在网络物理互联网中，运营商协作实现按需物流服务

《Computers & Industrial Engineering》：Carrier collaboration for on-demand logistics in cyber-physical internet

　　摘要
随着按需电子商务的迅速发展，物流需求转向了碎片化、时间敏感的订单，这通常迫使承运人优先考虑交付速度而非车辆利用率，导致装载率较低和空驶里程较长。虽然物理互联网（Physical Internet, PI）为协作提供了基础，但现有的机制仍然以枢纽为中心，并将每个运输单元视为不可分割的，使得上游的订单分组阶段未得到优化，且部分装载单元中的闲置能力无法交易。为了弥合这一差距，本研究提出了一个基于网络物理互联网（Cyber-Physical Internet, CPI）的订单到协作框架。该框架整合了三个组成部分。首先，一种“Out-of-Order”（OOO）聚类规则在订单接收阶段整合了碎片化的订单；其次，一种三状态“协议运输单元”（Protocol Shipment Unit, PSU）装载分类将每种装载条件与特定的承运人行动联系起来：直接路由、拍卖闲置能力或竞标外部能力；第三，通过CPI网络空间的装载、路由和货物表格对PSU内的闲置能力进行多属性组合拍卖定价。时隙离散化通过限制出价仅针对连续的时隙捆绑来大幅减少可接受的出价范围，从而缩小了分配问题的规模，并在测试配置中支持实时可行性。在大湾区物流网络上进行的大规模数值实验表明，该框架将PSU的平均装载率提高了0.81%，运输成本降低了29%，二氧化碳排放量减少了23%，同时为拍卖方带来了71%的收入增长，为投标方节省了28%的成本。响应面分析进一步确定了联合参数调整的有效多目标运行区域。该框架推进了了对CPI中承运人协作的理论理解，并提供了一种具有潜力支持高效、盈利和低碳按需物流的结构化机制。

引言
按需物流市场由于电子商务的扩展和消费者对即时交付需求的增加而显著增长，预计到2032年将达到838.2亿美元，年复合增长率约为20.90%（Zion Market Research, 2024）。与此同时，订单模式已从传统的批量运输转向了碎片化、时间敏感的小订单（V. Grover et al., 2024）。为了满足交付承诺，承运人经常优先考虑速度而非车辆利用率，经常派遣半空或未充分利用的车辆。尽管承运人之间的协作被视为提高装载率和减少环境影响的一种解决方案，但现有的电子商务物流中的协作实践主要是静态的。这些方法缺乏能够将不断到达的订单与多个承运人不断变化的车辆装载计划整合的协作机制（Karam et al., 2021）。因此，协作中缺乏灵活性和效率降低了承运人的参与度。
物理互联网（Physical Internet, PI）作为一种新的承运人协作解决方案应运而生（Plasch et al., 2021）。受互联网的启发，PI将实物商品封装在标准化的、模块化的容器中，通过开放、互连的网络进行路由，以优化分配和可持续性（Montreuil, 2011）。PI尤其通过使承运人能够通过开放的PI枢纽交换请求来增强协作。在PI网络中，PI容器可以重新分配到物流节点中最有竞争力的承运人那里，例如PI-Hub（Xu & Huang, 2013）。PI中的运输网络互连概念对承运人协作具有巨大潜力（Pan et al., 2019）。然而，目前的PI协作仅限于在PI枢纽切换到最优承运人，关于从订单处理开始的动态协作规划及运输能力交易的研究较少。
网络物理互联网（Cyber-Physical Internet, CPI）通过将物理物流网络与数字互联网结构整合来扩展PI（Wu et al., 2024）。CPI旨在建立一个物流网络，该网络启用标准化的协议运输单元（Protocol Shipment Units, PSU）、CPI路由器和其他组件，以便在网络空间内通过信息和协议进行运输决策（Qu et al., 2024）。在CPI中，协作从传统的静态联盟转变为完全去中心化的动态资源池化，其中承运人和路由器通过网络空间持续共享实时能力、位置和需求数据。拍卖在促进协作中发挥着关键作用。CPI路由器和数字市场中嵌入了多层次的元拍卖，使发货人能够即时获取运输服务，承运人可以竞标碎片化的电子商务订单（Xu et al., 2025）。然而，这些协作方法仍限于单一PSU的大小，限制了它们应对当前电子商务物流需求的能力。对于碎片化需求，这可能导致PSU装载率低或枢纽等待时间过长。为了弥合这一差距，本研究旨在提出一个按需物流的承运人协作框架，以提高装载率并降低运输成本和碳排放。具体来说，我们寻求解决以下研究问题：
- 研究问题1：如何将按需订单与承运人的装载状态结合，以提高交付效率？
- 研究问题2：如何在CPI网络中建模按需物流中的承运人协作？
- 研究问题3：如何为承运人协作设计闲置运输能力的拍卖策略？
作为回应，本研究在CPI网络中引入了一个基于拍卖的承运人协作框架。我们提出了一种从订单接收开始的订单到协作架构：采用工业生产中的“Out-of-Order”（OOO）方法进行动态订单聚类，确保在做出任何路由决策之前优化装载计划。基于三种正式定义的PSU装载状态，每个承运人可以在三种行动中选择：直接路由高装载PSU、拍卖中等装载PSU的闲置运输能力或竞标外部能力以整合小批量订单。拍卖本身被建模为一种基于CPI网络空间的装载、路由和货物表格的多属性组合机制，并伴有支付规则。该框架通过在模拟的大湾区物流网络上进行的大规模数值实验进行了评估。

本文的结构如下：第2节回顾了相关文献；第3节提出了CPI中的订单到协作框架；第4节介绍了解决协作问题的拍卖和投标机制；第5节展示了数值实验和结果分析；第6节总结了本文。

按需电子商务物流的现状
电子商务物流随着即时交付需求的增长而发生了变化（Dablanc et al., 2017）。与传统依赖周期性整合以实现规模经济的物流不同，按需物流的特点是高频、小批量、时间敏感的订单（Lozzi et al., 2022）。Grover等人（2024）指出，这种转变不仅仅是处理更多量的问题，而是订单模式的变化，即订单变得更加碎片化：订单到达时间更加不确定。

CPI中的按需物流订单到协作框架
碎片化、时间敏感的需求暴露了静态、以枢纽为中心的协作的局限性。为了克服这些限制，本节提出了一个基于CPI的订单到协作框架，如图1所示。首先，我们将工业生产中的“Out-of-Order”（OOO）方法应用于承运人订单聚类。接下来，根据PSU的三种装载状态，我们提出了三种后续行动：直接路由完全装载的PSU、拍卖闲置的运输能力或竞标其他承运人的服务。

CPI中的承运人协作拍卖和投标机制
本节实施了第3.3节定义的PSU状态的容量交易。与传统的单价拍卖不同，我们引入了一种更适合CPI网络的多属性拍卖机制。该机制不仅考虑了货币出价，还考虑了时间和路线匹配等因素，以及投标人对拍卖方PSU装载率的贡献。该机制与CPI架构完全集成，利用了其去中心化的实时数据共享功能。

数值实验
为了验证所提出的订单到协作框架和多属性组合拍卖的有效性，本节在基于真实世界按需电子商务物流的模拟CPI环境中进行了大规模数值实验，该环境的特点是订单到达高度随机、需求模式碎片化以及承运人之间的动态互动。实验分析围绕三个互补目标展开。首先，我们量化了框架的效果。

结论
按需物流市场面临着交付速度与车辆利用率之间的日益增长的压力。向碎片化、时间敏感订单模式的转变持续迫使承运人派遣未充分利用的车辆，从而导致巨大的成本和排放惩罚。为了解决这种系统性低效率问题，本研究在网络物理互联网（Cyber-Physical Internet, CPI）网络中开发了一个订单到协作框架，该框架整合了三种互补机制：一种“Out-of-Order”（OOO）聚类方法。

作者贡献声明
徐新叶：写作 – 审稿与编辑、撰写原始草稿、软件、资源、方法论、调查、正式分析、数据整理、概念化。
程尧：写作 – 审稿与编辑、监督。
黄乔治Q：写作 – 审稿与编辑、资金获取、监督。

利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作结果的财务利益或个人关系。

致谢
我们非常感谢香港研究资助局专题研究计划（编号T32-707/22N）、研究影响基金（R7036-22）和香港创新及技术基金（编号PRP/007/25LI）的财务支持。

作者信息
徐新叶 | 程尧 | 黄乔治Q
香港大学数据与系统工程系，中国香港薄扶林