城市地下物流系统运行脆弱性分析

徐佳 董建军 任睿

摘要：随着城市地下物流系统（Underground Logistics System，ULS）的运输与施工技术已趋于成熟，面向实施首先面临的就是ULS的运营问题，地下物流的安全可靠运行是保障其产生社会效益与经济效益的前提，因此对ULS运行的脆弱性进行了研究。本文从当前ULS的定位与特征分析，类比地铁、城市公交等相似系统，解析和定义ULS运行的脆弱性。地下物流的脆弱性分为设备设施脆弱性、服务系统脆弱性以及协同脆弱性三类，设备设施脆弱性以及服务系统脆弱性一般影响事故的初期，协同脆弱性使事故蔓延到整个运输系统。研究结论将有助于识别ULS网络的脆弱点和脆弱域，并为进一步深入研究ULS的脆弱性与运营问题提供理论依据。

Abstract： With the transport and construction technology of urban underground logistics system （ULS）being matured， The first problem facing the implementation is the operation of ULS. The underground logistics safe and reliable operation is the premise protecting their social and economic benefits. So the ULS operation vulnerability is necessary to study. From the angles of current ULS positioning and feature analysis， analoging subway， urban public transport and other similar systems， this paper analyze and define of ULS operation vulnerability. The vulnerability of underground logistics is divided into three categories： equipment vulnerability， service system vulnerability and synergistic vulnerability. The vulnerability of equipment and service systems generally affect the early stages of the accident. Synergistic vulnerability spreads the impact of the accident to the entire transport system.The conclusion of the study will help to identify the vulnerability and fragile domains of the ULS network and provide a theoretical basis for further study of the vulnerability and operational problems of ULS.

關键词：地下物流系统；运行；脆弱性

Key words： underground logistics system；operation；vulnerabilit

中图分类号：F252 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）26-0140-04

0 引言

地下物流系统（Underground Logistics System，ULS）是指城市内部及城市间通过地下管道或隧道运输货物的一种全新概念的运输和供应系统[1]。它不占用地面道路，减轻了地面道路的交通压力，从而缓解城市交通拥堵；它采用清洁动力，有效减轻城市污染；它不受外界条件干扰，运输更加可靠、高效。

世界上，对现代ULS的研究已经近30年时间，但至今尚无真正地下物流线路投入使用。究其原因：一方面，从文献研究的结果来看，理论研究主要集中于非定量的必要性探讨、技术系统开发、可行性等方面，鲜有涉及指导实践的如与城市互动的定量化关系、线网规划、建造、运营管理等方面的研究；另一方面，从工程应用结合前期调研访谈的结果来看，ULS推进缓慢还存在许多自身的及社会的因素，这在每个国家各有不同，政府对ULS的边际效益认识模糊、投资主体模糊、投资动力不足等，这在我国情况更为特别。ULS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，有别于主要物流方式，其公共产品的特性，投资大而经济效益低，同时当前的研究者小众且主要分散于技术研究领域，是造成当前局面的主要原因。

但不可忽视的是随着ULS的运输与施工技术已趋于成熟，面向实施首先面临的就是ULS的运营问题，如投资与效益比、融资模式、运营模式等问题，而其中运营的可靠性、安全性是决策者和用户普遍关注的问题。地下物流的安全可靠运行是保障其产生社会效益与经济效益的前提，关系到城市整体交通物流效率，甚至关系到社会的和谐与稳定。脆弱性作为反映系统可靠性的重要指标，体现了ULS的抗风险能力，脆弱点暴露概率以及系统恢复力。当前相关研究还很缺乏。因此，本文从当前ULS的定位与特征分析，类比地铁、城市公交等相似系统，结合他们的事故统计，解析和定义ULS运行的脆弱性。研究结论将有助于识别ULS网络的脆弱点和脆弱域，分析其在ULS运营可能发生的事故和蔓延过程中的作用，并为进一步深入研究ULS的脆弱性与运营问题提供理论依据。

1 城市地下物流网络及运行特征

1.1城市地下物流网络

网络是物流一体化的最高形式，是未来的发展趋势和最终方向。只有形成网络，ULS的规模效应和综合效益才能得到真正体现。

1.1.1 网络系统及构成

ULS网络的技术系统构包含了车站系统、隧道/管道系统、轨道系统、运输工具、导航及控制系统、其他必要的设备与附属系统等。网络结构特征呈现多样式，主要有线状、环状和格栅状布局结构；成网过程与地铁类似，由节点的选择到线路形成最后组成网络。

当前，ULS的发展还仅能作为城市综合交通系统的补充，其网络结构也有可能是由多条并不相交的线路构成，补充和完善城市物流系统，优化整体物流网络。

1.1.2 网络运营环境

ULS是具有半公共产品性质的半盈利性的城市基础设施。其对运营成本、经济效益和社会效益的平衡更加重要，这导致其运营面临的环境极其复杂。从城市角度来看，ULS的建造目的是为了缓解城市交通问题并促进城市物流效率提高，其运营与城市各系统的互动频繁；从空间和自然条件的角度来看，地下工程实施环境复杂，且大城市当前的地下空间已被地铁网络和地下商业综合体密布，实施ULS面临地下空间的重新整合规划，受既有地下空間的制约较大；从协同性来看，ULS与其他物流系统存在必然的联运过程；从参与主体来看，ULS与当前的第三方物流存在既对立又协作的关系，政府与用户存在定价难和成本高的问题。

1.2 运行特点

ULS运行的脆弱性研究可借鉴风险管理方法，分析概率和后果：①脆弱性与网络中某些部分失效所产生的后果有关，是其对能导致网络服务水平下降的人为或自然事件的敏感性。因此，脆弱性强调网络的薄弱处和失效后果。这种薄弱处是脆弱点[2]；②脆弱域，这是基于一定概率的失效后果，是脆弱点在特定环境下的变化，综合表征ULS的鲁棒性和可恢复性。

1.2.1 复杂性

复杂性主要来自各种复杂的功能和外生和内生的功能依赖性和相互依赖性[3]。相比较于一般物流系统，ULS运行依赖复杂的地下工程系统，技术系统自身是一个以许多物流节点（枢纽）相连接包含十多个子系统的复杂网络系统，若干节点组成线路，进而构成网络。由于地下物理系统内部相互依赖，一个组件的故障可能会影响其他组件的正常功能，甚至直接或间接地扩散到整个系统[3]，从而使系统整体可靠性受到影响。因此，组件故障可能导致操作中断或事故，并造成巨大的经济，社会和物理中断，增加负面后果。

ULS运行的地下空间系统也存在着复杂性，本来地下工程的运行就需要不间断监测周围地理地质条件，况且ULS与地铁的边界关系复杂，两条长距离的动荷载互相存在极大的干扰。

服务过程和调度系统的复杂。物流服务过程包括运输、储存、装卸、搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能的全过程自动化集成，ULS还增加了与地面，与其他物流方式的联运问题。ULS其采用无人驾驶技术、无拥堵和通行障碍，全天候运行等特点使得用户对ULS运行的实效性和速度的期望极高，这依赖高度准确和复杂的调度系统。

因此，ULS的运行受到长期复杂多变的内外部因素干扰，突发事件（如自然灾害、人为破坏等）、操作失误、设备故障等影响，甚至突然发生的货运量激增（如网购的双11日）导致节点货物积压都有可能导致线网局部失效，从而增加线网其他通道和节点的货运负担，扩散至整个网络，使网络超载并降低或损害其功能。同时，ULS在灾难后造成的影响和恢复性能表现极为复杂，不仅表现为ULS自身的货运功能下降，且涉及众多周边设施和人群，甚至造成区域和城市的物流系统瘫痪。

1.2.2动态性

技术系统方面，如前文所述，ULS由十多个技术子系统组成，这些子系统之间相互联系，相互依存。假设某个子系统存在某个脆弱点，随着时间的变化，演变图1所示。■

服务系统方面，ULS运行的过程本身就体现了动态性，但是它的运行需要智能化调度与信息沟通，服务人员对技术以及运行程序的掌握随着时间的变化由陌生到熟悉。从整体的角度而言，由服务人员的操作失误引起的事故会随着时间的推移而降低；从个体角度而言，并不能排除突发事件的可能性。

1.2.3协同性

整个城市或区域的物流网络具有连通性，有时不可能单靠ULS将货物运输到目的地，运输的全过程需要与其他物流形式的联运，尤其是ULS在自身可达性不足或网络覆盖率不高时，愈加依赖多种物流系统之间多式联运的协同性。联运系统的整体服务水平直接制约了ULS的服务水平，联运的衔接必然成为脆弱点，ULS网络的脆弱域必然扩大到整个联运系统。

2 基础设施脆弱性研究现状

在工程领域，许多研究者通过分析基础设施系统的物理组件和连接，试着提高系统的设计和可靠性标准[4，5]，并讨论了那些能够提高基础设施系统可靠性的投资。

在社会技术领域，目的是解决社会关注的基础设施带来的相关问题。W.Kroger[6]通过几个因子来描述基础设施系统的脆弱性和其所面临的风险，这些因子包含：公共风险的接受和认识、攻击的社会关注度、城市化等，并指出相关机构为了更好地满足和平衡社会的需要通过制定风险管理策略降低系统的脆弱性。V.Bekkers，等[7]给出了基础设施系统 4 种脆弱性管理模型：基于控制论的管理模型、市场模型、民间社会模型和网络模型。

在经济领域，文献[8-10]考虑了基础设施系统对经济的影响，并考虑了核心贸易指标、劳动力的收入损失、受影响的员工数目、以及面临的内部和外部风险等不同因素。

在关联基础设施方面，文献[11，12]借鉴复杂网络理论与方法，归纳并提出关联基础设施网络脆弱性研究的相关概念体系；构建关联基础设施网络研究模型；进而从结构和功能两个角度分析关联基础设施网络的脆弱性，设计网络调整策略。

总体而言，当前研究在不同领域中对脆弱性概念及其重要性的认识趋于一致，且研究范围几乎涵盖基础设施各系统，但关于脆弱性的本质及其构成要素的问题始终存在分歧。当前研究已不局限于单一系统脆弱性研究，普遍开始关注多系统关联性。总结已有文献对本文研究有以下启示：①基础设施系统的脆弱性随技术系统的复杂性越高而更容易暴露；②ULS通过地下货运服务与地面物流在时空交叠，形成多重覆盖、相互协调的综合物流网络。对ULS脆弱性的研究不能孤立的进行，多种物流系统之间的关联性分析至关重要。

3 ULS网络运营脆弱性分析

3.1 运行阶段事故统计

运营事故类比地铁、公交以及地上物流运营事故研究分析，见表1、表2、表3。

3.1.1 事故统计类比地铁、公交、物流系统

由三张表格对比分析可以看出，人为因素是在三种事故中所占比例最大，其次是自然灾害环境和行车事故。

3.1.2 事故分类

假定将自动导引运输车（AGV）应用于地下物流系统，AGV由车体、蓄电池、车上充电装置、控制系统、驱动装置、转向装置、精确定位装置、移载机构、通信单元和导引系统构成。物流搬运AGV的关键技术有传感器技术、智能控制技术、直流电源技术，AGV的正常工作需要车体本身、三大技术与外部环境的紧密配合。

综合国内外地铁、公交以及地上物流运营事故的分类，并结合地下物流（以AGV为例）自身特征，对ULS运营事故进行以下分类，见表4。

对比分析地铁、公交、地上物流三大系统的各类运营事故所占比例并结合地下物流本身的特征，设备设施类事故、联运类事故、人为事故、服务事故可能是主要事故。

3.2设备设施脆弱性分析

设备设施的脆弱性分为结构脆弱性和物理脆弱性。设备设施一般先由物理脆弱性引发局部事故，同时设备设施内存在结构脆弱性，从而局部事故迅速干扰传播，最终引发整体事故。

结构脆弱性主要是指ULS的网络结构形式以及运行方式的脆弱性，反映的是各实体之间的关系。当某个实体失效，这种失效将会以一定的形式传播给与之相连的实体，实体之间再进行相互传播，最后整个系统瘫痪。例如，当某辆AGV发生故障停运，与之同一条线路的车辆受其影响暂缓运行，该线路因此失效，由于线路的连通性，势必会影响其他线路的运行。货运与客运最大的不同是，货运具有滞留性，人本身具有流动性，ULS要与其他交通系统联运，会形成网络拓扑关系。当联运任一环节瘫痪后，其他系统会出现级联效应，最终整体运输系统瘫痪，会造成城市的经济损失与不良的社会影响。

物理脆弱性是指ULS各组成元件的脆弱性。侧重强调物理设备可靠性，及操作人员对不同子系统的操作和协调能力。当某个子系统的组成元件表现为脆弱，或者是恢复力比较差，易受干扰，当出现某个干扰事件时，该元件的失效导致子系统不能运作，进而失效在子系统之间传播，最终整个ULS失效。例如，AGV车体由于干扰失效，控制系统、转向装置等随之失效，由于各种系统的接连失效导致ULS故障。

3.3 协同脆弱性分析

在协同转运的过程中，可能会出现低效率而导致货物堆积，致使交通网络无法疏通，对社会对经济都会造成巨大的损失。

假设一批货物要从A地运往B地，运输过程图2所示。

地下物流相比较于一般的运输会涉及到货物从地上到地下或是地下到地上的转运问题，此时就涉及到了协同性，货物从一个运载装置顺利转移到另一个运载装置需要人与机器、机器与机器等之间的配合。一旦配合失败将会导致严重的损失。配合失败的原因有三：第一，沟通不畅或衔接过程效率低下；第二，联运各方运能不匹配，或运营模式存在问题；第三，货物运输到转运站后未及时运出。

3.4 服务系统脆弱性分析

服务系统主要包括各类操作人员以及维修人员，他们负责ULS的启动、运行、停止、监控、检修等各项工作。各类人员需要熟练掌握其工作的操作流程，遵守工作的规章制度。在建成的初期，工作人员对新系统必然会经历了解到熟悉的过程，由于对工作的不熟悉，此时也是操作失误率最高的时候，即服务系统的脆弱性比较高。在正常运营阶段，操作失误率会降低，服务系统的脆弱性比较低。但由于人的行为是主观因素，会受到外界环境的影响，失误行为不可避免，造成的影响可大可小。因此，分析服务系统的脆弱性是十分必要的。

4 地下物流运行脆弱性在事故发生中的影响分析

地下物流的结构脆弱性、物理脆弱性、社会功能脆弱性都不是独立存在的，它们之间相互联系，见图3。

设备设施脆弱性、服务系统脆弱性以及协同脆弱性都不是独立存在的，他们之间相互交叉相互影响。例如在服务系统中由于某工作人员的操作行为不当导致信号系统受到干扰，设备某组成部分不能正常运行，由于各结构之间相互干扰影响，导致整个设备系统失效，从而运行延误，由于ULS的协同性，一个系统停止工作势必会影响其他系统的工作，最终导致货物不能及时到达目的地。上述事件中，由于服务系统脆弱性引发的人为事故，结构脆弱性使该事故的影响在设备设施中传播，协同脆弱性使地下物流瘫痪事故在其他系统中蔓延。其中，服务系统脆弱性是一次干扰，结构脆弱性是二次干扰，协同脆弱性是三次干扰。这些干扰会导致设备设施损坏、货物积压过多，最終整个城市交通网络瘫痪。一体化的城市交通网络能带来经济效益和社会效益，同时也能造成交通网的瘫痪以及巨大的经济损失。

5 结论

本文借鉴以往基础设施脆弱性的研究解析和定义了ULS运行的脆弱性，分析了ULS的三大运行特征：复杂性、动态性、协同性。类比地铁、公交、物流系统的各类运营事故对ULS的事故类型进行了分类描述。指出ULS的脆弱性主要包括设备设施脆弱性、社会功能脆弱性、协同脆弱性进行探讨，其中设备设施与社会功能脆弱性对ULS内部产生影响，协同脆弱性则是在系统与系统之间产生影响。基于本文未来还需要对ULS进行深入研究：①根据ULS的实际运行情况，结合ULS的组成元件以及结构布局对设备设施脆弱性进行分析；②对ULS与其他系统之间的关系进行定量分析；③在ULS实际运行过程中，对工作人员的状态及时关注，分析具体的不合理行为对ULS运行造成的影响。