城市地下物流系統(tǒng)運行脆弱性分析

徐佳 董建軍 任睿

摘要：隨著城市地下物流系統(tǒng)（Underground Logistics System，ULS）的運輸與施工技術(shù)已趨于成熟，面向?qū)嵤┦紫让媾R的就是ULS的運營問題，地下物流的安全可靠運行是保障其產(chǎn)生社會效益與經(jīng)濟效益的前提，因此對ULS運行的脆弱性進(jìn)行了研究。本文從當(dāng)前ULS的定位與特征分析，類比地鐵、城市公交等相似系統(tǒng)，解析和定義ULS運行的脆弱性。地下物流的脆弱性分為設(shè)備設(shè)施脆弱性、服務(wù)系統(tǒng)脆弱性以及協(xié)同脆弱性三類，設(shè)備設(shè)施脆弱性以及服務(wù)系統(tǒng)脆弱性一般影響事故的初期，協(xié)同脆弱性使事故蔓延到整個運輸系統(tǒng)。研究結(jié)論將有助于識別ULS網(wǎng)絡(luò)的脆弱點和脆弱域，并為進(jìn)一步深入研究ULS的脆弱性與運營問題提供理論依據(jù)。

Abstract： With the transport and construction technology of urban underground logistics system （ULS）being matured， The first problem facing the implementation is the operation of ULS. The underground logistics safe and reliable operation is the premise protecting their social and economic benefits. So the ULS operation vulnerability is necessary to study. From the angles of current ULS positioning and feature analysis， analoging subway， urban public transport and other similar systems， this paper analyze and define of ULS operation vulnerability. The vulnerability of underground logistics is divided into three categories： equipment vulnerability， service system vulnerability and synergistic vulnerability. The vulnerability of equipment and service systems generally affect the early stages of the accident. Synergistic vulnerability spreads the impact of the accident to the entire transport system.The conclusion of the study will help to identify the vulnerability and fragile domains of the ULS network and provide a theoretical basis for further study of the vulnerability and operational problems of ULS.

關(guān)鍵詞：地下物流系統(tǒng)；運行；脆弱性

Key words： underground logistics system；operation；vulnerabilit

中圖分類號：F252 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）26-0140-04

0 引言

地下物流系統(tǒng)（Underground Logistics System，ULS）是指城市內(nèi)部及城市間通過地下管道或隧道運輸貨物的一種全新概念的運輸和供應(yīng)系統(tǒng)[1]。它不占用地面道路，減輕了地面道路的交通壓力，從而緩解城市交通擁堵；它采用清潔動力，有效減輕城市污染；它不受外界條件干擾，運輸更加可靠、高效。

世界上，對現(xiàn)代ULS的研究已經(jīng)近30年時間，但至今尚無真正地下物流線路投入使用。究其原因：一方面，從文獻(xiàn)研究的結(jié)果來看，理論研究主要集中于非定量的必要性探討、技術(shù)系統(tǒng)開發(fā)、可行性等方面，鮮有涉及指導(dǎo)實踐的如與城市互動的定量化關(guān)系、線網(wǎng)規(guī)劃、建造、運營管理等方面的研究；另一方面，從工程應(yīng)用結(jié)合前期調(diào)研訪談的結(jié)果來看，ULS推進(jìn)緩慢還存在許多自身的及社會的因素，這在每個國家各有不同，政府對ULS的邊際效益認(rèn)識模糊、投資主體模糊、投資動力不足等，這在我國情況更為特別。ULS自身是涉及地上與地下、物流與工程、技術(shù)與管理等多個學(xué)科領(lǐng)域的復(fù)雜巨系統(tǒng)，有別于主要物流方式，其公共產(chǎn)品的特性，投資大而經(jīng)濟效益低，同時當(dāng)前的研究者小眾且主要分散于技術(shù)研究領(lǐng)域，是造成當(dāng)前局面的主要原因。

但不可忽視的是隨著ULS的運輸與施工技術(shù)已趨于成熟，面向?qū)嵤┦紫让媾R的就是ULS的運營問題，如投資與效益比、融資模式、運營模式等問題，而其中運營的可靠性、安全性是決策者和用戶普遍關(guān)注的問題。地下物流的安全可靠運行是保障其產(chǎn)生社會效益與經(jīng)濟效益的前提，關(guān)系到城市整體交通物流效率，甚至關(guān)系到社會的和諧與穩(wěn)定。脆弱性作為反映系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，體現(xiàn)了ULS的抗風(fēng)險能力，脆弱點暴露概率以及系統(tǒng)恢復(fù)力。當(dāng)前相關(guān)研究還很缺乏。因此，本文從當(dāng)前ULS的定位與特征分析，類比地鐵、城市公交等相似系統(tǒng)，結(jié)合他們的事故統(tǒng)計，解析和定義ULS運行的脆弱性。研究結(jié)論將有助于識別ULS網(wǎng)絡(luò)的脆弱點和脆弱域，分析其在ULS運營可能發(fā)生的事故和蔓延過程中的作用，并為進(jìn)一步深入研究ULS的脆弱性與運營問題提供理論依據(jù)。

1 城市地下物流網(wǎng)絡(luò)及運行特征

1.1城市地下物流網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)絡(luò)是物流一體化的最高形式，是未來的發(fā)展趨勢和最終方向。只有形成網(wǎng)絡(luò)，ULS的規(guī)模效應(yīng)和綜合效益才能得到真正體現(xiàn)。

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)及構(gòu)成

ULS網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)系統(tǒng)構(gòu)包含了車站系統(tǒng)、隧道/管道系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、運輸工具、導(dǎo)航及控制系統(tǒng)、其他必要的設(shè)備與附屬系統(tǒng)等。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征呈現(xiàn)多樣式，主要有線狀、環(huán)狀和格柵狀布局結(jié)構(gòu)；成網(wǎng)過程與地鐵類似，由節(jié)點的選擇到線路形成最后組成網(wǎng)絡(luò)。

當(dāng)前，ULS的發(fā)展還僅能作為城市綜合交通系統(tǒng)的補充，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)也有可能是由多條并不相交的線路構(gòu)成，補充和完善城市物流系統(tǒng)，優(yōu)化整體物流網(wǎng)絡(luò)。

1.1.2 網(wǎng)絡(luò)運營環(huán)境

ULS是具有半公共產(chǎn)品性質(zhì)的半盈利性的城市基礎(chǔ)設(shè)施。其對運營成本、經(jīng)濟效益和社會效益的平衡更加重要，這導(dǎo)致其運營面臨的環(huán)境極其復(fù)雜。從城市角度來看，ULS的建造目的是為了緩解城市交通問題并促進(jìn)城市物流效率提高，其運營與城市各系統(tǒng)的互動頻繁；從空間和自然條件的角度來看，地下工程實施環(huán)境復(fù)雜，且大城市當(dāng)前的地下空間已被地鐵網(wǎng)絡(luò)和地下商業(yè)綜合體密布，實施ULS面臨地下空間的重新整合規(guī)劃，受既有地下空間的制約較大；從協(xié)同性來看，ULS與其他物流系統(tǒng)存在必然的聯(lián)運過程；從參與主體來看，ULS與當(dāng)前的第三方物流存在既對立又協(xié)作的關(guān)系，政府與用戶存在定價難和成本高的問題。

1.2 運行特點

ULS運行的脆弱性研究可借鑒風(fēng)險管理方法，分析概率和后果：①脆弱性與網(wǎng)絡(luò)中某些部分失效所產(chǎn)生的后果有關(guān)，是其對能導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)水平下降的人為或自然事件的敏感性。因此，脆弱性強調(diào)網(wǎng)絡(luò)的薄弱處和失效后果。這種薄弱處是脆弱點[2]；②脆弱域，這是基于一定概率的失效后果，是脆弱點在特定環(huán)境下的變化，綜合表征ULS的魯棒性和可恢復(fù)性。

1.2.1 復(fù)雜性

復(fù)雜性主要來自各種復(fù)雜的功能和外生和內(nèi)生的功能依賴性和相互依賴性[3]。相比較于一般物流系統(tǒng)，ULS運行依賴復(fù)雜的地下工程系統(tǒng)，技術(shù)系統(tǒng)自身是一個以許多物流節(jié)點（樞紐）相連接包含十多個子系統(tǒng)的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，若干節(jié)點組成線路，進(jìn)而構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)。由于地下物理系統(tǒng)內(nèi)部相互依賴，一個組件的故障可能會影響其他組件的正常功能，甚至直接或間接地擴散到整個系統(tǒng)[3]，從而使系統(tǒng)整體可靠性受到影響。因此，組件故障可能導(dǎo)致操作中斷或事故，并造成巨大的經(jīng)濟，社會和物理中斷，增加負(fù)面后果。

ULS運行的地下空間系統(tǒng)也存在著復(fù)雜性，本來地下工程的運行就需要不間斷監(jiān)測周圍地理地質(zhì)條件，況且ULS與地鐵的邊界關(guān)系復(fù)雜，兩條長距離的動荷載互相存在極大的干擾。

服務(wù)過程和調(diào)度系統(tǒng)的復(fù)雜。物流服務(wù)過程包括運輸、儲存、裝卸、搬運、包裝、流通加工、配送、信息處理等基本功能的全過程自動化集成，ULS還增加了與地面，與其他物流方式的聯(lián)運問題。ULS其采用無人駕駛技術(shù)、無擁堵和通行障礙，全天候運行等特點使得用戶對ULS運行的實效性和速度的期望極高，這依賴高度準(zhǔn)確和復(fù)雜的調(diào)度系統(tǒng)。

因此，ULS的運行受到長期復(fù)雜多變的內(nèi)外部因素干擾，突發(fā)事件（如自然災(zāi)害、人為破壞等）、操作失誤、設(shè)備故障等影響，甚至突然發(fā)生的貨運量激增（如網(wǎng)購的雙11日）導(dǎo)致節(jié)點貨物積壓都有可能導(dǎo)致線網(wǎng)局部失效，從而增加線網(wǎng)其他通道和節(jié)點的貨運負(fù)擔(dān)，擴散至整個網(wǎng)絡(luò)，使網(wǎng)絡(luò)超載并降低或損害其功能。同時，ULS在災(zāi)難后造成的影響和恢復(fù)性能表現(xiàn)極為復(fù)雜，不僅表現(xiàn)為ULS自身的貨運功能下降，且涉及眾多周邊設(shè)施和人群，甚至造成區(qū)域和城市的物流系統(tǒng)癱瘓。

1.2.2動態(tài)性

技術(shù)系統(tǒng)方面，如前文所述，ULS由十多個技術(shù)子系統(tǒng)組成，這些子系統(tǒng)之間相互聯(lián)系，相互依存。假設(shè)某個子系統(tǒng)存在某個脆弱點，隨著時間的變化，演變圖1所示?！?/p>

服務(wù)系統(tǒng)方面，ULS運行的過程本身就體現(xiàn)了動態(tài)性，但是它的運行需要智能化調(diào)度與信息溝通，服務(wù)人員對技術(shù)以及運行程序的掌握隨著時間的變化由陌生到熟悉。從整體的角度而言，由服務(wù)人員的操作失誤引起的事故會隨著時間的推移而降低；從個體角度而言，并不能排除突發(fā)事件的可能性。

1.2.3協(xié)同性

整個城市或區(qū)域的物流網(wǎng)絡(luò)具有連通性，有時不可能單靠ULS將貨物運輸?shù)侥康牡?，運輸?shù)娜^程需要與其他物流形式的聯(lián)運，尤其是ULS在自身可達(dá)性不足或網(wǎng)絡(luò)覆蓋率不高時，愈加依賴多種物流系統(tǒng)之間多式聯(lián)運的協(xié)同性。聯(lián)運系統(tǒng)的整體服務(wù)水平直接制約了ULS的服務(wù)水平，聯(lián)運的銜接必然成為脆弱點，ULS網(wǎng)絡(luò)的脆弱域必然擴大到整個聯(lián)運系統(tǒng)。

2 基礎(chǔ)設(shè)施脆弱性研究現(xiàn)狀

在工程領(lǐng)域，許多研究者通過分析基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的物理組件和連接，試著提高系統(tǒng)的設(shè)計和可靠性標(biāo)準(zhǔn)[4，5]，并討論了那些能夠提高基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)可靠性的投資。

在社會技術(shù)領(lǐng)域，目的是解決社會關(guān)注的基礎(chǔ)設(shè)施帶來的相關(guān)問題。W.Kroger[6]通過幾個因子來描述基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的脆弱性和其所面臨的風(fēng)險，這些因子包含：公共風(fēng)險的接受和認(rèn)識、攻擊的社會關(guān)注度、城市化等，并指出相關(guān)機構(gòu)為了更好地滿足和平衡社會的需要通過制定風(fēng)險管理策略降低系統(tǒng)的脆弱性。V.Bekkers，等[7]給出了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng) 4 種脆弱性管理模型：基于控制論的管理模型、市場模型、民間社會模型和網(wǎng)絡(luò)模型。

在經(jīng)濟領(lǐng)域，文獻(xiàn)[8-10]考慮了基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)對經(jīng)濟的影響，并考慮了核心貿(mào)易指標(biāo)、勞動力的收入損失、受影響的員工數(shù)目、以及面臨的內(nèi)部和外部風(fēng)險等不同因素。

在關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施方面，文獻(xiàn)[11，12]借鑒復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論與方法，歸納并提出關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)脆弱性研究的相關(guān)概念體系；構(gòu)建關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)研究模型；進(jìn)而從結(jié)構(gòu)和功能兩個角度分析關(guān)聯(lián)基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的脆弱性，設(shè)計網(wǎng)絡(luò)調(diào)整策略。

總體而言，當(dāng)前研究在不同領(lǐng)域中對脆弱性概念及其重要性的認(rèn)識趨于一致，且研究范圍幾乎涵蓋基礎(chǔ)設(shè)施各系統(tǒng)，但關(guān)于脆弱性的本質(zhì)及其構(gòu)成要素的問題始終存在分歧。當(dāng)前研究已不局限于單一系統(tǒng)脆弱性研究，普遍開始關(guān)注多系統(tǒng)關(guān)聯(lián)性。總結(jié)已有文獻(xiàn)對本文研究有以下啟示：①基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的脆弱性隨技術(shù)系統(tǒng)的復(fù)雜性越高而更容易暴露；②ULS通過地下貨運服務(wù)與地面物流在時空交疊，形成多重覆蓋、相互協(xié)調(diào)的綜合物流網(wǎng)絡(luò)。對ULS脆弱性的研究不能孤立的進(jìn)行，多種物流系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)性分析至關(guān)重要。

3 ULS網(wǎng)絡(luò)運營脆弱性分析

3.1 運行階段事故統(tǒng)計

運營事故類比地鐵、公交以及地上物流運營事故研究分析，見表1、表2、表3。

3.1.1 事故統(tǒng)計類比地鐵、公交、物流系統(tǒng)

由三張表格對比分析可以看出，人為因素是在三種事故中所占比例最大，其次是自然災(zāi)害環(huán)境和行車事故。

3.1.2 事故分類

假定將自動導(dǎo)引運輸車（AGV）應(yīng)用于地下物流系統(tǒng)，AGV由車體、蓄電池、車上充電裝置、控制系統(tǒng)、驅(qū)動裝置、轉(zhuǎn)向裝置、精確定位裝置、移載機構(gòu)、通信單元和導(dǎo)引系統(tǒng)構(gòu)成。物流搬運AGV的關(guān)鍵技術(shù)有傳感器技術(shù)、智能控制技術(shù)、直流電源技術(shù)，AGV的正常工作需要車體本身、三大技術(shù)與外部環(huán)境的緊密配合。

綜合國內(nèi)外地鐵、公交以及地上物流運營事故的分類，并結(jié)合地下物流（以AGV為例）自身特征，對ULS運營事故進(jìn)行以下分類，見表4。

對比分析地鐵、公交、地上物流三大系統(tǒng)的各類運營事故所占比例并結(jié)合地下物流本身的特征，設(shè)備設(shè)施類事故、聯(lián)運類事故、人為事故、服務(wù)事故可能是主要事故。

3.2設(shè)備設(shè)施脆弱性分析

設(shè)備設(shè)施的脆弱性分為結(jié)構(gòu)脆弱性和物理脆弱性。設(shè)備設(shè)施一般先由物理脆弱性引發(fā)局部事故，同時設(shè)備設(shè)施內(nèi)存在結(jié)構(gòu)脆弱性，從而局部事故迅速干擾傳播，最終引發(fā)整體事故。

結(jié)構(gòu)脆弱性主要是指ULS的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形式以及運行方式的脆弱性，反映的是各實體之間的關(guān)系。當(dāng)某個實體失效，這種失效將會以一定的形式傳播給與之相連的實體，實體之間再進(jìn)行相互傳播，最后整個系統(tǒng)癱瘓。例如，當(dāng)某輛AGV發(fā)生故障停運，與之同一條線路的車輛受其影響暫緩運行，該線路因此失效，由于線路的連通性，勢必會影響其他線路的運行。貨運與客運最大的不同是，貨運具有滯留性，人本身具有流動性，ULS要與其他交通系統(tǒng)聯(lián)運，會形成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)潢P(guān)系。當(dāng)聯(lián)運任一環(huán)節(jié)癱瘓后，其他系統(tǒng)會出現(xiàn)級聯(lián)效應(yīng)，最終整體運輸系統(tǒng)癱瘓，會造成城市的經(jīng)濟損失與不良的社會影響。

物理脆弱性是指ULS各組成元件的脆弱性。側(cè)重強調(diào)物理設(shè)備可靠性，及操作人員對不同子系統(tǒng)的操作和協(xié)調(diào)能力。當(dāng)某個子系統(tǒng)的組成元件表現(xiàn)為脆弱，或者是恢復(fù)力比較差，易受干擾，當(dāng)出現(xiàn)某個干擾事件時，該元件的失效導(dǎo)致子系統(tǒng)不能運作，進(jìn)而失效在子系統(tǒng)之間傳播，最終整個ULS失效。例如，AGV車體由于干擾失效，控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向裝置等隨之失效，由于各種系統(tǒng)的接連失效導(dǎo)致ULS故障。

3.3 協(xié)同脆弱性分析

在協(xié)同轉(zhuǎn)運的過程中，可能會出現(xiàn)低效率而導(dǎo)致貨物堆積，致使交通網(wǎng)絡(luò)無法疏通，對社會對經(jīng)濟都會造成巨大的損失。

假設(shè)一批貨物要從A地運往B地，運輸過程圖2所示。

地下物流相比較于一般的運輸會涉及到貨物從地上到地下或是地下到地上的轉(zhuǎn)運問題，此時就涉及到了協(xié)同性，貨物從一個運載裝置順利轉(zhuǎn)移到另一個運載裝置需要人與機器、機器與機器等之間的配合。一旦配合失敗將會導(dǎo)致嚴(yán)重的損失。配合失敗的原因有三：第一，溝通不暢或銜接過程效率低下；第二，聯(lián)運各方運能不匹配，或運營模式存在問題；第三，貨物運輸?shù)睫D(zhuǎn)運站后未及時運出。

3.4 服務(wù)系統(tǒng)脆弱性分析

服務(wù)系統(tǒng)主要包括各類操作人員以及維修人員，他們負(fù)責(zé)ULS的啟動、運行、停止、監(jiān)控、檢修等各項工作。各類人員需要熟練掌握其工作的操作流程，遵守工作的規(guī)章制度。在建成的初期，工作人員對新系統(tǒng)必然會經(jīng)歷了解到熟悉的過程，由于對工作的不熟悉，此時也是操作失誤率最高的時候，即服務(wù)系統(tǒng)的脆弱性比較高。在正常運營階段，操作失誤率會降低，服務(wù)系統(tǒng)的脆弱性比較低。但由于人的行為是主觀因素，會受到外界環(huán)境的影響，失誤行為不可避免，造成的影響可大可小。因此，分析服務(wù)系統(tǒng)的脆弱性是十分必要的。

4 地下物流運行脆弱性在事故發(fā)生中的影響分析

地下物流的結(jié)構(gòu)脆弱性、物理脆弱性、社會功能脆弱性都不是獨立存在的，它們之間相互聯(lián)系，見圖3。

設(shè)備設(shè)施脆弱性、服務(wù)系統(tǒng)脆弱性以及協(xié)同脆弱性都不是獨立存在的，他們之間相互交叉相互影響。例如在服務(wù)系統(tǒng)中由于某工作人員的操作行為不當(dāng)導(dǎo)致信號系統(tǒng)受到干擾，設(shè)備某組成部分不能正常運行，由于各結(jié)構(gòu)之間相互干擾影響，導(dǎo)致整個設(shè)備系統(tǒng)失效，從而運行延誤，由于ULS的協(xié)同性，一個系統(tǒng)停止工作勢必會影響其他系統(tǒng)的工作，最終導(dǎo)致貨物不能及時到達(dá)目的地。上述事件中，由于服務(wù)系統(tǒng)脆弱性引發(fā)的人為事故，結(jié)構(gòu)脆弱性使該事故的影響在設(shè)備設(shè)施中傳播，協(xié)同脆弱性使地下物流癱瘓事故在其他系統(tǒng)中蔓延。其中，服務(wù)系統(tǒng)脆弱性是一次干擾，結(jié)構(gòu)脆弱性是二次干擾，協(xié)同脆弱性是三次干擾。這些干擾會導(dǎo)致設(shè)備設(shè)施損壞、貨物積壓過多，最終整個城市交通網(wǎng)絡(luò)癱瘓。一體化的城市交通網(wǎng)絡(luò)能帶來經(jīng)濟效益和社會效益，同時也能造成交通網(wǎng)的癱瘓以及巨大的經(jīng)濟損失。

5 結(jié)論

本文借鑒以往基礎(chǔ)設(shè)施脆弱性的研究解析和定義了ULS運行的脆弱性，分析了ULS的三大運行特征：復(fù)雜性、動態(tài)性、協(xié)同性。類比地鐵、公交、物流系統(tǒng)的各類運營事故對ULS的事故類型進(jìn)行了分類描述。指出ULS的脆弱性主要包括設(shè)備設(shè)施脆弱性、社會功能脆弱性、協(xié)同脆弱性進(jìn)行探討，其中設(shè)備設(shè)施與社會功能脆弱性對ULS內(nèi)部產(chǎn)生影響，協(xié)同脆弱性則是在系統(tǒng)與系統(tǒng)之間產(chǎn)生影響?；诒疚奈磥磉€需要對ULS進(jìn)行深入研究：①根據(jù)ULS的實際運行情況，結(jié)合ULS的組成元件以及結(jié)構(gòu)布局對設(shè)備設(shè)施脆弱性進(jìn)行分析；②對ULS與其他系統(tǒng)之間的關(guān)系進(jìn)行定量分析；③在ULS實際運行過程中，對工作人員的狀態(tài)及時關(guān)注，分析具體的不合理行為對ULS運行造成的影響。