スマート宅配ロッカーにおける容量と時間窓制約を持つ持続可能なロケーション・ルーティング問題のための二段階最適化モデル

都市生活において賢い荷物配送が重要な理由

オンラインショッピングによってほとんど何でも自宅に注文できるようになりましたが、それに伴うバンやオートバイ、交通渋滞には見えない代償があります：街路の混雑、大気汚染、そしてコスト上昇。本研究は、利用者が都合の良いときに荷物を受け取れるセルフサービス式の「スマート宅配ロッカー」を、汚染と交通量を抑えつつ迅速で信頼できるサービスを維持する形で計画・ルーティングする方法を探ります。テヘランの実データを用いて、数学、地図、そして巧妙なアルゴリズムがラストマイル配送をよりクリーンで安価、公平にできることを示しています。

玄関先の混乱から共有受取拠点へ

論文は単純な観察から出発します：地域のデポから各顧客への最後の区間が、電子商取引で最もコストと汚染を生む部分です。テヘランのような大都市では、車両やバイクによる日々の数百万回の移動が交通を遅らせ大気を悪化させます。スマート宅配ロッカーは異なるパターンを提示します。多数の車両が多数の玄関先に停車する代わりに、より少数の車両がロッカーネットワークを巡回し、顧客は短い距離を歩いて荷物を受け取ります。従来の研究はロッカーの配置や設計、顧客満足度を個別に検討してきました。本研究はこれらを統合し、ロッカーをどこに置くか、車両をどのようにルーティングするか、費用・サービス・環境影響をどう均衡させるかを同時に問います。

二つの連動する意思決定：ロッカーの配置と車両の動き

これに取り組むために、著者らは二段階の最適化モデルを構築します。第一段階では、ロッカー設置候補のうちどこを開設するか、各ロッカーが扱うべき荷物量を決めます。ここではロッカー容量、設置コスト、顧客が許容する移動距離などを考慮します。第二段階では、中央デポから選定されたロッカーへの配送ルートを設計し、車両容量、走行時間、ロッカーをサービスできる時間窓などの制約を守ります。複数の目的（ロッカーの建設・運用コスト削減、ドア配送が必要となる拒否荷物の回避、走行距離と燃料消費の縮小、サービス時間の厳守）が組み合わされ、可変の重み付けでこれら競合する目標を単一のスコアに統合します。これにより運用者は、優先度に応じてコスト削減、速度、排出量削減を強調できます。

混雑した実世界地区でのモデル検証

この枠組みは、交通混雑と需要密度の高いテヘランの中心地区を詳細に事例研究として評価することで試されます。既存ロッカー、顧客、距離、車種、燃料使用量、時間制限に関するデータをモデルに投入しました。結果は、需要の高い場所—住宅地や商業地の近くなど—に慎重にロッカーを配置することで、多くの荷物を少数のルートに集約できることを示しています。最適化されたネットワークは、構造化されていない配送パターンと比べて総走行距離、運用コスト、炭素排出を削減しつつ、顧客が不便にならない程度にロッカーを近接させます。許容移動時間や距離、各目的の重要度を変えるシナリオ解析により、厳しい時間制約や環境重視といった政策選択に対してネットワークがどれほど敏感かが明らかになります。

賢いアルゴリズムは大都市でもスケールする

大都市ではロッカー、車両、顧客の数が多く、総当たりで最適解を見つけるのは非常に困難です。そこで著者らは、正確な数学的ソルバーと、自然現象に着想を得た三つの探索ベースの手法（メタヒューリスティックアルゴリズム）を比較します：Keshtelアルゴリズム、遺伝的アルゴリズム、焼なまし法。小規模問題ではすべての手法が正確解と照合され精度が確認されました。中規模・大規模問題では正確ソルバーが行き詰まる一方で、Keshtelアルゴリズムは特に多数のロッカーや車両が関与する場合に、より良い解を短時間で提供しました。これは都市規模のロッカーネットワークが、日次や週次の計画に実用的な速度で最適化可能であることを示唆します。

都市、事業、住民に広がる利点

よりクリーンな物流に加えて、本研究は社会的・経済的な利得にも言及します。ラストマイル配送のコストと複雑さを下げることで、共有ロッカーネットワークは小規模配送業者や地元店舗が大手ECと競争する助けになり、独占的な力を緩和して消費者に選択肢を増やします。サービスが富裕層地域だけでなく、交通ハブ周辺や混住地域、サービス不足地区に戦略的にロッカーを配置することで、これらの利益をより公平に分配できます。著者らは、スマートロッカーを電気車両や再生可能エネルギーと組み合わせれば、環境面での利得がさらに深まると論じています。

日常の買い物客にとっての意味

一般の買い物客に向けた結論は明快です：玄関先配送に固執するよりも、近くのスマートロッカーで荷物を受け取る選択は、よりクリーンで効率的な都市づくりの一助になり得ます。本研究は、適切な計画と適切なアルゴリズムによって、ロッカーネットワークが配送交通、燃料消費、排出量を大幅に削減しつつ利便性を損なわないことを示しています。電子商取引が拡大し渋滞が深刻化する都市が増える中、本モデルのような手法はラストマイル配送を再設計し、買い物客や小規模事業者、都市環境のためにより良く機能させるための道筋を提供します。

引用: Ghadirpour, S.M., Chaharsooghi, S.K. & Hajiaghaei-Keshteli, M. A two stage optimization model for sustainable location routing problem with capacity and time window constraints in smart parcel lockers. Sci Rep 16, 11514 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41653-6

キーワード: スマート宅配ロッカー, ラストマイル配送, 都市物流, 持続可能な交通, ロケーション・ルーティング最適化