劉蘊(yùn)博，勾兆丁，薛鑫喆，賈 青，楊志剛

（1.同濟(jì)大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；3.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804；4.上海地面交通工具風(fēng)洞中心，上海 201804）

1 引言

目前，中國傳統(tǒng)物流行業(yè)非智能化程度高，設(shè)施設(shè)備分配不平衡。在高峰期，快遞公司常常無法準(zhǔn)時(shí)運(yùn)送快遞，出現(xiàn)運(yùn)輸貨車超載和倉庫存儲(chǔ)超量的情況，快遞員的運(yùn)輸工作更是超負(fù)荷。而在快遞行業(yè)智能化的趨勢(shì)下，各大快遞公司和機(jī)器人公司在著力研發(fā)人工智能產(chǎn)品來實(shí)現(xiàn)快遞的自動(dòng)配送，如無人機(jī)、無人駕駛貨車等[1]。智能化、自動(dòng)化的快遞配送方式正在成為快遞行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。但目前市面上相關(guān)系統(tǒng)概念仍處于初級(jí)階段，尚未提出詳細(xì)且可行性較高的具體運(yùn)輸模式，因此我們提出了結(jié)合地鐵的快遞物流智能化設(shè)計(jì)。

2 整體架構(gòu)以及運(yùn)行流程

2.1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)以2030年的上海為背景，假設(shè)2030年的上海城市城際地鐵軌交系統(tǒng)發(fā)展極其完善，地鐵站分布較為密集且合理。系統(tǒng)利用未來城市中較為完善的城市/城際地鐵系統(tǒng)完成快遞運(yùn)輸線路及存儲(chǔ)站點(diǎn)的建設(shè)，包括：

（1）一種與地鐵共用線路的快遞運(yùn)輸車A，搭載智能貨箱，替代傳統(tǒng)貨車實(shí)現(xiàn)快遞運(yùn)輸；

（2）一種快遞寄存基站B，與部分地鐵站并存，作為臨時(shí)存放快遞的站點(diǎn)；

（3）一種小型配送車C，搭載智能貨箱，為對(duì)應(yīng)基站附近服務(wù)區(qū)的客戶取貨和送貨。

快遞運(yùn)輸線路如圖1所示。

圖1 快遞運(yùn)輸線路

2.2 地鐵運(yùn)輸方式可行性分析

在本運(yùn)輸模式中，城內(nèi)長距離快遞運(yùn)輸采用了地下運(yùn)輸而非傳統(tǒng)的地上運(yùn)輸。一些學(xué)者對(duì)地下物流系統(tǒng)在城市配送中的應(yīng)用做過相關(guān)研究，比如郭占全等[2]分析了北京市貨運(yùn)的品種構(gòu)成，認(rèn)為75%以上的貨物適合采用地下運(yùn)輸?shù)姆绞剑⒃诖嘶A(chǔ)上考慮建設(shè)地下物流系統(tǒng)的前景。一些研究則具體針對(duì)北京[3]、重慶、上海等城市，分析了地鐵運(yùn)輸貨物的可行性。綜合前期文獻(xiàn)可知，地下地鐵運(yùn)輸存在著諸多優(yōu)勢(shì)，在快遞運(yùn)輸方面，運(yùn)送速度快、準(zhǔn)時(shí)、安全，快遞運(yùn)轉(zhuǎn)即時(shí)性強(qiáng)，貨物安全性高，而且對(duì)惡劣天氣的適應(yīng)性強(qiáng)，同時(shí)便于地鐵通勤人員取件，降低了快遞“最后一公里”運(yùn)輸壓力[4]。在社會(huì)效益方面，可以減少地面交通擁堵、改善環(huán)境污染問題、減少安全事故的發(fā)生，同時(shí)節(jié)約城市土地資源。目前提出把地鐵用作城市物流系統(tǒng)的討論還很少，但隨著大城市擁堵程度的上升和地鐵系統(tǒng)的完善，地鐵用來承擔(dān)一定物流任務(wù)的可能性和可行性在不斷上升[5]。而若要利用地鐵進(jìn)行貨運(yùn)工作，在地鐵規(guī)劃時(shí)就應(yīng)根據(jù)貨運(yùn)配送的需求，選擇合適的地鐵站，將其建設(shè)為客貨兩用車站，以節(jié)省改造費(fèi)用[6-7]。

2.3 地下快遞車運(yùn)行方案[8]

下面從日間、夜間兩個(gè)角度分別分析本物流系統(tǒng)地下快遞車運(yùn)行方案。

2.3.1 日間客貨共用地下軌道線路模式，具體分為A，B兩種方案。

（1）方案A 獨(dú)立動(dòng)力裝置的地下運(yùn)輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)將在兩列列車的運(yùn)行時(shí)間間隔進(jìn)行運(yùn)輸、裝卸工作。運(yùn)輸過程如下：快遞車在始發(fā)站裝貨，運(yùn)行并在基站貨物站臺(tái)?？?；車門打開，在30s 內(nèi)以貨物模塊形式進(jìn)行裝卸貨；車門關(guān)閉，運(yùn)輸車前往位于下一地鐵站的基站；快遞通過電梯運(yùn)輸?shù)交敬鎯?chǔ)分揀倉庫；同一地鐵站的客運(yùn)地鐵和地下快遞車并不同時(shí)停靠。該運(yùn)行方案如圖2所示，其裝卸過程僅為舉例，對(duì)于雙線并行線路等，站臺(tái)分布和具體裝卸貨物模塊及裝卸方式會(huì)有所改變。

圖2 方案A日間運(yùn)輸過程示意圖

在地鐵運(yùn)行時(shí)間間隔內(nèi)運(yùn)行地下運(yùn)輸車。地下運(yùn)輸車的速度、月臺(tái)?？繒r(shí)間、運(yùn)行時(shí)間間隔均與原地鐵相同，對(duì)地鐵站臺(tái)進(jìn)行擴(kuò)建。直接使用地鐵的供電系統(tǒng)和地鐵停放空間，同時(shí)每一班運(yùn)貨車的運(yùn)營時(shí)間及車的開行次數(shù)由當(dāng)日的運(yùn)量決定，通過電子總控系統(tǒng)及APP反饋進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整[9]。

若要在地鐵運(yùn)行間隔間開行快遞車，須考慮能否滿足地下車輛的安全運(yùn)行要求。列車安全運(yùn)行間隔控制（防止列車追尾等）主要由信號(hào)系統(tǒng)ATP列車自動(dòng)防護(hù)子系統(tǒng)進(jìn)行控制。安全距離是根據(jù)線路限速、線路坡度、車輛結(jié)構(gòu)速度和列車自動(dòng)控制特性等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計(jì)算的，以保證后續(xù)列車能在前一列車位置之前安全停下。后面一列運(yùn)行的列車可以通過信號(hào)系統(tǒng)接收到前方列車的具體位置和兩車距離，當(dāng)后方列車快要達(dá)到與前行列車最小的安全防護(hù)距離時(shí)，列車會(huì)自動(dòng)減速直至停車，以防止兩列車之間發(fā)生追尾。根據(jù)規(guī)定，兩輛列車之間的最小安全距離為180m[10]。表1 為上海地鐵2 號(hào)線運(yùn)行時(shí)刻表，可知高峰時(shí)間段地鐵運(yùn)行最小時(shí)間間隔為3min。

表1 上海地鐵2號(hào)線運(yùn)行時(shí)刻表

初步估計(jì)在兩輛客運(yùn)地鐵間隔中增開地下快遞車可保證地鐵運(yùn)行的安全距離，同樣以上海軌道交通2號(hào)線為例，2號(hào)線運(yùn)行列車的基本參數(shù)見表2。

表2 上海地鐵2號(hào)線運(yùn)行列車基本參數(shù)

由表2可知，當(dāng)2號(hào)線兩輛地鐵時(shí)間間隔最短為3min時(shí)，以設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h計(jì)算，則兩列地鐵之間的間隔最小為4 000m，遠(yuǎn)大于180m 的最小安全距離。假設(shè)地下快遞車單節(jié)車廂長度約為20m，8 節(jié)編組，則加開列車長度約為160m，將其安放于兩列客運(yùn)地鐵之間，仍能保證其與前后列車保持1 920m 的安全距離，因此在這樣的預(yù)估下，在兩列地鐵車輛之間單獨(dú)運(yùn)行地下快遞車是較為可行的[11]。當(dāng)然，具體論述還需結(jié)合地鐵軌道情況、地鐵實(shí)際運(yùn)行速度、列車運(yùn)載情況等綜合評(píng)判。

（2）方案B 依托現(xiàn)行軌道交通動(dòng)力裝置的運(yùn)輸系統(tǒng)。在該系統(tǒng)下，地下快遞車廂將與地鐵車輛連接，在白天時(shí)段進(jìn)行運(yùn)輸、裝卸貨物。運(yùn)輸過程如下：在原有編組上增加兩節(jié)車廂，這兩節(jié)車廂整體規(guī)模與客運(yùn)車廂相近；快遞車廂在地鐵站中的貨運(yùn)基站裝貨，隨后跟隨地鐵運(yùn)行，其中快遞車廂不單獨(dú)設(shè)計(jì)動(dòng)力系統(tǒng)；地鐵?？空九_(tái)的同時(shí)，快遞車到達(dá)基站貨物站臺(tái)位置，車門打開，在地鐵?？康罔F站期間，實(shí)現(xiàn)貨物的全自動(dòng)模塊化裝卸，隨后車門關(guān)閉，地鐵繼續(xù)運(yùn)行；貨物模塊被運(yùn)送到基站中，由基站進(jìn)行快遞的全自動(dòng)分揀與裝車。該方案日間運(yùn)輸過程如圖3所示。

圖3 方案B日間運(yùn)輸過程示意圖

由《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50157-2013可知，國際規(guī)定城市軌道所用的列車可分為三種型號(hào)：A 型、B 型和C 型[12]。這三種型號(hào)列車車廂寬度分別為3m、2.8m 和2.6m。其中，選用A 型或B 型列車作為運(yùn)輸載體的軌交線路稱為地鐵，大多數(shù)采用5-8節(jié)列車進(jìn)行編組。因此，在地鐵車輛未滿編情況下，可以考慮增加兩節(jié)左右的貨運(yùn)車廂，且大部分車站有預(yù)留編組空間，便于車輛停放。

2.3.2 夜間貨運(yùn)獨(dú)立運(yùn)行模式，實(shí)現(xiàn)24h運(yùn)行。本物流系統(tǒng)在人工智能技術(shù)全面開啟的2030 年，夜間將不停止貨運(yùn)快遞列車的運(yùn)行，夜間運(yùn)輸任務(wù)以處理前一天積壓快件為主，其方案如下：

在晚上22 點(diǎn)之后，總體地鐵客流量開始大幅度下降，通過每日工作計(jì)劃的提前溝通，地下快遞車可以在不影響地鐵維修的情況下進(jìn)行貨物運(yùn)輸，同時(shí)還可以通過與維修公司的合作作為不同維修地點(diǎn)之間所需資源或裝置溝通交換的良好工具之一[13]。此外通過智能化的系統(tǒng)調(diào)控，在維修路段也可以通過合理安排運(yùn)送時(shí)間來投放地下快遞車。對(duì)于維修過的路段，在維修結(jié)束后就可以開啟地下貨運(yùn)系統(tǒng)進(jìn)行貨物運(yùn)輸，同時(shí)可以通過地下運(yùn)貨車的行駛提前檢驗(yàn)維修質(zhì)量，保證鐵軌日間的安全行駛，降低無預(yù)警故障/部分停線的概率，同時(shí)提高貨運(yùn)效率。

綜上為城內(nèi)長距離運(yùn)輸方案，隨著地面交通擁堵問題的不斷凸顯、社會(huì)對(duì)環(huán)保問題的日益重視以及電子商務(wù)的井噴式發(fā)展，采用地下物流系統(tǒng)的必要性也會(huì)逐漸體現(xiàn)出來。在新建地鐵時(shí)盡早進(jìn)行物流設(shè)施規(guī)劃，可以盡可能地降低建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)客運(yùn)貨運(yùn)并存。

2.4 貨運(yùn)基站快遞短時(shí)存儲(chǔ)

根據(jù)地鐵站分布及物流運(yùn)轉(zhuǎn)需要，應(yīng)選擇部分地鐵站建設(shè)貨運(yùn)基站。對(duì)已有站點(diǎn)進(jìn)行改造，使地鐵站臺(tái)兩端具有相對(duì)獨(dú)立的運(yùn)轉(zhuǎn)倉庫，建立專用貨運(yùn)通道，貨物通過新建設(shè)的、專門用于貨物運(yùn)輸?shù)呢浱葸M(jìn)行地上地下貨物轉(zhuǎn)運(yùn)。對(duì)于新建地鐵線路，應(yīng)考慮物流需求，設(shè)計(jì)帶有直接連接基站的地鐵站臺(tái)。同時(shí)，根據(jù)地鐵人流量大的特點(diǎn)，可在地鐵站中設(shè)立快遞寄取柜，便于采用地鐵進(jìn)行日常通勤的白領(lǐng)等進(jìn)行快遞自主寄取，進(jìn)一步緩解地面短距離配送的壓力。同時(shí)以基站為中心劃分服務(wù)區(qū)，設(shè)計(jì)短距離區(qū)域配送方案。

2.5 短距離區(qū)域配送方案

傳統(tǒng)快遞行業(yè)配送常采用貨物到達(dá)配送點(diǎn)后，通過短信或電話通知客戶取件，該過程中常出現(xiàn)如用戶可取件時(shí)間不匹配、快遞員勞動(dòng)強(qiáng)度高、效率低、快遞“最后一公里”問題等矛盾，因此本物流系統(tǒng)采用一種新的短途配送方案，以解決上述矛盾：以位于各個(gè)地鐵站的基站為中心劃分服務(wù)區(qū)，在每個(gè)服務(wù)區(qū)內(nèi)，有若干地上配送車負(fù)責(zé)相應(yīng)區(qū)域快遞的配送；地上配送車搭載智能貨箱，沿固定線路周期性低速行駛；當(dāng)用戶的快遞到達(dá)所在服務(wù)區(qū)的基站后，或用戶需要寄件時(shí)，均可通過手機(jī)APP 預(yù)約取件或寄件時(shí)間，使快遞配送真正與用戶需求相一致。

3 系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)分析

現(xiàn)階段，傳統(tǒng)物流方式主要有三種不同的類型：第一種是依托海運(yùn)、空運(yùn)和地面貨運(yùn)的傳統(tǒng)物流方式，代表企業(yè)有圓通、中通、順豐、申通和韻達(dá)等等；第二種是通過在學(xué)校、公司等大型公共場(chǎng)合設(shè)立自提柜來存儲(chǔ)貨物和信件，用戶可以通過二維碼等方式來寄取件；第三種是以京東為代表的企業(yè)有自己獨(dú)有的物流交通工具和相關(guān)人員，此類企業(yè)稀少且和第一種物流方式類似。

對(duì)于我們提出的運(yùn)輸方式（取名為IDS[14]）而言，這三類都是潛在競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。下面以圖表的方式將IDS 與傳統(tǒng)物流方式進(jìn)行橫向比較。我們選取了五個(gè)方面，分別是智能化、速度、安全與使用率、體驗(yàn)與環(huán)保、成本，并以“+”、“S”、“-”表示最好、中等和最差，然后進(jìn)行6sigma數(shù)據(jù)分析。由表3結(jié)果可知，IDS系統(tǒng)在各方面均顯示出了巨大的優(yōu)勢(shì)。

不僅如此，IDS也解決了傳統(tǒng)快遞行業(yè)配送中產(chǎn)生的矛盾。傳統(tǒng)物流常采用貨物到達(dá)配送點(diǎn)后，通過短信或電話通知客戶取件，該過程中常出現(xiàn)以下各類問題：

（1）若快遞員僅進(jìn)行短時(shí)間等待，則配送時(shí)間易與用戶可取件時(shí)間不匹配，用戶體驗(yàn)差；錯(cuò)過時(shí)間后需延后再次配送，增加快遞員勞動(dòng)強(qiáng)度。

（2）若該地點(diǎn)有固定配送點(diǎn)，則用戶取件時(shí)間靈活，但快遞員需長時(shí)間等待和配送，勞動(dòng)強(qiáng)度高、效率低。

（3）若該地點(diǎn)采用快遞柜投遞方式，則既減少快遞員不必要的等待時(shí)間，又能使用戶靈活選取時(shí)間取件，但提升了快遞公司成本，且快遞柜本身只適用于安裝在快遞量較大的區(qū)域，快遞量少的區(qū)域由于成本原因不會(huì)設(shè)立。

而在本運(yùn)輸模式內(nèi)，這些問題都得到了有效解決。搭載智能貨箱的無人駕駛運(yùn)輸車，大大減少了人力資源的使用，降低了相關(guān)人員的工作強(qiáng)度。取寄件時(shí)間由用戶自身掌控，操作更加便捷且用戶體驗(yàn)得到了提升。因此，在城市道路交通系統(tǒng)不斷優(yōu)化和人工智能不斷完善的情況下，本運(yùn)輸方式帶來的社會(huì)綜合效益是十分可觀的。

表3 6sigma分析對(duì)比

4 結(jié)論

本文的物流快遞系統(tǒng)是搭載在地鐵系統(tǒng)之上的城市物流智能運(yùn)輸系統(tǒng)，結(jié)合大城市成熟的軌道交通網(wǎng)絡(luò)，并配套地上搭載有智能貨箱的無人配送車，以及為配送車和地下物流配送載體交互而設(shè)計(jì)建造的基站，實(shí)現(xiàn)了快遞在城市內(nèi)部的高效率低成本配送，并同時(shí)提供了個(gè)性化的地上快遞收發(fā)模式。相比現(xiàn)有快遞配送模式具有機(jī)動(dòng)性高、效率高、資源利用率大等優(yōu)點(diǎn)。通過該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，成功解決了傳統(tǒng)快遞業(yè)所面臨的困難和矛盾，在未來興建大型軌道交通網(wǎng)絡(luò)的城市中具有一定的借鑒意義[15]。