城市地面地下一体化物流网络货运性能研究

陈 慧， 胡万杰， 陈一村

(1.安徽财经大学财政与公共管理学院， 安徽 蚌埠 233030； 2. 北京工业大学城市建设学部， 北京 100124； 3. 军事科学院国防工程研究院， 北京 100086)

0 引言

2021年全国网上零售额达到13.1万亿元，同比增长14.1%，其中，快递业务量首次突破1 000亿件，同期增长超过30%。作为供应链的末端环节，城市物流承担了重要的经济社会职能，其市场在急速扩张的同时，也对社会和环境造成了严重负担[1]。一方面，市区道路无法承载激增的供货需求，拥堵、限行等问题已成为制约国民经济流通的主要“瓶颈”；另一方面，低效率行驶致使城市污染和能耗问题日趋严重，货车尾气排放在城市雾霾成因中占比超过20%。现阶段的物流供应方式难以支撑城市“低碳、智能、高质量”发展。在此背景下，国家《交通强国建设纲要》[2]和《“十四五”现代流通体系规划》[3]明确指出发展城市地下物流系统(underground logistics systems, ULS)，作为我国继海、空、公、铁之后的第5代新型物流及供应系统[4-6]，以促进城市拥堵治理和交通碳达峰，增强城市物流服务效能，释放城市土地资源，提升新冠疫情期间应急物资供应水平[7-9]。

城市地下物流网络设计是指依据道路货运现状，在满足一定服务能力、客户需求、投资预算、共同安全、环境和运输时空约束等条件下，以提高城市综合货运效能为目标，对ULS节点、隧道等关键基础设施进行选址，并确定相关系统特征参数[10]。国内外针对ULS成网布局开展了长期的研究和工程探索。近年来，以上海港地下集疏运系统[11]、北京城市副中心地铁货运系统[12]、瑞士CST城际地下货运系统和美国Hyperloop One真空货物管道等为代表的一批新型地下物流项目引起了广泛关注，并已得到实质性的政策支持。

然而，“入地”并不代表着替代传统货运方式， 由于地下工程造价高且建设周期长，ULS长期的定位应当是城市综合交通运输系统的重要补充。学界普遍认为构建立体协同的城市物流配送机制是未来ULS的重点发展方向[13]。基于这一思路，本文通过刻画包含地下干线、地下支线和道路交通的地面地下一体化物流网络，分析地下物流运行参数对一体化网络货运性能的影响机制，以期为基于ULS的城市物流系统规划和资源配置提供依据。

1 一体化网络构建思路

地面地下物流一体化是城市综合交通运输体系发展的高级形态，选择城市靶区建立ULS节点，将“入城难”“配送难”的货物转移至地下，实现城市空间的合理利用与立体协同。不同于独立成网的ULS系统，一体化网络规划旨在实现当前城市物流体系与地下基础设施(新建或已建)之间的功能耦合，以“共建”代替新建，最大程度地降低项目投入。此外，广泛分布的ULS节点充当了多式联运枢纽，有助于促进城市交通物流资源配置的集约化，实现运输模式面临突发事件时的快速切换，增强城市供应韧性。

1.1 网络结构

城市地面地下一体化物流网络结构示意图见图1。在道路配送模式下，外部货流首先抵达城市物流园区、码头堆场、仓库等上游设施，由卡车运输至各市辖区设立的商贸/快递配送中心，随后转运至厢式货车和快递小车发往社区网点或末端场站，实现最后交付。在ULS模式下，考虑设置地下干线网连通园区与地下物流枢纽节点，枢纽节点须配置装卸搬运、转运仓储、拆箱分拣等必要的功能区及处理设备，可利用既有配送中心的地下空间建设，也可以设立在医院、CBD、大型场馆等重要建筑处。以枢纽节点为中心，在其附近的配送网点/场站、地下商场、车库、地铁站或人防设施等位置布设地下物流末端节点，同时建立货运管道连接枢纽节点与末端节点，形成地下支线网，支线管道可考虑与综合管廊共建。轴辐式网络布局能够有效整合运输资源，提升物流效率和规模经济[14]。

图1 城市地面地下一体化物流网络结构示意图Fig. 1 Demonstration of urban surface-underground integrated logistics network

1.2 运营模式

ULS服务范围同时涵盖社会功能型物流、生产商贸物流和第三方快递物流，根据流向又分为入城货流、同城货流和出城货流。在运输组织方面，一体化网络规划的重点在于根据货流类型确定其支干线运输模式并组建合理的业务链。以快递物流为例，各快递企业通过与ULS运营商合作，可将自身配送业务中的地下运输部分交由统一的ULS运营商承担，而最终交付仍由快递员完成。对于企业而言，仅仅是其城配业务中的干线或支线运输过程发生了变化，而业务本身并没有实质性的改变，不影响其岗位需求和品牌价值。另外，在商贸物流方面，生产商、园区承运人、ULS运营商、零售企业之间通过建立物流联盟，根据不同城市交通环境为托运人提供一体化的运输服务，例如，在拥堵地区和卡车限行时段优先利用ULS开展货运。

2 一体化网络运行关键参数设计

2.1 地下货运载具制式

目前，世界各国已针对不同ULS开发场景提出了多种地下运载制式，当前主流载具的基本参数如表1所示，包括速度、装载量(以5 898 mm×2 352 mm×2 390 mm、载质量17.5 t集装箱为参照)、通道直径、最大编组数和最小发车间隔。发现适用于城际物流、港口集疏运的干线运输线路普遍采用直径为5～8 m的隧道，配合速度为60～80 km/h的专列，按照与地铁类似的固定时刻表组织行车，实现大批量货物点到点快速转移。为了在局部城区开展高频次、高可达性的地下包裹配送，项目普遍采用小直径管道制式设计支线网络，并搭载25～45 km/h编组式胶囊车或自动导向车。

表1 城市地下货运载具设计参照Table 1 References for urban underground freight vehicle design

2.2 地面地下综合运输成本

依据随机效用理论，地面地下一体化物流网络的综合运输成本可通过运输时间、货运费用、延误程度和随机干扰因子加权表示，如式(1)所示。

C=e1·运输时间+e2·货运费用+e3·延误程度+φ。

(1)

式中:e1、e2、e3为权重系数;φ为随机干扰因子。

定义m1、m2、m3分别为道路运输模式、地下干线运输模式和地下支线运输模式，p为一体化网络中从任意始发地到达任意目的地的流量，利用运输模式与流量的上、下角标组合反映不同模式下的运输线路特征。

2.2.1 城市道路运输成本

物流延误程度由载具在节点的装卸排队时间表示，排队时间越长，延误程度越高。将延误影响转化为效用成本，路网运输成本受货运时间、货物节点等待时间、地面运输费率和事故损失成本的影响，可表示为

(2)

(3)

货车日常运输时间和频率具有周期性，流量p在前端配送中心的等待时间表示为

(4)

(5)

2.2.2 地下货运成本

ULS运行具有高自动化、无人化的特点，相比于道路运输，其事故损失成本可忽略不计。地下货运成本受运输时间、节点等待时长和固定费率的影响，可表示为

(6)

流量p的地下干线运输时间

(7)

(8)

ULS支线运输采用小直径管道，在满足一定末端节点泊位的条件下，载具的等待时间可以忽略不计，该部分运输成本可表示为

(9)

2.2.3 运输模式转换成本

(10)

2.3 地下设施容量

一体化网络容量由枢纽节点货物处理能力μ1、枢纽节点货物转运能力μ2、隧道货物通行能力μ3和管道货物通行能力μ4构成，表示为U=(μ1,μ2,μ3,μ4)。其中：μ1由地下节点建设规格确定；μ2表示为枢纽节点配备的转运设备套数与货物转运效率之积；μ3和μ4通过载具的最小发车间隔、容量和最大编组数进行计算。

3 一体化网络货运性能模拟分析

3.1 案例设置

从地面地下一体化物流网络运行效能的角度分析ULS网络参数与网络性能之间的互动影响机制。根据Hu等[15]提供的北京市五环城区物流设施分布数据及路网数据，构建一体化网络计算案例。图2(a)示出了北京市3个主要物流园区、15个市辖区配送中心、73个社区快递网点和商场货物堆场的地理位置，以这些位置为基准设立了15个枢纽节点和73个末端节点，按照图2(b)中的假设布局建立隧道区间(24条)和管道区间，确定节点分配关系。

(a) 地面路网层

(b) ULS网络层图2 地面地下一体化物流网络案例(以北京市为例)Fig. 2 Surface-underground integrated logistics network case (take Beijing for instance)

同时考虑入城货流和同城货流，假设任意网点的货运需求量在15～25 TEU，从3个园区随机发送，任意2个网点之间的货运需求量在0～0.3 TEU随机确定，分别得到规模为3×73和73×73的需求流量矩阵。在道路模式下，卡车以车队形式发出，按照如表2所示的线路和发车频率将入城货流依次送达其目的地所属的配送分拣中心(如图2(b)所示)。卡车地面旅程受到不规则路网布局带来的“绕路现象”影响。利用高德地图API获取高峰期某一时刻北京市主要街道通行速度，假设卡车行驶速度与路段速度保持一致，并且计算迭代过程中路网速度保持不变。

表2 道路运输情景Table 2 Road transport scenario

地下运输情景如表3所示。通过设置不同的发车频率、速度和设施容量，模拟10种一体化网络的地下运输情景。其中，情景1为基准情景，根据表1的“货运列车载具”和“CargoCap载具”确定相关参数取值，其余情景在情景1的基础上调参得出。计算所需其他参数设置如表4所示。

表3 地下运输情景Table 3 Underground transport scenario

表4 其他参数设置Table 4 Other parameter setting

考虑到城市物流的不同运输过程存在地面地下模式选择，本文根据运输效率最高原则确定货运方式。对于园区任意入城货流，若利用干线隧道能够更快地将货物送达目的地配送中心，则优先选择ULS，反之选择道路模式；若基于末端管道的2级运输效率更高，也优先选择ULS，同城货流的处理方式同理，与园区直连的隧道区间通行能力不限。

3.2 计算流程

利用MATLAB对地面地下一体化物流网络运行状态进行仿真计算，步骤如下。

1)步骤1。确定可达线路集，对地面地下网络节点和路径进行初始化，将有向图网络转化为增广状态网络。设置网络路径集合X、货物流量矩阵Q、流量加载次数上限n=50，赋予初始网络路径更新阈值η1、转运选择次数η2、广义费用接受程度η3。流量p的每次货物加载量为ΔQp=Q/n。

2)步骤2。通过Floyd最短路算法计算可行路径集合X1，若路径xX满足则将其加入流量为p的有效地下路径集合其中，和分别为流量p通过隧道路径x和地面路径x的时间。根据式(2)、式(6)和式(9)，分别计算每条有效路径上所产生的相关运费。将流量加载至每条地下路径，当集合中所有的路径都加载完成后，更新全局网络状态。

4)步骤4。对所有流量采取相同操作，当ULS网络彻底饱和时，终止计算；否则，令n=n+1，转向步骤2。

4 结果讨论

4.1 运输模式选择

图3示出情景1中的货物运输模式选择随流量加载的变化趋势。在前期阶段，大部分货物由ULS全程运输，少部分货物选择立体协同运输方式，而道路货运负载接近于0，说明货物在低负载ULS网络中的平均运输里程最低，运输效率明显优于道路模式。随着需求不断扩大，全程道路运输量和立体协同模式运输量开始显著增加，而部分流量由于干线隧道区间饱和而发生“地下绕路”现象，故更倾向于道路运输。在加载的后期阶段，立体协同模式占据主导，说明当货运负载较高时，该模式能够在分摊路网交通压力方面发挥积极作用。

图3 3种运输模式的承运量变化(情景1)Fig. 3 Change of freight volume carried by three transportation modes (Scenario 1)

4.2 运载速度参数影响

情景1至情景4展示了地下发车频率和设施容量相同但地下运载速度不同的运行环境，结果表明一体化网络均能在地下设施未达到饱和的前提下完成全部货运任务，如图4所示。由图4可以看出，地下运载速度对一体化网络各模式所承担货运量的影响不大。此外，随着地下运输效率的提升，地下网络流量显著提高，而路网流量相对减少，总体运输成本降低。通过比较情景2和情景3可以发现，地下干线提速对于降低运输成本的贡献明显优于支线提速。

图4 地下运载速度对网络性能的影响Fig. 4 Influence of underground vehicle speed on network performance

4.3 发车频率和设施能力参数影响

情景5至情景10的计算结果展示了地下物流发车频率和设施容量对于一体化网络运输成本的影响，如图5所示，发车频率对于总成本的影响不显著。比较情景1和情景5可以看出，将地下干线发车频率提升1/3后，总成本仅降低了1.26%，而情景7至情景10的总成本相比于情景1分别提升了13.1%、5.2%、8.15%和17.6%。结果表明，相比于开展高频地下配送或提升管道通行能力，提升枢纽节点处理能力和隧道通行能力更有助于促进模式转移，从而降低网络运行成本。

图5 一体化网络运输成本变化趋势Fig. 5 Variance trend of integrated network transport costs

在地下运载速度不变的情况下，提升设施容量能够显著提升地下总运力。图6示出情景1、情景7和情景10货运模式所承担的货量大小，发现立体协同模式下的货运量增长曲线与全程ULS模式下的曲线交点呈向后迁移趋势，地面运输量的增长速度随着枢纽节点处理能力和隧道通行能力的提升而下降。

图6 地下设施容量对网络运力的影响Fig. 6 Influence of underground facility capacity on network transport capacity

通过消除卡车里程，地下物流系统有望显著降低城市道路交通事故损失。情景1、情景5、情景7以及未引入ULS背景下的北京市货运交通事故成本对比如图7所示。结果表明，地面地下物流立体协同能够使得事故成本最多下降63.5%。另外，随着地下发车频率和设施容量的提升，一体化网络在城市交通安全方面的外部效益略有增加。

图7 ULS对城市道路交通风险的缓解作用Fig. 7 Role of ULS in alleviating urban road traffic safety

5 结论与建议

面对日益加剧的“大城市病”，充分利用地下空间构建“人在地面，交通存于地下”的“分层城市”已成为促进社会可持续发展的重要途径。作为智慧城市的新载体， 城市地下物流系统为我国高质量地下空间开发和综合交通运输体系建设提供了有效着力点。在此背景下，探究面向实施的地面地下一体化物流网络规划具有重要意义。

本文构思了地下货运与路网交通耦合形成的一体化物流网络形态，通过模拟多种地面地下协同运输情景，对不同参数配置下的一体化网络货运性能进行对比分析，得出以下结论。

1)相比于独立开展地下货运，道路与ULS的立体协同运作模式是城市物流高负载情景下的优先选择。

2)地下货运载具速度显著影响网络运输成本，但对网络总运力的影响不是决定性的，在成本削减方面，隧道提速的作用优于管道提速。

3)枢纽节点处理能力和隧道通行能力显著影响ULS网络运力和综合运输成本，提升地下线网发车频率需要与配套设施容量相适应。

4)一体化网络可以有效提升运输效率，降低货运交通事故风险。

针对城市地面地下一体化物流网络规划，提出以下3点建议。首先，应当注重网络关键设施的能力建设，须满足一定的容量冗余以应对需求激增的不确定性；其次，在“货运时间价值提升最大”“拥堵缓解效益最大”“因地制宜”等原则下对ULS节点进行选址，合理制定网络建设规模，使地下干线、地下支线与城市路网的货运负载水平保持相对平衡，发挥ULS对道路货运效率的重要补充机制；最后，应根据流量特征(如运距和货量)制定地下货运优先级，积极开展地面地下多式联运，以实现不同货物的分级、分批次运输，促进城市物流降本增效和网络高效协同运作。