國內(nèi)外地鐵貨運系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀與進展

王月麗，楊中華,2，劉鄒洲，黃 錦

（1.武漢科技大學 恒大管理學院，湖北 武漢 430065；2.湖北省產(chǎn)業(yè)政策與管理研究中心，湖北 武漢 430065）

傳統(tǒng)物流行業(yè)一直在通過提高管理效率和提升物流設施設備來應對城市物流問題，但是這些傳統(tǒng)手段的應用帶來的邊際效果越來越小，必須需要一種全新的物流模式來打破當前的城市困境。因此，地下物流成為近年來相關學者的研究熱點，特別是2019 年國務院發(fā)布《交通強國建設綱要》明確提出建設城市地下物流配送系統(tǒng)之后，相關研究更是層出不窮。但是由于真正意義上的城市地下物流系統(tǒng)建設難度大、成本高、周期長，世界范圍內(nèi)實際投入運營的城市地下物流系統(tǒng)（Underground Logistics System，ULS）屈指可數(shù)，所以較多學者認為地鐵貨運系統(tǒng)（Metro-based Underground Logistics System，M-ULS）可以作為當前城市地下物流系統(tǒng)建設的前身先行先試。由于建設成本低、環(huán)境友好、人群覆蓋性強等優(yōu)點，地鐵貨運系統(tǒng)成為城市地下物流研究的焦點。

地鐵貨運系統(tǒng)（M-ULS）的實踐最早可以追溯到1927 年倫敦的“地鐵郵局”[1]，由于公路和鐵路運輸方式的發(fā)展，地鐵貨運的初期嘗試被逐漸放棄了。近年來，隨著智能運載技術的發(fā)展，城市地下物流系統(tǒng)再次引起了國內(nèi)外的關注。其中，部分學者提出了利用地鐵、輕軌或有軌電車實現(xiàn)客流與貨流協(xié)同輸運的構想，這種構想一經(jīng)提出就廣受關注。學者們將這種利用現(xiàn)有的地鐵資源進行優(yōu)化配置，結(jié)合現(xiàn)代物流設施設備及技術，進一步把地鐵站改造成包含儲存、轉(zhuǎn)運、配送等物流功能的空間，實現(xiàn)客流與貨流協(xié)同的系統(tǒng)稱為地鐵貨運系統(tǒng)（M-ULS）[2]。

為了全面梳理地鐵貨運系統(tǒng)（M-ULS）的研究成果，本文分別從戰(zhàn)略、戰(zhàn)術和執(zhí)行層面，對近年來地鐵貨運系統(tǒng)（M-ULS）的規(guī)劃理論、網(wǎng)絡布局和運營調(diào)度等問題的相關國內(nèi)外文獻進行較為全面的綜述，以期為相關領域的學者提供有效的參考與借鑒。

1 戰(zhàn)略層面：規(guī)劃理論與綜合效益

地鐵貨運系統(tǒng)（M-ULS）由于實現(xiàn)了客流與貨流的協(xié)同，能產(chǎn)生可觀的外部效益，學者們普遍認為可將M-ULS 作為城市地下物流的前期發(fā)展形態(tài)，并以地鐵貨運模式能夠重塑城市交通物流形態(tài)[3]。在戰(zhàn)略層面，學者從地鐵貨運系統(tǒng)的基礎設施規(guī)劃、業(yè)務規(guī)劃和綜合效益分析等方面進行了大量的研究。

（1）基礎設施規(guī)劃

學者通常通過多種基礎設施規(guī)劃方案的對比，并結(jié)合實際貨運需求對M-ULS 的地鐵站臺形式、改造方案、聯(lián)運站點等基礎設施進行了設計。王小林等[4]基于西安地鐵站實際數(shù)據(jù)進行地鐵物流需求量及相關建筑面積預測，提出兩種適合M-ULS 的地鐵站形式：分離式地鐵站和結(jié)合式地鐵站。其中分離式地鐵站可以隔開物流與客流，保證安全的同時提高效率，結(jié)合式地鐵站的優(yōu)勢在于可以靈活調(diào)整車廂內(nèi)客貨流量，合理利用地鐵平峰期和空窗期的運能。張夢霞等[5]從節(jié)點規(guī)劃、通道規(guī)劃、網(wǎng)絡形態(tài)規(guī)劃等方面對地下管廊物流系統(tǒng)、地鐵軌道物流系統(tǒng)、地下道路物流系統(tǒng)等三種城市地下物流方案進行了對比分析，提出改造站臺以承擔貨運功能，具體給出了客貨混編和貨運專列兩種情形下的站臺改造方案。王強等[6]定義了在共線拖掛模式下M-ULS 的物流運輸模式、站點裝卸模式、經(jīng)營合作模式，給出站臺層和站廳層以及地鐵多式聯(lián)運銜接站的改造示意圖，以武漢地鐵實際情況為基礎，應用仿真軟件證明了M-ULS 的經(jīng)濟價值和節(jié)能價值。

（2）業(yè)務規(guī)劃

考慮到地鐵物流系統(tǒng)客貨協(xié)同運行的需求，在保障地鐵客流運營的基礎上，如何設計合理的業(yè)務規(guī)則是M-ULS 面臨的首要問題。李敬恒[7]從成都地鐵網(wǎng)絡全局出發(fā)，在TOD 背景下進行成都地鐵物流配送網(wǎng)絡的方案設計以實現(xiàn)平均貨物送達時間最小，相應的提出成都地鐵物流基本業(yè)務方案。陳佳怡[8]利用人口分布數(shù)據(jù)和分擔率預測武漢地鐵物流需求量，在不改變現(xiàn)有地鐵開行頻次的情況下建議客運低峰期一節(jié)帶貨、空置期一列帶貨、天窗期開行貨運專列的方式進行地鐵貨運系統(tǒng)的運營。曾銳峰[9]以快遞運輸為例證明地鐵運輸合理性，不僅提出營運時段與非營運時段的貨運規(guī)劃，還提出了同城快遞配送服務和航空快遞的地面承運服務兩種業(yè)務規(guī)劃。目前，深圳已經(jīng)開始試點實行地鐵-航空聯(lián)運模式，在聯(lián)運點設置收發(fā)行李，借助地鐵為航空乘客提供行李配送服務[10]。燕玲[11]定義了小件物品快遞，具體介紹了運用地鐵承運小件物品快遞的業(yè)務流程，最后從經(jīng)濟效益和城市外部性兩方面解釋了利用地鐵開展小件物品快遞業(yè)務的必要性。Hu 等[12]組織和評估了一個包含37 項M-ULS 開發(fā)所必需的關鍵技術的分層框架，設計了具有物流功能的具體互通式地鐵車站內(nèi)部布置方案，對車站的物流工作流程進行了詳細描述，文獻和調(diào)查的證據(jù)表明，所提出的M-ULS 模型在技術上是可行的。

（3）綜合效益分析

目前，地鐵貨運系統(tǒng)（M-ULS）更多處于規(guī)劃設計階段，實際投入運營的項目較少。作為項目運營的前期工作，學者們從M-ULS 的經(jīng)濟效益、社會效益等方面進行了深入研究。

Ma 等[13]集中關注地鐵公司和物流運營商在不同的市場力量機制下的決策，在合作博弈和非合作博弈機制下對新興的地鐵一體化物流方式進行了經(jīng)濟分析，結(jié)果表明引進地鐵一體化物流系統(tǒng)有可能為地鐵公司和物流公司產(chǎn)生帕累托效果。徐國峰[14]提出了城市地下物流系統(tǒng)費用和效益評價的方法，并以武漢市為例進行了經(jīng)濟評價，對城市地鐵貨運的實行提出了指導意見。彭玫貞等[15]對比地鐵物流系統(tǒng)和地下物流系統(tǒng)的異同，從技術、運營管理、效益三方面對城市地下物流系統(tǒng)與地鐵的協(xié)同運行，進行了可行性分析和協(xié)同運行風險分析，發(fā)現(xiàn)將地鐵與地下物流系統(tǒng)協(xié)同才是符合國情的方案。

在社會效益方面，Xu 等[16]使用系統(tǒng)動力學方法，以武漢疫情高發(fā)期間的實際數(shù)據(jù)為基礎，分析疫情期間將地鐵貨運投入實際應用對城市物流績效產(chǎn)生的影響以及地鐵地下物流的發(fā)展過程，建立了一套有效的宏觀微觀激勵政策來推動地鐵物流系統(tǒng)發(fā)展，為決策者處理城市物流問題提供有效的支持。Hu 等[17]創(chuàng)新性地提出城市地鐵貨運外部性的評價模型，把地鐵物流系統(tǒng)的四個主要利益系相關者和一系列影響因素納入兩個子模型，并以北京市為例進行分析；進而將投資政策、網(wǎng)絡規(guī)模和市場競爭力三個決策變量組合到8 個不同的情景中考察中小民營企業(yè)的外部效益、定價策略、資本融資結(jié)構和業(yè)務量。陳梓毓[18]從綠色物流和可持續(xù)城市配送理念出發(fā)，提出使用地鐵進行城市配送，并結(jié)合南京實際情況，從運能、市場、可行性等方面探究M-ULS 的應用。

2 戰(zhàn)術層面：網(wǎng)絡布局與節(jié)點選址

地鐵貨運規(guī)劃的關鍵在于客貨共享節(jié)點的選址、分配和運輸路徑規(guī)劃。在這一具體的地鐵貨運規(guī)劃層面，學者們的主要工作集中于地鐵貨運系統(tǒng)的網(wǎng)絡布局和節(jié)點選址問題。

在網(wǎng)絡布局方面，胡萬杰等[19]構建了地鐵貨運系統(tǒng)的網(wǎng)絡選址-分配-路徑模糊隨機規(guī)劃模型，創(chuàng)新性地探索在不確定需求環(huán)境下地鐵貨運網(wǎng)絡的效益情況和最佳布局規(guī)劃。任睿等[20]針對某種特定的軸輻式地鐵貨運系統(tǒng)網(wǎng)絡，提出由地鐵、管道和地面三級協(xié)同的地鐵貨運網(wǎng)絡布局優(yōu)化方法，研究表明該布局方法能大量分擔地面貨運量，釋放城市道路服務能力。更多的文獻對物流節(jié)點選址問題展開了研究。為了方便閱讀，本文從結(jié)構角度和功能角度對選址問題進行文獻綜述。

（1）單級節(jié)點選址問題和多級節(jié)點選址問題

從結(jié)構角度來看，M-ULS 選址問題可以分為單級節(jié)點選址問題和多級節(jié)點選址問題。關于單級節(jié)點的選址研究，閆文濤等[21]在候選物流節(jié)點和需求點已知的情況下，從供應商成本最低和客戶費用最低兩個層面出發(fā)，建立雙層規(guī)劃模型以識別出與需求點匹配最佳的候選節(jié)點實現(xiàn)地下物流節(jié)點選址。何永貴等[22]將客戶最優(yōu)作為下層規(guī)劃目標，深入探究是什么因素決定了客戶對物流節(jié)點的選擇，把距離、服務質(zhì)量和服務價格因素加權量化，使選址模型在實際應用中更具參考性；Zheng 等[23]提出了一種改進的p 中值模型以使M-ULS 的總成本最小，以服務能力和網(wǎng)絡密度為加權項，構建加權V 形圖，計算優(yōu)化節(jié)點的服務范圍，論證了利用地鐵進行物流配送的可行性。

在多級節(jié)點的選址研究方面，胡萬杰等[24]針對客貨共線模式下的地鐵物流系統(tǒng)的選址問題進行分析，以南京地鐵1 號線和2 號線為例探討得出結(jié)論：雙線換乘情況下，地鐵貨運單價與地面貨運單價之比在1∶2.5 以下就能保證地鐵物流系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)勢。王蘇林等[25]在地鐵物流節(jié)點選址研究中將目標函數(shù)設置為物流節(jié)點數(shù)量最少且轉(zhuǎn)運率最低，利用集合覆蓋模型和整數(shù)規(guī)劃實現(xiàn)物流節(jié)點選址。任睿等[20]以軸輻式地鐵物流網(wǎng)絡為背景節(jié)點選址優(yōu)化問題研究，并將貨流分配、路徑布置納入優(yōu)化模型中。Zhao 等[26]基于輪輻網(wǎng)絡模型的同城地鐵物流系統(tǒng)設計出三階段優(yōu)化模型，第一用熵權TOPSIS 模型篩選出候選樞紐節(jié)點和輻條節(jié)點；第二考慮容量限制，采用貪婪隨機自適應搜索方法識別輻條節(jié)點；第三以運輸距離最小為目標采用禁忌搜索算法識別樞紐節(jié)點，通過靈敏度分析，證明了容量約束對多節(jié)點系統(tǒng)的配置有顯著影響。

（2）配送中心節(jié)點選址與轉(zhuǎn)運中心節(jié)點選址

從功能角度來看，目前研究的對象主要是M-ULS 配送中心節(jié)點選址問題和轉(zhuǎn)運中心節(jié)點選址問題。配送中心是通過物流集中再分配從而產(chǎn)生物流規(guī)模效益的場所，其選址關系到整個M-ULS 收益情況。張秋星[27]著眼于地鐵物流過程中的配送環(huán)節(jié)，在選址模型中加入成本和覆蓋范圍限制，發(fā)現(xiàn)地鐵承擔貨物運輸?shù)谋壤煌瑢ξ锪髋渌椭行倪x址方案決策具有不同的影響，進一步給出不同選址方案的綜合物流效益評價方法。He 等[28]對配送中心的布局問題和配送問題分別建立模型，利用改進的蝙蝠啟發(fā)算法來解決高維配送中心布局模型問題，用上海市中心城區(qū)地下物流節(jié)點系統(tǒng)布局規(guī)劃為例進行了模型驗證。

轉(zhuǎn)運中心既可能是地鐵貨運與地鐵貨運之間的中轉(zhuǎn)站，也可能是地面運輸與M-ULS 的銜接點，其位置的選擇對物流效率有極大的影響。周芳汀等[29-30]明確了貨物在M-ULS 系統(tǒng)中的移動路徑選擇方法，把運輸成本、中轉(zhuǎn)成本和固定運營成本相加作為目標函數(shù)建立模型，改進模擬植物生長算法求解模型，確定地面物流系統(tǒng)與M-ULS 之間的轉(zhuǎn)運點位置，以成都市為例做覆蓋范圍、需求量、規(guī)模效應相對于總成本的敏感度分析。李鋮鈺[31]參考大連一號線和二號線的實際數(shù)據(jù)，計算在地鐵運營商和快遞企業(yè)協(xié)同配送時哪些站點可以作為最佳轉(zhuǎn)運物流節(jié)點。

3 執(zhí)行層面：運營調(diào)度

目前對于M-ULS 運營調(diào)度的研究主要集中在協(xié)同運行和路徑優(yōu)化方面。

（1）協(xié)同運行問題

按照協(xié)同對象的不同，可以將協(xié)同運行問題分為列車調(diào)度協(xié)同問題、客貨協(xié)同問題、M-ULS 與地面物流系統(tǒng)協(xié)同問題。

針對列車調(diào)度問題，陳一村等[32]對比了各種地鐵貨運模式，建造模型確定共線模式下貨運列車每天的發(fā)車頻次，最終認為共線運輸只能作為補充運輸方式，只有分線運輸模式下的地鐵貨運系統(tǒng)或者獨立成網(wǎng)的地下物流系統(tǒng)才能從根本上解決物流問題。潘欣維[33]詳細闡述了由三層結(jié)構組成的地鐵貨運系統(tǒng)運營網(wǎng)絡、通過貨物運輸機制及地鐵客貨系統(tǒng)的協(xié)同運作模式的分析，將地鐵客貨車調(diào)度問題轉(zhuǎn)換為確定條件下快慢車行車調(diào)度問題，并以遺傳算法實現(xiàn)了地鐵貨運系統(tǒng)列車調(diào)度計劃的求解。Be?inovic 等[34]基于鐵路運輸提出了一種將宏觀網(wǎng)絡模型和微觀網(wǎng)絡模型相結(jié)合的分層時間表設計框架，借助該框架可以自動計算出一個可行的、具有魯棒性的時間表，決策者可以以此為基礎制定有效的時間表或者對現(xiàn)有時間表進行評估，考慮到地鐵與火車的列車調(diào)度的相似性，該火車列車調(diào)度方法對M-ULS 列車調(diào)度也具有很強的參考作用。

在客貨協(xié)同方面，邸振等[35]針對共線混載模式下的M-ULS 進行協(xié)同優(yōu)化，解決非高峰期內(nèi)流量控制和車廂分配問題，引入貨運軟時間窗和客運硬時間窗約束，以北京八通線相關數(shù)據(jù)進行驗證，結(jié)果表明該方法可以同時提升客貨運輸效率。Zhen等[36]針對共線拖掛模式下的M-ULS 進行地鐵車廂布置和流量控制，把運營成本和總延誤懲罰的加權和作為目標函數(shù)，在客貨流量分配條件下構建模型，設計一種改進的Benders 分解算法，并以北京八通線運營數(shù)據(jù)證明了該方法的有效性。

雖然相對于傳統(tǒng)物流模式，M-ULS 優(yōu)勢明顯，但是它不能完全取代地面物流系統(tǒng)，二者之間是合作與競爭共存的關系，因此M-ULS 與地面物流之間的協(xié)同研究極為重要。劉翱等[37]研究了在地面物流系統(tǒng)協(xié)同地下物流系統(tǒng)時如何分配兩個系統(tǒng)的運輸量，認可二者之間的合作與競爭關系，對比地面物流系統(tǒng)、地下物流系統(tǒng)和地面物流系統(tǒng)與地下物流系統(tǒng)共存三種方案的成本，研究表明地下物流與地面物流協(xié)同的物流模式成本最佳。一般學者的關注點在城市的正向物流領域，鄭長江等[38]根據(jù)城市閉環(huán)物流的需求，采取分層分級分區(qū)域的地上地下配送策略，把逆向物流加入模型中，實例表明，在閉環(huán)物流模式下把車廂流量設置為3 000 件、發(fā)車間隔設置為5 分鐘可以減少4.6%的配送時間及3.8%的總成本，相比傳統(tǒng)物流方式，可以減少8.1%的平均配送時間和57.5%的碳排放量。周曉曄等[39]設定了一種M-ULS 與地面物流系統(tǒng)的協(xié)同場景：配送中心將貨物運到地鐵進站口進行運輸，第三方物流公司安排貨車在出站口接應貨物并把物品送到客戶所在地，基于此場景構建路徑優(yōu)化模型并使用改進自適應遺傳算法求解，研究表明客貨協(xié)同方式可提高時間窗內(nèi)的送達效率。

（2）路徑優(yōu)化問題

對M-ULS 進行路徑優(yōu)化的目的有兩個，一是提高物流的準時率，二是降低成本，因此學者在進行路徑優(yōu)化研究時針對時間窗限制和如何降低成本等問題做出了大量的研究。

在考慮時間窗的M-ULS 路徑優(yōu)化研究方面，楊婷等[40]列舉了列車提前到站和列車延遲到站兩種情況下的懲罰函數(shù)，建立帶時間窗的地鐵貨運系統(tǒng)路徑優(yōu)化模型，減少轉(zhuǎn)運時間，得到最優(yōu)的地鐵配送路徑方案。周曉曄等[39]研究了單條地鐵線路與貨車聯(lián)合配送的路徑優(yōu)化問題，以不改變地鐵原運行方案的前提為時空約束，以配送距離最短為目標建造地鐵-貨車聯(lián)運模型，用改進自適應遺傳算法求解，結(jié)果表明這種聯(lián)運方式能有效提高時間窗范圍內(nèi)的送達率。

在降低成本方面的研究中，學者通常以包括內(nèi)部成本和外部成本在內(nèi)的總成本作為優(yōu)化目標。李鋮鈺[31]詳細闡述了利用地鐵開展城市物流配送的優(yōu)劣勢，提出快遞公司協(xié)同地鐵運營商展開城市配送的新型物流方案，在構建協(xié)同配送的路徑優(yōu)化模型中加入碳排放成本約束，降低配送成本和環(huán)境污染影響的同時增加地鐵公司的非票價收入，實現(xiàn)地鐵運營商和快遞公司的雙贏。劉亞楠等[41]構造包括時間成本、車輛成本、運輸成本的總成本最小化的模型，通過南京地鐵數(shù)據(jù)證明該模型不僅可以指導車輛間的轉(zhuǎn)運安排，還能優(yōu)化客戶分配和地面物流系統(tǒng)的道路選擇。

4 研究結(jié)論和展望

本文在M-ULS 相關文獻梳理的基礎上，從規(guī)劃理論、網(wǎng)絡布局和運營調(diào)度三個方面歸納概括國內(nèi)外學者對M-ULS 的相關研究成果及進展。

（1）戰(zhàn)略層面上，學者從M-ULS 的基礎設施規(guī)劃、業(yè)務規(guī)劃和綜合效益分析等方面進行了大量的研究。目前研究對基礎設施的規(guī)劃集中在對地鐵站臺和地鐵車廂的改造，重點在于降低客貨之間的影響；業(yè)務規(guī)劃包括貨運規(guī)劃和地鐵承運快遞業(yè)務的規(guī)劃，以充分利用地鐵剩余運能，增加地鐵運營商與快遞企業(yè)的收入；綜合效益分析的研究頗受重視，不同學者通過模型和實例證明，M-ULS 不僅能為各方主體帶來內(nèi)部經(jīng)濟效益，還能實現(xiàn)降低碳排放、緩解交通壓力、緩解疫情困境的城市正外部性效果。

（2）戰(zhàn)術層面，學者們在網(wǎng)絡布局和選址問題上做了大量的研究工作，特別是選址問題研究較多。按照結(jié)構和功能進行分類，發(fā)現(xiàn)相較于單級節(jié)點，學者們的研究更偏向于多級節(jié)點的選址問題，對于轉(zhuǎn)運型節(jié)點和配送型節(jié)點的研究則相當。選址模型的目標和約束構成比較穩(wěn)定，集中在成本、節(jié)點數(shù)量、轉(zhuǎn)運率、覆蓋范圍、碳排放、系統(tǒng)容量等因素上。

（3）執(zhí)行層面上，現(xiàn)有研究多從協(xié)同運行和路徑優(yōu)化兩個方面闡述M-ULS 的運營調(diào)度問題。協(xié)同運行問題主要涉及到列車調(diào)度、客貨協(xié)同以及M-ULS 與地面物流系統(tǒng)協(xié)同。研究發(fā)現(xiàn)，列車調(diào)度和客貨協(xié)同研究的范圍比較集中，多數(shù)為共線模式下的車廂分配、客貨流量分配、列車時刻表安排等問題。M-ULS 與地面物流系統(tǒng)協(xié)同的研究內(nèi)容包括地鐵與地面物流量分配、車廂容量與發(fā)車時間設置、地鐵-貨車路徑優(yōu)化。路徑優(yōu)化問題則從提高準時率和降低成本兩方面展開敘述。

盡管學者們在M-ULS 方法做了大量的研究，但是受交通規(guī)劃和物流行業(yè)發(fā)展等多方面的影響，M-ULS 方面的研究仍在快速發(fā)展中，未來對地鐵貨運系統(tǒng)的研究可以嘗試向更多方面擴展。

其一，雖然許多文獻研究了M-ULS，但是對地鐵具體適合承運何種貨物這個問題的研究相對較少。居民日?？爝f包裹成為城市物流需求的重要組成部分，地鐵站點周圍多為居民區(qū)、商業(yè)辦公區(qū)、學校等，是快遞包裹流動終端區(qū)域，客貨流動方向高度一致。此外地鐵有運行速度快、發(fā)行頻率高、運量大和覆蓋范圍廣等特點，符合快遞運輸?shù)囊螅磥砣绾螌崿F(xiàn)城市快遞與M-ULS 的協(xié)同是一個值得研究的問題。

其二，由于地鐵軌道具有固定性，無法承擔最后一公里的配送，現(xiàn)實中M-ULS 需與地面物流系統(tǒng)聯(lián)合才能實現(xiàn)點到點的配送，但是銜接兩個系統(tǒng)方面的文獻不多，學者們可發(fā)散思維，未來多關注地鐵物流與地面物流之間轉(zhuǎn)運節(jié)點的選址與設置問題、地鐵道路網(wǎng)和地面道路網(wǎng)的路徑選擇問題、轉(zhuǎn)運時間窗問題等以提高城市物流的效率。

其三，M-ULS 是一個復合系統(tǒng)，同時受到自然界和社會的影響，尤其是在當前新冠肺炎疫情頻發(fā)的時期，交通系統(tǒng)受到的沖擊較大，系統(tǒng)的適應能力應當受到關注，但是目前對于M-ULS 系統(tǒng)魯棒性的研究幾乎是空白的，學者們可從此角度多做研究。