水下物流概念、模式及未來發展研究

李健 李夢春 翁震平 王理俊 杜希平

物流是指物品從供應地向接受地的實體流動過程.根據實際需要,將運輸、儲存、裝卸搬運、包裝、流通加工、配送、信息處理等基本功能實施有機結合,其中運輸和儲存在物流系統中扮演著重要的角色[1].伴隨著經濟全球化的發展,市場競爭越來越激烈,顧客對商品的多樣性和交貨期的需求越來越高,商品的種類越來越多,商品生命周期越來越短,流通速度越來越快,極大地促進了現代物流的繁榮和發展.面對倉儲和運輸需求的快速增長,傳統解決方案大多依賴于擴建倉儲中心和道路,因而需要占用更多的土地資源[2].在土地資源越來越緊張的形勢下,傳統解決方案面臨著空間資源的瓶頸問題.

針對空間資源瓶頸問題,地下物流實踐活動有了很大發展,比如雄安新區將建設地下物流中心、地下管道輸送、地上智能末端站點、智能社區配送等[3].針對地下物流,學術界已開展了比較系統的研究,如張樹清(2013)等認為發展地下物流系統,不僅能帶來不可限量的生態和社會效益,而且對實現可持續發展,建設資源節約型、環境友好型社會大有裨益[4];周婷和周愛蓮(2016)以地下物流配送線路的總成本最小為目標,建立了基于投資成本和時間成本的地下物流配送路線優化模型,并采用遺傳算法對模型進行求解,結果表明,運用該模型可對所有可能的配送線路進行篩選,并得到最優的線路網絡布設方案[5];張丹(2018)以地下物流系統的正外部性為依據,從供應鏈協調的角度,利用兩部定價契約,確定了集卡企業和地下物流系統之間的集裝箱流量分配和政府補貼[6]等.

在地下物流實踐與研究不斷發展的同時,也出現了水面生產、水下倉儲和水下運輸的實踐活動,如亞馬遜申請了水下倉儲的專利[7].但對于水下物流,其概念還沒有正式提出,學術界也沒有出現相關研究.本文在探討水下物流實踐活動的基礎上,提出了水下物流這一新型物流模式,探討了水下物流的概念、模式以及未來的發展方向,旨在為緩解物流發展面臨的空間資源瓶頸問題提供另外一種解決思路.

1 水下倉儲和水下運輸實踐

亞馬遜在水下存儲方面進行了有益的探索.在2017年,亞馬遜獲得了一項名為“水下存儲設施”的專利,即通過操縱物品的密度,將其存儲在充滿液體的環境中,并從中檢索物品.根據專利的描述,物品在水下的存放和提取主要依靠附著在包裹上的深度控制裝置.深度控制裝置可包括一個或多個傳感器(例如,水聽器、全球定位系統或“GPS”接收器、深度傳感器)、計算機組件(例如,處理器、收發器、存儲器組件)、體積可膨脹或可壓縮的物件(例如,氣囊)、一個或多個可根據需要用空氣、水或任何其他液體填充或排空的壓載艙等,以便以可控的方式控制物品的凈密度.在液體中改變物品或其容器的密度可以導致物品或容器在液體中的垂直深度發生變化,從而使其在液體介質中上升或下降.

當物品或容器放置在液體中時,深度控制裝置可配置成使容器的密度超過液體的密度,例如通過減小體積和增加深度控制裝置的質量,從而使物品或容器自然下降到底部或較低的位置.在收到該物品的提取命令后,深度控制裝置可配置成使容器的密度下降到液體密度以下,例如通過增加體積和減少深度控制裝置的質量,從而使該物品或容器自然上升到液體的表面或上方.此外,當通過改變物品或容器在液體內的凈密度來垂直定位它時,還可以通過使其在一個或多個方向上受到自然或人為手段的作用來水平定位它,并且這種流動可通過自然或人工方式啟動或停止[7].專利示意圖如圖1所示(圖片來源https://www.uspto.gov/).

另外,在原油存儲方面已經實現了海上油罐存儲.例如日本進行原油戰略儲備時,就實施了海上油罐存儲.海上浮式油罐采用雙層鋼板結構,兩層鋼板之間被海水填滿,利用海水較高的壓力來保證原油不泄漏,在儲存罐的頂部還充有惰性氣體,保證原油儲備的安全[8].這種方式存儲石油可以節省很大一部分的土地資源和建造成本.

在水下運輸方面,我國軍方通過運輸軍事物資進行了相關的實踐.我國海域遼闊,尤其是南海海域島嶼眾多,而且與陸地港口相距甚遠.在對這些遠洋基地或艦船實施物資補充的過程中,使用遠距離大型運輸機雖然運輸時間短,但運輸成本高.而如果采用船只補給,則容易受到惡劣天氣的影響.以上兩種運輸方式都不能很好地滿足及時補給的需求,而選擇使用潛艇進行運輸,由于受天氣的影響小,則可以在保證安全、準時的同時降低運輸成本.

2 水下物流的概念、需求和實現路徑

2.1 水下物流的概念

在現有水下倉儲和水下運輸實踐的基礎上,結合物流的概念,本文將水下物流定義如下:水下物流是一個高自動化水平、高信息控制的新型物流系統,以計算機互聯網為依托,通過大數據、云計算、移動互聯、物聯網等現代技術,實時控制水下倉儲、運輸、接駁、流通等過程,實現貨物在水下從供應地到接收地的轉移.水下物流的主要用途包括:滿足在海洋中生產的產品(如石油、危化品)的存儲和運輸需求,滿足遠洋補給的存儲和運輸需求等.

圖1 水下倉儲專利圖示

目前大部分水下物流的應用集中在軍事領域.在當前我國積極推進軍民融合,以及民用產品對水下物流需求越來越大的背景下,有必要對水下物流的概念、模式和未來發展方向進行梳理.水下物流的成功應用將有助于減少物流對地面資源的依賴,節約土地資源,為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 海上生產的油氣產品利用水下物流可以提高安全性

目前油氣的運輸主要是以船舶運輸和管道運輸為主,以車輛運輸為輔,在運輸或轉運途中發生泄漏等事故的情況時有發生.如在2018年11月4日凌晨1時14分,福建東港石油化工實業有限公司的船舶與碼頭連接軟管處發生泄漏,造成69.1t碳九產品漏入近海,事故造成了嚴重的水體污染、空氣污染、海產品污染,并且伴隨著巨大的經濟損失[9].如果海上開采出的石油可以通過水下物流進行遠洋運輸,就可以減少轉運環節,進而減少危險事故的發生.

2.2.2 危險化學品的落地生產遭遇抵制,水面生產和水下物流可以提供新選擇

目前陸地居民對化工廠都比較抵制.近年來全國多個城市發生抵制PX項目的群體性事件,例如,2011年大連市民游行反對PX項目,2007年廈門市民為反對PX項目自發“散步”.此外,成都、南京、青島、漳州也發生了反對PX項目的案例.其中,廈門市民以“集體散步”成功抵制的PX項目最終落戶漳州[10].為了減輕危險化學品對居民的威脅和預防運輸途中發生事故,可以在海上建立危化品生產線,其生產出來的產品可以通過水下物流進行運輸,既避免了多次轉運帶來的風險,又可以利用水下運輸不受惡劣天氣影響的特點,使得運輸過程更加安全.例如,可以在海洋石油981深水半潛式鉆井平臺上加裝生產線,直接在海上將原油煉制為化工產品,然后采用水下物流進行化工產品的運輸.

2.2.3 遠洋補給采取水下物流,降低成本的同時還可保證運輸的及時可靠

遠洋補給需要長距離的運輸,目前可以實現遠洋運輸的方式主要有航空運輸和水上運輸.例如永暑島的補給工作主要依靠遠距離大型運輸機來完成,航母的補給主要依靠航母補給艦來完成.然而采取航空運輸的方式成本過高,而水上運輸速度慢,且受天氣影響大,均不能很好地滿足需求.相比之下,采取水下倉儲和水下運輸的方式更能降低成本并且實現運輸的及時可靠.

綜上,水下物流針對海上生產的產品以及需要長距離水面運輸的貨物等具有明顯優勢,其安全性高、成本相對低廉、不易受天氣影響的特點可以很好地滿足這些物品的流通需求.

2.3 實現路徑

2.3.1 水下倉儲

針對水下物流的倉儲環節,可采取的方式主要有海底船舶、海底沉箱等.例如中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所在海洋動力環境監測浮標、實時傳輸潛標系統、水下多功能平臺、水下浮體定深、海洋智能拖曳、高抗流水下機器人等方面掌握著核心技術優勢,具有多項自主知識產權.水下浮體定深技術可以實現深度控制,懸浮系統入水后可實時將深度信號傳回控制系統,控制系統對深度信號進行處理后,根據預先設定的懸浮深度要求并按照控制流程適時向執行機構發送控制指令,通過相應的控制操作實現水下懸浮裝置在水中以設定的深度懸浮.所以,通過將水下浮體定深技術和其他技術的綜合運用,可以實現海底沉箱船隊在水中定深.而且將海底沉箱與動力系統分開,可以使得水下倉儲和運輸更加靈活和方便.

2.3.2 水下運輸

水下運輸貨物的方式可以是水下集裝箱運輸.水下集裝箱運輸的運輸工具可以選擇半潛航行補給船.半潛航行補給船采取貨物在水下,指揮臺在水上的方式進行運輸,可采用燃氣輪機作為動力裝置.這種運輸工具可以將動力裝置和貨倉進行分開,實現靈活存儲與運輸.

另外,水下無人航行器作為水下無人系統的重要分支,在民用和軍用領域都發揮著極其重要的作用[11].目前的水下無人航行器已經掌握了幾項關鍵技術,如長續航力推進、自主導航、水下數據鏈通信等.美國新一代水下航行器“曼塔”(Manta)可根據任務需要攜載不同的傳感器、武器及對抗設備,完成任務后返回,可重復使用,并且遠期排水量達91.700 t,航程2 000 km[12].

而新型水下無人航行器—水下滑翔機不僅具有續航長、可重復利用、兼具一定的航跡控制能力等優點,而且能耗小,制造和維護成本低廉.它的動力模型是通過液壓系統改變浮力,在垂直平面中遵循鋸齒運動模式.混合推進的水下滑翔機還具備在水平面上直線航行的能力,除了調整浮力之外,它的水平移動不需要額外的能量消耗。天津大學水下機器人團隊研制的“海燕-II”水下滑翔機采用最新混合推進技術,設計最大工作深度1500m,設計最大航程1500km,可持續不斷工作30d以上,具備獨立水下全天候工作的能力[13].因此,水下滑翔機已經初步具備了運輸工具的特性,未來有望成為水下運輸工具的重要選擇.

2.3.3 海底港口

在海底可以建立港口,用于裝卸貨物和完成水中液體的接駁.在海下進行運輸的過程中,運輸工具的動力補充、水中液體的分流以及貨物的裝載和分散都需要一個平臺來做中間樞紐.而港口作為水陸交通的集結點和樞紐,為各類運輸工具、貨物等提供了中轉、倉儲等綜合物流服務.在海下也可以建立海底港口,這樣一來可以保證及時補充給養以完成長距離運輸,二來可以以海底港口為節點形成貨物的運輸分散網絡,從而實現了水下物流的流通功能.

2.3.4 水下定位和通訊

水下物流系統的實現除了需要上述硬件設施外,水下定位和通訊設施的加入也是必不可少的.我國在定位和通訊方面已實現了質的飛躍,2018年12月27日,北斗衛星導航系統新聞發言人宣布,北斗三號基本系統完成建設,開始提供全球服務.這標志著北斗系統服務范圍由區域擴展為全球,北斗系統正式邁入全球時代[14].北斗導航定位系統不僅能提供GPS一樣的服務,還能提供短報文通信功能.

北斗系統更完善的功能將使其在民用和軍用方面得到廣泛應用.目前北斗系統在船舶監控管理、海上遇險報警管理和搜救指揮、海洋漁業綜合服務等方面都得到了很好的應用[15].在北斗定位系統逐步應用的基礎上,我國海上精確定位技術也在積極向前推進.由哈爾濱工程大學研發的“北斗海洋廣域差分高精度定位終端”填補了我國北斗導航在高端海洋工程平臺應用的空白,成為國內首個針對海上高精度絕對位置定位的終端設備.如今這個海上專業級導航定位終端精準度確定在1m之內,可充分支持石油開采、管道鋪設、搜救打撈、海上風力發電等船舶行業高端裝備的國產化[16].所以,我們有理由相信通過北斗衛星導航系統不斷地建設完善,以及科研工作的突破和創新,實現水下定位和通訊指日可待.

對于水下物流運輸管理過程中可能面臨的風險及可能發生的事故,目前胡志強和申翔(2016)提出了海上大數據應急救援模式.海上搜救技術性要求很高,特別是對于核事故、水下事故等的救援.海上大數據應急救援指揮控制的關鍵技術主要包括海上大數據分析處理技術,全球衛星定位與導航技術,實時、寬帶、大容量、抗干擾多路由通信技術[17].所以北斗系統等全球衛星定位與導航技術是水下物流的重要構成部分和保障.

綜上,水下物流的運作主要通過海底港口、水下倉儲、水下運輸、水下定位和通訊等環節來完成.利用海底沉箱等進行存儲;運用半潛運輸船和水下無人航行器進行運輸;利用海底港口進行裝卸貨物和水中液體的接駁;通過水下定位和通訊的參與對以上環節進行全流程監控.這樣的水下運輸過程既能節省運輸成本,又可以提高安全性,同時實現運輸的及時可靠.

3 水下物流的優越性與局限性

3.1 優越性

3.1.1 豐富現代物流服務體系

現代物流的發展對于實現與提高產品與服務的價值、提升企業的競爭力、促進國民經濟的發展具有十分重要的現實意義[18].目前整個物流活動的開展大多圍繞在陸地上進行,陸路的商品流通已經非常迅速了,但在水路上商品流通速度并不理想.水下物流系統作為一種新的物流模式,將豐富現代物流服務,加強物流輸送任務在水路上的分流.

3.1.2 減少土地資源的占用

隨著經濟社會的快速發展和人口的不斷增長,整個社會對土地資源的需求與日俱增,致使可利用的土地資源日趨緊張.發展水下物流系統可以充分利用自然資源,通過建立水下倉儲和開辟水下運輸通道可以減少對陸地上大型倉儲中心和交通運輸線路的需求,從而減少了對土地資源的占有和依賴.另外,現今地價飆升,建設倉儲中心需要大量資金的支持,而通過建立水下倉庫,可以大幅減少企業固定資產的投入,進而保證企業資金鏈的良好運轉.

3.1.3 消除船舶運輸的局限

船舶運輸受季節和天氣因素的影響較大,當面臨海洋冰封期或惡劣天氣時,船舶運輸將難以承擔運輸任務,受到了極大限制.據報道,2013年7月26日,青島海域受大霧影響實施全面交通管制,造成300余艘船舶滯留[19].在水下物流模式中可以很好地避免這樣的問題,即使在海洋冰封期期間,在冰層下面依然可以照常進行運輸任務,從而保證物流運輸的及時可靠.

3.1.4 提高安全性并實現穩定運輸

物流的發展目標就是要為客戶或物流服務對象提供滿足需求的服務,實現低成本、高效率、高安全性.對于海上生產的產品和危險化學品可以直接采取水下物流的方式進行存儲和運輸,避免了多次轉運帶來的低效率以及轉運過程中存在的安全隱患.另外,與船舶運輸相比,水下運輸不僅可以縮短航線距離,還可以避免惡劣氣候的影響,從而保證運輸的穩定實施.

3.2 局限性

3.2.1 技術方面

相關技術正在發展中,水下物流系統的技術效果目前還不確定.雖然亞馬遜已經成功申請了水下倉儲的專利,但真正在海下建立水下倉庫,具體的實現效果無法準確估計.海底沉箱、半潛航行補給船等雖然給出了概念模型,但真正實現并加以運用還需要進行相關的技術研究.所以最終能否實現存儲和運輸的要求以及技術的安全性目前難以確定,水下物流系統的技術效果需要較長時間才能顯現出來.

3.2.2 經濟方面

建設水下物流系統的經濟成本較大.水下物流系統的建設是一個從無到有的過程,海底港口和水下倉儲設施的建立、水下運輸工具的建造和使用、專業人才的培養等都需要巨大的資金投入.然而水下物流系統運行后的收益狀況具有不確定性,在高成本投入和未來不確定收益的情況下,水下物流系統的實施難度加大.

3.2.3 環境方面

社會的發展要以環境友好為前提,物流系統的設計和運作也必須符合這一發展理念.水下物流的一系列活動多在水下進行,貨物的運輸需要在水下開辟航線,運輸活動對海底生物的影響尚未有明確的研究.另外在貨物儲存過程中也可能對水體造成污染等危害,目前還沒有在該方面做詳細的測評預估.因此,開展水下物流活動對環境造成的影響還需要進行深入的研究.

3.2.4 組織管理方面

水下物流系統的良好運行有賴于科學高效的組織管理.水下物流的特點是高度的自動化、高度的信息控制,尤其是整個系統的運行多在水下完成,因此對人員的技術性和專業性都提出了較高的要求,相應的管理模式也需要進行創新,所以充沛的人力資源和科學合理的組織管理機制是決定水下物流良好運行的重要條件.

4 水下物流的發展展望

4.1 綠色可持續的水下物流

綠色物流是指在抑制物流活動各環節對環境造成危害的同時,實現對物流環境的凈化,使物流資源得到最充分的利用[18].綠色物流是新世紀物流發展的熱點問題,水下物流作為一種新的物流模式,應在綠色可持續的方向上得到進一步的發展.水下物流依托的是水下資源,減少了對陸地資源的依賴,但絕不應該讓水下成為人類揮霍資源的新戰場.為此,實現綠色可持續的水下物流系統至少要做到以下幾個方面.

4.1.1 加強綠色物流觀念的普及

綠色物流觀念的產生和普及是一切綠色物流舉措產生的基本前提,政府部門具有深刻的綠色物流觀念才能制定出綠色物流的整體發展戰略,企業具有深刻的綠色物流觀念才能在物流環節做出相應的改變.

4.1.2 加緊綠色物流行業的相關法律制定

社會的發展會不斷產生新事物,綠色物流便是如此,對此政府需要對其加緊立法,使綠色物流活動有硬性規定可循,從而規范各個物流環節的運作.

4.1.3 加強綠色物流的人才培養

綠色物流的發展要依靠相關技術人才的研究.只有努力培養該領域的人才,才能提高物流的應用技術,科學籌劃物流的運營過程,從而保證水下物流在綠色的軌道上健康發展.

4.2 安全高效的水下物流

安全高效的水下物流是指通過技術的更新換代,在保證物流系統運作安全性的同時,提高各環節的工作效率.安全高效的水下物流不僅能夠緩解原有物流服務的巨大壓力,還能夠使其更具有競爭優勢,成為物流行業新的發展趨勢.實現安全高效的水下物流至少要做到以下幾方面.

4.2.1 加強多學科的綜合深入研究

水下物流是多學科知識綜合應用的產物,是一項非常龐大復雜的系統工程,因此水下物流的發展和改進也需要通過加強多學科的綜合研究來實現.

4.2.2 合理規劃資本的投入分配

水下物流系統的建設需要大量資本,但這并不單單是企業的經營活動,所以應該合理分配政府、社會、企業等各方的投入,才能充分調動各方的積極性,實現互利共贏.

4.2.3 加強工程質量和安全監控

水下物流系統的安全運行是實現高效率的保障.將物流轉移到水下進行,在新的環境下,物流系統的建造和各環節運作的安全性都需要進行嚴格的評估和監控.

4.2.4 健全完善相關法律法規

水下物流作為新的物流模式,它在各方面的發展都應該通過法律法規來進行規范.

5 結論

本文基于目前開展的水下物流實踐活動,提出了水下物流這一新型物流模式,探討了水下物流的概念、模式以及未來的發展方向,旨在為緩解物流發展面臨的空間資源瓶頸問題提供一種新的解決思路.但水下物流系統作為社會發展產生的新事物,還需要廣大學者開展持續深入的研究,只有充足的理論研究基礎才能讓水下物流走上實踐的道路.