool in a city joint distribution system[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2016, 8(1): 1-8.

[6] 何彥東, 林云, 王旭, 等. 不確定環(huán)境下托盤調度多目標優(yōu)化模型[J]. 系統(tǒng)工程, 2016, 34(11): 119-124.

[7] REN J, LIU B, WANG Z. An optimization model for multi-type pallet allocation over a pallet pool[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2017, 9(5): 1-9.

[8] 王征宇, 任建偉, 馬鈺淇, 等. 基于城市共同配送系統(tǒng)的托盤共用調度隨機規(guī)劃模型[J]. 公路交通科技, 2018, 35(4): 146-152.

[9] ROY D, CARRANO A L, PAZOUR J A, et al. Cost-effective pallet management strategies[J]. Transportation Research Part E, 2016, 93: 358-371.

[10] CARRANO AL, PAZOUR JA, ROY D, et al. Selection of pallet management strategies based on carbon emissions impact[J]. International Journal of Production Economics, 2015, 164: 258-270.

[11] TORNESE F, PAZOUR J A, THORN B K, et al. Investigating the environmental and economic impact of loading conditions and repositioning strategies for pallet pooling providers[J]. Journal of Cleaner Production, 2018, 172: 155-168.

[12] GRIMES-CASEY H G, SEAGER TP, THEIS TL, et al. A game theory framework for cooperative management of refillable and disposable bottle lifecycles[J]. Journal of Cleaner Production, 2007, 15(17): 1618-1627.

[13] HARIGA M GLOCK C H, KIM T. Integrated product and container inventory model for a single-vendor single-buyer supply chain with owned and rented returnable transport items[J]. International Journal of Production Research, 2016, 54(7): 1964-1979.

[14] BOTTANI E, MONTANARI R, RINALDI M, et al. Modeling and multi-objective optimization of closed loop supply chains: A case study[J]. Computers & Industrial Engineering, 2015, 87: 328-342.

[15] KIM T, GLOCK CH. On the use of RFID in the management of reusable containers in closed-loop supply chains under stochastic container return quantities[J]. Transportation Research Part E, 2014, 64: 12-27.

[16] GLOCK CH, KIM T. Safety measures in the joint economic lot size model with returnable transport items[J]. International Journal of Production Economics, 2016, 181: 24-33.

[17] REN J, CHEN C, XU H, et al. An optimization model for the operations of a pallet pool with both radio-frequency identification-tagged pallets and non-tagged pallets[J]. Advances in Mechanical Engineering, 2018, 10(1): 1-13.

[18] 牟能冶, 賈程方, 康秋萍, 等. 基于蟻群算法的共享快遞盒配送回收網絡優(yōu)化研究[J]. 交通運輸工程及信息學報, 2021, 19(1): 32-42.

Value of Intelligent Pallet for Pallet Pool in Closed-loop Supply Chain

QIU Xiao-ping, LUO Mao, TAN Yan-li, LIU Yu-chen

(1. School of Transportation and Logistics, Southwest Jiaotong University, Chengdu 611756, China; 2. National United Engineering Laboratory of Integrated and Intelligent Transportation, Chengdu 611756, China;3. Sichuan Key Laboratory of Comprehensive Transportation, Chengdu 611756, China)

Intelligent pallets, produced using “Internet+Logistics” provides a new development opportunity for palletized transport. However, the relative theoretical research on the application value of intelligent pallets has not been conducted in detail. Based on the pallet pool in a three-stage supply chain, a closed-loop recycling system mixed with intelligent pallets and traditional pallets and was established with eight phases in this paper. Furthermore, the total system cost and performance were investigated on account of the returned and broken traditional pallet, or the broken intelligent pallets in the circulation system. The experimental results show that the intelligent pallet could reduce the total system cost and promote efficiency more effectively, compared to the loss and turnover rate of the traditional pallet. In addition, the damage to the intelligent pallet positively correlated with the total system cost, whereas the moderate damage to the traditional pallet did not increase it. Consequently, the stability of the pallet pool system was improved by applying the intelligent pallet.

logistics engineering; pallet pool; cost model; intelligent pallet; closed-loop supply chain

1672-4747（2021）03-0031-11

U294.3；F760.3

A

10.19961/j.cnki.1672-4747.2019.01.005

2020-01-04

2020-03-05

2021-07-27

國家自然科學基金（61673320）；國家重點研發(fā)課題（2019YFB2101802）；教育部人文社會科學規(guī)劃基金（19Y5A630057）；成都市國際科技合作項目（2020-GH02-00064-HZ）；軟科學研究項目（2020-RK00-00370-ZF）；內江市科技孵化和成果轉化專項資金項目（基于區(qū)塊鏈和運力整合的區(qū)域物流協(xié)同系統(tǒng)研發(fā)與示范應用）

邱小平（1976—），男，教授，博導，研究方向為物流規(guī)劃與管理，E-mail：qxp@swjtu.cn

邱小平，羅茂，談艷俐，等. 閉環(huán)供應鏈中智能托盤共用的價值研究[J]. 交通運輸工程與信息學報，2021, 19(3): 31-41.

QIU Xiao-ping, LUO Mao, TAN Yan-li, et al. Value of Intelligent Pallet for Pallet Pool in Closed-loop Supply Chain [J]. Journal of Transportation Engineering and Information, 2021, 19(3): 31-41.

（責任編輯：劉娉婷）