城市自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)—地下物流系統(tǒng)

■ Johan Visser

城市自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)—地下物流系統(tǒng)

■ Johan Visser

國(guó)際地下物流學(xué)會(huì)（ISUFT）是一個(gè)全球性的科研組織，參與國(guó)家眾多，包括美國(guó)、中國(guó)、意大利及一些歐洲國(guó)家等。ISUFT重點(diǎn)研究自動(dòng)化的運(yùn)輸系統(tǒng)或者囊體通過隧道或管道進(jìn)行貨物的地下運(yùn)輸。

一、自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)

自動(dòng)化貨物運(yùn)輸系統(tǒng)，在中國(guó)被稱為地下貨運(yùn)系統(tǒng)或地下物流系統(tǒng)。這種自動(dòng)化的貨物運(yùn)輸系統(tǒng)的運(yùn)輸工具主要是AGV、train-like systems或者是囊體；運(yùn)輸設(shè)備在專用的設(shè)施中運(yùn)行，不受外界車輛的影響，如：隧道、管道、專用集卡通道；管線可以在底下、或者在地面沿著主要的交通干線、或者高架橋的形式，可進(jìn)行長(zhǎng)距離的運(yùn)輸，所以自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)不僅僅指的是地下貨物運(yùn)輸系統(tǒng)。

關(guān)于自動(dòng)化貨物運(yùn)輸系統(tǒng)的早期實(shí)例包括：

1．氣力運(yùn)輸管道：19世紀(jì)英國(guó)位于地下的氣力郵件運(yùn)輸系統(tǒng)，用于運(yùn)送電報(bào)和包裹，同時(shí)，加拿大、俄羅斯和日本也有這樣的郵件運(yùn)輸系統(tǒng)，被稱作Tubexpress。二十世紀(jì)70年代，出現(xiàn)了運(yùn)輸原材料的氣力運(yùn)輸管道系統(tǒng)；艙體運(yùn)輸系統(tǒng)最早是由Henry Liu教授提出的，并用于煤炭管道運(yùn)輸，此運(yùn)輸系統(tǒng)最初是利用氣力運(yùn)輸，后改為線性感應(yīng)裝置運(yùn)輸。

2．線性感應(yīng)艙體管道：有兩個(gè)典型例子—意大利的pipe&net（由意大利部門和歐盟委員會(huì)提出）和英國(guó)的地下食物運(yùn)輸管道（未進(jìn)行實(shí)際測(cè)試）。

3．地下隧道運(yùn)輸系統(tǒng)：1906年芝加哥建立的地下貨運(yùn)系統(tǒng)；英國(guó)倫敦建立的郵件運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)到2006年，因得不到政府支持而終止；德國(guó)的Cargocap系統(tǒng)利用歐洲的托盤作為運(yùn)輸?shù)臉?biāo)準(zhǔn)，以便與傳統(tǒng)的運(yùn)輸系統(tǒng)相協(xié)調(diào)，約有2/3的德國(guó)貨物可直接適合Cargo Cap系統(tǒng)運(yùn)輸；美國(guó)德克薩斯州的TTI組織提出利用集裝箱在地下長(zhǎng)距離快速轉(zhuǎn)運(yùn)貨物；還有韓國(guó)管道隧道地下貨運(yùn)系統(tǒng)。

以上三種地面下的自動(dòng)化運(yùn)輸系統(tǒng)需要不同于集卡、火車等非自動(dòng)化的運(yùn)輸設(shè)備，現(xiàn)有研究中涉及到的運(yùn)輸設(shè)備包括集卡兩用車和AGV。這兩種形式的運(yùn)輸設(shè)備早在上世紀(jì)90年代就已出現(xiàn)，但都沒有進(jìn)行大規(guī)模的應(yīng)用。

圖1 氣力郵件運(yùn)輸系統(tǒng)

圖3 煤炭管道運(yùn)輸

圖4 2001年LSM系統(tǒng)

圖6 意大利Pipe&net系統(tǒng)

圖8 自動(dòng)化運(yùn)輸設(shè)備

地下管道可應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，比如居民區(qū)的水、電及下水道系統(tǒng)；也可以用于工業(yè)領(lǐng)域，運(yùn)輸氣、液體到工廠或連接港口到內(nèi)陸工業(yè)區(qū)間。地下管道運(yùn)輸滿足可持續(xù)發(fā)展的要求，潔凈、高效、低成本、安全，并且不受地面空間的限制。一路的地下走廊里面可能有20～30個(gè)原油管道，平均每5.5秒就能夠有一卡車的運(yùn)量經(jīng)過這些管道走廊，居住在離管道較近的地面上也不會(huì)有任何噪音。

圖9 荷蘭水道下的管道運(yùn)輸

二、未來發(fā)展方向

（一）新技術(shù)

在研究地下物流的過程中，可借鑒管道運(yùn)輸?shù)难芯砍晒?。科技并非一成不變的。管道運(yùn)輸除了上文涉及的方式外，美國(guó)Elon Musk公司正在研究開發(fā)半真空管傳輸系統(tǒng)Hyperloop，由運(yùn)載乘客（或汽車）的運(yùn)輸莢和低壓管組成，人們稱之為地下超級(jí)高鐵。超級(jí)高鐵是一個(gè)真空密封的管子。在里面，有一個(gè)可以快速移動(dòng)的客艙，理論上可以達(dá)到700英里（約等于1126公里）每小時(shí)。如Hyperloop One公司官網(wǎng)的圖中預(yù)計(jì)，墨爾本到悉尼800多公里，開車需要10小時(shí)，飛機(jī)加上前后登機(jī)時(shí)間需要大概3小時(shí)，而Hyperloop僅需55分鐘。

圖10 Hyperloop One公司Hyperloop模型

我國(guó)政府部門對(duì)自動(dòng)駕駛汽車、自動(dòng)卡車、無人機(jī)非常感興趣，這些設(shè)備的使用可以緩解路面交通擁堵的情況。但是需采取措施將無人機(jī)使用的事故率降到最低。

（二）人居環(huán)境

全球貿(mào)易量不斷增加，不僅體現(xiàn)在中國(guó)與美國(guó)之間，從一個(gè)國(guó)家和一個(gè)地區(qū)層面來看，也有顯著的貨物運(yùn)輸量的增加。從郊區(qū)到市區(qū)的貨運(yùn)量的增長(zhǎng)顯著，急迫需要更加高效節(jié)能的運(yùn)輸方式。從全球不同模式貨物運(yùn)輸總量的預(yù)測(cè)圖中可以看出，全球不同模式下的貨運(yùn)總量在2050年將會(huì)是2015年貨運(yùn)總量的三倍。而從不同國(guó)家地面貨物運(yùn)輸量的預(yù)測(cè)圖中可以看出，未來大部分的貨物運(yùn)輸將會(huì)在中國(guó)以及其他亞洲國(guó)家，歐洲或美國(guó)的地面貨物運(yùn)輸量占比較少，因此，中國(guó)在地面貨物運(yùn)輸方面將面臨巨大的挑戰(zhàn)。到2050年城區(qū)的公路運(yùn)輸總量將會(huì)占據(jù)全國(guó)貨運(yùn)量的一半以上，給城區(qū)環(huán)境帶來巨大壓力。

圖11 不同模式貨運(yùn)需求預(yù)測(cè)

圖12 不同國(guó)家貨運(yùn)需求預(yù)測(cè)

圖13 不同地區(qū)貨運(yùn)需求預(yù)測(cè)

通過2015年與2050年貨運(yùn)量與二氧化碳排放量的比較，可以看出二氧化碳的增長(zhǎng)速度顯著大于貨運(yùn)量的增長(zhǎng)速度，間接反映了上海在所有運(yùn)輸方式中公路運(yùn)輸方式比例過大，應(yīng)多采用其他運(yùn)輸方式來緩解公路運(yùn)輸過程中排放的二氧化碳對(duì)全球環(huán)境的影響。全球變暖是學(xué)者研究的重要議題，全球問題要將具體到每個(gè)國(guó)家，中國(guó)地下物流系統(tǒng)的應(yīng)用研究不僅是關(guān)于解決城市擁堵的問題，同時(shí)也是關(guān)于城市擁有宜居的生活環(huán)境的問題。

圖14 國(guó)際貨運(yùn)與CO2排放量

（三）自動(dòng)駕駛與專用車道

隨著中國(guó)城市內(nèi)貨物運(yùn)輸量及港區(qū)到內(nèi)陸集裝箱運(yùn)輸量的不斷增加，中國(guó)必須尋求一種可持續(xù)的運(yùn)輸方式來緩解公路運(yùn)輸所引發(fā)的種種問題，同時(shí)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益。此種新的運(yùn)輸系統(tǒng)中，未避免汽車燃料產(chǎn)生有害氣體，采用電力作為動(dòng)力，同時(shí)采用自動(dòng)化的方式。關(guān)于新的運(yùn)輸系統(tǒng)中的自動(dòng)化設(shè)備的發(fā)展階段，圖15中紅線表示未涉及自動(dòng)化駕駛的情況，我國(guó)現(xiàn)在仍屬于輔助駕駛的第一個(gè)階段，很多歐洲轎車現(xiàn)在已經(jīng)有自動(dòng)泊車系統(tǒng)；紫色線條表示完全自動(dòng)化階段，在此階段車輛完全自動(dòng)化，每輛車可以自動(dòng)駕駛。從此預(yù)測(cè)圖中可以看出，到2035年自動(dòng)化比例會(huì)非常高。20～30年后將會(huì)在高速公路上看到自助駕駛的汽車，但在城區(qū)普及可能需要到2075年，甚至到22世紀(jì)。我國(guó)交通委非常重視無人駕駛技術(shù)的發(fā)展，在此方面有較多的研究。地下物流系統(tǒng)的建設(shè)需要專用的基礎(chǔ)設(shè)施，若想利用自動(dòng)駕駛技術(shù)，需要建設(shè)與其配套的專用車道。

圖15 自主駕駛發(fā)展程度

自動(dòng)駕駛汽車同樣可以運(yùn)用到城市配送最后一公里，但還需要其他自動(dòng)化設(shè)備與其相配合，比如無人機(jī)、機(jī)器人等。機(jī)器人和無人機(jī)等可以將小件貨物送到最終客戶的家中，現(xiàn)在無人機(jī)技術(shù)比較先進(jìn)，可以應(yīng)用到短距離、小體積的貨物運(yùn)輸過程中，但對(duì)于港口與內(nèi)陸間集裝箱等的轉(zhuǎn)運(yùn)，需要積極利用地下物流系統(tǒng)、自助駕駛卡車等設(shè)施設(shè)備。所以，未來短距離與長(zhǎng)距離的貨物運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展方向是不同的。

自主駕駛等級(jí)描述表

無人機(jī)技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用比較少，而且由于無人機(jī)能耗較高，短時(shí)間內(nèi)無人機(jī)技術(shù)也不會(huì)應(yīng)用到交通系統(tǒng)中。我們可以利用現(xiàn)有的一些運(yùn)輸通道，比如已存在的鐵軌體系，發(fā)展自動(dòng)貨運(yùn)列車，或自動(dòng)卡車，但這些線路在歐洲仍然是有限的。

圖16 自主駕駛設(shè)備

三、面臨的挑戰(zhàn)

地下物流相關(guān)技術(shù)的發(fā)展對(duì)于地下物流系統(tǒng)推廣應(yīng)用是至關(guān)重要的，現(xiàn)代技術(shù)人員也正在努力發(fā)展相關(guān)技術(shù)，但未來地下物流發(fā)展所面臨的問題并不在此，而在于向公眾介紹地下物流，展現(xiàn)其發(fā)展的可行性，證明其實(shí)一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的方案。公眾并不了解地下物流相關(guān)知識(shí)，需展開相關(guān)科普活動(dòng)，提高公眾意識(shí)。同時(shí)，邁出地下物流發(fā)展應(yīng)用的第一步。

（一）展示地下物流是一種可持續(xù)發(fā)展方式

地下物流系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)物流方式具有顯著優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在：處在獨(dú)立封閉的環(huán)境下，不受外界環(huán)境的影響；全自動(dòng)化可以方便節(jié)約控制成本；處于地下不占用地面空間，不影響市政交通；系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)不受限制，可24小時(shí)、365天全天候運(yùn)營(yíng)；可有效減少城市交通擁堵程度。因此，地下物流系統(tǒng)是一種節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境、緩解氣候變化的可持續(xù)發(fā)展方式。相關(guān)研究表明地下物流比其他物流方式更加高效，但投資成本也很高，所以建設(shè)地下物流系統(tǒng)需要考慮城市具體的需求和建設(shè)的必要性。

（二）提高公眾意識(shí)

科學(xué)研究的最終目的是將其應(yīng)用到人們的生產(chǎn)生活中，需要讓公眾知道學(xué)者在做什么，讓公眾參與到科學(xué)事業(yè)中。筆者和傳統(tǒng)的隧道組織一同制作了一套介紹地下物流的視頻，介紹了什么是地下物流系統(tǒng)，地下物流系統(tǒng)是如何運(yùn)作的，是如何節(jié)約能源的，進(jìn)而提高公眾意識(shí)。

（三）如何開始第一步

全球歷經(jīng)了鐵路、卡車、互聯(lián)網(wǎng)的創(chuàng)新浪潮，現(xiàn)需仔細(xì)斟酌下一個(gè)創(chuàng)新浪潮是什么？是否可在交通領(lǐng)域做出新的創(chuàng)新？首先需考慮地下物流系統(tǒng)可應(yīng)用的領(lǐng)域：（1）在城區(qū)內(nèi)，可作為郵局、零售商、食品商、辦公和消費(fèi)者等貨運(yùn)供應(yīng)系統(tǒng)，這類系統(tǒng)的貨運(yùn)單元為托盤。地下物流系統(tǒng)在此領(lǐng)域的應(yīng)用已在荷蘭各個(gè)城市、日本東京和英國(guó)倫敦進(jìn)行了相關(guān)的可行性研究。（2）在工業(yè)區(qū)、物流中心和港區(qū)內(nèi)的多式聯(lián)運(yùn)領(lǐng)域，如機(jī)場(chǎng)和港區(qū)等綜合設(shè)施場(chǎng)所。此類系統(tǒng)設(shè)計(jì)的貨運(yùn)單元包括托盤、集裝箱和飛機(jī)托盤等。如荷蘭Schiphol的OLS工程和新加坡的JTC系統(tǒng)。（3）作為農(nóng)產(chǎn)品、礦石和固體廢物的長(zhǎng)距離供應(yīng)和收集系統(tǒng)。為實(shí)現(xiàn)此功能，日本、美國(guó)和俄羅斯開發(fā)了膠囊管道，并投入使用。（4）作為內(nèi)陸與海港之間的集裝箱運(yùn)輸。在美、德、比利時(shí)等國(guó)家展開了相關(guān)研究，但沒有進(jìn)入應(yīng)用階段。邁出地下物流系統(tǒng)實(shí)施應(yīng)用的第一步是所有挑戰(zhàn)中最難、最重要的部分。

圖17 創(chuàng)新浪潮

（作者單位：荷蘭代爾夫特理工大學(xué)； 上海市政工程設(shè)計(jì)院總院（集團(tuán)）有限公司）

（Visser演講，李曄、范益群整理；發(fā)表時(shí)略有刪節(jié)）