城市軌道交通線路提供貨運(yùn)服務(wù)的理論研究與實(shí)踐案例

馮 佳 ，劉劍鋒，金 奕，豆 飛，毛保華

（1. 北京交通大學(xué)城市軌道交通研究中心，北京 100044；2. 北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司交通研究中心， 北京 100037；3. 北京市軌道交通設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100068；4. 北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 100044）

1 發(fā)展概況

目前大城市綜合交通系統(tǒng)中存在兩個(gè)主要矛盾：一是客運(yùn)需求的時(shí)空不均衡性與大規(guī)模軌道交通網(wǎng)絡(luò)可供給運(yùn)能間的矛盾，二是日益增長(zhǎng)的多樣化貨運(yùn)需求與既有的單一城市貨運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)輸產(chǎn)品的矛盾。一方面，早晚高峰時(shí)段客運(yùn)需求強(qiáng)勁，部分區(qū)段滿載率超過120%；另一方面，在部分郊區(qū)線路或非高峰時(shí)段等客運(yùn)需求不強(qiáng)烈的時(shí)空節(jié)點(diǎn)，線路、車輛和基礎(chǔ)設(shè)施未得到充分利用。與此同時(shí)，城市貨運(yùn)需求隨著電子商務(wù)和物流系統(tǒng)的發(fā)展而快速增長(zhǎng)，北京市快遞業(yè)務(wù)量自2010 年的1.8 億件增至2019 年的22.87 億件，年均增速超過37%?？爝f類貨物占總貨運(yùn)量的比例在15%～20%。而城市內(nèi)貨運(yùn)服務(wù)全鏈條依賴于道路運(yùn)輸，這進(jìn)一步加劇了城市擁堵與交通碳排放。有研究表明，客貨運(yùn)輸各占交通溫室氣體排放量的一半左右。在嚴(yán)峻的碳減排形勢(shì)下，有學(xué)者提出，未來城市物流的最大機(jī)遇在于公共交通和城市貨運(yùn)的綜合服務(wù)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，日本、荷蘭和美國(guó)的許多城市也推出了在非高峰時(shí)段運(yùn)送貨物的共享地鐵倡議。

目前，利用軌道交通客運(yùn)線路提供貨運(yùn)服務(wù)的前期研究相對(duì)較少，筆者按理論研究和實(shí)踐探索兩類進(jìn)行綜述，以期為后續(xù)研究提供參考。

2 理論研究

客貨運(yùn)輸協(xié)同系統(tǒng)的系統(tǒng)布局及運(yùn)輸組織流程，可借鑒城市軌道交通及高速鐵路的相關(guān)研究經(jīng)驗(yàn)。

2.1 高速鐵路

在貨物運(yùn)輸組織方法研究中，Troche 對(duì)高鐵貨物運(yùn)輸進(jìn)行了定義，確定服務(wù)高鐵貨運(yùn)的列車開行速度應(yīng)高于200 km/h，并研究了高鐵貨運(yùn)裝載、中轉(zhuǎn)及車輛技術(shù)，認(rèn)為高鐵貨運(yùn)應(yīng)服務(wù)于郵件和快捷貨物。針對(duì)高鐵網(wǎng)絡(luò)，Cacchiani 等基于客運(yùn)列車時(shí)刻表，根據(jù)貨運(yùn)需求增開貨物列車的時(shí)刻表和運(yùn)行徑路進(jìn)行優(yōu)化。Kordnejad 建立了一個(gè)以區(qū)域鐵路為基礎(chǔ)的多式聯(lián)運(yùn)系統(tǒng)模型，通過實(shí)例研究發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)可行最關(guān)鍵的影響因素是列車裝載空間利用率和終端裝卸成本。Talebian 等以單線鐵路乘客旅行時(shí)間損失最小和貨運(yùn)需求損失最小為目標(biāo)，構(gòu)建客貨列車時(shí)刻表的雙層優(yōu)化模型。Liu 等設(shè)計(jì)了先優(yōu)化客運(yùn)列車、再優(yōu)化貨運(yùn)列車的分解算法，以提升模型在規(guī)模問題下的求解效率。Yu 等先提出基于列車備選集的高鐵貨運(yùn)列車開行方案的兩階段編制模型，后提出了基于開行方案和考慮貨流分擔(dān)的運(yùn)行圖優(yōu)化模型。

既有高鐵客貨共運(yùn)模型多針對(duì)增開貨物專列問題來優(yōu)化列車運(yùn)行路徑和時(shí)刻表，這可為城市軌道交通客貨共運(yùn)方案提供方法借鑒。但鐵路列車停站時(shí)分較長(zhǎng)、車站倉(cāng)儲(chǔ)能力充足，制定方案時(shí)主要考慮貨物運(yùn)輸過程，對(duì)貨物裝卸和車站倉(cāng)儲(chǔ)等問題考慮較少。而城市軌道交通停站時(shí)分較短，且車站用地緊張，不能直接照搬鐵路客貨共運(yùn)技術(shù)。

2.2 低速軌道交通

由于城市地面交通擁堵加劇、尾氣排放、貨車駕駛勞動(dòng)力短缺等多種因素，部分學(xué)者在利用城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸方面進(jìn)行了探討。Rijssenbrij等首次提出利用地鐵系統(tǒng)的多余運(yùn)能開展客貨混運(yùn)的觀點(diǎn)。Kikuta 等將札幌市軌道交通系統(tǒng)與傳統(tǒng)貨車運(yùn)輸系統(tǒng)整合，提出了一個(gè)新的城市物流配送系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了郊區(qū)到市中心貨物的有效運(yùn)輸。Masson 等針對(duì)軌道交通開展配送的路線集貨與送貨問題，提出用分支價(jià)格算法解決的方案。Masson 等在分析地鐵運(yùn)輸能力的基礎(chǔ)上，提出利用城市地鐵系統(tǒng)進(jìn)行貨運(yùn)，在白天非客運(yùn)高峰實(shí)施客貨混運(yùn)、夜間開通貨運(yùn)專列的想法。Ozturk 等基于既有客運(yùn)列車時(shí)刻表，在兩客運(yùn)列車間插入一列貨運(yùn)列車，利用既有客運(yùn)站臺(tái)裝卸貨物，以最小化貨物送達(dá)延遲時(shí)間為目標(biāo)，構(gòu)建混合整數(shù)優(yōu)化模型。Behiri 等以巴黎鐵路網(wǎng)為例，考慮利用既有客運(yùn)車輛開展貨運(yùn)服務(wù)，貨物采用標(biāo)準(zhǔn)化箱體為單位進(jìn)行運(yùn)輸；以貨物在起點(diǎn)站等待裝車時(shí)間最小為時(shí)刻表優(yōu)化目標(biāo)，提出啟發(fā)式算法來求解大規(guī)模問題。

目前部分研究分別針對(duì)貨運(yùn)專列和客貨共載形式下的列車時(shí)刻表優(yōu)化方法進(jìn)行了探討，但未進(jìn)一步討論編組、停站方案等開行方案的內(nèi)容，更未涉及系統(tǒng)建設(shè)層面；同時(shí)，優(yōu)化思路中對(duì)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益缺乏必要考量。

2.3 研究現(xiàn)狀

1) 從研究方法來看，既有研究中，針對(duì)軌道交通系統(tǒng)在給定客運(yùn)需求條件下能提供給貨運(yùn)服務(wù)的能力未有明晰的定義，有待進(jìn)一步深入研究。

2) 從理論深度來看，軌道交通客貨協(xié)同運(yùn)輸系統(tǒng)的時(shí)空資源在多個(gè)維度、多個(gè)層面上受多種因素的影響，如何選取合適的研究方法刻畫該系統(tǒng)供給層面的關(guān)鍵參數(shù)，是急需突破的核心問題。

3) 從優(yōu)化目標(biāo)來看，盡管近年來對(duì)客運(yùn)軌道交通系統(tǒng)進(jìn)行貨物運(yùn)輸逐漸受到重視，相關(guān)研究也初見端倪，但主要集中在運(yùn)營(yíng)企業(yè)自身的效益層面，未能充分考慮社會(huì)效益。

4) 從決策層次來看，研究多集中在單一線路時(shí)刻表的優(yōu)化層面，未進(jìn)一步討論停站方案、貨場(chǎng)選址等線網(wǎng)和開行方案層級(jí)的內(nèi)容，沒有充分釋放客運(yùn)軌道交通系統(tǒng)的富余能力，在一定程度上限制了優(yōu)化效果。

3 實(shí)證案例

從國(guó)內(nèi)外研究綜述及新聞報(bào)道中總結(jié)既有的軌道交通進(jìn)行貨運(yùn)的案例，詳見表1。

運(yùn)輸企業(yè)承擔(dān)貨運(yùn)服務(wù)的一般合作模式及運(yùn)輸流程分別如圖1、2 所示。

從圖1 可見，各貨主將貨物委托給貨運(yùn)公司，運(yùn)輸公司整合各貨運(yùn)公司的運(yùn)量后，提供貨運(yùn)服務(wù)。

在以軌道交通方式作為運(yùn)輸流程主體的情況下，可以提供兩類運(yùn)輸服務(wù)：客貨混運(yùn)和客貨混跑?？拓浕爝\(yùn)是指利用既有客運(yùn)列車的車廂空間實(shí)現(xiàn)貨物運(yùn)輸，客貨混跑則為在既有客運(yùn)時(shí)刻表中插入貨運(yùn)專列。兩種方式均應(yīng)包括貨物到達(dá)、處理，進(jìn)入軌道交通系統(tǒng)，裝車、運(yùn)輸、卸車，離開軌道交通系統(tǒng)，貨物處理、配送等環(huán)節(jié)，而客貨混跑由于貨運(yùn)量較大，開行專列前往往需要貨物集結(jié)。

表1 軌道交通客運(yùn)線路用于貨運(yùn)的案例 Table 1 Cases of the rail transit passenger line used for freight transportation

圖1 運(yùn)輸企業(yè)提供貨運(yùn)服務(wù)的合作模式 Figure 1 The cooperative mode of transport enterprise for providing freight service

圖2 運(yùn)輸流程 Figure 2 Transport process

3.1 客貨混運(yùn)

客貨混運(yùn)方式的運(yùn)輸組織，重點(diǎn)在于客貨流線分離的可靠性、車廂空間利用方法的安全性，以及裝卸對(duì)客運(yùn)的影響程度。下面介紹日本北越快線、高鐵極速達(dá)以及桃園機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)的運(yùn)輸案例。

3.1.1 北越快線

北越快線客貨混載是在夜間運(yùn)行的2 節(jié)車廂普通列車上進(jìn)行的。由越后湯澤19:53 發(fā)至直江津21:12，直江津20:44 發(fā)至六日町21:48，共2 列，均在途中六日町—光草間搬運(yùn)快遞行李，停車時(shí)分確保為3 min。采用的列車、裝卸過程及貨物在車廂內(nèi)的固定情況分別如圖3(a)～(d)所示。

圖3 北越快線客貨混運(yùn)方式[21] Figure 3 Mixed passenger and freight transport mode of North Vietnam Express

北越快線貨運(yùn)提前將貨物集裝，在列車車廂靠近車門處預(yù)留貨物固定空間，在既有停站時(shí)分內(nèi)實(shí)現(xiàn)裝車、固定、貨運(yùn)工作人員下車的過程。

根據(jù)日本國(guó)土交通省資料顯示，以往卡車運(yùn)輸距離為133 km。采用北越快線運(yùn)送貨物，可將卡車行駛距離控制在20 km 以內(nèi)，減少88%的CO排放量和60%的卡車駕駛時(shí)間。

3.1.2 高鐵極速達(dá)

高鐵極速達(dá)服務(wù)，利用京滬高鐵“復(fù)興號(hào)”動(dòng)車組車廂進(jìn)行貨物運(yùn)輸?！皬?fù)興號(hào)”動(dòng)車組共有2 節(jié)可運(yùn)送“極速達(dá)”產(chǎn)品的車廂，每節(jié)車廂內(nèi)設(shè)有行包專用箱，用來盛放藍(lán)色的快運(yùn)柜，每個(gè)快運(yùn)柜限重25 kg，如圖4 所示。

圖4 高鐵極速達(dá)[20] Figure 4 High-speed railway express

貨物到集散中心后，要經(jīng)過安檢、裝包操作、配載信息處理、上站裝運(yùn)等環(huán)節(jié)。車站內(nèi)快運(yùn)隊(duì)通過專設(shè)通道，利用小推車將藍(lán)色快運(yùn)柜運(yùn)至站臺(tái)，期間需做2 次安檢，需20～30 min；貨物候車，等列車到達(dá)站臺(tái)后，工作人員將24 個(gè)藍(lán)色貨運(yùn)柜搬至車廂貨柜中，將其按照貨柜位置進(jìn)行擺放，整個(gè)裝車過程約需十幾分鐘。貨物到達(dá)目的車站后，需站臺(tái)卸裝、配載信息核對(duì)、拆包操作、分揀裝卡車，再送至城市內(nèi)各個(gè)配送中心。

3.1.3 桃園機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)

桃園機(jī)場(chǎng)捷運(yùn)系統(tǒng)開行直達(dá)車和普通車兩種，其中，直達(dá)車共5 節(jié)，第4 節(jié)為旅客車廂、第1 節(jié)為行李車廂。臺(tái)北車站的自動(dòng)托運(yùn)行李系統(tǒng)自動(dòng)化水平較高，主要過程如圖5 所示。

圖5 桃園機(jī)場(chǎng)捷運(yùn) Figure 5 MRT of Taoyuan International Airport

利用捷運(yùn)系統(tǒng)運(yùn)輸行李是一種較特殊的貨物運(yùn)輸形式，為客貨混編作業(yè)，且對(duì)裝卸效率要求較高。

3.1.4 混運(yùn)案例特點(diǎn)

為了滿足零散化的貨運(yùn)需求，3 個(gè)貨運(yùn)實(shí)例均采用客貨混運(yùn)的方式，即利用列車的某一節(jié)或幾節(jié)車廂進(jìn)行貨物運(yùn)輸作業(yè)。

1) 可利用車輛基地等作為貨物集散中心，既可避免對(duì)客運(yùn)作業(yè)的干擾，也為貨物的集結(jié)、存儲(chǔ)以及裝卸作業(yè)、解編作業(yè)，提供更充分的作業(yè)時(shí)間和空間。

2) 若無車輛段等可作為貨物集散中心，就利用站臺(tái)進(jìn)行貨物裝卸作業(yè)。為了提升裝卸效率，減少對(duì)客運(yùn)作業(yè)的干擾，貨物可采取“運(yùn)裝分離”方案，即利用固定型號(hào)的集裝器裝載貨物，并用人工小推車送至站臺(tái)，待列車停站后，以集裝器為單位進(jìn)行貨物裝卸。

3.2 客貨混跑

客貨混跑方式的運(yùn)輸組織重點(diǎn)在于貨運(yùn)列車貨物集結(jié)與時(shí)效性、貨運(yùn)列車的運(yùn)行速度選擇、貨運(yùn)列車開行方案對(duì)客運(yùn)列車的影響程度。下面主要介紹德國(guó)包裹城際項(xiàng)目(Parcel InterCity，PIC)案例。

PIC 項(xiàng)目南北線由DB 貨運(yùn)和物流服務(wù)提供商DHL 合作實(shí)現(xiàn)，于2000 年投入運(yùn)營(yíng)。貨運(yùn)列車運(yùn)行時(shí)速140 km/h，全長(zhǎng)700 m。

列車基于漢諾威—維爾茨堡高速鐵路，分別從科恩韋斯特海姆(出發(fā)時(shí)間21:09)和慕尼黑—里姆(出發(fā)時(shí)間20:15)發(fā)至漢堡—比爾韋德(到達(dá)時(shí)間4:10)。反方向列車從漢堡—比爾韋德(出發(fā)時(shí)間20:28)開往維爾茨堡，并在那里分開。列車前部開往慕尼黑—里姆(到達(dá)時(shí)間4:25)，后部開往科恩韋斯特海姆(到達(dá)時(shí)間為3:17)。

客戶對(duì)包裹城際的要求側(cè)重于速度和高準(zhǔn)時(shí)性。因此，選擇較高速度列車可在8 h 左右完成運(yùn)行，以保證對(duì)公路貨運(yùn)的競(jìng)爭(zhēng)力。在前13 個(gè)月內(nèi)，包裹城際準(zhǔn)時(shí)率達(dá)96%，每年可節(jié)省約1 300 t 的CO。

列車運(yùn)行時(shí)間為夜間至次日凌晨，DHL 可以最大限度地利用白天時(shí)間進(jìn)行快件的收集、包裝及安檢；次日列車到達(dá)目的地后，經(jīng)過卸載、分揀等操作，即可等待配裝送貨。這樣的安排符合快遞業(yè)“前半夜分揀，后半夜運(yùn)輸，次日早晨派件”的優(yōu)化運(yùn)作方式，如圖6 所示。

圖6 PIC 項(xiàng)目[19] Figure 6 Parcel InterCity Program

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，利用軌道交通客運(yùn)線路富余能力提供貨運(yùn)服務(wù)的理論與實(shí)踐研究方興未艾，目前理論研究

多聚焦在客貨混跑方案的優(yōu)化上，實(shí)踐則以服務(wù)于小批量貨物的客貨混運(yùn)案例居多。在實(shí)證案例中，考慮到降低小批量貨物運(yùn)輸對(duì)客運(yùn)的影響，均采用提前集裝、運(yùn)裝分離形式，并對(duì)客貨流線進(jìn)行分離，將對(duì)客運(yùn)服務(wù)的影響降到最低。在利用車廂空間時(shí)有必要的固定設(shè)施，從而保障安全性。在有穩(wěn)定、大量貨物運(yùn)輸需求時(shí)，采用客貨混跑形式；在目前客貨混跑案例中，采用與客運(yùn)列車速度接近的較高速度的貨運(yùn)專列在夜間運(yùn)輸，從而保障時(shí)效性。

用軌道交通客運(yùn)線路進(jìn)行貨物運(yùn)輸服務(wù)，與公路貨運(yùn)相比，可有效降低交通碳排放，改善道路交通現(xiàn)狀，并提高貨運(yùn)準(zhǔn)時(shí)率，但貨運(yùn)中托運(yùn)人往往具有保持原有決策不變的特性。如何宣傳軌道交通貨運(yùn)服務(wù)產(chǎn)品，以降低托運(yùn)人的選擇慣性，值得進(jìn)一步深入研究。