城市自动化运输系统—地下物流系统

2017-11-01JohanVisser

城乡建设 2017年20期

关键词：运输系统货运运输

■ Johan Visser

城市自动化运输系统—地下物流系统

■ Johan Visser

国际地下物流学会（ISUFT）是一个全球性的科研组织，参与国家众多，包括美国、中国、意大利及一些欧洲国家等。ISUFT重点研究自动化的运输系统或者囊体通过隧道或管道进行货物的地下运输。

一、自动化运输系统

自动化货物运输系统，在中国被称为地下货运系统或地下物流系统。这种自动化的货物运输系统的运输工具主要是AGV、train-like systems或者是囊体；运输设备在专用的设施中运行，不受外界车辆的影响，如：隧道、管道、专用集卡通道；管线可以在底下、或者在地面沿着主要的交通干线、或者高架桥的形式，可进行长距离的运输，所以自动化运输系统不仅仅指的是地下货物运输系统。

关于自动化货物运输系统的早期实例包括：

1．气力运输管道：19世纪英国位于地下的气力邮件运输系统，用于运送电报和包裹，同时，加拿大、俄罗斯和日本也有这样的邮件运输系统，被称作Tubexpress。二十世纪70年代，出现了运输原材料的气力运输管道系统；舱体运输系统最早是由Henry Liu教授提出的，并用于煤炭管道运输，此运输系统最初是利用气力运输，后改为线性感应装置运输。

2．线性感应舱体管道：有两个典型例子—意大利的pipe&net（由意大利部门和欧盟委员会提出）和英国的地下食物运输管道（未进行实际测试）。

3．地下隧道运输系统：1906年芝加哥建立的地下货运系统；英国伦敦建立的邮件运输系统运营到2006年，因得不到政府支持而终止；德国的Cargocap系统利用欧洲的托盘作为运输的标准，以便与传统的运输系统相协调，约有2/3的德国货物可直接适合Cargo Cap系统运输；美国德克萨斯州的TTI组织提出利用集装箱在地下长距离快速转运货物；还有韩国管道隧道地下货运系统。

以上三种地面下的自动化运输系统需要不同于集卡、火车等非自动化的运输设备，现有研究中涉及到的运输设备包括集卡两用车和AGV。这两种形式的运输设备早在上世纪90年代就已出现，但都没有进行大规模的应用。

图1 气力邮件运输系统

图3 煤炭管道运输

图4 2001年LSM系统

图6 意大利Pipe&net系统

图8 自动化运输设备

地下管道可应用于多个领域，比如居民区的水、电及下水道系统；也可以用于工业领域，运输气、液体到工厂或连接港口到内陆工业区间。地下管道运输满足可持续发展的要求，洁净、高效、低成本、安全，并且不受地面空间的限制。一路的地下走廊里面可能有20～30个原油管道，平均每5.5秒就能够有一卡车的运量经过这些管道走廊，居住在离管道较近的地面上也不会有任何噪音。

图9 荷兰水道下的管道运输

二、未来发展方向

（一）新技术

在研究地下物流的过程中，可借鉴管道运输的研究成果。科技并非一成不变的。管道运输除了上文涉及的方式外，美国Elon Musk公司正在研究开发半真空管传输系统Hyperloop，由运载乘客（或汽车）的运输荚和低压管组成，人们称之为地下超级高铁。超级高铁是一个真空密封的管子。在里面，有一个可以快速移动的客舱，理论上可以达到700英里（约等于1126公里）每小时。如Hyperloop One公司官网的图中预计，墨尔本到悉尼800多公里，开车需要10小时，飞机加上前后登机时间需要大概3小时，而Hyperloop仅需55分钟。

图10 Hyperloop One公司Hyperloop模型

我国政府部门对自动驾驶汽车、自动卡车、无人机非常感兴趣，这些设备的使用可以缓解路面交通拥堵的情况。但是需采取措施将无人机使用的事故率降到最低。

（二）人居环境

全球贸易量不断增加，不仅体现在中国与美国之间，从一个国家和一个地区层面来看，也有显著的货物运输量的增加。从郊区到市区的货运量的增长显著，急迫需要更加高效节能的运输方式。从全球不同模式货物运输总量的预测图中可以看出，全球不同模式下的货运总量在2050年将会是2015年货运总量的三倍。而从不同国家地面货物运输量的预测图中可以看出，未来大部分的货物运输将会在中国以及其他亚洲国家，欧洲或美国的地面货物运输量占比较少，因此，中国在地面货物运输方面将面临巨大的挑战。到2050年城区的公路运输总量将会占据全国货运量的一半以上，给城区环境带来巨大压力。

图11 不同模式货运需求预测

图12 不同国家货运需求预测

图13 不同地区货运需求预测

通过2015年与2050年货运量与二氧化碳排放量的比较，可以看出二氧化碳的增长速度显著大于货运量的增长速度，间接反映了上海在所有运输方式中公路运输方式比例过大，应多采用其他运输方式来缓解公路运输过程中排放的二氧化碳对全球环境的影响。全球变暖是学者研究的重要议题，全球问题要将具体到每个国家，中国地下物流系统的应用研究不仅是关于解决城市拥堵的问题，同时也是关于城市拥有宜居的生活环境的问题。

图14 国际货运与CO2排放量

（三）自动驾驶与专用车道

随着中国城市内货物运输量及港区到内陆集装箱运输量的不断增加，中国必须寻求一种可持续的运输方式来缓解公路运输所引发的种种问题，同时带来可观的经济效益。此种新的运输系统中，未避免汽车燃料产生有害气体，采用电力作为动力，同时采用自动化的方式。关于新的运输系统中的自动化设备的发展阶段，图15中红线表示未涉及自动化驾驶的情况，我国现在仍属于辅助驾驶的第一个阶段，很多欧洲轿车现在已经有自动泊车系统；紫色线条表示完全自动化阶段，在此阶段车辆完全自动化，每辆车可以自动驾驶。从此预测图中可以看出，到2035年自动化比例会非常高。20～30年后将会在高速公路上看到自助驾驶的汽车，但在城区普及可能需要到2075年，甚至到22世纪。我国交通委非常重视无人驾驶技术的发展，在此方面有较多的研究。地下物流系统的建设需要专用的基础设施，若想利用自动驾驶技术，需要建设与其配套的专用车道。

图15 自主驾驶发展程度

自动驾驶汽车同样可以运用到城市配送最后一公里，但还需要其他自动化设备与其相配合，比如无人机、机器人等。机器人和无人机等可以将小件货物送到最终客户的家中，现在无人机技术比较先进，可以应用到短距离、小体积的货物运输过程中，但对于港口与内陆间集装箱等的转运，需要积极利用地下物流系统、自助驾驶卡车等设施设备。所以，未来短距离与长距离的货物运输的发展方向是不同的。

自主驾驶等级描述表

无人机技术在交通领域的应用比较少，而且由于无人机能耗较高，短时间内无人机技术也不会应用到交通系统中。我们可以利用现有的一些运输通道，比如已存在的铁轨体系，发展自动货运列车，或自动卡车，但这些线路在欧洲仍然是有限的。

图16 自主驾驶设备

三、面临的挑战

地下物流相关技术的发展对于地下物流系统推广应用是至关重要的，现代技术人员也正在努力发展相关技术，但未来地下物流发展所面临的问题并不在此，而在于向公众介绍地下物流，展现其发展的可行性，证明其实一个可持续发展的方案。公众并不了解地下物流相关知识，需展开相关科普活动，提高公众意识。同时，迈出地下物流发展应用的第一步。

（一）展示地下物流是一种可持续发展方式

地下物流系统相比于传统物流方式具有显著优势，主要体现在：处在独立封闭的环境下，不受外界环境的影响；全自动化可以方便节约控制成本；处于地下不占用地面空间，不影响市政交通；系统运营不受限制，可24小时、365天全天候运营；可有效减少城市交通拥堵程度。因此，地下物流系统是一种节约能源、保护环境、缓解气候变化的可持续发展方式。相关研究表明地下物流比其他物流方式更加高效，但投资成本也很高，所以建设地下物流系统需要考虑城市具体的需求和建设的必要性。

（二）提高公众意识

科学研究的最终目的是将其应用到人们的生产生活中，需要让公众知道学者在做什么，让公众参与到科学事业中。笔者和传统的隧道组织一同制作了一套介绍地下物流的视频，介绍了什么是地下物流系统，地下物流系统是如何运作的，是如何节约能源的，进而提高公众意识。

（三）如何开始第一步

全球历经了铁路、卡车、互联网的创新浪潮，现需仔细斟酌下一个创新浪潮是什么？是否可在交通领域做出新的创新？首先需考虑地下物流系统可应用的领域：（1）在城区内，可作为邮局、零售商、食品商、办公和消费者等货运供应系统，这类系统的货运单元为托盘。地下物流系统在此领域的应用已在荷兰各个城市、日本东京和英国伦敦进行了相关的可行性研究。（2）在工业区、物流中心和港区内的多式联运领域，如机场和港区等综合设施场所。此类系统设计的货运单元包括托盘、集装箱和飞机托盘等。如荷兰Schiphol的OLS工程和新加坡的JTC系统。（3）作为农产品、矿石和固体废物的长距离供应和收集系统。为实现此功能，日本、美国和俄罗斯开发了胶囊管道，并投入使用。（4）作为内陆与海港之间的集装箱运输。在美、德、比利时等国家展开了相关研究，但没有进入应用阶段。迈出地下物流系统实施应用的第一步是所有挑战中最难、最重要的部分。