空軌系統在鐵路多式聯運集疏運中的應用前景探討

孫梅玉，李明高，高晴，熊家家

(1. 中車工業研究院有限公司 技術研究部，北京 100073；2. 北京交通大學 交通運輸學院，北京 100044)

我國鐵路多式聯運集疏運長期存在基礎設施設備配置不足、綜合物流成本高、運輸效率低的問題。鐵路專用線作為國家鐵路干線與港口、大型工礦企業、物流園區等無縫高效聯通的重要基礎設施，是暢通鐵路多式聯運“前后一公里”的重要舉措。但是由于建設成本高、征地困難等原因，碼頭與物流園區的鐵路專用線建設還相對滯后，且部分既有專用線由于使用成本高、能力不匹配、場間距離較遠等原因，仍需借助公路集卡完成集裝箱在堆場和站場間的轉運，導致鐵路專用線未能完全滿足港口、物流園區等多式聯運型樞紐的集疏運需求。而空軌系統作為一種空中軌道集疏運系統，能夠充分利用立體空間、延伸鐵路服務鏈條、提高裝卸效率，從而解決鐵路專用線建設征地難的問題，有效提升鐵路與港口、物流園區的無縫銜接水平，對增強鐵路多式聯運的市場競爭力具有重要意義。

1 鐵路多式聯運集疏運分析

1.1 鐵路多式聯運集疏運系統

多式聯運以港口、物流園區等為銜接中心，依托兩端水運、鐵路、公路網絡及其設施設備實現集裝箱的聯運。常見的鐵路多式聯運集疏運系統如圖1所示。其中，鐵路專用線通過深入銜接中心開辟的聯運作業區，達到各運輸子系統間相互協同、相互耦合的目的。

圖1 鐵路多式聯運集疏運系統Fig.1 Railway Multimodal Intermodal Transport and Hub Operations System

1.2 鐵路多式聯運集疏運存在問題

1.2.1 基礎設施配備不足

專用線是鐵路多式聯運集疏運中重要的銜接設施，但是由于早期規劃建設的鐵路缺乏與其他方式交通設施的銜接，導致我國主要港口專用線引入不足，物流園區內的大型企業普遍缺乏鐵路專用線連接，使得短途與長途運輸方式的設施銜接不足，無法很好地承擔轉運功能。根據統計，目前我國主要港口中，引入鐵路線的港口占比不到80%，內河港鐵路線路引入不足，全國23個大型港口的鐵路集疏運量僅占一成；物流園區公、鐵設施銜接水平普遍不高，只有37%的物流園區周邊5 km內具有鐵路貨運站(或園區具有鐵路作業線)，距離鐵路貨運場站5 km以內的物流園區比例為27%[1]。

1.2.2 運輸時效性較差

從多式聯運樞紐層面來看，第一，部分繁忙樞紐內部由于運輸路徑規劃不夠通暢，企業大量占用走行線裝卸車，使得專用線運輸壓力巨大，增加了鐵路多式聯運短駁耗時；第二，鐵路集裝箱辦理站分散，且要求列車滿軸開行以減少對線路能力的浪費，但由此增加了集結中轉時間。從場站內部配置來看，第一，部分車站、港口、物流園區由于缺少裝卸線或裝卸線長度不足，部分堆場、站場由于裝卸設備能力飽和，存在裝卸效率低下的問題，增加了鐵路多式聯運的運到時間；第二，由于各運輸方式銜接設備標準不統一，使得貨物在樞紐中轉時增加了二次裝卸，降低了多式聯運效率。

1.2.3 運輸成本較高

首先，各專用線、港口、物流園區在規劃時由于涉及范圍廣、協調部門多，缺少配套的政策與支持，使得各運輸方式間缺少一體化的設計與考慮，部分樞紐內部鐵路站場和堆場、倉庫、碼頭前沿等銜接不充分，使得專用線無法直接承擔多式聯運的轉運功能，需要公路短駁銜接，增加了運輸成本；其次，各運輸系統間的信息互通和設備聯動相對滯后，缺乏信息和資源的整合與共享，由于數據格式、字段內容、保密程度不同，目前依靠手動錄入數據既降低了多式聯運互聯互通效率，也增加了人員成本。

1.3 鐵路多式聯運集疏運發展方向

近年來國家層面的宏觀規劃強化建設現代化綜合交通運輸體系，推動鐵水、公鐵、公水、空陸等聯運發展，加快綜合貨運樞紐多式聯運換裝設施與集疏運體系建設等多式聯運發展策略[2]，這為解決鐵路多式聯運集疏運存在的問題提供了重要指導。在物理層面，除繼續完善多式聯運網絡運輸通道的建設外，應積極推進多式聯運樞紐內部的服務網絡銜接優化以及技術裝備的對接優化；在運輸組織層面，則應創新多部門合作機制、優化運輸組織模式、提升綜合服務水平，從而實現多運輸系統的高效協調。

未來，鐵路在解決多式聯運集疏運問題方面的建設重點應集中在鐵路專用線進港、進物流園區2部分[1]。對于進港鐵路專用線而言，其承擔海鐵聯運的集疏運功能，因此港口專用線的規模也將在一定程度上影響我國的海鐵聯運規模。雖然目前我國進港鐵路的建設較為緩慢，并且部分線路能力有限，“港鐵分離”的現象在部分港區仍無法解決，但進港鐵路專用線在提高鐵路運輸能力的同時也能緩和貨物集散對碼頭倉庫容量的要求，減少由于船舶到港時間不確定、貨流不均衡而引起的壓船壓貨現象，從而發揮港口的最大潛力，是實現鐵水聯運的重點；物流園區鐵路專用線則是推進“公轉鐵”的重要突破口，雖然現階段物流園區的公、鐵設施銜接水平普遍不高，但可開拓的空間巨大，發展勢頭將十分迅猛。

雖然對現有專用線進行改建或新建專用線能夠最大程度上解決鐵路在多式聯運集疏運建設中結構設置不合理、基礎設施不完善等物理層面問題，但從經濟性的角度出發，由此產生的高額的人力、物力以及時間成本并不適用于我國大多數港口和物流園區的現狀。而空軌系統由于高架在空中，具有占地面積小、線路適應性強、建設成本低廉的優點，能有效解決鐵路專用線建設困難的問題。以武漢陽邏港為例，由于整體規劃限制，鐵路集裝箱站場與碼頭前沿間有2.5 km距離且需經過社會通道，依靠社會車輛或內部集卡進行短駁不利于多式聯運的低碳發展以及鐵水聯運效率的提升，湖北港口集團因此規劃鋪設空軌系統以解決陽邏港鐵水銜接最后一公里的問題。

2 空軌系統構成及作業流程分析

空軌又稱為懸掛式單軌，其技術20世紀初起源于德國，20世紀70年代成熟于日本，最早應用于城市內旅客運輸[3]。2020年，中國中車股份有限公司在此基礎上研制了集裝箱貨運空軌系統，可應用于港口、物流園區等多式聯運場景[4]。以青島港前灣港區集裝箱智能空軌集疏運系統為例對空軌系統的構成及作業流程進行說明。

2.1 空軌系統的構成

空軌系統由動車系統、軌道系統、供電與通信系統、運行控制系統、信息系統、站點裝卸系統6部分組成。其中動車系統包含車架、轉向架、牽引與制動系統、提升系統和防護系統，用于貨運動車的水平運輸和垂直升降，可使得動車免受天氣影響全天候運行。空軌動車系統結構如圖2所示[5]；軌道系統包含墩柱、軌道梁、道岔梁等結構，在設計時應綜合考慮碼頭空間布局、最小作業空間、結構可靠性和維護成本等多方面的因素[6]；供電與通信系統為動車車體等配套設備提供牽引力和電源，供電系統由變電所、外部電源、接觸軌等組成，其位置應綜合考慮空間距離、經濟性等因素[7-8]；運行控制系統基于列車自動控制系統(ATC)，由列車自動監控系統(ATS)、車載控制器(VOBC)、計算機聯鎖系統(CBI)、區域控制器(ZC)、數據通信系統(DCS)等組成。智能空軌運行采用全自動控制，同時實現了智能調度、站點裝卸控制等功能，避免人為失誤造成事故；信息系統可分為空軌調度系統和車輛運輸控制系統2部分[9]。空軌調度系統通過平衡各方運輸需求，滿足碼頭運行、裝卸、調度、作業等復雜場景。車輛運輸控制系統以集裝箱運輸調度為核心，實現空軌動車與其他子系統設備聯動[10]；站點裝卸系統由上層的空軌運行控制系統、中層的站點裝卸管理系統(SMS)和終端的接駁輔助定位系統組成，以3層架構實現各裝卸站點的裝卸設備和空軌系統貨運動車之間的無縫銜接。

圖2 空軌動車系統結構Fig.2 Structure of motor car system in air rail system

空軌系統依托于高速動車組的運行控制技術，同時吸收了鐵路貨物運輸組織經驗，具有以下優點。

（1）高架在空中，占地面積小，不干擾地面作業。

（2）線路適應性強，環境適應性好。

（3）建設成本低廉，施工簡便。

（4）運行安全快速，維修成本低。

（5）智能化運行，能夠匹配自動化裝卸設備。

（6）可以實現小編組、高密度的集裝箱運輸組織。

2.2 空軌系統集疏運作業流程分析

空軌系統可架設在碼頭與鐵路站場間、物流園區與鐵路站場間、碼頭和物流園區間，使用信息系統獲取鐵路站場、物流園區以及港口的集裝箱信息及運輸設備和裝卸設備的調度信息并生成運輸計劃，依靠運行控制系統控制空軌動車運行至指定位置，通過和龍門吊、集卡、自動導引車(AGV)等地面設備的配合完成集裝箱抓放、裝卸與轉運。

2.2.1 鐵路端空軌系統集疏運作業

（1）鐵路卸車流程。鐵路卸車流程可分為落地或不落地2種，鐵路列車到達鐵路站場，龍門吊取箱后放至箱場堆存(或直接放置于場內集卡上)，由場內集卡運送至空軌裝卸線下方并完成對位，空軌動車系統抓取收箱后，運送至下一作業地點。鐵路卸車流程如圖3所示。

圖3 鐵路卸車流程Fig.3 Unloading process in railway transport

（2）鐵路裝車流程。鐵路裝車流程同樣可分為落地或不落地2種，空軌動車到達空軌裝卸線后，場內集卡完成對位，空軌動車系統下降落箱至場內集卡，場內集卡接箱后運送至箱場堆存(或直接由龍門吊抓取放至列車上)，在鐵路列車到達后，由龍門吊協助完成集裝箱裝車作業。鐵路裝車流程如圖4所示。

圖4 鐵路裝車流程Fig.4 Loading process in railway transport

2.2.2 碼頭端空軌系統集疏運作業

以空軌到達碼頭卸車為例，從鐵路端/物流園區端到達碼頭空軌裝卸線的空軌動車(重車)，在碼頭集卡或AGV完成精確對位后，空軌動車解鎖并將集裝箱下放至碼頭集卡或AGV上，集卡或AGV駛離裝卸區時系統復核箱體信息，并將集裝箱運輸至碼頭堆場。反之，經海運/內河到達的集裝箱也將在堆場由碼頭集卡或AGV運輸至空軌裝卸線，空軌動車裝車后，將其運輸至物流園區或鐵路站場。

2.2.3 物流園區端空軌系統集疏運作業

空軌動車(重車)到達物流園區端裝卸車流程可參照碼頭端作業流程，而到達物流園區的集裝箱一般由公路集卡運輸，故可根據作業時間決定是直接運輸至空軌裝卸線裝車，還是運輸至堆場再經由內集卡或AGV轉運至空軌裝車。

3 空軌系統應用前景分析

3.1 青島港空軌系統應用總結

青島港前灣港區集裝箱智能空軌集疏運系統是空軌貨運技術首次在港口集疏運領域的應用，能夠解決多式聯運中鐵路運輸和海運碼頭銜接弱的問題，同時也通過立交架構疏解了平面層公路短駁運輸同其他運輸方式交叉的問題，是港口建設智能化、綠色化的有益探索，也是空軌系統應用于鐵路多式聯運集疏運的典型代表。

通過總結青島港前灣港區的應用情況，空軌系統建設成本大約在鐵路專用線建設的1/2左右，包含維修成本在內的運輸成本在公路運輸的1/3左右，平均運行速度可達到15 km/h。但由于目前青島港空軌系統線路長度較短，且是點對點的運輸，能夠承擔的海鐵聯運量較小，還無法充分發揮空軌系統的優勢。考慮到空軌系統的建設成本以及空軌裝卸、換裝的作業時間，空軌系統的優勢在于距離10 km以上、成網絡規模的場站間運輸。

隨著空軌系統連接場站數量的增多，其運輸組織難度大幅度上升，同時由于青島港內各業務部門相互獨立，空軌運行控制系統尚不能同各業務管理系統深度融合，調度人員的工作便捷性還有待提升，空軌系統與碼頭、貨場等作業場所現有業務流程的銜接性成為了制約發展的重要因素。因此，未來在進行空軌系統設計時，應充分考慮空軌對接的作業模式，深入研究空軌系統網絡化運營的運輸組織優化問題，統籌設計空軌調度控制系統底層架構，以便與其他運輸方式的信息系統融合。

3.2 適用場景分析

結合青島港前灣港區運用經驗，對各轉運方式開展SWOT分析。各轉運方式SWOT分析如表1所示。雖然空軌系統具有軌道交通的運量大、速度快、安全環保的明顯優勢，但是相比公路短駁集卡其靈活性不足，需要一定的前期固定設施投入，并且需要新建信息系統以融入現有聯運系統，在早期聯運量規模較小時的競爭力較弱。依托國家宏觀政策，充分發揮空軌系統成本低、適應性強、智能化高的優勢，有助于盡快融入現有場站、碼頭的多式聯運體系，提升多式聯運集疏運效率。

表1 各轉運方式SWOT分析Tab.1 SWOT analysis and comparison of different transportation modes

通過表1的SWOT分析，空軌系統可以在一定程度上彌補專用線建設困難、使用成本高的缺點，并能夠緩解公路集卡對于平面交通的干擾以及綠色發展面臨的問題，由此可得出空軌系統適用場景如下。

（1）多式聯運需求達到一定規模，但鐵路專用線建設困難。

（2）已有專用線，但專用線鄰而不接、接而不暢。

（3）裝卸作業場地有限或裝卸設備能力飽和。

（4）平面層公路運輸擁堵或與其他運輸方式交叉。

（5）場間距離較遠，但現有中轉運輸及裝卸成本較高。

（6）有智能化、綠色環保發展需要的碼頭或物流園區。

3.3 建設要求分析

首先，在建設空軌系統時要統籌考慮鐵路站場、物流園區、碼頭等集裝箱場站的布局以及作業模式，比選不同的場站布置及聯運方案，以實現空軌系統和現有運輸模式的無縫融合，避免因作業流程的增加而降低運輸效率；其次，除硬件設備設施外，空軌系統的信息系統應對接好各運輸企業的信息管理系統以及調度控制系統，以實現各系統間的信息互通和設備聯動。

3.4 未來研究方向

空軌系統囿于有軌運輸方式的固有特性，其運輸靈活性遠不及公路集卡，一旦軌道線路修建完成就難以調整。因此，針對不同場站的布局與設施配置的特點，研究空軌系統的裝卸布局，網絡化的運輸組織優化，形成多式聯運站場轉接方法、流程與作業標準，將是空軌系統運輸組織的研究重點；同時，空軌系統作為鐵路專用線與公路、水運、航空等運輸方式的“粘合劑”，其對故障等特殊情況的處置效率決定了多式聯運系統的整體運輸效率。因此，構建覆蓋空軌動車、在途貨物以及運輸環境的安全狀態評估技術體系，實現對貨物、車輛和環境的檢測、監測、預警和在途管理也將是空軌系統未來研究方向。

4 結束語

空軌貨運技術的發展解決了鐵路多式聯運的“前后一公里”接駁問題，發揮了軌道運輸在多式聯運中安全可靠、綠色環保、成本低、運能大、全天候運行的優點。同時，空軌貨運技術與多式聯運運輸作業的有機融合，有助于降低物流成本、提高貨物運輸效率，從而推進交通運輸領域的節能減排、降本增效和轉型升級。但考慮到空軌系統仍需要進行一定的前期投資，而且在取箱或落箱時仍需要場內集卡或AGV協助完成精準對位，并不適用于短途點對點運輸以及規模運量較小的港口或場站。因此，在空軌系統整體設計時應綜合考慮連接對象的運量規模與現有作業模式，同時其在裝卸布局、運輸組織、安全評估技術等方面還有待更加深入的研究，更多的應用場景也需要繼續完善。