城市軌道交通線路提供貨運服務(wù)的理論研究與實踐案例

馮 佳 ，劉劍鋒，金 奕，豆 飛，毛保華

（1. 北京交通大學城市軌道交通研究中心，北京 100044；2. 北京城建設(shè)計發(fā)展集團股份有限公司交通研究中心， 北京 100037；3. 北京市軌道交通設(shè)計研究院有限公司，北京 100068；4. 北京市地鐵運營有限公司，北京 100044）

1 發(fā)展概況

目前大城市綜合交通系統(tǒng)中存在兩個主要矛盾：一是客運需求的時空不均衡性與大規(guī)模軌道交通網(wǎng)絡(luò)可供給運能間的矛盾，二是日益增長的多樣化貨運需求與既有的單一城市貨運系統(tǒng)運輸產(chǎn)品的矛盾。一方面，早晚高峰時段客運需求強勁，部分區(qū)段滿載率超過120%；另一方面，在部分郊區(qū)線路或非高峰時段等客運需求不強烈的時空節(jié)點，線路、車輛和基礎(chǔ)設(shè)施未得到充分利用。與此同時，城市貨運需求隨著電子商務(wù)和物流系統(tǒng)的發(fā)展而快速增長，北京市快遞業(yè)務(wù)量自2010 年的1.8 億件增至2019 年的22.87 億件，年均增速超過37%。快遞類貨物占總貨運量的比例在15%～20%。而城市內(nèi)貨運服務(wù)全鏈條依賴于道路運輸，這進一步加劇了城市擁堵與交通碳排放。有研究表明，客貨運輸各占交通溫室氣體排放量的一半左右。在嚴峻的碳減排形勢下，有學者提出，未來城市物流的最大機遇在于公共交通和城市貨運的綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。與此同時，日本、荷蘭和美國的許多城市也推出了在非高峰時段運送貨物的共享地鐵倡議。

目前，利用軌道交通客運線路提供貨運服務(wù)的前期研究相對較少，筆者按理論研究和實踐探索兩類進行綜述，以期為后續(xù)研究提供參考。

2 理論研究

客貨運輸協(xié)同系統(tǒng)的系統(tǒng)布局及運輸組織流程，可借鑒城市軌道交通及高速鐵路的相關(guān)研究經(jīng)驗。

2.1 高速鐵路

在貨物運輸組織方法研究中，Troche 對高鐵貨物運輸進行了定義，確定服務(wù)高鐵貨運的列車開行速度應(yīng)高于200 km/h，并研究了高鐵貨運裝載、中轉(zhuǎn)及車輛技術(shù)，認為高鐵貨運應(yīng)服務(wù)于郵件和快捷貨物。針對高鐵網(wǎng)絡(luò)，Cacchiani 等基于客運列車時刻表，根據(jù)貨運需求增開貨物列車的時刻表和運行徑路進行優(yōu)化。Kordnejad 建立了一個以區(qū)域鐵路為基礎(chǔ)的多式聯(lián)運系統(tǒng)模型，通過實例研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可行最關(guān)鍵的影響因素是列車裝載空間利用率和終端裝卸成本。Talebian 等以單線鐵路乘客旅行時間損失最小和貨運需求損失最小為目標，構(gòu)建客貨列車時刻表的雙層優(yōu)化模型。Liu 等設(shè)計了先優(yōu)化客運列車、再優(yōu)化貨運列車的分解算法，以提升模型在規(guī)模問題下的求解效率。Yu 等先提出基于列車備選集的高鐵貨運列車開行方案的兩階段編制模型，后提出了基于開行方案和考慮貨流分擔的運行圖優(yōu)化模型。

既有高鐵客貨共運模型多針對增開貨物專列問題來優(yōu)化列車運行路徑和時刻表，這可為城市軌道交通客貨共運方案提供方法借鑒。但鐵路列車停站時分較長、車站倉儲能力充足，制定方案時主要考慮貨物運輸過程，對貨物裝卸和車站倉儲等問題考慮較少。而城市軌道交通停站時分較短，且車站用地緊張，不能直接照搬鐵路客貨共運技術(shù)。

2.2 低速軌道交通

由于城市地面交通擁堵加劇、尾氣排放、貨車駕駛勞動力短缺等多種因素，部分學者在利用城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)貨物運輸方面進行了探討。Rijssenbrij等首次提出利用地鐵系統(tǒng)的多余運能開展客貨混運的觀點。Kikuta 等將札幌市軌道交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)貨車運輸系統(tǒng)整合，提出了一個新的城市物流配送系統(tǒng)，實現(xiàn)了郊區(qū)到市中心貨物的有效運輸。Masson 等針對軌道交通開展配送的路線集貨與送貨問題，提出用分支價格算法解決的方案。Masson 等在分析地鐵運輸能力的基礎(chǔ)上，提出利用城市地鐵系統(tǒng)進行貨運，在白天非客運高峰實施客貨混運、夜間開通貨運專列的想法。Ozturk 等基于既有客運列車時刻表，在兩客運列車間插入一列貨運列車，利用既有客運站臺裝卸貨物，以最小化貨物送達延遲時間為目標，構(gòu)建混合整數(shù)優(yōu)化模型。Behiri 等以巴黎鐵路網(wǎng)為例，考慮利用既有客運車輛開展貨運服務(wù)，貨物采用標準化箱體為單位進行運輸；以貨物在起點站等待裝車時間最小為時刻表優(yōu)化目標，提出啟發(fā)式算法來求解大規(guī)模問題。

目前部分研究分別針對貨運專列和客貨共載形式下的列車時刻表優(yōu)化方法進行了探討，但未進一步討論編組、停站方案等開行方案的內(nèi)容，更未涉及系統(tǒng)建設(shè)層面；同時，優(yōu)化思路中對經(jīng)濟、社會效益缺乏必要考量。

2.3 研究現(xiàn)狀

1) 從研究方法來看，既有研究中，針對軌道交通系統(tǒng)在給定客運需求條件下能提供給貨運服務(wù)的能力未有明晰的定義，有待進一步深入研究。

2) 從理論深度來看，軌道交通客貨協(xié)同運輸系統(tǒng)的時空資源在多個維度、多個層面上受多種因素的影響，如何選取合適的研究方法刻畫該系統(tǒng)供給層面的關(guān)鍵參數(shù)，是急需突破的核心問題。

3) 從優(yōu)化目標來看，盡管近年來對客運軌道交通系統(tǒng)進行貨物運輸逐漸受到重視，相關(guān)研究也初見端倪，但主要集中在運營企業(yè)自身的效益層面，未能充分考慮社會效益。

4) 從決策層次來看，研究多集中在單一線路時刻表的優(yōu)化層面，未進一步討論停站方案、貨場選址等線網(wǎng)和開行方案層級的內(nèi)容，沒有充分釋放客運軌道交通系統(tǒng)的富余能力，在一定程度上限制了優(yōu)化效果。

3 實證案例

從國內(nèi)外研究綜述及新聞報道中總結(jié)既有的軌道交通進行貨運的案例，詳見表1。

運輸企業(yè)承擔貨運服務(wù)的一般合作模式及運輸流程分別如圖1、2 所示。

從圖1 可見，各貨主將貨物委托給貨運公司，運輸公司整合各貨運公司的運量后，提供貨運服務(wù)。

在以軌道交通方式作為運輸流程主體的情況下，可以提供兩類運輸服務(wù)：客貨混運和客貨混跑。客貨混運是指利用既有客運列車的車廂空間實現(xiàn)貨物運輸，客貨混跑則為在既有客運時刻表中插入貨運專列。兩種方式均應(yīng)包括貨物到達、處理，進入軌道交通系統(tǒng)，裝車、運輸、卸車，離開軌道交通系統(tǒng)，貨物處理、配送等環(huán)節(jié)，而客貨混跑由于貨運量較大，開行專列前往往需要貨物集結(jié)。

表1 軌道交通客運線路用于貨運的案例 Table 1 Cases of the rail transit passenger line used for freight transportation

圖1 運輸企業(yè)提供貨運服務(wù)的合作模式 Figure 1 The cooperative mode of transport enterprise for providing freight service

圖2 運輸流程 Figure 2 Transport process

3.1 客貨混運

客貨混運方式的運輸組織，重點在于客貨流線分離的可靠性、車廂空間利用方法的安全性，以及裝卸對客運的影響程度。下面介紹日本北越快線、高鐵極速達以及桃園機場捷運的運輸案例。

3.1.1 北越快線

北越快線客貨混載是在夜間運行的2 節(jié)車廂普通列車上進行的。由越后湯澤19:53 發(fā)至直江津21:12，直江津20:44 發(fā)至六日町21:48，共2 列，均在途中六日町—光草間搬運快遞行李，停車時分確保為3 min。采用的列車、裝卸過程及貨物在車廂內(nèi)的固定情況分別如圖3(a)～(d)所示。

圖3 北越快線客貨混運方式[21] Figure 3 Mixed passenger and freight transport mode of North Vietnam Express

北越快線貨運提前將貨物集裝，在列車車廂靠近車門處預(yù)留貨物固定空間，在既有停站時分內(nèi)實現(xiàn)裝車、固定、貨運工作人員下車的過程。

根據(jù)日本國土交通省資料顯示，以往卡車運輸距離為133 km。采用北越快線運送貨物，可將卡車行駛距離控制在20 km 以內(nèi)，減少88%的CO排放量和60%的卡車駕駛時間。

3.1.2 高鐵極速達

高鐵極速達服務(wù)，利用京滬高鐵“復(fù)興號”動車組車廂進行貨物運輸。“復(fù)興號”動車組共有2 節(jié)可運送“極速達”產(chǎn)品的車廂，每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)有行包專用箱，用來盛放藍色的快運柜，每個快運柜限重25 kg，如圖4 所示。

圖4 高鐵極速達[20] Figure 4 High-speed railway express

貨物到集散中心后，要經(jīng)過安檢、裝包操作、配載信息處理、上站裝運等環(huán)節(jié)。車站內(nèi)快運隊通過專設(shè)通道，利用小推車將藍色快運柜運至站臺，期間需做2 次安檢，需20～30 min；貨物候車，等列車到達站臺后，工作人員將24 個藍色貨運柜搬至車廂貨柜中，將其按照貨柜位置進行擺放，整個裝車過程約需十幾分鐘。貨物到達目的車站后，需站臺卸裝、配載信息核對、拆包操作、分揀裝卡車，再送至城市內(nèi)各個配送中心。

3.1.3 桃園機場捷運

桃園機場捷運系統(tǒng)開行直達車和普通車兩種，其中，直達車共5 節(jié)，第4 節(jié)為旅客車廂、第1 節(jié)為行李車廂。臺北車站的自動托運行李系統(tǒng)自動化水平較高，主要過程如圖5 所示。

圖5 桃園機場捷運 Figure 5 MRT of Taoyuan International Airport

利用捷運系統(tǒng)運輸行李是一種較特殊的貨物運輸形式，為客貨混編作業(yè)，且對裝卸效率要求較高。

3.1.4 混運案例特點

為了滿足零散化的貨運需求，3 個貨運實例均采用客貨混運的方式，即利用列車的某一節(jié)或幾節(jié)車廂進行貨物運輸作業(yè)。

1) 可利用車輛基地等作為貨物集散中心，既可避免對客運作業(yè)的干擾，也為貨物的集結(jié)、存儲以及裝卸作業(yè)、解編作業(yè)，提供更充分的作業(yè)時間和空間。

2) 若無車輛段等可作為貨物集散中心，就利用站臺進行貨物裝卸作業(yè)。為了提升裝卸效率，減少對客運作業(yè)的干擾，貨物可采取“運裝分離”方案，即利用固定型號的集裝器裝載貨物，并用人工小推車送至站臺，待列車停站后，以集裝器為單位進行貨物裝卸。

3.2 客貨混跑

客貨混跑方式的運輸組織重點在于貨運列車貨物集結(jié)與時效性、貨運列車的運行速度選擇、貨運列車開行方案對客運列車的影響程度。下面主要介紹德國包裹城際項目(Parcel InterCity，PIC)案例。

PIC 項目南北線由DB 貨運和物流服務(wù)提供商DHL 合作實現(xiàn)，于2000 年投入運營。貨運列車運行時速140 km/h，全長700 m。

列車基于漢諾威—維爾茨堡高速鐵路，分別從科恩韋斯特海姆(出發(fā)時間21:09)和慕尼黑—里姆(出發(fā)時間20:15)發(fā)至漢堡—比爾韋德(到達時間4:10)。反方向列車從漢堡—比爾韋德(出發(fā)時間20:28)開往維爾茨堡，并在那里分開。列車前部開往慕尼黑—里姆(到達時間4:25)，后部開往科恩韋斯特海姆(到達時間為3:17)。

客戶對包裹城際的要求側(cè)重于速度和高準時性。因此，選擇較高速度列車可在8 h 左右完成運行，以保證對公路貨運的競爭力。在前13 個月內(nèi)，包裹城際準時率達96%，每年可節(jié)省約1 300 t 的CO。

列車運行時間為夜間至次日凌晨，DHL 可以最大限度地利用白天時間進行快件的收集、包裝及安檢；次日列車到達目的地后，經(jīng)過卸載、分揀等操作，即可等待配裝送貨。這樣的安排符合快遞業(yè)“前半夜分揀，后半夜運輸，次日早晨派件”的優(yōu)化運作方式，如圖6 所示。

圖6 PIC 項目[19] Figure 6 Parcel InterCity Program

4 結(jié)語

綜上所述，利用軌道交通客運線路富余能力提供貨運服務(wù)的理論與實踐研究方興未艾，目前理論研究

多聚焦在客貨混跑方案的優(yōu)化上，實踐則以服務(wù)于小批量貨物的客貨混運案例居多。在實證案例中，考慮到降低小批量貨物運輸對客運的影響，均采用提前集裝、運裝分離形式，并對客貨流線進行分離，將對客運服務(wù)的影響降到最低。在利用車廂空間時有必要的固定設(shè)施，從而保障安全性。在有穩(wěn)定、大量貨物運輸需求時，采用客貨混跑形式；在目前客貨混跑案例中，采用與客運列車速度接近的較高速度的貨運專列在夜間運輸，從而保障時效性。

用軌道交通客運線路進行貨物運輸服務(wù)，與公路貨運相比，可有效降低交通碳排放，改善道路交通現(xiàn)狀，并提高貨運準時率，但貨運中托運人往往具有保持原有決策不變的特性。如何宣傳軌道交通貨運服務(wù)產(chǎn)品，以降低托運人的選擇慣性，值得進一步深入研究。