疫情视角下的地铁物流模式探究——以成都市为例
杨晓源，甘 蜜，满自鹏，骆陈宇，文 康，张恒源
（1.西南交通大学 交通运输与物流学院，四川 成都 610031；
2.西南交通大学 信息科学与技术学院，四川 成都 610031）
2020年初，一场突如其来的新冠疫情席卷全球。虽然在严格的防疫措施下，国内的疫情在整体上已得到有效的控制，但是由于该病毒潜伏期长，传播能力强，近两年国内疫情仍呈现局部不稳定性的特点。据国内外专家预测，新冠疫情在未来一段时间内仍将是常态化趋势。突入其来的疫情对国内各行业的生产运作都产生了重大的影响，人们的生产生活方式也发生了极大的变化。疫情促使人们对快递、外卖的种类和数量的需求出现了井喷式增长，对城市物流的供给效率提出了极高的要求。然而，目前我国城市物流运输主要是利用货车来实现道路运输，货车占用城市道路空间资源的比例大、周转次数多和使用频率高，且更容易造成交通事故和环境污染。尤其是在采取“封城”“隔离”等严格封控措施的特殊环境下，运输人员的跨区域流动、城市路面的封锁措施都给传统货车运输带来了极大的阻碍，普通的物流配送服务已无法满足人们的需求。
发展地下物流系统成为未来解决可持续城市货运问题的有效途径。当前，依托现有的城市地铁网络，充分利用地铁线路在闲时的冗余运力，是短期内缓解城市货运压力、保障城市物流系统在应急条件下运输能力的一个替代方案。部分国内外学者对此做过相关理论与实际情况的研究，张敏，等[1]比较了欧美等国家和日本地下物流的运营模式，提出了依托于地铁的地下物流建设可行性研究。杨浩熊，等[2]结合北京交通的一些限行规定，提出了地铁配送鲜活货物的新型配送模式，并探讨了在具体配送过程中运输设施设备的改造等问题。史毅飞[3]结合地铁和城市物流的特点，提出了使地铁兼具载客、物流功能的改造方案，提出了利用地铁客流低峰与非载客时段实现物流作业的猜想。
基于上述研究，本文首先分析了后疫情时代城市居民的消费特征与物流现状，以成都市为例，结合实地调研和对成都市地铁系统的分析，探讨如何依赖于现有地铁运行模式和设施基础，实现利用地铁进行城市配送的可能性，并基于Anylogic仿真软件对系统的运输能力进行初步的仿真与测算。
1.1 疫情影响下的城市居民消费特征
由于交通管制和人员流动的限制，疫情期间居民的线上线下购物总量都出现了一定的下滑。相关数据显示，相较于2019年，疫情期间的线下购物消费指数约为-0.40，网购消费指数约为-0.15。如图1所示，从网购商品占比来看[4]，疫情期间居民的网购商品比例相较以往呈现向两极转移的特征，即一部分居民选择尽量不进行网购；
另一部分居民将原本的线下购物需求转移至网购。进一步对比分析疫情期间居民的网购商品类别，由于疫情的影响，所有商品的网购率均有一定的下降，但是由于居家隔离、限制出行等防疫措施的要求，人们对于食品饮料、生鲜食品、医药保健等生活必需的物资需求仍保持相对较高的比例，且此类生活物资需要高质量、高时效性、更安全的物流配送，这也意味着疫情期间人们对城市物流配送的质量与时效性提出了更高的要求。
图1 疫情前后网购商品对比
1.2 疫情推动即时物流产业优化升级
即时物流即配送平台按照用户提出的即时配送要求，在短时间内响应，并以高质量、高速度的配送服务将货品送达至消费者的一种全新物流配送模式。2020年初，新冠疫情的迅速蔓延使人们的生活方式受到了极大的影响，人们对生鲜、医药等生活物资的即时到家需求产生了大幅增长，更多的用户开始认识即时物流服务，在疫情的影响下，该种物流服务逐渐变为人们的生活刚需。
如图2所示为2014-2021年国内即时物流订单相关数据，从市场订单的规模来看，2019年之前订单规模虽持续增加，但增速有所减缓。2020年，突如其来的新冠疫情对即时物流市场产生了显著的影响，2021年相较于2020年有了明显的增长，从近两年即时物流行业整体来看，市场活跃度明显提升，入局者不断增加，如顺丰同城急送、滴滴跑腿等，居民需求提升，行业竞争显著，有益于即时物流行业的健康发展。
图2 2014-2021年中国即时物流订单规模
在后疫情时代，人们对即时物流的需求不再局限于“医药到家”“生鲜到家”等生活必需品的到家服务，用户的需求将变得更加的多样化与个性化，传统的“货车-公路”配送方式已无法满足用户对物流企业配送服务的质量与时效性提出的要求。近些年来，已有“中铁快运+顺丰速递+顺丰同城急送”的综合配送模式为医院提供跨省人体器官的案例。对于城市内部，物流行业也应以多样化的方式向其他领域延伸，综合利用城市内部的地铁、BRT等快速交通，为用户的即时物流需求提供更多的便捷性与可能性。
1.3 疫情影响下的城市物流配送供需不均衡
从需求角度看，疫情促使了人们对快递物流需求的井喷式增长，加之疫情常态化防控期间的相关措施与人们逐渐提升的安全意识，经常出现快递无法及时取送，导致二次配送的产生，无形间给物流企业增加了多余的配送量。
从供给角度看，当前城市物流配送模式如图3所示，以公路运输为主的城市物流从产生到用户收货需要经过分层次、多环节的配送模式，疫情期间限制路面交通流量、管控部分路段的防疫措施对物流企业的配送环节影响巨大，同时对员工在配送过程中的消毒、防护等工作提出了严格的要求，使得物流的配送效率不断降低，配送成本不断增加，给企业带来了极大的挑战。
图3 传统城市物流配送模式
后疫情时代，一方面人们的生活方式产生了巨大的变化，对物流的需求急速上升；
另一方面由于疫情的不稳定性，城市随时有可能处于封闭隔离的条件下，伴随着路面交通的管制，传统的物流模式无法满足居民生活必需品、医院急救物资等补给。近两年，研究和发展“地下物流系统”（ULS）逐渐被重视，然而ULS整个网络系统的建立投资巨大，建设周期长，在短时间内很难满足城市范围内物流配送的特征要求。本文以成都市为例，结合实地调研与对成都市地铁系统的分析，探讨如何依赖于现有地铁运行模式和设施基础，实现利用地铁进行城市配送的可能性。
2.1 设计背景
目前，成都市已建成并运营轨道交通共12条线路，市内四大火车站与双流、天府两大国际机场均已融入现代化的地铁网络，总运营里程达500多公里，车站总数达373座，地铁资源非常丰富。
成都市凭借其区位优势与便利的交通条件吸引了大量的物流企业落户。目前，成都市已建成“五园区六中心”的城市物流体系，市内拥有数千个各大物流企业开设的配送站点，绘制配送站点与地铁线路的位置分布如图4所示，可以看出配送站点大都集中于地铁线路附近，这也表明城市物流的流向与地铁的运行方向密切相关。由于大型物流园区、物流仓库大都位于城市郊区及地铁站点的两端，此类站点可作为该系统的起点；
人口密集的居住区、办公楼等位于城市中心及地铁线路的中间部分，此类站点可作为该系统的终点。
图4 成都市配送站点与地铁线路的位置分布图
根据实地调查，成都地铁目前主要以A型、B型列车为主，其相关参数见表1。
表1 地铁车辆相关参数
2.2 物流配送模式
在该模式下，物流配送任务可按地铁站点进行区域划分，且城市物流各阶段的配送任务相对独立。在始端配送阶段，各商超、仓库就近选择区域内地铁站点寄送货物，货物在站内按目的地分拣后通过地铁运输至目的站点，由目的站点所在区域内配送员按用户需求进行“最后一公里”配送。
如图5所示，在该模式下，能够有效地减少人员、车辆的跨区域流动，“最后一公里”配送完全由本区域内的人员按用户需求配送，提高了配送全流程的安全性，为疫情防控提供了有力的保障。在常态化疫情防控期间，该物流系统通过对现有站点设施、车厢结构的改造实现客货共运的目的；
在疫情爆发的紧急条件下，开通货运专列进行大批量的物资运输，保证城市在紧急情况下应急物资的及时供给。
图5 基于地铁的城市物流配送模式
2.3 运输车厢设计
由于该地下物流系统是基于地铁车辆进行运输，且为了保证其应用场景以及减少对客运组织的影响，通过改装原有地铁车厢，实现在客流高峰时段只进行旅客运输，在其他时间段利用地铁的空闲运力进行客货共运的目的。以成都市地铁6号线为例，该线路使用B型地铁列车，该型号列车采用6车编组，根据相关数据及现场测算，B型地铁列车的参数见表2。
表2 B型地铁车辆相关参数
由于地铁车辆具有标准化、规范化的特点。进行货物运输时，在每个车厢内设置搭载物流箱的运输格，为了短时间完成装卸任务，只在车门对应车厢位置拆除扶手立柱作为搭载货箱的运输格，对客运车厢进行改装后设置的物流格如图6所示，每个运输格对应一个标准化物流箱和对应的站点AGV，且AGV在转运货物时采用整箱出入的模式，即在车辆到站进行货物装卸时仅进入车厢进行一次搬运，不随车运输。货车厢改装概念图如图7所示，通过在相邻车厢之间加装可伸缩挡板的形式达到客货共运的目的。
图6 改装后的运输格示意图
图7 车厢改装概念图
改装后的地铁车辆在日常的应用场景下只利用首尾两端车厢进行货物运输。在紧急情况下，如突发疫情使城市路面交通管制导致短时间内出现大量的货物运力短缺可快速改装地铁客运车厢进行整列运输，满足物流需求缺口。
以地铁B型列车为例，单节车厢的车门数量为8套/节，以每辆车只利用一节车厢进行货物运输及物流箱空间尺寸计算。车厢与物流箱的相关参数见表3。
表3 车厢物流箱参数
2.4 集装化运载单元设计
该装置一方面作为装载货物的集装化运载单元，另一方面有效解决了传统的快递柜不便移动以及快递安全问题。通过设置自锁滚动轮，可将快递柜进行移动，根据需要移动至特定位置，而利用定位系统可将快递柜的位置信息进行定位，便于后续追溯，避免快递丢失；
最后利用防盗系统，双重保障，一是传统的输入收件码，二是人脸识别，其中人脸识别可以避免盗用收件码。为了进一步对快递进行安全保障，当需要定期清理时，必须由控制中心下达命令，才能打开电子门，以免快递人员盗拿快递，该装置安全系数高，快递柜位置可根据需要进行更改，方便快递员和用户。运载单元工作流程如图8所示。运载单元设计图如图9所示。
图8 运载单元工作流程图
图9 运载单元设计图
2.5 站点设计及运作流程
地铁站点作为辐射一定范围的配送中心，是实现货物向末端客户转移的重要节点，用于揽收各配送对象需送往市区的货物，完成货物分拣、货物集装、AGV转运发货及收货等过程。其物流系统主要包括地面层货物装卸港、站厅层货物运输系统、站台层货物装卸系统、管控系统[5]。系统运作流程如图10所示。
图10 系统运作流程图
各部分的具体设计与运作流程如下：
2.5.1 地面层。地面层可移动式货物装卸港内部由散件快递集装区、物流箱区、货箱堆码区和AGV调度区组成。对于发出货物，由站点附近物流园区、仓库以散件的形式送达装卸港，进入散件快递集装区，在该区域内货物按照目的地进行分类集装后，在物流箱区以RFID标签的形式进行物流编排，完成编排后，进入货箱堆码区等待货物寄出。AGV调度区按照管控系统的命令调度AGV进行货物运输。对于到达货物，执行与上述相反的作业流程。将抵达目的站点的集装货物进行分装化处理，等待完成货物的“最后一公里”配送或转运至站内自提柜，等待用户自提。地面层可移动式装卸港如图11所示。装卸港内部作业如图12所示。
图11 地面层可移动式装卸港
图12 装卸港内部作业图
2.5.2 站厅层。考虑到大多数地铁站点由于设计规划问题不满足“地面层-货运直梯-站台层”的货物运输模式，因此需要借助站厅层进行货物运输的过渡。在最大程度保证乘客乘车需求的前提下，该系统在站厅层划定AGV行驶区域。该区域满足搭载标准化货箱的AGV完成在“地面-站厅”货运直梯与“站厅-站台”货运直梯之间的过渡。该区域利用隔离板与站厅层的行人通道相分隔，同时在该区域中为AGV进行巡线设计，保证AGV的行驶严格按照设定线路进行，将对站厅层旅客行走的影响降至最低。站厅层AGV走行图如图13所示。
图13 站厅层AGV走行图
2.5.3 站台层。站台层货物装卸系统设计概念图如图14所示，该部分主要完成货物的装卸，在最大程度保证乘客乘车需求的前提下，在站台末端设置满足AGV中转的货物装卸区域，该区域由挡板与站台层乘客候车区域相隔，为AGV的工作区，其中包括AGV走行线路、AGV等待区域。站点发送货物时，搭载货物的AGV经站厅层的货运直梯运抵至站台层后，进入站台层货物装卸区，通过预先设计的AGV走行线路行驶至AGV等待区域，等待地铁车辆进站装载货物。AGV接收到地铁车辆进站、屏蔽门开启的信号后，从等待区域出发行驶至地铁车辆，在车厢内部指定区域卸载货物后，按原路返回至AGV等待区域，空载AGV由AGV等待区域经原路返回至地面层货物装卸港待命。站点接收货物时，位于地面层的空载AGV提前经设计线路行驶至AGV等待区域，在接受到装载货物的地铁车辆进站、屏蔽门开启的信号后行驶至对应的地铁车厢，并在车厢中搭载对应的货物后返回至AGV等待区域，完成货物的卸载。该模式基本适用于各类型站台，改造的横向面积较少，对乘客排队候车影响小。站台层装卸系统作业图如图15所示。
图14 站台层装卸系统设计图
图15 站台层装卸系统作业图
2.5.4 管控系统。在原有地铁客运控制系统中增设地面控制系统、机械控制系统。物流管控系统结构图如图16所示。
图16 物流管控系统结构图
（1）地面控制系统。在地铁列车出发前，货物按照目的地进行分类集装后，在物流箱区以RFID标签的形式进行物流编排，并通过通讯设备将控制指令发送到目的站点的机械控制系统处。通过以太网和通信线路与地铁综合监控系统中的计算机进行数据交换。调度系统采用C/S结构，服务器读取物流箱内部物件的种类、数量、目的地、运输路线等具体信息，通过调度算法，实现订单处理、路线处理、资源调度等功能。当需要修改物流箱物流信息时，可通过系统监控修改RFID标签信息。客户端根据AGV小车的状态信息，显示小车的位置和状态，实时监控AGV的作业任务情况，完成信息监控和数据存档。
（2）机械控制系统。在地铁站台屏蔽门系统中增加机械控制系统。列车到站后，载货车箱的站点控制器接收开启车门信息，同时启动AGV小车，车载部分自动实现导航计算、导引实现、车辆行走以及货物装载作业。
为分析成都市客货同运式地铁物流系统带来的经济价值和节能减排效益[6]，统计成都市地铁6号线的站点间距，在anylogic仿真软件中建立物流模型，仿真界面如图17所示。
图17 anylogic仿真界面
成都地铁6号线各站点间距参数见表4。成都市地铁线路实际运营及仿真设定参数见表5。
表4 成都地铁6号线各站点间距参数
表5 成都市地铁线路实际运营及仿真设定参数
假设每个托盘有0.1t的载重量,每趟列车只利用一节车厢进行货物运输，一节车厢的最大运载能力为每小时单向运输4个托板，则双向运输线路的平均每条线路每小时单向平均运载能力为8个物流箱，即为预测的系统最大运输能力，此时按照到达时间间隔为0设置发生器的货物产生时间间隔，时间设定为1h,车厢利用率为100%。统计输出各个站点的物流箱流量，进而测算系统运载能力，实验结果条形图如图18所示。
图18 仿真结果界面条形统计图
在疫情等城市应急条件下，只考虑利用地铁运营低峰时段进行客货共运。则系统总效益参数见表6。可见该系统单次运输能力较大，可节省大量公路货运车辆，为城市物流提供了高质量、高时效性、更稳定的配送。
表6 系统效益参数汇总
本文提出了一种结合式客货共线运输的地铁物流模式，在现有地铁设施的基础上，通过自动化改造，使其具备可实现性强、人员占用少、运输能力稳定的优点。并以成都地铁为例，结合实际设施，从运输组织、站点装卸、设备改造等方面进行设计，并验证其可行性。结果初步表明了结合式客货共线运输模式在运输效率、运输安全、建设可行性方面的优势。但其作为迈向现代地下物流系统过程中的一种过渡模式，该体系在货品种类、运量和运输灵活性方面仍有一定局限性。
此次新冠疫情的波及范围之大，持续时间之长超出了所有人的预期。这不仅是对我国卫生防控体系的一次考验，更为我国的公共安全应急体系建设敲响了警钟。在抗击疫情的过程中，生活保障物资和医疗用品的运输是极为关键的一环。基于现有地铁设施的地下物流系统具有改造快、自动化水平高、运输能力稳定、隔离性能良好等一系列显著优点，将在保障人民正常生活和阻断疾病传播方面发挥重要作用。而在地下空间资源开发严重受限的今天，为现有地铁系统设计物流运输的功能，充分开发地铁运力，对完善我国公共安全应急体系是十分必要的。
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