基于地铁的城市快递物流智能运输系统设计

刘蕴博，勾兆丁，薛鑫喆，贾 青，杨志刚

（1.同济大学 汽车学院，上海 201804；2.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804；3.同济大学 材料科学与工程学院，上海 201804；4.上海地面交通工具风洞中心，上海 201804）

1 引言

目前，中国传统物流行业非智能化程度高，设施设备分配不平衡。在高峰期，快递公司常常无法准时运送快递，出现运输货车超载和仓库存储超量的情况，快递员的运输工作更是超负荷。而在快递行业智能化的趋势下，各大快递公司和机器人公司在着力研发人工智能产品来实现快递的自动配送，如无人机、无人驾驶货车等[1]。智能化、自动化的快递配送方式正在成为快递行业的发展趋势。但目前市面上相关系统概念仍处于初级阶段，尚未提出详细且可行性较高的具体运输模式，因此我们提出了结合地铁的快递物流智能化设计。

2 整体架构以及运行流程

2.1 系统概述

本系统以2030年的上海为背景，假设2030年的上海城市城际地铁轨交系统发展极其完善，地铁站分布较为密集且合理。系统利用未来城市中较为完善的城市/城际地铁系统完成快递运输线路及存储站点的建设，包括：

（1）一种与地铁共用线路的快递运输车A，搭载智能货箱，替代传统货车实现快递运输；

（2）一种快递寄存基站B，与部分地铁站并存，作为临时存放快递的站点；

（3）一种小型配送车C，搭载智能货箱，为对应基站附近服务区的客户取货和送货。

快递运输线路如图1所示。

图1 快递运输线路

2.2 地铁运输方式可行性分析

在本运输模式中，城内长距离快递运输采用了地下运输而非传统的地上运输。一些学者对地下物流系统在城市配送中的应用做过相关研究，比如郭占全等[2]分析了北京市货运的品种构成，认为75%以上的货物适合采用地下运输的方式，并在此基础上考虑建设地下物流系统的前景。一些研究则具体针对北京[3]、重庆、上海等城市，分析了地铁运输货物的可行性。综合前期文献可知，地下地铁运输存在着诸多优势，在快递运输方面，运送速度快、准时、安全，快递运转即时性强，货物安全性高，而且对恶劣天气的适应性强，同时便于地铁通勤人员取件，降低了快递“最后一公里”运输压力[4]。在社会效益方面，可以减少地面交通拥堵、改善环境污染问题、减少安全事故的发生，同时节约城市土地资源。目前提出把地铁用作城市物流系统的讨论还很少，但随着大城市拥堵程度的上升和地铁系统的完善，地铁用来承担一定物流任务的可能性和可行性在不断上升[5]。而若要利用地铁进行货运工作，在地铁规划时就应根据货运配送的需求，选择合适的地铁站，将其建设为客货两用车站，以节省改造费用[6-7]。

2.3 地下快递车运行方案[8]

下面从日间、夜间两个角度分别分析本物流系统地下快递车运行方案。

2.3.1 日间客货共用地下轨道线路模式，具体分为A，B两种方案。

（1）方案A 独立动力装置的地下运输系统。该系统将在两列列车的运行时间间隔进行运输、装卸工作。运输过程如下：快递车在始发站装货，运行并在基站货物站台停靠；车门打开，在30s 内以货物模块形式进行装卸货；车门关闭，运输车前往位于下一地铁站的基站；快递通过电梯运输到基站存储分拣仓库；同一地铁站的客运地铁和地下快递车并不同时停靠。该运行方案如图2所示，其装卸过程仅为举例，对于双线并行线路等，站台分布和具体装卸货物模块及装卸方式会有所改变。

图2 方案A日间运输过程示意图

在地铁运行时间间隔内运行地下运输车。地下运输车的速度、月台停靠时间、运行时间间隔均与原地铁相同，对地铁站台进行扩建。直接使用地铁的供电系统和地铁停放空间，同时每一班运货车的运营时间及车的开行次数由当日的运量决定，通过电子总控系统及APP反馈进行实时调整[9]。

若要在地铁运行间隔间开行快递车，须考虑能否满足地下车辆的安全运行要求。列车安全运行间隔控制（防止列车追尾等）主要由信号系统ATP列车自动防护子系统进行控制。安全距离是根据线路限速、线路坡度、车辆结构速度和列车自动控制特性等数据进行综合计算的，以保证后续列车能在前一列车位置之前安全停下。后面一列运行的列车可以通过信号系统接收到前方列车的具体位置和两车距离，当后方列车快要达到与前行列车最小的安全防护距离时，列车会自动减速直至停车，以防止两列车之间发生追尾。根据规定，两辆列车之间的最小安全距离为180m[10]。表1 为上海地铁2 号线运行时刻表，可知高峰时间段地铁运行最小时间间隔为3min。

表1 上海地铁2号线运行时刻表

初步估计在两辆客运地铁间隔中增开地下快递车可保证地铁运行的安全距离，同样以上海轨道交通2号线为例，2号线运行列车的基本参数见表2。

表2 上海地铁2号线运行列车基本参数

由表2可知，当2号线两辆地铁时间间隔最短为3min时，以设计时速80km/h计算，则两列地铁之间的间隔最小为4 000m，远大于180m 的最小安全距离。假设地下快递车单节车厢长度约为20m，8 节编组，则加开列车长度约为160m，将其安放于两列客运地铁之间，仍能保证其与前后列车保持1 920m 的安全距离，因此在这样的预估下，在两列地铁车辆之间单独运行地下快递车是较为可行的[11]。当然，具体论述还需结合地铁轨道情况、地铁实际运行速度、列车运载情况等综合评判。

（2）方案B 依托现行轨道交通动力装置的运输系统。在该系统下，地下快递车厢将与地铁车辆连接，在白天时段进行运输、装卸货物。运输过程如下：在原有编组上增加两节车厢，这两节车厢整体规模与客运车厢相近；快递车厢在地铁站中的货运基站装货，随后跟随地铁运行，其中快递车厢不单独设计动力系统；地铁停靠站台的同时，快递车到达基站货物站台位置，车门打开，在地铁停靠地铁站期间，实现货物的全自动模块化装卸，随后车门关闭，地铁继续运行；货物模块被运送到基站中，由基站进行快递的全自动分拣与装车。该方案日间运输过程如图3所示。

图3 方案B日间运输过程示意图

由《地铁设计规范》GB 50157-2013可知，国际规定城市轨道所用的列车可分为三种型号：A 型、B 型和C 型[12]。这三种型号列车车厢宽度分别为3m、2.8m 和2.6m。其中，选用A 型或B 型列车作为运输载体的轨交线路称为地铁，大多数采用5-8节列车进行编组。因此，在地铁车辆未满编情况下，可以考虑增加两节左右的货运车厢，且大部分车站有预留编组空间，便于车辆停放。

2.3.2 夜间货运独立运行模式，实现24h运行。本物流系统在人工智能技术全面开启的2030 年，夜间将不停止货运快递列车的运行，夜间运输任务以处理前一天积压快件为主，其方案如下：

在晚上22 点之后，总体地铁客流量开始大幅度下降，通过每日工作计划的提前沟通，地下快递车可以在不影响地铁维修的情况下进行货物运输，同时还可以通过与维修公司的合作作为不同维修地点之间所需资源或装置沟通交换的良好工具之一[13]。此外通过智能化的系统调控，在维修路段也可以通过合理安排运送时间来投放地下快递车。对于维修过的路段，在维修结束后就可以开启地下货运系统进行货物运输，同时可以通过地下运货车的行驶提前检验维修质量，保证铁轨日间的安全行驶，降低无预警故障/部分停线的概率，同时提高货运效率。

综上为城内长距离运输方案，随着地面交通拥堵问题的不断凸显、社会对环保问题的日益重视以及电子商务的井喷式发展，采用地下物流系统的必要性也会逐渐体现出来。在新建地铁时尽早进行物流设施规划，可以尽可能地降低建设成本，实现客运货运并存。

2.4 货运基站快递短时存储

根据地铁站分布及物流运转需要，应选择部分地铁站建设货运基站。对已有站点进行改造，使地铁站台两端具有相对独立的运转仓库，建立专用货运通道，货物通过新建设的、专门用于货物运输的货梯进行地上地下货物转运。对于新建地铁线路，应考虑物流需求，设计带有直接连接基站的地铁站台。同时，根据地铁人流量大的特点，可在地铁站中设立快递寄取柜，便于采用地铁进行日常通勤的白领等进行快递自主寄取，进一步缓解地面短距离配送的压力。同时以基站为中心划分服务区，设计短距离区域配送方案。

2.5 短距离区域配送方案

传统快递行业配送常采用货物到达配送点后，通过短信或电话通知客户取件，该过程中常出现如用户可取件时间不匹配、快递员劳动强度高、效率低、快递“最后一公里”问题等矛盾，因此本物流系统采用一种新的短途配送方案，以解决上述矛盾：以位于各个地铁站的基站为中心划分服务区，在每个服务区内，有若干地上配送车负责相应区域快递的配送；地上配送车搭载智能货箱，沿固定线路周期性低速行驶；当用户的快递到达所在服务区的基站后，或用户需要寄件时，均可通过手机APP 预约取件或寄件时间，使快递配送真正与用户需求相一致。

3 系统优势分析

现阶段，传统物流方式主要有三种不同的类型：第一种是依托海运、空运和地面货运的传统物流方式，代表企业有圆通、中通、顺丰、申通和韵达等等；第二种是通过在学校、公司等大型公共场合设立自提柜来存储货物和信件，用户可以通过二维码等方式来寄取件；第三种是以京东为代表的企业有自己独有的物流交通工具和相关人员，此类企业稀少且和第一种物流方式类似。

对于我们提出的运输方式（取名为IDS[14]）而言，这三类都是潜在竞争对手。下面以图表的方式将IDS 与传统物流方式进行横向比较。我们选取了五个方面，分别是智能化、速度、安全与使用率、体验与环保、成本，并以“+”、“S”、“-”表示最好、中等和最差，然后进行6sigma数据分析。由表3结果可知，IDS系统在各方面均显示出了巨大的优势。

不仅如此，IDS也解决了传统快递行业配送中产生的矛盾。传统物流常采用货物到达配送点后，通过短信或电话通知客户取件，该过程中常出现以下各类问题：

（1）若快递员仅进行短时间等待，则配送时间易与用户可取件时间不匹配，用户体验差；错过时间后需延后再次配送，增加快递员劳动强度。

（2）若该地点有固定配送点，则用户取件时间灵活，但快递员需长时间等待和配送，劳动强度高、效率低。

（3）若该地点采用快递柜投递方式，则既减少快递员不必要的等待时间，又能使用户灵活选取时间取件，但提升了快递公司成本，且快递柜本身只适用于安装在快递量较大的区域，快递量少的区域由于成本原因不会设立。

而在本运输模式内，这些问题都得到了有效解决。搭载智能货箱的无人驾驶运输车，大大减少了人力资源的使用，降低了相关人员的工作强度。取寄件时间由用户自身掌控，操作更加便捷且用户体验得到了提升。因此，在城市道路交通系统不断优化和人工智能不断完善的情况下，本运输方式带来的社会综合效益是十分可观的。

表3 6sigma分析对比

4 结论

本文的物流快递系统是搭载在地铁系统之上的城市物流智能运输系统，结合大城市成熟的轨道交通网络，并配套地上搭载有智能货箱的无人配送车，以及为配送车和地下物流配送载体交互而设计建造的基站，实现了快递在城市内部的高效率低成本配送，并同时提供了个性化的地上快递收发模式。相比现有快递配送模式具有机动性高、效率高、资源利用率大等优点。通过该系统的设计，成功解决了传统快递业所面临的困难和矛盾，在未来兴建大型轨道交通网络的城市中具有一定的借鉴意义[15]。