基于轴辐式网络的跨境电商海外仓库选址

来源：本站 | 发布日期：2023-02-28

0 引言

近年来,国内跨境电子商务出现了井喷式增长,不管是国内的双十一还是国外的黑色星期五,其需求量极大地刺激了跨境电子商务的发展.商务部2013年数据显示,我国跨境电商平台企业已超过5 000家,境内通过各类平台开展跨境电子商务的企业已超过20万家.同时中国电子商务研究中心数据显示,2015年上半年中国跨境电商交易规模为2万亿元,同比增长42.8%,占中国进出口总值的17.3%.据商务部预测,2016年中国跨境电商进出口贸易额将达6.5万亿元.

随着跨境电商的迅速崛起,其跨境时间长、包裹易丢失等缺点日益引起企业和消费者的关注,消费者对跨境电商物流水平的要求不断提升,因此便利、快捷的海外仓储物流服务成为跨境电子商务物流的发展趋势.海外仓服务是指由网络外贸交易平台、物流服务商独立或共同为卖家提供的货品仓储、分拣、包装、派送等一站式服务.卖家将货物提前存储到国外仓库,当买家有需求时,仓库可以第一时间对货物进行分拣、包装和递送.

在跨境电商方面,目前国外学者主要研究跨境电商的驱动因素和人们的消费动机,国内学者主要从政策方面研究跨境电商产生的影响并提出对策.WANG[1] 从香港人在深圳进行跨境购物的活动中,提出一种负二项式模型评估频繁跨境消费的驱动因素和社会经济特征.GOMEZ-HERRERA等[2] 研究了在欧洲电子商务市场中增强跨境电子商务的措施,结果表明跨境支付系统每增加1%的使用量可增加7%的跨境电子商务销售量,同时也表明英语语言国家在在线出口贸易上有很大的比较优势.YEUNG等[3] 从中国大陆到香港进行跨境购物的现象中,提出基于态度和行为的分割跨境购物的方法,并建立模型来预测消费者的集群情况.张丽霞[4] 研究了跨境电商中保税备货与直邮进口方式的区别和优劣,并提出了两种方式要注意的问题.李海莲等[5] 研究了跨境电商的通关制度,认为海关应通过创新和完善现行邮递商品管理制度,提高对数据的获取和分析能力,为跨境电商的发展提供更多便利.张丽娟[6] 研究了跨境电商的客户体验影响因素,采用案例法和问卷调查法分析消费者的特征因素,结果发现消费者年龄、职业和国别对其存在显著影响.

在选址方面,目前国内外学者主要运用轴辐式网络和启发式算法进行研究.WANGER[7] 提出了运用精确算法解决在无限制约束条件下集群轴辐式网络选址问题.YU等[8] 研究了在城市交通网络下的枢纽选址问题,包括候选枢纽节点选择和优化枢纽点的分配问题.RATH等[9] 研究了国际救援组织在灾难后为救援物资仓库选址的问题,建立了三目标的优化模型,用精确算法和启发式算法求解,结果表明用启发式算法获得的结果优于用精确算法得到的结果.王占中等[10] 用遗传算法求解考虑带有时间惩罚成本和价格折扣的多仓库选址模型,结果表明该模型能够得到经济合理的配送方案.胡志华等[11] 在综合考虑轴辐式网络支线运输费用、干线运输费用和建造费用的基础上,建立轴辐式网络重配置优化的混合整数规划模型,并通过仿真算例求解,结果表明网络的重配置能够有效减少物流运作成本.杨珺等[12] 考虑了带有延迟惩罚的节点完全性中断问题,建立节点中断的上下界模型,用改进的禁忌搜索算法求解,为轴辐式网络规划提供了参考.罗耀波等[13] 研究了带有退货和软时间窗的多仓库选址模型,用自适应混合遗传算法求解,并验证了模型和算法的优越性.

从上述国内外研究中可以看出:跨境电商作为新生事物,国内外研究相对较少,且主要从理论上对跨境电商进行阐述;在仓库选址上多运用轴辐式网络和模型来求解;对海外仓库方面的研究仅是定性探讨,没有涉及海外仓库选址.因此,可对海外仓库运用轴辐式网络进行研究,这对今后发展海外仓库具有更大的实际意义.

本文主要从海外仓库入手,以电商企业为出发点,建立以总成本最小为目标的海外仓库轴辐式网络模型,运用遗传算法进行求解,并针对具体案例进行分析计算,验证模型和算法的有效性,最后对海外仓库进行展望.

1 跨境电商海外仓库选址模型构建

1.1 跨境电商海外仓库轴辐式网络含义

跨境电商海外仓库轴辐式网络以海外仓库为主枢纽节点(轴),以国内卖家和国外消费者为次级辐节点(辐),与枢纽(仓库)之间的主要干道和连接枢纽(仓库)与消费者的辐条一起,形成一种相互联系的空间网络结构.相比于直通式网络(两个距离较远的节点直接相连),轴辐式网络的成本小得多.海外仓库轴辐式网络和直通式网络见图1.

图1 海外仓库轴辐式网络(左图)和直通式网络(右图)

1.2 跨境电商海外仓库轴辐式网络模型构建

1.2.1 问题分析

跨境电商海外仓库轴辐式网络随着枢纽选址的不同,其社会经济效益也不同.在计算总运输成本时,设各节点间的运量和距离已知.若在某一时段某仓库被选为枢纽仓库,则会产生一定的固定建设成本和仓储处理成本.在约束条件中,设置各枢纽仓库存储的货物必须满足各消费节点的货物需求量.本文研究的海外仓库选址问题以最小化固定成本、运输成本和时间成本为目标,并要求仓储货物满足各消费节点的需求量.

1.2.2 模型假设

网络中节点数量为n个,枢纽节点(仓库)数量为p个,卖家1个;卖家到仓库、仓库到仓库之间采用海运运输方式且享受一定的折扣α(0≤α≤1)[14] ;卖家与消费者之间必须至少经过1个枢纽节点且最多经过2个枢纽节点;消费者之间不能直接相连;仓库与消费者之间采用公路运输方式,且费率(即单位距离单位运输量的运输费用)相同;各节点容量无限制,且各节点间的运量、距离、费率已知;网络中每个仓库的建设费用在周期内是固定不变的,且仓储处理平均成本相同.

1.2.3 参数定义

i为卖家;j为消费者;k,m为枢纽节点(仓库);Wij为从卖家i到消费者j的运量;Lik为从卖家i到仓库k的距离;Lkm为仓库k与m之间的距离;Lmj为从仓库m到消费者j的距离;θ1为从卖家到仓库的海运运输费率;θ2为仓库之间的海运运输费率;θ3为从仓库到消费者的公路运输费率;当k=m时Xijkm为单点选址,由于每条货物流至少经过1个仓库,Xijkm取0或1;当卖家i被分配给仓库k时,Xik=1,否则Xik=0;ρk为仓库k的仓储处理费用;Ck为仓库k的建设成本;Tkj为从仓库k到消费者j的总实际花费时间;TUkj为从仓库k到消费者j的时间上限;g为商品到达实际时间晚于时间上限的惩罚因子;F为时间惩罚函数,当Tkj>TUkj时F=(TkjTUkj)g,否则F=0;Skj为0-1变量,Skj=1表示Tkj>TUkj,Skj=0表示Tkj≤TUkj;当k为枢纽时,Yk=1,否则Yk=0;Wikm为从卖家i出发,经过仓库k和m的运量.

1.2.4 模型构建

海外仓库的费用主要包括头程费用、仓储处理费用、仓库建设费用、晚于时间上限的惩罚成本[15] 和顾客退货成本(假设消费者到海外仓库的运费为总订单费用的0.5%).

式(1)为求总成本最小的目标函数,等号右边第一部分为卖家与仓库之间、仓库与仓库之间、仓库与消费者之间的总运输成本之和,等号右边第二部分为货物在仓库k中产生的仓储处理费用,等号右边第三部分为仓库k的建设成本,等号右边第四部分为时间惩罚成本,等号右边第五部分为退货成本;式(2)表示整个轴辐式网络中存在p个仓库;式(3)表示所有货流都至少经过1个枢纽;式(4)和(5)表示当k,m为枢纽节点时,卖家到消费者才能经过节点k,m;式(6)为从卖家发往仓库的流量平衡条件;式(7)表示从卖家发往仓库的运量小于从卖家发出的总运量;式(8)表示为满足规模效益,设置两个仓库之间距离大于1 000 n mile;式(9)表示Yk为0-1变量;式(10)要求Xijkm非负且不大于1.

2 算法设计

2.1 遗传算法设计

编码:采用实数编码的方法,将节点(国家)进行编号,用1,2,…,n代表n个节点.以5个枢纽节点为例,从15个编号中取5个作为基因取值,且不能重复.

初始种群:采用随机生成的方法生成初始解,设定种群大小为8.

适应度函数f(i):本文求解的目标函数为总成本z最小,而算法中适应度值越大则个体优越性越好,因此适应度函数一般采用目标函数值的倒数,即f(i)=1/(min z).

选择算子:采用轮盘赌选择与最佳个体保留相结合的选择策略,若某一染色体的适应度值大,则被选择的期望就大.这个方法的优点是好的个体被选中的概率较大,缺点是有些好的个体没有被选出,因此在每次进化后,都将最差的染色体替换为上一代中适应度值最高的染色体,以保证优秀的个体能够进行下一步操作.

交叉算子:采用部分匹配交叉方法,先用分布均匀的方法在将要交叉的父代个体中随机产生两个交叉点,将两点之间的片段设为交叉区块,再将两个交叉区块中的片段进行替换,见图2.在交叉过程中,E1'和E2'中出现了重复的基因,因此需要对其进行重组.将E1'和E2'中交叉线外出现的重复基因按交叉线内的映射关系进行互换,使染色体基因排列成合适的序列,得到E11'和E22'.

图2 染色体交叉操作

变异算子:采用互换基因位的方式,随机选取染色体上的两个位置进行对换,例如对于染色体E11',随机选择两个基因互换点(见图3).

图3 染色体变异操作

2.2 伪代码流程

3 以电商为例确定海外仓库选址问题

3.1 枢纽节点(仓库)的数目

假设卖家在上海,编号为0,海外仓库设在国外,以中海集装箱运输股份有限公司的外贸航线[16] 为例,选择南美航线、欧洲航线、非洲WAX2航线、澳洲新西兰航线和地中海航线上的各大港口所属的15个国家进行海外仓库选址.

随机选择枢纽节点的个数,设定总节点个数n=16,其中卖家1个,枢纽节点(仓库)为4个或5个.

3.2 备选枢纽节点(仓库)的选择

15个国家的编号为:1—美国,2—加拿大,3—墨西哥,4—英国,5—荷兰,6—德国,7—新加坡,8—澳大利亚,9—新西兰,10—南非,11—多哥,12—贝宁,13—西班牙,14—埃及,15—以色列.将这15个国家作为海外仓库的备选节点.查询船讯网[17] 得到各港口之间的距离(附表1),在世界银行网站和International Trade Center网站中的Trade Map数据库查询电子产品类(商品代码8518)得到各国之间贸易额[18,19] (附表2),通过公式计算得出对外贸易量.

3.3 参数计算

运费:海外仓库头程为海运,根据船公司海运运费可知,40英尺集装箱平均运输价格约为1 600美元,计算平均值θ1=5.3×10-5美元/(kg·km).设定卖家与仓库之间以及仓库与仓库之间转运时,享受一定的折扣α,α∈[0,1],根据当地物流公司的报价得出平均值θ2=6.9×10-5美元/(kg·km).从仓库到消费者之间的运费费率为θ3=6.1×10-5美元/(kg·km).

仓储处理费用ρk:由附表3可知0.15 kg的产品仓储处理费为0.804美元,则单位质量商品仓储处理费用为5.36美元.仓库建设成本见附表4.

为满足客户服务要求,需要对商品运输时间设定上限,设上限惩罚因子为10 000,时间上限见附表5.交叉率pc=0.45,变异率pm=0.06,最大迭代次数为150,种群规模为8.通过遗传算法的染色体交叉、变异操作,从15个国家中任意选择某几个国家,当其被选定时其仓库固定建设成本以及仓储处理平均成本被选定,且变动成本(包括时间惩罚成本和运输成本)与选择的国家相对应,从而将选中的枢纽节点的固定成本与变动成本相加.

3.4 结果分析

随机产生初始解,在MATLAB环境下运行,使用1.6 GHz CPU,4 GB内存,64位系统计算机,运行100次,通过变换枢纽节点个数和折扣系数求出总成本平均值,见表1.通过MATLAB绘图,得出轴辐式网络图(图4和5)和收敛结果(图6和7).

表1 不同枢纽节点个数与折扣系数的目标函数值与直通式网络成本比较结果

图4 4个枢纽节点(仓库)轴辐式网络图

图5 5个枢纽节点(仓库)轴辐式网络图

图4为4个枢纽节点情况下得到的轴辐式网络图.在该网络图中,将美国、荷兰、新加坡、澳大利亚设置为枢纽节点,并通过这些枢纽节点配送至相邻的节点,即:美国配送至加拿大、墨西哥;荷兰配送至英国、德国、西班牙、以色列、埃及、多哥和贝宁;新加坡配送至南非;澳大利亚配送至新西兰.图5为5个枢纽节点情况下得到的轴辐式网络图,与4个枢纽节点相比,前4个枢纽节点不变,增加南非作为枢纽节点,并对其相邻的节点进行配送,即:美国配送至加拿大和墨西哥;荷兰配送至英国、德国、西班牙、以色列和埃及;澳大利亚配送至新西兰;南非配送至多哥和贝宁;新加坡配送至其他地区.

图6和7分别为设置4个和5个枢纽节点时的总成本迭代收敛图,其中包括当目标函数值在迭代次数内收敛成一条直线时放大的图形.从图中可以看出,由于该遗传算法初始种群的随机性,总成本从不同的初始值开始,随着迭代次数的增长,通过染色体选择、交叉、变异等操作,其总成本均能在迭代次数为50左右时达到收敛.从图6和表1中可以看出,当设置4个枢纽节点时,其总成本平均值在折扣系数为0.6时达到最小,约为1.13亿美元,比直通式网络成本节约了16.70%.同理,从图7和表1中可以看出,在设置5个枢纽节点时,其总成本平均值在折扣系数为0.4时达到最小,约为7 757万美元,比直通式网络成本节省了约42.90%.

图6 4个枢纽节点(仓库)在不同折扣系数下总成本迭代收敛图

图7 5个枢纽节点(仓库)在不同折扣系数下总成本迭代收敛图

从表1可以看出,设计合理的轴辐式网络,在相应的国家建立海外仓库,相对于传统的直通式网络可以有效地降低成本,实现规模效益.然而,并非所有的轴辐式网络的总成本都小于直通式网络的总成本.当轴辐式网络设置3个枢纽节点,且在相应的折扣系数下进行运输时,成本反而会增加8.27%,说明当枢纽节点较少时,不管采取何种折扣,都不能得出最佳方案.

从上述结果可知,当在海外仓库轴辐式网络中分别设计4个和5个枢纽节点时,在折扣系数分别为0.6和0.4的情况下,成本能够达到较小,其相应的总成本节约16%和40%,能够实现规模效益.这对电商企业的海外仓库建设发展具有重要的指导意义.

4 结束语

本文主要研究了跨境电商海外仓库轴辐式网络枢纽选址问题,以最小化运输成本、固定成本、仓储处理成本、时间惩罚成本和退货成本为目标建立模型,以实际数据为基础,设置不同的枢纽节点数和不同的折扣系数对设计的遗传算法进行求解,给出海外仓库选址的具体方案和思路.本文主要从各地区对应货源的数量、运输的距离等因素进行选址,实际上各国的政策、文化等也会影响海外仓库的选择,这些因素将会在以后的研究中考虑.

在未来,海外仓库势必成为各大电商争抢的蓝海.在今后研究中,可能还会遇到其他问题,但在国内政策利好和需求攀升的刺激下,加上中国自贸区的发展,越来越多的跨境电商会随之兴起,海外仓库的发展必有广阔的发展空间.