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1.基于城市地铁网络的地下物流发展模式综述
作者：冯江红,代存杰,李海军,余耀
作者单位：兰州交通大学;高原铁路运输智慧管控铁路行业重点实验室;中国铁路兰州局集团有限公司
关键词：地铁;地下物流系统;建设可行性;关键节点选址;运营组织
摘 要: 针对现有研究在基于地铁地下物流系统(metro-based underground logistics system，M-ULS)的实践、选址和 运营中存在的问题，提出 M-ULS 既有问题的研究思路与改善措施。首先总结国内外建设可行性与实践研究中的 不足，提出发展 M-ULS 的中长期可行性规划；其次剖析 M-ULS 关键节点选址与现实情况存在的差异，并阐述 后续的研究思路；最后，归纳影响 M-ULS 整体运营的各个因素和尚未深入研究的影响因素，并指出实现 M-ULS 运营信息化的几种关键技术。研究结果表明：我国具备建设 M-ULS 的现实基础，但需要制定相应的货物运输标 准、建立完善的评估体系并改进信息化运营所需的多种技术。
在全球经济的快速发展和社会物流量逐年递增 的背景下，2015 至 2024 年间，我国社会物流总额从 219.2 万亿元增至 360.6 万亿元，增幅高达 64.51%[1] 。 各国物流业的繁荣为运输业带来了发展机遇和压力，由 于社会物流主要通过公路运输方式完成，在配送中不 可避免会造成道路拥堵。政府为了缓解城市交通拥堵 的通常做法是增建道路设施。而建设道路设施的传统 方式很难跳出“交通拥挤→建造新路→车辆增加→ 再度拥挤”的怪圈，交通拥堵已成为城市发展的掣肘 因素[2] 。
在此背景下，国内外学者都在不断探索新方法来 改变城市所面临的交通拥堵困境。文献[3-7]指出发展 地下物流系统(underground logistics system，ULS)在缓 解交通拥堵、降低碳排放、实现资源共享等方面具有 积极意义；文献[8]早在 2004 年就指出应对严峻交通 形势的解决思路是建设发展 ULS；文献[9]结合国外 ULS 的发展经验，指出我国发展 ULS 已经迫在眉睫。
地下物流系统作为除传统公路、铁路、航运和海 运之外的第五类运输和供应系统，通过地下管道或隧 道网络实现货物运输，能够突破地面运输的限制，多 个国家的学者相继从理论和技术层面对 ULS 的应用 开展实践研究，但因为地下空间的地质情况复杂、开 发成本和建设难度远高于地上空间[10] ，导致 ULS 无 法有效服务于货物运输。鉴于此，利用城市地铁网络 进行货物运输的地下物流系统(metro-based underground logistics system，M-ULS) [11] 被提出并应用于实践，与 独立建设的地下物流网络相比，建造成本和实施难度 显著降低[12] 。 为了更好地呈现已有研究成果并为后续研究提供 思路，本文首先分析了 M-ULS 的国内外发展可行性研 究及国内外已运营/倡议项目的实践研究，提出了适合 我国的中长期发展规划和未来可行性研究思路；然后 对 M-ULS 中的地铁站点选址、鲜有研究的物流中心、 货运车场的选址问题进行分析，并提出了关键节点选 址问题的后续研究思路；最后从地铁列车运营组织、 运营的因素和效益、实现信息化运营等方面进行分析， 总结研究现状并提出了后续的研究思路。
1 M-ULS 的可行性与实践研究
1.1 可行性研究
城市轨道交通经历了 160 余年的发展，世界各国 城市轨道交通运营总里程都在逐年增长。截至 2024 年 12 月 31 日，我国内地累计有 58 座城市投运地铁线路， 里程达 9281.37 km[13] ，这为我国发展 M-ULS 提供了 有利条件。国内外学者从政策法规、问卷调查等定性 角度和建模、仿真、预测等定量角度，分析了 M-ULS 的可行性及对城市发展所具备的现实意义。
国外方面，MOTRAGHI 等[3] 针对纽卡斯尔-泰恩地 区现有的地铁轨道系统，在 ARENA 软件中对货运专 列和即兴运营模式进行了评估。KIKUTA 等[4] 对地铁货 运的实施可行性进行居民民意调查和项目试点，结果 表明地铁货运具备实施的现实基础。BEHIRI 等[14] 研 究了资源共享(车辆、线路、车站)模式下的“货-轨运”调度问题，并通过仿真验证了资源共享模式的可 行性。
国内方面，胡万杰等[15] 指出地铁货运模式有助于 缓解交通拥堵，且在规划政策、市场需求、科技供给 等方面已具备实施的现实基础；刘崇献[16] 和陈梓毓[17] 分别从北京和南京的实际情况出发，从技术层面、政 策性发展等方面论述了这两个城市建设 M-ULS 的可 行性；陈慧等[18] 指出地铁与道路的协同运作模式不仅 能够降低货运交通风险，还能够提升运输效率；王小 林等[19] 对地铁线路运输能力进行预测分析，指出地铁 站通过改造可以分担一定的物流量。
1.2 实践研究
M-ULS 最早的应用可以追溯至 1927 年英国伦敦 设计并使用的地下邮政铁路系统[20] 。当时普遍认为地 铁货运基础设施造价高、运距短、收益差且地面运输 足以满足货物运输需求，因此M-ULS没有得到重视[12] 。 随着城市运输问题的逐渐显现，直到近 20 年 M-ULS 才进一步得到研究和发展。
按照地铁列车运作模式的不同，通常将已有的 M-ULS 项目分为 3 种模式，分别是客货混载模式、共 线拖挂模式和共线分离模式。纽约地铁采用客货混载 模式在夜间运输垃圾[21] ；英国纽卡斯尔采用客货混载 模式在客运低峰期运输航空托盘[22] ；巴黎 TramFret 电 车货运系统采用共线拖挂模式运送快递包裹[23] ；法国 “大巴黎(Grand Paris)”项目采用共线分离模式运送快 递包裹[14] ；德国、荷兰、瑞士、奥地利等国家也已经 成功试点 M-ULS 项目[24-27] 。国外地下物流项目的分 类总结如表 1 所示。
国内方面，2021 年深圳地铁试行“驿站”服务[28] ， 2023 年 8 月，深圳地铁和顺丰合作运营的地铁货运项 目，在 11 号线采用客货混载模式运行[29] ；2022 年 7 月，广州采用共线分离模式，开行夜间地铁货运专列[30] ； 2023 年 9 月，北京市采用客货混载模式进行城市轨道 交通快递运输试运营[31] ；浙江、江苏、上海等省市相 继开始尝试“地铁送快递”物流运输模式。总结客货 混载、共线拖挂和共线分离等模式的特点，结果如表 2 所示。
1.3 我国 M-ULS 的可行性研究
鉴于我国地铁物流事业处于起步阶段，城市与货 物运输模式的匹配关系要满足两个前提条件：要能够 量化地铁客运流量和剩余运力；修建城市地铁基础设 施要与运力相匹配。考虑这两个前提条件，结合表 2 中 3 种不同运输模式的特点，将 M-ULS 的发展规划分为 3 个阶段：
1) 短期运营阶段。地铁货运部门占据小部分市 场份额，根据历史客流数据可以测算出剩余运力。需 要对现有的基础设施和客运车辆进行改造，将客货实 现一定程度的分隔，在满足客运的前提下使用客货混 载模式。
2) 中期运营阶段。地铁货运部门占据一定的市场 份额，基本可以实现客货流协调。车站修建了货运站 台并设计了专用的货物车厢，但没有装卸整列货运列 车的能力，可以选择客货混载/共线拖挂模式，运营将 更加灵活。
3) 长期运营阶段。地铁货运部门占据的市场份额 已达饱和，客流可以实现精准预测，基础设施更加完 善，能够实现客货运列车运行图的灵活调整。单独的客货混载模式和共线拖挂模式已不能满足日常运营， 需要结合多种模式灵活运用。
考虑我国很多城市具备实施 M-ULS 的现实条件， 但在项目建设之前需要制定专业的货物运输标准。具 体包括：①货物种类标准，前期要做好充分调研，对 运营货物的种类进行合理评估；②城市运营标准，由 于我国城市经济发展水平和路网形状不一，需要按照 实际情况制定适用的运营方案；③设备制造标准，合 格的列车车厢制造、货位设计、装卸搬运设备等标准 都需要深化研究。
2 M-ULS 中关键节点的选址问题研究
以物流中心为起点，货物经由 M-ULS 和道路协 同运输系统将货物配送到客户手中的流程如图 1 所示。 M-ULS 需要物流中心、地铁站和末端的车场多方协 作来完成货物运输的流程，因此这 3 个站点均属于 M-ULS 选址问题中的关键节点。关键节点的选择影 响着整个系统的发展，不合理的选址会导致无效的配 送、高昂的成本和低质的服务。因此本文总结已有研 究，从地铁站点选址、物流中心和货车车场选址及选 址问题的研究思路 3 个方面进行阐述。
2.1 地铁站点选址问题研究
合理的 M-ULS 选址不仅能够优化运输路径、降低 运输成本、增强站点覆盖能力，而且还能提升服务质 量、并保障日常的安全运营。
2.1.1 站点选址问题
地铁站点覆盖的需求点越多，末端配送越方便， 越容易被选中成为货物转运点。周芳汀等[32-33] 指出配 送中心所在地铁线路上的备选转运点有较大机会被选 中作为转运点，同时转运点的覆盖范围也会影响最优 转运点的数量。ZHENG 等[34] 指出靠近居民区和商业 中心的地铁站更容易被选择为配送站。ZHAO 等[35] 基 于复杂网络理论选取评价指标，利用逼近理想解排序 法(technique for order preference by similarity to an ideal solution，TOPSIS)选择候选地铁站点。
2.1.2 站点选址+路径优化问题
鉴于站点选址-路径优化问题是经典的NP-hard问 题，因此站点选址-路径优化问题需要从不同角度研 究。在满意度方面，舒达等[36] 指出站点选址和路径优 化需要考虑物流节点与需求点的匹配满意度；ZHENG 等[37] 从管理者和参与者的角度出发，指出选址-路径优 化要兼顾成本和客户满意度。在精准优化方面，王晓 平等[38] 利用多个优化模型研究了共线分离模式下的 货运区域选择、物流供需情况和地铁站点选址和路 径优化问题；崔瑶等[39] 提出基于动态需求点的两阶 段选址-路径优化模型，利用该模型能够更加快速、 精准地响应动态需求；李铖钰[40] 将选址-路径优化问 题拆分为两级选址-配送问题，更加精准地实现了集 成优化。
2.1.3 选址站点建设问题
要考虑选址站点的建设费用，确保选址问题更贴 合实际情况。任睿等[41] 以建设运营成本为优化目标， 研究了辐射式的地铁货运模式下的地铁站选址问题。 地铁站选址问题的一般模型为
式中，N 为区域内候选地铁站点的集合，索引为 i；M 为区域内需求点的集合，索引为 j；qj为区域内需求点 j 每天产生的包裹数量；dij为需求点 j 与候选地铁站点 i 之间的距离；c 为从需求点到地铁站点每次所能处理 的最大批量；p 为选择的地铁站点数量；xi 为候选地 铁站点 i 被选为配送中心则为 1；否则为 0；yij为需求 点 j 由候选地铁站点 i 服务则为 1；否则为 0。
2.2 物流中心、货车车场选址问题
目前有关道路运输的物流中心和货车车场选址问题的研究已经相对成熟，但图 1 中的物流中心和货车 车场选址的问题却鲜有研究。物流中心与临近地铁站 的距离通常较远，修建至物流中心的线路费用巨大，此 时应考虑在合适的位置建立二级物流中心，在缩短运 输距离的同时，也能避免超过单个地铁站的容量限制。
货车车场与地铁站的匹配关系同样会对货物的配 送产生影响，由于地铁承担“站到站”的货物运输， 所以物流取送的“第一公里”则需要道路运输来补充。 但考虑到城市地铁站周边土地的高额费用，可以选择 改造临近的车场实现资源共享或在合适的位置进行车 场选址和建设工作。
2.3 关键节点选址问题的研究思路
地铁站选址问题研究的主要研究内容是选择合理 的地铁站来进行货物中转或分拨，而现实情况中被选 择的部分站点往往拥有较大的客流量，这些站点不适 合承担货物运输，即选址问题所求得的选址点不是最 优的站点，因此协调货运站点选址与客流分拨之间的 关系有待深入研究。
M-ULS 通常提供市域内的货物运输服务，但该系 统并不具备取/送货的能力，因此该模式只能作为多式 联运的一个中间环节，在货物运输网络中与其他运输 方式相结合。采用“地铁+公路”“地铁+高铁”“地铁+ 航空”等方式构建城市内部和城市之间的货物运输网 络，实现货物高效的周转和流通。
3 M-ULS 的运营问题分析
运营问题作为 M-ULS 的核心，需要协调运力和需 求之间的关系，避免运力过剩和货物长时间滞留。为 确保 M-ULS 提供高质量的货物运输服务，现有研究 主要从列车运营组织、运营的因素和效益及实现信息 化运营 3 个方面展开。
3.1 M-ULS 列车运营组织
确保货物能够及时装载和运达是影响M-ULS发展 的重要因素之一。为充分保障列车的高效运输，现有 研究多从预留/分配车厢、列车编组和货物运载方案等 多方面展开。在车厢分配和列车编组方面，邸振等[42] 指出列车运输组织优化需要优先满足乘客需求，否则 会产生较高的运输延误成本；DI 等[43] 指出采用列车编 组、流量控制策略安排货物和乘客运输车厢可以生成 最优的运营方案；石俊刚等[44-45] 提出了一种基于历史 客流数据的货物分配方案和车厢配置策略，指出可以 将列车运力分配到各个地铁车站，从而确保各车站乘 客都能被列车服务，而不会出现极端拥堵的情况；LI 等[46] 指出实际运营中应依据客运、货运需求的数量， 决策客运车厢、货运编组的数量。
在货物运载方面，AN 等[47] 针对 M-ULS 运营提出 了一种灵活的跳站策略，并结合货运需求的不确定性 构建了客货协同模型，可以有效提升地铁货物运载的 质量；OZTURK 等[48] 指出在客运列车之间增加货物运 输专列，可以更加高效地进行货物运载；YE 等[49] 基 于客运非高峰时段的客流不确定情况，提出了地铁货 运模式和货车货运模式来应对不同的客货运情形； YE 等[50] 在考虑列车到发时刻，货运容量、车头时距 等约束条件下建立地铁货运模型，得到了最优的运行 时刻表和货物装载方案。相关研究的总结分析如表 3 所示。
3.2 M-ULS 运营的因素和效益
为了更好地保障 M-ULS 系统的长期运营，需要 结合影响因素和效益对整个系统进行评价。为明确这 些因素与效益的关系，将已有研究分为影响因素、直 接效益和间接效益。
1) 影响因素直接关联着整个系统的运营质量，任 一影响因素没有充分调研和设计，都会导致整体收益 遭受损失。陈一村等[51] 认为地下物流系统的发展成熟 不仅要考虑选址和地下设施布局规划，而且还需要对 影响运营的因素进行多方面的研究；王京[52] 指出发展 M-ULS 需要加大基础设施建设投入并合理规划线路 布局；汪雨欣等[53] 指出在项目投入前需要综合评估自 动导引车(automated guided vehicle，AGV)、充电桩和 快递柜等基础设施的资金投入。
2) 直接效益体现在相较于纯道路运输，可以减少 能耗、降低运输成本、提升货物周转效率等。DI 等[54] 指出地铁客货协同可以节省 5.63%～10.43%的油耗， 有效减少碳排放；郑长江等[55] 指出 M-ULS 可以有效 减少配送时间和碳排放量；VILLA 等[5] 针对 M4G 模型， 指出具备更优社会效益和环境效益的替代方案就是建 设 M-ULS；叶倪[56] 指出构建地铁货运系统可以有效减 少地面货运车辆、降低交通拥堵并减少碳排放；刘亚 丽等[57] 指出相较于纯货车运输，M-ULS 可以提高货物 的运达时效，提升客户满意度。
3) 间接效益与直接效益相关联，直接效益会产生相 对应的间接效益并形成系统内部的良性循环。DAMPIER 等[58] 认为现有地铁系统的基础设施和空间未充分利 用，若合理使用可以分担道路货运需求，减少因道路 运输产生的伤亡和费用；倪洪亮等[59] 指出合理的运输 方式可以更好地服务于差异化的货运需求，提升城市 物流效率。
整合已有研究，并总结分析得到 M-ULS 的因素和 效益关系示意如图 2 所示，若 M-ULS 具备正向的运 营影响因素，如政策的积极引导、大量的民众支持和 健全的基础设施等，则能够确保 M-ULS 产生更高的运 营效益，同样运营效益可以反向改善影响因素，保障 M-ULS 更加有效地服务于城市货物运输。
除图 2 所示的因素之外，M-ULS 的运营还有很多 因素有待深入研究。
由于 M-ULS 需要开拓地下空间，但是地下空间 的开发成本远高于地上，为确保在一定年限内抵消支 出成本的同时取得收益，需要在开展运营之前做好严 格的效益评估，避免出现设备闲置或收支不抵的情况。
M-ULS 的运营也需要研究地铁公司同物流公司的 博弈，地铁公司与物流公司属于竞争还是合作需要重 点研究。M-ULS 的建成必然会对物流公司货运业务产 生影响，因此物流公司的意愿对 M-ULS 的运营具有 重要的参考价值。若各自运营，竞争关系可能会导致 双方陷入恶性价格竞争之中，反而影响 M-ULS 的可 持续发展。若双方合作，地铁公司分担的货运需求比 例，以及协同运输的各个环节如何保持畅通，都需要 后续深入评估。
3.3 M-ULS 的运营信息化
为了保障信息的畅通，地铁物流需要构建一个 M-ULS 信息体系，确保 M-ULS 能够充分协调人、车、 货三者之间的关系，使得信息能够及时交互并实现网 络化运营。M-ULS 的运营信息化需要以下几种技术：
1) 更新自动售检票技术。地铁客流数据的获取 通常是通过地铁站的自动售检票系统(automatic fare collection，AFC)采集而来，通过 AFC 刷卡数据不仅 能够了解时段客流情况，还可以分析列车车厢的整体 占用情况，文献[44]就利用 AFC 刷卡历史客运数据， 在客运非高峰时段进行了车厢分配方案和货物装载方 案的编制。考虑到 M-ULS 的运营信息化对客流数据的 时效性要求较高，为提升 AFC 捕获客流信息的速度， 张义鑫等[60] 设计了基于云平台和微服务架构的城市 轨道交通 AFC 系统技术。张方冰等[61] 改进原有 AFC 系统，能够实时客流监测、客流预测等功能。
2) 建立 M-ULS 电子票据编制技术。鉴于目前鲜 有对 M-ULS 电子票据编制技术的研究，因此后续研 究可以参照铁路系统现有的票据编制技术，实现对 M-ULS 的货物运输、装载、回送等票据的一体化编制。 在已有研究中，钟立民等[62] 设计了铁路货运票据电子 化现车系统关键技术。张建国等[63] 设计了铁路装卸清算信息系统关键技术。
3) 加入无线射频识别技术(radio frequency identification，RFID)。为发挥 RFID 高效的读取和识别功 能，HE 等[64] 通过增加机械结构部署了一个基于 RFID 的地铁货运初级控制系统，能够实现站台物理设施运 作与终端信息的交互。
4 研究展望
1) 我国的 M-ULS 项目多处于起步阶段，与 M-ULS 相关的法规制度及货物运输标准都需要重新制定。
2) M-ULS 有关线路成网情况下的运输、客/货流 不确定和考虑站点改造等研究较少，如何推广至线网 研究并落地实施则需要进一步研究。
3) 为充分利用 M-ULS 的线路冗余运力和列车冗 余运力，保障乘客、列车和货物信息的及时传递，需 要设计交互式的客货协同信息共享系统。
5 结论
1) 通过分析国内外已有 M-ULS 项目的可行性与 实践研究，目前我国已具备开展地铁货物运营的政策 法规、市场环境和技术手段的现实基础，但要确保项 目顺利落地，需要做好充足的调研，如运输的货物种 类、运输模式和基础设施情况等。
2) 通过分析 M-ULS 的关键节点选址研究，被选 择的关键站点通常需要能够保障就近覆盖需求点，且 能够维持客户满意度使得收益最大化的要求。但站点 是否具备快速组织分拨货物的能力需要结合实际情况 进行检验。
3) 整合 M-ULS 运营问题的研究，首先货物运营 需要在优先保障乘客运输的前提下进行；其次需要 结合影响因素和效益对整个系统进行合理评价，同 时处理好与物流公司的竞争与合作关系，确保货物能 够精细分流；最后需要构建一个功能完善的地铁物流 信息化运营体系保障信息的及时交互并实现网络化 运营。
