水下物流概念、模式及未来发展研究

李健 李梦春 翁震平 王理俊 杜希平

物流是指物品从供应地向接受地的实体流动过程.根据实际需要,将运输、储存、装卸搬运、包装、流通加工、配送、信息处理等基本功能实施有机结合,其中运输和储存在物流系统中扮演着重要的角色[1].伴随着经济全球化的发展,市场竞争越来越激烈,顾客对商品的多样性和交货期的需求越来越高,商品的种类越来越多,商品生命周期越来越短,流通速度越来越快,极大地促进了现代物流的繁荣和发展.面对仓储和运输需求的快速增长,传统解决方案大多依赖于扩建仓储中心和道路,因而需要占用更多的土地资源[2].在土地资源越来越紧张的形势下,传统解决方案面临着空间资源的瓶颈问题.

针对空间资源瓶颈问题,地下物流实践活动有了很大发展,比如雄安新区将建设地下物流中心、地下管道输送、地上智能末端站点、智能社区配送等[3].针对地下物流,学术界已开展了比较系统的研究,如张树清(2013)等认为发展地下物流系统,不仅能带来不可限量的生态和社会效益,而且对实现可持续发展,建设资源节约型、环境友好型社会大有裨益[4];周婷和周爱莲(2016)以地下物流配送线路的总成本最小为目标,建立了基于投资成本和时间成本的地下物流配送路线优化模型,并采用遗传算法对模型进行求解,结果表明,运用该模型可对所有可能的配送线路进行筛选,并得到最优的线路网络布设方案[5];张丹(2018)以地下物流系统的正外部性为依据,从供应链协调的角度,利用两部定价契约,确定了集卡企业和地下物流系统之间的集装箱流量分配和政府补贴[6]等.

在地下物流实践与研究不断发展的同时,也出现了水面生产、水下仓储和水下运输的实践活动,如亚马逊申请了水下仓储的专利[7].但对于水下物流,其概念还没有正式提出,学术界也没有出现相关研究.本文在探讨水下物流实践活动的基础上,提出了水下物流这一新型物流模式,探讨了水下物流的概念、模式以及未来的发展方向,旨在为缓解物流发展面临的空间资源瓶颈问题提供另外一种解决思路.

1 水下仓储和水下运输实践

亚马逊在水下存储方面进行了有益的探索.在2017年,亚马逊获得了一项名为“水下存储设施”的专利,即通过操纵物品的密度,将其存储在充满液体的环境中,并从中检索物品.根据专利的描述,物品在水下的存放和提取主要依靠附着在包裹上的深度控制装置.深度控制装置可包括一个或多个传感器(例如,水听器、全球定位系统或“GPS”接收器、深度传感器)、计算机组件(例如,处理器、收发器、存储器组件)、体积可膨胀或可压缩的物件(例如,气囊)、一个或多个可根据需要用空气、水或任何其他液体填充或排空的压载舱等,以便以可控的方式控制物品的净密度.在液体中改变物品或其容器的密度可以导致物品或容器在液体中的垂直深度发生变化,从而使其在液体介质中上升或下降.

当物品或容器放置在液体中时,深度控制装置可配置成使容器的密度超过液体的密度,例如通过减小体积和增加深度控制装置的质量,从而使物品或容器自然下降到底部或较低的位置.在收到该物品的提取命令后,深度控制装置可配置成使容器的密度下降到液体密度以下,例如通过增加体积和减少深度控制装置的质量,从而使该物品或容器自然上升到液体的表面或上方.此外,当通过改变物品或容器在液体内的净密度来垂直定位它时,还可以通过使其在一个或多个方向上受到自然或人为手段的作用来水平定位它,并且这种流动可通过自然或人工方式启动或停止[7].专利示意图如图1所示(图片来源https://www.uspto.gov/).

另外,在原油存储方面已经实现了海上油罐存储.例如日本进行原油战略储备时,就实施了海上油罐存储.海上浮式油罐采用双层钢板结构,两层钢板之间被海水填满,利用海水较高的压力来保证原油不泄漏,在储存罐的顶部还充有惰性气体,保证原油储备的安全[8].这种方式存储石油可以节省很大一部分的土地资源和建造成本.

在水下运输方面,我国军方通过运输军事物资进行了相关的实践.我国海域辽阔,尤其是南海海域岛屿众多,而且与陆地港口相距甚远.在对这些远洋基地或舰船实施物资补充的过程中,使用远距离大型运输机虽然运输时间短,但运输成本高.而如果采用船只补给,则容易受到恶劣天气的影响.以上两种运输方式都不能很好地满足及时补给的需求,而选择使用潜艇进行运输,由于受天气的影响小,则可以在保证安全、准时的同时降低运输成本.

2 水下物流的概念、需求和实现路径

2.1 水下物流的概念

在现有水下仓储和水下运输实践的基础上,结合物流的概念,本文将水下物流定义如下:水下物流是一个高自动化水平、高信息控制的新型物流系统,以计算机互联网为依托,通过大数据、云计算、移动互联、物联网等现代技术,实时控制水下仓储、运输、接驳、流通等过程,实现货物在水下从供应地到接收地的转移.水下物流的主要用途包括:满足在海洋中生产的产品(如石油、危化品)的存储和运输需求,满足远洋补给的存储和运输需求等.

图1 水下仓储专利图示

目前大部分水下物流的应用集中在军事领域.在当前我国积极推进军民融合,以及民用产品对水下物流需求越来越大的背景下,有必要对水下物流的概念、模式和未来发展方向进行梳理.水下物流的成功应用将有助于减少物流对地面资源的依赖,节约土地资源,为提高物流效率提供可能的方案.

2.2 水下物流的需求

2.2.1 海上生产的油气产品利用水下物流可以提高安全性

目前油气的运输主要是以船舶运输和管道运输为主,以车辆运输为辅,在运输或转运途中发生泄漏等事故的情况时有发生.如在2018年11月4日凌晨1时14分,福建东港石油化工实业有限公司的船舶与码头连接软管处发生泄漏,造成69.1t碳九产品漏入近海,事故造成了严重的水体污染、空气污染、海产品污染,并且伴随着巨大的经济损失[9].如果海上开采出的石油可以通过水下物流进行远洋运输,就可以减少转运环节,进而减少危险事故的发生.

2.2.2 危险化学品的落地生产遭遇抵制,水面生产和水下物流可以提供新选择

目前陆地居民对化工厂都比较抵制.近年来全国多个城市发生抵制PX项目的群体性事件,例如,2011年大连市民游行反对PX项目,2007年厦门市民为反对PX项目自发“散步”.此外,成都、南京、青岛、漳州也发生了反对PX项目的案例.其中,厦门市民以“集体散步”成功抵制的PX项目最终落户漳州[10].为了减轻危险化学品对居民的威胁和预防运输途中发生事故,可以在海上建立危化品生产线,其生产出来的产品可以通过水下物流进行运输,既避免了多次转运带来的风险,又可以利用水下运输不受恶劣天气影响的特点,使得运输过程更加安全.例如,可以在海洋石油981深水半潜式钻井平台上加装生产线,直接在海上将原油炼制为化工产品,然后采用水下物流进行化工产品的运输.

2.2.3 远洋补给采取水下物流,降低成本的同时还可保证运输的及时可靠

远洋补给需要长距离的运输,目前可以实现远洋运输的方式主要有航空运输和水上运输.例如永暑岛的补给工作主要依靠远距离大型运输机来完成,航母的补给主要依靠航母补给舰来完成.然而采取航空运输的方式成本过高,而水上运输速度慢,且受天气影响大,均不能很好地满足需求.相比之下,采取水下仓储和水下运输的方式更能降低成本并且实现运输的及时可靠.

综上,水下物流针对海上生产的产品以及需要长距离水面运输的货物等具有明显优势,其安全性高、成本相对低廉、不易受天气影响的特点可以很好地满足这些物品的流通需求.

2.3 实现路径

2.3.1 水下仓储

针对水下物流的仓储环节,可采取的方式主要有海底船舶、海底沉箱等.例如中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所在海洋动力环境监测浮标、实时传输潜标系统、水下多功能平台、水下浮体定深、海洋智能拖曳、高抗流水下机器人等方面掌握着核心技术优势,具有多项自主知识产权.水下浮体定深技术可以实现深度控制,悬浮系统入水后可实时将深度信号传回控制系统,控制系统对深度信号进行处理后,根据预先设定的悬浮深度要求并按照控制流程适时向执行机构发送控制指令,通过相应的控制操作实现水下悬浮装置在水中以设定的深度悬浮.所以,通过将水下浮体定深技术和其他技术的综合运用,可以实现海底沉箱船队在水中定深.而且将海底沉箱与动力系统分开,可以使得水下仓储和运输更加灵活和方便.

2.3.2 水下运输

水下运输货物的方式可以是水下集装箱运输.水下集装箱运输的运输工具可以选择半潜航行补给船.半潜航行补给船采取货物在水下,指挥台在水上的方式进行运输,可采用燃气轮机作为动力装置.这种运输工具可以将动力装置和货仓进行分开,实现灵活存储与运输.

另外,水下无人航行器作为水下无人系统的重要分支,在民用和军用领域都发挥着极其重要的作用[11].目前的水下无人航行器已经掌握了几项关键技术,如长续航力推进、自主导航、水下数据链通信等.美国新一代水下航行器“曼塔”(Manta)可根据任务需要携载不同的传感器、武器及对抗设备,完成任务后返回,可重复使用,并且远期排水量达91.700 t,航程2 000 km[12].

而新型水下无人航行器—水下滑翔机不仅具有续航长、可重复利用、兼具一定的航迹控制能力等优点,而且能耗小,制造和维护成本低廉.它的动力模型是通过液压系统改变浮力,在垂直平面中遵循锯齿运动模式.混合推进的水下滑翔机还具备在水平面上直线航行的能力,除了调整浮力之外,它的水平移动不需要额外的能量消耗。天津大学水下机器人团队研制的“海燕-II”水下滑翔机采用最新混合推进技术,设计最大工作深度1500m,设计最大航程1500km,可持续不断工作30d以上,具备独立水下全天候工作的能力[13].因此,水下滑翔机已经初步具备了运输工具的特性,未来有望成为水下运输工具的重要选择.

2.3.3 海底港口

在海底可以建立港口,用于装卸货物和完成水中液体的接驳.在海下进行运输的过程中,运输工具的动力补充、水中液体的分流以及货物的装载和分散都需要一个平台来做中间枢纽.而港口作为水陆交通的集结点和枢纽,为各类运输工具、货物等提供了中转、仓储等综合物流服务.在海下也可以建立海底港口,这样一来可以保证及时补充给养以完成长距离运输,二来可以以海底港口为节点形成货物的运输分散网络,从而实现了水下物流的流通功能.

2.3.4 水下定位和通讯

水下物流系统的实现除了需要上述硬件设施外,水下定位和通讯设施的加入也是必不可少的.我国在定位和通讯方面已实现了质的飞跃,2018年12月27日,北斗卫星导航系统新闻发言人宣布,北斗三号基本系统完成建设,开始提供全球服务.这标志着北斗系统服务范围由区域扩展为全球,北斗系统正式迈入全球时代[14].北斗导航定位系统不仅能提供GPS一样的服务,还能提供短报文通信功能.

北斗系统更完善的功能将使其在民用和军用方面得到广泛应用.目前北斗系统在船舶监控管理、海上遇险报警管理和搜救指挥、海洋渔业综合服务等方面都得到了很好的应用[15].在北斗定位系统逐步应用的基础上,我国海上精确定位技术也在积极向前推进.由哈尔滨工程大学研发的“北斗海洋广域差分高精度定位终端”填补了我国北斗导航在高端海洋工程平台应用的空白,成为国内首个针对海上高精度绝对位置定位的终端设备.如今这个海上专业级导航定位终端精准度确定在1m之内,可充分支持石油开采、管道铺设、搜救打捞、海上风力发电等船舶行业高端装备的国产化[16].所以,我们有理由相信通过北斗卫星导航系统不断地建设完善,以及科研工作的突破和创新,实现水下定位和通讯指日可待.

对于水下物流运输管理过程中可能面临的风险及可能发生的事故,目前胡志强和申翔(2016)提出了海上大数据应急救援模式.海上搜救技术性要求很高,特别是对于核事故、水下事故等的救援.海上大数据应急救援指挥控制的关键技术主要包括海上大数据分析处理技术,全球卫星定位与导航技术,实时、宽带、大容量、抗干扰多路由通信技术[17].所以北斗系统等全球卫星定位与导航技术是水下物流的重要构成部分和保障.

综上,水下物流的运作主要通过海底港口、水下仓储、水下运输、水下定位和通讯等环节来完成.利用海底沉箱等进行存储;运用半潜运输船和水下无人航行器进行运输;利用海底港口进行装卸货物和水中液体的接驳;通过水下定位和通讯的参与对以上环节进行全流程监控.这样的水下运输过程既能节省运输成本,又可以提高安全性,同时实现运输的及时可靠.

3 水下物流的优越性与局限性

3.1 优越性

3.1.1 丰富现代物流服务体系

现代物流的发展对于实现与提高产品与服务的价值、提升企业的竞争力、促进国民经济的发展具有十分重要的现实意义[18].目前整个物流活动的开展大多围绕在陆地上进行,陆路的商品流通已经非常迅速了,但在水路上商品流通速度并不理想.水下物流系统作为一种新的物流模式,将丰富现代物流服务,加强物流输送任务在水路上的分流.

3.1.2 减少土地资源的占用

随着经济社会的快速发展和人口的不断增长,整个社会对土地资源的需求与日俱增,致使可利用的土地资源日趋紧张.发展水下物流系统可以充分利用自然资源,通过建立水下仓储和开辟水下运输通道可以减少对陆地上大型仓储中心和交通运输线路的需求,从而减少了对土地资源的占有和依赖.另外,现今地价飙升,建设仓储中心需要大量资金的支持,而通过建立水下仓库,可以大幅减少企业固定资产的投入,进而保证企业资金链的良好运转.

3.1.3 消除船舶运输的局限

船舶运输受季节和天气因素的影响较大,当面临海洋冰封期或恶劣天气时,船舶运输将难以承担运输任务,受到了极大限制.据报道,2013年7月26日,青岛海域受大雾影响实施全面交通管制,造成300余艘船舶滞留[19].在水下物流模式中可以很好地避免这样的问题,即使在海洋冰封期期间,在冰层下面依然可以照常进行运输任务,从而保证物流运输的及时可靠.

3.1.4 提高安全性并实现稳定运输

物流的发展目标就是要为客户或物流服务对象提供满足需求的服务,实现低成本、高效率、高安全性.对于海上生产的产品和危险化学品可以直接采取水下物流的方式进行存储和运输,避免了多次转运带来的低效率以及转运过程中存在的安全隐患.另外,与船舶运输相比,水下运输不仅可以缩短航线距离,还可以避免恶劣气候的影响,从而保证运输的稳定实施.

3.2 局限性

3.2.1 技术方面

相关技术正在发展中,水下物流系统的技术效果目前还不确定.虽然亚马逊已经成功申请了水下仓储的专利,但真正在海下建立水下仓库,具体的实现效果无法准确估计.海底沉箱、半潜航行补给船等虽然给出了概念模型,但真正实现并加以运用还需要进行相关的技术研究.所以最终能否实现存储和运输的要求以及技术的安全性目前难以确定,水下物流系统的技术效果需要较长时间才能显现出来.

3.2.2 经济方面

建设水下物流系统的经济成本较大.水下物流系统的建设是一个从无到有的过程,海底港口和水下仓储设施的建立、水下运输工具的建造和使用、专业人才的培养等都需要巨大的资金投入.然而水下物流系统运行后的收益状况具有不确定性,在高成本投入和未来不确定收益的情况下,水下物流系统的实施难度加大.

3.2.3 环境方面

社会的发展要以环境友好为前提,物流系统的设计和运作也必须符合这一发展理念.水下物流的一系列活动多在水下进行,货物的运输需要在水下开辟航线,运输活动对海底生物的影响尚未有明确的研究.另外在货物储存过程中也可能对水体造成污染等危害,目前还没有在该方面做详细的测评预估.因此,开展水下物流活动对环境造成的影响还需要进行深入的研究.

3.2.4 组织管理方面

水下物流系统的良好运行有赖于科学高效的组织管理.水下物流的特点是高度的自动化、高度的信息控制,尤其是整个系统的运行多在水下完成,因此对人员的技术性和专业性都提出了较高的要求,相应的管理模式也需要进行创新,所以充沛的人力资源和科学合理的组织管理机制是决定水下物流良好运行的重要条件.

4 水下物流的发展展望

4.1 绿色可持续的水下物流

绿色物流是指在抑制物流活动各环节对环境造成危害的同时,实现对物流环境的净化,使物流资源得到最充分的利用[18].绿色物流是新世纪物流发展的热点问题,水下物流作为一种新的物流模式,应在绿色可持续的方向上得到进一步的发展.水下物流依托的是水下资源,减少了对陆地资源的依赖,但绝不应该让水下成为人类挥霍资源的新战场.为此,实现绿色可持续的水下物流系统至少要做到以下几个方面.

4.1.1 加强绿色物流观念的普及

绿色物流观念的产生和普及是一切绿色物流举措产生的基本前提,政府部门具有深刻的绿色物流观念才能制定出绿色物流的整体发展战略,企业具有深刻的绿色物流观念才能在物流环节做出相应的改变.

4.1.2 加紧绿色物流行业的相关法律制定

社会的发展会不断产生新事物,绿色物流便是如此,对此政府需要对其加紧立法,使绿色物流活动有硬性规定可循,从而规范各个物流环节的运作.

4.1.3 加强绿色物流的人才培养

绿色物流的发展要依靠相关技术人才的研究.只有努力培养该领域的人才,才能提高物流的应用技术,科学筹划物流的运营过程,从而保证水下物流在绿色的轨道上健康发展.

4.2 安全高效的水下物流

安全高效的水下物流是指通过技术的更新换代,在保证物流系统运作安全性的同时,提高各环节的工作效率.安全高效的水下物流不仅能够缓解原有物流服务的巨大压力,还能够使其更具有竞争优势,成为物流行业新的发展趋势.实现安全高效的水下物流至少要做到以下几方面.

4.2.1 加强多学科的综合深入研究

水下物流是多学科知识综合应用的产物,是一项非常庞大复杂的系统工程,因此水下物流的发展和改进也需要通过加强多学科的综合研究来实现.

4.2.2 合理规划资本的投入分配

水下物流系统的建设需要大量资本,但这并不单单是企业的经营活动,所以应该合理分配政府、社会、企业等各方的投入,才能充分调动各方的积极性,实现互利共赢.

4.2.3 加强工程质量和安全监控

水下物流系统的安全运行是实现高效率的保障.将物流转移到水下进行,在新的环境下,物流系统的建造和各环节运作的安全性都需要进行严格的评估和监控.

4.2.4 健全完善相关法律法规

水下物流作为新的物流模式,它在各方面的发展都应该通过法律法规来进行规范.

5 结论

本文基于目前开展的水下物流实践活动,提出了水下物流这一新型物流模式,探讨了水下物流的概念、模式以及未来的发展方向,旨在为缓解物流发展面临的空间资源瓶颈问题提供一种新的解决思路.但水下物流系统作为社会发展产生的新事物,还需要广大学者开展持续深入的研究,只有充足的理论研究基础才能让水下物流走上实践的道路.