基于地鐵與AGV的地下物流系統設計
——以武漢市為例

汪雨欣，孫 欣，李曉琳，張 淳，薛生赟

（武漢理工大學，湖北 武漢 430000）

0 引言

隨著城市居民生活水平的提高，家庭機動車保有量日益增長，城市交通擁堵現象日漸嚴重。地鐵系統的出現，為乘客提供了更便捷、綠色的出行選擇，能有效緩解城市道路擁堵。地鐵列車在全封閉的線路上運行，位于中心城區的線路基本設在地下隧道內，中心城區以外的線路一般設在高架橋或地面上。

目前的城市地鐵系統具有覆蓋范圍廣、線路多、發車間隔短、速度快等特點，能夠分擔絕大多數道路交通客流量。但隨著電子商務的蓬勃發展，城市內貨物運輸量逐漸增加，貨物運輸所帶來的交通擁堵問題也不容小覷。

城市地下物流系統（Underground Logistics System，ULS）是通過使用消耗清潔能源作為動力的自動導引車（Automatic Guided Vehicle，AGV），或膠囊小車等運載工具或介質，以單獨或編組的方式在地下隧道或管道等封閉空間中全自動化的運輸貨物，最終將貨物配送到各終端的運輸和供應系統[1]。目前應用較為廣泛的城市地下物流系統模式有管道艙體形式、借用地鐵等隧道形式以及利用自動化車輛運輸形式三種。

我國大多數城市地理地形條件復雜，且現有城市地下管道數量多、分布復雜，單獨建設新的城市地下管道系統難度高、投資大且建設周期較長，故應充分利用城市現有設施。目前我國城市地鐵網絡建設里程長，網絡規劃覆蓋范圍廣，且地鐵網絡基本能夠輻射到城市多數住宅區與辦公樓，與物流配送范圍相匹配。

綜合以上考慮，本文研究的城市地下物流系統選擇依托地鐵進行運輸，且為了提高運輸效率，貨物在地下物流系統中以自帶小型智能快遞柜的AGV作為載運工具。

1 城市地下物流系統發展及研究現狀

1.1 國外發展及研究現狀

1.1.1 美國。1906-1959年，美國在芝加哥城市街道下運行以電力驅動運輸城市垃圾和煤的地線下貨物運輸網絡。2000年美國TAMU大學和荷蘭TUDelft大學的專家學者提出以自動導向車（Automated Guided Vehicle，AGV）為載運工具，對建設美國休斯頓地下物流系統的可行性做出了詳細論證，并提出了初步設計方案。2013年Elon Musk提出了以“真空管道運輸”為核心理念的“超回路膠囊列車”系統構想，并通過他所創建的特斯拉汽車公司（Tesla Motors）和商業航天公司（SpaceX）來實現這個想法。這套系統的運輸艙運行于減壓、近真空的管路中，在以太陽能供應的電磁懸浮原理軌道中行駛，運輸艙則使用線性感應馬達和空氣壓縮機推進。

目前，美國與日本正合作開發基于氣力管道系統（Pneumatic Capsule Pipeline，PCP）和水力管道系統（Hydraulic Capsule Pipeline，HCP）的城市地下物流技術。

1.1.2 歐洲。1927年英國在倫敦建造名為“Mail Rail”的用于運輸并處理倫敦市區內包裹和郵件的皇家地下郵件運輸系統。1998年德國以膠囊小車為載運工具建立將地下物流系統和城市交通結合規劃的“地下交通和供應系統”，并將其定義為“CargoCap”。該系統采用三相交流電動機驅動，管徑2m，能夠以36km/h的速度恒定運行，且利用雷達系統進行監控，實現無污染、低耗能、高效率的智能化運輸。2004年荷蘭完成阿姆斯特丹花卉市場地下物流系統的建設，并且將其應用于商業。2015年瑞典提出建設Cargo Sous Terrain地下物流系統（CST）。該系統由互聯網技術操控，通過隧道連接物流中心與城市中心。根據瑞典的地下物流規劃，在隧道頂板上，三個輸送機能夠以60km/h的速度運輸小包裹，沿線路分布的樞紐可作為與其他運輸工具的接口。在隧道內，無人自動駕駛車輛以30km/h的速度在車尾處帶貨運輸。

1.1.3 日本。2000年。日本公開表示在未來十年將地下物流系統研究列入政府重點培養的技術領域。目前日本已有兩個PCP系統成功運用于商業運輸，其中一個用于每年從礦井運輸200萬t礦石到水泥廠，該系統全長3.2km；另一個系統則用于隧道挖掘，每小時可運送100m3的隧道沙石，全長約5km。

此外，日本發明了標準載荷為2t的兩用卡車（Dual Mode Trucks，DMT），該載運工具不但能夠在地上利用電池供電進行人工駕駛，而且可以在地下特定導軌上利用電能進行自動駕駛。

1.2 國內發展及研究現況

國內研究方面，楊濤，等[2]簡要介紹了日本東京地下貨運交通系統規劃設計方案及評價；錢七虎[3]首次明確提出地下物流系統可作為解決大城市交通新思路，介紹了國外地下物流發展及對我國城市的作用并結合北京實際進行研究，標志著我國地下物流系統應用研究的全面展開；郭東軍，等[4]對北京地下物流系統進行了分析和論證，標志著我國關于地下物流的研究從單一的理論分析探討階段步入與城市具體情況相結合的分析階段。

2017年中國成立第一個地下物流專業委員會，由上海市政總院牽頭聯合解放軍理工大學（現中國人民解放軍陸軍工程大學）、北京交通大學、上海海事大學及同濟大學共同發起成立，成為地下物流領域研究創新、行業技術交流、專業技術人才培養的專業服務平臺。同年，京東在全球新一代物流峰會上表示已經開始規劃磁懸浮技術在物流管理方面的應用，并與美國Magplane Technology簽訂戰略合作協議，共同開發地下物流磁懸浮管道技術，即“地下膠囊物流系統”，以建立地面和地下智能軌道交通網；2019年京東在雄安城市物流發展論壇上透露已經著手布置雄安地下物流系統。

2 需求分析

2.1 快遞量需求

城市地下物流系統旨在分擔現有傳統物流公路運輸的負擔，作為傳統物流作業的補充作業方式，以緩解交通堵塞等問題，提高配送效率。故設計地下物流系統的快遞貨運量需求為目標地區總貨運量的10%左右。

以武漢市武昌區徐東片區為例，據武漢郵管局公開數據顯示，2020年1-11月，全市快遞服務企業業務量累計完成96 901.02萬件，按照武漢1 121.20萬人口來換算，平均每人每日收寄約0.3件包裹。據有關數據顯示，徐東片區共約80萬人口，按照每人每日收寄0.3件包裹計算，每日收寄包裹數量約為24萬件，則設計的地下物流系統需滿足的貨運量為每日2.4萬件。

2.2 功能需求

（1）快速性。快速性即減少快遞在裝卸、分揀、運輸、配送等環節的時間，盡量快速地將貨物運送到收貨人手中。城市地下物流系統應盡量減少貨物在運輸過程中的總時長，避免重復運輸，保證運輸的時效性。

（2）準確性。城市地下物流系統的準確性是指系統貨物在運輸過程中選擇正確的運輸路徑，避免發生錯發錯運等情況，從而避免重復運輸的成本和收貨人的損失。

（3）安全性。從貨物運輸的角度來看安全性指的是貨物從發送站進行裝車作業開始到貨物抵達終到站交付至收貨人為止保證貨物的質和量不發生損毀、破壞和丟失[5]。

從城市地下物流系統的角度來看安全性指的是從運輸起點到貨物抵達運輸終點期間，保證貨物不發生損壞和丟失，并將其完整、安全地交付至收貨人。

（4）均衡性。物流均衡理論是指產業鏈上下游的各個產業環節上物流供給和需求在數量、結構、時間和空間上達到平衡（大體相等）[6]。

具體而言，地下物流系統的均衡性體現為配送范圍的均衡性、配送時間的均衡性、配送數量的均衡性等，從而使系統在數量、結構、時間和空間上滿足工作的正常流通，使系統運作達到均衡狀態。

（5）穩定性。城市地下物流系統的穩定性主要是指系統遇到洪水、暴雨等自然災害以及像新型冠狀肺炎等突發公共衛生事件等意外時，具有能夠正常運行或經短暫有序調整后能夠平穩運行的能力。

（6）經濟性。交通運輸作為國民經濟和社會發展的重要基礎，構建新的交通運輸系統時必然要考慮投資成本以及運營成本等經濟指標來判斷其經濟性。為了避免過度投資與資源浪費，本文所構建的城市地下物流系統需盡可能控制投資和運營費用，使其擁有較好的經濟效益。

（7）環保性。污染大、單位燃油消耗高是傳統貨物公路運輸的一大弊端，本文所構建的城市地下物流系統需盡可能使用清潔能源以減少環境污染和緩解資源緊張。

2.3 設計約束

（1）盡可能不影響居民正常生活。我國城市人口數量多，分布密集，在設計城市地下物流系統時應考慮避免影響居民的正常生活，可結合不同時段地區熱力圖充分了解居民在城市中的分布密度以及人口密集區域居民的行動路線等，避免系統建成后給居民正常生活帶來不便。

（2）城市地質特征的復雜性。我國幅員遼闊，地形地質特征的復雜性是建設城市地下物流系統不可避免的約束條件。在設計系統時，需充分了解目標地區的地形地質條件，避免發生地面沉降、開采沉陷等地質災害。

3 系統運營方式

依托地鐵運輸的城市地下物流系統主要有以下兩種運營方式。

（1）客貨共線。客貨共線是指地鐵列車與物流列車在同一軌道線上運行，其中又根據物流列車與地鐵列車組合方式的不同分為地鐵外掛物流車廂與單獨物流列車組兩種方式。地鐵外掛物流車廂是指在原有地鐵客運列車的末端加掛適量的物流貨運車廂，貨物與乘客在同個軌道同輛列車上同時進行運輸。單獨物流列車組是指單獨投資建設若干輛物流貨運列車成組，貨物與乘客在同個軌道不同列車上根據編排的時刻表分別運輸。

客貨共線的優勢在于其無需對現有地鐵隧道進行大規模的擴建，改造成本較低。而客貨共線中單獨物流列車組的方式由于需要單獨開設物流列車組，則需對物流列車和客運地鐵列車的班次進行重新編排，對現有地鐵客運系統影響較大。相比較而言，地鐵外掛物流車廂的模式對現有地鐵運輸系統影響較小，且能最大程度上降低對原有地鐵客運量的影響。

（2）客貨分線。客貨分線運輸的地下物流系統是指地鐵與物流列車在同一隧道的不同軌道線上分開運行。

由于客貨分線采取原有地鐵列車與物流列車分開運行的運營方式，所以對客運列車的影響較小且可為物流列車單獨設置物流站點。另外，由于單獨使用整輛列車進行貨運，貨運量也相對客貨共線方式有很大的提升。但是，城市中已建成的地鐵隧道空間有限，增加物流列車軌道需要進行擴建等改造措施，建設難度大、成本高，且在擴建過程中對原有的城市軌道交通有較大的影響。

考慮城市發展狀況、建設難易程度以及對原有地鐵客運的影響，本文所研究的依托地鐵運輸的城市地下物流系統采用客貨共線且地鐵外掛物流車廂的運營方式。

4 系統構成

4.1 運輸網絡

本文所研究的地下物流系統依托城市地鐵進行運輸，故其運輸網絡是依托城市地鐵線路的網絡。地下物流運輸線路以臨近物流園區、場站等倉庫的地鐵站為起點，以臨近人口密集的居民區或辦公樓的地鐵站為終點。

以武漢市武昌區為例，武漢市武昌區的地鐵線路如圖1所示。

圖1 武漢市武昌區地鐵線路圖

武昌火車站附近設有物流場站，且武昌火車站地鐵站內空間大，故選其作為線路起點。徐東地鐵站輻射范圍較大，臨近新世界百貨等大型商場、武漢理工大學余家頭校區為代表的高校、中力名居等高層社區，符合地下物流系統終點的條件，故將其設為線路終點。

綜上所述，以武昌火車站地鐵站為起點、徐東地鐵站為終點、岳家嘴為換乘站的線路如圖2所示。

圖2 示例線路圖

4.2 列車

（1）地鐵客運列車。由于地下物流系統是依托地鐵進行運輸的，根據所選擇的客貨共線的運營方式可知，原有的地鐵客運列車作為乘客和貨運AGV的載運工具，是系統中重要的組成部分。地鐵客運列車的各項參數將影響系統AGV的設計及系統運行速度等。

以上述所建立的運輸線路為例，運輸線路所涉及的武漢地鐵4號線及8號線列車參數如下：

武漢地鐵4號線一期使用B型地鐵列車，采取6車編組，合計15列。每列寬2.8m，高3.8m，列車長度約118m（19.67m/節），每列車定員載客約1 440人，最高載員約2 000人，最高運行速度80km/h。

武漢地鐵8號線一期使用A型地鐵列車，采取6車編組，合計20列。每列長度約為136.8m（22.8m/節），寬3米。每列車定員載客約1 860人，最大載客約2 590人，最高運營速度為80km/h。

由上述資料可知，地鐵4號線所采用的B型列車的長度、寬度及車廂內空間都較8號線的A型列車小，故在進行AGV及系統貨運量設計時應以4號線列車為約束標準。

（2）物流貨運車廂。系統所設計的物流貨運車廂參數需與原有的地鐵列車參數相匹配，如武漢地鐵4號線加掛車廂設計參考B型列車，8號線加掛車廂設計參考A型列車。

為了增加貨運量，合理運用廂內空間，貨運車廂不設置座椅。

4.3 AGV

AGV作為貨物的實際載運工具，在地鐵站內及列車內移動，故其外形參數需與地鐵車廂、站內電梯等設施空間相匹配。

以上述路線為例，可知AGV設計需以武漢地鐵4號線列車為約束標準。通過項目組員實地測量可知，4號線車廂內部座椅與扶手間距離為700mm。為了確保AGV在車廂內的安全性和穩定性，AGV設計尺寸參數為長600mm、寬300mm、高200mm，最大載重量50kg，滿載行走速度1m/s，電池容量為24V30Ah。

AGV在客運車廂及貨運車廂內的分布分別如圖3、圖4所示。

圖3 AGV在客車車廂內分布

圖4 AGV在貨車車廂內分布

4.4 快遞柜

智能快遞柜的尺寸受AGV尺寸及貨物包裝尺寸所約束。

以上述設計的AGV為例，考慮快遞柜穩定性和安全性，設計快遞柜外觀尺寸為長600mm、寬300mm、高900mm。

快遞柜內部設計需參考貨物包裝尺寸，本文以表1順豐快遞五款加固包裝紙箱固定規格為參考。

表1 順豐加固包裝紙箱固定規格

結合快遞柜總尺寸及貨物包裝尺寸可設計出快遞柜內部布置為：設計四層共容納三種型號的8個儲物柜并將人機交互屏幕設置在第一層中間位置。一號儲物柜5個，置于快遞柜第一層和第二層，儲存包裝規格為250×200×180mm的輕小貨物，二號儲物柜2個，置于快遞柜第三層，儲存包裝規格為300×250×200mm的中小型貨物，三號儲物柜1個，置于快遞柜最下層，儲存包裝規格為360×300×250mm的較重大貨物。快遞柜設計圖如圖5所示。

圖5 快遞柜設計圖

4.5 人車動線

依托地鐵運輸的城市地下物流系統的人車動線指的是在日常情況下，日間乘坐地鐵出行的乘客在車站內的行動線與AGV的行動線。乘客與AGV動線組織原則為人車分流，避免出現路線交叉等情況帶來混亂。以日常運營下的日間運營為例，站臺內的人車動線如圖6所示。

圖6 站臺內人車動線

4.6 中轉倉庫

中轉倉庫作為地下物流系統與傳統物流運輸的銜接部分，具備裝載區和AGV充電存儲區域，具體布置概念如圖7所示。

圖7 中轉倉庫布置概念圖

5 系統運作流程

系統運作流程圖如圖8所示。

圖8 地下物流系統流程圖

系統可分為中轉倉庫、始發站、中轉站、終點站及接駁站五個部分，每部分具體流程如下。

（1）中轉倉庫

第一步，根據貨車計劃到達時間安排，承載空快遞柜的AGV提前從存儲區前往裝載區排隊等候，裝卸人員同時在裝載區等候作業；

第二步，貨車到達中轉倉庫后，裝卸人員依次根據編號將貨物投遞進快遞柜；

第三步，裝載完畢的AGV依次按照指定路線前往始發地鐵站。

（2）始發站

第一步，AGV從中轉倉庫出發依次按照指定動線進入地鐵站內；

第二步，在站內，AGV按指定動線搭乘指定電梯前往站臺排隊等候列車到達；

第三步，列車到達后，AGV依次進入列車車廂；

第四步，列車出發。

（3）中轉站

第一步，列車到達中轉站后，按照指定的運營模式開啟廂門；

第二步，廂門開啟后，需要在此站換裝的AGV依次下車；

第三步，AGV在站內按照指定動線前往另一線路站臺排隊等候；

第四步，列車到達后AGV依次排隊進入車廂；

第五步，列車發車。

（4）終點站

第一步，列車到達終點站后，按照指定的運營模式開啟廂門；

第二步，廂門開啟后AGV依次下車；

第三步，AGV按照指定動線前往指定出站口出站；

第四步，AGV出站后按照指定動線在封閉道路內前往接駁站。

（5）接駁站

第一步，AGV到達接駁站后，進入裝載區；

第二步，在裝載區內AGV依次排隊進入已到達等候的空載貨車內將快遞柜卸載；

第三步，卸載快遞柜后的AGV依次進入卸載區，在卸載區內排隊進入裝有空快遞柜的貨車承載空快遞柜；

第四步，承載空快遞柜的AGV依次排隊前往地鐵站返程。

6 結語

通過需求分析、系統運營方式分析等提出了對地下物流系統的設計構想，可作為城市地下物流的新思路。

但通過系統運作流程可知，基于地鐵的城市地下物流系統或多或少將給乘客出行帶來不可避免的影響。另外，系統的基礎設施包括AGV、充電樁以及快遞柜等的投資也需要一定的資金量。這些都是本系統投入使用前需綜合考慮的因素。

雖然基于地鐵的城市地下物流系統的設計與實施將面臨各種各樣的問題，但其對緩解城市交通擁堵壓力及合理使用非高峰期公共交通資源有著不可忽略的意義與作用。