国内外地铁货运系统的研究现状与进展

王月丽，杨中华,2，刘邹洲，黄 锦

（1.武汉科技大学 恒大管理学院，湖北 武汉 430065；2.湖北省产业政策与管理研究中心，湖北 武汉 430065）

传统物流行业一直在通过提高管理效率和提升物流设施设备来应对城市物流问题，但是这些传统手段的应用带来的边际效果越来越小，必须需要一种全新的物流模式来打破当前的城市困境。因此，地下物流成为近年来相关学者的研究热点，特别是2019 年国务院发布《交通强国建设纲要》明确提出建设城市地下物流配送系统之后，相关研究更是层出不穷。但是由于真正意义上的城市地下物流系统建设难度大、成本高、周期长，世界范围内实际投入运营的城市地下物流系统（Underground Logistics System，ULS）屈指可数，所以较多学者认为地铁货运系统（Metro-based Underground Logistics System，M-ULS）可以作为当前城市地下物流系统建设的前身先行先试。由于建设成本低、环境友好、人群覆盖性强等优点，地铁货运系统成为城市地下物流研究的焦点。

地铁货运系统（M-ULS）的实践最早可以追溯到1927 年伦敦的“地铁邮局”[1]，由于公路和铁路运输方式的发展，地铁货运的初期尝试被逐渐放弃了。近年来，随着智能运载技术的发展，城市地下物流系统再次引起了国内外的关注。其中，部分学者提出了利用地铁、轻轨或有轨电车实现客流与货流协同输运的构想，这种构想一经提出就广受关注。学者们将这种利用现有的地铁资源进行优化配置，结合现代物流设施设备及技术，进一步把地铁站改造成包含储存、转运、配送等物流功能的空间，实现客流与货流协同的系统称为地铁货运系统（M-ULS）[2]。

为了全面梳理地铁货运系统（M-ULS）的研究成果，本文分别从战略、战术和执行层面，对近年来地铁货运系统（M-ULS）的规划理论、网络布局和运营调度等问题的相关国内外文献进行较为全面的综述，以期为相关领域的学者提供有效的参考与借鉴。

1 战略层面：规划理论与综合效益

地铁货运系统（M-ULS）由于实现了客流与货流的协同，能产生可观的外部效益，学者们普遍认为可将M-ULS 作为城市地下物流的前期发展形态，并以地铁货运模式能够重塑城市交通物流形态[3]。在战略层面，学者从地铁货运系统的基础设施规划、业务规划和综合效益分析等方面进行了大量的研究。

（1）基础设施规划

学者通常通过多种基础设施规划方案的对比，并结合实际货运需求对M-ULS 的地铁站台形式、改造方案、联运站点等基础设施进行了设计。王小林等[4]基于西安地铁站实际数据进行地铁物流需求量及相关建筑面积预测，提出两种适合M-ULS 的地铁站形式：分离式地铁站和结合式地铁站。其中分离式地铁站可以隔开物流与客流，保证安全的同时提高效率，结合式地铁站的优势在于可以灵活调整车厢内客货流量，合理利用地铁平峰期和空窗期的运能。张梦霞等[5]从节点规划、通道规划、网络形态规划等方面对地下管廊物流系统、地铁轨道物流系统、地下道路物流系统等三种城市地下物流方案进行了对比分析，提出改造站台以承担货运功能，具体给出了客货混编和货运专列两种情形下的站台改造方案。王强等[6]定义了在共线拖挂模式下M-ULS 的物流运输模式、站点装卸模式、经营合作模式，给出站台层和站厅层以及地铁多式联运衔接站的改造示意图，以武汉地铁实际情况为基础，应用仿真软件证明了M-ULS 的经济价值和节能价值。

（2）业务规划

考虑到地铁物流系统客货协同运行的需求，在保障地铁客流运营的基础上，如何设计合理的业务规则是M-ULS 面临的首要问题。李敬恒[7]从成都地铁网络全局出发，在TOD 背景下进行成都地铁物流配送网络的方案设计以实现平均货物送达时间最小，相应的提出成都地铁物流基本业务方案。陈佳怡[8]利用人口分布数据和分担率预测武汉地铁物流需求量，在不改变现有地铁开行频次的情况下建议客运低峰期一节带货、空置期一列带货、天窗期开行货运专列的方式进行地铁货运系统的运营。曾锐峰[9]以快递运输为例证明地铁运输合理性，不仅提出营运时段与非营运时段的货运规划，还提出了同城快递配送服务和航空快递的地面承运服务两种业务规划。目前，深圳已经开始试点实行地铁-航空联运模式，在联运点设置收发行李，借助地铁为航空乘客提供行李配送服务[10]。燕玲[11]定义了小件物品快递，具体介绍了运用地铁承运小件物品快递的业务流程，最后从经济效益和城市外部性两方面解释了利用地铁开展小件物品快递业务的必要性。Hu 等[12]组织和评估了一个包含37 项M-ULS 开发所必需的关键技术的分层框架，设计了具有物流功能的具体互通式地铁车站内部布置方案，对车站的物流工作流程进行了详细描述，文献和调查的证据表明，所提出的M-ULS 模型在技术上是可行的。

（3）综合效益分析

目前，地铁货运系统（M-ULS）更多处于规划设计阶段，实际投入运营的项目较少。作为项目运营的前期工作，学者们从M-ULS 的经济效益、社会效益等方面进行了深入研究。

Ma 等[13]集中关注地铁公司和物流运营商在不同的市场力量机制下的决策，在合作博弈和非合作博弈机制下对新兴的地铁一体化物流方式进行了经济分析，结果表明引进地铁一体化物流系统有可能为地铁公司和物流公司产生帕累托效果。徐国峰[14]提出了城市地下物流系统费用和效益评价的方法，并以武汉市为例进行了经济评价，对城市地铁货运的实行提出了指导意见。彭玫贞等[15]对比地铁物流系统和地下物流系统的异同，从技术、运营管理、效益三方面对城市地下物流系统与地铁的协同运行，进行了可行性分析和协同运行风险分析，发现将地铁与地下物流系统协同才是符合国情的方案。

在社会效益方面，Xu 等[16]使用系统动力学方法，以武汉疫情高发期间的实际数据为基础，分析疫情期间将地铁货运投入实际应用对城市物流绩效产生的影响以及地铁地下物流的发展过程，建立了一套有效的宏观微观激励政策来推动地铁物流系统发展，为决策者处理城市物流问题提供有效的支持。Hu 等[17]创新性地提出城市地铁货运外部性的评价模型，把地铁物流系统的四个主要利益系相关者和一系列影响因素纳入两个子模型，并以北京市为例进行分析；进而将投资政策、网络规模和市场竞争力三个决策变量组合到8 个不同的情景中考察中小民营企业的外部效益、定价策略、资本融资结构和业务量。陈梓毓[18]从绿色物流和可持续城市配送理念出发，提出使用地铁进行城市配送，并结合南京实际情况，从运能、市场、可行性等方面探究M-ULS 的应用。

2 战术层面：网络布局与节点选址

地铁货运规划的关键在于客货共享节点的选址、分配和运输路径规划。在这一具体的地铁货运规划层面，学者们的主要工作集中于地铁货运系统的网络布局和节点选址问题。

在网络布局方面，胡万杰等[19]构建了地铁货运系统的网络选址-分配-路径模糊随机规划模型，创新性地探索在不确定需求环境下地铁货运网络的效益情况和最佳布局规划。任睿等[20]针对某种特定的轴辐式地铁货运系统网络，提出由地铁、管道和地面三级协同的地铁货运网络布局优化方法，研究表明该布局方法能大量分担地面货运量，释放城市道路服务能力。更多的文献对物流节点选址问题展开了研究。为了方便阅读，本文从结构角度和功能角度对选址问题进行文献综述。

（1）单级节点选址问题和多级节点选址问题

从结构角度来看，M-ULS 选址问题可以分为单级节点选址问题和多级节点选址问题。关于单级节点的选址研究，闫文涛等[21]在候选物流节点和需求点已知的情况下，从供应商成本最低和客户费用最低两个层面出发，建立双层规划模型以识别出与需求点匹配最佳的候选节点实现地下物流节点选址。何永贵等[22]将客户最优作为下层规划目标，深入探究是什么因素决定了客户对物流节点的选择，把距离、服务质量和服务价格因素加权量化，使选址模型在实际应用中更具参考性；Zheng 等[23]提出了一种改进的p 中值模型以使M-ULS 的总成本最小，以服务能力和网络密度为加权项，构建加权V 形图，计算优化节点的服务范围，论证了利用地铁进行物流配送的可行性。

在多级节点的选址研究方面，胡万杰等[24]针对客货共线模式下的地铁物流系统的选址问题进行分析，以南京地铁1 号线和2 号线为例探讨得出结论：双线换乘情况下，地铁货运单价与地面货运单价之比在1∶2.5 以下就能保证地铁物流系统的经济性优势。王苏林等[25]在地铁物流节点选址研究中将目标函数设置为物流节点数量最少且转运率最低，利用集合覆盖模型和整数规划实现物流节点选址。任睿等[20]以轴辐式地铁物流网络为背景节点选址优化问题研究，并将货流分配、路径布置纳入优化模型中。Zhao 等[26]基于轮辐网络模型的同城地铁物流系统设计出三阶段优化模型，第一用熵权TOPSIS 模型筛选出候选枢纽节点和辐条节点；第二考虑容量限制，采用贪婪随机自适应搜索方法识别辐条节点；第三以运输距离最小为目标采用禁忌搜索算法识别枢纽节点，通过灵敏度分析，证明了容量约束对多节点系统的配置有显著影响。

（2）配送中心节点选址与转运中心节点选址

从功能角度来看，目前研究的对象主要是M-ULS 配送中心节点选址问题和转运中心节点选址问题。配送中心是通过物流集中再分配从而产生物流规模效益的场所，其选址关系到整个M-ULS 收益情况。张秋星[27]着眼于地铁物流过程中的配送环节，在选址模型中加入成本和覆盖范围限制，发现地铁承担货物运输的比例不同对物流配送中心选址方案决策具有不同的影响，进一步给出不同选址方案的综合物流效益评价方法。He 等[28]对配送中心的布局问题和配送问题分别建立模型，利用改进的蝙蝠启发算法来解决高维配送中心布局模型问题，用上海市中心城区地下物流节点系统布局规划为例进行了模型验证。

转运中心既可能是地铁货运与地铁货运之间的中转站，也可能是地面运输与M-ULS 的衔接点，其位置的选择对物流效率有极大的影响。周芳汀等[29-30]明确了货物在M-ULS 系统中的移动路径选择方法，把运输成本、中转成本和固定运营成本相加作为目标函数建立模型，改进模拟植物生长算法求解模型，确定地面物流系统与M-ULS 之间的转运点位置，以成都市为例做覆盖范围、需求量、规模效应相对于总成本的敏感度分析。李铖钰[31]参考大连一号线和二号线的实际数据，计算在地铁运营商和快递企业协同配送时哪些站点可以作为最佳转运物流节点。

3 执行层面：运营调度

目前对于M-ULS 运营调度的研究主要集中在协同运行和路径优化方面。

（1）协同运行问题

按照协同对象的不同，可以将协同运行问题分为列车调度协同问题、客货协同问题、M-ULS 与地面物流系统协同问题。

针对列车调度问题，陈一村等[32]对比了各种地铁货运模式，建造模型确定共线模式下货运列车每天的发车频次，最终认为共线运输只能作为补充运输方式，只有分线运输模式下的地铁货运系统或者独立成网的地下物流系统才能从根本上解决物流问题。潘欣维[33]详细阐述了由三层结构组成的地铁货运系统运营网络、通过货物运输机制及地铁客货系统的协同运作模式的分析，将地铁客货车调度问题转换为确定条件下快慢车行车调度问题，并以遗传算法实现了地铁货运系统列车调度计划的求解。Bešinovic 等[34]基于铁路运输提出了一种将宏观网络模型和微观网络模型相结合的分层时间表设计框架，借助该框架可以自动计算出一个可行的、具有鲁棒性的时间表，决策者可以以此为基础制定有效的时间表或者对现有时间表进行评估，考虑到地铁与火车的列车调度的相似性，该火车列车调度方法对M-ULS 列车调度也具有很强的参考作用。

在客货协同方面，邸振等[35]针对共线混载模式下的M-ULS 进行协同优化，解决非高峰期内流量控制和车厢分配问题，引入货运软时间窗和客运硬时间窗约束，以北京八通线相关数据进行验证，结果表明该方法可以同时提升客货运输效率。Zhen等[36]针对共线拖挂模式下的M-ULS 进行地铁车厢布置和流量控制，把运营成本和总延误惩罚的加权和作为目标函数，在客货流量分配条件下构建模型，设计一种改进的Benders 分解算法，并以北京八通线运营数据证明了该方法的有效性。

虽然相对于传统物流模式，M-ULS 优势明显，但是它不能完全取代地面物流系统，二者之间是合作与竞争共存的关系，因此M-ULS 与地面物流之间的协同研究极为重要。刘翱等[37]研究了在地面物流系统协同地下物流系统时如何分配两个系统的运输量，认可二者之间的合作与竞争关系，对比地面物流系统、地下物流系统和地面物流系统与地下物流系统共存三种方案的成本，研究表明地下物流与地面物流协同的物流模式成本最佳。一般学者的关注点在城市的正向物流领域，郑长江等[38]根据城市闭环物流的需求，采取分层分级分区域的地上地下配送策略，把逆向物流加入模型中，实例表明，在闭环物流模式下把车厢流量设置为3 000 件、发车间隔设置为5 分钟可以减少4.6%的配送时间及3.8%的总成本，相比传统物流方式，可以减少8.1%的平均配送时间和57.5%的碳排放量。周晓晔等[39]设定了一种M-ULS 与地面物流系统的协同场景：配送中心将货物运到地铁进站口进行运输，第三方物流公司安排货车在出站口接应货物并把物品送到客户所在地，基于此场景构建路径优化模型并使用改进自适应遗传算法求解，研究表明客货协同方式可提高时间窗内的送达效率。

（2）路径优化问题

对M-ULS 进行路径优化的目的有两个，一是提高物流的准时率，二是降低成本，因此学者在进行路径优化研究时针对时间窗限制和如何降低成本等问题做出了大量的研究。

在考虑时间窗的M-ULS 路径优化研究方面，杨婷等[40]列举了列车提前到站和列车延迟到站两种情况下的惩罚函数，建立带时间窗的地铁货运系统路径优化模型，减少转运时间，得到最优的地铁配送路径方案。周晓晔等[39]研究了单条地铁线路与货车联合配送的路径优化问题，以不改变地铁原运行方案的前提为时空约束，以配送距离最短为目标建造地铁-货车联运模型，用改进自适应遗传算法求解，结果表明这种联运方式能有效提高时间窗范围内的送达率。

在降低成本方面的研究中，学者通常以包括内部成本和外部成本在内的总成本作为优化目标。李铖钰[31]详细阐述了利用地铁开展城市物流配送的优劣势，提出快递公司协同地铁运营商展开城市配送的新型物流方案，在构建协同配送的路径优化模型中加入碳排放成本约束，降低配送成本和环境污染影响的同时增加地铁公司的非票价收入，实现地铁运营商和快递公司的双赢。刘亚楠等[41]构造包括时间成本、车辆成本、运输成本的总成本最小化的模型，通过南京地铁数据证明该模型不仅可以指导车辆间的转运安排，还能优化客户分配和地面物流系统的道路选择。

4 研究结论和展望

本文在M-ULS 相关文献梳理的基础上，从规划理论、网络布局和运营调度三个方面归纳概括国内外学者对M-ULS 的相关研究成果及进展。

（1）战略层面上，学者从M-ULS 的基础设施规划、业务规划和综合效益分析等方面进行了大量的研究。目前研究对基础设施的规划集中在对地铁站台和地铁车厢的改造，重点在于降低客货之间的影响；业务规划包括货运规划和地铁承运快递业务的规划，以充分利用地铁剩余运能，增加地铁运营商与快递企业的收入；综合效益分析的研究颇受重视，不同学者通过模型和实例证明，M-ULS 不仅能为各方主体带来内部经济效益，还能实现降低碳排放、缓解交通压力、缓解疫情困境的城市正外部性效果。

（2）战术层面，学者们在网络布局和选址问题上做了大量的研究工作，特别是选址问题研究较多。按照结构和功能进行分类，发现相较于单级节点，学者们的研究更偏向于多级节点的选址问题，对于转运型节点和配送型节点的研究则相当。选址模型的目标和约束构成比较稳定，集中在成本、节点数量、转运率、覆盖范围、碳排放、系统容量等因素上。

（3）执行层面上，现有研究多从协同运行和路径优化两个方面阐述M-ULS 的运营调度问题。协同运行问题主要涉及到列车调度、客货协同以及M-ULS 与地面物流系统协同。研究发现，列车调度和客货协同研究的范围比较集中，多数为共线模式下的车厢分配、客货流量分配、列车时刻表安排等问题。M-ULS 与地面物流系统协同的研究内容包括地铁与地面物流量分配、车厢容量与发车时间设置、地铁-货车路径优化。路径优化问题则从提高准时率和降低成本两方面展开叙述。

尽管学者们在M-ULS 方法做了大量的研究，但是受交通规划和物流行业发展等多方面的影响，M-ULS 方面的研究仍在快速发展中，未来对地铁货运系统的研究可以尝试向更多方面扩展。

其一，虽然许多文献研究了M-ULS，但是对地铁具体适合承运何种货物这个问题的研究相对较少。居民日常快递包裹成为城市物流需求的重要组成部分，地铁站点周围多为居民区、商业办公区、学校等，是快递包裹流动终端区域，客货流动方向高度一致。此外地铁有运行速度快、发行频率高、运量大和覆盖范围广等特点，符合快递运输的要求，未来如何实现城市快递与M-ULS 的协同是一个值得研究的问题。

其二，由于地铁轨道具有固定性，无法承担最后一公里的配送，现实中M-ULS 需与地面物流系统联合才能实现点到点的配送，但是衔接两个系统方面的文献不多，学者们可发散思维，未来多关注地铁物流与地面物流之间转运节点的选址与设置问题、地铁道路网和地面道路网的路径选择问题、转运时间窗问题等以提高城市物流的效率。

其三，M-ULS 是一个复合系统，同时受到自然界和社会的影响，尤其是在当前新冠肺炎疫情频发的时期，交通系统受到的冲击较大，系统的适应能力应当受到关注，但是目前对于M-ULS 系统鲁棒性的研究几乎是空白的，学者们可从此角度多做研究。