基于景观理论的长沙铁路物流园区布局规划研究

2022-06-08李雨萱龚哲宇符瑛李伟张文轩

铁道科学与工程学报 2022年5期

李雨萱，龚哲宇，符瑛，李伟，张文轩

(1.中南林业科技大学风景园林学院，湖南长沙410004；2.中南林业科技大学物流与交通学院，湖南长沙410004)

十四五期间，《新时代交通强国铁路先行规划纲要》[1]指出，按照“无缝化”衔接要求，建设以铁路物流基地为中心的货运枢纽，完善货运枢纽集疏运体系，提升货运场站数字化、智能化水平，推动货运枢纽向现代综合物流枢纽转型；科学布局线路和枢纽设施，集约节约利用土地、通道及水资源等，推进场站及周边综合立体联动开发。2021年10月，国务院发布《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》[2]提出，优化交通运输结构和开展碳达峰试点园区建设。加快建设综合立体交通网，大力发展多式联运，提高铁路和水路在综合运输中的承运比重，持续降低运输能耗和园区二氧化碳排放强度。由此，推进铁路物流园建设能够在整合物流基础设施、发挥物流枢纽规模经济效应、铁路物流绿色化和促进区域经济协调发展等方面发挥作用，物流园布局优化问题引起了业界的广泛关注。目前，国内外学者从业务流程、作业效率和低碳等方面深入探讨了物流园区的布局。任为[3]分析了物流园区的发展现状，立足当前发展格局提出相应的建议。冯浩等[4]以国际陆港为研究对象，在分析业务流程的基础上得出功能区作业流线，由此得到了各个区域的位置关系图。丁波等[5]基于客流密度提出设备布局优化方案，利用仿真软件对站厅进行分析，改善车站拥堵情况和提升流线通畅程度。汲红旗等[6]通过动态场地布置法，分析物料搬运成本和施工强度等因素，进行布局规划。LIU等[7]采用Flexsim模拟方法，将时间Petri网络与系统布局规划有机地结合起来，对区域各阶段布局进行了优化。赵敬源等[8]从产品、产量和生产路线等方面对园区的布局进行了研究，并结合西安港物流园区的实际情况进行了验证和优化。WANG等[9]围绕建设低碳物流园，从功能区布局、仓库布局和道路布局3个方面进行研究。刚晓丹等[10]提出了以绿色景观为视角的物流园区，以“一廊三心，多点分布”的格局。刘真等[11]从功能构成、作业流线、垂直设计和景观塑造等角度，对物流园区规划的思路、方法和策略进行了探讨。然而，针对铁路物流园，尤其是从景观角度出发分析其布局规划的相对较少。因此，本文以景观理论为基础，运用SLP与Tompkins相结合的方法对铁路物流园进行布局优化，并采用Flexsim仿真软件验证布局的有效性。

1 研究方法

1.1 景观理论

美国景观规划理论创始人奥姆斯特德于1858年提出了与景观规划有关理论。景观规划注重将土地与环境结合起来，对土地和空间的利用分割，使城市景观功能更加完善，效能充分发挥，从而创造出舒适安全的居住环境。刘滨谊[12]结合三元理论，从景观学的角度来说，布局规划应遵循“景观外观美学”、“生态自然”和“人类行为和景观”的三元论观点。对3种元素综合配比，使铁路物流园区景观质量得到进一步提高，从而形成布局合理、生态良好和符合大众行为心理的园区景观。俞孔坚[13]指出，以生态优先的规划方法，重建与自然和谐的空间格局，通过设计与修补，完善功能布局。铁路物流园区是一个复合空间综合体，包含作业、行政和其他辅助配套空间，景观设计旨在营造园区舒适环境和提升物流作业效率。一方面，园区日常作业产生噪声和扬尘污染对于园区整体形象、员工及周遭居民影响较大，良好的景观设计能较好地改善此类负面效应，提升园区对外整体形象和员工舒适度；另一方面，铁路物流园区作为物流运输体系的关键节点，在城市交通运输中地位突出，合理的停车区和交通流向规划能够缓解园区交通拥堵压力，提升内部作业效率和减轻外部交通压力。

1.2 GM(1,1)灰色预测模型

准确的物流园需求量预测是物流园布局规划的重要前提，直接影响功能区的规划。灰色预测模型首先对数据进行检验，目的是确定数据序列是否具有一定的规律性，以及能否获得一个令人满意的模型，然后构造原始序列，对其进行累加，获得新的序列及均值，计算背景值构建矩阵，得出相应白化模型并求解，再累减得出所求预测值。在得到预测值之后，对预测值进行误差检验，以判断预测结果的精确度，通常的检测方式有残差检验和后验差检验[14]。灰色预测模型适用于中短期预测，历史数据稀少，数据呈现曲线变化的情况，因此选用灰色预测模型进行预测。受疫情影响较少的铁路运输，在国家政策的扶持下，货运量将快速增加。

1.3 SLP布局法

SLP系统布置法是美国Richard Musher所提出的最有代表性的布局方法。定性分析与定量分析相结合，通过大量的图表分析和图形建模，把量的概念融入到整个设计分析中，通过构建与非物流活动之间的联系图表，从而构建出布局模型[15]。SLP方法使用线型图法“试错”生成平面布置图，步骤较为复杂繁琐，而Tompkins引进了关系表技术，逻辑条理更为清晰简明。本文将SLP与Tompkins相结合，根据综合关系图转化为Tompkins关系表，并生成无面积拼接图，以确定优化布局方案。

2 基于景观理论的铁路物流园区实例分析

2.1 长沙铁路物流园基本情况

长沙铁路物流园是国家铁路集团与地方政府联合打造的重点项目，以铁路货物运输为核心，园区占地面积为1 900亩，年吞吐量达580万t，集公路、铁路和水运服务为一体，是中南地区规模最大、周转最快的智能综合物流基地。如图1所示，物流园现有整车仓库、集装箱堆存区和海关监管区等18个区块。

经过现场调研，发现该园区的主要问题如下。

1)功能区安排不合理、作业衔接不畅

各功能区之间重复运输、迂回运输，容易出现交通事故；进口车辆在冷链物流区预留用地卸货，需要再次行驶到商品汽车泊位；功能区区域安排不合理，中转分拨库和停车场的面积较小，降低园区中转作业效率；作业关联度较高的功能区摆放不合理，中转分拨库与快递分拨仓库、零担快运仓库等工作间的关联度较高，但距离间隔较长。

2)道路标识不清、交通导向作用弱

从园区的主干道角度，韶华大道和湘畅路等主要道路缺少交通标志和导向设施，导致客货分流不明显；从作业区域的道路看，作业区没有设置行人通道，园内通道与休闲道路没有明确的区分，存在安全隐患；从车辆管理方面，货车、小车随意通行和停放，高峰时段易造成内部的拥堵，阻碍园区的正常通行效率。

3)绿化设计不足、植物配置单一

园区绿地率较低，规划的绿化常年无人修剪、维护，缺少形象和生态保护功能；植物种类单一，吸碳、吸热及吸收有害气体的能力有限，不利于园区生态补偿及生态氛围的营造；园区空阔地带容易扬尘，给工作人员及客户身体带来不利影响，同时各功能区之间的区域边界模糊，影响园区的企业形象塑造和作业运行效率。

因此，本文针对上述问题，结合园区货运量发展趋势和绿色化要求进行优化布局。

2.2 长沙铁路物流园功能规模预测

2.2.1 货运量预测

精确的物流园需求预测在园区布局中起着举足轻重的作用。由于物流园区的历史资料比较稀少，数据完整性不强，因此选用灰色预测方法进行中短期的数据预测。通过列出P残差检验，C后验差检验精确度，验证数据准确性，精度等级如表1所示。

表1 P和C预测精度等级Table 1 P and C prediction accuracy level

采用上述所建灰色GM(1,1)模型，以长沙铁路物流园近几年发送吨和到达吨数据对未来该物流园物流量进行预测，近年物流量见表2。

将货运量表2代入模型，利用SPSS软件灰色预测模型预测计算，级比值均在标准范围区间[0.670,1.492]之内，表明数据适用于GM(1,1)模型构建，如表3和表4所示。

表2 物流园近年运量统计Table 2 Statistics of traffic volume of logistics park in recent years

将表3和表4数据输入到模型中，以检验该模型的有效性。该模型的相对误差最大值为0.008<0.1,0.021<0.1。预计铁路物流港口2023年将完成货物运输1 247.8万t，其中发送吨73.31万t和到达吨1 174.5万t。因此，根据2020年的货物物流量，并结合区域内同类区域的物流量比重和未来的货物周转量[16]，铁路园区原有18个区块的作业不均衡，结合园区调研，本文将其调整为铁路作业区、集装箱堆场和检验检疫区等10个功能区，该功能区编号及物流量占比见表5。

表3 GM(1,1)模型到达吨检验Table 3 Inspection table of GM(1,1)model arrival ton

表4 GM(1,1)模型发送吨检验Table 4 Inspection table of GM(1,1)model delivery ton

表5 同级别10个功能区运量比例Table 5 Proportion of logistics volume of each functional area at the same level

2.2.2 功能区面积计算

园区以干线铁路为中心，以集散、仓储和中转为主要业务，根据《物流园区分类与规划基本要求》，将物流园区划分为不同的功能区，并在货场综合楼旁边留出空间，将零担速运与快件分拣仓库合并为城市配送区域。在计算功能区规模时，不仅要把握好各功能区与园区发展的关系，还要考虑到其今后的发展规模。参照《铁路货运中心设计暂行规定》，结合铁路物流园区的物流量，利用分区划分的方式进行了测算。

1)仓储类规模估算

仓储作为物流园的重要功能，整车仓库等面积计算受到区域内物流量，储存天数和单位面积储存量等因素的影响；集装箱堆场面积受到集装箱的单个占地面积、日均物流量、面积利用系数、高度使用系数和集装箱高度等因素的影响，由式(1)和式(2)所示，面积计算如表6所示，计算如下：

表6 仓储区面积计算结果Table 6 Calculation results of storage area

式中：S为仓储面积；Q为进入区域货物量；D为货物平均储存天数；s为单个集装箱占地面积；h为单个集装箱高度；M为单位面积储存量；α为面积利用系数；β为空间利用系数。

2)作业区规模

物流园区的货物搬运、装卸和流通都依赖于作业区域。仓储作业区面积需要综合考虑物流量、日平均工作时间和单位面积加工能力等因素；中转区的规模计算主要考虑储存天数和作业时间等因素，如式(3)和式(4)所示，面积计算如表7所示，计算如下：

表7 作业区面积计算结果Table 7 Calculation results of operation area

式中：S为区域面积；Q为区域物流量；k为高峰波动系数；H为日均工作时间；P为单位时间单位面积加工量；T为完成一次作业时间；C为单次单位面积作业量。

园区辅助区域根据《物流园区基本指标参考及相关规范》，借鉴其他物流园设计方案，辅助区面积如表8所示，得出本铁路物流园各功能区总面积1 227 100 m2。

表8 辅助区面积Table 8 Area of auxiliary area of the park

2.3 功能区布局

2.3.1 综合关系相关性分析

物流园区各功能区的综合关系以物流关系为主，以物流与非物流的关系为3:1，对应计算公式：C RIJ=0.75MRIJ+0.25N Rij，C RIJ为功能区的综合相关程度值，MRIJ为物流关系，NRij为非物流关系。根据公式计算得出数值，转化成等级得出综合相互关系图，如图2所示。

图2 物流关系图，非物流关系图，综合相关性等级图Fig.2 Logistics relationship diagram,non logistics relationship diagram,comprehensive correlation level diagram

2.3.2 运用Tompkins关系表法得出功能区布置图

通过使用SLP方法得出综合关系示意图，可以将不同区域的联系程度完全体现出来。因此，使用Tompkins关系表，按照综合关系图进行布局的优化，该方法也称为无面积拼块图法。该方法步骤：第1步，根据功能区综合关系图转化成关系表；第2步，将功能区无面积化处理，用面积相同的正方形代表各功能区，将功能区名称和编号放置中间，根据每个功能区与其他区域之间的关系A,E,I,O在4个角标记对应等级，对于U和X级的区域暂不处理；第3步，将关系为A的区域相邻拼接，对关系为E的区域对角相接，关系为X的区域不能接触并且需要远离；第4步，对布局进行优化得出以下布局优化结果，如表9所示。

表9 Tompkins关系Table 9 Tompkins relation

根据表9的数据，可以对10个功能区进行无面积拼接，得出布局图如图3所示。新的规划优化了各个功能区的布局，提高了物流工作的效率。根据不同区域的物流关系，最大限度地减少了重复和绕道等情况；调整功能区的位置，调整中转、快件和零担快运仓库的位置，以保证中转、装载和配送的充分空间，从而进一步提升工作的效率；通过调整功能区面积，在园区内再规划出新的道路，有利于客货分流及交通压力，布局如图4所示。

图3 无面积板块布局图Fig.3 No area plate layout

图4 各功能区布局Fig.4 Layout of each functional area

2.4 景观设计

2.4.1 停车区

该铁路物流园停车区分为2处。一为货车停车场，占地22亩，供各式货车停放；二为行政停车场，效果图如图5所示。

图5 生态型停车场Fig.5 Ecological parking lot

1)货车停车场绿化可有效改善小区域内环境。该区域为竖向停车场，面积较大且开阔，周围以乔灌相配，乔木为主要遮荫植物，选择种植银杏，在车位间栽植，株距4～6 m，根据长沙气候、树枝下高度满足停车要求(小型车2.5 m；中型车3.5 m；货车4.5 m)，选取胸径12～15 cm，搭配地被植物如石栎，书带草沿阶草，形成良好视觉效果。

2)行政停车场的绿化设计能够塑造企业良好形象。以“树下停车、车下有草”为理念，从生态和自然的角度，构建一座小型生态停车场。由于场地限制，采取竖向布局，铺地选用植草砖、透水性材料，停车棚配备太阳能板，为路灯供电。车棚周围选择乔木、地被，车棚本身能够遮阳，故乔木在两边分别栽植，如香椿，车前是一排地被植物，如紫丁香等。

2.4.2 行政办公区

行政办公区主要集中在对楼前广场和道路的绿化布局，该区周边景观不仅有利于提升访客的第一观感，为员工营造轻松舒适的工作环境，还能提升沿街风貌，如图6所示。

图6 行政办公区效果图Fig.6 Effect drawing of administrative office area

1)行政办公区道路绿植化。步道路面采用植草与渗水砖结合，一来提升景观效果同时对地下水作补充，二来夏季降低局部“热岛效应”。将人的行为与景观相联系，楼前广场作为园区绿化最集中、人流交汇区域，从景观外表观赏角度为园区季节更迭增添特色。临街以高大、多叶大乔木为主，再以常绿小乔木或灌木如女贞置于大乔木前作第2层，最后辅以如紫云英、长梗紫花堇菜等草地作第3层，形成层次分明的观景。

2)广场内景观配套设施布置。加入水体元素，布置景观水池，使整体空间更明快活泼。周边配有由大色块时令花组成花坛，如月季、虞美人；路灯选取太阳能节能灯减少园区能耗，路灯高度4.5 m，灯杆间距25 m，路灯与步道灯相结合，步道灯沿两侧布置，由临街引导至正门，间距10 m，灯色统一，光亮柔和，给夜晚来到广场的人以舒适愉悦之感；垃圾桶根据人的活动范围和间距合理布置，材质上选用耐久生态的环保材料。

植物选材方面，乔木、灌木有明显的固碳、释氧和滞尘能力优势，乔木的平均固碳量450 g/d，释氧量320 g/d，灌木的平均固碳量为180 g/d，释氧量为130 g/d，通过观赏性绿色植物和节能环保的新能源材料设施的有机结合，实现生态与观赏相结合的低碳物流铁路园区。通过分析该园区景观的发展需求，对停车区和行政区2部分软质景观进行设计，服务物流活动，提升员工积极性，塑造企业品牌，如图7所示。

图7 长沙铁路园区布局规划布局图Fig.7 Layout of a railway park in Changsha

3 基于Flexsim仿真优化方案评估

3.1 仿真模型构建

布局规划问题通过仿真模拟对比结果，验证优化方案。根据布局优化方案，建立模型图，作业流程为：货物分为铁路公路2种方式进入，按照不同到达方式进入不同卸货区，通过装卸设备搬运到装卸加工作业区，经过不同的加工时间传送带送至各个功能区储存区，根据不同订单对货物进行处理发货，在处理区进入流通加工处理，再到铁路、公路装卸作业区打包发货，最后通过传送带将货物发至铁路、公路发货区。布局如图8和图9所示。

图8 优化前布局Fig.8 Layout before optimization

图9 优化后布局Fig.9 Optimized layout

3.2 模型参数设置

在实际作业中，作业过程不仅非常复杂，且存在不确定性，因此应尽可能地将具体的操作过程简单化，并对相应的模型进行抽象化处理，部分模型具体参数设置如表10所示。

表10 作业模块参数设置Table 10 Job module parameter setting

3.3 仿真结果分析

运行原始设施布置模型36 000 s后，优化效果通过设备的空闲率、等待率和堵塞率等运行状态结果如表11所示，统计图如图10和图11所示。

图10 优化前时间占比图Fig.10 Proportion of time before optimization

图11 优化后时间占比图Fig.11 Time proportion after optimization

表11 布局仿真优化结果Table 11 Simulation and optimization results of new layout

通过对比可以看出，在相同的货物流量条件下，优化后的布置，有效地减少了货物在不同区域的滞留时间，利用率从52.9%提高到78.5%，设备空闲率从15%降至8.9%，装卸工作率从59.5%提高到71.5%，同时降低了设备等待时间，提升功能区内的物流作业时间，加快了货物周转速度。通过对仓储区的布局进行优化，将物流关联度高的中转分拨库、快递分拨库、零担快运仓储之间的布局布置得更加紧密，缩短了运输距离，降低了设备的空置率，加快了设备的处理速度；规划出新的园区公路，将园区内的人流、货流量进行了合理的分离，保持人流、货流之间的安全距离，也可以缓解交通拥堵；仓储区和停车场的空间扩大，便于车辆的进出，有效地提高工作效率；根据物流关系，将多式联运区规划在与功能区关联较大的位置，提升园区货物的周转和作业的效率。针对园区布局，缩短了运输时间，提升设备工作效率，改善了园区形象，既能降低园区内运输距离和时间，又减少能源消耗，达到低碳环保的效果，实现企业与社会的双赢。