城市地下物流系统研究概况与分析

章冠弘+包敦辉

摘要：城市地下物流系统（underground IJogistics system，ULS）是缓解城市交通问题的新思路。近年来已成为各国的研究重点。大量的相关研究与主题很难为ULS的利益相关者提供该领域的整体概述。因此，系统的回顾ULS以往的研究是促进共享有用的研究成果和探究未来发展趋势最重要的手段。本文检索并分析了227篇国内外期刊文献及六次国际地下物流会议的文献，阐述了ULS在概念及技术、可行性、网络规划和仿真四方面的研究进展，并提出了面向实施的ULS研究体系在技术与经济分析、ULS与城市发展互动关系、UIS的运营过程与机制、ULS与其他物流方式相互作用关系、可靠性和仿真等方面还存在不足并应是未来研究的重点。综述结论应能为未来ULS的研究与实践提供参考并指明方向。

关键词：地下物流系统；系统综述；主题及趋势；规划与运营

0引言

我国新型城镇化进程中，城市规模急剧扩张，人口密度和产业密度迅猛提高，城市物流的规模与密度也随之且益增大，由此带来了交通拥堵、生态恶化、资源浪费等一系列城市问题，迫切需要一种创造性的解决思路。传统手段是通过拓展现有交通运输系统，如建设地铁，新建、扩建城市道路、水路铁路等或使用更大的运载工具来解决上述难题。实践证明，由于经济、技术、环境以及空间等条件的制约，仅通过增加交通设施来应对不断增长的交通需求，既不科学也不现实，并且拓展现有交通运输系统不仅会占用大量土地，而且也对环境造成更大负担。当前，世界各国开始向地下发展，将发展城市地下物流系统（Underground LogisticsSvstem，ULS）作为缓解交通困局的新思路，它将地面货物转向地下，采用管道或隧道形式运输，能够有效减少地面车辆从而减轻拥堵，减少了货车的尾气排放更加环保节能并节约土地；同时，地下运输路径短、速度快、无障碍，能够极大提高城市货运效率，有利于城市的可持续发展。

现代地下物流系统的研究已近30年，美国、英国、荷兰及日本等国已进行了不同程度的工程实践，但是全世界还没有一个成功的案例可供借鉴。尽管国内外在发展ULS的必要性、可行性、技术系统和建造管理等方面产生了许多重要的研究成果，但ULS是涉及地上与地下、物流与工程、技术与管理等多个学科领域的复杂系统，因此，亟待需要前瞻性的理论研究，为发展ULS提供理论与方法指导。本文依托国内外重要学术期刊数据库，梳理和总结1990-2016年期间国内外ULS的研究文献，目的主要在于两点：①更广泛地概述与分析当前国内外对ULS研究的范围；②对过去、现在、未来的ULS研究提出系统评价。这个研究对于我国当前面临实践的前瞻性研究及新的研究者来说尤其重要，可以帮助他们获得更广泛的观点。相信这一系统的分析评估将激励对ULS的进一步研究与实践。

本文分析的文献由中英文期刊文献及六次国际地下物流会议论文构成，如表1所示。英文期刊，截止2016年底，采用关键词Underground Logistics System或UndergroundFreight Transport System或Cargocap或Freight Transportby Underground Pipeline对EBSC0 Host，EngineeringVillage，ASCE及Web of Science进行搜索，从1990年至2016年近27年间，共计364篇，删除重复、不直接相关的、仅提及而未做深入研究的后，筛选得到相关论文66篇。

1城市地下物流系统基本概念

地下客运以及地下货运的概念早在二百年前就出现，现在世界绝大多数主要城市的客运已经实现了地下运输：原有的地下货物运输主要是通过地下管道运输气体和液体，20世纪90年代以来，西方发达国家开始关注城市ULS的研究，认为城市发展中出现的一些问题可以通过ULS来解决。

对现有研究总结后发现，ULS的概念在不同国家有不同的定义，荷兰将其定义为地下物流系统（ULS）或地下货运系统（UFlS），运载车辆为自动导向（AGV-AutomatedGuidedVehicle）：日本将其定义为地下货运系统（UFIS）：德国将其定义为Cargocap系统：美国将其定义为地下管道货物运输（Freight transport bv Underground Pipeline）。因此，城市地下物流系统是指通过地下管道、隧道等来运输固体货物的系统，物流基地或园区将通过地下物流系统连接各个终端，这些终端包括工厂、商业中心、甚至住宅区。

2当前研究的主题

国际对ULS的研究已经有近30年时间，但仍是一个比较新的拓展领域，目前美国、荷兰、德国、比利时和日本等，以及国内解放军理工大学，中国地质大学，上海市政工程设计研究总院等单位，均从不同角度进行了研究。综合起来，虽其研究才刚刚起步，但已成为近年该领域研究的热点。目前国内外关于ULS的研究主要集中在以下4个方面：

2.1概念（技术）研究

Hyeok-bin Kwon、Seung-yup Jang从管道运输的概念出发，定义了地下管道运输系统的概念及系统参数，包括载体速度，容量，管径，轨道类型，运输车间距等技术参数的设计与选择：美国加利福尼亚州立大学的Kenneth.A.James等学者探讨了利用以电磁为动力的地下物流系统概念设计，并建立了运载工具实体模型，进行了技术实验：德国波鸿一鲁尔大学的Stein提出了货物舱体（Cargo-Cap）的ULS概念，并且進行了实体模型技术实验；美国德州交通研究院（TH）的Roop建立了安全货物机车（SaleFreight Shuttle）的地下物流系统概念，也进行了实体模型技术实验。

我国对于ULS的概念研究主要以介绍发达国家的地下物流研究进展及在我国城市建设中起到的作用：2002年1月，杨东援第一次引入了UIS这一概念，文章介绍了日本东京地下货运系统的组成形式，并进行了效益和盈亏评价分析：2002年，张耀平、王大庆介绍了国外ULS的发展状况，分析了发展城市地下管道运输可能面临的一些技术问题：聂小方等主要对地下物流的概念及其在城市中发挥的作用进行了研究：2004年，马保松等通过日本、德国等发达国家的ULS应用状况，分析了ULS在我国城市中起到的作用；2005年，黄欧龙、陈志龙、郭东军初步研究了城市地下物流系统的网络规划流程：2007年，同济大学的李鹏、朱合华旧等讨论了城市地下物流系统在我国应用过程中相应困难的解决方案。endprint

2000-2010这10年间，ULS的技术研究吸引了大量学者的关注，其中以对PCP和CargoCap的研究为主，二者占据了技术研究论文的90%。PCP研究主要以美国的Henry Liu为主，主要集中在介绍PCP概念、动力系统以及实证研究三方面上；CargoCap以德国的Stein的研究为主，Stein教授提出了创新的货物舱体（CargoCap）的ULS概念，并且进行了实体模型技术实验；此外还有荷兰的AGV研究，日本的DMT研究，英国的Mole Urbansystem研究等。

2.2可行性研究

国外很早就对于ULS的可行性进行了研究，1993年日本学者Kashima以东京为例，讨论了ULS的基本操作方法、成本效益以及对原有物流系统的影响。这些研究都为后来地下物流系统的可行性研究奠定了基础。2000年至2010年，ULS的可行性研究达到了高潮，10年间总计发表了34篇关于可行性研究的文章。一些学者将ULS与本国国情相结合，研究地下物流在本国的应用情况，2004年钱七虎院士在中国首次明确提出ULS可以作为解决特大城市（如北京和上海）交通拥堵问题新思路，并结合北京的交通拥堵问题展开研究：一些学者从费用和效益分析入手，比较地下物流与现有物流系统的优势与不足，美国Henry Liu教授研究了利用气动舱体（PCP）技术在纽约应用的可能性，并结合实际情况，计算了不同应用方案的技术与经济的可行性；在我国，解放军理工大学于2003年起在首规委、上海市建交委等资助下，对北京地下物流系统的起始线路选择，上海港口（洋山港）规划地下集装箱的可能性等进行一系列研究与探索。

2.3网络布局与优化方面研究

UIS的网络形态直接影响着物流系统的运转效率，也直接影响该系统结构的合理性、工程投资以及网络建成后的经济效益和社会效益。Johan Visse分析了点状、线状、网络等不同网络结构的特点，并对ULS网络建设的政策提出了建议；Arian van Binsbergen和Johan Visser对城市地下物流优化布局的网络优化方法进行了研究。通过与其他算法的对比，认为模拟植物生长算法有较强的准确性、和全局搜索能力；Zhu Jianiun构建了基于0-1线性选址分配模型的选址模型；黄欧龙初步探讨了地下物流系统网络规划并运用SLP法对ULS的配送中心进行布置；马成林建立了多目标地下物流网络连续选址通道模型，并设计了基于聚类的动态遗传算法。

2.4可靠性与仿真研究

地下物流系统作为具有“前瞻性”的一种物流设施，目前国内外没有商业化运营借鉴案例，对其进行物流仿真显得尤为重要。目前物流可靠性和仿真技术较多，但针对具有地下不可见、高度自动化等特征的地下物流系统可靠性与仿真的系统研究还比较少，在1990-2016期间内，仅仅出现4篇针对于ULS可靠性与仿真的研究，其中3篇均是荷兰学者所著。M.C.Van der Heijden对不同地区之间的地下物流网络结构运行特性进行了仿真分析，对成本和效率进行了详细研究；C.Versteegt提出SEP法，这是一种评估智能物流系统及其控制系统的方法，SEP方法成功应用于地下物流系统Schipol的自动导向车辆和材料处理站的评估。

3研究过程中发现的不足

学术界已经做了许多关于地下物流的研究，这些研究对于地下物流的发展起到了很大的帮助。本文记录了4大类共计227篇文章。然而在收集这些文章的过程中，我们发现了地下物流的研究过程中还存在不足：

3.1缺少对于城市地下物流系统与城市发展互动关系的研究

城市地下物流系统自身是涉及地上与地下、物流与工程、技术与管理等多个学科领域的复杂巨系统，有别于一般物流方式。ULS投资大，回收期长，财务评价很难过关，运营期的偿还本息需要依靠政府补助等方式。但是另一方面UIS作为革新城市物流的新式货运形式，其外部效益巨大，符合国家重大战略需求和“创新、协调、绿色、开放、共享”的新治国发展理念，所以城市的发展带来货运的增加也会更加依赖ULS的发展。而当前的研究者小众且主要分散于技术研究领域，目前国内外几乎没有关于UkS可行性评价的系统性研究，也缺乏对ULS综合效益的定量化分析。未来研究应能充分调研UIS的利益相关者，从多方面分析UIS实施与城市发展在政策、经济环境、交通、技术和运营管理等相互影Ⅱ向关系，定量化研究ULS的综合效益，才能真正推动UIS面向实施。

3.2缺少对于城市地下物流系统与其他物流方式相互作用方面的研究

在1990至2016年中，只有2篇关于地下物流与其他物流方式相互作用方面的研究，并且还只是探讨用地铁运货的问题。由于昂贵的造价，ULS仅能用于解决交通严重拥堵或可达性较差的路段，同时还没有被普遍接受，理论研究也还不能支撑其迅速建成运行，总结各国发展UIS成败经验，发现ULS当前还无法作为一个独立的系统进行运营，所以将ULS作为综合交通运输系统的重要补充是一个必要的发展过程。未来研究应针对当前城市发展对地下物流的需求与特征，分析其与新型综合交通运输系统的内在联系，构建地下物流复杂系统适应性分析模型，提出地下物流与其他物流方式的衔接方式、运营的协同优化与组织方法，并基于此提出UIS的网络设计、运营管理模式应是未来的研究重点。

3.3缺少对于城市地下物流系统可靠性和仿真的研究

ULS作为具有“前瞻性”的一种物流设施，目前国内外没有商业化运营借鉴案例，对其进行物流仿真显得尤为重要。目前物流可靠性和仿真技术较多，但针对具有地下不可見、高度自动化等特征的UIS可靠性与仿真的系统研究几乎没有，在1990-2016期间内，仅仅出现4篇针对于ULS可靠性与仿真的研究。地下复杂工程运营的可靠性一直是研究者关注的热点，因此，ULS的可靠性应是运营研究中的关键问题：而仿真是其实现手段之一。

4结论

城市地下物流系统的建设，对缓解城市交通负荷、完善货物运输体系、践行绿色生态理念和促进城市社会经济发展有着显著作用。虽然近年来世界上对地下物流的关注度逐渐升高，但研究与实践仍属于起步阶段，国内外有关UIS的研究文献主要集中于概念及可行性研究两方面，面向实施的UIS技术与经济分析、UIS与城市发展互动关系、UIS的运营过程与机制、ULS与其他物流方式相互作用关系、可靠性和仿真等方面应是未来研究的重点。

同时相比于其他物流方式，UIS复杂，造价高，风险大，不成功则损失巨大，因此，亟待需要前瞻性的理论研究，为发展ULS提供理论与方法指导。endprint