城市地下物流管道運(yùn)輸設(shè)計研究

作者簡介：盧陽旭（2001—），研究方向：控制工程。

摘要：文章提出并設(shè)計了一套城市地下物流管道運(yùn)輸?shù)姆桨?。該方案充分利用淺層土地的空間構(gòu)建物流管道，融入魚骨形管道車、智能分揀快遞柜設(shè)計，使物流運(yùn)輸實現(xiàn)全天候、自動化運(yùn)行，能夠減輕地面交通運(yùn)輸?shù)膲毫?，符合可持續(xù)發(fā)展的要求，并且對未來物流技術(shù)的發(fā)展起到了借鑒作用，對未來城市交通設(shè)計與規(guī)劃具有重大意義。

關(guān)鍵詞：地下物流；城市規(guī)劃；方案設(shè)計

中圖分類號：U173

0 引言

在21世紀(jì)初，隨著我國加入世界貿(mào)易組織和互聯(lián)網(wǎng)電子商務(wù)的興起，以及城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，城市快遞業(yè)務(wù)規(guī)模快速增長。根據(jù)國家郵政局快遞大數(shù)據(jù)平臺實時監(jiān)測數(shù)據(jù)，2021年我國快遞業(yè)務(wù)量已達(dá)1 000億件，僅上海市的快遞業(yè)務(wù)量就高達(dá)37億件?？爝f業(yè)物流的不斷增加，直接增加了城市的交通壓力，使得城市貨運(yùn)的通達(dá)性和質(zhì)量都受到影響。在人口密集的城市中，交通運(yùn)輸壓力大，物流運(yùn)輸效率低，因此需要一種新的物流運(yùn)輸方案來解決。近年來已經(jīng)有許多關(guān)于地下物流的研究，但仍然存在很多可完善的問題。

夏元超等在城市地下物流系統(tǒng)“最后一公里”的設(shè)計研究中提出使用四向穿梭車在地下軌道運(yùn)輸包裹貨物的方案，但該方案只能運(yùn)輸單一貨物且不宜高速行駛，運(yùn)輸控制也比較復(fù)雜^［1］。韓雨珩等在城市地下物流系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計研究中分析了國內(nèi)外地下物流的發(fā)展現(xiàn)狀，提出了管道運(yùn)輸與傳送帶投遞相結(jié)合的方案，在此方案的基礎(chǔ)上可進(jìn)一步詳細(xì)設(shè)計^［2］。魏艷波在城市地下道路與地下物流系統(tǒng)結(jié)合建設(shè)模式的研究中提出了將物流車道與地下車道并行建設(shè)的方案，為地下物流系統(tǒng)的實現(xiàn)分析了可行性^［3］。

本文提出了魚骨型管道車和智能分揀快遞柜設(shè)計。魚骨型管道車可運(yùn)行于圓筒形管道中，并且能夠適應(yīng)復(fù)雜的彎道和坡度的變化，這種強(qiáng)適應(yīng)性能夠降低施工難度，提高方案的可行性;智能分揀快遞柜在現(xiàn)有的快遞柜上融合了分揀機(jī)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)包裹自動投入指定柜中，解決了物流末端的投遞問題。

1 國內(nèi)外地下物流研究現(xiàn)狀

1.1 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

我國對于城市地下物流管道運(yùn)輸設(shè)計的研究持開放和積極態(tài)度，但起步較晚。2004年，錢七虎院士就針對我國城市發(fā)展中日益嚴(yán)峻的交通問題，提出要在特大城市建設(shè)地下快速路和地下物流系統(tǒng)來優(yōu)化城市交通體系^［4］的建議，同年，廣州從瑞典引進(jìn)地下運(yùn)輸技術(shù)，并計劃在主城區(qū)建設(shè)地下垃圾管道運(yùn)輸系統(tǒng)^［5］。近年來，隨著我國地下物流研究的環(huán)境逐漸成熟，研究有了新的突破。2018年，京東成立研究所專門研究地下物流，提出京東管道-膠囊運(yùn)輸概念^［6］。2021年，雄安新區(qū)地下綜合管廊采用三層四艙結(jié)構(gòu)，最上層為物流通道層，用于無人駕駛車以及貨運(yùn)物流。國內(nèi)對于地下物流的研究目前處于起步階段，開始了最初的實踐探索。

1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀

國外對于地下物流管道運(yùn)輸?shù)难芯亢蛯嵺`應(yīng)用很早就開始了，其中最具代表性的是英國、美國、荷蘭和日本的研究。1853年，英國利用有輪的氣力運(yùn)輸管線在倫敦建造了城市管道郵政系統(tǒng)軌道，管道直徑為60.96 cm，運(yùn)輸速度可達(dá)64.37 km/h，構(gòu)成了城市地下物流管道運(yùn)輸?shù)碾r形。美國在20世紀(jì)初開始建設(shè)地下物流系統(tǒng)，在芝加哥城市街道地下建設(shè)了一個地下貨物運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)，以電為動力運(yùn)輸城市垃圾和煤。1915年，日本也開始開發(fā)地下物流，修建了“雙車道”系統(tǒng)，用來連接?xùn)|京市中心的郵政局并運(yùn)輸商品。荷蘭在1996年開始建設(shè)專業(yè)的地下物流系統(tǒng)，連接著阿姆斯特丹機(jī)場、世界上最大的花卉市場和鐵路中轉(zhuǎn)站，該系統(tǒng)于2022年正式建成^［7］。國外對地下物流的研究和應(yīng)用相對成熟，但在快遞物流領(lǐng)域的應(yīng)用較少。

2 研究地下管道運(yùn)輸?shù)囊饬x

物流系統(tǒng)是城市運(yùn)轉(zhuǎn)的重要組成部分。傳統(tǒng)的物流運(yùn)輸方式通過路面車輛連接商家和用戶。然而，在信息高速發(fā)展傳播的今天，傳統(tǒng)物流運(yùn)輸?shù)某惺苣芰σ呀?jīng)接近瓶頸。在國內(nèi)，“雙十一”“618”等電商促銷節(jié)日前后，快遞公司常常無法準(zhǔn)時運(yùn)送快遞，出現(xiàn)運(yùn)輸貨車超載和倉庫存儲超量的情況，快遞員的運(yùn)輸工作更是超負(fù)荷^［8］。這不僅降低了物流運(yùn)輸?shù)男?，對交通運(yùn)輸影響也極大，甚至引發(fā)多起交通事故。由此可見，傳統(tǒng)的物流運(yùn)輸方式在未來必將被新型物流運(yùn)輸方式取代。近年來，地鐵在我國各大城市逐漸加快建設(shè)，使得人們出行更加便利，也有效緩解了城市的交通壓力^［9］。而地下管道運(yùn)輸順應(yīng)了社會發(fā)展的趨勢，研究地下管道運(yùn)輸，能夠解決傳統(tǒng)物流運(yùn)輸中出現(xiàn)的問題，進(jìn)一步緩解城市的交通壓力。

相對于傳統(tǒng)物流運(yùn)輸，地下物流管道運(yùn)輸不受天氣、時間等因素的限制，可全天候運(yùn)行。理論上，地下管道運(yùn)輸?shù)男时嚷访孢\(yùn)輸高出一倍以上。此外，地下管道運(yùn)輸充分利用淺層土地的空間資源，減少了地面道路的占用，能夠大大緩解交通壓力，降低交通事故發(fā)生率。地下物流管道運(yùn)輸利用新能源或電力驅(qū)動，無噪音、無廢氣，符合可持續(xù)發(fā)展理念。研究地下管道運(yùn)輸對我國的城市化進(jìn)程、城市交通設(shè)計與規(guī)劃和物流技術(shù)發(fā)展有著重大意義。

3 地下物流管道運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計

地下管道物流運(yùn)輸系統(tǒng)的總體流程如圖1所示。系統(tǒng)以城市物流總站為起點，將貨物向城市中的各區(qū)域輸送，貨物包裹由物流總站分配完成后依次通過管道運(yùn)輸系統(tǒng)的干路、支路運(yùn)輸。運(yùn)輸路線設(shè)置多級支路岔口，經(jīng)過合理的路線設(shè)計，可覆蓋城市大部分地區(qū)。城市中存在多種貨物類型，能夠打包運(yùn)輸?shù)呢浳锒寄艹蔀榈叵鹿艿肋\(yùn)輸?shù)膶ο蟆３爝f包裹外，超市和市場需要的生鮮也是地下管道運(yùn)輸?shù)闹饕獙ο?。根?jù)貨物類型，最低級支路將生鮮、商品等包裹運(yùn)至目的地市場、超市等地下倉庫進(jìn)行卸貨，或?qū)⒖爝f包裹運(yùn)至智能快遞柜處進(jìn)行包裹暫存，等待用戶取出。卸貨后的空車行駛至市區(qū)倉庫或寄件機(jī)處裝貨，裝貨完成后，管道車經(jīng)返回管道返回至城市物流總站，再進(jìn)行下一輪運(yùn)輸。

3.2 地下運(yùn)輸管道

地下運(yùn)輸管道由直行管道、彎道和分叉管道三種管道組成如圖2所示。直行管道與彎道使用澆筑好的水泥管道拼接形成，分叉管道則由可活動的軟管搭配分道閘構(gòu)成。水泥管道具有結(jié)構(gòu)結(jié)實、便于淺層鋪設(shè)的優(yōu)點，在實際施工中與鋪設(shè)下水道相似，建設(shè)成本低、具備可行性。分道閘由微型計算機(jī)、舵機(jī)、掃碼模塊以及機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。分道閘高速掃碼模塊能識別列車的目標(biāo)通道，將軟管擺至與目標(biāo)通道相連接，使列車正確駛至目的地。管道車在行駛至分道閘前，車頭配備的光電傳感器接收漫反射反光板的光信號，從而識別即將到達(dá)分道閘并減速。管道車減至一定速度后，掃碼模塊的高速掃描頭可讀取管道車二維碼信息，并傳輸至分道閘微型計算機(jī)處，微型計算機(jī)根據(jù)二維碼信息控制分道閘將管道分撥至正確岔道。當(dāng)列車行駛至快遞柜傳送帶處時，將進(jìn)入點動行駛模式，推桿上的掃碼模塊識別車上的包裹信息，并通過微處理器控制推桿將此處需要存放的包裹推入傳送帶，傳送帶則將包裹運(yùn)輸至分揀機(jī)處。

3.3 魚骨形管道車

魚骨形管道車的結(jié)構(gòu)如圖3所示。管道車由動力車頭和魚骨形車身構(gòu)成，兩部分通過車頭主軸連接。動力車頭采用牽引臂供電，搭載電機(jī)和微型計算機(jī)，受程序控制執(zhí)行行駛和停止操作。車頭部分設(shè)有紅外測距模塊，微型計算機(jī)根據(jù)測距對車速進(jìn)行控制，保持管道內(nèi)列車之間的安全車距。車身部分由萬向連接軸將多條條狀甲板連接，使車身呈魚骨形。條狀甲板兩側(cè)附有萬向輪，支持甲板穩(wěn)定行駛。兩條條狀甲板之間設(shè)緩沖彈簧，在甲板活動時起到緩沖作用。管道車不設(shè)車廂，車載貨物置于甲板上，運(yùn)行過程如同高速運(yùn)轉(zhuǎn)的傳送帶。這種魚骨形結(jié)構(gòu)車身能夠運(yùn)行于圓筒形水泥管道中，并適應(yīng)管道的靈活轉(zhuǎn)向以及坡度的上下變換。

3.4 智能分揀快遞柜

智能分揀快遞柜結(jié)構(gòu)如下頁圖4所示，其在傳統(tǒng)快遞柜的基礎(chǔ)上引入了分揀機(jī)結(jié)構(gòu)，分揀機(jī)由步進(jìn)電機(jī)、傳動帶和機(jī)艙等主要部件組成。傳送帶運(yùn)輸包裹至分揀機(jī)處，由微型計算機(jī)控制分揀機(jī)與傳送帶配合，將包裹依次送入機(jī)艙內(nèi)。通過控制步進(jìn)電機(jī)帶動水平與垂直方向的傳動帶，分揀機(jī)可間接控制分揀機(jī)機(jī)艙坐標(biāo)，將機(jī)艙送至指定柜子坐標(biāo)處，再由艙內(nèi)推桿將包裹推入柜體內(nèi)部。該分揀機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、占地空間小的特點，可實現(xiàn)精準(zhǔn)機(jī)艙定位，能夠很好地適配傳統(tǒng)快遞柜。

4 結(jié)語

本文設(shè)計了一套城市地下物流管道運(yùn)輸系統(tǒng)，解決了快遞業(yè)物流中“最后一公里”的末端配送服務(wù)問題，對于未來城市交通規(guī)劃和城市物流發(fā)展具有重要的實際意義和價值。相比于傳統(tǒng)的物流系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有全天候運(yùn)行、無人化、高效率和高準(zhǔn)確率等優(yōu)點，且能夠充分利用地下空間資源，減少地面道路的壓力，有效緩解大型城市交通運(yùn)輸?shù)膿頂D性。

該系統(tǒng)目前設(shè)計用于貨物包裹的運(yùn)輸。除此之外，它還有巨大的潛力，能夠發(fā)展為運(yùn)輸緊急物資如醫(yī)療用品和戰(zhàn)略補(bǔ)給，甚至可為外賣行業(yè)提供運(yùn)輸服務(wù)等。修建城市地下物流運(yùn)輸系統(tǒng)不僅能夠服務(wù)社會，還能夠在戰(zhàn)時作為物資運(yùn)輸?shù)耐ǖ?，對國家發(fā)展具有重大意義。

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收稿日期：2023-04-07