0引言
随着我国城镇化进程的不断推进以及电子商务背景下的物流业迅猛发展,快递物流需求量呈现连年高速且稳步增长态势,我国已成为世界上快递业规模最 大的国家,城市快递运输面临可持续发展变革的迫切需求。2020年我国快递业务量为833.6亿件,比上年增长超过30%,全年实物商品网上零售比上年增长14.8%,占社会消费品零售总额的比例为24.9%,比上年提高4.0%。产业结构的变化和逐步升级以 及生产方式的变化,将促使“短、小、轻、薄”商品以及小批量、多频次、灵活多变的物流需求快速增加,基于更高时间和空间价值的物流需求会越来越大,我国必将面临快递物流量激增的挑战。现有城市物流系统已不能满足人民群众对美好生活的向往,如交通拥堵、尾气污染、交通事故、道路损坏、货物滞留和末端配 送困难等问题不断涌现,围绕着物流业降本增效研发 新模式、新业态、新经济势在必行。将城市快递包裹转入地下空间进行运输,依靠城市地下空间的深度和广度建立城市地下物流系统 (undergroundlogisticssystem,ULS),能突破现有城市物流的瓶颈,提高物流运输效率。城市地下物流系统是城市地下空间开发利用的重要组成部分,作为一类新型城市交通运输基础设施系统,其依托地下隧道或管道进行货物运输,具有全天候、无干扰、低碳节能以及节约地面空间的优势。它是一类新型城市交通运输基础设施系统,具有货运集约化和绿色化特征,已成为当前研究的重点课题。2019年9月中共中央和国务院印发的《交通强国建设纲要》、2022年1月国家发改委印发的《“十四五”现代流通体系建设规 划》等国家重大战略举措中明确提出了通过“发展地下物流/货运系统”构建智能绿色综合交通体系的 战略目标。与此同时,从城市地下空间的角度来看,它不占用地面道路,与外界条件物理隔绝,可采用全自动化技术保障货物可靠的运输,有效减少城市 污染。借助城市轨道交通系统进行快递包裹的运输逐步被关注,并被认为是城市地下物流系统工程实践的重要实现形式。地铁-货运物流系统(metro-based undergroundlogisticssystem,M-ULS)依托现有的城市地铁网络,在非高峰时段充分利用地铁线路的冗余运 力,来发展地下物流网络与地铁协同运输,是当前更加可行的方案。国内外围绕M-ULS已经开展了大量的研究和工程实践,技术和经济可行性已得到充分论证,为其成功实施提供了有力支撑。一方面, 基于地面轻轨的城市货运系统已经在德国、波兰、瑞士、奥地利等国家成功试点,尽管这些代表性项目的成功实施是地面单线运行的,但仍表明结合轨道交通的货物运载工具和客货系统运行调度技术已具备实践条件;另一方面,经过多年大型地下工程的实践,我国已经具备世界领先的地下工程施工技术,具备开发M-ULS的能力。此外,M-ULS在交通、环境、社会和物流等方面的效益巨大,且相比于完全新建的城市地下物流系统,通过改扩建既有地铁网络的M-ULS可以大幅减少地下工程的建设投入,具有较高 的经济可行性。低建造成本和低建设难度是地铁货运的重要优势,可以成为城市快递物流的一种重要补充。但现有的研究关注于M-ULS的可行性方案及工程实践研究,缺乏对如何利用现有存量地铁开展快递物流运输的前景及方向研究。因此,在保持地铁客运功能的基础上,如何对其空间进行小范围、小规模的局部改造从而实现地铁货运功能活化至关重要。本文提出存量地铁概念,其一方面是指已经通车运行的轨道交通路线里程上的存量,另一方面是指轨道交通线路运行过程中客流量剩余运力上的存量。基于以上分析,本研究聚焦我国基于存量地铁开展货运的前景及方向,深入剖析地铁货运系统落地实施制约瓶颈及挑战、存量地铁货运系统下一步研究方向等关键问题,为地铁-货 运系统提供集成优化的创新思路,以期助力实现我国 城市地下物流系统新的创新范式及落地模式。
1地铁-货运系统在应用和运营层面研究进展
在实际应用研究方面,基于轨道交通系统(包括轻轨、地铁、有轨电车和捷运系统等)在城市内部实现乘客与货物的协同运输通常分为单独物流列车、客货 混运2种形式。在已经投入使用的项目中,单独 物流列车形式的有:德国德累斯顿货运电车利用一条长约4km的城市客运轨交线路将来自城外仓库的货物运输至城内站点;法国巴黎“MONOPRIX”货运线使用巴黎市郊的轨道交通线路将货物从与MONOPRIX仓库交接的 Combs-la-Ville 终点站输送至城市内的连锁超市。客货混运形式又可分为外挂物 流车厢及利用客运车厢:法国“Chapelle International大巴黎”项目利用1 条地铁线路将巴黎市郊的制造工厂与多式联运物流枢纽相连,使用地铁外挂的车厢运输货物;纽约地铁垃圾收集系统,24h运营的纽约地铁在夜间低峰期采用外挂的方式运输汇 集至各站点的城市废品和生活垃圾。利用客运车厢的有:日本北越急行霍库线,通过实施客货混合运输,能够减少88%CO2 的排放量、减少60%卡车的运行时间,缓解卡车司机短缺。这些早期的轨道交通货运项目可视为地铁货运系统的发展雏形,能够为我国依托现代地铁网络开展大规模城市快递物流活动提供支撑。在运营管理方面,城市地下物流系统与地铁协同 运输时,两者虽然在运输系统和网络上存在差异,地下 物流系统与地铁在轨道机车形式和网络结构形态上均 有相似性。Li等、Zhao等以上海市为例,指出可以利用地铁富余的运能,来协同自动化的地下物流系 统解决地铁沿线区域的物流运输问题。在协同运输时,运营时间要避开地铁运行高峰期和停运期,在平峰时的车辆调度需要统一考虑。荷兰通过实践性尝试,采用地铁线路分时段运货,但效果并不理想反而影 响了客运的正常运营;Behiri等、Zhao 等认为利用非高峰时期进行货物运输是一种有效方法;邸振等充分利用非高峰时段地铁线路剩余运力,研究了一个基于“客货共车”模式的地铁客货协同运输优化问题;刘崇献较全面地分析了地铁用作城市物流系统的可行性和技术要求。此外,站点货物的装卸和货物的转移必需满足严格的时间条件,快递包裹需要在地上和地下之间进行时间和空间的转换,这个过程包括快递的分拣、编码、装箱、仓储和转运,快递通道的尺寸应根据地铁车站的货运量进行规划和设计,地铁站在空间上也应相应地进行改造。
2我国存量地铁的快递物流运输前景解析
2.1我国存量地铁的快递物流运输优势分析
现有的成功案例已经彰显了M-ULS的优势,但几乎都局限于点对点和单源的物品运输,这种单线系统显然无法满足特大城市中的快递配送需求。因此,充分利用地铁网络的通达性和富余的运能,大规模开展快递物流的客货协同运输是地铁货运系统未来发展的一个重要方向。我国的地铁网络特征、地下空间布局和建设现状很好地契合了地铁货运系统成网运行的先决条件,具有以下明显优势:1)我国城市地下空间 开发利用水平、规模和速度已居世界前列,且已能满足 地铁货运必要的建设技术。2)我国大部分城市的地 铁规划因“公共交通指引城市发展(transit-oriented development,TOD)”的政策指引而呈现出站点密集且均匀分布的特征,地铁基础设施的选址不局限于城市中心,几乎覆盖了城市内部和市郊的重要区域,在一些大城市甚至近乎覆盖全城。这些市郊地铁线网不仅能 够方便城市周边出行,更能旁通途经的快递物流节点,为货运功能的规划提供了可能。3)依托现有的存量地铁进行货运可使来自城市周边物流园区的快递直接进入城中心,不需要像传统模式一样经历道路环线或 穿越整个城市。4)由于城镇化扩张的需要,城市物流产业布局在2个方向上相向而行,即制造业和大宗物流设施开始远离城区,外迁至各类开发区,而消费类物流和电商快递则涌入城市中心;因此,城市物流决策需要纳入城市规划的视野,地铁货运系统完美契合了城市快递物流产业重塑的需求。
2.2我国存量地铁的快递物流运输潜力分析
从我国的轨道交通路线里程看,截至2022年12月底,我国轨道交通总运营里程达10857.17km(含港澳台),排名世界第1。此外,2022年我国城市轨道交通运营里程保持了快速增长,全年新增城市轨道交通 运营线路长1085.17km,占全球新增城轨运营线路长度的23.9%,我国轨道交通路线里程显然存在足够的存量可开展货物运输。从我国的轨道交通线路运行过程中客流量剩余运力上的存量看,2021年北京、上海、广州、深圳依然是我国轨道交通客流量最大的4座城市,其中,上海以35.81亿人次的年客流量位居榜首,北京轨道交通客流量排在第2位。对于上述城 市,在其主城区客流量近乎饱和的地铁线路及区域上很难再利用有限的存量时间进行快递包裹运输,但对于这些城市的新城区来说,尚有一定的线路存量时间 可开展货物运输。例如:对某一线城市新区地铁线路 的理论最大日运力测算发现,在满足其自身客运需求 的基础上,尚有近50%运力可以用于快递包裹运 输。此外,对于大部分城市的大多地铁线路皆可考 虑利用其线路存量开展快递运输。以南京地铁S1号线/机场线为例,对在客流量剩余运力下的快递物流承载容量进行测算,具体如图1所示。由图1可以看出: 1)在当前地铁排班条件下,对于机场货运流量为均值 的货运需求,均可在满足客运需求基础上完成所有月份货物运输;2)通过重新排班充分利用当前S1号线 的地铁运力容量,在满足客运需求基础上,可应对机场货运量的波动及极端情况下所有月份货物运输。基于 以上对于存量地铁的分析,为开展地铁快递物流运输功能活化提供了实践的“土壤”,也急切需要与之适应的规划设计理论与技术支持。因此,开展面向存量地铁快递物流运输功能活化的设施与空间微更新研究,对提高城市地铁和地下空间集约化利用水平、提高城市物流效率、促进规划学科发展,具有极其重要的意义。
图1客流量剩余运力下的快递物流承载容量测算示意图
3地铁货运系统落地实施制约瓶颈及面临挑战
3. 1地铁客流约束下的快递运输功能实现
由于M-ULS 系统依托于既有地铁系统,其停站和隧道运行方案需要满足地铁系统实际的运行条件。主要的瓶颈及挑战体现在以下方面:1)在线路运营上,“客货共线”协同的运营方式下,如何在不影响地铁客流运输的前提下进行快递包裹的排班,以及如何对地铁车厢进行改造优化以满足快递物流在线路上的运输;“客货共线”和“客货分线”是2种不同的运营模式,其中,“客货共线”模式可以在同一条地铁轨道上既进行客运、又进行快递运输,该模式下的快递包裹 可以选择利用客运地铁列车拖挂物流车厢或者利用专用的物流列车组运输,不需要修建专用的物流轨道线,相对于“客货分线”模式具有先天性优势。2)在站台转运上,快递运输站点为依托现有客运站点改扩建而成,如何对地铁站台进行改造和扩建使其兼具客运和快递运输功能且有效分离客运、货运的运作过程。一方面,和普通的快递运输车站一样,地下物流货运转运 枢纽需要拥有足够的地下空间,为来往于地铁路网和物流园区之间的临时堆存快递物流提供有效调度;另一方面,地下物流货运转运中心需要服务于一般的社区物流配送站或较小规模的区域物流配送中心,由于地处城市内部其受到地铁站台的空间约束,使在有限快递运输设备数量下满足服务区域货物的处理能力和 运输能力成为主要瓶颈。
3.2存量地铁与地下物流网络协同运输机制及实证研究
目前,对于借助地铁线路进行局部的快递运输已经在进行试探性的应用。例如,在2023年下半年北京地铁开始试点地铁运快递。此外,多部交通物流相关的政策文件在“发展城市地下物流配送”方面也提出了相关要求,此前发布的《北京城市副中心控制性详细规划》也明确提出要利用地铁设施服务环线建立地下物流配送干线系统。但如何针对既有多线客货联运 网络进行网络扩展,并形成M-ULS网络仍然处于初期研究阶段。开展存量地铁与地下物流网络协同运输理论与实证研究成为当前的主要瓶颈及挑战。地下物流系统与地铁线路演化发展关系如图2所示。由图可以看出:1)在早期阶段,地下物流系统需要借助现有的 地铁线路进行局部快递运输,这个阶段对于在地铁-货运中单线或是多线客货联运线中,亟需应对客货协同方 案设计、现有地铁站改造技术、地铁站到终端用户的转 运方案等技术瓶颈;2)在中期阶段,地下物流系统在地铁线路的基础上进行延展实现局部快递运输的活化,这个阶段关键需要解决延展衔接处的快递运输转运以及 延展地下物流专用线路的规划与设计问题;3)在后期阶段,地下物流系统与地铁线路进行融合运输,这个阶段客货之间的干扰加强,需要构建一套从网络效能评价、网络协同方案设计到网络布局优化方法在内的一系列的网络性能提升方法,尤其是在衔接方式、组织模式、运输效能等方面都将面临较大的挑战与技术瓶颈。此外,轨道交通网络不通线路之间的快递包裹转运方式和技术也是限制地铁货运发展的瓶颈之一。对此,可借助地面货运进行转运和衔接运输。
3.3地铁站点的货运功能改造技术及运维保障
近年来,我国关于城市地下物流系统、城市地下集装箱系统的理论研究及部分实践已经取得实质性进展,地下物流系统的研究已经从理论和实验室逐步走向了应用和工程实践。虽然我国的隧道工程技术已经世界领先,地下空间开发利用规模和速度居世界首位,但地下物流的建造和运营技术仍然亟待进一步探索。目前,顺丰速运、中国邮政等企业也对实现地铁快递运 输功能的专用设备进行了研发,顺丰速运根据地铁的尺寸研发了具有循环利用功能的箱体,中国邮政也与地铁运营企业共同合作,研发了可以在城市轨道交通上运输的专用推车工具。特别说明的是,目前北京、上海、无锡等地铁开通的快递试点业务是对现有客运车厢的直接利用,对现有的客运会产生一定干扰且自身货物运输效率较低。因此,面向城市实施层面的城市地下物流系统需要能够适应并契合复杂的城市快递运输需求,开发契合我国国情的城市地下物流系统的载运工具,亟需开展制备多样化的智慧载运工具及地下 货运交通设备、地下工程绿色建造与智能物流装备制造技术、适用于地铁站点的进行货运功能改造技术及运维保障等关键技术。
图2地下物流系统与地铁线路演化发展关系图
4存量地铁货运系统下一步研究方向
4.1全天候的地铁客流剩余运力精准量化方法研究
由于地铁系统的基础功能是满足城市客运服务需求,M-ULS 的实施必须以不影响正常地铁运行作为前提,因此依托存量地铁开展快递运输功能的前提是能够准确量化地铁客流量剩余运力。以杭州市地铁4号线2019年1月某日的客流量数据为例,绘制地铁不同站点客流量时空分布示意图,如图3所示。由图可以看出:1)地铁客流量具有显著的时间特征和空间特征,早晚高峰客流量峰值明显;2)站点之间随机具有相似的客流量变化趋势,但是客流量数量级上依然存在较大差异性。由此可见,针对地铁客流时空较强的随机波动性,在深入挖掘地铁客流剩余运力和考虑快递运输列车及标准运载单元等约束下,构建对现有地铁客流量和潜在快递流量进行预测、对客流剩余运力刻画等的评估方法至关重要。此外,地铁沿线的货 流量存在较为复杂的非线性特征,其形成与变动机制深受各种客观因素影响,造成快递流量数据趋势会有一定波动性,如何运用非线性理论方法在有限快递运输量数据中提取趋势特征进行预测也是重要的研究方向。
图3地铁不同站点客流量时空特征示意
4.2地铁站域下的地下物流末端配送系统研究
4.2.1地下物流末端配送系统的模式划分
“最先/后一公里”货运是M-ULS末端配送的“痛点”,地下物流末端配送微网络可以选择沿街道轴线在地下建设,或者与综合管廊等基础设施共建,同时也可以独立进行建设。当前城市物流的末端配送可以划分为“入户+”与“自提+”2种模式(见图4)。“自提+”模式是将快递包裹从地铁货运站点或者地下物流末端转运中心通过末端配送管道运输至地面上末端配送终端处,后由用户到达末端配送终端完成包裹交付的末端配送模式,其有智能快递柜形式、代收点形式、物业代收形式及便利店代收形式,其优点是“自提+”模式缩短了末端配送的路径,减少了末端配送终端数量,极大地提高了配送效率;“入 户+”模式是将货运包裹从地铁货运站点或者地下物流末端转运中心通过末端配送管道运输至楼宇或房间处的末端配送终端,用户无需离开楼层就可以完成快递包裹交付的末端配送模式,其终端为智能快递柜形式或联通房间的形式,其优点是“入户+”模式将包裹精准、快速地投递,足不出户就能收取包裹,提供极高的质量服务,提高了末端配送的效率。
图4 “入户+”与“自提+”配送模式示意图
4.2.2我国地下物流末端配送系统研究方向
对于依托地铁线路构建的城市地下物流系统来说,地铁站成为快递包裹分拣、转运、仓储的处理中心,更是地下物流末端配送系统的转运枢纽中心。针对首 末站、换乘站、普通站等3种不同类型地铁站域末端配 送情况,综合考虑“入户+”与“自提+”2种模式与地铁 站域快递运输空间需求特征,创新性设计地铁站场景 下的地下物流末端配送系统成为亟需研究的重要问题。地铁站域下的地下物流末端配送系统近期研究方向可分为以下方面:1)运输组织。绘制地铁站场景下的地下物流末端配送流线,量化地铁站点客流流向和 快递运输配送空间特征双重影响下地铁站域的快递运输空间需求,进而构建地下物流末端配送系统的物流运输组织模式。 2)系统集成。分析地铁站场景下货运配送空间特征规律,构建“入户+”与“自提+”2种模 式下的地下物流末端配送方法,进而建立可应对各种 需求下的地下物流末端配送系统集成体系。3)关键装备。分析首末站、换乘站、普通站等3种不同类型地铁站点空间布局形式,搭建面向3种不同类型地铁站的地下物流末端配送技术方法,进而构建实现地下物 流末端配送的关键装备及硬件设施。
4.3基于现有地铁站点布局的设施与空间微更新研究
4.3.1设施与空间微更新需求分析地铁站点作为地下物流末端配送系统的转运枢纽中心,需要对其进行设施与空间微更新使其具备装卸、分拣、拆包装等一系列快递运输作业功能。这种设施与空间微更新一方面要满足基于地铁改造的货运车辆停靠;另一方面还要满足快递装卸、分检、分装、仓储、自动搬运等功能需求。与单独的新建货运站点相比,地铁货运站点只需对已有的地铁站进行改建,或在新 的地铁项目中增加物流设备即可,但应当将客运功能 区和货运功能区相互隔离,具体示意如图5所示。通过“货物装卸区”“货物临时存放区”“单元识别-调度 区”“进站单元识别-调度区”完成货物转移,客、货空 间需要进行物理分隔,需要配置连通闸门,垂直运输区域之间设立“拆分及回收作业区”,在这个区域中,利用自动化设备和人工对货物进行拆包和分拣。完成拆 包和分拣的托盘有2个去向: 1)移至“进货理货区”对 输出的货物进行包装; 2)直接前往货物装卸区,经干线运输送回物流园区。功能区布局在按照关联性布局的基础上,将车站货流、出站货流和运输货流互相分开,从而保证了物流效能。
图5面向地铁站点的货运功能设施与空间微更新示意图
4.3.2设施与空间微更新研究方向
地铁货运站点的快递包裹处理能力主要受到的限制有货物装卸区最大处理能力、自动化分拣区最大处理能力、微网络分配区最大处理能力、进出理货区最大 处理能力、水平/垂直运输区最大货物运输能力等,此内容的下一步研究方向可概括为以下方面。1)模式创新。加强对不同既有、现有地铁站点布局模式的研究,提出针对不同地铁站台空间约束下地铁-货运系统的客货协同组织形式下的适应性改造 模式。2)模式更新。科学探究地铁站作为地下物流末 端配送微网络起点的空间布局方案、优化方法及评估模型。3)模式应用。研发并落地为科学高效的地铁-货 运系统的货运列车及标准运载单元硬件设备。
5结论与建议
1) 目前M-ULS已得到较广泛关注,但笔者认为该种形式应该非未来城市地下物流系统落地实施的最理想形式,其低建造成本和低建设难度等优势及城市交通物流迫切需求使其成为一种比较现实、具有较强 操作性的实现方案,但该方案未来的发展前景及面临的挑战方面尚不清晰且缺乏深入探讨。
2) 在地铁客流近饱和城市的新城区及大部分城市的大多地铁线路均具备利用其线路时间存量开展快递运输的潜力,本研究成果为我国基于存量地铁开展快递运输功能活化及其设施与空间微更新指明了研究方向。
3)目前我国的M-ULS还处于初始发展阶段,针对性提出我国存量地铁搭建快递运输系统下一步主要研究方向: ①M-ULS是通过存量地铁进行快递运输,开展量化全天候的地铁客流剩余运力研究可有效明确 快递运输容量及承载力; ②“最先/后一公里”快递运输是当前城市物流系统的“痛点”问题,研究面向M-ULS地铁站域特征下的末端配送相关理论及方法成为重要研究方向之一; ③由于M-ULS对地铁站点有较强的依附性,对现有地铁站点设施与空间布局的微更新以满足快递运输功能至关重要,也是下一步值得研究的重点。