城市地下智能物流系统网络节点结构研究

颜浩龙 王晋

摘  要：城市地下智能物流系统的运输轨道和各级节点结构设计是决定整个系统整体运输量的决定因素。文章以1 000万人口城市对快递、商超和餐饮三大类货物的日均物流量为参照，选用在RDC和小区DC的两次换装模式，对集装设备型号、轨道参数进行了设计，采用“4米通道+2米通道”的组合模式，并对CDC、RDC、FDC和小区DC进行功能与结构设计，形成完整的城市地下智能物流系统的结构设计方案。

 关键词：城市地下物流;轨道组合;运输能力;节点结构设计

 中图分类号：F252    文献标识码：A

Abstract： The transportation track and node structure design of urban underground intelligent logistics system are the decisive factors to determine the overall transportation volume of the whole system. Based on the daily average flow of express， supermarket and catering goods in a city with a population of 10 million， this paper designs the model and track parameters of container equipment in the mode of two reloading in RDC and district DC， adopts the combination mode of“4M channel+2M channel”， and designs the function and structure of CDC， RDC， FDC and district DC， form a complete urban underground intelligent logistics system structure design.

Key words： urban underground logistics; track combination; transportation capacity; joint structure design

 城市地下智能物流网络中的运输通道参数如何确定是一个关键问题，涉及到整个城市地下智能物流系统的建造成本、通过能力、车辆选型等关键问题的确定，本文尝试对快递、超市、餐饮三类物流服务对象开展研究，实现城市地下智能物流系统有诸多问题需要研究，其中集装设备、运输轨道、运输车辆、CDC功能结构、RDC功能结构、FDC功能结构和小区DC功能结构的设计是首要研究的关键问题。

1  文献综述

国内学者易美、周爱莲[1]（2016）以物流设施建设成本、运输费用及中转服务费用为最低的目标函数，以物流设施的节点、运输管道容量限制及管道路线最长限制等为约束条件建立了分层分级配送数学模型。彭玫贞等[2]（2017）提出了地下物流系统与地铁协同运行的设想，建立了客货共线和客货分线的运营模式，并对协同系统在技术、效益、运营和实施风险等方面进行了分析。屈川翔等[3]（2018）运用调研分析、数值回归分析、SLP等方法，从地下物流建设物流节点的选址及线路布置等方面，对武汉地区城市地下流物流系统可行性研究中的选址、布局、施工技術等问题进行探讨与趋势展望。葛洪磊等[4]（2018）提出了开展地铁物流的快递自提模式、同城快递服务模式、共同快速补货模式、闲时批量运输模式和应急物流模式。胡万杰等[5]（2018）基于城市地铁网络的客货共线的协同运作模式构建了多级物流节点的选址优化方法，并设计了一种基于分步优化的自适应全局免疫克隆选择算法来降低多重随机搜索的时间复杂度。胡万杰、潘欣维、华云[6]（2018）针对城市地下物流系统的特征，建立了地下货运OD评价模型、ULS二级节点选址优化模型、多目标ULS网络规划模型等一系列ULS网络节点选址与优化问题模型。徐佳、陈一村、陈志龙[7]（2019）梳理城市地下物流系统的研究现状，将其总结为三个主要的问题：地下物流系统货运机车概念、网络规划设计和运营组织管理。钱七虎[8]（2019）结合国内外典型案例分析说明利用地下空间发展绿色建筑和绿色城市的理念、方法、构想，并结合实例强调地下空间开发规划的重要性、规划科学的重要性、开发与规划中的问题及规划的具体要求。侯夏杰、周爱莲[9]（2019）认为相比于单一的编组开行方案，在地下物流系统中使用多编组车辆开行方案可提高发车频率、节省货物等待时间、降低运营成本，也有利于运输能力在各时段的均衡分配。尚鹏程等[10]（2019）分析了地下物流系统中货物收发效率、分拣时间和运输速率等因素变化对站点垂直运输的影响，为地下物流系统终端的规划设计提供数据支持。陈一村等[11]（2020）基于地铁客运特征、地下货物运输特征和城市货物需求3个因素，提出运用K-means聚类和Dijkstra算法来定量化分析3种协同运输系统对城市地铁客运和地面物流配送的影响。李楠[12]（2020）以地下物流网络的成功部署和建设总成本最低为目标，以物流节点日收发货物量和节点服务半径为主要约束条件，借鉴地面物流运输网的分步配送模式，考虑地下空间开发的灵活性，搭建了一个地下双层物流运输网络模型。颜浩龙、王晋[13]（2020年）运用集覆盖理论构建了配送到户的城市地下物流交通网络，采用三级HUB的结构解决城市内地面收货终端分布不均衡的问题。

综上所述，国内专家学者对城市地下物流系统有一定的研究，并取得了部分成果，但是大多数研究成果集中在城市地铁的物流领域，对独立的城市地下物流系统的研究成果还不全面，而且大多数集中在城市地下物流系统的节点选址、开行方案及可行性研究等方面，对城市地下物流系统的系统性研究成果还不多见，特别是对城市地下物流系统的设备选型和设施结构设计等方面的研究还相当匮乏。

2  城市地下智能物流轨道通过能力研究

2.1  物流量计算

2.1.1  物流量的估算

 城市地下物流对象范围设定为超市、快递、餐饮。城市规模以某市主城区人口密度为例，20 000人/平方公里，1 500亩/小区，每个FDC（三级HUB）联接10个小区，即10平方公里，每个RDC（二级HUB）联接10个FDC（三级HUB），而整个城市共500平方公里，总人口1 000万。

（1）快递量估算。人均每日消耗的快递物流量为：快递人均1件/天，平均每个快递包装箱按20cm*20cm*40cm计算，即0.016立方米，每个小区日均快递量估算为320立方米/天。每个FDC日均物流量3 200立方米，每个RDC日均3.2万立方米，整个城市日均16万立方米。

（2）超市物流量估算。人均物流量按0.01立方米/天估算。每个小区日均超市快消品消耗量估算为200立方米，每个FDC日均超市快消品物流量2 000立方米，每个RDC日均2万立方米，整个城市日均10万立方米。

（3）餐饮物流量估算。人均物流量2KG/天，折合为0.002立方米/天，每个小区餐饮物流量估算为40立方米，每个FDC日均餐饮物流量为400立方米，每个RDC日均4千立方米，整个城市日均2万立方米。

 综上所述，平均每个小区DC每天的三类货物物流量估算汇总为560立方米，每个FDC的日均物流量为5 600立方米，每个RDC的日均物流量为5.6万立方米，整个城市的日均物流量估算为28万立方米。

2.1.2  集装设备装载分析

 城市地下物流系统的集装设备选型对象主要考虑20尺普柜和托盘，20GP集装箱内部容积33立方米，按装载28方估算。托盘采用1米*1.2米的标准托盘，每托盘堆码量按2立方米估算。整个城市每天物流总量28万立方米，即1.4万GP/天，每个集装箱长度按7米计算，货列总长度98km。配送批次设计如下：

（1）按4小时每批次配送。每天平均配送3次，每4小时集中配送1次，每次配送0.47万集装箱，每个集装箱长度按7m计算，按每天早、中、晚三个批次计算，每个批次要送货33.67km。按一级轨道额定速度80KM/时计算，每批需要0.42小时完成发车，按5个RDC计算，平均每个RDC每次接受货物933集装箱，每个RDC覆盖10个FDC，平均每个FDC每批接收貨物93.3集装箱，每个FDC覆盖10个小区计算，平均每个小区每批接收货物9.33集装箱。

 （2）按每小时一个批次配送。每天平均配送12次，每次配送1 167集装箱，每批货列长度为8.16km。按一级轨道额定速度80KM/时计算，每批需要0.1小时完成发车，按5个RDC计算，平均每个RDC每次接受货物233集装箱，每个RDC覆盖10个FDC，平均每个FDC每批接收货物23.3集装箱，每个FDC覆盖10个小区计算，平均每个小区每批接收货物2.33集装箱。

2.2  轨道组合分析

2.2.1  轨道通过能力分析

 轨道运输能力取决于轨道数量、轨道车辆的运行速度、集装箱的横截面积，如式1所示。

y=n·x·y·z                                               （1）

其中：轨道每小时通过量y;轨道车辆运行速度为x;轨道车辆横截面积为z;轨道数量为n。

 直径4米通道采用标准集装箱运输，轨道车辆运行速度参考城市地铁，城市地铁设计速度最高为80KM每小时，平均运行速度为36KM每小时，单轨每小时的最高通过能力为：80 000*2*2=32万立方米每小时，每天单轨配送能力达768万立方米，按36 KM每小时的速度计算，单轨每小时的最高通过能力为：36 000*2*2=14.4万立方米每小时，每天单轨配送能力达345.6万立方米，单轨运输能力已超过常规下的运输需求28万立方米12.39倍。直径2米通道采用单托盘集装设备运输，单轨每小时的最高通过能力为：80 000*1.2*1=9.6万立方米每小时，每天单轨配送能力达230.4万立方米，按36 KM每小时的速度计算，单轨每小时的最高通过能力为：36 000*1.2*1=43.2万立方米每小时，每天单轨配送能力达43.2万立方米。

2.2.2  多直径轨道组合模式分析

（1）“4米通道+2米通道的组合”。如果总部到RDC的一级轨道采用标准集装箱轨道、RDC到FDC和小区DC的二级和3级轨道采用单托盘式集装设备。那么在RDC处需要建换装设施设备。

 （2）“全程4米通道”。单轨每小时的最高通过能力为：80 000*2*2=32万立方米每小时，每天单轨配送能力达768万立方米，按36 KM每小时的速度计算，单轨每小时的最高通过能力为：36 000*2*2=14.4万立方米每小时，每天单轨配送能力达345.6万立方米，单轨运输能力已超过常规下的运输需求28万立方米12.39倍。

 （3）“全程2米通道”。单轨每小时的最高通过能力为：80 000*1.2*1=9.6万立方米每小时，每天单轨配送能力达230.4万立方米，按36KM每小时的速度计算，单轨每小时的最高通过能力为：36 000*1.2*1=4.32万立方米每小时，每天单轨配送能力达103.6万立方米。运输能力已超过常规下的运输需求28万立方米3.7倍。

3  城市地下智能物流各级节点功能结构研究

3.1  各级轨道与换装设计

 采用“CDC—RDC解挂换装—FDC—小区DC解挂换装—入户”的二次换装的“4米通道+2米通道+小区通道”的两次换装轨道系统模式，如图1所示，每天外部货物到达城外总部输入基地后进行分拣装车，每小时发一批车到各RDC对应FDC的换装站，完成卸货后，空车回到总部基地继续装载进入下一批发车运输，从RDC卸载到对应FDC月台上的整托货物，根据发送地址，装到2米轨道上发车送到对应的小区RDC，由小区RDC再次换装后由小区内部的终端运输车辆发车到收货人门口。

1.4万GP每天，按小时发车，每天配送时间从上午8：00至晚上8：00，共12个小时，按均衡发车计算，一级轨道速度按80KM/小时计算，每批车辆按2小时完成配送回站计算，则总共需要3*1.4/12=0.35万周转GP，停放车厢轨道设计长度为

3 500*7=24 500米，每个RDC每小时需要停靠GP轨道线长度为：1.4万GP/5*12=300GP，300*7=2 100米。RDC到FDC每天的平均量为1.4/5=0.28万GP，5.6万立方米，即5.6万托盘，每个车厢按6米长设计，可装载6托盘货物，按每小时发车一次，每2个小时到达小区DC回RDC，则每个RDC需要3*5.6/12*6=0.23万周转车厢，每个RDC需要存放0.23万车厢的场所，即13 800米，各RDC中13 800米的车辆停放区的设计，全部放在从FDC回RDC的返程轨道上，即每条返程轨道放230节车厢，1 380米长。每个FDC每小时接收到上级RDC发出的一批次货物，货物量为5.6/12*6*10=78节车厢，78*6=467米，因此，每个FDC每小时的处理能力要超过78节车厢，即468托盘。每个小区DC每小时接收量为7.8节车厢，46.8托盘，7.8*6=46.7米。

3.2  总站基地CDC结构设计图

如图2所示，总站基地最左边是将每小时到达城市的各类货物进行分拣的分拣区，分拣好的货物在分拣区完成堆码组托，之后将组托完的整托货物搬运到中间各条FDC的装车站台，每一个FDC的装车站台又按小区DC编号按顺序进行分区，各托货物均搬运到指定编号的FDC小区DC装车月台上。其次，将复核好的托盘放到各FDC预定的车厢上，前往同一RDC换装站台的各车厢按次序完成编组后到最右边的预发车轨道上，进入待发车状态，最后根据发车计划按时发车。

3.3  RDC结构设计

如图3所示，RDC功能结构采用了多轨道设计，根据各RDC的物流量与覆盖区域范围确定换装站点的数量与规模。采用在一级运输轨道两边新增两条换装轨道的设计，能够确保各RDC卸货时不影响主运输通道的车辆通行，而且在货运量突然增大且呈现极不平衡的情况下，两侧的卸货通道可以用做暂停轨道使用。每个RDC每小时需要停靠GP轨道线长度为：1.4万GP/5*12=300GP，300*7=2 100米，2 100/10=210米。而每小时停靠在FDC侧的轨道线长度为：300*20/6*7=700米。考虑到FDC侧轨道不仅承担换装车辆停靠功能，还需要承担周转车辆的停车功能，因此采用了多轨关行的设计以缩短单條轨道的长度。

3.4  FDC结构设计

如图4所示，FDC到RDC换装站采用的是双轨设计，而FDC到小区DC采用的是单轨设计，轨道所在通道直径为2米，从FDC到各小区DC的分拨采用的是树状结构，前往各小区DC的轨道车辆从RDC的换装站发车后直接到小区DC完成卸货，并从小区DC通过单轨经过树状分拨节点回到FDC的主运输轨道上来，最终回到RDC换装站的FDC侧停车轨道上等待下一批装车。

3.5  小区DC结构设计图

如图5所示，小区DC终端入户的轨道网络均采用双向单轨设计，只有在从运输网络到入户的最后一个分支采用单轨单通道设计，而小区DC的换装站的联接FDC侧采用环状设计，整个闭环轨道长度结合每个小区DC每小时接收量为7.8节车厢设计值大于7.8*7=46.7米。换装站台上将货物从整托换装到配送到户的小型配送箱中，直接配送到户。

4  结  论

城市地下智能物流系统中硬件设施设备的规划设计是基础，基础设备选型、设施结构设计科学与否直接决定了后续软件建设的高度，而且城市地下物流施工难度大、投资高，科学合理的硬件设施设备设计是城市地下智能物流系统项目成功的重要组成部分。本文根据设定的物流对象与物流量进行设备选型、路网组合设计和各级枢纽性节点进行了可行的研究设计，一是在RDC换装的并行轨道设计有效解决了一级路网的运输问题，包括输入量发生阶跃性波动时可能带来的拥堵问题也做了相应设计。二是换装站台的设计能解决装车与停车轨道线需求过长的问题和编组的问题。三是FDC的树状分拨结构设计解决了双通道与单通道组合的联接问题。四是总站基地CDC的轨道布局设计解决了总站编组装车的问题。

参考文献：

[1] 易美，周爱莲. 一类城市地下物流网络规划模型研究[J]. 交通科学与工程，2016（3）：93-98.

[2] 彭玫贞，董建军，任睿，等. 城市地下物流系统与地铁的协同运行探析[J]. 解放军理工大学学报（自然科学版），2017（9）：1-8.

[3] 屈川翔，熊志为，冯鑫，等. 武汉地区城市地下物流系统可行性研究中几个问题初探与趋势展望[J]. 隧道建设，2018（10）：1688-1697.

[4] 葛洪磊，水科磊，陈薇. 地铁参与城市物流的模式创新——基于宁波市的调研[J]. 产业创新研究，2018（7）：9-11，15.

[5] 胡万杰，董建军，任睿. 基于客货共线模式的多级地下物流节点选址研究[C] // 2018世界交通运输大会，2018.

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[10] 尚鹏程，陈一村，罗光亮，等. 基于Anylogic的地下物流系统终端货运仿真分析[J]. 信息技术与网络安全，2019（8）：78-84.

[11] 陈一村，董建军，尚鹏程，等. 城市地铁与地下物流系统协同运输方式研究[J]. 地下空间与工程学报，2020（3）：637-646.

[12] 李楠. 地下物流网络的节点选址和线路优化[D]. 武汉：江汉大学（硕士学位论文），2020.

[13] 颜浩龙，王晋. 城市地下智能物流系统网络结构研究[J]. 综合运输，2020，42（11）：105-110.

收稿日期：2021-07-30

基金项目：2018年湖南省自科基金项目“城市地下智能物流系统网络规划与仿真模拟研究”（2018JJ5016）

作者简介：颜浩龙（1982-），男，湖南华容人，湖南工业职业技术学院，副教授，研究方向：智慧供应链;王  晋（1983-），女，湖南湘潭人，湖南工业职业技术学院，副教授，硕士，研究方向：供应链管理。