城市地面地下一體化物流網絡貨運性能研究

陳 慧， 胡萬杰， 陳一村

(1.安徽財經大學財政與公共管理學院， 安徽 蚌埠 233030； 2. 北京工業大學城市建設學部， 北京 100124； 3. 軍事科學院國防工程研究院， 北京 100086)

0 引言

2021年全國網上零售額達到13.1萬億元，同比增長14.1%，其中，快遞業務量首次突破1 000億件，同期增長超過30%。作為供應鏈的末端環節，城市物流承擔了重要的經濟社會職能，其市場在急速擴張的同時，也對社會和環境造成了嚴重負擔[1]。一方面，市區道路無法承載激增的供貨需求，擁堵、限行等問題已成為制約國民經濟流通的主要“瓶頸”；另一方面，低效率行駛致使城市污染和能耗問題日趨嚴重，貨車尾氣排放在城市霧霾成因中占比超過20%。現階段的物流供應方式難以支撐城市“低碳、智能、高質量”發展。在此背景下，國家《交通強國建設綱要》[2]和《“十四五”現代流通體系規劃》[3]明確指出發展城市地下物流系統(underground logistics systems, ULS)，作為我國繼海、空、公、鐵之后的第5代新型物流及供應系統[4-6]，以促進城市擁堵治理和交通碳達峰，增強城市物流服務效能，釋放城市土地資源，提升新冠疫情期間應急物資供應水平[7-9]。

城市地下物流網絡設計是指依據道路貨運現狀，在滿足一定服務能力、客戶需求、投資預算、共同安全、環境和運輸時空約束等條件下，以提高城市綜合貨運效能為目標，對ULS節點、隧道等關鍵基礎設施進行選址，并確定相關系統特征參數[10]。國內外針對ULS成網布局開展了長期的研究和工程探索。近年來，以上海港地下集疏運系統[11]、北京城市副中心地鐵貨運系統[12]、瑞士CST城際地下貨運系統和美國Hyperloop One真空貨物管道等為代表的一批新型地下物流項目引起了廣泛關注，并已得到實質性的政策支持。

然而，“入地”并不代表著替代傳統貨運方式， 由于地下工程造價高且建設周期長，ULS長期的定位應當是城市綜合交通運輸系統的重要補充。學界普遍認為構建立體協同的城市物流配送機制是未來ULS的重點發展方向[13]。基于這一思路，本文通過刻畫包含地下干線、地下支線和道路交通的地面地下一體化物流網絡，分析地下物流運行參數對一體化網絡貨運性能的影響機制，以期為基于ULS的城市物流系統規劃和資源配置提供依據。

1 一體化網絡構建思路

地面地下物流一體化是城市綜合交通運輸體系發展的高級形態，選擇城市靶區建立ULS節點，將“入城難”“配送難”的貨物轉移至地下，實現城市空間的合理利用與立體協同。不同于獨立成網的ULS系統，一體化網絡規劃旨在實現當前城市物流體系與地下基礎設施(新建或已建)之間的功能耦合，以“共建”代替新建，最大程度地降低項目投入。此外，廣泛分布的ULS節點充當了多式聯運樞紐，有助于促進城市交通物流資源配置的集約化，實現運輸模式面臨突發事件時的快速切換，增強城市供應韌性。

1.1 網絡結構

城市地面地下一體化物流網絡結構示意圖見圖1。在道路配送模式下，外部貨流首先抵達城市物流園區、碼頭堆場、倉庫等上游設施，由卡車運輸至各市轄區設立的商貿/快遞配送中心，隨后轉運至廂式貨車和快遞小車發往社區網點或末端場站，實現最后交付。在ULS模式下，考慮設置地下干線網連通園區與地下物流樞紐節點，樞紐節點須配置裝卸搬運、轉運倉儲、拆箱分揀等必要的功能區及處理設備，可利用既有配送中心的地下空間建設，也可以設立在醫院、CBD、大型場館等重要建筑處。以樞紐節點為中心，在其附近的配送網點/場站、地下商場、車庫、地鐵站或人防設施等位置布設地下物流末端節點，同時建立貨運管道連接樞紐節點與末端節點，形成地下支線網，支線管道可考慮與綜合管廊共建。軸輻式網絡布局能夠有效整合運輸資源，提升物流效率和規模經濟[14]。

圖1 城市地面地下一體化物流網絡結構示意圖Fig. 1 Demonstration of urban surface-underground integrated logistics network

1.2 運營模式

ULS服務范圍同時涵蓋社會功能型物流、生產商貿物流和第三方快遞物流，根據流向又分為入城貨流、同城貨流和出城貨流。在運輸組織方面，一體化網絡規劃的重點在于根據貨流類型確定其支干線運輸模式并組建合理的業務鏈。以快遞物流為例，各快遞企業通過與ULS運營商合作，可將自身配送業務中的地下運輸部分交由統一的ULS運營商承擔，而最終交付仍由快遞員完成。對于企業而言，僅僅是其城配業務中的干線或支線運輸過程發生了變化，而業務本身并沒有實質性的改變，不影響其崗位需求和品牌價值。另外，在商貿物流方面，生產商、園區承運人、ULS運營商、零售企業之間通過建立物流聯盟，根據不同城市交通環境為托運人提供一體化的運輸服務，例如，在擁堵地區和卡車限行時段優先利用ULS開展貨運。

2 一體化網絡運行關鍵參數設計

2.1 地下貨運載具制式

目前，世界各國已針對不同ULS開發場景提出了多種地下運載制式，當前主流載具的基本參數如表1所示，包括速度、裝載量(以5 898 mm×2 352 mm×2 390 mm、載質量17.5 t集裝箱為參照)、通道直徑、最大編組數和最小發車間隔。發現適用于城際物流、港口集疏運的干線運輸線路普遍采用直徑為5～8 m的隧道，配合速度為60～80 km/h的專列，按照與地鐵類似的固定時刻表組織行車，實現大批量貨物點到點快速轉移。為了在局部城區開展高頻次、高可達性的地下包裹配送，項目普遍采用小直徑管道制式設計支線網絡，并搭載25～45 km/h編組式膠囊車或自動導向車。

表1 城市地下貨運載具設計參照Table 1 References for urban underground freight vehicle design

2.2 地面地下綜合運輸成本

依據隨機效用理論，地面地下一體化物流網絡的綜合運輸成本可通過運輸時間、貨運費用、延誤程度和隨機干擾因子加權表示，如式(1)所示。

C=e1·運輸時間+e2·貨運費用+e3·延誤程度+φ。

(1)

式中:e1、e2、e3為權重系數;φ為隨機干擾因子。

定義m1、m2、m3分別為道路運輸模式、地下干線運輸模式和地下支線運輸模式，p為一體化網絡中從任意始發地到達任意目的地的流量，利用運輸模式與流量的上、下角標組合反映不同模式下的運輸線路特征。

2.2.1 城市道路運輸成本

物流延誤程度由載具在節點的裝卸排隊時間表示，排隊時間越長，延誤程度越高。將延誤影響轉化為效用成本，路網運輸成本受貨運時間、貨物節點等待時間、地面運輸費率和事故損失成本的影響，可表示為

(2)

(3)

貨車日常運輸時間和頻率具有周期性，流量p在前端配送中心的等待時間表示為

(4)

(5)

2.2.2 地下貨運成本

ULS運行具有高自動化、無人化的特點，相比于道路運輸，其事故損失成本可忽略不計。地下貨運成本受運輸時間、節點等待時長和固定費率的影響，可表示為

(6)

流量p的地下干線運輸時間

(7)

(8)

ULS支線運輸采用小直徑管道，在滿足一定末端節點泊位的條件下，載具的等待時間可以忽略不計，該部分運輸成本可表示為

(9)

2.2.3 運輸模式轉換成本

(10)

2.3 地下設施容量

一體化網絡容量由樞紐節點貨物處理能力μ1、樞紐節點貨物轉運能力μ2、隧道貨物通行能力μ3和管道貨物通行能力μ4構成，表示為U=(μ1,μ2,μ3,μ4)。其中：μ1由地下節點建設規格確定；μ2表示為樞紐節點配備的轉運設備套數與貨物轉運效率之積；μ3和μ4通過載具的最小發車間隔、容量和最大編組數進行計算。

3 一體化網絡貨運性能模擬分析

3.1 案例設置

從地面地下一體化物流網絡運行效能的角度分析ULS網絡參數與網絡性能之間的互動影響機制。根據Hu等[15]提供的北京市五環城區物流設施分布數據及路網數據，構建一體化網絡計算案例。圖2(a)示出了北京市3個主要物流園區、15個市轄區配送中心、73個社區快遞網點和商場貨物堆場的地理位置，以這些位置為基準設立了15個樞紐節點和73個末端節點，按照圖2(b)中的假設布局建立隧道區間(24條)和管道區間，確定節點分配關系。

(a) 地面路網層

(b) ULS網絡層圖2 地面地下一體化物流網絡案例(以北京市為例)Fig. 2 Surface-underground integrated logistics network case (take Beijing for instance)

同時考慮入城貨流和同城貨流，假設任意網點的貨運需求量在15～25 TEU，從3個園區隨機發送，任意2個網點之間的貨運需求量在0～0.3 TEU隨機確定，分別得到規模為3×73和73×73的需求流量矩陣。在道路模式下，卡車以車隊形式發出，按照如表2所示的線路和發車頻率將入城貨流依次送達其目的地所屬的配送分揀中心(如圖2(b)所示)。卡車地面旅程受到不規則路網布局帶來的“繞路現象”影響。利用高德地圖API獲取高峰期某一時刻北京市主要街道通行速度，假設卡車行駛速度與路段速度保持一致，并且計算迭代過程中路網速度保持不變。

表2 道路運輸情景Table 2 Road transport scenario

地下運輸情景如表3所示。通過設置不同的發車頻率、速度和設施容量，模擬10種一體化網絡的地下運輸情景。其中，情景1為基準情景，根據表1的“貨運列車載具”和“CargoCap載具”確定相關參數取值，其余情景在情景1的基礎上調參得出。計算所需其他參數設置如表4所示。

表3 地下運輸情景Table 3 Underground transport scenario

表4 其他參數設置Table 4 Other parameter setting

考慮到城市物流的不同運輸過程存在地面地下模式選擇，本文根據運輸效率最高原則確定貨運方式。對于園區任意入城貨流，若利用干線隧道能夠更快地將貨物送達目的地配送中心，則優先選擇ULS，反之選擇道路模式；若基于末端管道的2級運輸效率更高，也優先選擇ULS，同城貨流的處理方式同理，與園區直連的隧道區間通行能力不限。

3.2 計算流程

利用MATLAB對地面地下一體化物流網絡運行狀態進行仿真計算，步驟如下。

1)步驟1。確定可達線路集，對地面地下網絡節點和路徑進行初始化，將有向圖網絡轉化為增廣狀態網絡。設置網絡路徑集合X、貨物流量矩陣Q、流量加載次數上限n=50，賦予初始網絡路徑更新閾值η1、轉運選擇次數η2、廣義費用接受程度η3。流量p的每次貨物加載量為ΔQp=Q/n。

2)步驟2。通過Floyd最短路算法計算可行路徑集合X1，若路徑xX滿足則將其加入流量為p的有效地下路徑集合其中，和分別為流量p通過隧道路徑x和地面路徑x的時間。根據式(2)、式(6)和式(9)，分別計算每條有效路徑上所產生的相關運費。將流量加載至每條地下路徑，當集合中所有的路徑都加載完成后，更新全局網絡狀態。

4)步驟4。對所有流量采取相同操作，當ULS網絡徹底飽和時，終止計算；否則，令n=n+1，轉向步驟2。

4 結果討論

4.1 運輸模式選擇

圖3示出情景1中的貨物運輸模式選擇隨流量加載的變化趨勢。在前期階段，大部分貨物由ULS全程運輸，少部分貨物選擇立體協同運輸方式，而道路貨運負載接近于0，說明貨物在低負載ULS網絡中的平均運輸里程最低，運輸效率明顯優于道路模式。隨著需求不斷擴大，全程道路運輸量和立體協同模式運輸量開始顯著增加，而部分流量由于干線隧道區間飽和而發生“地下繞路”現象，故更傾向于道路運輸。在加載的后期階段，立體協同模式占據主導，說明當貨運負載較高時，該模式能夠在分攤路網交通壓力方面發揮積極作用。

圖3 3種運輸模式的承運量變化(情景1)Fig. 3 Change of freight volume carried by three transportation modes (Scenario 1)

4.2 運載速度參數影響

情景1至情景4展示了地下發車頻率和設施容量相同但地下運載速度不同的運行環境，結果表明一體化網絡均能在地下設施未達到飽和的前提下完成全部貨運任務，如圖4所示。由圖4可以看出，地下運載速度對一體化網絡各模式所承擔貨運量的影響不大。此外，隨著地下運輸效率的提升，地下網絡流量顯著提高，而路網流量相對減少，總體運輸成本降低。通過比較情景2和情景3可以發現，地下干線提速對于降低運輸成本的貢獻明顯優于支線提速。

圖4 地下運載速度對網絡性能的影響Fig. 4 Influence of underground vehicle speed on network performance

4.3 發車頻率和設施能力參數影響

情景5至情景10的計算結果展示了地下物流發車頻率和設施容量對于一體化網絡運輸成本的影響，如圖5所示，發車頻率對于總成本的影響不顯著。比較情景1和情景5可以看出，將地下干線發車頻率提升1/3后，總成本僅降低了1.26%，而情景7至情景10的總成本相比于情景1分別提升了13.1%、5.2%、8.15%和17.6%。結果表明，相比于開展高頻地下配送或提升管道通行能力，提升樞紐節點處理能力和隧道通行能力更有助于促進模式轉移，從而降低網絡運行成本。

圖5 一體化網絡運輸成本變化趨勢Fig. 5 Variance trend of integrated network transport costs

在地下運載速度不變的情況下，提升設施容量能夠顯著提升地下總運力。圖6示出情景1、情景7和情景10貨運模式所承擔的貨量大小，發現立體協同模式下的貨運量增長曲線與全程ULS模式下的曲線交點呈向后遷移趨勢，地面運輸量的增長速度隨著樞紐節點處理能力和隧道通行能力的提升而下降。

圖6 地下設施容量對網絡運力的影響Fig. 6 Influence of underground facility capacity on network transport capacity

通過消除卡車里程，地下物流系統有望顯著降低城市道路交通事故損失。情景1、情景5、情景7以及未引入ULS背景下的北京市貨運交通事故成本對比如圖7所示。結果表明，地面地下物流立體協同能夠使得事故成本最多下降63.5%。另外，隨著地下發車頻率和設施容量的提升，一體化網絡在城市交通安全方面的外部效益略有增加。

圖7 ULS對城市道路交通風險的緩解作用Fig. 7 Role of ULS in alleviating urban road traffic safety

5 結論與建議

面對日益加劇的“大城市病”，充分利用地下空間構建“人在地面，交通存于地下”的“分層城市”已成為促進社會可持續發展的重要途徑。作為智慧城市的新載體， 城市地下物流系統為我國高質量地下空間開發和綜合交通運輸體系建設提供了有效著力點。在此背景下，探究面向實施的地面地下一體化物流網絡規劃具有重要意義。

本文構思了地下貨運與路網交通耦合形成的一體化物流網絡形態，通過模擬多種地面地下協同運輸情景，對不同參數配置下的一體化網絡貨運性能進行對比分析，得出以下結論。

1)相比于獨立開展地下貨運，道路與ULS的立體協同運作模式是城市物流高負載情景下的優先選擇。

2)地下貨運載具速度顯著影響網絡運輸成本，但對網絡總運力的影響不是決定性的，在成本削減方面，隧道提速的作用優于管道提速。

3)樞紐節點處理能力和隧道通行能力顯著影響ULS網絡運力和綜合運輸成本，提升地下線網發車頻率需要與配套設施容量相適應。

4)一體化網絡可以有效提升運輸效率，降低貨運交通事故風險。

針對城市地面地下一體化物流網絡規劃，提出以下3點建議。首先，應當注重網絡關鍵設施的能力建設，須滿足一定的容量冗余以應對需求激增的不確定性；其次，在“貨運時間價值提升最大”“擁堵緩解效益最大”“因地制宜”等原則下對ULS節點進行選址，合理制定網絡建設規模，使地下干線、地下支線與城市路網的貨運負載水平保持相對平衡，發揮ULS對道路貨運效率的重要補充機制；最后，應根據流量特征(如運距和貨量)制定地下貨運優先級，積極開展地面地下多式聯運，以實現不同貨物的分級、分批次運輸，促進城市物流降本增效和網絡高效協同運作。