高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)劃分與布置方法研究

丁小東，周凌云，許植深，王涵晴，唐 力

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 運(yùn)輸及經(jīng)濟(jì)研究所，北京 100081)

2019年我國快遞市場業(yè)務(wù)量達(dá)635億件，同比增長25.3%，2020年前11月，在全球新冠肺炎疫情影響下，我國快遞市場仍然保持30.5%的增速，尤其2020年9月增速創(chuàng)近幾年新高達(dá)45%[1]，成為我國經(jīng)濟(jì)復(fù)工復(fù)產(chǎn)的重要行業(yè)。為了滿足快速增長的高端遞送需求，國家高度重視高鐵快運(yùn)的發(fā)展，提出要加強(qiáng)高鐵貨運(yùn)能力建設(shè)[2]，《交通強(qiáng)國建設(shè)綱要》要求創(chuàng)新高速輪軌貨運(yùn)列車技術(shù)[3]。與公路汽運(yùn)和航空全貨機(jī)相比，高鐵快運(yùn)具有運(yùn)行速度高、送達(dá)時(shí)效準(zhǔn)、載運(yùn)能力大、節(jié)能環(huán)保優(yōu)等技術(shù)經(jīng)濟(jì)特征，將成為引領(lǐng)我國快遞物流高質(zhì)量發(fā)展的重要手段。但是，高速鐵路場站在設(shè)計(jì)時(shí)，僅考慮了客運(yùn)服務(wù)功能，未預(yù)留貨物進(jìn)出車站和上下站臺的通道設(shè)施，導(dǎo)致現(xiàn)有高速鐵路客運(yùn)場站不具備辦理整列高鐵快運(yùn)條件。因此，需要建設(shè)專門的高鐵快運(yùn)基地，滿足整列高鐵快運(yùn)動車組裝卸、存放、檢修等需求。高鐵快運(yùn)基地設(shè)計(jì)需要綜合考慮高鐵快運(yùn)動車組、快件聯(lián)運(yùn)集裝器等裝備技術(shù)參數(shù)，而現(xiàn)行的高鐵客運(yùn)場站、普速物流基地、動車段的設(shè)計(jì)規(guī)范還不能滿足高鐵快運(yùn)基地設(shè)計(jì)要求。在此背景下，需要研究高鐵快運(yùn)基地設(shè)計(jì)方法，明確高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)劃分方法與布置方案，指導(dǎo)高鐵快運(yùn)基地設(shè)計(jì)與建設(shè)。

1 高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)劃分

1.1 作業(yè)需求

通過對北京南高鐵快運(yùn)分撥中心、廣州南高鐵快運(yùn)分撥中心，以及首都機(jī)場航空貨運(yùn)港、深圳機(jī)場航空貨運(yùn)港現(xiàn)場寫實(shí)調(diào)研，高鐵快運(yùn)基地作業(yè)需求總體可以分為發(fā)送作業(yè)、到達(dá)作業(yè)和生產(chǎn)生活配套作業(yè)3種類型。

（1）高鐵快運(yùn)基地發(fā)送作業(yè)主要包括貨物存儲、汽車到達(dá)、零散快件發(fā)送分揀、高鐵快運(yùn)集裝箱發(fā)送分撥、高鐵快運(yùn)動車組發(fā)車、高鐵快運(yùn)動車組存車、高鐵快運(yùn)動車組檢修等作業(yè)。在上述作業(yè)中，貨物存儲、零散快件發(fā)送分揀、高鐵快運(yùn)動車組發(fā)檢修為基地非必要需求，其中，貨物存儲作業(yè)一般僅針對貨主入駐高鐵快運(yùn)基地情況，否則在客戶倉庫中完成；零散快件發(fā)送分揀作業(yè)包括貨物交接、安檢、發(fā)送分撥、高鐵快運(yùn)集裝箱裝箱等功能，該作業(yè)可以在快遞企業(yè)分撥中心完成；高鐵快運(yùn)動車組發(fā)檢修作業(yè)可以在客運(yùn)動車所內(nèi)完成，不用單獨(dú)設(shè)置。其他作業(yè)為必要作業(yè)需求。

（2）高鐵快運(yùn)基地到達(dá)作業(yè)需求可以劃分為高鐵快運(yùn)動車組到達(dá)、高鐵快運(yùn)動車組存車、高鐵快運(yùn)動車組檢修、高鐵快運(yùn)集裝箱到達(dá)分揀、零散快件到分撥、汽車發(fā)車等作業(yè)，其中，高鐵快運(yùn)動車組到達(dá)、高鐵快運(yùn)集裝箱到發(fā)分揀、汽車發(fā)送為基地必須作業(yè)需求。在設(shè)計(jì)高鐵快運(yùn)基地時(shí)，如面臨用地受限的情況，高鐵快運(yùn)動車組存車和檢修可以在載客動車組動車所內(nèi)完成，零散快件到分撥可以在快遞企業(yè)分撥中心完成，不用單獨(dú)設(shè)置。

（3）高鐵快運(yùn)基地配套作業(yè)需求主要包括高鐵快運(yùn)辦公配套作業(yè)和生活配套作業(yè)。高鐵快運(yùn)辦公配套作業(yè)需要提供業(yè)務(wù)受理、在線辦公、信息查詢等功能，高鐵快運(yùn)生活配套作業(yè)需要提供餐飲、住宿、停車等功能。該部分提出的高鐵快運(yùn)基地配套作業(yè)主要是面向鐵路端的配套需求，為鐵路職工提供相關(guān)的生產(chǎn)和生活配套服務(wù)，一般情況該作業(yè)區(qū)由相關(guān)鐵路局集團(tuán)公司或者中鐵快運(yùn)股份有限公司主導(dǎo)建設(shè)。

1.2 功能區(qū)劃分模型

針對傳統(tǒng)物流基地設(shè)計(jì)過程存在黑箱設(shè)計(jì)問題，引入公理化設(shè)計(jì)理論[4]，以高鐵快運(yùn)基地作業(yè)需求為劃分，按照“需求分解—功能匹配—功能區(qū)聚類”的總體思路，采用需求傳遞方法構(gòu)建高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)劃分結(jié)構(gòu)模型。高鐵快運(yùn)功能區(qū)劃分結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

功能區(qū)劃分主要步驟如下。

步驟1：需求分解。根據(jù)高鐵快運(yùn)基地功能定位，細(xì)分基地需要實(shí)現(xiàn)的作業(yè)需求，同時(shí)可按作業(yè)環(huán)節(jié)進(jìn)一步細(xì)化，將高鐵快運(yùn)基地各項(xiàng)作業(yè)需求分解至主要作業(yè)環(huán)節(jié)。

步驟2：功能匹配。根據(jù)《物流術(shù)語》[5]相關(guān)定義規(guī)定，按照相互依存、相互獨(dú)立、相互協(xié)作等原則，將高鐵快運(yùn)基地需要實(shí)現(xiàn)的功能劃分為儲存、搬運(yùn)、裝卸、分撥、暫存等標(biāo)準(zhǔn)化功能，對完成功能與作業(yè)需求之間的匹配工作，按照獨(dú)立標(biāo)號原則對功能依次編號。

步驟3：功能區(qū)聚類。結(jié)合各功能之間的相似度，將相似度接近的功能區(qū)進(jìn)行聚類合并。

圖1 高鐵快運(yùn)功能區(qū)劃分結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Structural model of functional area division of high-speed railway express

1.3 功能區(qū)聚類

按照集約化、規(guī)模化、集中化設(shè)計(jì)原則，將高鐵快運(yùn)基地具有相似功能的功能區(qū)進(jìn)行集中化設(shè)計(jì)，因而需要對功能區(qū)聚類處理。令i和j為功能區(qū)的指示變量，且i≠j，m為功能區(qū)數(shù)量，則高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)集合可以表示為L= {l1，l2，…，lm}，k= {1，2，…，n，…，N}為功能區(qū)對應(yīng)的功能參數(shù)，每個(gè)參數(shù)表示該功能區(qū)具備的某項(xiàng)功能，則功能區(qū)li會衍生出一組向量{li1，li2，…，lin， …，LiN}。θ= {i，j= 1，2，…，m}。表示功能區(qū)li與lj之間的相似度，則可建立關(guān)于L的相似矩陣集Z(li，lj) =θij，0 ≤θij≤ 1，相似矩陣計(jì)算方法如下。

式中：ωk為功能區(qū)k對應(yīng)的聚類權(quán)重；M為常數(shù)，且有0 ≤θij≤ 1。

通過計(jì)算高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)之間相似度，將相似矩陣中完全相同的行對應(yīng)的功能區(qū)合并成為一個(gè)類，其他行對應(yīng)的功能區(qū)獨(dú)自成為一個(gè)類。高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)聚類過程可以分為聚類指標(biāo)選取、標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)處理、加權(quán)模糊矩陣建立、加權(quán)模糊相似矩陣修正、模糊等價(jià)關(guān)系建立、最佳閾值確定及聚類等環(huán)節(jié)[6]。

1.4 高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)劃分方案

基于高鐵快運(yùn)基地需求分析結(jié)論，一是從貨物發(fā)送作業(yè)需求、貨物到達(dá)作業(yè)需求、配套作業(yè)需求3個(gè)方面，將高鐵快運(yùn)基地作業(yè)需求劃分為貨物存儲、汽車到達(dá)、零散快件發(fā)送分撥等15個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)，梳理出貨物常溫儲存、貨物冷鏈儲存、汽車停車、汽車裝卸等29項(xiàng)功能，其中常溫儲存、貨物冷鏈儲存、快件安檢等10項(xiàng)為高鐵快運(yùn)基地非必要功能。二是結(jié)合功能區(qū)聚類方法，研究提出高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)可以劃分為貨物倉儲區(qū)、汽車停車區(qū)、汽車裝卸區(qū)、零散快件分撥區(qū)、高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)區(qū)、高鐵快運(yùn)動車組裝卸區(qū)、高鐵快運(yùn)動車組接發(fā)區(qū)、高鐵快運(yùn)動車組存放區(qū)、高鐵快運(yùn)動車組檢修區(qū)和高鐵快運(yùn)生產(chǎn)生活配套區(qū)。

綜上分析，高鐵快運(yùn)基地需要建設(shè)的設(shè)施有貨物存儲庫、汽車停車場、零散快件分撥中心、高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心、高鐵快運(yùn)動車組裝卸站臺、高鐵快運(yùn)動車組裝卸線、高鐵快運(yùn)動車組存車場、高鐵快運(yùn)動車組檢修庫、高鐵快運(yùn)綜合辦公樓，其中零散快件分撥中心和高鐵快運(yùn)動車組檢修庫為非必要建設(shè)設(shè)施。高鐵快運(yùn)功能區(qū)劃分方案如圖2所示。

2 高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置

2.1 基于搬運(yùn)作業(yè)量的功能區(qū)布置模型

在普速物流基地設(shè)計(jì)領(lǐng)域，按照《鐵路物流中心設(shè)計(jì)規(guī)范》(Q/CR 9133-2016)要求[7]，通過對影響功能區(qū)布局因素量化分析，已經(jīng)解決普速物流基地功能區(qū)定量劃分和布置問題[8]；在高鐵快運(yùn)基地設(shè)計(jì)領(lǐng)域，主要采用定性分析方法，探討高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置方案[9]。因此，基于普速物流基地功能區(qū)布置方法，結(jié)合高鐵快運(yùn)基地作業(yè)流程，以各功能區(qū)快件搬運(yùn)周轉(zhuǎn)量最低為優(yōu)化目標(biāo)，構(gòu)建基于搬運(yùn)作業(yè)量高鐵快運(yùn)功能區(qū)優(yōu)化模型計(jì)算公式為

圖2 高鐵快運(yùn)功能區(qū)劃分方案Fig.2 Functional area division scheme of high-speed railway express

式中：Z1為各功能區(qū)快件搬運(yùn)周轉(zhuǎn)量；i和j為功能區(qū)編號，且i≠j；n為功能區(qū)數(shù)量；cij為由功能區(qū)i向功能區(qū)j的單位搬運(yùn)成本；dij為功能區(qū)i與功能區(qū)j之間的距離；xi為功能區(qū)i中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)；yi為功能區(qū)i中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)；xj為功能區(qū)j中心點(diǎn)的橫坐標(biāo)；yj為功能區(qū)j中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)；fij為由功能區(qū)i向功能區(qū)j的流向強(qiáng)度；qij為功能區(qū)i向功能區(qū)j的作業(yè)量；λij為由功能區(qū)i向功能區(qū)j的作業(yè)次數(shù)。

令hi為功能區(qū)i的水平邊長；ui為功能區(qū)i的垂直邊長；hi為功能區(qū)j的水平邊長；uj為功能區(qū)j的垂直邊長，高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布局示意圖如圖3所示。

2.2 基于鄰接度的功能區(qū)布置模型

基于Muther[10]在1961年提出的傳統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)施規(guī)劃布置方法(Systematic Layout Planning，SLP)，以任意2個(gè)功能區(qū)之間的鄰接度為研究對象，以所有功能區(qū)之間鄰接度總和最小為目標(biāo)，構(gòu)建功能區(qū)鄰接度的高鐵快運(yùn)功能區(qū)優(yōu)化模型。

式中：Z2為各功能區(qū)之間鄰接度總和；i和j為功能區(qū)編號，且i≠j；n為功能區(qū)數(shù)量；Tij為功能區(qū)i與功能區(qū)j之間的距離；Bij為功能區(qū)i與功能區(qū)j之間的鄰接度；dmax為高鐵快運(yùn)基地長邊與寬邊的長度之和。

2.3 高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)綜合布置模型

以高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布局方案最優(yōu)為目標(biāo)，綜合考慮高鐵快運(yùn)基地各功能區(qū)比鄰關(guān)系和全程搬運(yùn)成本，構(gòu)建雙目標(biāo)函數(shù)的高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布局模型，將多目標(biāo)函數(shù)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)函數(shù)。

式中：ω1為貨物搬運(yùn)成本的權(quán)重；ω2為綜合相關(guān)度的權(quán)重，且有ω1+ω2= 1，μ1，μ2為常數(shù)，且有。

2.4 高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置方案

通過研究高鐵快運(yùn)各功能區(qū)間搬運(yùn)流量強(qiáng)度和鄰接度，構(gòu)建了高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)綜合布置模型，在高鐵快運(yùn)基地實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，總體可以分為高鐵快運(yùn)其他各功能區(qū)流量強(qiáng)度計(jì)算、各功能區(qū)鄰接關(guān)系計(jì)算和綜合布置方案生產(chǎn)3個(gè)環(huán)節(jié)。

（1）高鐵快運(yùn)其他各功能區(qū)流量強(qiáng)度。結(jié)合高鐵快運(yùn)基地作業(yè)需求和功能區(qū)劃分結(jié)果，明確哪些功能區(qū)之間存在貨物交流量，若在功能區(qū)內(nèi)不改變貨物形態(tài)，則貨物流量大小保持不變，計(jì)為1，若在功能區(qū)內(nèi)需要完成流通加工、包裝等作業(yè)，則需乘以相應(yīng)調(diào)整系數(shù)，高鐵快運(yùn)基地不需要流通加工等作業(yè)，因此功能區(qū)之間若發(fā)生貨物交流均按1計(jì)算；此外，統(tǒng)計(jì)各功能區(qū)之間作業(yè)次數(shù)。獲取功能區(qū)間貨物流量和作業(yè)次數(shù)后，根據(jù)公式(5)可以計(jì)算出高鐵快運(yùn)基地9個(gè)功能區(qū)之間的流量強(qiáng)度。高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)間流量強(qiáng)度如表1所示。

表 1 高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)間流量強(qiáng)度Tab.1 Traffic flow strength among high-speed railway express base functional areas

（2）高鐵快運(yùn)其他各功能區(qū)鄰接關(guān)系。結(jié)合高鐵快運(yùn)基地作業(yè)需求分析，采用傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)施規(guī)劃布置方法，邀請行業(yè)專家對各功能區(qū)鄰接關(guān)系進(jìn)行打分，結(jié)合表1給出的高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)間流量強(qiáng)度結(jié)果，按照公式(8)中功能區(qū)鄰接度計(jì)算方法，計(jì)算出各功能區(qū)鄰接關(guān)系，然后根據(jù)鄰接關(guān)系大小，劃分成0，0.2，0.4，0.6，0.8和1共 6個(gè)等級，功能區(qū)間鄰接關(guān)系如圖4所示。在圖4中，數(shù)字0表示功能區(qū)之間不存在業(yè)務(wù)交流，數(shù)字值越大表示兩者之間鄰接關(guān)系越緊密。

（3）高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置方案?？紤]到高鐵快運(yùn)動車組的作業(yè)和行車安全，高鐵快運(yùn)動車組裝卸、存車、檢修等作業(yè)與要公路汽車實(shí)行物理隔離布置，常見的物理隔離布置方案有“I型”“L型”“回型”3種。由功能區(qū)鄰接關(guān)系圖可以看出，高鐵快運(yùn)基地鐵路側(cè)只有高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心與公路側(cè)汽車停車場和零散快件分撥中心之間存在直接鄰接關(guān)系。因此，在研究高鐵快運(yùn)基地鐵路側(cè)與公路側(cè)隔離布置時(shí)，需以高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心為隔離邊界，為了提升基地土地利用空間，應(yīng)采用“L型”物理隔離布置方案。

圖4 功能區(qū)間鄰接關(guān)系圖Fig.4 Adjacency graph between functional areas

基于高鐵快運(yùn)基地各功能區(qū)間流量強(qiáng)度計(jì)算、鄰接關(guān)系分析，以及鐵路側(cè)與公路側(cè)布置方案，考慮主要功能區(qū)之間貨物交流量，研究提出高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置方案。高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置方案如圖5所示。

圖5 高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置方案Fig.5 Functional area layout plan of the high-speed railway express base

在鐵路側(cè)布置方案中，高鐵快運(yùn)動車組存車場與高鐵快運(yùn)動車組裝卸場(含高鐵快運(yùn)裝卸站臺與裝卸線)采用橫列式布局，高鐵快運(yùn)動車組裝卸場與高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心采用盡頭式布局，根據(jù)實(shí)際條件布置高鐵快運(yùn)動車組檢修庫。在公路側(cè)布局中，公路汽車停車場緊鄰高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心，根據(jù)實(shí)際需要依次布置零散快件分撥中心、貨物儲存庫。

3 研究結(jié)論

通過對高鐵快運(yùn)基地作業(yè)流程系統(tǒng)分析，提出高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)劃分及布置方法，研究得出以下結(jié)論。

（1）高鐵快運(yùn)基地可以劃分為貨物存儲庫、汽車停車場、零散快件分撥中心、高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心、高鐵快運(yùn)動車組裝卸站臺、高鐵快運(yùn)動車組裝卸線、高鐵快運(yùn)動車組存車場、高鐵快運(yùn)動車組檢修庫、高鐵快運(yùn)綜合辦公樓9個(gè)基本功能區(qū)，具體設(shè)計(jì)可按項(xiàng)目建設(shè)條件適應(yīng)性選擇。

（2）高鐵快運(yùn)基地功能區(qū)布置，需要總體劃分為鐵路側(cè)與公路側(cè)，為了防止公路側(cè)社會車輛對高鐵快運(yùn)車輛作業(yè)帶來安全隱患，建議在高鐵快運(yùn)基地鐵路側(cè)和公路側(cè)之間采取“L型”物理隔離措施，二者之間可以通過高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心實(shí)現(xiàn)貨物、人員交流。

（3）在鐵路側(cè)，存車場與裝卸場宜采用橫列式布局，裝卸場與集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心宜采用盡頭式布局；在公路側(cè)，公路汽車停車場緊鄰高鐵快運(yùn)集裝箱轉(zhuǎn)運(yùn)中心，依次布置設(shè)零散快件分撥中心、貨物儲存庫。聚焦高鐵快運(yùn)基地總體布局技術(shù)，接下來應(yīng)重點(diǎn)研究高鐵快運(yùn)裝卸站臺、存車線等核心設(shè)施設(shè)計(jì)參數(shù)。