轴辐式网络模型在现代航空物流配送中的应用研究

1、轴-辐式网络模型在现代航空物流配送中的应用研究摘要:现代物流必须将散布在不同区域的服务网点连接起来,构筑现代物流服务网络。实践证明,“轴-辐”式模型是整合物流资源、提高物流资源利用效率、降低物流成本的有效网络结构。“轴-辐”系统凭借规模经济和品种经济的优势,不仅可以提高企业竞争力和市场占有率,而且能够满足客户的多样性需求。然而,“轴-辐”系统在运距增加、运输拥挤以及环境污染等方面经常受到人们的指责。本文在系统阐述了“轴-辐”系统的基本原理,重点对枢纽区位、网络结构、网络成本以及网络演化过程等进行了论述,分析了“轴-辐”网络模型引入到现代航空物流配送中的优劣势,从而对“轴-辐”网络模型在物流配送

2、中进一步的推广应用提供方法指导。关键词:“轴-辐”网络模型;航空物流配送;规模经济效应;品种经济效应20世纪70年代中期以来,随着航空市场自由化和私营化、行业兼并与合并、掠夺性行为和行业进入的高门槛、垄断竞争加剧等一系列问题的出现和加剧,在美国和欧盟,多数航空公司普遍采用“轴-辐”系统的组织、管理、服务和运行模式,开展全球航空运输服务。“轴-辐”系统具有规模经济和品种经济的优势,它可为客户提供选择性的服务,降低航空成本,提高市场竞争能力, 扩大航空公司经济腹地,实现航空公司和区域福利最大化。如今,轴辐式网络模型被进一步发展,“轴-辐”系统被广泛应用于物流产业、计算机研发机构(R&D、信

3、息产业以及企业发展等领域。“轴-辐”系统已成为经济学、地理学和区域科学重要的研究领域。“轴-辐”式网络研究引起大家的重视,与美国航空管制政策放松直接相关。航空管制放松后,美国的航空产业结构发生了很大变化。除了航线可以自主定价外,放松管制还放宽了市场进入和退出的条件,有利于承运人扩张服务地域、重新配置航线结构,这种灵活性导致轴辐式航空网络得到快速扩张,现实需求引起有关轴辐式网络的研究得到广泛开展。一、“轴-辐”系统的概念体系(一“轴-辐”系统“轴-辐”系统的空间形态与自行车轮相似,为一节点路径系统(图1。枢纽(hub在国外诸多研究中被又称为switch、gate、concentrator、con

4、trol point 或access point。可以这样解释,乘客/货物从不同的出发地(spoke到达不同的目的地(spoke,或从相同的出发地到达不同的目的地,乘客/货物在“轴-辐”系统中都必须先到达一个中间地点(hub,在这里进行换乘、转载,然后享受优惠(discount的直达式运输服务,目的是为了集中交通流量,实现规模经济效益。12图1:“轴-辐”系统(二链路类型图2“轴-辐”网络链路等级在“轴-辐”系统中,链路(link 分为三个种类(如图2,分别为从辐(spoke 到枢纽或轴(hub 的链路(s1>H1或s2>H2,枢纽之间的链路(H1<>H2和从枢纽到辐的

5、链路(H1>s1或H2> s2,其中第一和第三类叫做分支链路或分支网络(tributary network,也被叫做地方性链路或可进入通道链路;第二种为支柱链路或支柱网络(backbone network,有时也被称为枢纽水平链路。实践证明,“轴-辐” 系统最大的特征是交通流量在支柱链路上高度集聚,导致交通流单位距离的运输成本降低,基于这一优势,即使运输链路稍长,但它往往还是有利于整个网络成本的降低。 3在“轴-辐”分支网络中,链路空间结构有星状网络(star network 、环状网络(ring network、路径网络(path network、树状网络(tree networ

6、k以及由它们组合而成的混合网络等(图3。图3:“轴-辐”系统分支网络类型(三网络结构如图4所示,由六个航空站构成的空间网络,组成四种网络结构:单枢纽网络(Mono-hub,双枢纽网络(Dual-hub,充分连接 diffuse 网络(Diffuse system-1,经济型 diffuse 网络(Diffuse system-2。在单枢纽网络(a中,所有航线必须经一个枢纽航空港(C起始/到达;在双枢纽网络(b中,所有的航线可经两个枢纽航空港(C 和 D进出;而在充分连接 diffuse 网络和经济型 diffuse 网络中,任意节点都可以作为枢纽(hub 的候选。图4:“轴-辐”空间网络结构

7、4(四枢纽区位类型依据辐(spoke 配置原则,国外学者把“轴-辐”系统枢纽区位布局模型划分为单一配置枢纽(single allocation p-hub location 模型和多重配置枢纽模型(multiple allocation p-hub location 两种类型。(1单一配置模型,如图 5(a ,每个节点只能与一个枢纽连接,即每个节点的全部要素流必须配置到一个枢纽,然后由枢纽进行转运到各个目的地,所以在每个节点上不需要对要素流进行拣选。(2多重配置枢纽,如图5(b ,每个节点可与一个以上的枢纽连接,因连接超过一个以上的枢纽,所以有必要在每个节点对要素流进行拣选,此模型虽然增加了网

8、络中的链路数量,但是减少了个体运输时间,降低了网络成本。图5:“轴-辐”系统枢纽区位类型(五“轴-辐”系统演化过程本文以国际航空枢纽及“轴-辐”系统发展过程为例来说明“轴-辐”系统四个阶段的演化过程(图6。第一阶段,初始树干状网络阶段(Major Destinations and Trunk Routs Stops ,网络空间结构极其简单,主要的起始点和目的地之间由唯一的航线连接,在沿途存在大量停留点,航空运营者沿着航线拾载、卸载,网络空间灵活性较低。第二阶段,新的中间停留产生阶段(New Intermediate Conditions ,由于经济效率、顾客多样化需求的驱动,在航空运输需求集中

9、的优势地理区位,往往产生新的航空运输中转集运枢纽,因而已有航空站点加速扩张,从而提高整个网络的服务效率。第三阶段,国际性航空中心发展阶段(International Hub Development and Proximity,由于航线集中和原有社会经济基础的优势,国际航空中心得以在全球范围内建立。第四阶段,国际航空中心转移阶段(Principal Axis Shift,由于航空运输在空间上的过度集中而导致客货流外溢,新的航空中心因此发展壮大并成为航空中心的副中心,承担部分航空流周转的任务。 图6 国际航空“轴一辐”系统发展过程5二、“轴-辐”系统的优劣势分析(一网络运行及规模经济效应“轴-辐”

10、式网络的出现和发展,扎根于“轴-辐”式网络结构自身的经济性,使用少量枢纽节点来作为集中、分配网络流的中心,通过网络流合并,网络运营商可以使用大型、相对更经济的网络设备,可以以更高的服务频度来提供网络服务,而网络用户则可以从更高的服务密度中受益。“轴-辐”系统是航空公司在航空市场供大于求的状态下,采取的一个竞争战略。“轴-辐”系统最突出的优势为规模经济,即在枢纽(Hub和链路上产生交通流的集聚。枢纽网络系统可以分成两层网络。第一层是枢纽节点组成的枢纽网络,在电信、通讯领域称这部分网络为主干网。第二层网络是非枢纽节点与枢纽之间的辐网络。“轴-辐”式网络的最主要的经济优势规模经济性主要发生在第一层网

11、络,即枢纽节点组成的网络。“轴-辐”式网络的优化分析主要集中在第一层的枢纽节点选址和第二层的网络连接设计两大领域。“轴-辐”式网络优化设计的第一步是将已知数量的枢纽布置在可选的枢纽候选点上。第二步是将网络中的非枢纽节点分配给第一步中确定的各枢纽节点。两者结合实现网络服务总成本最小化或网络覆盖范围最大化的目标。“轴-辐”式网络设计一般涉及网络出发地、目的地、潜在的枢纽候选节点、连接这些节点的网络连接,以及网络流量、节点间距离、单位服务成本等模型参数。网络运营商通常为枢纽网络中的枢纽节点之间的服务提供折扣服务(降低单位流服务的服务成本或服务时间。大部分学者认为采用“轴-辐”系统,由于打折(disc

12、ount因素能够吸引要素流集聚到网络中一个或几个点或链路上来,增加了链路上的交通密度,使采用大型交通工具成为可能,并进一步提高已有交通工具利用效率,实现多种交通工具在枢纽上以最短时间转乘或转载,使柔性化、多样化、个性化的“门到门”服务有可能实现,这样节点和链路的使用成本便会大大降低,从而实现规模经济效益。同时,在不同的航空公司之间建立联盟关系,实现枢纽和链路共享,从而实现社会流通总成本的降低。6(二品种经济效应国外许多经济学家通过大量的研究发现,航空运输业的竞争优势不仅来自规模经济,而且也来自品种经济。Strazheim(1962和 Sawers(1986研究发现航空公司增加业务量和航班数量不

13、会产生规模经济,即航空公司利润与其业务量之间不存在规模经济;Caves(1984、 Brueckner(1991指出航空公司的成本节约来自其空中交通网络的密度增加和航空网络的改进(即品种经济,揭示新增航线导致“轴-辐”系统地域范围扩展,从而导致整个网络的收益降低,但是网络的空间拓展能够为航空公司产生品种经济的竞争优势。具体表现为:其一,增加新的航线和航班,有利于其向腹地区域内的顾客做广告宣传, 促进航空公司腹地的拓展,从而使其占有相对较大的市场份额;其二,枢纽机场交通量的增加有利于航空公司使用较大的飞机或更有效使用飞机,也有利于提高飞机的负载率和飞机的利用率、从而降低成本;其三,把空中交通流量

14、集中到枢纽机场所增加的客货流量可支持更多的航班,使原来无利可图的航线变得有利可图;其四,表现在服务种类的有机结合,例如把客运和货运及邮件投递结合起来,把客运和旅游等其它服务结合起来,实现品种经济最大化。(三满足客户多样性需求“轴-辐”航空系统大大提高进出航班搭配的可能性,它把N条航线与一个轴心连接,在理论上可为N(N-1/2个机场提供中途只停一站的运输服务和另外N-1个额外的直航服务。航空公司为了在一个枢纽飞机场实现联程航班搭配的最优化,必须把抵达航班和起飞航班在合理时间内搭配起来,即必须把来自不同城市的航班到达一个枢纽航空站的时间安排在大约同一个时间,以方便旅客和货物的换乘、转载。较多的航线

15、和频率较高的航班对消费者是有利的,它允许乘客或货物选择一个比较适当的运输方案,多样化的选择更符合消费者的偏好。尽管与直航相比,消费者在枢纽航空站等待、乘机、换乘的时间可能会延长,但消费者可以通过价格优惠政策和乘坐较大而舒适的飞机得到补偿。78(四枢纽中心拥挤在“轴-辐”系统中,任何一个出发点的要素流首先要到达枢纽进行转运,由于枢纽能力限制,特别是在要素流集聚高峰期,可能导致“轴-辐”系统运输拥挤问题。在航空客运方面,航空主要枢纽站经常发生乘客拥挤、航班延迟和错过航班等现象;在货物递送系统中,面对庞大的供应链系统,成千上万的货种从各地汇集到周转中心进行分拣、递送,这对基础设施容量和管理技术提出了

16、挑战。(五网络成本的减少与运输距离的增加如图7所示,在完全连接网络(a中,实现从始点i 到目的地j 直接运输,中间没有停留 Ddirect=dij 。这种运输网络设计实现最少的运输时间,但是它形成了较多的连接,并且大多数未充分使用。在单纯“轴-辐”系统(b 中,所有的网络链路在枢纽开始或结束,不允许其他的连接,即客货流从起源地 i 经过枢纽然后到达目的地 j ,其总运距 D “轴-辐”=dih+dhj ,显然 D “轴-辐”> Ddirect 。由于链路数量的减少,导致要素流在支柱链路或分支链路上集聚,运送者能够使用较大的飞机或卡车等运载工具进行不同货种、轻重货物之间的配载运输,减少飞机

17、货卡车的使用数量,实现规模经济,从而降低客货运输费用。如(a 完全连接网络6条飞机航线飞行距离为7300km ,而(b “轴-辐”系统 4 条间接航线飞行距离仅为 4200km ,减少了73.8%。虽然“轴-辐”系统降低了总网络费用,但是它增加个体运输距离,因为大多数的运输路径不再是直接运输,而是改为经过1个或 2个枢纽的路径。(a 完全连接网络 (b FS 网络 图7“轴-辐”网络和完全连接网络成本比较9三、相关实例轴辐式航空包裹配送网络系统 “轴-辐”系统起源、发展、完善于航空运输领域。由于具有规模经济和品 种经济的优势， “轴-辐”系统被广泛应用于航空、物流地域系统和城市物流配送 系统、

18、邮政递送系统、紧急状况服务、商业贸易、建筑学和工程学、计算机网络 设计和电视转播网络以及跨国公司全球发展战略等领域。 许多经济学、地理学和区域科学学者普遍认为区域物流和城市物流的“轴辐”运输系统是大型运输公司、小区域以及通勤运输公司网络组织的最佳形式， 指出“轴-辐”系统结构要求交通运输在时空上集中，建设区域性多功能的枢纽， 通过枢纽的拆箱、分拣、转运和配送，实现全程物流管理，要求各种交通方式在 系统中特别是在节点上协调分工，实现无缝衔接。如美国电力和天然气等能源供 应“轴-辐”系统、美国国际汽车制造业供应基地及其北美经销商之间的区域性 物流运输网络和日本大阪区域公共物流管理终端(多公司分配中

19、心“轴-辐”系 统，均采用了“轴-辐”系统模式，实施有效率的物流管理，取得了减轻交通阻 塞和环境污染、降低能源消耗和劳动成本的良好效果。 航空包裹配送网络是轴辐式网络结构得到应用成功的又一个典型领域。 在全 球著名的联合包裹服务公司的轴辐式包裹配送网络中(图 8，每个包裹需要经过 三个主要环节： O rig in O rig in D e stin a tio n R o u te Spoke H ub O rig in R o u te C o n so lid a tio n D istrib u tio n F ra g m e n ta tio n 图 8 UPS 的轴辐式配送网络结构

20、示意图 10 1.收集环节 UPS 根据服务时间计划，精心设计每一条包裹收集路线，及收集 停靠点。每个区域操作中心收集的包裹都要送到网络枢纽进行分拣作业，由于 UPS 在全球只建立了六个超级枢纽，因此有的区域操作中心到枢纽的距离可能会 很远。 2.分拣环节到达枢纽的包裹经过卸车作业后， 根据包裹目的地的地理位置进 行分拣，然后所有同一方向的包裹被装运到飞往该方向的同一架飞机上。 3.分发环节到达目的区域操作中心的包裹通过卡车或小车分发到用户手中。 目前联邦快递(FedEx、联合包裹服务(UPS、敦豪(DHL等世界主要包裹快 递服务公司均采用轴辐式网络系统，通过将北美、亚洲和欧洲的包裹集中到孟菲

21、 斯、新加坡、法兰克福等地的枢纽节点，经过分拣后，转运到世界各地，再通过 地面运输网络配送到用户手中。 我国的一些民营快递公司，也开始尝试建立自己 的轴辐式网络，来提高运营效率、缩短服务时间，全面提升企业综合竞争优势。 随着需求的改变，FedEx、UPS 等传统包裹快递服务商都向物流服务综合供 应商转型。 轴辐式网络也成为物流产业的典型网络结构。轴辐式物流网络的枢纽 是配送中心(物流中心， 配送中心通过将各地不同供应商、 生产企业的产品集中， 经过分类、 再包装等作业后， 打包、 组合配送到各零售商或直接配送到客户手中。 目前美国主要的物流运营商 Norfolk southern、Yellow

22、 Freight 等都采用 轴辐式网络结构。实践证明，采用轴辐式网络结构，可以降低物流运输成本，提 高仓库利用率，降低库存积压，从而实现最大程度的成本节省。 四、结语 实践证明“轴-辐”式模型是整合物流资源、提高物流资源利用效率、降低 物流成本的有效网络结构。 “轴-辐”系统凭借规模经济和品种经济的优势，不仅 可以提高企业竞争力和市场占有率， 而且能够满足客户的多样性需求。 然而， “轴 -辐”系统在运距增加、运输拥挤以及环境污染等方面经常受到人们的指责。本 文通过对“轴-辐”系统基本原理，特别是对枢纽区位、网络结构、网络成本以 及网络演化过程等进行论述，来分析“轴-辐”式模型引入到航空物流配

23、送中的 优劣势，从而对“轴-辐”式模型在物流配送中进一步推广应用提供一些指导。 11 参考文献 1 孙晓燕:论我国公路运输业向现代物流业的转型J.商场现代化,2005(16. 2 张世翔,霍佳震.基于轴辐式网络模型的长三角地区城市群物流配送体系规 划研究J.管理学报,2005(2:194-199. 3 卞文良,鞠颂东.网格影响下的物流网络及其对物流企业运作的作用J.中 国软科学,2006(6:140-145. 4 翁克瑞.轴辐式物流网络设计的选址与路线优化研究D.武汉:华中科技大 学,2007(5. 5 王瑞.陕西省物流业发展现状及对策研究D.西安:西安理工大学,2006. 6 施晓岚,许宗桢

24、,郭晓汾.基于轴辐式结构的应急物资动态调度网络研究J. 物流技术,2008,27(9:87-90. 7 张健,李琳,胡红春.快速货运轴辐式网络研究J.物流技术,2008,27(1: 25-27. 8 杨益华,陈菊红,范静.第三方物流关系演化过程中企业电子商务准备分析 J.科学决策,2009(11:53-59. 9 Bryan, Deborah L.O'Kelly. Hub-and-spoke networks in air transportation: an analytical review.J.Journal of Regional Science, May 1999, Vo1.39,Issue2. 10 Morton E O'kelly. A geographer