高铁快运基地功能区划分与布置方法研究

丁小东，周凌云，许植深，王涵晴，唐 力

（中国铁道科学研究院集团有限公司 运输及经济研究所，北京 100081)

2019年我国快递市场业务量达635亿件，同比增长25.3%，2020年前11月，在全球新冠肺炎疫情影响下，我国快递市场仍然保持30.5%的增速，尤其2020年9月增速创近几年新高达45%[1]，成为我国经济复工复产的重要行业。为了满足快速增长的高端递送需求，国家高度重视高铁快运的发展，提出要加强高铁货运能力建设[2]，《交通强国建设纲要》要求创新高速轮轨货运列车技术[3]。与公路汽运和航空全货机相比，高铁快运具有运行速度高、送达时效准、载运能力大、节能环保优等技术经济特征，将成为引领我国快递物流高质量发展的重要手段。但是，高速铁路场站在设计时，仅考虑了客运服务功能，未预留货物进出车站和上下站台的通道设施，导致现有高速铁路客运场站不具备办理整列高铁快运条件。因此，需要建设专门的高铁快运基地，满足整列高铁快运动车组装卸、存放、检修等需求。高铁快运基地设计需要综合考虑高铁快运动车组、快件联运集装器等装备技术参数，而现行的高铁客运场站、普速物流基地、动车段的设计规范还不能满足高铁快运基地设计要求。在此背景下，需要研究高铁快运基地设计方法，明确高铁快运基地功能区划分方法与布置方案，指导高铁快运基地设计与建设。

1 高铁快运基地功能区划分

1.1 作业需求

通过对北京南高铁快运分拨中心、广州南高铁快运分拨中心，以及首都机场航空货运港、深圳机场航空货运港现场写实调研，高铁快运基地作业需求总体可以分为发送作业、到达作业和生产生活配套作业3种类型。

（1）高铁快运基地发送作业主要包括货物存储、汽车到达、零散快件发送分拣、高铁快运集装箱发送分拨、高铁快运动车组发车、高铁快运动车组存车、高铁快运动车组检修等作业。在上述作业中，货物存储、零散快件发送分拣、高铁快运动车组发检修为基地非必要需求，其中，货物存储作业一般仅针对货主入驻高铁快运基地情况，否则在客户仓库中完成；零散快件发送分拣作业包括货物交接、安检、发送分拨、高铁快运集装箱装箱等功能，该作业可以在快递企业分拨中心完成；高铁快运动车组发检修作业可以在客运动车所内完成，不用单独设置。其他作业为必要作业需求。

（2）高铁快运基地到达作业需求可以划分为高铁快运动车组到达、高铁快运动车组存车、高铁快运动车组检修、高铁快运集装箱到达分拣、零散快件到分拨、汽车发车等作业，其中，高铁快运动车组到达、高铁快运集装箱到发分拣、汽车发送为基地必须作业需求。在设计高铁快运基地时，如面临用地受限的情况，高铁快运动车组存车和检修可以在载客动车组动车所内完成，零散快件到分拨可以在快递企业分拨中心完成，不用单独设置。

（3）高铁快运基地配套作业需求主要包括高铁快运办公配套作业和生活配套作业。高铁快运办公配套作业需要提供业务受理、在线办公、信息查询等功能，高铁快运生活配套作业需要提供餐饮、住宿、停车等功能。该部分提出的高铁快运基地配套作业主要是面向铁路端的配套需求，为铁路职工提供相关的生产和生活配套服务，一般情况该作业区由相关铁路局集团公司或者中铁快运股份有限公司主导建设。

1.2 功能区划分模型

针对传统物流基地设计过程存在黑箱设计问题，引入公理化设计理论[4]，以高铁快运基地作业需求为划分，按照“需求分解—功能匹配—功能区聚类”的总体思路，采用需求传递方法构建高铁快运基地功能区划分结构模型。高铁快运功能区划分结构模型如图1所示。

功能区划分主要步骤如下。

步骤1：需求分解。根据高铁快运基地功能定位，细分基地需要实现的作业需求，同时可按作业环节进一步细化，将高铁快运基地各项作业需求分解至主要作业环节。

步骤2：功能匹配。根据《物流术语》[5]相关定义规定，按照相互依存、相互独立、相互协作等原则，将高铁快运基地需要实现的功能划分为储存、搬运、装卸、分拨、暂存等标准化功能，对完成功能与作业需求之间的匹配工作，按照独立标号原则对功能依次编号。

步骤3：功能区聚类。结合各功能之间的相似度，将相似度接近的功能区进行聚类合并。

图1 高铁快运功能区划分结构模型Fig.1 Structural model of functional area division of high-speed railway express

1.3 功能区聚类

按照集约化、规模化、集中化设计原则，将高铁快运基地具有相似功能的功能区进行集中化设计，因而需要对功能区聚类处理。令i和j为功能区的指示变量，且i≠j，m为功能区数量，则高铁快运基地功能区集合可以表示为L= {l1，l2，…，lm}，k= {1，2，…，n，…，N}为功能区对应的功能参数，每个参数表示该功能区具备的某项功能，则功能区li会衍生出一组向量{li1，li2，…，lin， …，LiN}。θ= {i，j= 1，2，…，m}。表示功能区li与lj之间的相似度，则可建立关于L的相似矩阵集Z(li，lj) =θij，0 ≤θij≤ 1，相似矩阵计算方法如下。

式中：ωk为功能区k对应的聚类权重；M为常数，且有0 ≤θij≤ 1。

通过计算高铁快运基地功能区之间相似度，将相似矩阵中完全相同的行对应的功能区合并成为一个类，其他行对应的功能区独自成为一个类。高铁快运基地功能区聚类过程可以分为聚类指标选取、标准化数据处理、加权模糊矩阵建立、加权模糊相似矩阵修正、模糊等价关系建立、最佳阈值确定及聚类等环节[6]。

1.4 高铁快运基地功能区划分方案

基于高铁快运基地需求分析结论，一是从货物发送作业需求、货物到达作业需求、配套作业需求3个方面，将高铁快运基地作业需求划分为货物存储、汽车到达、零散快件发送分拨等15个作业环节，梳理出货物常温储存、货物冷链储存、汽车停车、汽车装卸等29项功能，其中常温储存、货物冷链储存、快件安检等10项为高铁快运基地非必要功能。二是结合功能区聚类方法，研究提出高铁快运基地功能区可以划分为货物仓储区、汽车停车区、汽车装卸区、零散快件分拨区、高铁快运集装箱转运区、高铁快运动车组装卸区、高铁快运动车组接发区、高铁快运动车组存放区、高铁快运动车组检修区和高铁快运生产生活配套区。

综上分析，高铁快运基地需要建设的设施有货物存储库、汽车停车场、零散快件分拨中心、高铁快运集装箱转运中心、高铁快运动车组装卸站台、高铁快运动车组装卸线、高铁快运动车组存车场、高铁快运动车组检修库、高铁快运综合办公楼，其中零散快件分拨中心和高铁快运动车组检修库为非必要建设设施。高铁快运功能区划分方案如图2所示。

2 高铁快运基地功能区布置

2.1 基于搬运作业量的功能区布置模型

在普速物流基地设计领域，按照《铁路物流中心设计规范》(Q/CR 9133-2016)要求[7]，通过对影响功能区布局因素量化分析，已经解决普速物流基地功能区定量划分和布置问题[8]；在高铁快运基地设计领域，主要采用定性分析方法，探讨高铁快运基地功能区布置方案[9]。因此，基于普速物流基地功能区布置方法，结合高铁快运基地作业流程，以各功能区快件搬运周转量最低为优化目标，构建基于搬运作业量高铁快运功能区优化模型计算公式为

图2 高铁快运功能区划分方案Fig.2 Functional area division scheme of high-speed railway express

式中：Z1为各功能区快件搬运周转量；i和j为功能区编号，且i≠j；n为功能区数量；cij为由功能区i向功能区j的单位搬运成本；dij为功能区i与功能区j之间的距离；xi为功能区i中心点的横坐标；yi为功能区i中心点的纵坐标；xj为功能区j中心点的横坐标；yj为功能区j中心点的纵坐标；fij为由功能区i向功能区j的流向强度；qij为功能区i向功能区j的作业量；λij为由功能区i向功能区j的作业次数。

令hi为功能区i的水平边长；ui为功能区i的垂直边长；hi为功能区j的水平边长；uj为功能区j的垂直边长，高铁快运基地功能区布局示意图如图3所示。

2.2 基于邻接度的功能区布置模型

基于Muther[10]在1961年提出的传统系统设施规划布置方法(Systematic Layout Planning，SLP)，以任意2个功能区之间的邻接度为研究对象，以所有功能区之间邻接度总和最小为目标，构建功能区邻接度的高铁快运功能区优化模型。

式中：Z2为各功能区之间邻接度总和；i和j为功能区编号，且i≠j；n为功能区数量；Tij为功能区i与功能区j之间的距离；Bij为功能区i与功能区j之间的邻接度；dmax为高铁快运基地长边与宽边的长度之和。

2.3 高铁快运基地功能区综合布置模型

以高铁快运基地功能区布局方案最优为目标，综合考虑高铁快运基地各功能区比邻关系和全程搬运成本，构建双目标函数的高铁快运基地功能区布局模型，将多目标函数转化为单目标函数。

式中：ω1为货物搬运成本的权重；ω2为综合相关度的权重，且有ω1+ω2= 1，μ1，μ2为常数，且有。

2.4 高铁快运基地功能区布置方案

通过研究高铁快运各功能区间搬运流量强度和邻接度，构建了高铁快运基地功能区综合布置模型，在高铁快运基地实际设计时，总体可以分为高铁快运其他各功能区流量强度计算、各功能区邻接关系计算和综合布置方案生产3个环节。

（1）高铁快运其他各功能区流量强度。结合高铁快运基地作业需求和功能区划分结果，明确哪些功能区之间存在货物交流量，若在功能区内不改变货物形态，则货物流量大小保持不变，计为1，若在功能区内需要完成流通加工、包装等作业，则需乘以相应调整系数，高铁快运基地不需要流通加工等作业，因此功能区之间若发生货物交流均按1计算；此外，统计各功能区之间作业次数。获取功能区间货物流量和作业次数后，根据公式(5)可以计算出高铁快运基地9个功能区之间的流量强度。高铁快运基地功能区间流量强度如表1所示。

表 1 高铁快运基地功能区间流量强度Tab.1 Traffic flow strength among high-speed railway express base functional areas

（2）高铁快运其他各功能区邻接关系。结合高铁快运基地作业需求分析，采用传统的系统设施规划布置方法，邀请行业专家对各功能区邻接关系进行打分，结合表1给出的高铁快运基地功能区间流量强度结果，按照公式(8)中功能区邻接度计算方法，计算出各功能区邻接关系，然后根据邻接关系大小，划分成0，0.2，0.4，0.6，0.8和1共 6个等级，功能区间邻接关系如图4所示。在图4中，数字0表示功能区之间不存在业务交流，数字值越大表示两者之间邻接关系越紧密。

（3）高铁快运基地功能区布置方案。考虑到高铁快运动车组的作业和行车安全，高铁快运动车组装卸、存车、检修等作业与要公路汽车实行物理隔离布置，常见的物理隔离布置方案有“I型”“L型”“回型”3种。由功能区邻接关系图可以看出，高铁快运基地铁路侧只有高铁快运集装箱转运中心与公路侧汽车停车场和零散快件分拨中心之间存在直接邻接关系。因此，在研究高铁快运基地铁路侧与公路侧隔离布置时，需以高铁快运集装箱转运中心为隔离边界，为了提升基地土地利用空间，应采用“L型”物理隔离布置方案。

图4 功能区间邻接关系图Fig.4 Adjacency graph between functional areas

基于高铁快运基地各功能区间流量强度计算、邻接关系分析，以及铁路侧与公路侧布置方案，考虑主要功能区之间货物交流量，研究提出高铁快运基地功能区布置方案。高铁快运基地功能区布置方案如图5所示。

图5 高铁快运基地功能区布置方案Fig.5 Functional area layout plan of the high-speed railway express base

在铁路侧布置方案中，高铁快运动车组存车场与高铁快运动车组装卸场(含高铁快运装卸站台与装卸线)采用横列式布局，高铁快运动车组装卸场与高铁快运集装箱转运中心采用尽头式布局，根据实际条件布置高铁快运动车组检修库。在公路侧布局中，公路汽车停车场紧邻高铁快运集装箱转运中心，根据实际需要依次布置零散快件分拨中心、货物储存库。

3 研究结论

通过对高铁快运基地作业流程系统分析，提出高铁快运基地功能区划分及布置方法，研究得出以下结论。

（1）高铁快运基地可以划分为货物存储库、汽车停车场、零散快件分拨中心、高铁快运集装箱转运中心、高铁快运动车组装卸站台、高铁快运动车组装卸线、高铁快运动车组存车场、高铁快运动车组检修库、高铁快运综合办公楼9个基本功能区，具体设计可按项目建设条件适应性选择。

（2）高铁快运基地功能区布置，需要总体划分为铁路侧与公路侧，为了防止公路侧社会车辆对高铁快运车辆作业带来安全隐患，建议在高铁快运基地铁路侧和公路侧之间采取“L型”物理隔离措施，二者之间可以通过高铁快运集装箱转运中心实现货物、人员交流。

（3）在铁路侧，存车场与装卸场宜采用横列式布局，装卸场与集装箱转运中心宜采用尽头式布局；在公路侧，公路汽车停车场紧邻高铁快运集装箱转运中心，依次布置设零散快件分拨中心、货物储存库。聚焦高铁快运基地总体布局技术，接下来应重点研究高铁快运装卸站台、存车线等核心设施设计参数。